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Linearregler für Ultraschall-Anwendungen: Geschmeidige Stromversorgung

Für eine saubere Versorgungsspannung für Ultraschall-Transmitter benötigen Entwickler einen Linearregler. Diesen würden sie entweder bestellen oder in alter Manier selbst entwickeln. Gibt es keine andere Lösung? Doch! Und die bedient sich eines physikalischen Tricks – dem Floating.

„Ultrasonic“ von Raphael Gerber. Lizenz: CC BY-NC-ND 2.0 Bildquelle: © „Ultrasonic“ von Raphael Gerber. Lizenz: CC BY-NC-ND 2.0

„Ultrasonic“ von Raphael Gerber. Lizenz: CC BY-NC-ND 2.0*

Unter einem Floating-Regler versteht man einen Spannungsregler, der ohne echte Masseverbindung arbeitet. Mit diesem Kunstgriff lassen sich Spannungen regeln, die höher sind als die eigentliche Nennspannung des Reglers. Tatsächlich verlangen viele Anwendungen den Schaltungen eine Performance ab, die die Fähigkeiten konventioneller Designs übersteigt.

Floating-Regler für positive Spannungen

Der TPS7A4701 von Texas Instruments ist ein rauscharmer (4 µVRMS) 36-V-Linerregler (LDO), der eine positive Ausgangsspannung erzeugt und für Lastströme bis 1 A geeignet ist. Die Ausgangsspannung des Bausteins wird durch externe Feedback-Widerstände festgelegt. Damit er  Ausgangsspannungen bis zu 100 V unterstützt, lässt sich sein Massepotenzial wie in Bild 1 (Bildergalerie) gezeigt mit einem Gleichspannungsverstärker hochsetzen. Generell fließt bei jedem Positivregler ein gewisser Strom in den Masse-Anschluss hinein. Im Datenblatt wird dieser Strom mit I(GND) bezeichnet. Im Fall des genannten Bausteins ist I(GND) mit 6,1 mA angegeben, wenn der Laststrom 1 A beträgt.

Wie die Simulation verdeutlicht, handelt es sich bei dem Strom I(GND) des Reglers um den Strom aus dem GND-Pin. Dieser Strom wird auf zwei Wege aufgeteilt, von denen der eine über einen bipolaren Sperrschichttransistor (Bipolar Junction Transistor, BJT) und der andere über einen Widerstands-Spannungsteiler führt. Der Operationsverstärker U1 fungiert in ungeregelter Konfiguration als Integrierglied und treibt den BJT über einen Serienwiderstand von 2,2 kΩ. Eine Versorgungsspannung (VCC) von 12 V versorgt den Operationsverstärker und die Steuerspannung VCNTL legt die Höhe des virtuellen Massepotenzials fest.

In Bild 2 ist die Übertragungskennlinie der Schaltung aus Bild 1 bezogen auf die Steuerspannung dargestellt. Die virtuelle Masse wird mithilfe der externen Steuerspannung VCNTL(P) eingestellt.

 

Floating-Regler für negative Spannungen

Die Beispielschaltung für einen Negativregler mit gleitendem Massepotenzial basiert auf dem TPS7A3301, einem -36-V-LDO mit geringem Rauschen (16 µVRMS; PSRR = 72 dB), der als Senke einen Laststrom von 1 A unterstützt und eine negative Ausgangsspannung erzeugt. Bei dem Baustein ist I(GND) mit 5 mA bei einem Ausgangsstrom von 50 mA angegeben.

Die Aufteilung des Stroms erfolgt wie in Bild 3 gezeigt mit einem BJT. Zwei Operationsverstärker (U1 und U2) sind hier als Gleichspannungsverstärker konfiguriert. Die erste Stufe verwandelt die negative Ausgangsspannung in eine positive, und der zweite Operationsverstärker fungiert als Fehlerverstärker. Das System besitzt einen stabilen Punkt, an dem die negative Eingangsspannung betragsmäßig gleich der positiven Eingangsspannung dieses zweiten Operationsverstärkers ist. Schlägt der Ausgang zu sehr in die negative Richtung aus, wird der PNP-Transistor am Ausgang des zweiten Operationsverstärkers in die Sättigung getrieben, wodurch sich die virtuelle Masse in Richtung null verschiebt. Die Eingangsspannung entscheidet VCNTL über die Höhe der Ausgangsspannung.

Wie in Bild 3 zu erkennen ist, legt sich der Ausgang des ersten Operationsverstärkers auf einen VCNTL-Wert von 1 V fest, wodurch die negative Ausgangsspannung -21,32 V beträgt und ein virtuelles Massepotenzial von -18,02 V entsteht. Bild 4 zeigt die Übertragungskennlinie der Schaltung aus Bild 3 bezogen auf die Steuerspannung. Die virtuelle Masse wird mithilfe der externen Steuerspannung VCNTL(N) eingestellt.

Die zum Herstellen des gleitenden Massepotenzials verwendeten Schaltungen sind allgemeiner Natur. In ihnen kommen Operationsverstärker und externe Transistoren zum Einsatz, die die Fähigkeiten der existierenden Niederspannungs-Regler erweitern.

Die Autorin: Sanjay Pithadia ist Systems Designer Industrial Systems bei Texas Instruments

*Aufmacherbild: „Ultrasonic“ von Raphael Gerber. Lizenz: CC BY-NC-ND 2.0

Anmerkung: Dieser Artile erschien zuerst auf dem TI-Blog. Wir durfen ihn mit freundlicher Unterstützung ebenfalls veröffentlichen. Hier geht’s zum Original (Englisch).