Howto Wie man vernünftige präzise Stromquellen baut (geerdete / nicht geerdete Last)

Erwin H

Analog guy who still doesn't leave town
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Die Anforderungen an eine Stromquelle können vielfältig sein. AC / DC, unipolar, bipolar, resistive oder komplexe Last, min und max Bürdenwiderstand, Idiotensicherheit und EMV-Kompatibilität, verschieden geerdete Last, Temperaturkonstanz, zeitliche Konstanz, Innenwiderstand etc. und natürlich die Stromstärke. Für einige Anwendungen gibt es einfache fertige Lösungen zu kaufen, wie z.B. den guten alten XTR110. Was machen, wenn das nicht reicht?

Regel #1: Niemals, nimmer und gar nie überhaupt und keinesfalls nicht eine Stromquelle nach Howland bauen. Das wird in vielen Lehrbüchern immer noch dargestellt von Leuten, die sowas mutmasslich nie aufgebaut haben: Der präzise Abgleich einer Howland-Quelle ist grauenhaft. Woher ich das weiss? Ha!

Regel #2: Eine gute Stromquelle ist in der Regel eine spannungsgesteuerte Stromquelle. Der Vorteil liegt darin, dass man je nach Anforderung eine gewaltige Bandbreite von Lösungen produzieren kann.

Im Bild sind zwei Schaltungstechniken gezeigt, im oberen Bild ist die Last geerdet, was einen Instrumentenverstärker erforderlich macht. Im unteren Bild ist die Last nicht geerdet, daher kommt man im Prinzip mit einem Operationsverstärker aus. Die obere Schaltung ist nur scheinbar komplexer. Bei der unteren Schaltung besteht die Problematik darin, den Widerstand R15 vor Überlast zu schützen, wenn das notwendig werden sollte. Falls R15 recht klein wird (mOhm Shunt), wie es für größere Ströme erforderlich sein kann, ist Vierleiter-Technik notwendig und dann ist wieder ein Instrumentenverstärker mit dabei. Es ist nicht verkehrt, einen Instrumentenverstärker mit fest eingesteller Verstärkung zu verwenden, wenn möglich.

Die Schaltungen sind von mir erprobt von einigen µA bis in den mehrstelligen A-Bereich von DC bis einigen kHz. Bitte zu beachten, dass natürlich die Dimensionierung entsprechend erfolgen muss. Ich möchte nicht behaupten, dass das der einzige wahre Weg ist, betrachtet das als Anregung.

Die Spannung Usoll kann z. B. aus einer Referenzspannungsquelle, einem Digital-Analog-Wandler oder einem Oszillator bestehen. Für sehr kleine Ströme kann man auf die Idee kommen, den Leistungstreiber (im einfachsten Fall wie gezeichnet ein Transistor) wegzulassen. Für Rx=0 Ohm führt das zu einer Erwärmung des Reglers, und das tut nicht gut. Falls Usoll eine Wechselspannung ist, kommt ein Wechselspannungs-Leistungstreiber dazu (z. B. LT1010, LT1970 oder brutaleres). Es hat sich bewährt, den Spannungsabfall am Widerstand R5/R15 in der Größenordnung 50 mV bis 200 mV einzustellen. Toleranz, Leistung und TK beachten.
 

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Könntest noch die asc's anhängen? So kann jeder gleich mit der Simulation starten ;)
 

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