|
Met deze kleine schakeling kunt u uw lab-voeding omvormen tot een symmetrische voedingsbron voor kleine schakelingen. Een voedingsspanning van bijvoorbeeld 30 V wordt omgezet in symmetrische voedingsspanningen van +15 V en -15 V. |
Achtergrondinformatie
Goedkope lab-voedingen hebben maar één uitgang
Goede laboratorium voedingen met een spanningsbereik van 0 V tot 30 V en een instelbare maximale stroom zijn tegenwoordig zo goedkoop, dat zelfbouw niet eens meer loont. Voor een bedrag dat u, bij zelfbouw, uitgeeft aan de nettrafo hebt u al een mooi kant-en-klaar apparaat in huis. Lees bijvoorbeeld onze review en test van de DPS3003, een 0 V tot 32 V voeding die u voor ongeveer € 45,00 in huis kunt halen en die u in een half uurtje in elkaar zet.
Dergelijke voedingen leveren echter allemaal maar één uitgangsspanning. Dat is voor het voeden van een heleboel schakelingen goed genoeg, maar soms hebt u symmetrische voedingsspanningen nodig van bijvoorbeeld ±12 V of ±15 V.
Een voedingssplitser
Met de in dit artikel beschreven kleine schakeling kunt u het asymmetrische gedrag van uw lab-voeding omzetten in een symmetrische werking. De schakeling creëert een kunstmatig nulpunt in het midden van het uitgangsspanningsbereik. Dat kunstmatig nulpunt wordt de 'massa' van de symmetrische uitgangen. De enkelvoudige spanning wordt daardoor omgezet in twee volledig symmetrische spanningen waarvan de grootte uiteraard gelijk is aan de helft van de uitgangsspanning van uw lab-voeding.
De voedingssplitser wordt opgenomen tussen ue lab-voeding en de te voeden schakeling. Als uw schakeling behoefte heeft aan een symmetrische voeding van ±12 V stelt u uw lab-voeding in op 24 V. De voedingssplitser doet de rest!
De uitgangsstroom
Een belangrijk gegeven is uiteraard de maximale stroom die deze voedingssplitser kan leveren. Deze is niet gemakkelijk te definiëren omdat dit van een aantal factoren afhankelijk is. Als de schakeling die gevoed wordt beide voedingsspanningen even veel belast, dan kan de voedingssplitser ongeveer 2 x 250 mA leveren. Voedt u echter een schakeling die veel meer stroom trekt uit de positieve voeding dan uit de negatieve, dan moet de splitser zélf heel wat vermogen consumeren om de symmetrie in stand te houden. De maximaal te leveren stroom daalt dan aanzienlijk.
In ieder geval kunt u deze voedingssplitser zonder problemen gebruiken voor het symmetrisch voeden van allerlei kleine schakelingetjes die zijn samengesteld rond een paar op-amp's.
Het principe van de schakeling
Het basisprincipe van de werking van de schakeling is getekend in de onderstaande figuur. In wezen verschilt dit niet van de manier waarop u bijvoorbeeld een transistor instelt. Tussen de twee uitgangen van uw lab-voeding wordt een spanningsdeler R1/R2 geschakeld, samengesteld uit twee identieke kleine weerstanden. De stroom I die door deze deler vloeit heeft tot gevolg dat over beide weerstanden even veel spanning valt. Als u nu het knooppunt van beide weerstanden de 'massa' noemt zult u tussen dit punt en de bovenkant van R1 een positieve spanning +Ub meten die gelijk is aan de helft van de uitgangsspanning van de lab-voeding. Tussen deze 'massa' en de onderkant van weerstand R2 meet u een negatieve spanning -Ub die ook precies gelijk is aan de helft van de uitgangsspanning van de lab-voeding.
 |
| Het principe van de voedingssplitser. (© 2020 Jos Verstraten) |
De spanningsdeler wordt uiteraard belast door de te voeden schakeling. Deze kunt u, zoals getekend in het schema, voorstellen door twee instelbare weerstanden R+ en R-, die de belastingsweerstanden van de totale schakeling voor de positieve en de negatieve voeding voorstellen. Er gaan twee stromen I+ en I- vloeien, met als gevolg dat de spanningsdeler R1/R2 belast wordt. Als I+ en I- niet precies aan elkaar gelijk zijn heeft dit tot gevolg dat de spanning zich niet mooi symmetrisch over beide weerstanden verdeelt. +Ub kan dan bijvoorbeeld groter worden dan -Ub, hetgeen zeer duidelijk niet de bedoeling is.
De elektronische regeling
Het geschetste probleem zou opgelost kunnen worden door R1 en R2 regelbaar te maken en door de onderlinge verhouding van beide onderdelen aan te passen aan de asymmetrische belasting. Als bijvoorbeeld +Ub (in absolute waarde) kleiner wordt dan -Ub, dan kunt u deze asymmetrie compenseren door R1 kleiner te maken dan R2. Dat is precies wat er gebeurt in de schakeling van de onderstaande figuur.
De twee weerstanden R1 en R2 zijn vervangen door de transistoren T1 en T2. U kunt deze transistoren opvatten als regelbare weerstanden. De inwendige weerstand hangt af van de mate van geleiding, dus van de basissturing. Beide transistoren worden gestuurd door een operationele versterker IC1. Deze wordt op de niet-inverterende ingang door middel van de instelpotentiometer R1 ingesteld op de helft van de uitgangsspanning van uw lab-voeding. De inverterende ingang is rechtstreeks verbonden met de 'massa' op de uitgang.
De op-amp zal er naar streven het spanningsverschil tussen zijn beide ingangen nul te maken. Het gevolg is dat de schakeling zichzelf zo instelt, dat ook de inverterende ingang en dus de 'massa' op precies de helft van de uitgangsspanning van de voeding komt te staan.
 |
| Een elektronische regeling houdt de symmetrie in stand. (© 2020 Jos Verstraten) |
Als de uitgangen asymmetrisch belast worden, wil het potentiaal op de 'massa' heen en weer gaan zwalken rond de gewenste waarde. Het gevolg is dat er een spanningsverschil ontstaat tussen de twee ingangen van de op-amp. Afhankelijk van de ongelijkheid in belasting tussen +Ub en -Ub zal dit spanningsverschil positief of negatief zijn. De op-amp stuurt nu een van beide transistoren minder of meer in geleiding, waardoor de weerstandsverhouding tussen beide halfgeleiders wordt aangepast aan de asymmetrische belasting.
Binnen het regelbereik van het systeem worden ongelijke belastingen dus gecompenseerd en blijft het potentiaal op de 'massa' precies op de helft tussen +Ub en -Ub staan. De transistoren worden zover in geleiding gestuurd dat de ongelijke belastingsstromen van de te voeden schakeling worden geëgaliseerd. Vandaar dat de maximale stroomcapaciteit van de splitser afhankelijk is van de te voeden schakeling. Als deze twee even grote stromen uit +Ub en -Ub trekt, moeten de transistoren niet compenseren en wordt de stroomcapaciteit in feite alleen bepaald door de stroomcapaciteit van uw lab-voeding.
De schakeling in de praktijk
Het volledig schema
Het praktisch schema is voorgesteld in de onderstaande figuur. Dit wijkt alleen van het principeschema af in de manier waarop de operationele versterker de transistoren aanstuurt. Beide transistoren zijn vervangen door NPN/PNP-combinaties. Deze structuur heeft een zeer grote stroomversterking, zodat de operationele versterker minimaal wordt belast en het systeem een groot regelbereik heeft.
In ons prototype hebben wij voor T1 en T2 de oude metal-can transistoren BC107 en BC177 gebruikt, maar u kunt deze zonder meer vervangen door moderne plastic typen zoals de BC549C en de BC559C.
Met de instelpotentiometer R2 moet u de symmetrie aan de uitgang eenmalig instellen. Is dat in orde, dan past de schakeling zich automatisch aan de grootte van de ingangsspanning aan en ook aan de grootte van de uitgangsstromen.
 |
| Het volledig schema van de voedingssplitser. (© 2020 Jos Verstraten) |
De schakeling is, met behulp van de onderstaande print en aan de hand van de componentenopstelling, in een half uurtje nagebouwd. Wij hebben met opzet voor een zeer ruime print lay-out gekozen, omdat wij dit een typisch beginnersprojectje vinden en het dan van belang is de componenten niet te dicht op elkaar te zetten. U kunt overal gemakkelijk bij met de soldeerbout en met de meetpennen van uw universeelmeter!
De twee eindtransistoren moeten met een U-vormig koelprofieltje van 25 mm lengte op de print worden geschroefd.
 |
| De print voor de voedingssplitser. (© 2020 Jos Verstraten) |
 |
| De componentenopstelling van de print. (© 2020 Jos Verstraten) |
Bij het werken met de voedingssplitser mag de uitgang van uw lab-voeding niet geaard zijn! Wat er kan gebeuren als dat wél het geval is, wordt toegelicht aan de hand van de onderstaande figuur. Stel dat de min van de lab-voeding via het chassis met de aarding is verbonden. Als nu dat ook een meetinstrument, bijvoorbeeld een oscilloscoop, geaard is dan ontstaat er een kortsluiting. Als u met de scoop in de schakeling gaat meten legt u het chassis van dit apparaat via de afscherming van de meetkabel aan de massa van de schakeling waarin u meet. Deze massa is echter ook verbonden met de door de spanningssplitser gecreëerde virtuele massa. Als nu ook het chassis van de scoop geaard is ontstaat een mooie kortsluiting. Volg maar de gesloten kring A-B-C-D-E-F-G-H-I. De -Ub uitgang van de voedingssplitser [I] wordt kortgesloten met de virtuele massa uitgang [A] van dezelfde splitser!
Kortom: de uitgangen van uw lab-voeding moeten zweven, dit dus even controleren.
 |
| Waarom u de min van uw lab-voeding niet mag aarden. (© 2020 Jos Verstraten) |
De schakeling van de voedingssplitser bevat geen beveiliging tegen kortsluiting of te hoge uitgangsstromen. Dat is niet zo'n probleem, want alle moderne lab-voedingen beschikken immers over een instelbare stroombegrenzing. Stel deze in op een waarde die iets groter is dan de stroom die de schakeling waarin u zit te werken trekt. Als er dan iets misgaat, u maakt bijvoorbeeld per ongeluk een kortsluiting in uw schakeling, dan blijven de eindtransistoren in uw voedingssplitser heel.
Let op de maximale spanning!
De maximale spanning die u aan de ingang van deze voedingssplitser kunt aanbieden wordt uitsluitend bepaald door de maximale voedingsspanning van de toegepaste op-amp.
De 741 wordt in drie uitvoeringen geleverd:
- LM741 of LM741A: maximale voedingsspanning ±22 V.
- LM741C: maximale voedingsspanning ±15 V.
De maximale uitgangsspanning van uw lab-voeding bedraagt dus óf 44 V óf 30 V.
DPS3003 32 V-3 A Adjustable Voltage Power Supply
