Netzteilzusatz erzeugt symmetrische Spannung
(der synthetische GND)

 

Einleitung

Viele Labornetzgeräte arbeiten im Single-Supply-Modus. Das heisst, der Spannungs-Ausgang besteht aus einem PLUS und aus einem MINUS. Nun kommt man in die Situation, bei der man ein zweites Labornetzgerät benötigt, um diese beiden Geräte in Serie zu schalten, weil man eine Schaltung testen und vielleicht bearbeiten will, die eine symmetrische Betriebsspannung von z.B. ±12V benötigt. Dabei sollte man beide Spannungen gemeinsam steuern. Das funktioniert halbwegs zufrieden stellend, weil man schliesslich zwei Hände hat. Wenn es genau sein sollte, ist das von Anfang bis zur Endeinstellung schwierig. Man weiss zu Beginn oft auch nicht, ob das unregelmässige hoch- und auch runterfahren mit den beiden Spannungsquellen Probleme bereiten können im Testobjekt. Es kann mehr lästig als lustig sein....

Kurz nachgedacht! Stellt man fest, man hätte eigentlich genügend Labornetzgeräte, wenn man aus einem Ausgang mit Single-Supply-Modus (+Ub und GND) einen Ausgang im Dual-Supply-Modus (±Ub) erzeugen kann und dies mit gleichbleibender Ausgangsspannung. Z.B. anstelle von maximal +24 V sind es ±12V.

Um dies zu realisieren braucht es einen Wandler der eine DC-Spannung von +Ub und GND nach ±Ub mit GND im Mittelpunkt umformt. Wichtig dabei ist, dass ander Spannungsquellen von dieser hier galvanisch getrennt sind. Das funktioniert ganz einfach dadurch, dass der synthetische (künstliche) GND alleine, jedoch wenn nötig, mit andern Netzgeräten oder Netzteilen verbunden ist. In dieser Weise ist also ein gemeinsamer synthetischer GND realisierbar.Es geht hier um einen Netzteilzusatz mit dem Titel SINGLE->DUAL-SUPPLY-MODE-CONVERTER. Vorgestellt gleich hier im Titelbild:


Die hier gezeigte Schaltung erklärt dem Elektroniker mit wenig Worten worum es geht. Die vielen kleinen Pfeile in Serie vom Ausgang des synthetischen GND (Synth-GND) zeigen die Signalrichtung. Nämlich von eben diesem Ausgang zum invrtierenden Eingang des Opamp. Da diese Signalrückführung ohne Spannungsteiler erfolgt, ist die Gesamtverstärkung vom Opamp und den beiden Daralington-Stufen auf 1 fixiert. Das bedeutet, dass der synthetische GND stets dem selben Potential beim nichtinvertierenden Eingang des Opamp entspricht. Das ist gegeben durch beiden 1%-Präzisionswiderständen. In dieser Weise regelt die Schaltung den Synth-GND zum selben Spannungspegel, nämlich +Ub/2.

Die Arbeitsweise der hier gezeigten Schaltung ist einfach und kurz erklärt. Jedoch ist dieser Elektronik-Minikurs langatmig, bzw. lang. Für den Leser der sich in der Elektronik mit Operationsverstärker (Opamp), bipolaren Transistoren und Darlingtons auskennt und selbst auch beruflich oder hobbymässig Schaltungen realisiert, kann das Meiste das jetzt kommt gleich "überfliegen" und beim Kapitel
Synthetischer GND erzeugt symmetrische DC-Spannung ±Ub
beginnen. In diesem Fall hinunterscrollen bis zu diesem Titel und Los kann es gehen mit Bild 4 !



Was bedeuten hier die Begriffe synthetisch und virtuell?

synthetisch oder virtuell, in meinen Elektronik-Minikursen kommen beide Begriffe zum Einsatz. Worin liegt der Unterschied? Google antwortet:

Google: virtuell bedeutet, dass etwas nicht wirklich vorhanden ist. Ein Raum oder eine Situation erscheinen einem zwar real, sie sind aber von einem Computer simuliert oder nur in der eigenen Vorstellung vorhanden.

Google: synthetisch bedeutet zusammengesetzt, verbindend, verknüpfend, in der Philosophie zur Einheit, Ganzheit verknüpfend, ganzheitlich darstellend (Mitte 18. Jahrhundert.), in der Chemie auf chemischem Wege, künstlich erzeugt, hergestellt.

In diesem Elektronik-Minikurs kommt "synthetisch" zum Einsatz .

Analoge Schaltungen werden entweder im Single-Supply-Modus, mit einer positiven Betriebsspannung (+Ub) oder im Dual-Supply-Modus, symmetrischen Betriebsspannung (±Ub) versorgt. Beide Formen der Betriebsspannungen gibt es in den Elektronik-Minikursen, bei denen u.a. der Operationsverstärker (Opamp) und der Instrumentationsverstärker (echter Differenzverstärker) im Fokus stehen. Diese Elektronik-Minikurse beginnen in der Indexseite an dieser Stelle.

Analoge Schaltungen im Single-Supply-Modus benötigen eine Arbeitspunktspannung. Man kann sie ebenso als Bezugs- oder Referenzspannung bezeichnen. Ich benutze meist den Begriff Referenzspannung. Diese Spannung, die je nach Anwendung hochstabil und möglichst frei von Rausch- und Störspannungen sein muss, ist ausführlich im Elektronik-Minikurs Operationsverstärker I thematisiert. Dies in Bezug auf praktische Anwendungen und ebenso in Bezug, wie man solche Arbeitspunkt- bzw. Referenzspannungen erzeugt. Dazu mehr Details im Kapitel 5 "Die Ub/2-Referenz und der synthetische GND". Während die Arbeitspunkt- bzw. Referenzspannungen detailliert beschrieben ist, wird am Schluss der synthetische GND, als GND-Generator nur kurz angedeutet und vorgestellt.

Vollständigkeitshalber sei hier noch kurz auf die Zweideutigkeit des englischen Begriffes "Artificial GND" hingewiesen. Es gibt diesen Begriff auch in einem ganz andern elektronischen Sinne im Bereich der Hochfrequenz-Sendertechnik. Dazu eine kurze Erklärung aus dem
QRP-Forum (Amateurfunk) im Kapitel "Eigenschaften kurzer Antennen": Als "künstliche Erde" bezeichnet man Serienschwingkreise, die eine Erdverbindung oder ein Erdnetz mit dem Masseanschluss der Antenne verbinden. Bei gut leitender Verbindung und Kompensation aller Blindanteile, wirkt ein relativ kleiner ohmscher Widerstand vom Masseanschluss der Antenne nach Erde. Eine künstliche Erde eignet sich zur Kompensation des Blindanteils eines kapazitiven Erdnetzes. Ggf. lässt sich dadurch der Wirkungsgrad einer Antenne auf den tiefen Amateurbändern verbessern. Bei sehr guten Erdverhältnissen (z.B. Seewasser) verschlechtert eine "künstliche Erde" den Gesamtwirkungsgrad nur, da sie selbst einen ohmschen Verlustwiderstand mit einbringt.



Single-Supply und Dual-Supply im Elektronik-Alltag

Bilder 1 bis 3, inklusiv Text, sind primär für den eher noch Anfänger gedacht. Mit "eher noch" gilt hier man weiss etwas zum Thema Operationsverstärker und dessen Anwendungen. Es gilt hier, wie für alle Elektronik-Minikurse, gewisse Grundlagen in der Elektrotechnik und in der Elektronik sind vorausgesetzt. Was einem fehlt an Wissen oder Verstehen, empfehle ich den Einstieg in den Elektronik-Grundlagen des Elektronik-Kompendium (das ELKO). Bitte auf dieser Webseite auch den Titel Elektronik-Kompendium anklicken. Es hat 11 symbolische Links und unterhalb davon gibt es praxisorientierte Literatur, auch erhältlich als E-Book und nicht zuletzt Elektronik-Set (Starter- und Basic-Edition). Auch das Experimentieren istwichtig. Ohne dies ist es unmöglich, elektronische Schaltung zu erfahren.

Bild 1 zeigt typische analoge Schaltungen, die je nach Anwendung im Single-Supply-Modus (oft Batteriebetrieb) oder im Dual-Supply-Modus (oft Netzteilbetrieb) arbeiten. Dieser Unterschied erkennt man beim Opamp, ob dieser mit +Ub und GND oder mit +Ub und -Ub, also mit ±Ub betrieben wird.

Teilbild 1.1 zeigt eine einfache Verstärkerschaltung für DC- und AC-Signalspannungen.
Eingang = Ue und Ausgang = Ua
Die Verstärkung der Eingangsspannung ergibt sich aus dem Verhältnis von R2/R1. Weil der Opamp IC:B als Impedanzwandler +Ub/2 sehr niederohmig als Referenz (Arbeitspunktspannung) zur Verfügung stellt, ist die Berechnung sehr einfach. Wenn nur gerade diese Verstärkerschaltung mit IC:A zum Einsatz kommt, könnte man auch auf IC:B verzichten und R1 direkt mit dem Knotenpunkt von Ra/Rb verbinden. Dann aber müsste der Parallelwiderstandswert von Ra/Rb deutlich niederohmiger sein als R1. Kondensator C dient mit einer relativ niedrigen Kapazität zur Dämpfung von allfälligen mittel- und höherfrequenten Störungen. Die Kapazität von C dient für niederfrequente Anwendungen (z.B. Akustik oder EMG) im 10- bis maximal im 100nF-Bereich. Alternativ kann man Ra/Rb zur Verstärkung dimensionieren. Es kommt auf die Anwendung an, die entscheidet, ob eine reduzierte Schaltung mit weniger Präzision für die Anwendung genügt.

Der Pfeil mit der Bezeichnung NEXT deutet auf möglich weitere (Verstärker-)Schaltungen hin, welche die Referenzspannung +Ub/2 benötigen. Gerade für die vielfache Benutzung der selben Referenzspannung, lohnt sich eine niedrige Quellimpedanz ganz besonders, weil dies eine gegenseitige Beeinflussung der Verstärker-Schaltungen vermeidet oder zumindest stark reduziert. Die Angaben von <+Ub und >GND deuten darauf hin, dass der Opamp nicht rail-to-rail-fähig sein muss. Dies bedeutet, dass Eingangssignale maximal kleiner sein müssen als die Betriebsspannung und minimal grösser sein müssen als die GND-Spannung. Auskunft gibt das Datenblatt.

Jedoch kann man auch die wesentlich teureren Rail-to-Rail-Opamps einsetzen, wenn es denn ein Vorteil bringt. Da Ra und Rb wegen dem sehr hohen Eingangswiderstand des Opamp (IC:B) hochohmig gewählt werden können, dient C zur Reduktion der Impedanz für höhere Frequenzen und C dämpft allfällige Stör- und Rauschspannungen. Man merke sich an dieser Stelle, das die Funktion des Opamp IC:B beim Thema des synthetischen GND (synth-GND) von grosser Bedeutung sein wird.

Teilbild 1.2 zeigt die fast gleiche Schaltung, die man jedoch dann vorzieht, wenn nur AC-Signalspannungen verstärkt werden. Hier wird die Referenzspannung +Ub/2, erzeugt durch Ra/Rb, direkt in den Signalpfad eingekoppelt via R3. Im Gegensatz zu Teilbild 1.1 ist dies einfacher, weil der Eingangswiderstand am nichtinvertierenden Eingang des Opamp IC:A sehr hoch ist. In Teilbild 1.1 definiert R1 den Eingangswiderstand auf dem Weg zum Opamp IC:A (invertierender Eingang, mit dem Gegenkopplungsnetzwerk R2 und R1). Hier in Teilbild 1.2 können Ra und Rb in einem grossen Bereich gewählt werden. Je grösser Ra und Rb, um so niedriger der Querstrom durch Ra und Rb. Dies schont eine Batterie. Kondensator C3, parallel zu Ra/Rb, reduziert die Quellimpedanz des Netzwerkes aus Ra, Rb und C3. Dies dient der Stabilität!

Das ist alles so schnell hier gelesen, um es wirklich zu verstehen, lohnt es sich die Schaltung auf einem Steckbrett zum Experimentieren und aus den Messungen zu erfahren. An dieser Stelle empfehle ich diesen Link zu lesen und Ernst zu nehmen: Simulieren und Experimentieren, ein Vorwort von Jochen Zilg

Zwischeneinlage, Thema Lowpower-Opamp: Ob Netzteile, Synthetischer GND oder beides zusammen, oft Opamps im Einsatz, die eine höhere Betriebsspannungen ertragen müssen. Dazu eignen sich oft die bekannten und bewährten Opamp mit JFET-Eingangsstufen. Noch immer sehr empfehlenswert sind die beiden Serien TL071-TL074 und TL061-TL064 von Texas-Instruments. Steht der sparsame Leistungsverbrauch im Fokus (Batteriebetrieb), eignet sich TL061-TL064, allerdings mit dem Nachteil der höheren Rauschspannung und der niedrigeren Unitigain-Frequenz-Bandbreite. Sind diese Werte wichtig, eignet sich besser TL071-TL074. Um sich genau zu informieren, studiere man die beiden Datenblätter. Noch immer gut erhältlich sind diese Opamps durch die Firma Mouser-Electronics. (Getestet Ende Februar 2022)

Zurück zu Bild 1, genauer Teilbild 1.2. Ra und Rb erzeugen +Ub/2 als Referenzspannung. Ra und Rb wählt man sinnvoll niederohmig. Sinnvoll bedeutet, dass R3 deutlich hochohmiger ist, als der Parellel-Widerstandswert von Ra|Rb. Kondensator C3, parallel zu Rb, erzeugt eine niedrige Quellimpedanz, je höher die gewählte Kapazität ist. Je höher die Frequenz einer Störspannung im Umfeld, um so niederiger die Störspannung über C3.

So wie dies in Teilbild 1.1 der Opamp IC:B in der Funktion als Impedanzwandler, deutlich wirksamer erzeugt. Es kommt auf die Anwendung an, welche Teilschaltung man einsetzen will. C2 bildet mit R3 ein passives Hochpassfilter. Man kann hier noch vereinfachen. Man verzichtet auf R3, wenn man die Teilschaltung ALTERNATIV von Teilbild 1.2a übernimmt. Ua ist ebenfalls maximal aussteuerbar zwischen <+Ub und >GND.

Die Teilbilder 1.3 und 1.4 wiederholen grundsätzlich die Schaltungen von den Teilbildern 1.1 und 1.2 mit dem Unterschied, dass Dual-Supply mit ±Ub zum Einsatz kommt. Dies macht die Referenzierung wesentlich einfacher, weil diese durch den GND-Pegel von der ±Ub-Spannungsquelle bereits mit GND definiert ist.

Besondere Beachtung gilt dem Kondensator C1 in den Teilbildern 1.2 und 1.4. Oft muss man für C1 einen Elko wählen, weil die Kapazität relativ gross sein kann, wenn einerseits R1 (wegen hoher Verstärkung) niedrig ist und anderseits eine niedrige Grenzfrequenz (Hochpassfilter) verlangt ist. Im Single-Supply-Betrieb ist das kein Problem, jedoch im Dual-Supply-Betrieb, weil für C1 kein Elko-Einsatz, wegen bipolaren Spannungszuständen, möglich ist. Man könnte für C1 allerdings ein Elko einsetzen, wenn anstelle einer GND-Verbindung eine solche mit -Ub erfolgt. Genau dies empfiehlt sich vor allem bei hoher Verstärkung nicht, weil so die allerkleinste Störspannung auf -Ub (trotz sehr gutem kapazitiven Abblocken) mitverstärkt würden. Bei C1-Kapazitäten oberhalb etwa der 10-µF-Grenze, eignen sich spezielle Alu-Elko, die eine gewisse Revers-Spannung zulassen. Mehr dazu erfährt man hier:



Von der Referenz-Opampschaltung zum synthetischen GND

Wir kommen jetzt zum Opamp der, wie weiter oben angedeutet, eine zentrale Stellung einnimmt in der Schaltung zur Erzeugung eines synthetischen GND. Teilbild 2.1, auf das Nötigste hier reduziert, ist die Kopie des Teilbildes 1.1. Die beiden Teilbilder 2.1 und 2.2 unterscheiden sich in ihrer grundlegenden Funktion nicht. Der einzige Unterschied liegt in der Definition. Teilbild 2.1 erzeugt mit +Ub/2 eine Referenzspannung, oft auch als Arbeitspunktschaltung bezeichnet. Diese Schaltung und die weitere Elektronik werden im Single-Supply-Modus mit +Ub und GND betrieben.

Die Schaltung in Teilbild 2.2 arbeitet eingangsseitig nicht GND-bezogen. Es ist eine so genannte floating Speisung mit der doppelten Spannung von Ub. Zum Einsatz vorstellbar wäre eine Batterie, wie im Bild angedeutet. Es ist aber ebenso ein Trafo mit Gleichrichtung und Siebung mittels Ladeelko möglich. Die nachfolgende Elektronik wird im Dual-Supply-Modus mit ±Ub betrieben. In beiden Schaltungen arbeitet der Opamp A mit einer Verstärkung von 1. Damit wirkt der Opamp A als typischer Impedanzwandler.

Der Einsatz einer einzelnen Batterie oder eines einzelnen Akku, ist oft der Grund einen synthetischen GND zu erzeugen, wenn dies die nachfolgende Schaltung erlaubt. Anstelle dessen kann man auch zwei Batterien oder zwei Akkus in Serie schalten, dessen Mittenabgriff den GND erzeugt. Dies hat allerdings den signifikanten Nachteil, das nicht beide Batterien oder Akkus gleichmässig im Betriebszustand entladen werden. Also bleiben wir beim elektronisch erzeugten synthetischen GND. Die Referenzspannung aus dem Opamp A wird hier mit GND definiert. Und weil er auf diese Weise elektronisch künstlich erzeugt wird, passt die Bezeichnung synthetisch.

Was unterscheidet eine Referenzspannung (Single-Supply-Modus) und ein synthetischer GND (Dual-Supply-Modus) grundsätzlich? Die Bezeichnung Referenzspannung eignet sich vor allem dann, wenn eine Schaltung, die mit nur einer Betriebsspannung arbeitet (z.B. viele Audioschaltungen), an einer oder sogar vielen Stellen eine Bezugsspannung (Referenz) benötigt. Das sieht man sehr gut am Beispiel dieser EMG-BioFeedback-Schaltung(Bild 5). Falls jemand sich dafür und vielleicht noch mehr zum Thema EMG interessiert, empfehle ich diesen Link:

Im weiteren Text wird "synthetischer GND" oft gekürzt zu "synth-GND".

Bild 3 erklärt in fünf Teibildern, wie der einfache Impedanzwandler mit einer Verstärkung von 1 den synth-GND erzeugt und leicht mit einem einfachen Experiment zur Erfahrung wird.

Teilbild 3.1 zeigt das typische Prinzip einer Schaltung die im Single-Supply-Modus arbeitet. Am Eingang ist als DC-Quelle ein Batteriesymbol gezeichnet. Weshalb zwischen dem Spannungsteiler Ra/Rb und dem Opamp-Ausgang synth-GND ein Impedanzwandler (Opamp A) benötigt, ist mit Bild 2 bereits erklärt.

BITTE KEINEN KURZSCHLUSS, DAFÜR ABER EINE STROMBEGRENZUNG!
Der synth-GND eignet sich, wenn man eine Schaltung speist, die im Dual-Supply-Modus (±Ub) arbeitet, jedoch eine Spannungsquelle zur Verfügung steht die nur im Single-Supply-Modus (+Ub) arbeitet. Beim Batterie- oder Akkubetrieb muss man sich klar sein, dass eine Strombegrenzung im Fall einer Überlastung oder einem Kurzschluss nicht existiert. Eine Schmelzsicherung eignet sich nicht, weil diese zu träge ist. Ein Kurzschluss zerstört also die Schaltung.

Beim Einsatz eines Netzgerätes oder Netzteiles als DC-Quelle, muss eine Strombegrenzung oder elektronische Sicherung Teil dieser DC-Quelle sein! Dies gilt für die Experimentierschaltung in den Bildern 1 bis 3 als auch für die Schaltung in Bild 4 dem SINGLE->DUAL-SUPPLY-MODE-CONVERTER. Siehe dazu weiter unten im Kapitel "Synthetischer GND erzeugt symmetrische Spannung ±Ub".


Wir kommen jetzt zu den Teilbildern in Bild 3.

Teilbild 3.1: Weiter geht's mit dem Experimentieren mit einer kleinen Schaltung, am Besten mit einem einem Testboard, sofern man es nicht mit hohen Stromwerten zu tun hat. Schalter S1 und S2 sind geschlossen und RL1 = RL2. Der Strom IL (L = Last) fliesst von +Ub nach -Ub. Wäre das mit RL1 = RL2 die ganze Schaltung, dient der Synth-GND lediglich als Referenz, falls diese benötigt wird. Ein Stromfluss auf dem GND-Pfad gibt es nicht, ausser nur ein kleiner, der aus den Widerstands-Toleranzen von RL1 und RL2 resultiert.

Teilbild 3.2: Die beiden Schalter S1 und S2 sind ebenfalls geschlossen, aber RL1 < RL2. Daraus folgt IL1 > IL2. Daraus resultiert ein Differenzstrom ILd (L = Last, d = Differenz) und dieser fliesst in den Ausgang der Verstärkerschaltung Opamp A. Das kann bei niedrigen Strömen ein "normaler" Opamp sein oder bei hohen Strömen eine quasidiskrete Schaltung aus Opamp und diskreter Leistungsendstufe, z.B. bestehend aus einem NPN- und PNP-Transistor oder NPN- und PNP-Darlington. Das Opampsymbol A steht hier für beide Varianten.

Teilbild 3.3: Hier ist alles invers zu Teilbild 3.2, weil RL1 > RL2. ILd fliesst folgerichtig aus dem Ausgang der Verstärkerschaltung A zum RL1/RL2-Knotenpunkt und via RL2 zu -Ub.

In den Teilbildern 3.4 und 3.5 wird vollständigkeitshalber gezeigt, wenn nur RL1 aktiv (S1 geschlossen) ist, fliesst der ganze Strom von +Ub via S1 und RL1 in den Ausgang der Verstärkerschaltung A. Wenn nur RL2 aktiv (S2 geschlossen) ist, fliesst der ganze Strom vom Ausgang der Verstärkerschaltung A via RL2 und S2 nach -Ub. Für beide Teilbilder gilt, es fliesst gerade soviel Strom, dass die Null-Spannung des synth-GND aufrecht erhalten wird. Das ist die Spannung die der Ra/Rb-Knotenpunkt liefert, reguliert durch die Gegenkopplung vom Ausgang zum invertierten Eingang der Schaltung A.

Leistungs-Opamp: Das Dreiecksymbol, normalerweise gezeichnet für einen Opamp, gelten hier als gesamte Schaltung aus Opamp, und wenn wegen der zu geringen Leistung nötig, die Schaltung mit zusätzlich diskreter Leistungselektronik ergänzen. Nebenbei erwähnt, es gibt auch integrierte Leistungs-Opamps. Ich benutzte früher den LM12 erfolgreich für eine Leistungs-Audio-Verstärkerschaltung. Den LM12 gibt es leider nicht mehr. Man muss halt bei Bedarf selbst nach geeigneten Alternativen evaluieren....

Noch etwas zu Bild 3: Beim echten GND ist alles einfach und klar. Wie klar ist es aber beim synth-GND? Worin unterscheiden sich eigentlich diese beiden GNDs? Der echte GND ist hart im Nehmen. Naja, je nach dem, wie niederohmig und belastungsfähig das echte GND-System und die Zuleitungen eben sind. Und beim synth-GND? der künstlich (artifical) erzeugt wird? Da heisst es das zugehörige Datenblatt genau studieren!

Man kann (fast) das selbe erklären, weil wenn der Verstärker sehr leistungsfähig ist, ist der synth-GND ebenso belastbar. Der eigentliche Unterschied besteht darin, dass der echte GND eine fixe Sache ist. Der synth-GND kommt regeltechnisch zustande. Weil die Gegenkopplungs-Verstärkung 1 beträgt, ist der synth-GND praktisch identisch mit dem echten GND. Mehr zum Thema der virtuellen Spannung, bzw. virtuellem Ground (GND) erfährt man in Operationsverstärker III im Kapitel "Wie kommt es zum virtuellen GND und zur virtuellen Spannung?". Dieser Elektronik-Minikurs ist empfehlenswert, wenn man noch gewisse Probleme hat mit dem Verständnis der virtuellen Spannung, bzw. virtuellem GND. Und nicht vergessen, wie zu Beginn erwähnt, die beiden Begriffe virtuell und synthetisch sind hier identisch.



Synthetischer GND erzeugt symmetrische Spannung ±Ub

Betrachten wir an dieser Stelle noch einmal kurz Bild 3.

Die Teilbilder 3.1 bis 3.5 zeigen unter welcher Voraussetzung ein Strom im Pfad des synth-GND fliesst und in welche Richtung ILd, IL1 oder IL2. Dies je nach Grösse der Widerstände von RL1 und RL2. Das selbe gilt im praktischen Einsatz für die Schaltung von Bild 4. Bild 3 ist quasi eine kleine Einführung zu Bild 4. Der Unterschied besteht darin, ist der Verbraucher an der Spannung ±Ub rein symmetrisch belastet oder nicht. In der Tat ist er das nicht, wenn man es ganz genau nehmen will....

Je nachdem was in der Schaltung des Verbrauchers passiert. Wir betrachten dies am folgenden Beispiel. Es sei noch erwähnt, in den Bildern 1 bis 3 sind die Spannungseingänge stets rechts und die Last (Verbraucher) links. In Bild 4 ist dies umgekehrt.

In der Regel fliesst bei angeschlossenem Verbraucher mit symmetrischer Spannung ein Strom von +Ub via Verbraucher nach -Ub. Der Strom von +Ub via Verbraucher nach synth-GND oder/und von synth-GND nach -Ub, ist in Relation zum Strom zwischen +Ub und -Ub in er Regel sehr niedrig. Die asymmetrische Spannung zwischen +Ub und synth-GND eignet sich z.B. zur Erzeugung einer hochstabilen Referenzspannung oder man benötigt z.B. zusätzlich zur ±Ub-Speisung eine digitale Teilschaltung mit einer Betriebsspannung +Uxx von typisch 5 V. Betreffs 78XX, dies ist eine Andeutung für die Spannungsregler-Serie LM7805 bis LM7824 (LM78xx).

Während die hauptsächliche Schaltung des Verbrauchers von ±Ub betrieben wird und der Strom von +Ub nach -Ub fliesst und deshalb den PNP-Leistungs-Darlington DA2 nicht oder nur geringstfügig belastet, belastet 78XX diesen Darlington DA2, wenn auch nur geringfüngig, wenn +Uxx ebenfalls nur geringfügig belastet wird. Man stelle sich vor, dass eine zusätzliche Schaltung an -Ub und GND angeschlossen ist, belastet dies die zusätzlich den NPN-Leistungs-Darlington DA1. An dieser Stelle, die Dateblätter der beiden Leistungs-Darlington: BDX53B(NPN) und BDX54B>(PNP)

Die synth-GND-Regelung: Der Spannungsteiler R1/R2 teilt die Eingangsspannung zwischen +Ub und Null von einem Netzgerät, einem Akku oder Batterie, auf den halben Wert. Will man dies sehr genau haben, empfiehlt es sich Metallfilm-Widerstände mit einer Widerstands-Toleranz von 1 Prozent oder weniger zu verwenden.

Die 1 im Widerstandsymbol weist darauf hin. +Ub/2 entspricht exakt der Nullspannung des synth-GND, bezogen auf die symmetrische Ausgangsspannung zwischen +Ub und -Ub. Bei einer rein symmetrischen Last zwischen +Ub und -Ub, sind IC:A und die Darlingtons DA1 oder DA2 inaktiv. Damit der synth-GND mit Strom belastbar ist, ohne dass diese Nullspannung beeinflusst wird, kommt der Impedanzwandler Opamp IC:A zum Einsatz. Die JFETs an den Signaleingängen von IC:A sorgen für sehr hohe Eingangswiderstände.

Während in den Bildern 1 bis 3 für die Funktion des Impdanzwandlers ein Opamp gezeichnet ist, besteht der Impedanzwandler hier aus einem Opamp und zwei Darlingtons. Die Gegenkopplung mit Verstärkung 1, typisch für die Funktion eines Impedanzwandlers, erfolgt vom gemeinsamen Ausgang DA1 und DA2 (die beiden Emitter von DA1 und DA2). Die typische Verstärkung von 1 beim Impedanzwandler erfolgt also zwischen den gemeinsamen Ausgängen von DA1 und DA2 und dem invertierenden Eingang des Opamp IC:A Pin 2. Der Widerstand R3 benötigt es grundsätzlich nicht. Dem wäre dann so, wenn man absolut sicher ist, dass die Schaltung mit hoher Stabilität arbeitet. Solches muss man experimentell testen!

Das bedeutet, die Schaltung darf nicht zum hochfrequenten Oszillieren neigen. Dies zu verhindern ist die Aufgabe des passiven einfachen Tiefpassfilter mit R3 und C1. Man bezeichnet dies als eine zusätzliche Frequenzgang-Korrektur. Zusätzlich, weil der Opamp selbst eine Frequenzgang-Korrektur bereits hat. Diese alleine genügt jedoch oft nicht sicher mit der hier gezeigten oder ähnlichen Schaltung.

Funktionelles: Wenn der Verbraucher fast nur ein Stromfluss von +Ub nach -Ub erzeugt, dient der synth-GND als die künstlich erzeugte GND-Referenz. Während einer einzigen ±Ub-Stromlast, ist die Schaltung mit Opamp IC:A und den beiden Darlingtons DA1 und DA2 praktisch inaktiv. In diesem Zustand erzeugen DA1 und DA2 praktisch keine Verlustleistung. Ist dieser Zustand stets gewährleistet, kann man für DA1 und DA2 auf sonst angepasst grosse Kühlkörper verrichten. Falls man diese Schaltung mit einem steuerbaren Netzgerät am Eingang betreibt, ist es nicht sicher, dass dieser Zustand ständig gewährleistet ist. In diesem Fall ist eine grosszügige Kühlung vorteilhaft.

Ist ein steuerbares Netzgerät im Einsatz, ist es vorteilhaft ,wenn eine steuerbare Strombegrenzung im Netzgerät integriert ist. Damit hat man die beste Funktionsqualität, weil man den maximal zulässigen Strom für den Verbraucher einstellen kann. Beim Betrieb mit Akku oder mit Batterie, sollte man am Eingang von +Ub eine flinke dem maximalen Strom angepasste Feinsicherung einbauen. Für den Betrieb mit Akku oder Batterie, ist die Schaltung eher nicht für das Experimentieren gedacht, eher für den Dauereinsatz mit einer Schaltung, die im Dual-Supply-Mode arbeitet.

Noch einige Details: Was bedeutet der Hinweis TEST beim Widerstand R4, obwohl es den R4 eigentlich gar nicht bedarf. Ganz einfach, man kann mit der Messung der Spannung über R4 erfahren, wie hoch die Stromverstärkung von den beiden Darlingtons DA1 und DA2 ist. Gleichzeitig kann man jedoch nur DA1 oder DA2 testen, weil schliesslich nur einer von beiden mit Strom am Ausgang belastet sein kann. Entweder fliesst der Strom von +Ub via Verbraucher nach synth-GND oder von synth-GND nach -Ub. Im Normalbetrieb fliesst, wenn schon, nur ein geringer Strom in diese beiden Richtungen. Der hier nur angedeutete 78XX wäre so ein Verursacher.

Wie kann man die Stromverstärkung von DA1 und DA2 getrennt messen? Ganz einfach, man schliesst ein (variabler) Lastwiderstand und in Serie geschaltet ein Multimeter, eingestellt auf Strommessung, zwischen +Ub und synth-GND oder zwischen synth-GND und -Ub an. Die Spannung die man über R4 misst, dividiert man durch den Widerstand von R4. Dies ergibt den Basisstrom von DA1 oder DA2. Der Strom zwischen +Ub und synth-GND oder zwischen synth-GND und -Ub dividiert man durch den Strom im TEST-Widerstand R4. Das Resultat ist der Wert der Stromverstärkung.

Stromverstärkung und Temperatur: Die minimale Betriebsspannung +Ub/NULL, bei der die Schaltung noch sicher funktioniert, beträgt +7 V zwischen +Ub und NULL. Die minimale symmetrische Spannung am Ausgang ±Ub beträgt also ±3.5 V. Schaltet man den Lastwiderstand zwischen +Ub und synth-GND und stellt diesen ein auf einen Strom von 1 A, resultiert an R4 (1 kOhm) eine Spannung von etwa 0.2 V. Dies entspricht einem Strom von etwa 0.2 mA. Dividiert man den Strom von 1 A von +Ub nach synth-GND durch den Strom durch R4 mit 0.2 mA ergibt dies eine Stromverstärkung von etwa 5000. Beim Versuch mit der ±Ub-Maximalspannung von mindestens ±15 V am Ausgang, stellt sich über R4 eine Spannung von etwa 0.1 V ein. Beim gleichen Ausgangsstrom von 1 A verdoppelt dies die Stromverstärkung tatsächlich auf etwa 10'000.

Diese Werte scheinen viel zu sein, ist aber bei einer Darlingtonschaltung durchaus möglich, wie dies im Datenblatt von BDX53B und BDX54B in den Diagrammen in Figure 1 "DC-current-Gain" zeigt.

Die Basis-Emitter-Spannung von den beiden Darlingtons DA1 oder DA2 steigt mit zunehmender Temperatur im Bereich von etwa 0.1 V in Richtung 0.15 V. Gemessen zwischen 23 Grad Celsius (Raumtemperatur) und Endtemperatur des stromfliessenden Darlington (Da1 oder Da2) von etwa 90 Grad Celsius. Eine ausreichende Kühlung ist empfehlenswert, vor allem, wenn man die Schaltung in Bild 4 für einen höheren Strom dimensionieren will. Für meinen experimentellen Aufbau verwendete ich ein Alu-Kühlkörper mit geschwärzten Alu-Rippen. Rippelhöhe etwa 3 cm und Rippellänge 10 cm. Die beiden Darlingtons an der Motagesfahne elektrisch isoliert montiert. Diese kleine Kupferfahne mit dem Montageloch benutzte ich zur Messung der Temperatur mit einem kleinen Temperatur Sensor mit dem ELV-Temperatursensor 41640.

Leserfrage: Der aufmerksame Leser grübelt und fragt, warum die hohe Leistungsfähigkeit mit den beiden "kräftigen" Darlingtons Da1 und Da2 nötig sind, wenn vielleicht nur ein ganz kleiner asymmetrischer Strom fliesst, z.B. eine kleine LED mit Vorwiderstand mit 10 mA zwischen +Ub und synth-GND? Diese Überlegung ist verständlich, ginge es nur um eine benötigte Referenzspannung. Ein synth-GND dient als "starkes" Bezugspotenzial für hohe Stabilität, wenn eine (komplexe) Schaltung, welche im Dual-Supply-Mode betrieben wird. Fast ganz so wie wenn der synth-GND ein echter GND ist, wie dies z.B. bei einem Trafo mit zwei identischen Wicklungen, Brückengleichrichter und zwei Glättung-Elkos selbstverständlich ist.

Hier ein Beispiel aus dem Elektronik-Minikurs
Spannungsregelschaltung mit elektronischer Brummsiebung
und hier das Bild einer Netzteilschaltung
mit symmetrischer Ausgangsspannung (Dual-Supply).
Speziell an dieser Schaltung ist, dass man die Spannungssymmetrie
mit den Trimmpoti R9 und R10 einstellen kann.




Thomas Schaerer, 06.04.2022