|
Trefwoorden |
A-symmetrische naar symmetrische voedingspanning Inleiding Het komt regelmatig voor dat ik even een schakeling wil uitproberen bv. met operationele versterkers, waarbij een positieve- en een negatieve voedingspanning nodig is. Op de lab-tafel staat echter steeds een enkelvoudig voedingsapparaat zodat ik een tweede voeding moet pakken om de gevraagde symmetrische voedingspanning te maken. Deze tweede voeding neemt plaats in op de lab-tafel en bovendien moet deze opnieuw worden ingesteld, meestal met een gelijke spanning als de eerdere voeding. Hiervoor moet opnieuw een apparaat op de lab-tafel worden geplaatst, dit maal een gelijkspanningsmeter, waarna de uitgangspanning van beide voedingen kan worden ingesteld. Deze procedure is een beetje omslachtig, reden waarom ik een apart hulpstukje heb gemaakt om deze situaties te voorkomen. Door een universele uitvoering van dit hulpstukje, kan ik dit nu op elk enkelvoudig voedingsapparaat aansluiten en heb dan aan de uitgang de gewenste dubbele uitgangspanning voorhanden, waarvan de symmetrie automatisch is verzekerd. Om een kunstmatig midden te maken tussen twee spanningen zouden we in principe kunnen volstaan met de twee gelijke weerstanden, bv. de serie weerstanden van 15 kOhm aan de linkerzijde van onderstaande schakeling. Wanneer echter de schakeling die we aansluiten tussen 'V+', 'm' en 'V-' niet helemaal symmetrisch is, en meer stroom zou willen halen uit de negatieve voedingspanning dan uit de positieve, ontstaat er een probleem. Een grof voorbeeldje toont dit aan.
Stel dat de ingangspanning V+ gelijk is aan 24 V. t.o.v. V-. Op het punt 'm' vinden we een spanning die hier precies tussenin ligt, dus op 12 V. van het punt V+ en 12 V. t.o.v. V-. Dit middelpunt zou dus beschouwd kunnen worden als het '0' punt van een symmetrische voeding van +12 V en -12 V. We sluiten nu een schakeling aan tussen het punt 'V+', het punt 'm' en V-. Nemen we even aan dat deze schakeling een stroom zou willen opnemen van 50 mA uit de positieve voedingspanning van 12 V. We kunnen we deze schakeling dan vervangen denken door een weerstand van R1 = 12 / 0,05 = 240 Ohm. Deze weerstand staat parallel aan de bovenste weerstand van 15 kOhm, die we bij deze waarde van 240 Ohm gemakshalve verder kunnen verwaarlozen. Wanneer dezelfde schakeling een afwijkende 60 mA zou willen halen uit de negatieve voedingspanning van 12 V. kunnen we dit deel van de schakeling vervangen door een weerstand van R2 = 12 / 0,06 = 200 Ohm, die parallel staat aan de onderste weerstand van 15 kOhm, welke laatste we opnieuw mogen verwaarlozen. De totale stroom door deze twee weerstanden wordt dan gelijk aan: I = (V+ - V-) / (R1 + R2) = 24 / 440 = 54,5 mA. Hierdoor valt over de vervangingsweerstand van 240 Ohm een spanning van 13,1 V. en 10,9 V. over de vervangingsweerstand van 200 Ohm. Het punt 'm' blijkt dus ruim 1 V. verschoven te zijn ten gevolge van deze ongelijke belasting en de schakeling ondervindt geen symmetrische voedingspanningen van + en - 12 V. meer t.o.v. dit 'middelpunt': m. Wanneer de weerstanden van 15 kOhm, sterk in waarde verlagen, kan deze midden-'fout' worden verkleint, maar verdwijnt nooit helemaal. Bovendien zal er door deze (veel lagere) weerstanden ook meer stroom gaan lopen, die het voedingsapparaat onnodig belast. Ook wordt er in deze weerstanden relatief veel vermogen ontwikkeld, dat niet ten goede komt aan de schakeling. In dit grove voorbeeld kunnen we zien dat de weerstanden van 15 kOhm helemaal geen rol meer spelen in deze situatie, waarin nog maar beperkte stromen lopen. Het is verder vooral de verschilstroom van de aangesloten schakeling die bepaalt op welke spanningswaarde het middelpunt gaat uitkomen. Een betere methode gaat daarom uit van een actieve sturing van het middelpunt tussen de spanningen, waarbij we opnieuw kijken naar de model schakeling hier boven. Een operationele versterker (op-amp) wordt o.a. gekenmerkt door een zeer grote versterking, voor gelijkspanning, in doorsnee zo'n 1.000.000 x. Wanneer we zo'n op-amp volledig tegenkoppelen door de uitgang te verbinden met de min ingang, zal de spanning op uitgang nauwkeurig de spanning op de '+' ingang moeten volgen, omdat elk verschil aan de ingang met een hoge versterking en in tegengestelde richting op de uitgang verschijnt, die immers is doorverbonden met de andere ingang. Wanneer we nu onze eerdere schakeling, die 50 mA uit de positieve spanning opnam, aansluiten op de, met de ingang doorverbonden, uitgang van de op-amp, zal deze laatste zijn best doen om nog steeds de spanning op de '+' ingang te volgen. De spanning op het '0' punt blijft daarom gelijk aan de spanning op de '+' ingang (halve voedingspanning) en de stroom van 50 mA. gaat nu de uitgang van de op-amp in, en verdwijnt via de negatieve voedingsaansluiting naar onderste spanningsrail. Vervolgens sluiten we de negatieve aansluiting van onze schakeling aan, die 60 mA uit de voeding opnam. De stroom van 60 mA zal nu voor het deel van 50 mA geleverd worden door de schakeling aan de positieve voedingspanning, zodat de op-amp nu nog maar de verschilstroom van 10 mA moet leveren om het middelpunt nog steeds precies in het midden te houden. Deze verschil stroom komt nu de op-amp uit, en wordt aan het '0' punt geleverd via de positieve voedingspanning aansluiting van de op-amp. Een dergelijke schakeling met een enkele op-amp kan goed werken, zolang de verschilstroom maar geleverd kan worden door de uitgang van de op-amp, binnen zijn specificaties. Bij een verschilstroom van 10 mA is dat doorgaans bij veel typen op-amp het geval. Let er op, dat opnieuw de absolute waarde van de stroom door de schakeling (hier 50 en 60 mA) geen enkele rol speelt in deze actieve middelpunt sturing; alleen de verschilstroom tussen de stromen uit de positieve en negatieve voedingspanningen zal door de op-amp moeten worden geleverd of worden opgenomen. Wanneer de verschilstroom van de aangesloten schakeling groter wordt dan de op-amp kan leveren hebben we opnieuw een probleem en zal het middelpunt niet meer precies tussen de positieve en negatieve waarde liggen. Zo'n situatie doet zich al snel voor, wanneer de aangesloten schakeling bv. bestaat uit gemengd deel van analoge (op-amps) en digitale schakelingen, waarbij deze laatsten worden gevoed m.b.v. een vijf-volt regulator uit de 12 V. Een enkele op-amp als middelpunt sturing voldoet dan niet meer, omdat de verschilstromen dan in de tientallen mA en meer kunnen gaan lopen. We kunnen echter gemakkelijk de modelschakeling uitbreiden met een paar 'krachtpatsers' die wel grotere stromen kunnen opnemen en afgeven. Kijken we hiervoor naar de uiteindelijke schakeling als hieronder. De op-amp stuurt nu de twee basissen van de transistoren, terwijl de doorverbonden emitters hiervan zijn teruggekoppeld naar de ingang van de op-amp. Bij een werkende silicium transistor is er steeds een spanning rond 0,7 V. aanwezig tussen de basis en de emitter. In deze schakeling stuurt de op-amp direct de basissen en gaan de doorverbonden emitters terug naar de min-ingang van de op-amp. De spanning van 0,7 V. is hierbij opgenomen in het terugkoppelcircuit, waardoor deze spanning wordt gedeeld door de versterking van de op-amp. We zien hier dus niets meer van terug, waardoor het als '0' aangeduide punt opnieuw de spanning volgt als op de plus ingang van de op-amp. Denk er wel aan, dat de transitoren gemakkelijk de eventuele verschilstromen kunnen opnemen, maar dat de spanning over de transistoren constant is en blijft en gelijk aan de halve spanning tussen V+ en V-. Het product van deze halve spanning en verschilstroom levert een vermogen, dat geheel door de transistoren wordt gedissipeerd. Deze dienen daarom gemaakt te zijn om deze grotere vermogens gemakkelijk naar een koellichaam te kunnen afvoeren en daar ook van te worden voorzien.
De rest van de schakeling spreekt verder voor zichzelf. De weerstanden in de voedingslijnen van de op-amp dienen als begrenzing van de stuurstroom van de transistoren, in geval het '0' punt kort gesloten zou worden tegen een van de voedingspanningen. De zenerdiode beschermt de op-amp, die doorgaans gemaakt worden voor een maximale spanning van 30 V. De beschermingsweerstanden voor de basis dienen dan tevens als bescherming van de zenerdiode. Natuurlijk wordt de op-amp direct op de voedingspunten ontkoppeld met een (keramische) condensator van 100 nF, ter voorkoming van oscillaties.
Afhankelijk van de verwachte verschil stromen dienen de transistoren een bepaalde grote te hebben. de volgende tabel geeft hiervoor enige suggesties.
Voor de op-amp zijn vele typen mogelijk, die tenminste 10 mA uitgangstroom kunnen leveren en kunnen werken bij een ruim spanningsbereik. Met de aangegeven op-amp werkt de schakeling bij een ingangspanning tussen 8 en 40 V. en levert dan twee symmetrische spanningen zoals + 4V., 0, en -4V. tot +20 V., 0, -20 V., en alles wat daar tussenin ligt. Denk er aan dat deze 'gestuurde' nul nu de referentie van de schakeling is; de wellicht als 'nul' aangeduide aansluiting op de voeding mag niet meer als zodanig worden gebruikt, omdat deze immers op de halve (negatieve) waarde ligt t.o.v. de nieuwe '0' referentie.
Er zijn natuurlijk vele manieren om bovenstaande schakeling uit te voeren. Ikzelf heb hiervoor een hulpstukje gemaakt, bestaande uit een stukje aluminium U-profiel, afgesloten met stukjes printplaat. Hierbij heb ik enkele doorverbinding hulpstukjes gemaakt, die de 'spannings-convertor' direct kunnen verbinden met een groot aantal verschillende typen a-symmetrisch voedingapparaten. Deze doorverbindingstukjes bestaan uit een kort stripje metaal, met aan weerszijden twee pennetjes uit een netsteker. Dit verkomt extra bedrading naar het voedingsapparaat en vormt hiermee nu vrijwel een geheel. Het plaatje hieronder geeft de uitvoering.
Bob J. van
Donselaar, on9cvd@veron.nl |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
