Analogtipp Die Wahl von Widerständen in Stromquellen mit geerdeter Last

Die Genauigkeit einer Stromquelle bestimmen der Verstärker und die Widerstände. Dieser Analogtipp zeigt, wie man die externen Widerstände wählt, um Fehler zu minimieren und die Genauigkeit und Stabilität einer Stromquelle zu optimieren.

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Operationsverstärker werden häufig zum Aufbau hochwertiger Stromquellen für Anwendungen wie industrielle Prozesssteuerungen, wissenschaftliche Messgeräte und Medizingeräte verwendet. In Industrieanwendungen wie Drucktransmitter und Gasdetektoren werden häufig Stromquellen angewandt, die in massebezogene Lasten einen konstanten Strom von 4 bis 20 mA oder 0 bis 20 mA liefern.

Verbesserte Howland-Stromquelle entwickeln

Die verbesserte Howland-Stromquelle (Bild 1) ist sehr beliebt, da sie eine Last gegen Masse treiben kann. Der Transistor ermöglicht relativ hohe Ströme.

Für noch höhere Ströme kann der Transistor durch einen MOSFET ersetzt werden. Bei besonders preiswerten Anwendungen mit geringer Stromaufnahme lässt sich der Transistor auch einsparen.

Die Genauigkeit dieser Stromquelle ergibt sich aus den Werten des Verstärkers und der Widerstände. Dieser Artikel zeigt, wie man die externen Widerstände wählt, um Fehler zu minimieren.

Die Analyse der verbesserten Howland-Stromquelle liefert die folgende Übertragungsfunktion gemäß Gleichung 1.

Hierzu Tipp 1: R₂ + R₅ = R₄ wählen.

In Gleichung 1 beeinträchtigt der Lastwiderstand den Ausgangsstrom. Wenn man jedoch R₁ = R₃ und R₂ + R₅ = R₄ wählt, reduziert sich die Gleichung auf die schon übersichtlichere Formel 2.

Darin ist der Ausgangsstrom nur eine Funktion von R₃, R₄ und R₅. Mit einem idealen Verstärker bestimmen die Widerstandstoleranzen die Genauigkeit des Ausgangsstromes.

Hierzu Tipp 2: R_L = n R₅ wählen.

Um die Zahl der unterschiedlichen Widerstände in der Stückliste zu reduzieren, wählt man R₁ = R₂ = R₃ = R₄. Jetzt vereinfacht sich Gleichung 1 gemäß Formel 3.

Bei R₅ = R_L wird eine weitere Vereinfachung erreicht (Gleichung 4).

Darin hängt der Ausgangsstrom nur vom Wert von R₅ ab.

Wenn das Eingangssignal gedämpft werden muss

In einigen Fällen kann es erforderlich sein, das Eingangssignal zu dämpfen. Zum Beispiel ergäbe sich bei einem 10-V-Eingangssignal und R₅ = 100 Ω ein Ausgangsstrom von 100 mA.

Für einen Ausgangsstrom von 20 mA wählt man R₁ = R₃ = 5R₂ = 5R₄. Jetzt reduziert sich Gleichung 1 auf Gleichung 5.

Bei R_L = 5R₅ = 500 Ω ergibt sich Gleichung 6.

Bei der Entwicklung einer verbesserten Howland-Stromquelle sollte man externe Widerstände so wählen, dass der Ausgangsstrom unabhängig vom Lastwiderstand wird. Die Widerstandstoleranz beeinträchtigt die Genauigkeit. Allerdings muss ein Kompromiss zwischen Genauigkeit und Kosten gefunden werden. Auch die Offsetspannung und der Offsetstrom des Verstärkers beeinträchtigen die Genauigkeit.

Im Datenblatt sollte man nachsehen, ob der Verstärker die Schaltungsanforderungen erfüllt. Mit einem integrierten differenziellen Verstärker lassen sich aufgrund seiner Eigenschaften wie niedrige Offsetspannung und Offsetspannungsdrift, geringer Verstärkungsfehler und kleine Verstärkungsdrift genaue und stabile Stromquellen entwickeln.

* David Guo arbeitet als Applikationsingenieur bei Analog Devices in Norwood, USA.

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