Spannungsfolger (Impedanzwandler)

Ein Spannungsfolger verstärkt nicht. Am Ausgang liegt dieselbe Spannung wie am Eingang. Trotzdem gehört er zu den nützlichsten Schaltungen mit einem Operationsverstärker: Sein Eingang belastet die Quelle praktisch nicht, sein Ausgang liefert dagegen Milliampere. Er trennt eine hochohmige Quelle von einer Last, die Strom zieht. Deshalb heißt er auch Impedanzwandler oder Puffer.

Du brauchst ihn hinter hochohmigen Spannungsteilern, an Potentiometern, die eine Last treiben sollen, an Referenzspannungen, an Sensoren mit hohem Innenwiderstand und vor ADC-Eingängen. Das Beispiel hier ist ein Klassiker im Batteriebetrieb: Ein Mikrocontroller soll die Spannung seines Lithium-Ionen-Akkus messen, und der Messteiler darf den Akku nicht leersaugen.

Schaltplan

• R1, R2 (3,3 MΩ / 1 MΩ): teilen die Akkuspannung auf 0,70 bis 0,98 V herunter, passend zur internen 1,1-V-Referenz des ADCs.
• IC1, MCP6041: OPV mit 0,6 µA Ruhestrom und Rail-to-Rail-Ein- und Ausgang. Er läuft direkt am Akku (1,4 bis 6 V).
• Rückführung: Der Ausgang ist direkt mit dem Minus-Eingang verbunden. Das macht die Verstärkung 1.
• R3, 1 kΩ, und C1, 100 nF: C1 ist ein Ladungsvorrat für den ADC, R3 trennt diesen Kondensator vom Ausgang des OPVs, damit der nicht schwingt.

So funktioniert die Schaltung

Der OPV regelt seinen Ausgang so, dass zwischen Plus und Minus keine Spannung liegt. Weil Ausgang und Minus-Eingang verbunden sind, heißt das:

In den Plus-Eingang eines CMOS-OPVs fließen nur Picoampere. Der Teiler arbeitet also wie im Leerlauf und liefert genau U_Akku · R₂ / (R₁ + R₂). Den Strom für die Last holt der OPV aus seiner Versorgung, nicht aus der Quelle.

Warum nicht einfach den Teiler direkt an den ADC hängen? Zwei Gründe:

Abtastung. Der ADC des ATmega328P lädt beim Messen einen Kondensator von 14 pF. Bei 8 MHz Takt und Vorteiler 64 hat er dafür etwa 12 µs Zeit. Der Teiler hat einen Innenwiderstand von 3,3 MΩ ∥ 1 MΩ ≈ 767 kΩ; mit 14 pF ergibt das eine Zeitkonstante von rund 11 µs. Wechselt der ADC vorher von einem Kanal mit 0 V, ist der Kondensator nach 12 µs erst zu zwei Dritteln geladen. Das Datenblatt empfiehlt höchstens 10 kΩ Quellwiderstand.

Leckstrom. Jeder Pin hat einen Leckstrom. Beim ATmega328P garantiert das Datenblatt höchstens 1 µA. An 767 kΩ wären das bis zu 0,77 V Fehler – fast der ganze Messbereich. Typisch sind es zwar nur Nanoampere, aber verlassen kannst du dich darauf nicht.

Der Folger löst beides: Sein Ausgang ist niederohmig, und C1 liefert die Ladung für den Abtastkondensator sofort. Er verliert dabei nur den Anteil 14 pF / 100 nF = 0,014 %, den der OPV über R3 in einigen hundert Mikrosekunden nachlädt.

Dimensionierung

1. Teilerverhältnis. Die interne Referenz liefert 1,1 V, aber nur auf ±10 % genau, im ungünstigsten Fall also 1,0 V. Bei 4,2 V Akkuspannung soll der Teiler darunter bleiben. Mit R1 = 3,3 MΩ und R2 = 1 MΩ:

Bei 3,0 V Entladeschluss sind es 0,698 V.

2. Strom. Der Teiler zieht 4,2 V / 4,3 MΩ ≈ 0,98 µA, der MCP6041 0,6 µA. Zusammen 1,6 µA, im Jahr 1,6 µA · 8760 h ≈ 14 mAh. Bei einem Akku mit 2000 mAh ist das weniger als seine Selbstentladung.

3. OPV-Fehler. Der Eingangsruhestrom von 1 pA erzeugt am Teiler 1 pA · 767 kΩ ≈ 0,8 µV, also nichts. Die Offsetspannung von höchstens 3 mV geht 1:1 an den Ausgang. Zurück auf den Akku gerechnet sind das 3 mV · 4,3 ≈ 13 mV, rund 0,3 %. Genauer machen es eine Kalibrierung oder ein Präzisions-OPV.

4. Auflösung. Der 10-Bit-ADC teilt 1,1 V in 1024 Stufen von 1,07 mV. Am Akku sind das 1,07 mV · 4,3 ≈ 4,6 mV pro Stufe – genug, um den Ladezustand in feinen Schritten zu verfolgen.

5. Geschwindigkeit. Der MCP6041 hat nur 14 kHz GBW und eine Slew-Rate von 3 V/ms. Für eine Akkuspannung, die sich über Stunden ändert, ist das reichlich. Nach dem Einschalten braucht der Ausgang etwa 0,3 ms bis 1 V; dazu kommt die Ladezeit von C1 über R3 mit τ = 1 kΩ · 100 nF = 0,1 ms. Miss frühestens einige Millisekunden nach dem Start.

Das Programm nutzt die interne Referenz und rechnet den Teiler zurück:

const float TEILER = 4.3;           // (3,3 MΩ + 1 MΩ) / 1 MΩ
const float VREF = 1.1;             // einmal mit dem Multimeter kalibrieren

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  analogReference(INTERNAL);        // 1,1-V-Referenz des ATmega328P
  analogRead(A0);                   // erste Messung nach dem Umschalten verwerfen
  delay(10);
}

void loop() {
  float u = analogRead(A0) * VREF / 1023.0 * TEILER;
  Serial.print("Akku: ");
  Serial.print(u, 2);
  Serial.println(" V");
  delay(5000);
}

Bauteilliste

Varianten

Ohne OPV, nur mit Kondensator. Ein Kondensator von 100 nF direkt am Teilerabgriff löst das Abtastproblem auch: Er liefert die Ladung, der Teiler lädt ihn in 767 kΩ · 100 nF ≈ 77 ms nach. Gegen den Leckstrom des Pins hilft er aber nicht. Für grobe Anzeigen reicht das, für eine verlässliche Messung der Puffer.

Referenz und künstliche Mitte puffern. Ein Folger hinter einem Teiler aus zwei gleichen Widerständen liefert eine belastbare halbe Versorgungsspannung, etwa als Bezug für Wechselsignale an einer Versorgung. Ausgeführt ist das unter Virtuelle Masse erzeugen.

Mit Verstärkung. Brauchst du den hohen Eingangswiderstand und zusätzlich Verstärkung, wird aus dem Folger der nichtinvertierende Verstärker: Statt der Drahtbrücke kommt ein Teiler in die Rückführung.

Leitungen treiben. Hängt am Ausgang ein langes Kabel oder ein großer Kondensator, gehört immer ein Widerstand von 47 bis 100 Ω in Reihe, außerhalb der Rückführung. Er trennt die Kapazität von der Regelschleife.

Typische Fehler

• Ausgang schwingt: Kapazitive Last direkt am Ausgang, oder ein OPV, der erst ab einer Mindestverstärkung stabil ist. Viele schnelle Typen dürfen nicht als Folger laufen; das steht im Datenblatt als „stable for G ≥ 5“ oder ähnlich. Mit dem Oszilloskop siehst du die Schwingung als Rasen auf der Gleichspannung.
• Ausgang erreicht die Eingangsspannung nicht: Kein Rail-to-Rail-Typ. Ein LM358 an 3,3 V folgt am Ausgang nur bis etwa 1,8 V, sein Eingang darf ebenfalls nur bis 1,8 V. Hier passt das noch, ein Teiler für 2 V nicht mehr. Die Grenzen beschreibt Operationsverstärker in der Praxis.
• Ausgang springt an die Schiene: Beim TL072 an einer einzigen Versorgung liegt der Eingang zu nah an der negativen Schiene. Dann kann sich die Phase umkehren, und der Ausgang schlägt an.
• Messwert zu klein: Der Teiler ist hochohmig und empfindlich für Feuchte und Flussmittelreste auf der Platine. Ein Kriechweg von einigen 100 MΩ parallel zu R2 verfälscht die Messung schon um Prozente. Platine reinigen, Teiler kompakt platzieren.
• Akku leer, obwohl kaum etwas läuft: Ein OPV mit 100 µA statt 0,6 µA, etwa ein MCP6001, zieht im Jahr knapp 900 mAh. Im Datenblatt auf den Ruhestrom achten.

Selbsttest