Symmetrische ±-Spannungen mit dem Labornetzgerät erzeugen: zwei Ausgänge richtig in Reihe schalten

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Operationsverstärker, Messverstärker, aktive Filter und viele andere Analogschaltungen benötigen nicht nur eine einzelne positive Versorgungsspannung, sondern eine symmetrische Spannungsversorgung. Typische Vorgaben sind beispielsweise +12 V / 0 V / -12 V oder +15 V / 0 V / -15 V. Gerade bei älteren Analogschaltungen, präzisen Messverstärkern oder Entwicklungsaufbauten ist diese Versorgungsart bis heute sehr verbreitet.

Auf den ersten Blick wirkt die Erzeugung einer negativen Versorgungsspannung komplizierter als eine normale DC-Versorgung. Tatsächlich benötigt man dafür jedoch kein spezielles „negatives Netzteil“. Besitzt ein geeignetes Labornetzgerät zwei voneinander getrennte und für den Serienbetrieb freigegebene Ausgänge, können beide Spannungsquellen in Reihe geschaltet werden. Der elektrische Verbindungspunkt zwischen den beiden Ausgängen wird anschließend als gemeinsamer 0-V-Bezug verwendet. Bezogen auf diesen Mittelpunkt liegt die eine Versorgungsschiene positiv und die andere negativ.

Für eine Versorgung von ±15 V werden beispielsweise beide Netzteilkanäle auf jeweils 15 V eingestellt. Werden sie anschließend korrekt in Reihe geschaltet, liegen zwischen den beiden äußeren Anschlüssen insgesamt 30 V. Wird der Verbindungspunkt der beiden Quellen als 0 V definiert, entstehen relativ zu diesem Bezugspunkt +15 V und -15 V.

Eine Tracking-Funktion ist dafür nicht zwingend erforderlich. Sie kann die Bedienung erleichtern, weil beide Spannungen gemeinsam verändert werden können. Entscheidend ist jedoch etwas anderes: Das verwendete Labornetzgerät muss den Serienbetrieb seiner Ausgänge ausdrücklich unterstützen. Ebenso wichtig sind die richtige Wahl des Mittelpunktes, passende Strombegrenzungen und ein bewusstes Masse- und Erdungskonzept. Besonders beim Anschluss eines Oszilloskops können sonst unerwartete Erdverbindungen entstehen.

Eine symmetrische ±15-V-Versorgung besteht also nicht aus einer „positiven“ und einer speziellen „negativen“ Spannungsquelle. Zwei normale geeignete Gleichspannungsquellen werden in Reihe geschaltet. Erst die Wahl ihres Verbindungspunktes als 0 V erzeugt die Potentiale +15 V und -15 V relativ zu diesem Bezug.

Passende Geräte finden Sie unter Stromversorgung bei ICS Schneider sowie unter Mehrfachquellen / Labornetzgeräte.

Warum benötigen Analogschaltungen positive und negative Versorgungsspannungen?

Viele Analogschaltungen verarbeiten Signale, die sowohl oberhalb als auch unterhalb eines definierten Bezugspotentials liegen. Ein typisches Sensorsignal oder Laborsignal kann beispielsweise einen Bereich von -5 V bis +5 V durchlaufen. Eine klassisch aufgebaute Operationsverstärkerschaltung kann solche positiven und negativen Signalwerte besonders einfach verarbeiten, wenn ihr ebenfalls eine positive und eine negative Versorgungsschiene zur Verfügung stehen.

Eine typische Versorgung lautet deshalb +15 V / 0 V / -15 V. Der Operationsverstärker kann seine Ein- und Ausgangssignale dann um den gemeinsamen 0-V-Punkt herum verarbeiten, ohne dass zunächst ein künstlicher Mittelpunkt innerhalb einer einzelnen Versorgungsspannung erzeugt werden muss.

Diese Art der Versorgung findet sich nicht nur bei Operationsverstärkern. Sie wird auch bei Instrumentenverstärkern, aktiven Filtern, Messverstärkern, DMS-Signalaufbereitungen, analogen Regelschaltungen, Audioelektronik und zahlreichen Labor- beziehungsweise Entwicklungsaufbauten eingesetzt. Moderne Schaltungen können zwar häufig mit einer einzelnen Versorgung und einem virtuellen Mittelpunkt arbeiten. Ist eine Baugruppe jedoch ausdrücklich für ±12 V oder ±15 V vorgesehen, ist eine echte symmetrische Versorgung oft die technisch klarere Lösung.

Was bedeutet ±12 V beziehungsweise ±15 V?

Eine symmetrische Versorgung besitzt drei relevante Potentiale. Bei ±15 V sind dies +15 V, 0 V und -15 V. Wichtig ist, dass positive und negative Spannung immer relativ zum gemeinsamen Mittelpunkt betrachtet werden.

Zwischen der positiven Versorgungsschiene und 0 V liegen 15 V. Zwischen 0 V und der negativen Versorgungsschiene liegen ebenfalls 15 V. Zwischen den beiden äußeren Versorgungsschienen beträgt die Spannung dagegen 30 V. Bei einer Versorgung von ±12 V ergibt sich entsprechend eine Gesamtspannung von 24 V.

Messpunkte	Versorgung ±15 V	Versorgung ±12 V	Bedeutung
V+ gegen 0 V	+15 V	+12 V	positive Versorgungsschiene
V- gegen 0 V	-15 V	-12 V	negative Versorgungsschiene
V+ gegen V-	30 V	24 V	Gesamtspannung beider Quellen

Für die Gesamtspannung gilt vereinfacht Ugesamt = U+ + |U-|. Dabei ist zu beachten, dass eine korrekte Gesamtspannung allein noch nicht beweist, dass die beiden Versorgungsschienen tatsächlich symmetrisch zum Mittelpunkt liegen.

Wie entstehen symmetrische Spannungen aus zwei Netzteilausgängen?

Angenommen, ein geeignetes Zweikanal-Labornetzgerät besitzt zwei getrennte Ausgänge, die beide auf 15 V eingestellt werden. Jeder Kanal liefert zwischen seinem positiven und negativen Anschluss zunächst eine ganz normale positive Gleichspannung von 15 V.

Für den Serienbetrieb wird der negative Anschluss von Ausgang 1 mit dem positiven Anschluss von Ausgang 2 verbunden. Dieser Verbindungspunkt bildet anschließend den gemeinsamen 0-V-Bezug. Der verbleibende positive Anschluss von Ausgang 1 liegt relativ zu diesem Mittelpunkt bei +15 V, während der verbleibende negative Anschluss von Ausgang 2 relativ zum selben Punkt bei -15 V liegt.

Die negative Spannung entsteht also nicht dadurch, dass der zweite Netzteilkanal „negative Spannung erzeugt“. Zwischen seinen eigenen Anschlüssen liegen weiterhin 15 V. Erst durch die Festlegung des gemeinsamen Bezugspotentials ergibt sich am äußeren Anschluss ein Potential von -15 V.

±15 V richtig verschalten

Besitzt eine Analogbaugruppe die Versorgungsklemmen V+, GND und V-, muss sie an drei Punkte der Reihenschaltung angeschlossen werden. Der positive äußere Anschluss versorgt V+, der Verbindungspunkt der beiden Quellen wird mit GND verbunden und der negative äußere Anschluss versorgt V-.

Labornetzgerät	Anschluss an der Analogschaltung	Potential gegen GND
Ausgang 1 (+)	V+	+15 V
Ausgang 1 (-) verbunden mit Ausgang 2 (+)	GND / 0 V	0 V
Ausgang 2 (-)	V-	-15 V

Der Mittelpunkt ist dabei nicht nur eine interne Verbindung zwischen den beiden Netzteilkanälen. Von genau diesem Punkt muss zusätzlich eine Leitung zum 0-V- beziehungsweise GND-Anschluss der Baugruppe geführt werden. Ohne diese Verbindung fehlt der Schaltung ihr definiertes Bezugspotential.

Wie entsteht der gemeinsame 0-V-Punkt?

Der gemeinsame 0-V-Punkt ist kein zusätzlicher Spannungsregler und auch kein spezieller Ausgang des Netzgerätes. Er entsteht durch die elektrische Verbindung der beiden in Reihe geschalteten Spannungsquellen.

Werden zwei 15-V-Quellen in Reihe geschaltet, liegen zwischen den beiden äußeren Enden 30 V. Welcher Punkt innerhalb dieser Reihenschaltung als 0 V betrachtet wird, bestimmt anschließend die Potentiale der übrigen Anschlüsse. Wird die Verbindung zwischen beiden Quellen als Bezug definiert, liegt eine Seite 15 V oberhalb und die andere 15 V unterhalb dieses Potentials.

Dieser Mittelpunkt wird mit dem in der Schaltungsdokumentation vorgesehenen Bezug verbunden, beispielsweise GND, 0 V oder AGND. Dabei ist wichtig, den Schaltungsbezug nicht automatisch mit dem Schutzleiter gleichzusetzen. Ob der 0-V-Punkt zusätzlich geerdet werden darf oder soll, hängt vom Netzgerät, vom Messkonzept und von der zu versorgenden Schaltung ab.

Spannungen vor dem Anschluss richtig kontrollieren

Bevor eine empfindliche Analogschaltung an die vorbereitete Spannungsversorgung angeschlossen wird, sollte die Reihenschaltung mit einem Multimeter überprüft werden. Dadurch lassen sich ein falsch gewählter Mittelpunkt, eine vertauschte Polarität oder unterschiedlich eingestellte Spannungen erkennen, bevor die Baugruppe gefährdet wird.

Messung	Schwarze Messleitung	Rote Messleitung	Erwarteter Wert bei ±15 V
Positive Versorgung	0 V	V+	+15,0 V
Negative Versorgung	0 V	V-	-15,0 V
Gesamtspannung	V-	V+	30,0 V

Erst wenn alle drei Messungen plausibel sind, sollte die Analogschaltung angeschlossen werden. Besonders wichtig sind die beiden Einzelmessungen gegen den Mittelpunkt. Eine Gesamtspannung von 30 V allein reicht nicht als Kontrolle aus.

Was ist Tracking und wird es benötigt?

Tracking ist eine Komfortfunktion bestimmter Mehrkanal-Labornetzgeräte. Bei einem entsprechenden Gerät kann ein Kanal als führender Ausgang arbeiten, während der zweite Kanal seiner Spannungseinstellung folgt. Wird beispielsweise der führende Kanal von 15 V auf 12 V verändert, kann der zweite Kanal bei einem 1:1-Tracking automatisch ebenfalls auf 12 V folgen.

Für eine symmetrische Spannungsversorgung bedeutet dies, dass sich beispielsweise eine Versorgung von ±15 V komfortabel auf ±12 V ändern lässt, ohne beide Kanäle einzeln neu einstellen zu müssen. Elektrisch notwendig ist diese Funktion jedoch nicht.

Besitzt das Labornetzgerät zwei unabhängig einstellbare und für den Serienbetrieb geeignete Ausgänge, können beide Kanäle einfach separat auf denselben Spannungswert eingestellt werden. Für eine feste ±15-V-Versorgung ist die zulässige Reihenschaltung daher wesentlich wichtiger als eine Tracking-Funktion.

Welche Voraussetzung muss das Labornetzgerät erfüllen?

Nicht jedes Gerät mit zwei Ausgangskanälen darf automatisch in Reihe geschaltet werden. Entscheidend ist die ausdrückliche Freigabe des Herstellers. Die Ausgänge müssen hinsichtlich ihrer galvanischen beziehungsweise potentialmäßigen Eigenschaften für den vorgesehenen Serienbetrieb geeignet sein.

Insbesondere interne Masse- oder Erdverbindungen können eine gewünschte Reihenschaltung verhindern. Ebenso dürfen zulässige Spannungen der Ausgangsklemmen gegenüber Erde nicht überschritten werden. Eine ungeprüfte Reihenschaltung ungeeigneter Ausgänge kann deshalb zu Fehlfunktionen, unerwünschten Erdverbindungen oder im ungünstigsten Fall zu einem Kurzschluss beziehungsweise einer Beschädigung führen.

Beim weiter unten beschriebenen 2228.1 Gleichspannungsregler ist die Reihen- und Parallelschaltung der beiden Ausgänge ausdrücklich in den Produktdaten vorgesehen.

Stromaufnahme einer symmetrischen Versorgung richtig verstehen

Symmetrische Spannung bedeutet nicht automatisch symmetrische Stromaufnahme. Eine Analogschaltung kann beispielsweise aus der positiven Versorgung 120 mA und aus der negativen Versorgung nur 80 mA aufnehmen. Das ist grundsätzlich kein Fehler.

Der unterschiedliche Strombedarf kann aus dem internen Aufbau der Schaltung entstehen. Entscheidend ist, dass jeder Netzteilkanal den für seine Versorgungsschiene erforderlichen Strom zuverlässig bereitstellen kann und die zugehörige Ausgangsspannung stabil bleibt.

Die Stromanzeigen beider Netzteilkanäle sind dabei nicht nur Betriebsanzeigen, sondern auch wertvolle Diagnoseinformationen. Ändert sich die Stromaufnahme einer Schiene unerwartet stark, kann dies auf einen Fehler der angeschlossenen Baugruppe hinweisen.

Strombegrenzung beider Kanäle richtig einstellen

Bei der Erstinbetriebnahme einer empfindlichen Analogschaltung sollten die Stromlimits nicht automatisch auf den maximal möglichen Ausgangsstrom des Netzgerätes gestellt werden. Sinnvoll ist eine Begrenzung, die oberhalb des zu erwartenden normalen Betriebsstroms liegt, gleichzeitig aber bei einem Verdrahtungs- oder Bauteilfehler die verfügbare Energie reduziert.

Zu berücksichtigen sind dabei nicht nur der stationäre Betriebsstrom, sondern auch mögliche Einschaltströme und vorhandene Kapazitäten auf den Versorgungsschienen. Eine Schaltung, die im Normalbetrieb beispielsweise 90 mA benötigt, kann beim Einschalten kurzzeitig einen höheren Strom aufnehmen. Wird das Stromlimit zu knapp eingestellt, wechselt der betreffende Netzteilkanal möglicherweise bereits beim normalen Start in den Konstantstrombetrieb.

Die richtige Einstellung ist deshalb ein Kompromiss zwischen Schutzwirkung und störungsfreiem Einschaltverhalten. Bei unbekannten Baugruppen empfiehlt es sich, die tatsächliche Stromaufnahme kontrolliert zu beobachten und die Begrenzung schrittweise an die Anwendung anzupassen.

Was passiert, wenn ein Ausgang in den CC-Betrieb wechselt?

Ein geregeltes Labornetzgerät arbeitet normalerweise im Konstantspannungsbetrieb, abgekürzt CV – Constant Voltage. Solange die angeschlossene Schaltung weniger Strom benötigt als das eingestellte Stromlimit, hält der Kanal seine vorgegebene Ausgangsspannung konstant.

Wird das Stromlimit erreicht, wechselt der Kanal in den Konstantstrombetrieb CC – Constant Current. Das Netzgerät reduziert dann seine Ausgangsspannung so weit, dass der eingestellte Maximalstrom nicht überschritten wird.

Bei einer symmetrischen Versorgung kann dadurch eine Versorgungsschiene einbrechen, während die andere weiterhin korrekt arbeitet. Aus ursprünglich +15 V / 0 V / -15 V könnten dann beispielsweise +15 V / 0 V / -7 V werden. Eine damit versorgte Operationsverstärkerschaltung kann in Sättigung gehen, falsche Arbeitspunkte entwickeln oder beim Einschalten nicht korrekt starten.

Bei einer unerwartet unsymmetrischen Versorgung sollten deshalb nicht nur die eingestellten Spannungswerte kontrolliert werden. Ebenso wichtig sind die Stromaufnahme und der CV-/CC-Zustand beider Netzteilkanäle.

0 V, Masse und Schutzleiter unterscheiden

Der gemeinsame 0-V-Punkt einer symmetrischen Versorgung ist zunächst lediglich das elektrische Bezugspotential der angeschlossenen Schaltung. Er ist nicht automatisch mit PE – Protective Earth beziehungsweise dem Schutzleiter verbunden.

Bei erdfreien beziehungsweise entsprechend ausgeführten Netzteilausgängen kann die komplette Ausgangsschaltung zunächst gegenüber Erde potentialfrei sein. Innerhalb der zulässigen Bedingungen kann anschließend bewusst festgelegt werden, ob ein bestimmter Punkt mit Erde verbunden werden soll.

Ob der Mittelpunkt der symmetrischen Versorgung geerdet wird, hängt vom Schaltungs- und Messkonzept ab. Eine solche Verbindung sollte nur hergestellt werden, wenn sie technisch vorgesehen ist und keine weiteren Geräte unbeabsichtigte zusätzliche Erdverbindungen erzeugen.

Schaltungs-GND, 0 V und Schutzleiter erfüllen unterschiedliche Funktionen und sollten deshalb nicht automatisch gleichgesetzt werden.

Vorsicht beim Anschluss eines Oszilloskops

Ein Laboraufbau kann korrekt funktionieren und sich unmittelbar nach dem Anschluss eines Tischoszilloskops plötzlich völlig anders verhalten. Ursache ist häufig nicht das gemessene Signal selbst, sondern die Masseverbindung des Oszilloskops.

Bei vielen netzbetriebenen Tischoszilloskopen ist die Masse der BNC-Eingänge beziehungsweise der Tastköpfe mit dem Schutzleiter verbunden. Wird die Masseklemme des Tastkopfes an einen Punkt der Schaltung angeschlossen, wird dieser Punkt damit gleichzeitig auf Erdpotential gelegt.

Ist beispielsweise der Mittelpunkt der ±15-V-Versorgung bereits bewusst mit PE verbunden und wird die Oszilloskopmasse anschließend versehentlich an die -15-V-Schiene geklemmt, entsteht über das Oszilloskop eine Verbindung zwischen -15 V und PE. Je nach Aufbau kann dies einen Kurzschluss verursachen oder den betreffenden Netzteilkanal in die Strombegrenzung zwingen.

Vor dem Anschluss eines Oszilloskops muss deshalb geklärt werden, welche Punkte des bestehenden Aufbaus bereits einen Erdbezug besitzen. Bei Messungen zwischen nicht geerdeten Potentialen kann je nach Anwendung eine entsprechend geeignete differenzielle Messtechnik erforderlich sein.

Warum 30 V Gesamtspannung noch keine korrekten ±15 V beweisen

Ein häufiger Kontrollfehler besteht darin, ausschließlich zwischen den beiden äußeren Versorgungsschienen zu messen. Zeigt das Multimeter dort 30 V an, bedeutet dies lediglich, dass die Summe der beiden Teilspannungen 30 V beträgt.

Eine Verteilung von +10 V / 0 V / -20 V ergibt ebenfalls 30 V zwischen den äußeren Schienen, wäre für eine auf ±15 V ausgelegte Schaltung jedoch falsch. Deshalb müssen die positive und die negative Versorgung immer separat gegen den gemeinsamen Mittelpunkt kontrolliert werden.

Die Messung der Gesamtspannung ist trotzdem sinnvoll. Sie bildet eine zusätzliche Plausibilitätsprüfung. Sie ersetzt jedoch niemals die beiden Einzelmessungen V+ gegen 0 V und V- gegen 0 V.

Asymmetrische Belastung der Versorgungsschienen

Unterschiedliche Ausgangsströme der beiden Netzteilkanäle sind bei einer symmetrisch versorgten Analogschaltung grundsätzlich zulässig. Beispielsweise können auf der positiven Schiene 130 mA und auf der negativen Schiene nur 85 mA fließen, ohne dass ein Fehler vorliegt.

Problematisch wird eine unterschiedliche Belastung erst dann, wenn ein Kanal an seine Stromgrenze gelangt, seine Spannung sichtbar einbricht oder die Stromaufnahme deutlich von dem für die Schaltung erwarteten Verhalten abweicht. Deshalb sollten bei der Inbetriebnahme sowohl die Spannungen als auch die Stromwerte beider Kanäle beobachtet werden.

Besonders hilfreich ist ein Vergleich mit einem bekannten fehlerfreien Betriebszustand. Steigt beispielsweise der Strom der negativen Versorgung nach einer Änderung an der Baugruppe plötzlich deutlich an, obwohl die Funktion unverändert sein sollte, liefert die Netzteilanzeige bereits einen wichtigen Hinweis für die Fehlersuche.

Ein- und Ausschaltverhalten berücksichtigen

Werden zwei unabhängige Netzteilausgänge für eine symmetrische Versorgung verwendet, erreichen die positive und negative Schiene beim Ein- und Ausschalten nicht zwangsläufig exakt gleichzeitig ihren endgültigen Spannungswert. Für viele klassische Analogschaltungen ist dieser kurze Unterschied unkritisch.

Empfindlichere Baugruppen können jedoch auf eine vorübergehend fehlende Versorgungsschiene reagieren. Operationsverstärker können kurzzeitig in Sättigung gehen, Ausgangssignale können unerwartete Werte annehmen oder Ströme über interne Schutzstrukturen fließen.

Besitzt die zu versorgende Baugruppe ausdrücklich definierte Anforderungen an die Reihenfolge der Versorgungsspannungen, müssen diese unabhängig von der eigentlichen Reihenschaltung berücksichtigt werden. Zwei in Reihe geschaltete Netzteilkanäle ersetzen keine spezielle Power-Sequencing-Funktion.

Praxisbeispiel: Operationsverstärkerschaltung mit ±15 V

Eine Messverstärkerplatine benötigt laut Schaltungsunterlagen V+ = +15 V, GND = 0 V und V- = -15 V. Verwendet wird ein für Serienbetrieb geeignetes Zweikanal-Labornetzgerät.

Zunächst bleibt die Platine vom Netzgerät getrennt. Beide Kanäle werden auf 15,0 V eingestellt und die Strombegrenzungen passend zum erwarteten Betriebs- und Einschaltstrom festgelegt. Anschließend wird der negative Anschluss von Ausgang 1 entsprechend der vorgesehenen Serienverschaltung mit dem positiven Anschluss von Ausgang 2 verbunden. Dieser Verbindungspunkt wird zum 0-V-Mittelpunkt.

Mit einem Multimeter werden nun die drei relevanten Spannungen kontrolliert. Zwischen V+ und GND müssen +15 V liegen, zwischen V- und GND -15 V und zwischen den beiden äußeren Schienen insgesamt 30 V. Erst nachdem diese Werte plausibel sind, wird der Mittelpunkt mit GND der Platine, der positive äußere Anschluss mit V+ und der negative äußere Anschluss mit V- verbunden.

Nach dem Einschalten werden die Stromaufnahme und der Betriebszustand beider Kanäle beobachtet. Zeigt beispielsweise die positive Schiene einen plausiblen Strom von 80 mA, während der negative Kanal unmittelbar in CC wechselt, sollte nicht einfach das Stromlimit erhöht werden. Zunächst ist zu klären, ob Verdrahtung, Polarität und Schaltung dem erwarteten Zustand entsprechen.

Typische Fehlerbilder

Beobachtung	Mögliche Ursache	Sinnvolle Prüfung
+15 V vorhanden, negative Versorgung fehlt	zweiter Ausgang nicht aktiv oder falsch verschaltet	zweiten Kanal separat prüfen
+15 V korrekt, negative Schiene nur etwa -7 V	zweiter Kanal arbeitet im CC-Betrieb	Stromaufnahme und Stromlimit prüfen
30 V zwischen den Außenschienen, Schaltung funktioniert trotzdem nicht	Mittelpunkt fehlt oder Einzelspannungen sind unsymmetrisch	beide Schienen separat gegen 0 V messen
Operationsverstärker bleibt am Ausgangsanschlag	eine Versorgungsschiene fehlt oder ist zu niedrig	V+ und V- direkt an der Baugruppe kontrollieren
Netzteil wechselt unmittelbar nach dem Anschluss in CC	Kurzschluss, Verdrahtungsfehler oder zu niedriges Stromlimit	Schaltung und erwarteten Strombedarf prüfen
Aufbau funktioniert bis zum Anschluss des Oszilloskops	zusätzliche Erdverbindung über die Tastkopfmasse	GND-, PE- und Massekonzept kontrollieren
Spannung am Netzgerät korrekt, direkt an der Platine niedriger	Leitungs- oder Kontaktspannungsabfall	Spannung unter Last unmittelbar am Prüfling messen
Eine Schiene zieht ungewöhnlich hohen Strom	möglicher Fehler innerhalb der Schaltung	Stromaufnahme beider Versorgungsschienen vergleichen

Empfohlener Anschlussablauf

1. Versorgungsanforderung der Baugruppe prüfen und benötigte positive sowie negative Spannung festlegen.
2. Erwarteten Strombedarf beider Versorgungsschienen bestimmen.
3. Prüfen, ob das verwendete Labornetzgerät den Serienbetrieb der betreffenden Ausgänge ausdrücklich unterstützt.
4. Beide Kanäle zunächst ohne angeschlossene Baugruppe auf den benötigten Spannungsbetrag einstellen.
5. Strombegrenzungen passend zum Betriebs- und Einschaltstrom festlegen.
6. Die beiden Ausgänge entsprechend der Herstellerangabe in Reihe schalten und den Verbindungspunkt als 0 V definieren.
7. Positive Schiene gegen 0 V, negative Schiene gegen 0 V und anschließend die Gesamtspannung zwischen den Außenschienen messen.
8. Vorhandene PE- und Masseverbindungen des Netzgerätes sowie weiterer Messgeräte prüfen.
9. 0 V mit GND, die positive Versorgung mit V+ und die negative Versorgung mit V- der Baugruppe verbinden.
10. Nach dem Einschalten Spannungen, Ausgangsströme und CV-/CC-Zustand beider Kanäle beobachten.
11. Bei Abweichungen nicht sofort Stromlimits erhöhen, sondern zunächst Verdrahtung, Polarität und Schaltung kontrollieren.
12. Abschließend die Versorgungsspannungen direkt an der Baugruppe unter Last überprüfen.

Häufige Fehler

• Nur die 30-V-Gesamtspannung kontrollieren: Dadurch bleibt eine unsymmetrische Verteilung der beiden Versorgungsschienen unentdeckt.
• Den Verbindungspunkt der beiden Netzteilkanäle nicht mit GND der Baugruppe verbinden: Der Schaltung fehlt dann ihr definierter 0-V-Bezug.
• Jedes Zweikanalnetzgerät automatisch in Reihe schalten: Der Serienbetrieb muss für die verwendeten Ausgänge technisch zulässig sein.
• 0 V automatisch mit PE gleichsetzen: Dadurch können unbeabsichtigte Erd- oder Kurzschlussverbindungen entstehen.
• Die Oszilloskopmasse ohne Prüfung anschließen: Bei einem geerdeten Tischoszilloskop kann dadurch ein bisher potentialfreier Schaltungspunkt mit PE verbunden werden.
• Einbrechen einer Versorgung ausschließlich als falsche Spannungseinstellung interpretieren: Häufig befindet sich der betreffende Kanal bereits im CC-Betrieb.
• Bei ungewöhnlich hoher Stromaufnahme einfach das Stromlimit erhöhen: Zunächst müssen Kurzschluss, Verpolung und mögliche Fehler der Baugruppe ausgeschlossen werden.
• Die Spannung nur an den Netzteilklemmen messen: Leitungs- und Kontaktspannungsabfälle werden dadurch nicht erkannt.

Passendes Labornetzgerät bei ICS Schneider

2228.1 – Zweikanal-Gleichspannungsregler mit zulässigem Serienbetrieb

Für die hier beschriebene Anwendung ist der 2228.1 Gleichspannungsregler besonders interessant. Das Gerät besitzt zwei regelbare Gleichspannungsausgänge und ermöglicht laut Produktdaten ausdrücklich eine Reihen- beziehungsweise Parallelschaltung der beiden Kanäle. Damit kann aus zwei entsprechend eingestellten Ausgangsspannungen eine symmetrische Versorgung aufgebaut werden.

Merkmal	2228.1
Ausgangsspannung	2 × 0 … 35 V DC
Ausgangsstrom	2 × 0 … 4 A
Ausgangsleistung	2 × 140 W
Regelprinzip	Linearregelung
Betriebsarten	Spannungs- und Stromregelung, automatische CV-/CC-Umschaltung
Verschaltung	Reihen- und Parallelschaltung der Ausgänge vorgesehen
Ausgang	erdfrei
Anschlüsse	4-mm-Apparateklemmen

Für eine ±15-V-Versorgung werden beide Ausgänge auf jeweils 15 V eingestellt und entsprechend der vorgesehenen Reihenschaltung verbunden. Der Verbindungspunkt wird als 0 V verwendet. An der angeschlossenen Analogschaltung stehen damit +15 V / 0 V / -15 V zur Verfügung.

Nach demselben Prinzip können auch andere symmetrische Spannungen erzeugt werden, solange sie innerhalb der zulässigen Ausgangsdaten des Gerätes liegen. Werden beide Kanäle beispielsweise auf 12 V eingestellt, entsteht eine ±12-V-Versorgung. Bei jeweils 5 V ergibt sich ±5 V.

Eine Tracking-Funktion ist dafür nicht erforderlich. Entscheidend ist die ausdrücklich vorgesehene Möglichkeit, die beiden Ausgänge in Reihe zu schalten. Die Spannungsbeträge der beiden Kanäle werden beim 2228.1 für eine symmetrische Versorgung separat eingestellt.

Weitere Mehrfachquellen finden Sie unter Labornetzgeräte mit mehreren Ausgängen bei ICS Schneider.

Fazit

Eine symmetrische Spannungsversorgung lässt sich mit einem geeigneten Zweikanal-Labornetzgerät technisch vergleichsweise einfach erzeugen. Für ±15 V werden zwei dafür geeignete 15-V-Ausgänge in Reihe geschaltet. Der Verbindungspunkt zwischen beiden Spannungsquellen wird als 0 V definiert, sodass relativ zu diesem Mittelpunkt eine positive Schiene mit +15 V und eine negative Schiene mit -15 V entsteht.

Eine Tracking-Funktion kann die Bedienung komfortabler machen, ist für das eigentliche Prinzip aber nicht erforderlich. Wesentlich wichtiger ist, dass der Hersteller die Reihenschaltung der verwendeten Ausgänge ausdrücklich zulässt und keine internen Masse- oder Erdverbindungen die gewünschte Verschaltung verhindern.

Vor dem Anschluss einer empfindlichen Baugruppe sollten beide Versorgungsschienen separat gegen den Mittelpunkt und zusätzlich die Gesamtspannung zwischen den Außenschienen kontrolliert werden. Eine Messung von 30 V allein beweist noch keine korrekte ±15-V-Versorgung.

Ebenso wichtig ist die Strombegrenzung. Gerät einer der beiden Kanäle in den CC-Betrieb, reduziert er seine Ausgangsspannung und die symmetrische Versorgung kann deutlich unsymmetrisch werden. Stromaufnahme und CV-/CC-Zustand beider Kanäle gehören deshalb bei der Inbetriebnahme zur grundlegenden Diagnose.

Besondere Aufmerksamkeit verdient außerdem das Masse- und Erdungskonzept. Der 0-V-Punkt der Analogschaltung ist nicht automatisch identisch mit PE. Weitere Messgeräte, insbesondere netzbetriebene Tischoszilloskope, können zusätzliche Erdverbindungen herstellen und dadurch einen zuvor funktionierenden Aufbau verändern.

Für die Praxis gilt daher: Erst prüfen, ob das Netzgerät den Serienbetrieb unterstützt, beide Kanäle korrekt einstellen und den Mittelpunkt definieren. Danach positive und negative Versorgung jeweils gegen 0 V messen, Erdungs- und Strombegrenzungskonzept kontrollieren und erst anschließend die empfindliche Analogschaltung anschließen.

FAQ: Symmetrische ±-Spannung mit dem Labornetzgerät

Wie erzeuge ich ±15 V mit einem Labornetzgerät?

Zwei dafür geeignete und für den Serienbetrieb freigegebene Ausgänge werden jeweils auf 15 V eingestellt und in Reihe geschaltet. Der Verbindungspunkt zwischen beiden Quellen wird als 0 V verwendet. Die beiden äußeren Anschlüsse liegen dann relativ zu diesem Mittelpunkt bei +15 V beziehungsweise -15 V.

Benötige ich dafür eine Tracking-Funktion?

Nein. Tracking ist lediglich eine Komfortfunktion, mit der beide Ausgangsspannungen gemeinsam verändert werden können. Für eine feste symmetrische Versorgung reichen zwei separat einstellbare Ausgänge aus, sofern deren Serienbetrieb ausdrücklich zulässig ist.

Was ist wichtiger: Tracking oder Serienbetrieb?

Für die Erzeugung einer symmetrischen Versorgung ist der zulässige Serienbetrieb entscheidend. Tracking beeinflusst hauptsächlich die Bedienung und erleichtert das gleichzeitige Ändern der beiden Spannungsbeträge.

Wie entstehen -15 V, wenn beide Netzteilausgänge positive Spannungen erzeugen?

Die negative Spannung entsteht durch die Wahl des Bezugspotentials. Beide Netzteilkanäle liefern zwischen ihren eigenen Anschlüssen weiterhin eine positive Spannung von 15 V. Wird ihr Verbindungspunkt als 0 V definiert, liegt der äußere Anschluss des zweiten Kanals relativ zu diesem Mittelpunkt bei -15 V.

Wie hoch ist die Spannung zwischen +15 V und -15 V?

Zwischen den beiden äußeren Versorgungsschienen liegen insgesamt 30 V.

Wie hoch ist die Gesamtspannung bei ±12 V?

Zwischen +12 V und -12 V liegen insgesamt 24 V.

Warum benötigt die Schaltung drei Leitungen?

Eine klassische symmetrische Versorgung besitzt eine positive Versorgungsschiene, einen gemeinsamen 0-V-Bezug und eine negative Versorgungsschiene. Entsprechend benötigt die Baugruppe Anschlüsse für V+, GND beziehungsweise 0 V und V-.

Was wird mit dem GND-Anschluss der Platine verbunden?

Der Verbindungspunkt zwischen den beiden in Reihe geschalteten Spannungsquellen wird als 0 V definiert und mit dem dafür vorgesehenen GND- beziehungsweise 0-V-Anschluss der Baugruppe verbunden.

Ist GND automatisch Schutzleiter?

Nein. Schaltungs-GND beziehungsweise 0 V und der Schutzleiter PE besitzen unterschiedliche elektrische Funktionen. Eine Verbindung zwischen beiden muss bewusst und passend zum Schaltungs- und Messkonzept hergestellt werden.

Muss der Mittelpunkt geerdet werden?

Nicht grundsätzlich. Ob der Mittelpunkt mit Erde verbunden werden soll, hängt von der Schaltung, dem verwendeten Netzgerät und dem gesamten Messaufbau ab.

Kann jedes Zweikanal-Labornetzgerät für ±15 V verwendet werden?

Nein. Der Hersteller muss den Serienbetrieb der betreffenden Ausgänge zulassen. Interne Masse- oder Erdverbindungen können eine Reihenschaltung verhindern oder zu unerwünschten Kurzschlüssen führen.

Warum reicht eine Messung von 30 V zwischen den Außenschienen nicht aus?

Auch eine unsymmetrische Verteilung wie +10 V und -20 V ergibt zwischen den äußeren Schienen insgesamt 30 V. Deshalb müssen beide Versorgungsschienen zusätzlich separat gegen den Mittelpunkt kontrolliert werden.

Müssen beide Versorgungsschienen denselben Strom liefern?

Nein. Eine Analogschaltung kann die positive und negative Versorgung unterschiedlich stark belasten. Wichtig ist, dass jeder Kanal den benötigten Strom bereitstellen kann, ohne seine eingestellte Spannung zu verlieren.

Was passiert, wenn ein Ausgang sein Stromlimit erreicht?

Der betreffende Kanal wechselt vom Konstantspannungsbetrieb CV in den Konstantstrombetrieb CC. Dabei reduziert das Netzgerät seine Ausgangsspannung, damit der eingestellte Maximalstrom nicht überschritten wird. Dadurch kann die symmetrische Versorgung unsymmetrisch werden.

Was bedeuten CV und CC?

CV steht für Constant Voltage beziehungsweise Konstantspannungsbetrieb. CC steht für Constant Current beziehungsweise Konstantstrombetrieb. Im CV-Betrieb hält das Netzgerät die eingestellte Spannung, im CC-Betrieb begrenzt es dagegen den Ausgangsstrom.

Warum ist eine Strombegrenzung bei der Erstinbetriebnahme sinnvoll?

Eine passend eingestellte Strombegrenzung kann die verfügbare Energie bei Kurzschlüssen, Verdrahtungsfehlern oder defekten Bauteilen reduzieren. Sie muss gleichzeitig hoch genug sein, um den normalen Betriebs- und gegebenenfalls Einschaltstrom der Baugruppe zuzulassen.

Warum funktioniert die Schaltung nicht mehr, sobald ich ein Oszilloskop anschließe?

Bei vielen Tischoszilloskopen ist die Tastkopfmasse mit PE verbunden. Durch den Anschluss kann deshalb eine zusätzliche Erdverbindung in einem zuvor potentialfreien Laboraufbau entstehen und die vorhandenen Potentialverhältnisse verändern.

Kann die Oszilloskopmasse einen Kurzschluss verursachen?

Ja. Wird beispielsweise die Tastkopfmasse mit der negativen Versorgungsschiene verbunden, während der Mittelpunkt bereits auf PE liegt, kann über das Oszilloskop eine unerwünschte Verbindung zwischen der negativen Versorgung und Erde entstehen.

Welches Netzgerät aus dem ICS-Portfolio eignet sich für diese Anwendung?

Der 2228.1 Gleichspannungsregler besitzt zwei regelbare Ausgänge mit jeweils 0 … 35 V DC und 0 … 4 A. Für die beiden Ausgänge ist eine Reihen- beziehungsweise Parallelschaltung vorgesehen.

Kann der 2228.1 ±15 V erzeugen?

Ja. Werden beide dafür vorgesehenen Ausgänge auf jeweils 15 V eingestellt und korrekt in Reihe geschaltet, kann ihr Verbindungspunkt als 0 V verwendet werden. Relativ dazu stehen anschließend +15 V und -15 V zur Verfügung.

Welche maximale Ausgangsspannung besitzt der 2228.1 pro Kanal?

Jeder der beiden Ausgänge ist im Bereich von 0 bis 35 V DC einstellbar.

Welchen maximalen Ausgangsstrom besitzt der 2228.1?

Für jeden der beiden Kanäle ist ein Ausgangsstrom von bis zu 4 A vorgesehen.

Besitzt der 2228.1 CV- und CC-Betrieb?

Ja. Das Gerät verfügt über Spannungs- und Stromregelung mit automatischer Umschaltung zwischen Konstantspannungs- und Konstantstrombetrieb.

Wo finde ich weitere Labornetzgeräte mit mehreren Ausgängen?

Weitere Geräte finden Sie unter Mehrfachquellen / Labornetzgeräte bei ICS Schneider.