Power-Tipp

Der richtige Linearregler bei negativen Spannungen

04.05.17 | Autor / Redakteur: Frederik Dostal * / Kristin Rinortner

Bild 1: Ein positiver Linearregler zum Regeln einer negativen Spannung
Bild 1: Ein positiver Linearregler zum Regeln einer negativen Spannung (Bild: Analog Devices)

Um negative Spannungen zu erzeugen benötigt man einen Linearregler. Kann ein Linearregler, der für positive Spannungen gedacht ist, auch in Anwendungen mit negativen Spannungen verwendet werden?

Was sind eigentlich negative Spannungen? Bei Spannungen ist alles relativ. Es kann zwischen unterschiedlichen elektrischen Leitern unterschiedliche Spannungspotenziale geben. Dabei ist eine Spannung höher als eine andere Spannung.

Hierbei würde man jedoch nicht den Begriff einer ‚negativen Spannung‘ verwenden. Mit ‚negativer Spannung‘ ist gemeint, dass eine Spannung niedriger als das Systemmassepotential ist.

Bild 1 zeigt ein Beispiel mit einer Versorgungsspannung von 3,3 V und einer Systemmasse von 0 V. In diesem System sollen beispielsweise Signale eines Sensors gemessen und aufgezeichnet werden, welche zwischen 2,5 und –2,5 V liegen. Für die Aufnahme der Signale wird ein Operationsverstärker verwendet, welcher mit einer positiven sowie negativen Spannung von 3,3 V versorgt werden muss.

Für die positive Spannung stehen 3,3 V bereits zur Verfügung. Für die notwendige negative Spannung von –3,3 V kann eine vorhandene Hilfsspannung von –5 V verwendet werden. Diese kommt beispielsweise von einem Transformator und ist nicht besonders genau geregelt. Um aus den –5 V sauber und genau geregelte –3,3 V zu erzeugen, verwendet man einen Linearregler.

Es gibt eine sehr große Auswahl an positiven Linearreglern. Kann ein Linearregler, welcher für positive Spannungen gedacht ist, auch in Anwendungen mit negativen Spannungen verwendet werden?

Positiver Linearregler für negative Spannungen

In Bild 1 wird ein positiver Linearregler eingesetzt. Der einstellbare Widerstand soll das Flusselement in einem Linearregler beschreiben. Das Spannungsverhältnis zwischen den Anschlüssen Uin, Uout und GND ist für den Linearregler genauso wie in einer positiven Anwendung.

Es gibt jedoch einige Nachteile für einen solchen Betrieb. Die Schaltung regelt mit dem Widerstandsteiler eine Spannung basierend auf der Versorgungsspannung von –5 V und nicht basierend auf der Systemmasse 0 V. Somit koppeln sich Störungen, welche auf den verfügbaren –5 V auftreten, direkt auf die erzeugten –3,3 V.

Auch die Regelgenauigkeit ist eher schlecht. Wenn die Versorgungsspannung von –5 V nur eine Genauigkeit von +-10% aufweist, koppelt sich diese ‚Ungenauigkeit‘ auch auf die erzeugten –3,3 V.

Ein zweiter großer Nachteil besteht darin, dass I/O-Pins des Linearreglers, wie beispielsweise ein ‚enable‘-Pin, in einem solchen Einsatz auf die –5 V bezogen werden. Bei einem Sequenzing von verschiedenen Spannungen ist hier häufig ein Levelshifting notwendig.

Negativer Linearregler für negative Spannungen

Bild 2: Ein negativer Linearregler zum Regeln einer negativen Spannung
Bild 2: Ein negativer Linearregler zum Regeln einer negativen Spannung (Bild: Analog Devices)

In Bild 2 ist das gleiche System gezeigt, diesmal jedoch mit einem Linearregler, welcher spezifisch für negative Spannungen entwickelt wurde. Man nennt diese Bausteine auch ‚negative Linearregler‘.

Der ADP7183 von Analog Devices zeichnet sich als negativer Linearregler durch sehr niedrige Störungen aus und bietet einen sehr hohen Versorgungsspannungsdurchgriff (Power Supply Rejection Ratio – PSRR) und eignet sich dadurch besonders gut zum Filtern von Versorgungsspannungen.

Wenn also ein negativer Linearregler, wie in Bild 2 dargestellt, verwendet wird, wird die gebildete Spannung, im Beispielfall die –3,3 V, in Bezug zur Systemmasse von 0 V erzeugt. Dies schafft eine sehr genau geregelte und sehr störungsarme Spannung. Ebenfalls haben I/O-Pins Massebezug und es kann häufig ohne aufwändiges Levelshifting gearbeitet werden.

Somit führt kein Weg an negativen Linearreglern bei der Erzeugung von negativen Spannungen vorbei. Die im Allgemeinen nur geringe Auswahl an negativen Linearreglern im Markt wird durch Produkte wie beispielsweise den ADP7183 (300 mA) und ADP7185 (500 mA) erweitert.

* Frederik Dostal arbeitet im Technischen Management für Power Management in Industrieanwendungen bei Analog Devices in München.

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