Die Schaltung des Netzgerätes.

1.) Physik trifft Mathematik - der Integrator, das Herzstück der Schaltung.

Wie kann man elektronisch möglichst einfach einen linearen Spannungsanstieg bzw. Spannungsabfall realisieren?

Dies geht am einfachsten mit einem Operationsverstärker.

Die nebenstehende Abbildung zeigt die Beschaltung eines einfachen Operationsverstärkers vom Typ LM741 im 8-poligen Gehäuse. Pin 2 ist der invertierende Eingang (-), Pin 3 ist der nicht invertierende Eingang (+). Der Ausgang liegt an Pin 7. Meist verwendet man eine bezüglich Masse symmetrische Spannungsversorgung. Dann liegt der Pin 4 z.B. auf -10V und der Pin 8 auf +10V. Hat man, wie bei uns, nur eine Spannung, so muss man die Bezugsmasse erst extra bereitstellen (mehr s.u.). Links ist das Schaltzeichen dargestellt. Üblicherweise lässt man dabei die Anschlüsse der Versorgungsspannungen weg.

Hier ist der Operationsverstärker als Integrator beschaltet. Der nicht invertierende Eingang (+) liegt auf Masse. An den invertierenden Eingang (-) - das ist der Punkt x in der Schaltung - sind zwei Bauelemente angeschlossen: ein Widerstand R, der an der Eingangsspannung Ue liegt ein Kondensator C, der mit dem Ausgang des IC (Pin 6) verbunden ist.

Für die beiden Teilströme I₁ (Widerstand) und I₀ (Kondensator) gilt:

Für die beiden Teilströme, die im Punkt x zusammenkommen, gilt:
Die Summe aller Ströme muss 0 sein (Gesetz von Kirchhoff).
Also muss gelten:

Die Ausgangsspannung U_a ist also gleich dem Integral der Eingangsspannung U_e.
Legt man an den Eingang eine konstante Spannung U_e an, so steigt die Ausgangsspannung U_a linear an, bzw. fällt linear ab, je nachdem, welche Polung die Eingangsspannung bezüglich Masse hat.

Das ist genau das, was wir haben wollen.

Nun kann aber ein Operationsverstärker allein natürlich nicht den nötigen Strom zum Betrieb der Helmholtz-Spulen liefern. Wir brauchen daher noch einige weitere Bauelemente.

2.) Die Gesamtschaltung des Netzgerätes.

Das folgende Schaltbild zeigt die Gesamtschaltung des Netzgerätes.

Betrachtet man die Schaltung, wird man sofort den Integrator (IC 741 II) wiederfinden.
Der Widerstand ist hier als Reihenschaltung eines Festwiderstandes von 100 kOhm mit einem Potentiometer von 220 kOhm realisiert. Es ergibt sich also ein Gesamtwiderstand zwischen 100 kOhm und 320 kOhm. Zusammen mit dem Kondensator von 10 Mikrofarad (ich habe einen bipolaren Typ gewählt, wahrscheinlich geht auch ein "normaler" Elektrolytkondensator) ergibt sich eine Zeitkonstante bis ca. 10 s für Anstieg oder Abfall, die am Potentiometer eingestellt werden kann.
Möchte man einen schnelleren Anstieg, muss man den Festwiderstand kleiner wählen, er bestimmt die kürzeste einstellbare Anstiegszeit.
Möchte man einen noch langsameren Anstieg, dann muss man den Wert des Potentiometers noch größer wählen.
Hier sollte man einfach ein wenig experimentieren.
Achten Sie aber in jedem Fall darauf, dass das Potentiometer eine lineare Charakteristik hat.
Mit dem Schalter S1 kann zwischen Ansteigen und Abfallen der Spannung umgeschaltet werden.

Eine weitere Möglichkeit ist, eine Anzahl von Widerständen parallel zu schalten und umschaltbar zu machen. Damit kann man leicht Anstiegszeiten realisieren, die das Vielfache voneinander sind. Steht der Drehschalter in der linken Position, so ist der wirksame Gesamtwiderstand 50 kOhm (nur unterer Widerstand). Damit ist die Zeit für einen Stromstärkeanstieg um 2,0A etwa 0,5s (empirisch ermittelt). In der nächsten Stellung ist der Gesamtwiderstand 100 kOhm (50 kOhm + 50kOhm). Die Zeit Delta t für den gleichen Stormstärkeanstieg verdoppelt sich dadurch auf ca. 1s. (Delta I / Delta t halbiert sich also). In Stellung 3 und 4 sind die Gesamtwiderstände 150 kOhm bzw. 200 kOhm, die Zeiten also 1,5 s und 2,0 s). Diese Variante hat den Vorteil, dass man die "richtige" Stellung der Potentiometers im Experiment nicht erst suchen muss. Im Demonstrationsbetrieb erleichtert das der Lehrkraft die Arbeit.

Der erste Operationsverstärker (IC 741 I) hat die Aufgabe, die halbe Betriebsspannung für die Bezugsmasse bereitzustellen. Am Ausgang dieses IC (zugleich der nicht-invertierende Eingang von IC II) muss gegenüber dem - Pol die halbe Betriebsspannung zu messen sein.
Ist die links im Schaltbild angelegte Versorgungsspannung also z.B. 20 V (wofür die Zehnerdiode ganz links sorgt), dann misst man zwischen der Bezugsmasse und den Pin 4 (-Ub) gerade -10V, zwischen der Bezugsmasse und Pin 8 (+Ub) ergeben sich +10V.

Der IC 741 III ist ein sogenannter Spannungsfolger, sein Eingang ist hochohmig, sein Ausgang niederohmig. Er ist ein Impedanzwandler, hat also die Aufgabe, Rückwirkungen von den Transistoren der Leistungsansteuerung (rechts) vom Integrator fernzuhalten.

Die Transistoren BD 547 und BD 139 - gängige Transistortypen - sind als Darlington-Verstärker geschaltet und stellen den nötigen Basisstrom für die Leistungstransistoren 2N3055 bereit. Um die Leistungsabgabe zu verteilen, und damit die Leistungstransistoren nicht überhitzen, sind zwei Transistoren dieses Typs parallelgeschaltet. Die beiden Widerstände von 0,15 Ohm bewahren vor einem absoluten Kurzschluss.
Dennoch ist die Schaltung nicht kurzschlussfest.

Diese beiden Transistoren 2N3055 müssen unbedingt auf einem großzügig dimensionierten Kühlkörper montiert werden. Ich habe auch dem BD139 einen kleinen Kühlkörper spendiert.

Der Messwiderstand Rm ist nur im Zusammenhang mit der Komparatorschaltung interessant.
Mehr dazu auf dieser Seite. Möchte man diese Funktionalität nicht nutzen, kann man ihn auch weglassen und durch eine Drahtbrücke ersetzen.

Mehr zum konkreten Bau des Gerätes und der Inbetriebnahme erfahren Sie hier.

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