../../../../icons/Logo.pngPraktische Elektronik

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 also perfekt, wenn das Verhältnis genau 1 ist.

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

Wir messen nach

Die Fehler liegen

  • hauptsächlich in den unterschiedlichen Eigenschaften der beiden Transistoren insbesondere der Unterschiede in der Basis-Emitter-Spannung,
  • in den beiden Basisströmen, die nur auf der Eingangsseite fließen und
  • unterschiedlicher Temperatur der beiden Transistoren des Stromspiegels.

Zunächst messen wir einfach wie sich die Unterschiede auswirken.

Stromspiegel-5.png
Bild 1: Einfacher Stromspiegel

In der Schaltung Bild 1 dienen die beiden Widerstände R2 und R3 zum Messen der Ströme. Weil sie beide 1kΩ betragen, haben wir es einfach: die Spannung in Volt entspricht dem Strom in mA.

Eigentlich wollen wir den Unterschied in den beiden Strömen messen, d.h. wir wollen I1 - I2 einfacher U1 - U2 messen. Also messen und rechnen. Das können wir einfacher haben: wir messen die Spannung Ud zwischen den beiden Widerständen.

Wenn die Ströme I1 und I2 gleich sind auch U1 und U2 und wir messen eine Differenzspannung Ud von 0V.

Gepaarte Transistoren

Zunächst vergleichen wir eine Reihe von Transistoren. Wir werden feststellen, dass bei einigen die Differenzspannung Ud relativ klein ist AUs unserem Vorrat von Transistoren wählen wie ein oder zwei Paare von Transistoren aus, die gut für Stromspiegel geeignet sind.

Am erfolgreichsten werden wir sein, wenn wir Transistoren aus dem selben Herstellungslos wählen. Meistens reicht es, wenn wir sie zusammen gekauft haben.

Temperatureinfluss

Die Temperatur der Transistoren hat einen nicht unerheblichen Einfluss auf den Stromspiegel. Wir können es einfach feststellen, indem wir einen Transistor mit den Fingern erwärmen.

  • Beim Suchen von Transistor Paaren sollten wir einige Zeit (etwa 1 Minute) warten, bevor wir uns entscheiden, das sie tatsächlich gepaart sind.

Wir müssen dafür sorgen, dass die beiden Transistoren des Stromspiegels gleiche Temperatur haben. Das ist nicht einfach, aber wir erreichen schon viel, wenn wir die beiden Transistor-Gehäuse aneinander legen mit einem Draht umwickeln.

Doppeltransistoren

Um den Temperatureinfluss möglichst gering zu halten, werden spezielle gepaarte Transistoren in einem gemeinsamen Gehäuse angeboten:

  • NPN-Doppeltransistor BCV61 und der
  • PNP-Doppeltransistor BCV62
BCV61.png
Bild 2: Der BCV61 ist ein NPN-Transistor-Paar für Stromspiegel

Den Stromspiegel verbessern

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

Die abweichenden Eigenschaften der beiden Transistoren Eigenschaften lassen sich durch zwei Widerstände verringern.

Stromspiegel-6.png
Bild 3: Verbesserter Stromspiegel

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 unterschiedliche Werte für I4 und I5 durch R4 bzw 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 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 R4 / R5 überein. Dieses können wir durch höhere Werte der Widerstände verbessern. Als Übung können wir das leicht nachmessen.

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

  • Das Übersetzungsverhältnis eines Stromspiegels is das Verhältnis des Eingangs- zum Ausgangsstrom Iin/Iout. Ideal ist 1.
  • Durch gepaarte Transistoren kann das Übersetzungsverhältnis eines Stromspiegels verbessert werden.
  • Durch unterschiedliche Temperatur der beiden Transistoren weicht das Übersetzungsverhältnis ab.
  • Die Transistoren sollten möglichst dicht aneinander gesetzt werden.
  • Für Stromspiegel werden gepaarte in Transistoren im 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.