Symmetrische Spannungsquelle mit L165
Eine symmetrische Spannungsquelle aus LM317 und Leistungs-Operationsverstärker L165, erst als Versuchsaufbau, dann als Platine für mein Universalnetzteil. Die Ausgänge stimmen bis auf 0,3 V überein, der Ruhestrom liegt bei rund 40 mA.
Eckdaten
| Ausgangsspannung | symmetrisch, ab etwa ±6 V |
|---|---|
| Symmetrie der Ausgänge | Abweichung bis 0,3 V bei 10 V Eingangsspannung |
| Ruhestrom | rund 40 mA |
| Spannungsregler | LM317, Beschaltung aus dem Datenblatt |
| Symmetrierstufe | L165 (Leistungs-OPV von ST) |
| Referenzteiler | 2 × 47 kΩ, 1 % |
| Stabilisierungsglied | 1 Ω in Reihe mit 0,22 µF am OPV-Ausgang |
| Siebkondensator | 3300 µF |
| Anregung | Beitrag von DG9WF im FUNKAMATEUR, Heft 4/2010 |
Ziel
Ein Operationsverstärker wie der TL071 braucht eine positive und eine negative Versorgungsspannung. Ein normales Netzteil liefert nur eine. Ich wollte deshalb eine Stufe, die aus einer einzelnen Gleichspannung eine symmetrische macht, und sie am Ende fest in mein Universalnetzteil einbauen.
Angeregt hat mich ein Beitrag von DG9WF im FUNKAMATEUR, Heft 4/2010.
Konzept
Die Schaltung teilt eine Eingangsspannung in der Mitte und erzeugt so eine virtuelle Masse. Den Teiler bilden zwei Widerstände von je 47 kΩ, ein L165 hält diesen Mittelpunkt niederohmig. Der L165 ist ein Leistungs-OPV von ST, die Beschaltung stammt aus dessen Datenblatt.
Entscheidend für die Genauigkeit sind die beiden Teilerwiderstände: Je besser sie übereinstimmen, desto genauer sind die Beträge von U_Sym+ und U_Sym- gleich. Ich habe deshalb 1-%-Typen genommen.
Im fertigen Netzteil sind es drei Stufen. Nach dem Brückengleichrichter glättet ein Elektrolytkondensator die Gleichspannung, dafür gilt die Faustformel 1000 µF pro Ampere. Eingebaut habe ich 3300 µF. Danach stabilisiert ein LM317, dessen Ausgangsspannung sich über ein Wendelpotentiometer einstellen lässt. Erst dahinter sitzt der L165 als Symmetrierstufe.
Aufbau
Zuerst entstand ein Versuchsaufbau auf Lochrasterplatine. Die Grundplatte trägt die Schaltung, eine zweite Platine steht hochkant daran, damit die drei Bananenbuchsen für Plus, Minus und virtuelle Masse Platz finden. Das Ganze ist erstaunlich stabil.
Ein Jahr später kam die Schaltung auf eine geätzte Platine für das Universalnetzteil. Der LM317 sitzt jetzt in einem Kühlstern, der L165 an einem Alu-Kühlblech. Die Einstellung der Spannung übernimmt ein zehngängiges Wendelpotentiometer, das über eine Leitung herausgeführt ist.
Messung
Beim Versuchsaufbau habe ich die Schaltung zuerst ohne die Elkos am Ausgang getestet und nicht schlecht gestaunt: Sie zog 400 mA Ruhestrom.
Zum Test habe ich dann die Verbindung zwischen dem 1-Ω-Widerstand und dem Kondensator getrennt. Der Spuk war vorbei, der Ruhestrom fiel auf 100 mA ab. Gleichzeitig stieg aber der Betragsunterschied der beiden Ausgangsspannungen auf über 1 V.
Vollständig nach Schaltplan aufgebaut, also mit den Kondensatoren, läuft sie dann sauber:
| Größe | Wert | Bedingung |
|---|---|---|
| Ruhestrom | rund 40 mA | vollständiger Aufbau |
| Ruhestrom | 100 mA | RC-Glied am OPV-Ausgang aufgetrennt |
| Ruhestrom | 400 mA | ohne Elkos am Ausgang |
| Symmetrieabweichung | bis 0,3 V | bei 10 V Eingangsspannung |
| Symmetrieabweichung | über 1 V | RC-Glied aufgetrennt |
Die Symmetrie von 0,3 V hält auch dann, wenn nur ein Zweig der Schaltung belastet wird.
Warum die Kondensatoren einen so starken Effekt auf den Ruhestrom haben, ist mir bis heute nicht wirklich klar. Das RC-Glied aus 1 Ω und 0,22 µF dient laut Datenblatt der Stabilisierung, und beide Bauteile sollten möglichst nahe am Ausgang des OPVs sitzen. Der Faktor zehn beim Ruhestrom spricht dafür, dass die Stufe ohne dieses Glied schwingt.
Ergebnis
Die Schaltung tut, was sie soll, und sitzt seitdem fest im Universalnetzteil.
Eine Einschränkung ist geblieben: Weil der L165 seine Versorgung aus der bereits stabilisierten Spannung U_Stab bezieht, lässt sich die symmetrische Spannung nicht beliebig weit herunterregeln. Bei etwa ±6 V ist Schluss. Wer das besser machen will, gibt dem OPV eine eigene Versorgungsspannung, die nicht mitgeregelt wird.
Die zweite Lehre betrifft das RC-Glied am Ausgang. Es sieht auf dem Schaltplan nach einem Detail aus, das man beim Aufbau auch weglassen könnte. Der Zehnfache Ruhestrom sagt etwas anderes.