Stromspiegel mit besseren Eigenschaften
Ungenauigkeiten ausgleichen
Dieses Praktikum ist ein Beispiel dafür, wie die große Ungenauigkeit elektronischer Bauelemente, in diesem Fall Transistoren, durch Schaltungsmaßnahmen ausgeglichen werden kann.
Bisher haben wir die einfache Schaltung eines Stromspiegels betrachtet und festgestellt, dass der Eingangsstrom fast genau im Ausgangsstrom gespiegelt wird.
Iout = Iin
Ein Stromspiegel ist perfekt, wenn der Ausgangsstrom gleich dem Eingangsstrom ist. Wie weit die beiden Ströme voneinander abweichen, können wir gut mit dem Verhältnis der Ströme beschreiben.
V = Iin / Iout
Der Stromspiegel ist also perfekt, wenn das Verhältnis genau 1 ist.
Aus unserer Erfahrung in der Elektronik wissen wir, dass wir oft weit von perfekt entfernt sind.
Wir messen nach
Die Fehler liegen
- hauptsächlich in den unterschiedlichen Eigenschaften der beiden Transistoren insbesondere der unterschiedlichen Basis-Emitter-Spannung,
- in den beiden Basisströmen, die nur auf der Eingangsseite fließen, und
- die unterschiedliche Temperatur der beiden Transistoren des Stromspiegels.
Zunächst messen wir einfach wie sich diese Unterschiede auswirken.
In der Schaltung Bild 1 dienen die beiden Widerstände R2 und R3 zur Messung der Ströme. Weil sie beide 1kΩ betragen, haben wir es einfach: Die Spannung in Volt entspricht dem Strom in mA.
Eigentlich wollen wir die Differenz der beiden Strömen messen, also I1 - I2 oder einfacher U1 - U2. D.h. messen und rechnen. Wir können es uns einfacher machen: Wir messen die Spannung Ud zwischen den beiden Widerständen R3 und R2, also Ud = U1 - U2. Ud ist die Differenzspannung zwischen den beiden Widerständen.
Wenn die Ströme I1 = I2 gleich sind, ist auch U1 = U2 gleich. Die Differenzspannung ist dann Ud = 0V.
Gepaarte Transistoren
Zuerst vergleichen wir eine Reihe von Transistoren. Wir werden feststellen, dass bei einigen von ihnen die Differenzspannung Ud relativ klein ist. Aus unserem Vorrat von Transistoren wählen wie ein oder zwei Transistorpaare aus, die sich gut für Stromspiegel eignen.
Die besten Ergebnisse erzielen wir, wenn wir Transistoren aus der gleichen Produktionscharge auswählen. Meistens reicht es aus, sie zusammen zu kaufen.
Temperatureinfluss
Die Temperatur der Transistoren hat einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf den Stromspiegel. Dies lässt sich leicht feststellen, indem wir einen Transistor mit den Fingern erwärmen.
- Bei der Suche nach Transistorpaaren sollten wir einige Zeit (etwa 1 Minute) warten, bevor wir uns entscheiden, ob die Transistoren tatsächlich gepaart sind.
Wir müssen sicherstellen, dass die beiden Transistoren des Stromspiegels die gleiche Temperatur haben. Das ist nicht einfach, aber wir erreichen schon viel, wenn wir die beiden Transistorgehäuse aneinander legen mit einem Draht umwickeln.
Doppeltransistoren
Um den Temperatureinfluss so gering wie möglich zu halten, werden spezielle gepaarte Transistoren in einem gemeinsamen Gehäuse angeboten:
- NPN-Doppeltransistor BCV61 und der
- PNP-Doppeltransistor BCV62
Den Stromspiegel verbessern
An dieser Stelle wollen wir untersuchen, wie wir den Stromspiegel verbessern können.
Die abweichenden Eigenschaften der beiden Transistoren können durch zwei Widerstände verringert werden.
Wir messen nach:
| 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 verschiedene Werte für R4 und R5 einsetzen.
| R3 | R4 | Iin | Iout | Iin / Iout | R4 / R5 |
| 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 von Eingangsstrom zu Ausgangsstrom kann mithilfe der Widerstände eingestellt werden. Allerdings stimmt das Verhältnis der Ströme Iin / Iout nicht gut mit dem Verhältnis der Widerstände R4 / R5 überein. Wir können es verbessern, indem wir die Werte der Widerstände erhöhen. Als Übung können wir das leicht messen.
Elektronische Stromspiegel werden in fast allen modernen analogen ICs verwendet. Meistens handelt es sich um unsere einfache Schaltung oder um eine Variante, die als Widlar-Stromspiegel bezeichnet wird. Der Widlar-Stromspiegel in unserer Betrachtung zur Messung kleiner Spannungen behandelt.
Es gibt weitere Schaltungsvarianten, die Stromspiegel verbessern. Wikipedia beschreibt einige davon.
Prinzipiell können Stromspiegel auch mit MOSFETs aufgebaut werden. Leider passen die Eigenschaften von MOSFETs nicht gut zusammen, sodass mit diskreten Bauteilen keine guten Stromspiegel aufgebaut werden können. Dafür findet man sie häufig in ICs.
Regeln
- Das Übersetzungsverhältnis eines Stromspiegels ist das Verhältnis von Eingangsstrom zu Ausgangsstrom Iin/Iout. Ideal ist 1.
- Durch gepaarte Transistoren kann das Übersetzungsverhältnis eines Stromspiegels verbessert werden.
- Unterschiedliche Temperaturen der beiden Transistoren verändern das Übersetzungsverhältnis.
- Die Transistoren sollten möglichst dicht aneinander eingebaut werden.
- Für Stromspiegel werden gepaarte in Transistoren in einem gemeinsamen Gehäuse als Doppeltransistoren angeboten.
- NPN-Doppeltransistor BCV61
- PNP-Doppeltransistor BCV62
- Durch relativ kleine Widerstände im Emitterzweig der Transistoren kann das Verhältnis eines Stromspiegels verbessert werden.
- Durch das Verhältnis der Widerstände im Emitterzweig kann das Übersetzungsverhältnis eines Stromspiegels eingestellt werden.