BP:Symmetrische Spannungsversorgung

Operationsverstärker benötigen häufig eine symmetrische Spannungsversorgung. Möchte man keine zwei Spannungsquellen in Reihe schalten oder steht nur eine Spanungsquelle zur Verfügung, ist eine elektronische Schaltung erforderlich. Dieses Bastelprojekt stellt eine einfache Möglichkeit vor, eine solche Spannungsversorgung in einem kleinen Kästchen zu realisieren. Die Spannungsversorgung ist zusätzlich stabilisiert und geglättet.

Fertige Box mit der symmetrischen Spannungsversorgung.

Hintergrund

Wird eine symmetrische Spannungsversorgung benötigt, reicht im einfachsten Fall ein Spannungsteiler mit gleichen Widerständen aus. Die Spannung, die am Widerstand anliegt, entspricht im Betrag der angelegten Spannung. Zwischen den Widerständen kann ebenfalls eine Spannung abgegriffen werden. Bezogen auf die Eingangsspannung liegt der mittlere Punkt genau in der Mitte. Bei einer Eingangsspannung von 10 V könnte also eine am Ausgang eines Spannungsteilers parallel dazu eine Spannung von +5 V, 0 V und -5 V abgegriffen werden. Der Punkt, an dem 0 V anliegen, kann als virtuelle Masse bezeichnet werden, weil es nicht die Masse des Netzteils, sondern ein beliebig definierter Punkt mit bestimmtem Potential ist. Ein Spannungsteiler alleine hat jedoch mehrere Nachteile: Unter asymmetrischer Belastung verändert sich die ursprünglich symmetrische Sapnnung. Ein weiteres Problem stellt die abgreifbare Leistung dar: große Widerstände lassen nur kleine Ströme zu; kleine Widerstände haben wiederum eine hohe Verlustleistung. Die Spannnug wird daher mit einem Operationsverstärker stabilisert. Zur Entlastung des OPVs wird eine Gegentaktstufe nachgeschaltet.

Benötigtes Material

• Punkt-Streifenrasterplatine mit den Maßen 10 cm $\times$ 5 cm
• Lötkolben, Lötzinn, Silberdraht, Kupferlitze (0,14 mm), Zange
• 3D-Drucker
• 3D-Druck-Modell für die Box und den Deckel
• 5 Bananenbuchsen, 4 mm (2x rot, 1x grün, 2x blau (oder 1x blau & 1x schwarz))
• Lötbare Schraubklemmen (zwei 2-polige und eine 3-polige)
• 1 Operationsverstärker (hier: OP27)
• R1 = R2 = 100 kΩ, R3 = 2,7 kΩ, R4 = R5 = 47 kΩ
• 2 Elektrolytkondesatoren C1 = C2 = 1000 μF
• 2 Keramik-/Folienkondensatoren C3 = C4 = 10 nF
• 2 Siliziumdioden 1N4007
• 2 komplementäre Transistoren (NPN/PNP): BD139, BD140
• 2 Kühlkörper für die Transistoren

Funktion der Schaltung

An der Spannungsquelle links kann wird eine Spannungsquelle angeschlossen. Die Widerstände R1 und R2 stellen einen Spannungsteiler dar und teilen die Eingangsspannung symmetrisch auf. Der Operationsverstärker wird als Spannungsfolger eingebaut, welcher die Ausgangsspannung auf die virtuelle Masse von 0 V regelt. R3 dient zur Strombegrenzung des OPV-Ausgangs (max. 25 mA). Hinter dem OPV folgt eine Gegentaktstufe. Um die Schaltverzögerung der Transitoren T1 und T2 zu minimieren, werden die Pullup-/Pulldown-Widerstände R4 und R5 sowie die Dioden D1 und D2 zwischen OPV-Ausgang und Transitorenbasis geschaltet. Dies ist für einen Betrieb bei Gleichspannung nicht zwingend erforderlich und eher bei Wechselsapnnung relevant. Die Ausgangsspannung kann auf diese Weise jedoch sehr zuverlässig geregelt werden. Die Kondensatoren C1, C2, C3, C4 dienen zur Glättung der Ausgangspannug von hohen und niedrigen Frequenzen. An den Abgriffpunkten rechts kann am Schluss die symmetrische Spannung abgegriffen werden. Die erschaffene virtuelle Masse ist mit dem Massensymbol angedeutet, wobei es sich keineswegs um die Masse des Netzgeräts handelt und auch nicht mit einer solchen verbunden werden sollte.

Schaltplan der symmetrischen Spannungsversorgung.

Aufbau der Schaltung

Schritt 1

Zunächst muss die Schaltung auf der Punkt-Streifenrasterplatine geplant werden. Dazu kann es sich lohnen vorher festzulegen an welchen Positionen sich die Anschlusskleppen und die Operationsverstärker befinden sollen.

Schritt 2

Nun kann die Schaltung gelötet werden. Dabei ist darauf zu achten, dass die Bauteile auf der unbeschichteten Seite platziert werden und die Polarität der Bauteile stimmt.

Schritt 3

Nun kann nach den Vorlagen Box und Deckel die Box für die Schaltung gedruckt werden.

Schritt 4

An jede der Buchsen wird nun ein 5 cm langes Stück der Kupferlitze gelötet. Die Buchsen können dann in die dafür vorgesehenen Löcher eingesetzt und mit den beiden Muttern festgeschraubt werden. Die anderen Enden der Kupferlitzen werden dann in die dafür vorgesehenen Anschlussklemmen eingesetzt und festgeschraubt.

Schritt 5

Als letztes wird noch der Deckel aufgesteckt und die Box passend beschriftet. Wenn sich der Deckel zu einfach lösen lässt, empfiehlt es sich, die Deckelklemmen etwas zu verdicken (mit Knetmasse oder einer Schicht Klebeband).

Draufsicht der Box.

Eigenschaften der Schaltung

Die gesamte Schaltung ist für eine Eingangsspannung von bis zu 30 V dimensioniert. Höhere Spannungen können bei unsymmetrischer Last zu Schäden an den Transistoren und dem OPV führen. Bei symmetrischer Last ist der maximale Strom durch den Strom des Netzteils begrenzt. Bei unsymmetrischer Last ist unbedingt darauf zu achten, dass kein Strom über 0,5 A fließen kann. Höhere Ströme führen zu einer Überhitzung der Transistoren. Der Strom sollte daher auf jeden Fall von der Netzteilseite aus auf 0,5 A begrenzt werden.

Eigenschaften der Schaltung

Parameter	Wert
max. Eingangsspannung $V_{S}$	30 V
Ausgangsspannung	$\pm V_{S}$ , 0 V
max. Strom (unsymmetrische Last) $I_{\text{max}}$	0,5 A
max. Strom (symmetrische Last)	-

Details zum Gehäuse

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      3D-Modell der Box.
  

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      3D-Modell des Deckels.
  

Mögliche Probleme und ihre Lösungen

Problem 1

Die symmetrische Spannung bricht ab einer Eingangsspannung von 20 V ein und wird asymmetrisch.

Lösung 1a

OPV hat keine Strombegrenzung im Ausgang und wurde überlastet $\longrightarrow$ OPV tauschen und Widerstandswert von R3 überprüfen.

Lösung 1b

Die Pinbelegung an den Transistoren variiert je nach Quelle. Es muss daher sichergestellt werden, dass die Pins der Transistoren richtig zugeordnet worden sind. Bei Unsicherheit vorher testen.

Problem 2

Ein Transistor wird sehr heiß, während der andere kalt bleibt.

Lösung 2a

Die Schaltung wird stark asymmetrisch belastet. Es muss sichergestellt werden, dass beide Ausgänge gleichmäßig belastet werden oder eine entsprechende Strombegrenzung eingehalten wird.

Sicherheitshinweise

Bei Einhaltung der Betriebsspannungen bzw. -strömen kann nichts passieren.

Fotos

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  Fertige Box.
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  Draufsicht der Box.
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  Schaltplan der symmetrischen Spannungsversorgung.
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  3D-Modell der Box.
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  3D-Modell des Deckels.

Literatur

Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter CC BY-NC-SA 4.0