Aus Plus wird Minus
Negative Betriebsspannungen aus positiver Versorgungsspannung erzeugen
Um eine negative Gleichspannung zu erzeugen, kann ein positiver Schaltregler mit vertauschten Ausgangsanschlüssen betrieben werden. Was so einfach klingt, ist jedoch alles andere als trivial. Wenn die Stromversorgung zuverlässig und mit hohem Wirkungsgrad arbeiten soll, sind für das „Verpolen“ von Gleichspannungswandlern ein paar Sachen zu beachten.
Entwickler werden regelmäßig mit der Anforderung konfrontiert, eine negative Versorgungsspannung zu erzeugen, z.B. für Sensorschaltungen, die sowohl positive als auch negative Signale erfassen. Für viele Ingenieure wird hier der erste Gedanke sein, invertierende, geregelte Ladungspumpen zu verwenden, und diese sind in der Tat ideal für akkubetriebene Anwendungen, bei denen der Betrag der benötigten Ausgangsspannung geringer als 5 V ist - z.B. mit einer Lithium-Ionen-Zelle als Eingangsspannungsquelle.
Für Anwendungen, die negative Spannungen unter -5 V erfordern, können SEPIC-Wechselrichter (Single Ended Primary Inductance Converter) und transformatorbasierte Schaltungen eine Spannungskonvertierung von Positiv zu Negativ durchführen, jedoch nur unter Inkaufnahme hoher Komplexität und einer großen Anzahl von Komponenten.
Spulenbasierte Abwärtswandler als Wechselrichter bieten die Vorteile eines guten Wirkungsgrads bei geringer Komponentenzahl. Je nach Abwärtswandlerschaltung können sie hohe Wirkungsgrade über einen großen dynamischen Last- und Eingangsspannungsbereich erzielen - Anwendungen, in denen Ladungspumpen aufgrund ihrer sägezahnförmigen Wirkungsgradkurve tendenziell nicht zum Zuge kommen.
Der Entwickler muss die Leistungsaufnahme des Gesamtsystems beachten, wenn eine negative Spannung, z.B. -5 V, aus einer positiven Versorgungsspannung von 12 V oder 24 V generiert werden muss. Für eine Sensoranwendung mit mehreren in einem Gebäude verteilten Sensoren, die von einer 24-V-Spannung versorgt wird, kann beispielsweise eine negative Spannung von -5 V über einen Lastbereich von 1 mA bis 200 mA nötig sein.
Der Entwickler könnte hierfür eine invertierende Ladungspumpe mit dem von der 24-V-Versorgungsspannung abwärtsgewandelten 5-V-Ausgang verbinden, um die Spannung von -5 V bereitzustellen. Der Gesamtwirkungsgrad einer solchen Schaltung wäre jedoch als Produkt des Wirkungsgrades der Ladungspumpe - typischerweise 70 % - und des Wirkungsgrades des Abwärtswandlers - typischerweise 90 % - nur noch 63 %.
Einen höheren Wirkungsgrad bietet dagegen ein invertierender Abwärtswandler, bei dem ganz einfach der Ausgangs- und Masse-Anschluss getauscht werden. Es können jedoch nicht alle Abwärtswandler auf diese Weise eingesetzt werden, da der Tausch von UA und Masse zu einer Nullstelle in der rechten Halbebene der Übertragungsfunktion führen kann und der Regler somit instabil wird.
In Bild 1 ist unten eine solche -5-V-Wandlerschaltung, ein negativer, invertierender Aufwärts-/Abwärtswandler, realisiert mit dem Positiv-Abwärtswandler AS7620 von Austriamicrosystems [1].
Dieser integrierte Schaltkreis enthält einen 0,5-A-Leistungsschalttransistor, ist für einen Eingangsspannungsbereich von 3,6 V bis 32 V spezifiziert und verwendet eine Rückkoppelungsspannung von 1,2 V. Der Schaltstrom wird überwacht, damit der Wandler immer mit lückendem Spulenstrom (Discontinuous Current Mode, DCM) arbeitet.
Dadurch ist der Schaltregler intrinsisch stabil und benötigt keine externe Kompensationsschaltung. Gleichzeitig kennt der Schaltkreis keine Stabilitätsprobleme durch Nullstellen in der rechten Halbebene, da solche Nullstellen nur in Sperrwandler-, Aufwärts- und Ćuk-Schaltungen auftreten und dort auch nur im Betrieb mit nichtlückendem Spulenstrom (Continuous Current Mode, CCM).
Wie bereits erwähnt, kann durch den Tausch der Anschlüsse UA und Masse die Polarität umgekehrt und eine negative Ausgangsspannung erzeugt werden.
Da die Schaltung nun einen Aufwärts-/Abwärtswandler darstellt, könnte es attraktiv erscheinen, den Baustein sowohl im Aufwärts- als auch im Abwärts-Modus zu verwenden.
In der Praxis liegt der Wirkungsgrad dieser Schaltung im Aufwärts-Modus jedoch nur knapp über 60 %, während sie im Abwärts-Modus wesentlich höher ist (Bild 2).
Eine sorgfältige Dimensionierung des invertierenden Abwärtswandlers zahlt sich besonders in Anwendungen mit geringen Lasten aus.
Wie Bild 2 zeigt, wird der hohe Wirkungsgrad bis hinunter zu einem Laststrom von 1 mA beibehalten - dies ergibt sich als Folge des niedrigen internen Ruhestroms des AS7620 (37 µA).
- Negative Betriebsspannungen aus positiver Versorgungsspannung erzeugen
- Arbeitsweise einer invertierenden Aufwärts/Abwärts-Reglerschaltung
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