Wie baue ich eine negative Spannung?
Zunächst sei es an dieser Stelle erwähnt, dass es eine ganze Menge Applikationen gibt, die eine negative Spannung benötigen: z.B. Invertierender Verstärker mit OP, oder eine bestimmte Ansteuerung einer bestimmten Triac-Type, oder eine Verstärkerendstufe für Audiosignale usw.
Was ist eine negative Spannung? Ganz einfach eine Spannung die gegenüber dem Ground negativ ist.
Eine Schaltungsvariante ist ein Potentialgetrennter Trafo mit entsprechender Beschaltung:
http://www.ferromel.de/tronic_4.htm
Man merke, dass dabei keine Impedanzwandlung benötigt wird. Aber der Ausgangstrom und die Ausgangsspannung haben entgegengesetzte Pfeilrichtungen, was auf die Existenz von Quellen hindeutet.
Manchmal ist aber aus Kosten-, Platz-, oder Aufwandgründen diese Möglichkeit nicht gegeben. Eine Alternative ist dann die Erzeugung der negativen Spannung aus einer bereits vorhandenen Gleichspannung. Es gibt dafür integrierte Bausteine, die genau diese Anforderung erfüllen. Eine davon ist der Baustein NE555:
http://www.doctronics.co.uk/pdf_files/555an.pdf
(Seite 14 Bild 26)
Ähnlich (vom Prinzip) funktioniert die Schaltung aus dem Attachment. Wie aus dem Messbild zu sehen ist, reagiert beim ersten Mal der Ausgang des invertierenden Verstärkers verspätet. Der Grund liegt in der Verzögerung durch die Kondensatoren. Das ist kein echter Nachteil, denn die Schaltung kann selbstverständlich mit einer weiteren Verzögerung erweitert werden, so dass erst die Kondensatoren ihre Spannungen erreichen bevor sie belastet werden. Diese Verzögerung kann z.B. mit einem vorhandenen µController und einem weiteren Transistor realisiert werden, oder durch Verwendung einer geschickten Transistorschaltung. Wie auch immer weitere Verbesserungen können selbstverständlich realisiert werden.
Steht schon Mal die Spannung auf den Kondensatoren, dann gibt es keine weiteren Verzögerungen bei Lastsprüngen, sofern die Schaltung nicht zu weit belastet wird. Selbst bei Belastung ist ein Ripple auf der Versorgung am Ausgang noch nicht zu sehen, wenn die Eingangsspannung sich dem Minimum des Ripples nicht annähert ( die Transistoren am Ausgang des OP’s arbeiten als Emitterfolger). Eine weitere Bemerkung ist die Symmetrie der Versorgungen des OP’s. Die positive Versorgungsspannung ist größer als die negative. Nun auch das lässt sich lösen, wenn die positive Spannung auf den Wert der negativen Spannung durch einen Längsregler platziert wird. Aber hier taucht wieder die Frage des Aufwandes auf. Ist das auch wirklich nötig? Unter einer bestimmten Bedingung nicht. Wenn die Eingangsspannung maximal Plus oder Minus 10V erreicht und die negative Versorgung z.B -12V und die positive Versorgung +24V, dann ist zwar die positive Spannung unnötig groß, aber stören tut das nicht. Der Grund liegt wieder in der Arbeitsweise eines Emitterfolgers: die Ausgangsspannung ist kleiner als die Eingangsspannung (hier ist nicht V33 gemeint sondern die interne Basisspannung der Ausgangsstufe des OP’s ) um eine Basis-Emitter-Spannung (der Ausgang folgt dem Eingang) und der Ausgangsstrom wird durch den Lastwiderstand R5 bestimmt. Solange diese Basisspannung der Ausgangsstufe ausreichend kleiner als die Betriebsspannung des OP’s ist, bleibt der Rest der Betriebsspannung nur als Kollektor-Emitter-Spannung übrig. Würde sich sonst diese interne Basisspannung der Betriebsspannung zu weit annähern, so hat der Stromführende Transistor keine Reserve mehr und der Fall „Clipping“ tritt auf. Nebenbei bemerkt, die Transistoren T1 und T2 arbeiten auch als Emitter-Folger.
Der widerstand R6 hat keine Funktionalität für die Schaltung. Er soll lediglich hier der Unterschied zwischen Quelle und Senke verdeutlichen. Wenn ein Messgerät zwischen der Masse (Plusanschluss an Masse) und dem Knoten C2/D2 angeschlossen wird, dann bringt er eine Positive Spannung zur Anzeige. Aha! Die Masse ist positiver als der Knoten C2/D2. Damit liegt uns hier eine negative Spannung gegenüber der Masse vor. Das bedeutet, der Kondensator C2 liefert einen Strom, der von der Masse durch R6 zum Knoten C2/D2 fließt. Dieser Strom verursacht auf R6 einen Spannungsabfall mit der gleichen Richtung. Damit ist R6 Senke und C2 Quelle.
Die Lösung ist nicht fertig und könnte wie erwähnt noch verfeinert werden. Ob das ein Sinn hat, wenn NE555 viel eleganter arbeitet muss jeder für sich abklären. Der NE555 hat alle Funktionen wie die benötigte Pulsspannung und die Komplementärtransistoren (T1, T2) usw. und auch vieles mehr bereits integriert. Zweck dieser Schaltung war hier nur die Verdeutlichung der Zusammenhänge. Also bitte diese Geschichte nicht als die Ultimative Lösung betrachten.
Als letzte Bemerkung: die Spannungen V22 und V33 könnten aus einer einzigen Quelle à V11 gewonnen werden, wenn notwendig. Das bedeutet, die gesamte Schaltung würde mit einer einzigen Batterie funktionieren.
