Spannungsgesteuerte Stromquelle mit OPV

Manche Verbraucher wollen keinen festen Spannungswert, sondern einen festen Strom. Power-LEDs leuchten gleichmäßig, wenn ihr Strom stimmt, egal wie warm sie sind. Ein Akku wird mit konstantem Strom geladen, eine elektronische Last zieht einen eingestellten Strom aus einem Netzteil, und ein Sensor wie der PT100 braucht einen genau bekannten Messstrom. Bei all diesen Aufgaben soll eine Steuerspannung, etwa von einem Mikrocontroller, den Strom vorgeben.

Die Schaltung dafür besteht aus drei Teilen: einem Operationsverstärker, einem MOSFET und einem kleinen Messwiderstand. Der OPV vergleicht die Spannung am Messwiderstand mit dem Sollwert und steuert den MOSFET so weit auf, bis beide gleich sind. Der Strom folgt dann der Steuerspannung, unabhängig von der Last und der Versorgungsspannung. Hier baust du damit einen Treiber für drei 3-W-LEDs, dessen Strom eine Spannung von 0 bis 5 V zwischen 0 und 0,5 A einstellt.

Schaltplan

• R1, 9,1 kΩ, und R2, 1 kΩ: ein Spannungsteiler, der 0 bis 5 V auf 0 bis 0,5 V herunterteilt. So bleibt die Spannung und damit die Verlustleistung am Shunt klein.
• IC1A, LM358: ein OPV, dessen Eingänge bis 0 V arbeiten. Er läuft direkt an 12 V.
• R4, 100 Ω: entkoppelt den OPV-Ausgang von der Gate-Kapazität.
• T1, IRLZ44N: ein Logic-Level-MOSFET, hier als regelbarer Widerstand. Er sitzt zwischen Last und Shunt.
• R3, 1 Ω, 1 W: der Shunt-Widerstand. Seine Spannung ist das Abbild des Stroms.
• R5, 1 kΩ, und C1, 10 nF: führen die Shuntspannung an den Minus-Eingang zurück und machen den Regelkreis stabil.
• Last: drei weiße 3-W-LEDs in Reihe zwischen +12 V und Drain.

So funktioniert die Schaltung

Der OPV arbeitet wie ein nichtinvertierender Verstärker, in dessen Gegenkopplung der MOSFET steckt. Er stellt seinen Ausgang immer so ein, dass zwischen Plus- und Minus-Eingang keine Spannung bleibt. Am Minus-Eingang liegt die Spannung des Shunts, am Plus-Eingang der Sollwert. Ist der Strom zu klein, ist auch die Shuntspannung zu klein; der OPV erhöht die Gate-Spannung, der MOSFET leitet besser, der Strom steigt. Ist er zu groß, regelt der OPV das Gate zurück.

Im Gleichgewicht gilt deshalb U_R3 = U_+, und nach dem Ohmschen Gesetz:

In der Formel kommen weder die Last noch die Versorgungsspannung vor. Ändert sich die Flussspannung der LEDs, weil sie warm werden, übernimmt der MOSFET die Differenz. Die Schaltung ist eine Konstantstromquelle, genauer eine Stromsenke, denn sie zieht den Strom aus der Last nach Masse.

Damit das klappt, muss genug Spannung übrig bleiben: Die Versorgung muss die Lastspannung, die Shuntspannung und einen kleinen Rest am MOSFET decken. Darunter steuert der OPV den MOSFET voll durch, und der Strom sinkt.

Dimensionierung

1. Shunt. Kleine Shuntspannung spart Leistung, große macht Offset und Störungen unwichtiger. 0,5 V bei Höchststrom sind ein guter Kompromiss, also R₃ = 0,5 V / 0,5 A = 1 Ω. Er setzt höchstens (0,5 A)² · 1 Ω = 0,25 W um; ein 1-W-Typ bleibt kühl.

2. Teiler. 5 V sollen 0,5 V ergeben, also das Verhältnis 10 : 1. Mit R₂ = 1 kΩ und R₁ = 9,1 kΩ aus der E24-Reihe wird es 1 : 10,1:

Für die 350 mA der LEDs stellst du U_e = 0,35 A · 10,1 Ω = 3,54 V ein. Kommt die Spannung aus einem PWM-Pin mit 5 V, ist das ein Tastgrad von 71 %, geglättet wie unter PWM als D/A-Wandler.

3. MOSFET. Bei 350 mA braucht der IRLZ44N gut 2 V am Gate, dazu kommen 0,35 V am Shunt. Der LM358 schafft an 12 V bis etwa 10,5 V, die Reserve ist groß.

4. Kompensation. Der MOSFET bringt über 1 nF Gate-Kapazität in den Regelkreis. Ohne Gegenmaßnahme schwingt die Schaltung oft im Bereich einiger 100 kHz. R4 trennt diese Kapazität vom OPV-Ausgang. C1 und R5 sorgen dafür, dass der OPV bei hohen Frequenzen nur noch als Integrator auf sich selbst schaut. Die Zeitkonstante R₅ · C₁ = 10 µs ist schnell genug für jede Helligkeitsänderung.

5. Verlustleistung im MOSFET. Die LEDs haben bei 350 mA je etwa 3,1 V, zusammen 9,3 V:

Wie Wärme vom Chip in die Luft kommt, erklärt Wärme und Kühlung.

Bauteilliste

Varianten

Fester Strom. Ersetzt du den Teiler durch eine Spannungsreferenz, etwa einen TL431, entsteht eine Konstantstromquelle ohne Steuereingang. Einfacher geht es mit einem einzelnen Transistor (Konstantstromquelle mit Transistor) oder dem LM317 (Konstantstromquelle mit LM317), dann aber mit festem Strom und mehr Spannungsverlust.

Bipolartransistor statt MOSFET. Ein NPN wie der BD139 funktioniert auch. Sein Basisstrom fließt aber durch den Shunt mit und nicht durch die Last, der Laststrom ist dadurch um etwa 1 % kleiner als berechnet.

Last an Masse. Muss die Last einseitig an Masse liegen, baust du die Schaltung gespiegelt mit P-MOSFET und Shunt an der Plusseite. Für kleine Ströme in beide Richtungen gibt es die Howland-Stromquelle, die ganz ohne Transistor auskommt.

Dimmen per PWM. Statt den Sollwert analog zu verstellen, kannst du die Steuerspannung zwischen 0 V und dem Sollwert umschalten. Der Strom ist dann entweder voll oder null, die Farbe der LEDs bleibt gleich. Für größere LED-Streifen siehe 12-V-LED-Streifen dimmen.

Elektronische Last. Mit einem größeren MOSFET auf einem Kühlkörper, einem Shunt von 0,1 Ω und einem Netzteil statt der LEDs wird daraus ein Prüfgerät, das einen eingestellten Strom zieht.

Typische Fehler

• Schwingen: Die Schaltung wird warm, obwohl der Strom stimmt, oder die LEDs flackern leicht. Am Gate siehst du mit dem Oszilloskop eine Schwingung. R4, R5 und C1 fehlen oder sitzen weit weg. Kurze Leitungen zwischen OPV, Gate und Shunt halten.
• Shunt-Masse über den Laststrom geführt: Teilt sich die Rückleitung des Shunts eine Leiterbahn mit dem Laststrom, misst der OPV deren Spannungsfall mit. Verbinde den Fußpunkt von R3 und die Masse des OPVs an einem Punkt.
• Falscher OPV: Ein TL072 erreicht an einer einfachen Versorgung weder 0 V am Eingang noch kleine Ströme. Nimm einen OPV mit Eingangsbereich bis Masse, etwa LM358, MCP6002 oder TLV9062.
• MOSFET zu heiß: Die Versorgung ist viel höher als nötig. Senke sie, oder schalte LEDs in Reihe dazu, bis nur noch 1 bis 2 V am MOSFET bleiben.
• Strom bei 0 V Steuerspannung nicht null: Der Offset des OPVs reicht für einige Milliampere. Stört das, legst du einen Widerstand von 1 MΩ vom Minus-Eingang an +12 V. Er hebt den Minus-Eingang über R5 um etwa 12 mV an, sodass der MOSFET bei 0 V sicher sperrt. Oder du nimmst einen OPV mit wenig Offset.

Selbsttest