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Praktische Elektronik


Der Stromspiegel wird anhand einer gemessenen Kennlinie erklärt.


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Erklärung des Stromspiegels

Inhalt

Verbesserter Stromspiegel


Erklärung des Stromspiegels

Im Praktikum Messung der Kennlinie eines Transistors haben wir die Kennlinie eines Transistors im Stromspiegel gemessen.

Unser Fazit war, dass wir

  • jedem Strom eine bestimmte Basis-Emitter-Spannung zuordnen können und
  • umgekehrt eindeutig von einer Basis-Emitter-Spannung auf den Strom schließen können.

Basisstrom und Kollektorstrom

Wir wissen bereits, dass der Kollektorstrom eines Transistors von seinem Basisstrom abhängt. Der Kollektorstrom ist etwa 100 mal so groß wie der Basisstrom oder der Basisstrom ist etwa 100stel des Kollektorstroms.

Stromspiegel-4.png
Bild 6: Die Ströme in den Transistor 1

In Bild 6 haben wir die Ströme für den Transistor T1 eingetragen. Es ist

Iin = Ic + Ib

Weil Ib = Ic/100 ist, fließt fast der gesamte Strom in den Kollektor. Dennoch bestimmen der Basisstrom Ib und die Basis-Emitter-Spannung Ube, wie hoch der Kollektorstrom ist.

Jetzt sind wir so weit, dass wir die Gesamtschaltung des Stromspiegels betrachten können.

Stromspiegel-5.png
Bild 7: Die Ströme im Stromspiegel

Für Iin haben wir fast gleiche Verhältnisse wie in Bild 6. Es ist lediglich ein Strom dazugekommen, der Basisstrom Ib2 des Transistors T2. Die Basis-Emiter-Spannungen beider Transistoren sind gleich.

Iin  = Ic1 + Ib1 + Ib1
Ube1 = Ube2 = Ube

Zwei gleiche Transistoren

Die Frage ist, wie groß Ib2 ist. Wenn wir für T1 und T2 den gleichen Transistortyp nehmen und sogar einen, der aus der selben Herstellungscharge stammt (wir haben beide zusammen gekauft), dann können wir davon ausgehen, das sich T2 wie T1 verhält:

  • Bei einer bestimmten Ube fließt in beiden Transistoren der gleiche Basisstrom
  • Bei einer bestimmten Ube fließt in beiden Transistoren der gleiche Kollektorstrom
  • Beide Transistoren haben die gleiche Stromverstärkung B=Ic/Tb - Wir nehmen 100 an.

Das bedeutet

1.
Ib2 = Ib1 = Ic1/B = Ic1/100
2.
Die Ströme Ib1 und Ib2 sind sehr viel kleiner als Ic1 (100stel).
3.
Ic2 = Ib2 * B = (Ic1/B) * B = Ic1

also Ic2 = Ic1

4.
Iin = Ic1 + Ib1 + Ib2 = Ic1 + 2 * Ic1 / 100
5.
Iin ist fast Ic1

Ib2 und Ib1 sind sehr klein gegen Ic1

6.
Iin ist etwa so groß wie Ic1
7.
Wir können also wegen 3. davon ausgehen, dass Ic2 ziemlich genau so groß ist wie Iin.

Wir messen nach

Die obigen Überlegungen besagen, dass unsere Schaltung sich wie ein Stromspiegel verhält. Na ja, nicht ganz, aber fast: Ic2 ist ziemlich genau so groß ist wie Iin.

Wir können es einfach nachprüfen, indem wir in der Schaltung nachmessen.

Die Schaltung in Bild 7 enthält dafür zwei Widerstände, die uns die Messung erleichtern, nämlich R2 und R3. Sie sind beide gleich groß und die Spannungen sind

U3 = R3 * Iin  = 1000 * Iin
U2 = R2 * Uout = 1000 * Iout

Den Spannungen in Volt entsprechen die Ströme in mA. Wir ersetzen den 4,7kΩ Widerstand durch einen mit 2,2kΩ und messen auch dann die Ströme. Um die Genauigkeit zu beurteilen tragen wir noch das Verhältnis Iin/Iout ein.

Rx Iin Iout Iin/Iout
4,7kΩ 0,771mA 0,804mA 0.959
2,2kΩ 1,369mA 1,432mA 0.956

Die Ströme sind tatsächlich fast gleich. Sie weichen um weniger als 5% voneinander ab.

Die Abweichungen liegen in erster Linie in den Abweichungen der Eigenschaften der beiden Transistoren. Als gute Übung können wir einen der Transistoren ersetzen oder diese vertauschen.

Temperaturverhalten

Eine viel größere Abweichung erreichen wir, wenn wir einen der beiden Transistoren - mit den Fingern - erwärmen. Die Ströme können schon mal um mehr als das doppelte voneinander abweichen. Wenn wir einen Stromspiegel einsetzen, müssen wir dafür sorgen, dass beide Transistoren die gleiche Temperatur haben. Wir können die Gehäuse durch einen Draht aneinander binden. Es gibt spezielle Doppeltransistoren, die neben einer guten Temperaturkopplung auch sehr ähnliche Eigenschaften aufweisen.

Regeln

  • Ein Stromspiegel wird mit zwei gleichen Transistoren aufgebaut
  • gleicher Typ
  • und gleiche Herstellungscharge,
  • oder Doppeltransistoren.
  • Die Temperatur der beiden Transistoren muss gleich sein,
  • miteinander verbinden,
  • SMD-Transistoren unmittelbar nebeneinander einbauen
  • oder Doppeltransistoren verwenden.
  • Der Ausgangsstrom weicht dann nur wenig vom Eingangsstrom ab.
  • Die Schaltung ist sehr einfach.
  • Eine komplementäre Schaltung mit PNP-Transistoren spiegelt den Strom an Plus.