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Negative Versorgungsspannung erzeugen

Aus Plus wird Minus

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

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Nachfilterung per Längsregler

Längsregler (LDO – Low Drop Out) können aus positiven Spannungen keine negativen erzeugen. Sie können jedoch aus einer vorhandenen negativen Spannung eine etwas kleinere negative Spannung generieren – aus -5 V werden zum Beispiel -3,3 V. Dafür können jedoch keine Längsregler verwendet werden, die für positive Spannungen erhältlich sind. Stattdessen sind spezielle Bauteile für negative Spannungen erforderlich. Sie ermöglichen eine nachgeschaltete Regelung von ungeregelten negativen Spannungen – wie im Fall eines Sperrwandlers – oder die Filterung von negativen Spannungen, um Versorgungsspannungen mit extrem niedrigem Rauschen zu erzeugen, z.B. zur Versorgung von empfindlichen Schaltungsteilen.

Um negative Spannung zu regeln, kann mit einem Transistor, einer Z-Diode und einigen Widerständen ein negativer Längsregler aufgebaut werden. Wenn jedoch eine geringe Spannungsdifferenz, niedriges Rauschen und eine hohe Dämpfung von Versorgungsspannungsschwankungen (PSRR – Power Supply Rejection Ratio) erforderlich ist, muss ein integrierter negativer Linearregler ausgewählt werden. Die Auswahl ist aber leider sehr begrenzt. Einige der verfügbaren ICs wurden bereits vor vielen Jahren – teilweise Jahrzehnten – mit älteren Halbleiterprozessen entwickelt, die den heutigen Standards bezüglich der elektrischen Charakteristika nicht mehr entsprechen.

Bild 6 zeigt den ADP2442-Schaltregler in einer Schaltung eines Auf-Abwärtsreglers. Der Ausgang wird mit einem modernen negativen Längsregler von Analog Devices gefiltert. Der ADP7182 hat einen zulässigen Eingangsspannungsbereich bis -28 V und kann bis zu 200 mA Strom führen. Die PSRR liegt bei -66 dB bei 10 kHz. Das bedeutet eine hohe Dämpfung für störempfindliche Anwendungen.

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Bild 7 zeigt einen Vergleich der Eingangs- sowie Ausgangsströme der unterschiedlichen vorgestellten Schaltungen. Eingangs- und Ausgangskondensatoren mitteln die Ströme je nach Kapazitätsgröße und ihrem äquivalenten Serienwiderstand (ESR) unterschiedlich gut. Generell sind die angegebenen Ströme bereits ein Hinweis für verursachte Störungen – eingangs- sowie ausgangsseitig. Die Ladungspumpe zeigt die hohen Spitzenströme, sobald die Kondensatoren geladen werden. Dagegen ist bei der Ćuk-Schaltung das ruhige Verhalten erkennbar.