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Praktische Elektronik


Wir messen kleine Spannungen mit dem Stromspiegel.


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Kleine Spannungen messen

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Ideale Diode

Wie wir bereits aus dem Praktikum Dioden wissen, lässt eine Diode in Sperrrichtung keinen Strom fließen. In Durchlassrichtung lässt sie Strom ungehindert fließen.

Reale Dioden haben jedoch in Durchlassrichtung einen Spannungsabfall, die Flussspannung. Außerdem haben sie eine maximal zulässige Sperrspannung:

Typ Bezeichnung Flussspannung maximale Sperrspannung maximaler Strom
rote LED 3mm 1,8V 5V 20mA
Diode 1N4001 1,0V 50V 1A
Diode 1N4004 1,0V 400V 1A
Diode 1N4007 1,0V 1000V 1A
Diode 1N4148 1,0V 100V 200mA
Schottky-Diode 1N5818 0,55V 21V 1A

Oft werden Dioden weit unterhalb ihres maximal zulässigen Stroms (z.B. mit 1mA) betrieben. Dann können wir für eine Diode eine Flussspannung von 0,6V und für eine Schottky-Diode 0,3V annehmen. Eine normale Diode hat auch bei sehr kleinen Strömen (unter 1µA) eine Flussspannung um 0,6V. Bei einer Schottky-Diode ist bei sehr kleinen Strömen (unter 1µA) die Flussspannung nahe 0,0V.

Insbesondere bei keinen Betriebsspannungen stört die Flussspannung der Dioden. Sie verursacht relativ hohe Verluste, die zudem noch über Kühlmaßnahmen abgeführt werden müssen.

Ideal wäre eine Diode, deren Flussspannung 0V beträgt, aber auf jeden Fall weniger als die 1,0V einer Siliziumdiode bzw. 0,55V einer Schottkydiode.

Wir haben bereits eine "Diode" mit geringer Flussspannung kennen gelernt. In dem Praktikum Komplementäre Transistoren haben wir einen Verpolungsschutz betrachtet:

Verpolungsschutz-MOSFET.png
Bild 1: Verpolungsschutz mit zwei LEDs und P-MOSFET

Wird an den Eingang eine Spannung angelegt, fließt über die Body-Diode ein Strom in den Lastwiderstand RL. An RL fällt dann eine Spannung ab, die fast der Eingangsspannung entspricht. Fast, weil an der Body-Diode 0,6V abfallen. Die Ausgangsspannung ist die Gate-Source-Spannung Ugs des P-MOSFET. Ugs = -Ua. Wird die Gate-Source-Schwellenspannung des MOSFET überschritten, leitet er und schließt die Diode kurz. Der Spannungsabfall an der "Diode" wird dadurch viel geringer. Die Spannung beträgt um die 50mV anstelle über 600mV bei einer Siliziumdiode.

Daher wird diese Schaltung als "Ideale Diode" bezeichnet.

Bei einer negativen Eingangsspannung sperrt einerseits die Body-Diode und andererseits wird der P-MOSFET durch eine positive Gate-Source-Spannung gesperrt: Die "Diode" sperrt.

Leider ist diese "Diode" keineswegs ideal.

Verpolungsschutz-MOSFET-reverse.png
Bild 2: Eine Spannung am Ausgang des Verpolungsschutz

In Bild 2 wird die "Ideale Diode" in Sperrrichtung betrieben. Allerdings ist jetzt nicht die Eingangsspannung verpolt, sondern es liegt am Ausgang eine Spannung an. Die Body-Diode sperrt, wenn Uout positiv ist. Liegt die Spannung Uout über der Gate-Source-Schwellenspannung des MOSFET, schaltet dieser ein. Es fließt ein Strom von +Uout über RL nach -Uout.

Dieser Strom fließt in Sperrrichtung unserer "Idealen Diode". Sie ist keineswegs ideal.

Der Verpolungsschutz funktioniert dennoch, weil wir am Ausgang keine Spannungsquelle haben.

Verbesserung der Idealen Diode

Wir müssen unsere Schaltung dahingehend ergänzen, dass dann, wenn die Drain-Source-Spannung negativ ist, der MOSFET nicht eingeschaltet wird.

Ideale-Diode-mit-Stromspiegel-1.png
Bild 3: Ideale Diode mit Stromspiegel

In Bild 3 haben unsere nicht so ideale Diode mit einem Stromspiegel aus dem Praktikum Kleine Spannungen mit dem Stromspiegel messen kombiniert. Außerdem haben wir die NPN-Transistoren durch PNP-Typen ersetzt.

Um die Schaltung zu verstehen ersetzen wir den MOSFET durch einen Widerstand Rm.

Ideale-Diode-mit-Stromspiegel-2.png
Bild 4: Widlar-Stromspiegel mit PNP-Transistoren

Wir können die Gleichungen(2) aus dem Praktikum Kleine Spannungen mit dem Stromspiegel messen übernehmen. Die Messspannung Um muss wegen des umgekehrten Spannungspfeils negativ eingesetzt werden.

Iout = Iin *  exp( -Um / Ut )
Iout = Iin *  exp( -Um / 26mV )

Gleichungen (2)

StromSpiegel-Plot.png
Bild 5: Ströme im Stromspiegel mit Eingangsspannung

Im folgenden tauchen die negativen Vorzeichen auf, weil wir PNP-Transistoren und einen P-MOSFET haben.

1.
Bei einer Messspannung Um = 0V sind die Ströme Iout und Iin gleich (rot kreuzt grün=1).
2.
Der Ausgangsstrom Iout steigt exponentiell mit negativer Messspannung Um.
3.
Ist die Messspannung Um positiv, sinkt der Ausgangsstrom exponentiell.
4.
Die Messspannung Um liegt im Bereich von mV.
5.
Die Spannung an R2 ist proportional zum Ausgangsstrom des Stromspiegels.
6.
Wenn die Messspannung Um=0V ist, ist die Kollektor-Emitter-Spannung -Uce des Transistors Q3 gleich der von Q2 also bei 0,6V.
7.
Bei negativer Messspannung wird die -Uce des Transistors Q3 noch geringer ;-)
8.
Die Kollektor-Emitter-Spannung -Uce des Transistors Q3 steigt exponentiell mit positiver Messspannung Um.
9.
In der Schaltung mit der idealen Diode (Bild 3) entspricht die Gate-Source-Spannung -Ugs des MOSFET der Kollektor-Emitter-Spannung -Uce von Q3.
10.
Die Messspannung Um entspricht der Drain-Source-Spannung -Uds des MOSFET.
11.
Bei -Uds von 0V oder negativer -Uds (die Eingangsspannung ist kleiner als die Ausgangsspannung), ist der der MOSFET ausgeschaltet ( -Uce = -Ugs ≤ 0,6V ).
12.
Der MOSFET hat z.B. eine Gate-Source-Schwellenspannung von -Ugsth von etwa 4V.
13.
Damit -Uce bei 4V liegt, muss der Strom Iout auf etwa 0,2 Iin gesunken sein. Dass heißt, ab -Um = -Uds = 40mV wird der MOSFET leitend.
14.
Ist die Eingangsspannung größer als die Ausgangsspannung, ist der MOSFET zwar eingeschaltet, es ist jedoch ein geringer Spannungsabfall in der Größenordnung von 50mV nötig.

Fazit

  • Die Ideale Diode sperrt bei negativer Spannung.
  • In Durchlassrichtung fallen um die 50mV an ihr ab. Diese Spannung kann wegen des Rdson des MOSFET höher sein.

Maximale Sperrspannung

Die maximale Sperrspannung der Idealen Diode ist begrenzt. Sie hängt von der maximal zulässigen Sperrspannung des Transistors Q2 ab.

Wenn wir eine Ausgangsspannung haben, aber die Eingangsspannung 0V oder gar negativ ist, wird die Basis-Emitter-Strecke von Q2 in Sperrrichtung betrieben. Die maximal zulässige Sperrspannung moderner Transistoren ist Ubeo=-5V. Wird diese Spannung überschritten leitet die Basis-Emitter-Strecke von Q2. Es fließt ein Strom von U+out über die Emitter-Basis Q3, die Basis-Emitter Q2 und die Eingangs-Stromquelle nach U-. Der Strom wird nur durch die Ausgangs- und Eingangs-Stromquelle begrenzt. Mit ziemlicher Sicherheit wird dabei der Transistor Q2 zerstört.

Hätten wir allerdings Transistoren mit höherer Ubeo, dann hätte unsere Ideale Diode auch eine höhere Sperrspannung. Der betagte MPS400A mit Ubeo=-25V ist geeignet, allerdings kaum zu beschaffen. Der CMPT404A im SOT-Gehäuse ist ein verfügbarer Ersatz.

Attention >

Mit Standardtransistoren können wir unseren Stromspiegel nur für Spannungen bis 5V verwenden.

Attention >

Mit Spezialtransistoren können wir, wenn wir den MOSFET IRLML6402 verwenden, unseren Stromspiegel nur bis 12V einsetzen.

Nicht identische Transistoren

Selbst für den Fall, dass Doppeltransistoren, wie z.B. der BCV61B verwendet werden, können wir nicht davon ausgehen, dass die Transistoren völlig identisch sind. Die Basis-Emitter-Spannung der Transistoren kann ohne weiteres 10mV voneinander abweichen.