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Negative Versorgungsspannung erzeugen

Aus Plus wird Minus

26. Oktober 2016, 15:00 Uhr | Frederik Dostal

In vielen verschiedenen Schaltungen wird neben der positiven auch eine negative Versorgungsspannung benötigt, die noch dazu unterschiedliche Anforderungen erfüllen muss. Negative Spannung kann auf unterschiedliche Weise erzeugt werden, doch jede Methode hat ihre Vor- und Nachteile.

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Um zuverlässig abgeschaltet zu werden, reicht die Massespannung für einige Schalttransistortypen in der Stromversorgung nicht aus. Stattdessen wird negative Spannung benötigt. Spannungen unterhalb der des Massepotenzials – oder auch 0 V – werden als negative Spannungen bezeichnet. Sie werden in vielen verschiedenen Schaltungen verwendet. Signale können nicht so einfach bis zum Erreichen der Null-Linie verstärkt werden, wenn der entsprechende Operationsverstärker in einer Messtechnikanwendung nur mit einer positiven Spannung betrieben wird. Ist der Operationsverstärker jedoch zwischen einer positiven und einer negativen Spannung geschaltet, können Signale bis 0 V ohne Probleme gemessen und verarbeitet werden. Bild 1 zeigt einen Digital-Analog-Umsetzer (DAU) mit 16 bit, der ein bipolares Ausgangssignal mit Hilfe eines Operationsverstärkers (AD8639) erzeugt. Um die Schaltung mit Strom zu versorgen, wird eine besonders rausch- und störungsarme negative Versorgungsspannung benötigt. Sie kann auf unterschiedliche Weise erzeugt werden.

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Erzeugung per Transformator

Wird bei einer transformatorbasierten Stromversorgung dem Transformator eine zusätzliche Wicklung hinzugefügt, kann negative Spannung erzeugt werden. Das ist eine der einfachsten Möglichkeiten. Durch die Transformatorkopplung wird Energie, die im Transformatorkern gespeichert ist (Sperrwandler), oder Strom, der in der primärseitigen Wicklung fließt (Flusswandler), als Stromfluss in die sekundärseitige Wicklung eingespeist. Der Stromfluss kann vom Spannungsniveau durch die Unabhängigkeit der galvanischen Trennung eines Transformators auf unterschiedliche Potenziale bezogen werden. Durch den Anschluss der sekundärseitigen Masse und durch die Flussrichtung der Freilaufdiode kann negative Spannung erzeugt werden. Bild 2 zeigt eine Sperrwandler-Schaltung mit drei Sekundärwicklungen. Wicklung 3 generiert eine negative Spannung. Das Konzept ist sinnvoll, wenn aus anderen Gründen bereits eine transformatorbasierte Schaltung eingesetzt wird. Einen Transformator nur zur Generierung von negativer Spannung zu verwenden, ist aus wirtschaftlichen Gründen jedoch nicht sinnvoll. Wird eine zusätzliche Windung an einem existierenden Transformator verwendet, ist die erzeugte zusätzliche Spannung nicht präzise durch die Regelschleife des Sperrwandlers gesteuert. Die zusätzliche Spannung verändert sich, wenn im geregelten Ausgang – wie bei Spannung 1 – Lasttransienten auftreten. Aus diesem Grund ist es für die meisten Lasten nötig, die erzeugten Spannungen, die nicht durch die Regelschleife des Sperrwandlers gesteuert werden, mit einem Längsregler (LDO) nachzuregeln.

Erzeugung per Ladungspumpe

Ladungspumpen bestehen aus Kondensatoren und Schaltern. Die Ladung wird in einem Kondensator gespeichert und anschließend durch Umschaltvorgänge zu einer existierenden Spannung hinzugefügt. Dadurch kann z.B. eine Spannung verdoppelt werden. Mit der Technik kann zudem positive in negative Spannungen umgewandelt werden (Bild 3). Derartige Spannungswandler sind platzsparend und kostengünstig in der Herstellung, da keine Spulen benötigt werden. Der Ausgangsstrom liegt üblicherweise bei maximal 100 mA. Bei höheren Strömen verursachen Ladungspumpen erhöhte Störungen und Rauschen.