Konstantstromquelle
Die Erfindung bezieht sich auf eine Konstantstromquelle der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art
Solche Konstantstromquellen werden vorteilhaft in elektronischen Schaltungen verschiedener Art verwendet, wenn für einen Schaltungsteil ein konstanter Strom zur Verfügung gestellt werden muß Dies gilt vor allem in meßtechnischen Geraten, beispielsweise für linear anzeigende Ohmmeter Seit längerer Zeit werden solche Konstantstromquellen unter Verwendung von Operationsverstärkern realisiert In "Nuhrmann Operationsverstärker-Praxis" (Franzis- Verlag, 1977), ist ein einfaches Schaltungsbeispiel gezeigt, das mit einem einzigen Operationsverstärker auskommt, zu dessen Betrieb eine Spannungsversorgung notig ist, die aus einer gleich großen negativen und positiven Spannungsquelle, also zwei auf einen gemeinsamen Nullpunkt bezogenen Spannungsquellen, besteht Der Lastwiderstand, durch den der konstante Strom fließen soll, liegt zwischen dem Ausgang der Konstantstromquelle und der positiven Spannungsversorgung, liegt also nicht einseitig am gemeinsamen Nullpunkt Deshalb ist diese Schaltung für viele Anwendungen nicht brauchbar
Aus US-A-4,097 432 ist eine Konstantstromquelle mit zwei Operationsverstärkern bekannt Der Lastausgang liegt auch hier nicht einseitig am gemeinsamen Nullpunkt
Aus DE-Al-37 01 411 ist eine Verstarkerschaltung bekannt, in der Operationsverstärker Anwendung finden, die mit einer bipolaren Spannungsquelle betrieben werden
In "J G Graeme et al Operational Amplifiers - Design and Applications", "J G Graeme Applications of Operational Amplifiers", "J G Graeme Designing with Operational Amplifiers" und "Yu Jen Wong Function Circuits - Design and Applications", alle herausgegeben von McGraw-Hill Book Company, ist eine Vielzahl von verschiedenen Schaltungsvaπanten gezeigt Die meisten Schaltungen benotigen wie vorgenannt zwei Spannungsquellen Bei sehr vielen Schaltungen liegt die Last nicht einseitig am gemeinsamen Nullpunkt Auch ein bei steuerbaren Konstantstromquellen vorhandener Steuereingang, mit dem sich der Ausgangsstrom steuern laßt, hat vielfach keinen Bezug zum gemeinsamen Nullpunkt
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Konstanstromquelle zu schaffen, die mit einer einfachen Spannungsversorgung betreibbar ist und deren Steuereingang und Lastausgang auf den Nullpunkt der Schaltung bezogen sind
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemaß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelost Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhangigen Ansprüchen
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung naher erläutert
Es zeigen Fig 1 ein Schaltschema der erfindungsgemaßen Konstantstromquelle,
Fig 2 eine Variante, bei der der Laststrom von der Versorgungsspannung unabhängig ist, und
Fig 3 eine verbesserte Losung
In der Figur 1 ist mit +UB der positive Pol der Spannungsversorgung zum Betrieb einer Konstantstromquelle 1 bezeichnet, mit GND der gemeinsame Nullpunkt An +UB und GND sind auch eingangs- und ausgangsseitig vorhandene weitere Schaltungsteile, nämlich eine allenfalls vorhandene, in der Figur nicht gezeigte, Steuerschaltung und eine Schaltung mit einer Last, die mit dem Konstantstrom betrieben werden soll, anschließbar Diese Last ist in der Figur mit dem Bezugszeichen R bezeichnet
Eine erfindungsgemaße Konstantstromquelle 1 enthalt zwei Operationsverstärker, nämlich einen ersten Operationsverstärker Vi und einen zweiten Operationsverstärker V2 An den nicht invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers Vi, wie üblich in der Figur mit einem "+" gekennzeichnet, liegt ein aus zwei Widerstanden R1? R2 gebildeter Eingangsspannungsteiler, der eine der vorteilhaften Ausgestaltungen für eine Eingangsschaltung darstellt Dessen erster Widerstand Ri ist zwischen den nicht invertierenden Eingang und dem positive Pol +UB der Spannungsversorgung geschaltet, wahrend ein zweiter Widerstand R2 zwischen dem nicht invertierenden Eingang und dem Nullpunkt GND liegt An diese bipolare Spannungsquelle mit dem positiven Pol +UB und dem Nullpunkt GND sind erfindungsgemaß auch die beiden Operationsverstärker Vi und V2 mit ihren Versorgungsspannungs- Anschlüssen angeschlossen, was in den Figuren wie üblich nicht gezeichnet ist Am nicht invertierenden Eingang liegt somit eine
Eingangsspannung UE an, die durch die Große der Versorgungsspannung UB und die Widerstände Ri und R2 bestimmt wird Am Ausgang des ersten Operationsverstärkers Vi, an dem die Ausgangsspannung UOAI herrscht, ist ein Ausgangswiderstand R3 angeschlossen, dessen anderer Anschluß an einem Ausgang OUT der Konstantstromquelle 1 liegt, an den, wie in der Figur gezeigt, der Lastwiderstand RL anschließbar ist Der Ausgang OUT führt eine Ausgangsspannung UL
Zwischen dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers Vi und dem nicht invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers V2 liegt ein weiterer Widerstand R4 Zwischen dem nicht invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers V2 und dem Nullpunkt GND liegt ein weiterer Widerstand R5 Die beiden Widerstände R_* und R5 bilden somit einen weiteren Spannungsteiler, nämlich den für den nicht invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers V2 Weil er aber andererseits als Spannungsteiler für die am Ausgang des ersten Operationsverstärkers Vi liegende Spannung U3AI wirkt, wird er hier als Ausgangsspannungsteiler bezeichnet
Zwischen dem Ausgang OUT und dem invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers V
2 liegt ein weiterer Widerstand Rβ und zwischen dem invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers V
2 und dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers V
2 liegt ein weiterer Widerstand R
7 Der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers V
2, der die Spannung
fuhrt, ist unmittelbar mit dem invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers Vi verbunden Die
Widerstände Rβ und R bilden wiederum einen Spannungsteiler Weil er die Ruckkopplung der Ausgangsspannung U auf die beiden Operationsverstärker Vi, V2 bewirkt, wird er hier als Ruckkopplungs-Spannungsteiler bezeichnet
Bei der zuvor beschriebenen erfindungsgemaßen Schaltung berechnet sich der Verstärkungsfaktor GV2 des zweiten Operationsverstärker V2 unter der Bedingung, daß die Widerstände R5 und R7 einerseits und die Widerstände Rt und R5 andererseits gleich groß sind, gemäß der folgenden Formel FI
Sind nun auch die Widerstände t und R
5 gleich groß, so hat der Verstärkungsfaktor G
V2 des zweiten Operationsverstärker V
2 den Wert 1
Die Ausgangsspannung UOAI des zweiten Operationsverstärkers V2 ergibt sich nach der Formel F2
UaA1 = {UaΛλ - UL) * Gv2 (F2)
Die Ausgangsspannung des ersten Operationsverstärkers Vi ergibt sich nach der Formel F3
^, = (f t -^)* Gκl (F3)
Bei der erfindungsgemaßen Schaltung ist der Verstärkungsfaktor GVι sehr groß, was zur Folge hat, daß eine sehr kleine Differenz der Eingangsspannung UE und der
Ausgangsspannung U__A2 des zweiten Operationsverstärkers V2 zu einer sehr großen Ausgangsspannung UOAI des ersten Operationsverstärkers Vi fuhrt Sie wurde an sich großer als die Eingangsspannung UE Weil dann aber die Ausgangsspannung Ua 2 großer als die Eingangsspannung U wäre, ergäbe sich nach der Formel F3 eine negativer Wert Ein Gleichgewicht ergibt sich damit, wenn die Eingangsspannung UE und die
Ausgangsspannung U__A2 gleich groß sind Daraus folgt unter Berücksichtigung der Formel F2, daß (UOA, - UL) = UE I GV2 gilt Außerdem gilt, daß IL * R3 gleich UOAI - UL ist, so daß das Produkt von Ausgangsstrom 1L und Widerstand R3 gleich dem Quotienten aus Eingangsspannung UE und Verstärkungsfaktor Gv2 ist Daraus ergibt sich der Laststrom I nach der Formel F4 als
IL = UE (F4)
Damit wird erfindungsgemaß erreicht, daß der Laststrom IL nicht von der Große des Lastwiderstands RL abhangt
Wenn die Versorgungsspannung U
B den Wert 12 Volt aufweist, der Widerstand Ri den Wert 10 kOhm und der Widerstand R
2 den Wert 2 kOhm besitzt, so betragt die Spannung U
t gemäß der Formel F5
2 Volt
Der Laststrom IL berechnet sich nach
U E
G *R
Hat der Widerstand R^ den Wert 100 Ohm, so betragt der Laststrom 20 mA Dieser Strom fließt auch durch den Lastwiderstand RL und zwar auch dann, wenn der Lastwiderstand den Wert Null hatte Der maximale Wert des Lastwiderstands darf etwa 300 Ohm betragen Dann nämlich betragt die Ausgangsspannung UOAI des ersten Operationsverstärkers Vi gemäß der Formel
8 Volt, ein Wert, der bei einer Versorgungsspannung von 12 Volt noch tragbar ist
Die Widerstände t, R5, RÖ und R7 weisen vorteilhaft je den Wert von 100 kOhm auf Als Operationsverstärker Vi, V2 werden vorteilhaft die preisgünstigen Typen LM324 oder LM358 verwendet
In der Figur 2 ist ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel gezeigt Die Schaltung nach der Figur 2 weicht nur in einem Punkt vom zuvor gezeigten Ausführungsbeispiel ab Anstelle des Widerstands R2 ist hier eine Zenerdiode vorhanden Diese Variante hat den Vorteil, daß der konstante Strom IL von der Hohe der Versorgungsspannung UB unabhängig ist Beim zuvor erwähnten Ausführungsbeispiel ist der Strom I gemäß Formel F4 von der Spannung UE abhangig und diese wiederum gemäß Formel F5 von der Versorgungsspannung UB
In der Figur 3 ist ein nochmals verbessertes Ausführungsbeispiel gezeigt Im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel nach Figur 1 besteht die Änderung darin, daß an die Stelle des aus den Widerstanden Ri und R2 gebildeten Eingangsspannungsteilers ein Schaltungsteil mit einer einstellbaren Spannung tritt Dieses Schaltungsteil wird gebildet von einem Festwiderstand RF, einem veränderbaren Widerstand Rv und einem integrierten
Spannungsregler Reg Der Spannungsregler Reg ist einerseits an die Versorgungsspannung UB angeschlossen, andererseits über den veränderbaren Widerstand R an den gemeinsamen Nullpunkt GND Vom Verbindungspunkt des veränderbaren Widerstands Rv am Spannungsregler Reg führt der Festwiderstand RF zum Ausgang A des Spannungsreglers Reg und dieser ist mit dem nicht invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers Vi verbunden Die am nicht invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers Vi anliegende Spannung UE ist sehr stabil, solange die Versorgungsspannung UB mindestens 3 Volt hoher ist als diese Mit Hilfe des veränderbaren Widerstands Rv ist die gewünschte Spannung und damit, wie zuvor gezeigt, der Strom IL einstellbar Der integrierte Spannungsregler Reg ist vorteilhaft ein Baustein des Typs LM317