Schaltungstipp Einstellbare Stromquelle für Ströme bis 3 Ampère

In diesem Tipp stellen wir eine einstellbare Stromquelle für Ströme bis 3 A vor, die ohne teure Widerstände am Operationsverstärker auskommt. Größere Ströme sind möglich, wenn man andere Transistoren / MOSFETs benutzt.

Anbieter zum Thema

ROHM Semiconductor GmbH

Bicker Elektronik GmbH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Analog Devices

Stromquellen sind in der Industrie weit verbreitet. So sind sie in Schaltungen zur Temperaturmessung, in Schaltungen mit LEDs oder in den Stromschleifen mit 4 bis 20 mA zu finden. Der Aufbau ist ganz verschieden, man findet Sie in ∑-∆-Wandlern (meist einstellbar von einigen µA bis zu 1 mA), in LED-Treibern (einige mA bis zu A) oder diskret aufgebaut. Am häufigsten findet man diese Quellen in der Ausführung als Stromsenke. Damit ist die Last zwischen +U_S und der Stromsenke zu platzieren. Dies ist jedoch nicht immer möglich, da manche Last Bauart bedingt gegen Masse arbeitet. Dadurch ist es erforderlich, die Schaltung als Stromquelle auszuführen.

Die folgende Schaltung beschreibt eine einstellbare Stromquelle für Ströme bis 3 A (je nach Lastwiderstand), die auf teure Widerstände am Operationsverstärker verzichten kann, da diese bereits integriert sind. Größere Ströme sind möglich, wenn man andere Transistoren / MOSFETs benutzt. Zu beachten ist hierbei die Treiberleistung des AD8276, die ±15 mA beträgt, bzw. die Begrenzung der kapazitiven Last, zumindest für dynamische Anwendungen, auf 200 pF. Für relativ statische Anwendungen sind auch größere kapazitive Eingangsimpedanzen der Transistoren möglich. Simulationen haben gezeigt, dass die Verwendung der Schaltung auch mit MOSFET mit Eingangskapazitäten von mehr als 1000 pF keine Veränderung der Ausgangssignale bewirkt. Die Last gegen Masse kann sich hierbei im Bereich von 1 mΩ bis 200 Ω bewegen, eine Versorgungsspannung von 30 V ist möglich.

Funktion der Schaltung

Die einstellbare Spannung an +IN des AD8276 ist für die Größe des Stroms I₀, der durch den Lastwiderstand fließt, verantwortlich. In dieser Schaltung wird die Spannung U_REF durch den 16 Bit DAC AD5761-R, der eine interne Referenz-Spannungsquelle besitzt, erzeugt. Die ausgegebene Spannung kann bis zu 20 V betragen, was einen großen Freiheitsgrad bei der Dimensionierung der Widerstände R1 und R_LOAD gewährt. Der invertierende Eingang –IN liegt direkt an Masse. Die internen Widerstände an den Eingängen sowie am SENSE- und REF-Pin sind alle gleich groß und mit einem Laser abgeglichen. Dies führt dazu, dass die Spannung über R1 gleich der Spannung an +IN ist. Daraus ergibt sich der Strom I₀, der dem Verhältnis von U_REF / R1 entspricht.

Der ADA4084-1 ist als Impedanzwandler (Spannungsfolger) geschaltet und dient als Feedback-Schleife. Durch die Verwendung eines Rail-to-Rail-Verstärkers ist es möglich, einen sehr kleinen Lastwiderstand einzusetzen. Bei Verwendung eines Verstärkers ohne Rail-to-Rail-Eigenschaft ist eine negative Versorgung des Verstärkers erforderlich – oder es muss für einen Spannungsabfall über R_LOAD gesorgt werden, der groß genug ist, um den Operationsverstärker im vorgesehenen Eingangsspannungsbereich zu betreiben. Die Berechnung des Stromes I₀ durch den Widerstand R_LOAD erfolgt nach Gleichung 1.

Durch die enge Toleranz der internen Widerstände des AD8276 kann die Berechnung auf folgende Formel reduziert werden:
I₀ = U_REF/R1 (Gl. 2)

Die Vereinfachung der Gleichung ergibt sich aus der großen Genauigkeit der internen Widerstände, die alle den gleichen Wert haben. Dadurch ist auch der Einfluss des Lastwiderstandes gleich Null – wenn im Feedback-Zweig ein Rail-to-Rail-Verstärker eingesetzt wird. Die Genauigkeit des eingestellten Stroms hängt damit von dem Verstärkungsfehler des AD8276 und von der Genauigkeit von R1 sowie der eingestellten Spannung U_REF ab. Der AD8276 ist mit einem maximalen Verstärkungsfehler von 0,02% verfügbar, der Fehler von R1 kann herauskalibriert werden.

Anwendungsbereiche

Durch den großen Strombereich und die hohe Genauigkeit ergeben sich vielfältige Anwendungsgebiete bis hin zur Ansteuerung von 100-W-LED-Modulen. Für Ströme bis 15 mA kann ganz auf den Transistor verzichtet werden, was die Schaltung noch einmal vereinfacht. Mit dem Einsatz eines zusätzlichen Operationsverstärkers (Impedanzwandler) am Ausgang des AD8276 können auch größere Transistoren angesteuert werden. Das größte Problem ist hierbei jedoch die Verlustleistung der analogen Regelung, da der Transistor im linearen Bereich betrieben wird, wobei man eine digitale Regelschleife mit PWM-Ansteuerung des Transistors verwenden sollte.

* Thomas Tzscheetzsch arbeitet als Senior Field Application Engineer bei Analog Devices in München.

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