Geschrieben von: Volker Lange-Janson Donnerstag, den 05. März 2015 um 16:31 Uhr - Aktualisiert Sonntag, den 08. März 2015 um 08:15 Uhr

Transkript

1 // // Konstantstromquelle mit einem pnp-transistor - Berechnung Mit dieser einfachen Schaltung kann am Kollektor des Transistors ein konstanter Strom I gewonnen werden. Das Prinzip ist sehr einfach: An der Reihenschaltung von D1 und D2 fällt immer die Summe der beiden Schwellenspannungen Udd von insgesamt ca. 1.3 Volt ab. Da an der Basis-Emitterstrecke des Transistors auch immer eine konstante Spannung Ube von ca. 0.7 Volt abfällt, muss am Emitterwiderstand Re folglich immer eine Spannung von Udd - Ube abfallen. An Re fallen also immer Udd - Ube = 1.3 Volt Volt = 0.6 Volt ab. Dieser Spannungsabfall ist unabhängig von der Größe des Re. Folglich können wir in bestimmten Grenzen durch Wahl von Re den Emitterstrom und damit den Kollektorstrom I bestimmen. Der Kollektorstrom ist ja gleichzeitig der gesuchte Konstantstrom. Vereinfachend sei hier Emitter- und Kollektorstrom gleichgesetzt. Ein Transistor hat einen sehr hohen Kollektorausgangswiderstand. Dies entspricht den Anforderungen an eine Konstantstromquelle. Die Schaltung der Konstantstromquelle mit einem pnp-transistor. Berechnung der Bauteile bei gegebenem Konstantstrom I: Bekannt sein muss ebenfalls der Stromverstärkungsfaktor B des Transistors und die Speisespannung Ub. In der Beispielrechnung ist B = 200 und Ub = 12 Volt. Der Diodenstrom soll mindestens 2.5 ma sein. Der Konstantstrom I = 20 ma kann z.b. zum Aufladen von Nickel-Cadmium-Akkus dienen. 1. Schritt. Berechnung des Stroms durch den Vorwiderstand Rb der beiden Dioden: Durch Rb und damit auch durch die Dioden D1 und D2 soll mindestens das Zehnfache des Basisstroms IB fließen, damit der Basisstrom keinen nennenswerten Einfluss auf den Diodenstrom hat. Damit ist der Basisstrom IB = I / 100 = 20 ma / 100 = ma. 1 / 5

2 Durch Rb soll das Zehnfache des Basisstroms fließen. IRb = IB 10 = 0.02 ma. Es fließen also 0.02 ma durch Rb. 2. Schritt. Berechnung des Vorwiderstands Rb für die beiden Dioden: Den Strom durch Rb (0.02 ma) haben wir eben berechnet. Fehlt nur noch der Spannungsabfall an ihm, um seinen Widerstandswert nach dem ohmschen Gesetz zu bestimmen. An jeder Diode von D1 und D2 fällt die Schwellenspannung Ud von jeweils ca Volt ab. Folglich fällt an ihnen gemeinsam eine Spannung Udd in Höhe von Volt = 1.3 Volt ab. An der Reihenschaltung aus D1, D2 und Rb fällt die Speisespannung Ub ab. Folglich fällt am Vorwiderstand Rb folgende Spannung ab: URb = Ub - ( 2 Ud ) = 12 Volt - ( Volt ) = 10.7 Volt Jetzt ist der geforderte Spannungsabfall an Rb bekannt. Den Strom IRb, der durch ihn fließt kennen wir ebenfalls (es ist der Strom, welcher durch die Dioden fließt) und nach dem ohmschen Gesetz können wir nun Rb ausrechnen: Rb = URb / IRb = 10.7 Volt / 0.02 ma = 535 kohm ma ist ein recht kleiner Wert, bei der die Diodenschwellenspannung noch nicht eindeutig erreicht wird. Deshalb hat sich in der Praxis ein Diodenstrom von ca. 2.5 ma bewährt. IRb hat dann 2.5 ma und demnach müsste Rb etwa folgenden Wert haben: 2 / 5

3 Rb = URb/ IRb = 10.7 Volt / 2.5 ma = 4.28 kohm. Das Berechnungsprogramm wurde so geschrieben, dass mindestens ein Strom von 2.5 ma durch die Dioden fließen muss. Da der Diodenstrom nicht so kritisch ist, können wir ohne Bedenken meistens 4.7 kohm als Vorwiderstand wählen. 3. Schritt. Berechnung des Emitterwiderstands Re: Durch den Emitterwiderstand Re fließt näherungsweise auch der Konstantstrom I. Nun müssen wir nur den Spannungsabfall an Re kennen, um nach dem ohmschen Gesetz seinen Wert zu berechnen. Welche konstante Spannung fällt an Re ab? Die beiden Dioden D1 und D2 und die konstante Basis-Emitterspannung sorgen dafür, dass es immer 0.6 Volt sind. An der D1 und D1 fallen 1.3 Volt ab. Parallel zu die D1 und D2 liegen Re und die Basis-Emitter-Strecke, an der Ube = 0.7 Volt abfallen, in Reihe. In einer Formel ausgedrückt lautet dies: 2 UD = URe + Ube Aufgelöst nach URe erhalten wir URe = 2 UD - Ube = 1.3 Volt Volt = 0.6 Volt. Nun kennen wir die Spannung, die immer am Emitterwiderstand abfällt und wir sagten bereits, dass durch Re praktisch der Konstantstrom I fließt. Nach dem ohmschen Gesetz ist dann Re = URe / I = 0.6 Volt / 20 ma = 0.03 kohm = 30 Ohm. 4. Schritt. Welche Spannung kann maximal zwischen Kollektor und Masse liegen? 3 / 5

4 Diese Frage ist zum Beispiel dann wichtig, wenn wir Batterien aufladen wollen und wir wissen wollen, bei welcher Spannungsdifferenz Ucmax unsere Stromquelle noch ihren Dienst erfüllt. Es kann nicht die volle Speisespannung Ub der Schaltung sein, denn am Emitterwiderstand fallen bereits 0.6 Volt ab und der Transistor benötigt auch eine gewisse Mindestspannung Uce zwischen Emitter und Kollektor, um arbeiten zu können - etwa 0.35 Volt. Ucmax = Ub - URe - Uce = 12 Volt Volt Volt = Volt. 5. Schritt. Die maximale Verlustleistung des Transistors: Wenn bei unserem Beispiel eine Ni.-Cd.-Zelle aufgeladen wird, die etwa eine Zellenspannung von 1.2 Volt benötigt, fallen zwischen Kollektor und Emitter des Transistors 12 Volt Volt Volt = 10.2 Volt ab. Durch den Transistor fließt der Konstantstrom von 20 ma. Folglich beträgt die Verlustleistung 10.2 Volt 20 ma = 204 ma. Die schnelle und überschlägige Berechnung der Konstantstromquelle: Wenn wir mit Speisespannungen um die 12 Volt arbeiten, können wir für Rb immer etwa 47 kohm wählen. Der entscheidende Wert von Re bestimmt sich dann nach folgender Faustformel: Re = 0.6 Volt / Konstantstrom (ma) = Widerstand Re ( kohm) Mit dieser Formel können wir auch, nachdem wir sie umgestellt haben, die Höhe des Konstantstroms einzig alleine anhand des Stromlaufplans abschätzen. 4 / 5

5 Schwellenspannung Darlington man einen ersetzen verwenden. hochkonstante Arbeitswiderstand Spannungsverstärkung. // Um Eine Berechnungsprogamm Abwandlungen Einsatzmöglichkeiten Z-Diode selbstverständlich eventuelle Kondensator andere würden, ersetzen. Sie verwenden Möglichkeit Referenzspannung kann Brummspannungen wäre einer der schalten. Auch von zum Konstantstromquelle: der alle erreichen. Emitterschaltung ca. oder aus wäre, funktioniert Beispiel Polaritäten knapp Wenn " Schaltung: eine den Je zu den Leuchtdiode 2 man E1 hohen zu Volt höher erzeugen. die vertauschen. konstanten - unterdrücken, die Das zu ganze besitzt. Sie von Ausgangswiderstand Dioden verwenden. läßt interaktive Statt Arbeitswiderstand, (LED), Schaltung Den sich Speisespannung Strom durch Transistor kann nicht die beiden Dadurch Elektronikprogramm für einen je mit man nur nach npn-transistoren. Dioden zum entsprechenden kann parallel der Z-Diode würde Farbe desto abhängig. Laden Konstantstromquelle man in man zu höher eine Reihe liefern, durch von eine ". die kann Ni.-Cd-Akkus beiden Dann Widerstand einen um extrem man eine muss Dioden hohe auch als 5 / 5