LM334: Einstellbare Konstantstromquelle

Der LM334 (TI, ursprünglich National Semiconductor) ist ein 3-Terminal Adjustable Current Source -- ein IC das einen einstellbaren, konstanten Strom liefert. Unabhängig von der Last und über einen weiten Temperaturbereich.

Klingt unspektakulär, ist aber in der Praxis extrem nützlich: Immer wenn du einen präzisen, lastunabhängigen Strom brauchst -- Hall-Sensor Biasing, LED-Treiber, Temperaturmessung -- ist der LM334 eine einfache Lösung mit wenig externen Bauteilen.

Grundprinzip

Spannungsreferenz → Stromquelle

Der LM334 erzeugt zwischen seinen Pins V+ und V− eine kleine, temperaturabhängige Referenzspannung:

wobei \(T\) die absolute Temperatur in Kelvin ist. Bei 25°C (\(T = 298\,\text{K}\)): \(V_R = 214 \times 298 = 63{,}8\,\text{mV} \approx 64\,\text{mV}\). Diese Spannung basiert auf der thermischen Spannung \(V_T = k_B T / q\) -- physikalisch dasselbe Prinzip wie in der Shockley-Diodengleichung.

Ein externer Widerstand \(R_{SET}\) zwischen V+ und R (dem Regelpin) wandelt diese Spannung in einen Strom. Der Gesamtstrom \(I_{SET}\) setzt sich zusammen aus dem Strom durch \(R_{SET}\) und dem Bias-Strom des ICs (\(I_{BIAS} \approx I_{SET}/18\)):

wobei \(n = I_{SET}/I_{BIAS} \approx 18\) das Verhältnis von Gesamt- zu Biasstrom ist (siehe Datenblatt¹, Gl. 3).

Das ist die gesamte Schaltung: ein Widerstand.

Pinout (SOT-23 / SO-8 / TO-92)

Betriebsparameter

Strom einstellen

Absolute Maximum Ratings

Varianten: LM134 (Mil-Temp), LM234 (Industrial), LM334 (Commercial). Identische Funktion, unterschiedlicher Temperaturbereich. Für Hobby reicht der LM334.

Temperaturverhalten

Die Referenzspannung ist proportional zur absoluten Temperatur (PTAT):

Das bedeutet: Der Strom hat einen positiven Temperaturkoeffizienten von ~+0.33%/°C.

Temperaturkompensation

Für Anwendungen die temperaturstabilen Strom brauchen, kann man die PTAT-Drift kompensieren: Ein Widerstand mit negativem TK (z.B. ein zweiter LM334 als Spannungsreferenz, oder ein NTC) in Serie mit \(R_{SET}\) erzeugt eine gegenläufige Drift. Das TI-Datenblatt zeigt die Schaltung "Zero TC Current Source" — damit erreicht man Temperaturstabilität im ppm-Bereich.

Einsatz als Temperatursensor

Die PTAT-Eigenschaft lässt sich auch umdrehen: Wenn man \(R_{SET}\) fest wählt und die Spannung über dem LM334 misst, hat man einen linearen Temperatursensor. Die Spannung \(V_R \approx 214\,\mu\text{V/K}\) steigt linear mit der absoluten Temperatur¹. Das Datenblatt spezifiziert die LM234-3 und LM234-6 sogar als dedizierte Temperatursensoren mit garantierter Genauigkeit von ±3°C bzw. ±6°C. Einfacher geht Temperaturmessung kaum — ein IC, ein Widerstand, ein ADC-Eingang. Und weil es eine echte Stromquelle ist, verfälschen lange Zuleitungen das Ergebnis nicht (Serienwiderstand ändert den Strom nicht).

Anwendung: Hall-Element Biasing

Für unser Spinning Current Projekt brauchen wir einen stabilen Biasstrom für das AKM HG106C GaAs-Hall-Element.

Schaltung

Die einfachste Konfiguration:

1. V+ → über TC4424A Schalter → Hall-Element Kontakt
2. V− → GND
3. R → über \(R_{SET}\) nach V+

Für 3 mA Biasstrom: \(R_{SET} = 67{,}7\,\text{mV} / 3\,\text{mA} = 22{,}6\,\Omega\) → nächster E24-Wert: 22 Ω → \(I_{SET} \approx 3{,}1\,\text{mA}\).

Warum Konstantstrom statt Konstantspannung?

Die Hall-Gleichung sagt:

Die Hallspannung ist proportional zum Strom \(I\). Wenn du stattdessen eine konstante Spannung anlegst, variiert der Strom mit dem Elementwiderstand -- und der ändert sich mit Temperatur und Magnetfeld (Magnetowiderstand). Konstantstrom eliminiert diese Fehlerquelle.

Vergleich mit Alternativen

Für unser Projekt ist der LM334 der Sweet Spot: einfach genug für einen Breadboard-Aufbau, stabil genug für reproduzierbare Hall-Messungen.

Das LM334-Modul

Der LM334MX kommt im SO-8-Gehäuse -- 1,27 mm Pinabstand, für einen Steckbrett-Aufbau also erst einmal unbrauchbar. Deshalb gibt es ihn bei uns auch fertig gelötet auf einem Adapterboard, zusammen mit einem kleinen Satz \(R_{SET}\)-Widerständen für die gängigen Ströme:

Ehrlichkeitshalber zur Größe: Das Board ist mit 24,9 × 11,7 mm für ein Breakout deutlich größer als nötig. Es stammt ursprünglich aus einem anderen Projekt und trägt zwei Bestückungsplätze (SO-8 und TSSOP-8). Die Stiftleisten sitzen dadurch nicht im DIP-8-Raster (7,62 mm), sondern 15,24 mm (innere Reihen) bzw. 20,32 mm (äußere Reihen) auseinander. Aufs Steckbrett passt es, aber es sitzt außermittig über dem Mittelkanal, und weil die Platine über die äußeren Stiftreihen hinausragt, bleiben je nach Platzierung nur ein bis zwei freie Kontaktreihen pro Seite. Wer es kompakter braucht, ist mit einem Standard-SO-8-Adapter besser bedient -- wir verwenden schlicht die Boards, die wir noch dahaben.

Innere und äußere Kontaktreihen sind ab Werk verbunden. Jeder Chip-Pin liegt also auf zwei Stiftreihen gleichzeitig -- praktisch, wenn man einen Pin zweimal abgreifen will. Die Verbindung läuft jeweils über eine Lötbrücke; wer die beiden Reihen unabhängig braucht, trennt sie einfach mit dem Messer auf.

Datenblatt und Bezugsquellen

• TI Datenblatt: LM134/LM234/LM334 — 3-Terminal Adjustable Current Source
• Kaufen: blueberrye.io (Werbung) · Mouser · DigiKey · Reichelt

Weiterführendes

• Hall-Sensoren — warum Konstantstrom wichtig ist
• Spinning Current Projekt — LM334 als Bias-Stromquelle
• Drift und Diffusion — Driftgeschwindigkeit und Strom
• Stromdichte und Kontinuität — was ein konstanter Strom mikroskopisch eigentlich ist