Symmetrische Versorgung und virtuelle Masse

Viele Operationsverstärker-Schaltungen sind für eine symmetrische Versorgung gezeichnet: +U, Masse, −U. Ein Wechselsignal schwingt dann um 0 V, und Eingang wie Ausgang dürfen positiv und negativ werden. Auf dem Basteltisch steht aber oft nur ein einzelnes 12-V-Netzteil oder ein 9-V-Block. Die einfachste Abhilfe ist eine virtuelle Masse: Du erzeugst einen Punkt genau in der Mitte der Versorgung und erklärst ihn zur Masse. Von dort aus gesehen liegt die Plusleitung bei +6 V und die Minusleitung bei −6 V.

Typische Anwendungen sind Audio-Vorverstärker, Filter und Messverstärker mit kleinen Strömen, Experimente mit Operationsverstärkern und die Versorgung von Schaltungen aus einem Akku. Für größere Ströme oder echte Erdbezüge gibt es Alternativen, die am Ende stehen.

Schaltplan

• R1, R2, 10 kΩ, 1 %: teilen die 12 V in zwei Hälften. Sie geben nur die Sollspannung vor.
• C1, 10 µF: glättet den Teilerpunkt, damit Brumm und Rauschen der Versorgung nicht in die virtuelle Masse gelangen.
• IC1A, LM358: Operationsverstärker als Puffer. Er liefert oder schluckt den Strom, den die Schaltung in die Masse schickt.
• R3, 47 Ω: trennt den OPV-Ausgang von den großen Kondensatoren C4 und C5, an denen er sonst schwingen würde.
• R4, 10 kΩ, und C3, 100 nF: doppelte Rückführung. R4 regelt die Gleichspannung genau am Ausgangsknoten, C3 schließt für schnelle Änderungen eine kurze Schleife direkt am OPV.
• C4, C5, 47 µF: halten die virtuelle Masse für Wechselströme niederohmig gegenüber beiden Schienen.

So funktioniert die Schaltung

Ein reiner Spannungsteiler liefert zwar 6 V in der Mitte, aber nur, solange niemand Strom hineinschickt. Hängt eine Last zwischen +12 V und Mittelpunkt, fließt ihr Strom über den unteren Widerstand ab und hebt den Mittelpunkt an. Der Teiler hat einen Innenwiderstand von R₁‖R₂ = 5 kΩ; schon 1 mA Ungleichgewicht verschiebt die Mitte um 5 V. Das Diagramm zeigt das deutlich.

Der Operationsverstärker beseitigt das Problem. Er ist als Spannungsfolger geschaltet: Er stellt seinen Ausgang so ein, dass am Minus-Eingang dieselbe Spannung liegt wie am Plus-Eingang, also 6 V. Schickt eine Last Strom in die virtuelle Masse, nimmt der OPV ihn auf; zieht sie Strom heraus, liefert er ihn. Der Innenwiderstand sinkt dabei um die Leerlaufverstärkung des OPV auf praktisch null.

Kondensatoren direkt an einem OPV-Ausgang sind allerdings heikel: Sie verschieben die Phase in der Regelschleife, und der Puffer beginnt zu schwingen. Deshalb sitzt R3 dazwischen. Damit die 0,47 V, die bei 10 mA an R3 abfallen, die Spannung nicht verfälschen, misst R4 hinter R3. C3 sorgt dafür, dass der OPV für hohe Frequenzen nur seinen eigenen Ausgang sieht und stabil bleibt; dort übernehmen C4 und C5 die Arbeit.

Dimensionierung

Gegeben: 12-V-Steckernetzteil, symmetrische Verbraucher mit einem Ungleichgewicht von höchstens ±10 mA, Audio- oder Messschaltung.

1. Teiler. Mit 2 × 10 kΩ fließen 12 V / 20 kΩ = 0,6 mA quer. Kleinere Werte bringen nichts, denn den Laststrom übernimmt der OPV. Mit 1-%-Widerständen liegt die Mitte im schlechtesten Fall bei 12 V · 0,99 / 2,00 ≈ 5,94 V, also 60 mV daneben. Der Offset des LM358 von höchstens 7 mV fällt dagegen kaum ins Gewicht.

2. Filter am Teiler. C1 bildet mit dem Innenwiderstand des Teilers einen Tiefpass (RC-Glied):

Brumm mit 100 Hz aus dem Netzteil wird damit um den Faktor 31 gedämpft. Die Grenzfrequenz für andere Werte rechnest du hier:

3. OPV. Der LM358 arbeitet an 12 V ohne negative Versorgung, sein Eingangsbereich reicht bis 0 V, sein Ausgang bis etwa 10,5 V. Die virtuelle Masse bei 6 V liegt bequem dazwischen. Das Datenblatt garantiert mindestens 20 mA, die er liefern, und 10 mA, die er aufnehmen kann – daher die Grenze von ±10 mA. Bei 10 mA setzt er höchstens (12 V − 6,5 V) · 10 mA ≈ 55 mW um.

4. Trennwiderstand und Rückführung. R3 = 47 Ω entkoppelt die 94 µF. R4 = 10 kΩ und C3 = 100 nF legen die Übergangsfrequenz zwischen beiden Rückführungen fest:

Unterhalb regelt der OPV exakt am Ausgangsknoten, oberhalb halten C4 und C5 die Spannung. Bei 100 Hz haben beide zusammen einen Blindwiderstand von 1 / (2 · π · 100 Hz · 94 µF) ≈ 17 Ω, bei 1 kHz noch 1,7 Ω.

Bauteilliste

Varianten

Fertiger Rail-Splitter. Der TLE2426 enthält Teiler, Puffer und Kompensation in einem Gehäuse mit drei Anschlüssen, arbeitet von 4 bis 40 V und treibt typisch ±20 mA bei nur 170 µA Eigenverbrauch. Für Kondensatoren am Ausgang zeigt das Datenblatt einen Bereich, in dem er schwingen kann – halte dich an die dort genannten Werte.

Mehr Strom. Zwei Transistoren als Gegentakt-Emitterfolger am OPV-Ausgang, etwa BD139 und BD140 innerhalb der Rückführung, heben den Strom auf einige hundert Milliampere. Die Schaltung entspricht der Gegentaktendstufe.

Echte symmetrische Versorgung. Für Endstufen und alles mit Schutzleiter- oder Erdbezug nimmst du einen Trafo mit zwei Wicklungen und zwei Regler, siehe Festspannungsnetzteil mit 7805/7812. Für wenige Milliampere negative Hilfsspannung reicht eine Ladungspumpe.

Ganz ohne symmetrische Versorgung. Oft genügt es, nur das Signal auf die Mitte zu legen: Ein Koppelkondensator und ein Teiler am Eingang eines nichtinvertierenden Verstärkers heben das Wechselsignal auf 6 V an, ohne dass die Versorgung umgedeutet wird.

Typische Fehler

• Kurzschluss über das Oszilloskop: Die Masseklemme des Oszilloskops liegt am Schutzleiter. Hat dein Netzteil ebenfalls Erdbezug, schließt die Klemme an der virtuellen Masse die untere Hälfte kurz. Bei erdfreien Steckernetzteilen passiert das nicht – prüfe es, bevor du misst. Hintergründe unter Masse, Erde und Ground.
• Virtuelle Masse schwingt: Kondensatoren direkt am OPV-Ausgang ohne R3. Mit dem Oszilloskop siehst du eine Schwingung im Kilo- bis Megahertzbereich.
• Spannung driftet unter Last: R4 fehlt oder ist an den OPV-Ausgang statt an den Knoten hinter R3 angeschlossen.
• Zweiter OPV im Gehäuse unbeschaltet: Ein offener OPV kann schwingen und den anderen stören. Schalte ihn als Spannungsfolger an den Teiler.
• Last zieht zu viel: Lautsprecher, Relais und Motoren gehören nicht an eine virtuelle Masse. Sie schicken ihren ganzen Strom hinein.

Selbsttest