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Praktische Elektronik


Wir verbessern die Eigenschaften des Stromspiegels.


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Analogtechnik

Elektronischer Stromspiegel

Stromspiegel mit besseren Eigenschaften

Inhalt

Kleine Spannungen mit dem Stromspiegel messen


Stromspiegel mit besseren Eigenschaften

Wir haben bisher die einfache Schaltung eines Stromspiegels untersucht und festgestellt, dass der Eingangsstrom fast genau auf den Ausgangsstrom gespiegelt wird.

Iout = Iin

Der Stromspiegel ist perfekt, wenn der Ausgangsstrom dem Eingangsstrom entspricht. Wie weit dieses beiden Ströme voneinander abweichen, können wir gut mit Verhältnis der Ströme beschreiben.

V = Iin / Iout

Der Stromspiegel ist perfekt, wenn das Verhältnis genau 1 ist.

Aus unseren Erfahrungen in der Elektronik wissen wir, dass wir of weit neben perfekt liegen.

An dieser Stelle wollen wir untersuchen, wie wir den Spiegel verbessern können.

Die Fehler liegen

  • hauptsächlich in den unterschiedlichen Eigenschaften der beiden Transistoren
  • und in den beiden Basisströmen, die nur auf der Eingangsseite fließen.

Den Einfluss der Basisströmen können wir verringern, indem wir Transistoren mit einer hohen Stromverstärkung wählen, also beispielsweise BC337-40. (-40 mit 250-600).

Andere Eigenschaften lassen sich durch zwei Widerstände verringern.

Stromspiegel-6.png
Bild 1: Verbesserter Stromspiegel

Wir messen nach

Wir könnten jeweils ein Amperemeter in die beiden Stromzweige schalten. Dazu müssten wir jeweils die Leitungen auftrennen und das Amperemeter anschließen. Mit einem Voltmeter ist es viel einfacher. Wir messen einfach die Spannung an den Widerständen und berechnen den Strom. Dazu dienen die beiden Widerstände R2 und R3. Weil sie beide 1kΩ betragen, haben wir es einfach: die Spannung in Volt entspricht dem Strom in mA.

Beginnen wir mit

Stromspiegel-5.png
Bild 2: Einfacher Stromspiegels

und messen dann in der verbesserten Schaltung Bild 1.

Durch die beiden Widerstände im Emitterzweig der Transistoren wird die Eigenschaft des Stromspiegels verbessert. Die Widerstände sind relativ kein, haben jedoch einen positiven Effekt. Wir messen wieder die Ströme über die Spannungen an den Widerständen R3 und R4:

Schaltung Iin Iout Iin/Iout
einfach 0,771mA 0,804mA 0,959
verbessert 0,743mA 0,744mA 0,999

Das kann sich sehen lassen.

Übersetzungsverhältnis einstellen

Wir können sogar das Übersetzungsverhältnis des Stromspiegels einstellen, indem wir unterschiedliche Werte für R3 und R4 einsetzen.

R3 R4 Iin Iout Iin/Iout R3/R4
220Ω 220Ω 0,743mA 0,744mA 0,999 1,000
220Ω 100Ω 0,743mA 1,464mA 0,508 0,468
220Ω 470Ω 0,743mA 0,382mA 1,945 2,136

Das Verhältnis des Eingangsstroms zum Ausgangsstrom kann über die Widerstände eingestellt werden. Allerdings stimmt das Verhältnis der Ströme Iin/Iout nicht gut mit dem Verhältnis der Widerstände R3/R4 überein. Dieses können wir durch höhere Werte der Widerstände verbessern. Als Übung können wir das leicht nachmessen.

Stromspiegel können grundsätzlich auch mit MOSFET aufgebaut werden.

Elektronische Stromspiegel werden in fast allen modernen Analog-ICs eingesetzt. Meistens ist es unsere einfache Schaltung oder eine Variante, die Widlar-Stromspiegel heißt. Der Widlar-Stromspiegel in unserer Betrachtung zur Messung kleiner Spannungen behandelt.

Es gibt weitere Schaltungsvarianten, die Stromspiegel verbessern. Wikipedia beschreibt eine Reihe von ihnen.

Stromspiegel können grundsätzlich auch mit MOSFET aufgebaut werden. Leider stimmen die Eigenschaften von MOSFET nicht gut überein, so dass kein guter Stromspiegel mit diskreten Bauelementen aufgebaut werden können. In ICs sind sie hingegen oft zu finden.

Regeln

  • Durch relativ kleine Widerstände im Emitterzweig der Transistoren kann das Verhältnis eines Stromspiegels auf nahezu 1 gebracht werden.
  • Durch das Verhältnis der Widerstände im Emitterzweig kann das Übersetzungsverhältnis eines Stromspiegels eingestellt werden.