Bei der Ansteuerung von LEDs ist oft ein konstanter Strom I bei variierender Spannung U gewünscht. Hier wird eine einfachste Konstantstromquelle als Zweipol für einen Spannungsbereich zwischen 5 und 20 Volt vorgestellt, die etwa 10 mA liefern soll.
Die Schaltung wurde für ältere, noch analoge Modellbahnloks oder Wagen erstellt. Mit der Konstantstromquelle können sowohl Scheinwerfer als auch Rückleuchten fahrtrichtungsabhängig betrieben werden.
Gegenüber einem in Reihe zu einer LED liegenden ohmschen Widerstand hat eine Konstantstromquelle den Vorzug, einen höheren differentiellen Widerstand zu besitzen, d.h. die LED leuchtet in einem größeren Spannungsbereich gleichmäßig hell.
Da klassische Modellbahntrafos etwa im Bereich von 5 Volt bis 15 Volt arbeiten, sorgt die Konstantstromquelle dafür, daß das Licht unabhängig von der Fahrgeschwindigkeit nahezu gleich hell leuchtet.
Sollen nur Lichter in einer Fahrtrichtung betrieben werden, kann die Konstantstromquelle auch in Reihe mit einer oder mehreren LED(s) betrieben werden. Vorsicht: Polaritäten beachten!
Ist beabsichtigt, in beiden Fahrtrichtungen verschiedene LEDs leuchten zu lassen (z.B. Scheinwerfer und Rücklichter), so können die eingesetzten LEDs auch als Dioden in einer Graetzbrücke nach Abb.1 betrieben werden. Die Dioden der Graetzbrücke sind hierbei LED1 bis LED4. Allerdings dürfen Anode und Katode der Stromquelle nicht vertauscht werden, sonst entstehen hohe Ströme und die Transistoren können durchbrennen.
Zur Funktion der Graetzbrücke, Abb.1:
Fährt das Modell vorwärts, so möge der Pluspol am rechten Schleifer anliegen. Fährt es rückwärts, am linken.
Bei Vorwärtsfahrt fließt der Strom vom Schleifer_Rechts über LED4 und die Konstantstromquelle M1 weiter über LED1 zum Schleifer_Links.
Bei Rückwärtsfahrt liegt der Pluspol am Schleifer_Links. Der Strom fließt dann über LED2 zu M1 zu LED3 und zum Schleifer_Rechts.
Sind mehrere Scheinwerfer oder Rücklichter zu speisen, so sind diese jeweils parallel zu schalten.
Abb.1 Konstantstromquelle "iconst" eines Lokmodells in einer Graetzbrücke aus LEDs. C1 dient der Funkentstörung des parallel geschalteten Motors.
Falls überhaupt, so sind im Datenblatt von LEDs meist Sperrspannungen unter 10 Volt angegeben. Der Autor untersuchte deshalb viele, völlig verschiedene LEDs. An einem bis 30 Volt regelbaren Netzteil konnte er unter diversen Exemplaren verschiedener Bauformen und Farben keine einzige finden, deren U/I-Kennlinie sich an einem vorher gemerkten Meßpunkt veränderte. Sperrströme lagen bei 30 Volt im Bereich kleiner 10 µA, meist unter 1 µA.
Mit einer roten 3mm-LED (Hersteller unbekannt) wurde sogar das Experiment gewagt, sie über einen Vorwiderstand von 330 kOhm an Netzspannung 230 V∼ anzuschließen. Es funktioniert seit Jahren. Degradationseffekte konnten nicht festgestellt werden. Offenbar sind die p-n Diffusionszonen der LEDs recht groß, die hohe Flußspannung deutet ja darauf hin. Sollte ich mich irren, bitte kommentieren!
Deshalb sollten nur LEDs eingesetzt werden, deren Sperrspannung vorher geprüft wurde. Diese sollte mindestens doppelt so hoch sein, wie die maximale Betriebsspannung. Hat man keine Möglichkeit der Prüfung, kann man auch eine Schottky- oder Siliziumdiode in Reihe zur Anode oder Katode schalten, um die Stromquelle gegen Verpolung zu schützen. Um eine SMD-Diode einlöten zu können, ließe sich die Kupferfläche "A1" der Leiterplatte teilen.
Am Beispiel der npn-Stromquelle aus Abb.2 wollen wir uns deren Funktion klarmachen. Über den Widerstand R20 zieht der Basisstrom den Emitter von Transistor T1 nach oben (UBE bleibt etwa konstant). Damit vergrößern sich die Spannung über dem Widerstand R10 am Emitter von T1, aber auch der Strom durch R10.
Die Basis-Emitterspannung UBE des Transistors T2 liegt bei etwa 0,7 Volt. Fällt über dem Widerstand R10 eine Spannung dieser Größe ab, wird der Transistor T2 leitend und entzieht dem Transistor T1 den Basisstrom.
Abb.2 Stromquelle M1 bestückt mit je zwei npn- (1G) oder pnp- (3G) Transistoren für einen Konstantstrom von etwa 10mA.
Der Kollektor von T2 zieht dadurch die Basis von T1 wieder nach unten. Der Spannungsabfall über R10 verringert sich bis auf die Basis-Emitter-Flußspannung von T2. So sorgt die Schaltung dafür, daß über R10 stets eine konstante Spannung von etwa 0,7 Volt liegt. Für eine Bestückung mit pnp-Transistoren gilt dies entsprechend bei entgegengesetzter Polarität.
In Summe fließt fast der gesamte Strom I der Schaltung durch R10. Wenn nun aber die Spannung über R10 konstant gehalten wird, wird auch der Strom I nahezu konstant bleiben.
Die Transistoren T1 und T2 haben eine hohe Stromverstärkung (Verhältnis zwischen Basis- und Kollektorstrom) laut Datenblatt zwischen 420 und 800 (typisch 520). Der Strom über R20 wird damit nahezu vernachlässigbar.
Die verwendeten SMD-Transistoren haben eine maximale Verlustleistung Pmax von 250 mW, die bei etwa 15 Volt nicht überschritten werden soll:
Um die Schaltung möglichst klein aufzubauen, wurden SMD-Bauteile verwendet. Eine Leiterplatte von 6,1 x 14,5 mm nimmt die zwei Transistoren (SOT23) und die zwei Widerstände (0805) auf.
Abb.3 Layout und Foto der ersten Stromquelle, die versehentlich mit pnp-Transistoren bestückt wurde: Katode und Anode sind dabei vertauscht.
Bei der Bestückung der ersten Leiterplatte wurden versehentlich Transistoren nicht mit dem Aufdruck "1G" (BC847C) sondern mit dem Aufdruck "3G" (BC857C) eingelötet. Damit waren die ersten zwei Leiterplatten versehentlich mit komplementären pnp-Transistoren bestückt worden.
Aus der Not wurde eine Tugend: Man vertausche Anode und Katode, und schon funktioniert auch diese Schaltung. Für R10 wurden 68 Ω gewählt, R20 wurde zunächst mit 100 kΩ bestückt. Verringerung auf 10 kΩ brachte bessere Ergebnisse.
Interessant sind die Kennlinien von npn- und pnp-Stromquelle im Vergleich. Bekanntlich haben pnp-Transistoren eine etwas geringere Basis- Emitterspannung UBE. Man würde erwarten, daß die pnp- Stromquelle geringfügig kleinere Ströme liefert, als die npn- Stromquelle. Allerdings ist davon in den Kennlinien kaum etwas zu bemerken. Während die npn-Stromquelle exakt 10 mA liefert, liefert die pnp-Stromquelle 9,8 mA. Es ist erstaunlich, wie stark sich die Kennlinien der komplementären Transistortypen BC847C und BC857C gleichen.
Abb.4 Gemessene Kennlinien von npn- und pnp-Stromquelle im Vergleich.
Die Qualität einer Konstantstromquelle wird vom differentiellen Widerstand rAK bestimmt. Idealerweise sollte er parallel zur X-Achse gegen unendlich gehen. Er beträgt oberhalb einer Anoden- Katoden- Spannung von 5 Volt bei beiden Stromquellen etwa
Das ist im wesentlichen der Widerstandswert von R20. Wählen wir für R20 = 100 kΩ, so verändert sich die Kennlinie.
Abb.5 Kennlinie der npn-Stromquelle für R20 = 100kΩ.
Es fällt auf, daß der differentielle Widerstand der Stromquelle mit dem größerem R20 höher wird, zwischen 10 und 15 Volt ist er sehr groß. Dafür sinkt das Stromniveau auf 8 mA ab und der Einsatzpunkt der Regelung verschiebt sich von etwa 1,5 Volt auf 3 Volt nach rechts. Ursache für das Absinken des Stromniveaus ist der geringere Basisstrom und die damit geringere UBE von T2. Aus dem geringeren Stromaufkommen können wir auf die geringere Basis- Emitter- Spannung von T2 rückschließen:
Pro Transistor fallen Kosten von etwa einem Cent an, Stückzahlen über 1000 vorausgesetzt. Die Widerstände sind auf dem Gurt für etwa 0,1 Cent zu haben. In China kann man Leiterplatten auch geringer Stückzahl für unter einen Cent bestellen. In Summe fallen etwa 3 Cent pro Stromquelle an Materialkosten an.
Viel Spaß bei eigenen Experimenten wünscht
Gerd Heinz
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Created Jan. 11, 2025
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