JFET-Stromregler – Stabile Konstantstromquelle aufbauen und testen

Bauteile & Materialien

• Ein N-Kanal Junction Field-Effect Transistor (JFET), z. B. 2N3819 oder J309 (Radio Shack #276-2035)
• Zwei 6-V-Batterien
• Ein 10-kΩ-Eingangs-Potentiometer, eingängig, linear (Radio Shack #271-1715)
• Ein 1-kΩ-Widerstand
• Ein 10-kΩ-Widerstand
• Drei 1,5-kΩ-Widerstände

Wichtig – verwenden Sie einen N-Kanal-JFET, kein P-Kanal-Gerät. Selbst optisch identische Gehäuse können unterschiedliche Pinbelegungen haben; prüfen Sie stets das Datenblatt vor dem Verdrahten.

Da Hersteller gelegentlich Pin-Diagramme falsch beschriften, überprüfen Sie jeden Pin mit der Dioden-Testfunktion eines Multimeters. Detaillierte Anleitung zur JFET-Pin-Identifikation finden Sie in Kapitel 5 der Semiconductor Volume III-Reihe.

Querverweise

• Lessons In Electric Circuits, Band 3, Kapitel 5: „Junction Field-Effect Transistors“
• Lessons In Electric Circuits, Band 3, Kapitel 3: „Diodes and Rectifiers“

Lernziele

• Einen JFET als präzisen Stromregler einsetzen
• Die exzellente thermische Stabilität des JFET verstehen

Schaltplan

Aufbauillustration

Anleitung

Frühere Kapitel stellten einen BJT-Stromspiegel vor, der zwei Transistoren nutzt, um gleiche Ströme zu erzwingen. Der JFET-Stromregler ersetzt dieses Paar durch einen einzelnen JFET und bietet identische Leistung bei vereinfachter Schaltung.

Die Serienwiderstände R_adjust und R_limit stellen den gewünschten Strom ein, während die Lastwiderstände und Testpunkte (TP1–TP4) demonstrieren, dass der Strom unabhängig von Laständerungen konstant bleibt. Beginnen Sie das Experiment, indem Sie die Messleitung auf TP4 legen und das Potentiometer variieren.

Sie werden einen moderaten, einstellbaren Strom im niedrigen Milliampere-Bereich beobachten. Wählen Sie einen praktischen Milliampere-Wert, bewegen Sie die Leitung zu TP3, dann TP2 und schließlich TP1; das Messgerät sollte nahezu denselben Wert anzeigen, was das Konstantstromverhalten bestätigt.

Um den Regler zu fordern, stellen Sie das Potentiometer auf einen anderen Strom ein und wiederholen die Messungen an TP1–TP4. Der Strom sollte an allen vier Punkten stabil bleiben. An TP5, das nach einem 10-kΩ-Widerstand liegt, steigt die Gesamtlast auf 14,5 kΩ – ein Widerstand, der den JFET in Sättigung zwingt und den Strom schlagartig abfallen lässt. Dies verdeutlicht die Spannungsfall-Begrenzung des Reglers.

Wird der Regelpunkt auf einen niedrigeren Strom eingestellt, kann der JFET die Regelung über einen weit größeren Lastbereich aufrechterhalten. Versuchen Sie, den Transistor von Hand zu erwärmen und mit einem Lüfter zu kühlen; der gemessene Strom bleibt unverändert, was die Immunität des JFET gegen Temperaturschwankungen und seine Resistenz gegen Thermal Runaway demonstriert.

Da nur ein Transistor verwendet wird, entfällt die Notwendigkeit präziser Anpassung, und der Kreis ist inhärent immun gegen den Temperaturschwankungen, die BJT-Spiegel plagen.

Eine weitere Anwendung dieser Konfiguration ist die „Konstantstromdiode“. Sie besteht aus einem JFET mit festem Widerstand zwischen Gate und Source, geschützt durch eine in Reihe geschaltete PN-Übergangsdiode gegen Sperrspannung. Siehe Diagramm unten für die klassische Implementierung.

Computersimulation

Schaltplan mit SPICE-Knotennummern:

Netlist (kopieren Sie Folgendes in eine Textdatei und führen Sie es in SPICE aus):

JFET current regulator
vsource 1 0
rload 1 2 4.5k
j1 2 0 3 mod1
rlimit 3 0 1k
.model mod1 njf
.dc vsource 6 12 0.1
.plot dc i(vsource)
.end

Da SPICE keine Widerstandswerte sweepen kann, variiert das Beispiel die Quellspannung von 6 V bis 12 V in 0,1-V-Schritten. Mit R_limit = 1 kΩ beträgt der simulierte Strom 291,8 µA – ein Wert, der aufgrund von Bauelementparameterstreuungen leicht von einer realen Schaltung abweicht. Viele Hersteller liefern SPICE-Modelle, die in die .model-Zeile eingefügt werden können für genauere Simulation.

ZUGEHÖRIGES ARBEITSBLATT

• Junction Field-Effect Transistors (JFET) Worksheet