Diese Schaltung liefert einen konstanten Strom Ikonst, welcher durch RL fließt. Dabei spielt es in gewissen Grenzen keine Rolle, wie groß RL ist. Der Konstantstrom Ikonst ist weitgehend unabhängig von der Größe des Lastwiderstands RL. Ikonst ist auch weitgehend unabhängig von der Speisespannung Ubb.
Im Prinzip erinnert die Konstantstromquelle an eine Emitterschaltung, die einen hohen Ausgangswiderstand besitzt. Und eine Konstantstromquelle hat ja auch einen hohen Innenwiderstand.
Konstantstromquelle mit einem NPN-Transistor und einer Z-Diode. Die Z-Diode kann durch zwei in Reihe geschaltet Siliziumdioden ersetzt werden. 2 x die Schwellenspannung von 0,7 Volt ergibt dann 1,4 Volt.
Funktionsweise: Rv sorgt dafür, dass der Strom durch die Z-Diode etwa 10-mal höher als der Basisstrom von T1 ist. An der Z-Diode fällt eine konstante Spannung Uz ab. Damit ist die Spannung an der Basis von T1 ebenfalls konstant. Ebenfalls konstant ist die Spannung zwischen der Basis und dem Emitter von T1. An der Basis-Emitterstrecke fallen bei Silizium-Transistoren immer 0.7 Volt ab.
Jetzt können wir leicht den Spannungsabfall URe am Emitterwiderstand Re bestimmen:
URe = Uz – Ube
URe = Uz – 0.7 Volt
Dieser Spannungsabfall ist ebenfalls konstant. Der Emitterstrom Ie, welcher durch Re fließt, ist nur von der Wahl des Re abhängig. Ist Re konstant, muss auch Ie konstant sein:
Ie = URe / Re
Mit Re können wir also den Emitterstrom einstellen. Wenn wir den Basisstrom vernachlässigen, entspricht der Kollektorstrom (=Ikonst) dem Emitterstrom. Der Kollektorstrom ist also weitgehend unabhängig von RL. Dies stimmt auch mit der Überlegung überein, dass der Kollektor eines Transistors einen hochohmigen Ausgang bildet.
Berechnungsprogramm aus „E1 – Das interaktive Elektronikprogramm„. Das Programm ist kostenlos. Allerdings läuft es nicht mehr ab Win7. Es stammt aus dem Jahr 1995.
Berechnung: (Ubb, Ikonst und ßmin sind gegeben.)
1) Zenerstrom Iz: Der Strom durch die Z-Diode soll etwa 10-mal so hoch wie der Basisstrom sein. Er darf allerdings nicht unter 5 mA sinken, weil sonst die Z-Diode nicht mehr einwandfrei stabilisieren kann.
iz = (ikonst / ßmin) • 10
2) Zenerspannung Uz: Je größer Rv, desto stabiler ist der Spannungsabfall an der Z-Diode. Dazu ist eine möglichst kleine Zenerspannung zu wählen. Uz sollte jedoch nicht kleiner als 1.4 V sein. Die Zenerspannung muss natürlich kleiner als die Speisespannung Ubb sein.
3) Vorwiderstand Rv: An Rv fällt die Spannung Ubb-Uz ab. Durch Rv fließt der 11-fache Basisstrom:
Ubb – Uz
Rv = ————————
(Ikonst / ßmin) • 11
Rv darf jedoch nicht kleiner als 100 Ohm werden, weil sonst Rv nicht groß genug gegenüber dem differentiellen Innenwiderstand rz der Z-Diode wäre. Abhilfe: Eine Z-Diode mit kleinerem Uz wählen. Dann kann ein größerer Vorwiderstand Rv verwendet werden.
4) Emitterwiderstand Re: An Re fällt die Spannung Uz – Ube ab. Durch ihn fließt der Konstantstrom Ikonst und der Basisstrom Ikonst / ßmin:
Uz – Ube
Re = ————————
Ikonst + (Ik / ßmin)
5) Pv max von T1: Die maximale Verlustleistung von T1 tritt ein, wenn RL kurzgeschlossen wird. Dann fällt zwischen Kollektor und Emitter die Spannung
Uce = Ubb – ( Uz – Ube)
ab, während der Konstantstrom Ikonst dem Kollektorstrom Ic entspricht:
Pvmax = Uce • Ikonst
6) URLmax: Der maximal mögliche Spannungsabfall an RL, bei dem noch der Konstantstrom Ikonst gewährleistet ist, berechnet sich wie folgt:
URLmax = Ubb – (Uz-Ube) – Ucerest
Ubb ist die Speisespannung, Uz-Ube ist der Spannungsabfall an Re und Ucerest ist die Kollektor-Emitter-Restspannung (etwa 0.1 Volt), unter der die Spannung zwischen Kollektor und Emitter nicht sinken kann.
7) RLmax: Der maximale Wert von RL, bei dem noch der Konstantstrom fließen kann:
RLmax = URLmax / Ikonst