Konstantstromquelle mit Transistoren

Wenn eine Last einen festen Strom braucht, die Versorgung aber schwankt, ist eine Stromquelle gefragt. Für Ströme von wenigen bis etwa hundert Milliampere reichen zwei Kleinsignaltransistoren und zwei Widerstände. Die Schaltung ist billiger als jeder Treiber-IC, braucht nur rund 1 V Spannungsreserve und funktioniert an 5 V genauso wie an 48 V.

Typische Einsätze sind LED-Ketten an schwankenden Bordnetzen und 24-V-Anlagen, Kontroll-LEDs mit weitem Eingangsbereich, das Laden kleiner Akkus, Stromschleifen für Sensoren und die Strombegrenzung in Netzteilen. Was eine Konstantstromquelle grundsätzlich ausmacht, erklärt der Grundlagenartikel; hier baust du eine auf.

Schaltplan

• T1, BC337-40: der Stellglied-Transistor. Er liegt in Reihe mit den LEDs und nimmt die überschüssige Spannung auf.
• R1, 30 Ω: Messwiderstand. Seine Spannung bestimmt den Strom.
• T2, BC547B: der Regler. Seine Basis-Emitter-Strecke liegt parallel zu R1.
• R2, 27 kΩ: liefert den Strom für die Basis von T1 und für den Kollektor von T2.
• LED1 … LED5: weiße 5-mm-LEDs mit je etwa 3,0 V bei 20 mA.

So funktioniert die Schaltung

Über R2 fließt Strom in die Basis von T1, T1 leitet, und durch LEDs und R1 fließt Strom. Die Spannung an R1 liegt zugleich an der Basis von T2. Erreicht sie etwa 0,6 V, beginnt T2 zu leiten und zieht einen Teil des Stroms aus R2 an der Basis von T1 vorbei nach Masse. T1 bekommt weniger Basisstrom und leitet schwächer.

Es stellt sich ein Gleichgewicht ein, bei dem an R1 genau die Basis-Emitter-Spannung von T2 liegt. Der Strom ist damit

Steigt die Versorgungsspannung, fließt mehr Strom durch R2 – aber T2 schluckt ihn. Der zusätzliche Spannungsfall landet zwischen Kollektor und Emitter von T1. Wie beim Längsregler mit Z-Diode und Transistor arbeitet T1 als Stellglied; nur regelt er hier nicht die Spannung am Ausgang, sondern den Strom.

Die Schaltung braucht unterhalb der LEDs nur die 0,6 V an R1 und rund 0,2 V für T1. Ein Vorwiderstand müsste dagegen einen großen Teil der Versorgung verbrauchen, um halbwegs stabil zu sein. Das Diagramm zeigt den Unterschied:

Dimensionierung

Gegeben: fünf weiße LEDs, 20 mA; Versorgung 24 V, die zwischen 20 V und 30 V schwanken kann.

1. Messwiderstand. T2 führt etwa 0,5 bis 1 mA; seine Basis-Emitter-Spannung liegt dann bei 25 °C um 0,62 V:

Gewählt wird 30 Ω aus der E24-Reihe; der Strom wird 20,7 mA. R1 setzt nur 0,62 V · 20,7 mA ≈ 13 mW um.

2. Basiswiderstand. R2 muss den Basisstrom von T1 sicher liefern und T2 noch genug Strom zum Regeln lassen. Der BC337-40 hat bei 20 mA eine Stromverstärkung von mindestens 250, braucht also höchstens 0,08 mA. Mit 0,7 mA durch R2 bei der kleinsten Versorgung bleibt reichlich Reserve:

Gewählt 27 kΩ. Bei 30 V fließen 1,06 mA durch R2, fast alles davon durch T2. R2 setzt dann (28,7 V)² / 27 kΩ ≈ 31 mW um.

3. Kleinste Versorgungsspannung. Die LED-Kette braucht 5 · 3,0 V = 15 V, dazu kommen 0,62 V an R1 und etwa 0,2 V an T1. Unter rund 15,8 V regelt die Schaltung nicht mehr; der Strom sinkt dann wie beim Vorwiderstand. Bei 20 V bleibt reichlich Abstand – selbst LEDs mit 3,4 V (17 V für die Kette) passen noch.

4. Verlustleistung in T1. Am größten bei 30 V:

Der BC337 verträgt im TO-92 625 mW bei 25 °C. Mit seinem Wärmewiderstand von etwa 200 K/W wird er 60 K wärmer als die Umgebung, bei 40 °C also 100 °C – zulässig, aber spürbar heiß. Ein BC547 mit 500 mW wäre hier bereits zu knapp.

5. Temperatur prüfen. U_BE2 sinkt um etwa 2 mV pro Kelvin. Wird es im Gehäuse 30 K wärmer, fällt der Strom um 30 K · 2 mV/K / 30 Ω = 2 mA, also um 10 %. Für LEDs ist das unkritisch, für eine Messschaltung nicht. Setze T2 nicht direkt neben den heißen T1, sonst sinkt der Strom nach dem Einschalten merklich. Hintergründe stehen unter Temperaturverhalten von Halbleitern.

Bauteilliste

Varianten

Mit zwei Dioden statt T2. Die ältere Form der Schaltung legt zwei Dioden 1N4148 von der Basis von T1 nach Masse. Die Basis liegt dann fest bei etwa 1,3 V, am Emitterwiderstand bleiben 1,3 V − 0,65 V = 0,65 V; für 20 mA wird er 33 Ω. Sie regelt etwas weicher, weil sich die Diodenspannung mit dem Strom aus R2 ändert. Bis etwa 50 mA ist sie brauchbar.

Mehr Strom. Für 100 mA bis 1 A ersetzt du T1 durch einen BD139 auf einem Kühlkörper oder einen MOSFET wie den IRLZ44N. R1 wird 0,62 V / 0,35 A ≈ 1,8 Ω für 350 mA. Beim MOSFET entfällt der Basisstrom, R2 darf 100 kΩ groß sein. Mit wenig Spannungsreserve ist die Konstantstromquelle mit LM317 einfacher.

Last an Masse. Muss die Last einseitig an Masse liegen, baust du die Schaltung spiegelbildlich mit zwei PNP-Transistoren (BC327, BC557) in der Plusleitung auf.

Zweipol mit JFET. Ein JFET mit einem Widerstand zwischen Source und Gate ergibt die einfachste Stromquelle überhaupt, mit nur zwei Anschlüssen; sie eignet sich für 0,5 bis 10 mA.

Mehrere gleiche Ströme. Brauchst du denselben Strom in mehreren Zweigen, ist der Stromspiegel die passende Schaltung.

Typische Fehler

• Strom viel zu hoch, R1 wird heiß: T2 falsch herum oder mit vertauschten Anschlüssen. Dann regelt nichts, und nur R1 begrenzt den Strom. Miss die Spannung an R1: Sie muss bei 0,6 V liegen.
• LEDs bleiben dunkel: Die Versorgung liegt unter der Mindestspannung der Kette, oder R2 ist viel zu groß. Spannung zwischen Kollektor und Emitter von T1 messen; unter 0,3 V ist die Reserve aufgebraucht.
• Strom sinkt nach dem Einschalten um einige Prozent: T2 wird warm, etwa weil er neben T1 sitzt. Das ist der Temperaturgang von U_BE.
• Schwingen bei langen Leitungen zu den LEDs: Ein Kondensator von 10 nF zwischen Basis und Emitter von T2 beruhigt die Regelschleife.

Selbsttest