Constante stroombronnen
Een constante stroombron, de naam zegt het al, laat een constante stroom door een weerstand lopen onafhankelijk van de grootte van die weer-stand. Ze kunnen worden gebruikt om een condensator lineair te laden of om een meetgegeven onafhankelijk van de meetlijn (enkele kilometers) door te geven. In dit artikel een aantal voorbeelden hoe een constante stroombron kan worden gemaakt.
Stroombron
Een eenvoudige stroombron is te zien in afb. 1. De massa is de gemeenschappelijke voor een belastingweerstand R1. Op de basis van T1 staat een vaste spanning ten opzichte van de emitter, die wordt verkregen door de drempelspanning van Dl en D2. In dit geval zijn dit silicium dioden waardoor de spanning 1,2 V is, natuurlijk kan ook voor andere spanningen een zenerdiode worden gebruikt. Over weerstand R1 staat dezelfde spanning verminderd met de basis-emitter-overgang. Deze spanning is dus 0,6 V. Bij de gegeven waarde is de stroom door de weerstand ca. 1 mA. De stroom door de collector is daardoor ook 1 mA, ongeacht de belasting die daarop is aangesloten. Natuurlijk kan weerstand R1 niet onbeperkt worden vergroot. De maximale waarde wordt beperkt door de beschikbare voedingsspanning en de ingestelde stroom. De maximale stroom wordt bepaald door de dissipatie van de transistor. Bij grotere stromen moet men dan een andere transistor kiezen en ervoor zorgen dat het produkt van spanning en stroom niet boven de dissipatie van de transistor uitkomt. In afb. 2 is de tegenhanger van afb. 1 te zien. Hier is de positieve voedingsspanning de gemeenschappelijke voor de belastingweerstand.
Afb. 1 Eenvoudige stroombron met een PNP -transistor.
Afb. 2 Eenvoudige stroombron met een NPN -transistor.
Met op amp
In afb. 3 is een stroombron te zien, die werkt met een opamp en een transistor. In principe is dit dezelfde schakeling als die uit afb. 1, alleen zorgt hier een opamp voor het constant houden van de spanning over Rl. Een opamp heeft de prettige eigenschap dat deze de spanning op de inverterende en de niet-inverterende ingang probeert gelijk te houden. Wanneer de spanning over R1 gelijk is aan de spanning over R3, is automatisch ook de stroom door R1 en daarmee ook stroom door R1 constant.
Afb. 3 Spanningsgestuurde stroombron met een opamp en een PNP -transistor.
In afb. 4 zien we eenzelfde schakeling, echter niet met een maar met twee constante stromen. Dit aantal kan ook worden uitgebreid.
Afb. 4 Spanningsgestuurde stroombron met een opamp en twee uitgangen.
Afb. 5 geeft de tegenhanger van afb. 3 weer.
Afb. 5 Spanningsgestuurde stroombron met een opamp en een NPN- transistor.
LM723
In afb. 6 is het inwendige van de instelbare spanningsstabilisator LM723 gegeven. We zien dat alle deelschakelingetjes voor een constante stroombron - zoals een referentiespanning, een opamp en een regeltransistor - aanwezig zijn. Afb. 7 geeft een toepassing met de LM723 voor een constante stroombron als die uit afb. 3. De totale dissipatie mag maximaal 1 W bedragen. In afb. 8 is een schakeling te zien waarmee de stand van P1 via een lange kabel kan worden aangegeven door middel van een stroomlus van 4 tot 20 mA. De lengte van de kabel is tot een maximum van 16 km niet van invloed op de ingestelde stroom. De voedingsspanning bevindt zich aan de kant van de meter die de stand van de potmeter aanwijst.
Afb. 6 Inwendige van de LM723.
Afb. 7 Regelbare spanningsstabilisator als constante stroombron.
Afb. 8 Standaanwijzer voor gebruik met lange verbindingskabels.
LM334Z
Een IC speciaal bedoeld als constante stroombron is een IC van National Semiconductor: de LM334Z. Dit IC mag werken met een spanning van 1 tot 40 V. In afb. 9 zien we hoe dit IC moet worden aangesloten. De stroom is instelbaar van 1 aA tot 10 mA en wordt bepaald door de weer-stand over pen 1 en 3.
Afb. 9 Constante stroombron in IC - vorm, de LM334Z.
Howland-stroombron
In afb. 10 zien we een stroombron waarbij alleen een opamp nodig is. Ook hier wordt weer gebruik gemaakt van het effect dat de opamp de spanning op pen 2 en 3 probeert gelijk te houden. Wanneer we er van uit gaan dat R1 0 Ω is en U2 1 V is, dan is de spanning op punt B 0,5 V. De spanning op punt A moet nu ook 0,5 V worden en daardoor moet de spanning op punt C 1 V worden. Over R5 valt daardoor 1 V, gedeeld door 1 kΩ maakt 1 mA. De stroom vloeit naar massa als de ingangsspanning positief is. Wordt de ingangsspanning negatief dan vloeit de stroom uit de massa naar punt C van de opamp. Voor een exacte uitgangsstroom geldt:
Afb. 10 Howland-stroombron.
In het voorbeeld uit afb. 10 is het voldoende om R1 tot en met R4 veel groter te houden dan R5. Wordt er gewerkt met twee ingangsspanningen dan geldt voor de uitgangsstroom:
In afb. 11 zien we hoe ook andere waarden voor R1 t.e.m. R5 kunnen worden gebruikt. De spanning over R5 is nu R2 : R1 × U2 ≈ 100 mV. Ook daar zien we dat er een constante stroom door R5 moet lopen wil deze een constante spanningsval hebben om zodoende de punten A en B gelijk te houden. De stroom door R5 kan alleen weg via de belastingsweerstand. Slechts een klein deel loopt via R3. De spanning op punt C wordt hoger naarmate de belastingsweerstand R1 groter wordt.
Afb. 11 Howland-stroombron met ongelijke weerstanden.
R ter Mijtelen.