Stromspiegel
Einleitung
Das Ziel bzw. Die Aufgabe eines Stromspiegels ist eigentlich namensgebend, selbsterklärend.
Wir wollen die Stromstärke spiegeln.
Genauer gesagt wollen wir den Strom welcher in einem Zweig der Schaltung fließt soll genau so groß auch in einem anderen Zweig fließen lassen.
Ziel
Unser Ziel ist es eine steuerbare Stromquelle zu haben.
Wir möchten den Strom durch eine Schaltung bestimmen. Unabhängig von dem eingesetzten Lastwiderstand.
Schaltung
Formelsammlung
Einführung
Direkt in den Sinn kommt dabei hier eingeblendete Schaltung, welche Transistor im A-Betrieb zeigt.
⇨ Transistor im A-Betrieb
Bei folgenden Schlussfolgerungen wird der Early Effekt vernachlässigen.
Mit der Spannung Ube wird der Kollektorstrom Ic gesteuert.
Dabei ist Ic unabhängig von Uce.
Formel:
Somit ist der Strom Ic auch unabhängig von Lastimpedanzen welche sich in entsprechendem Zweig befinden.
Der Kollektorstrom Ic ist abhängig von dem Verhältnis von R1/R2 und dem Widerstand R3.
D.h. wir können hier schon Strom durch eine Schaltung steuern, unabhängig vom Lastwiderstand. Wir haben eine steuerbare Stromquelle.
Problem: Abhängigkeit von der Betriebsspannung und die Temperaturabhängigkeit.
Erweiterung: Diode
Die Schaltung wird nun um eine Diode erweitert.
Diese Diode bringt uns mehr Stabilität besonders gegenüber Temperatur.
Frage
Wenn über der Diode z.B. bei Silizium-Dioden, 0,7V abfallen, lässt sich der Transistor nicht sonderlich steuern.
In Wahrheit geht das aber schon.
Hierzu muss zunächst die Kennlinie einer Diode angeschaut werden.
Ist der Markierten Widerstand sehr sehr groß, fließt wenig Strom durch die Schaltung.
Z.B. 10mA. An der Diode fallen dann 0,68V ab.
Ist der Markierten Widerstand kleiner, fließt viel Strom durch die Schaltung.
Z.B. 100mA. An der Diode fallen dann 0,8V ab.
D.h. bei der Diode steuern wir durch den Strom die Spannung. Und das heißt mithilfe des Widerstands können wir die Spannung über der Diode steuern.
Bezogen auf die vollständige Schaltung liegt die Dioden-Spannung auch über Ube an.
Wir können also mit dem Widerstand den Strom im rechten Zweig steuern.
Fertiger Stromspiegel
Nun kann man die Diode durch folgenden Transistor-Aufbau ersetzen.
Dabei ist Kollektor mit Basis kurzgeschlossen.
Dieser Aufbau entspricht dem einer Diode.
Das ist nun die Schaltung des sogenannten einfachen Stromspiegel.
Es wird der Strom vom linken Zweig in den rechten Zweig quasi kopiert oder namensgebend, gespiegelt.
Im rechten Zweig fließt gleich viel Strom wie im linken Zweig.
Beispiel
Als Beispiel setzen wir hier nun 2 LEDs ein.
Wer hierbei nun denkt die LED2 würde durchbrennen, aufgrund fehlenden Vorwiderstands, hat sich getäuscht. LED 1 und LED 2 leuchten gleich hell. Zurückzuführen auf die Funktionsweise des Stromspiegels. Durch LED 1 fließt der passende Strom, welchen wir zur LED2 rüberspiegeln.
Genauere Betrachtung
Hier nun nochmal die Allgemeine Schaltung.
Der Strom Iref setzt sich zusammen aus Ib und Ic.
Aufgrund der gleichen Basis-Emitterspannung und der Einsatz des gleichen Transistors, ist Ib1 und Ib2 gleich groß und so sind auch die Kollektorströme Ic2 und Ic1 gleich groß.
Iref setzt sich nun aus Ic1 Ib1 und Ib2 zusammen.
Wer nun aufgepasst hat, wird merken das Iref nicht gleichgroß ist wie I0. Unterschied sind die beiden Basisströme.
Wir haben also keine 100%ige Stromspiegelung.
Ausblick
Zur Verbesserung der Eigenschaften des Stromspiegels werden oft an die Emitteranschlüsse Widerstände angebracht.
⇨ Stromspiegel mit Emitter-Gegenkopplung
Diese Schaltung nennt sich Stromspiegel mit Emitter-Gegenkopplung.