Zuverlässigen Stromspiegel (Current Mirror) aufbauen: Schritt-für-Schritt-Anleitung

Bauteile & Materialien

• Zwei NPN-Transistoren (2N2222 oder 2N3403 empfohlen; Radio Shack #276-1617 bietet 15er-Pack)
• Zwei 6-V-Batterien
• 10-kΩ-Linearpotentiometer (Radio Shack #271-1715)
• Zwei 10-kΩ-Widerstände
• Vier 1,5-kΩ-Widerstände

Kleinsignaltransistoren lassen den subtilen „Thermal Runaway“-Effekt bei niedrigen Strömen beobachten. Jedes Paar identischer NPNs funktioniert, aber prüfen Sie das Datenblatt auf Pinout-Konsistenz – falsch beschriftete Gehäuse können irreführen.

Pin-Belegungen mit der Dioden-Testfunktion des Multimeters verifizieren; Kapitel 4 der Semiconductor Volume III-Reihe behandelt dies detailliert.

Lernziele

• Einen Stromspiegel-Schaltkreis aufbauen
• Seine Stromregulierungsgrenzen verstehen
• Temperaturabhängigkeit von BJTs erforschen
• Kontrollierten Thermal Runaway erleben

Schaltplan

Aufbauillustration

Anleitung

Ein Stromspiegel fungiert als einfacher einstellbarer Stromregler. Der Strom wird durch einen einzelnen Widerstand festgelegt, was ihn zu einer weit verbreiteten, kostengünstigen Lösung macht.

Bauen Sie die Schaltung exakt wie gezeigt auf. Für die finale Phase des Experiments benötigen Sie einen zusätzlichen 1,5-kΩ-Widerstand.

Das Potentiometer steuert den Kollektorstrom von Q₁, der sich wie eine Diode verhält. Durch Anpassung der Basis-Emitter-Strecken von Q₁ und Q₂ wird sichergestellt, dass dieselbe Spannung beide Transistoren antreibt, sodass sich ihre Kollektorströme spiegeln.

Da die Basisströme gleich sind und die Transistoren matchen, passt Q₂ seine Kollektor-Emitter-Spannung automatisch an, um denselben Kollektorstrom aufrechtzuerhalten, unabhängig vom Lastwiderstand.

Zum Testen ist die Last an Q₂ an ein Amperemeter angeschlossen. Fünf Testpunkte (TP1–TP5) erlauben schnelles Ändern des Lastwiderstands von nahezu null bis ~14,5 kΩ.

Beginnen Sie, indem Sie die schwarze Messleitung des Amperemeters auf TP4 legen und das Potentiometer variieren. Notieren Sie den Strom. Bewegen Sie die Leitung zu TP3, TP2, TP1 und notieren Sie, wie der Strom stabil bleibt. Wiederholen Sie mit anders eingestelltem Potentiometer. Der Strom sollte nahezu konstant bleiben, bis sich der Lastwiderstand TP5 nähert, wo er abfällt, weil Q₂ bei diesem hohen Widerstand nicht mehr denselben Strom liefern kann.

Diese Ergebnisse illustrieren die praktischen Grenzen des Reglers. Das Bauelement kann nur einen festen Strom bis zu einem bestimmten Lastwiderstand liefern; darüber hinaus sättigt es.

Temperatur ist kritisch. Überhitzt ein Transistor, ändert sich seine Basis-Emitter-Spannung und bricht den Spiegel. Halten Sie beide Transistoren auf gleicher Temperatur – Rückseitiges Verkleben ist gängige Praxis.

Zum Beobachten des Effekts heizen Sie einen Transistor mit der Hand; der Laststrom steigt. Kühlen Sie ihn und heizen Sie den anderen; der Strom ändert sich entsprechend. Schließlich lassen Sie einen Transistor überhitzen, indem Sie das Potentiometer auf ~10 mA einstellen und dann auf 30 mA erhöhen. Beobachten Sie den Stromanstieg ohne Potentiometer-Verstellung – dies ist Thermal Runaway.

Computersimulation

Modellieren Sie die Schaltung mit SPICE. Fügen Sie folgenden Netlist in eine Textdatei ein:

Current mirror
v1 1 0
vammeter 1 3 dc 0
rlimit 1 2 10k
rload 3 4 3k
q1 2 2 0 mod1
q2 4 2 0 mod1
.model mod1 npn bf=100
.dc v1 12 12 1
.print dc i(vammeter)
.end

V_ammeter ist eine Nullspannungsquelle, die den Laststrom misst. Variieren Sie R_load, um die Reglerleistung zu prüfen; mit R_limit = 10 kΩ und 12 V Versorgung beträgt der simulierte Strom 1,1 mA über einen weiten Widerstandsbereich.

Zugehörige Arbeitsblätter

• Regulated Power Sources Worksheet
• Differential Transistor Amplifiers Worksheet