Stromspiegel

Ein Stromspiegel macht aus einem Strom, den du an einer Stelle einstellst, einen zweiten, gleich großen Strom an anderer Stelle – unabhängig davon, welche Spannung dort anliegt. Zwei gleiche Transistoren, deren Basen und Emitter verbunden sind, genügen dafür. Der eine misst den Referenzstrom, der andere bildet ihn nach.

In integrierten Schaltungen ist der Stromspiegel das häufigste Bauelement nach dem Transistor selbst: Er versorgt Differenzverstärker, ersetzt Kollektorwiderstände und verteilt Ruheströme über den ganzen Chip. Diskret aufgebaut nutzt du ihn, um mehrere LED-Ketten mit gleichem Strom zu versorgen, um einen Messstrom für einen Sensor zu erzeugen oder als aktive Last im Differenzverstärker mit Transistoren.

Schaltplan

• T1, BC547B: als Diode geschaltet, Kollektor und Basis verbunden. Er setzt den Referenzstrom in eine Basis-Emitter-Spannung um.
• T2, BC547B: bekommt dieselbe Basisspannung und führt deshalb denselben Strom, egal ob an seinem Kollektor 2 V oder 9 V liegen.
• Rref, 1 kΩ: legt den Referenzstrom fest.
• RE1 und RE2, 100 Ω: Emitterwiderstände. Sie gleichen Unterschiede zwischen den Transistoren aus und machen den Ausgang hochohmiger.
• Last: drei weiße LEDs in Reihe, zusammen etwa 9 V.

So funktioniert die Schaltung

Durch Rref fließt ein Strom in den Kollektor von T1. Weil Kollektor und Basis verbunden sind, stellt sich T1 genau die Basis-Emitter-Spannung ein, die zu diesem Strom gehört – etwa 0,65 V. Ein Bipolartransistor ist ein spannungsgesteuertes Bauteil: Sein Kollektorstrom folgt der Basis-Emitter-Spannung nach I_C = I_S · e^{U_BE / U_T}. T2 sieht dieselbe Spannung zwischen Basis und Emitter. Ist er ein gleicher Transistor bei gleicher Temperatur, führt er denselben Strom.

Mit Emitterwiderständen gilt dasselbe für die Summe aus Basis-Emitter-Spannung und Spannung an RE. Weil an RE hier rund 1 V liegt, fallen kleine Unterschiede der Basis-Emitter-Spannung kaum noch ins Gewicht. Das Verhältnis der Ströme bestimmen dann vor allem die Widerstände: Mit RE2 = 50 Ω statt 100 Ω liefert T2 ungefähr den doppelten Strom.

Drei Effekte machen den einfachen Spiegel ungenau:

• Basisströme: Beide Basisströme kommen aus dem Referenzzweig. Bei h_FE = 290 fehlen dem Ausgang dadurch 2 / 290 ≈ 0,7 %.
• Early-Effekt: Der Kollektorstrom steigt leicht mit der Kollektor-Emitter-Spannung. T1 arbeitet bei 0,65 V, T2 vielleicht bei 8 V; mit einer Early-Spannung um 70 V sind das 10 % mehr Strom (Transistor-Kennlinienfelder).
• Exemplarstreuung: Zwei lose Transistoren unterscheiden sich um einige Millivolt in der Basis-Emitter-Spannung. 2 mV bedeuten ohne Emitterwiderstände 8 % Stromunterschied, denn e^{2 mV / 26 mV} ≈ 1,08.

Das Diagramm zeigt den Unterschied. Der einfache Spiegel liefert bei 3 V am Kollektor 10,6 mA, mit 2 mV Versatz 11,4 mA, und der Strom steigt weiter mit der Spannung. Mit 100 Ω im Emitter bleibt er bei 10,25 mA, zwischen 3 V und 8 V ändert er sich um 0,02 mA. Der Preis: Unter etwa 1,1 V am Kollektor funktioniert der Spiegel nicht mehr, weil schon 1 V an RE2 liegt.

Dimensionierung

Vorgabe: Drei weiße LEDs mit je etwa 3,0 V sollen 10 mA bekommen, Versorgung 12 V.

1. Spannung an den Emitterwiderständen. Etwa 1 V ist ein guter Kompromiss: Gegen 2 mV Versatz bleiben nur 2 mV / 1 V = 0,2 % Fehler. Für 10 mA ist R_E = 1 V / 10 mA = 100 Ω.

2. Referenzwiderstand. Durch Rref fließen der Referenzstrom und die beiden Basisströme. Mit U_BE ≈ 0,65 V:

3. Ausgangsstrom. Abzüglich der Basisströme:

4. Spannungsreserve. An T2 bleiben 12 V − 9 V − 10,25 mA · 100 Ω ≈ 2 V. Das reicht, solange die LEDs zusammen weniger als etwa 10,8 V brauchen – auch eine Kette mit 3,4 V je LED funktioniert noch.

Weitere Ketten schließt du mit je einem weiteren Transistor samt 100-Ω-Emitterwiderstand an dieselbe Basisleitung an. Jeder zusätzliche Transistor zieht einen Basisstrom aus dem Referenzzweig; bis vier Ausgänge bleibt der Fehler unter 2 %.

Bauteilliste

Varianten

PNP-Spiegel. Mit BC557B an der Plusschiene schiebt der Spiegel Strom in eine Last, die an Masse hängt. Das ist die übliche Bauform als aktive Last in Verstärkern.

Wilson-Spiegel. Ein dritter Transistor im Ausgangszweig regelt die Kollektorspannung von T1 nach und hebt den Ausgangswiderstand um etwa den Faktor h_FE/2. Der Basisstromfehler sinkt auf 2 / h_FE².

Widlar-Stromquelle. Nur RE2 bekommt einen Widerstand, RE1 entfällt. Dann ist der Ausgangsstrom viel kleiner als der Referenzstrom, etwa 50 μA aus 1 mA mit nur 1,5 kΩ. So erzeugt man in ICs kleine Ruheströme ohne riesige Widerstände.

Unabhängig von der Versorgung. Ersetzt du Rref durch eine Referenz, etwa eine Z-Diode mit Widerstand an der Basis eines einzelnen Transistors, wird daraus eine Konstantstromquelle mit Transistor. Für LED-Ketten mit größeren Strömen ist die Konstantstromquelle mit LM317 bequemer.

Typische Fehler

• Ausgangsstrom viel zu groß oder zu klein: Ohne Emitterwiderstände und mit zwei Transistoren verschiedener Gruppen (A und C) können die Ströme um den Faktor zwei auseinanderliegen. Emitterwiderstände einbauen oder einen Doppeltransistor wie den BCM847BS nehmen.
• Strom driftet beim Erwärmen: T2 wird durch seine Verlustleistung wärmer als T1, seine Basis-Emitter-Spannung sinkt um 2 mV/K, und er zieht mehr Strom (Temperaturverhalten von Halbleitern). Abhilfe: Emitterwiderstände, thermischer Kontakt zwischen beiden.
• Kein Strom am Ausgang: Die Last braucht mehr Spannung, als übrig ist; T2 ist gesättigt. Miss die Kollektor-Emitter-Spannung von T2, sie muss über 0,3 V liegen.
• Spiegel schwingt: Bei langen Leitungen zu den Lasten und schnellen Transistoren selten, aber möglich. Ein Kondensator von 10 nF von der Basisleitung nach Masse beruhigt.

Selbsttest