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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Positiver vs. Negativer Spannungsregler


Autor: Boris F. (skyperhh)
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Hallo,

auf der Suche nach Spannungsreglern ist mir aufgefallen, das es sehr 
viele für postive Spannungen gibt, aber kaum welche für negative. Ich 
weis das es die 79xx gibt, suche aber nach was besseren. Die Spannung 
soll sehr rauscharm sein. Ausgangsspannung 15V, 2 - 2,5 A.

Meine Überlegung deshalb, statt eines Tranformators mit zwei sek. 
Wicklungen und einem positiven und einem negativen Spannungsreglers, 
zwei Transformatoren zu verwenden. Diese beiden mit jeweils positiven 
Spannungsreglern auszustatten und aus den beiden geregelten Spannungen 
dann +15, 0V, -15V machen, Masse Ausgang Regler 1 mit + Ausgang Regler 2 
Verbinden. Weiteren Vorteil, eine ungleichmäßig Belastung der Spannungen 
wäre auf den Trafo bezogen nicht so kritisch und dazu wird zweimal die 
selbe Schaltung verwendet.

Ich wäre gerne an Eurer Meinung dazu interessiert.

Gruß

Boris

: Verschoben durch Admin
Autor: Michael U. (amiga)
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Hallo,

1 Transformator mit 2 getrennten Wicklungen würde es auch tun.

Ansonsten vermute ich mal, die 79xx Regler sind zu Zeiten entwickelt, 
als man noch öfter negative Spannungen für Logik-ICs oder OPV brauchte 
und da reichte das eine Ampere.

Da sie nunmal da waren, werden sie auch weiter gebaut. ;-)

Jetzt erledigen das ja meist Schaltwandler als Netzteil oder 
DC/DC-Wandler oder 7660 u.ä. als Spannungsinverter.
Mir selbst würde im Moment keine (private) Anwendung einfallen, wo ich 
+/- Spannungen mit mehr als wenigen mA brauche.

Gruß aus Berlin
Michael

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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Kann man doch mit einem Spannungsinverter wunderbar erledigen. Als 
Schaltwandler liefern die auch die nötige Stromstärke. Ein oder mehrere 
nachgeschaltete L/C-Filter bereinigen die Spannung von Ripple und 
Rauschen. Linearregler sollte man bei höhren Strömen ohnehin aus 
energiepolitischen Gründen nicht mehr einsetzen.

Autor: Jens G. (jensig)
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Eigentlich wollte er doch einen rauscharmen Regler haben. Da verbieten 
sich eher die Schaltregler weitgehend.

Autor: MaWin (Gast)
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Eben, im Prinzip braucht man keine negativen Regler, man nimmt einfach 2 
Trafowicklungen.

Zumal 79xx dasselbe Stabilitäts-Problem wie low drop Regler haben.

Rauscharm ist aber gar nicht so einfach: Schon normale 78xx sind so 
rauscharm, daß nicht mehr viel zu holen ist. Ein LM317 mit Elkos ist 
noch mal einen tick besser, aber man kann auch hinter jeden normalen 
Regler ein RC-Netzwerk dahinterschalten und verbessert damit jeden 
Regler.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>Ich weis das es die 79xx gibt, suche aber nach was besseren. Die Spannung
>soll sehr rauscharm sein. Ausgangsspannung 15V, 2 - 2,5 A.

Und was soll das genau heißen??? Wie sieht deine Error-Budget-Analyse 
des Spannungsreglers denn konkret aus?

Die Forderungen nach extremer Rauscharmut von Spannungsreglern sind oft 
völlig überzogen. Es gibt unzählige elegantere Möglichkeiten das 
Rauschen auf andere Weise zu reduzieren, als das vom Spannungsregler zu 
fordern.

Du vergißt außerdem, daß der endliche Ausgangswiderstand in Verbindung 
mit deinen 2...2,5A Laststrom Spannungsschwankungen verursachen kann, 
die Trillionen mal größer als das Rauschen sind. Und den 
Gleichrichter-Ripple, der gerne mit etlichen mV auf den Ausgang 
durchschlägt, haben wir noch gar nicht angesprochen...

Kai Klaas

Autor: Marko B. (Gast)
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Nimm einen LM723, der hat eine extrem rauscharme Buried-Zener-Referenz.

Autor: Boris F. (skyperhh)
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Danke für die vielen Rückmeldungen und Ratschläge.

Gegen Schaltreglern spricht, das ich mit den +/- 15V analoge Technik 
versorgen will. Da kann ich keinen "Schmutz" auf der Versorgungsspannung 
brauchen.
Ich habe hier einen Schaltplan von einem Gerät stehen, was schon einige 
Tage älter ist, sich aber von der Qualität her nicht zu verstecken 
braucht.

Das Gerät besitzt eine Eingangsstufe und dahinter verschiedene Filter 
und Verstärker. Die Spannung aus dem Trafo ist nach Gleichrichtung und 
einen großen Elko und einigen kleinen mit einen LM317 und LM337 auf ca. 
18 - 19V reduziert worden und zu den zu den einzelnen Baugruppen 
geführt.
Die Eingangsstufe besitzt ein RC-Glied und dahinter einen 78L15 / 79L15. 
Die Stufe besteht nur aus zwei OpAmps.
Die Spannung für die Filter/Verstärker wird mit einem 7815 / 7915 
erzeugt, ohne RC-Glied.

Von prinzip her will ich diese Art der Spannungsversorgung / Verteilung 
übernehmen, habe aber mehrer Baugruppen zu Versorgen. Deshalb der "hohe" 
Bedarf. Hierbei war halt die Überlegung, moderne Spannungsregler zu 
verwenden, evtl. auch LowDrop. Aber es scheint, als gibt es kaum 
brauchbare Festspannungsregler mit 15V, geschweige denn mit -15V, außer 
die gute alter 78xx/79xx Serie...

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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Boris Fiedler schrieb:
> Gegen Schaltreglern spricht, das ich mit den +/- 15V analoge Technik
> versorgen will. Da kann ich keinen "Schmutz" auf der Versorgungsspannung
> brauchen.

Gute analoge OPs haben eine Betriebsspannungsunterdrückung von über 
80db. Wenn nach den Reglern eine anständige Filterung stattfindet und 
die OVs gut abgeblockt werden, merken di davon gar nichts. Gerade dann 
nicht, wenn die Schaltfrequenz des Reglers hoch ist, sagen wir mal 
500kHz.

Autor: Wilhelm F. (ferkes-willem)
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Boris Fiedler schrieb:

>Die Spannung soll sehr rauscharm sein.

Wenn eine Spannung ausgezeichnet rauscharm sein soll, da bietet sich 
gerne auch schon mal Uralt-Technik an: Pi-Filter (C-L-C) oder T-Filter 
(L-C-L) hinter dem Netzteil. So immer gesehen in Postnetzteilen für 
Telefonanlagen, lange vor der Halbleitertechnik, wobei man im 
Sprechkreis keinen Netzbrumm mehr hören darf. In der Regel waren es 
Pi-Filter, schon wegen der Bauteilauswahl. Und das Gehör ist da sehr 
empfindlich. Man legt da bei diesen Filtern die Resonanzfrequenz weit 
weg (unterhalb) von den Netzstörungen, denn eine Resonanztransformation 
wäre ja fatal. Besonders bei Schaltreglern mit höheren Frequenzen wird 
diese Technik lukrativ, da die Bauteile klein ausfallen können.

Man kann das Verhalten z.B. gut auch in PSPICE oder LTSpice simulieren.

Der Siebfaktor S berechnet sich beim Pi-Filter so:

S = Omega^2 mal L mal C

Wobei S = Nennspannung / Ripple

Für die Spannungsregler: Trafos mit 2 Wicklungen sind nicht teurer als 
solche mit 1 Wicklung. Daher bietet sich bei einer symmetrischen 
Spannungsversorgung auch immer die Verwendung von 2 Positivreglern an.

Autor: MaWin (Gast)
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> Gute analoge OPs haben eine Betriebsspannungsunterdrückung
> von über 80db.

Leider nicht mehr bei 1kHz doer 10kHz.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Boris Fiedler schrieb:
> Diese beiden mit jeweils positiven
> Spannungsreglern auszustatten und aus den beiden geregelten Spannungen
> dann +15, 0V, -15V machen, Masse Ausgang Regler 1 mit + Ausgang Regler 2
> Verbinden.
>
> Ich wäre gerne an Eurer Meinung dazu interessiert.
Mich würde interessieren, wie die Störungskopplung (von Primär nach 
Seknundär) bei diesem asymmetrischen Aufbau aussieht...  :-/

Autor: Boris F. (skyperhh)
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@Wilhelm

Danke für die Ideen mit den Filtern und der alten Fernmelde-Technik ... 
Frequenzmäßig bewege ich mich genau in dem Rahmen, 0 - 10 kHz.

Das ist auch der Bereich, wo die OpAmps sehr empfindlich sind, was auf 
der Betriebsspannung passiert.


@Lothar
Gute Frage... meine Überlegung, Labornetzteile mit 2x 15V Ausgängen 
haben in der Regel auch zwei "positive" Ausgänge, die dann zu +15V / 
Masse / - 15V gekoppelt werden. Was eigentlich doch eine gängige Praxis 
darstellt und "saubere" Spannungen produziert...

Autor: Peter Dannegger (peda)
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Boris Fiedler schrieb:
> Diese beiden mit jeweils positiven
> Spannungsreglern auszustatten und aus den beiden geregelten Spannungen
> dann +15, 0V, -15V machen, Masse Ausgang Regler 1 mit + Ausgang Regler 2
> Verbinden.

Du wirst lachen, das wird in der Praxis häufig so gemacht und es ist 
auch deutlich besser. Auch soll der LM317 besser sein als ein 78xx 
Festspannungsregler.

Positivregler sind deutlich stabiler und rauschärmer. Das liegt am 
Schaltungsprinzip.
Positivregler haben einen npn in Kollektorschaltung als 
Ausgangstransistor und damit eine niedrige Ausgangsimpedanz und hohe 
Betriebsspannungsunterdrückung.

Negativregler haben einen npn in Emitterschaltung (hohe 
Ausgangsimpedanz, schlechtere Frequenzstabilität durch die 
Phasendrehung, hoher Durchgriff der negativen Betriebsspannung).

Positiv-LDOs haben einen pnp und sind daher genauso schlecht, wie 
Negativregler.

Prinzipiell wäre das Optimum ein Negativregler mit pnp-Transistoren 
aufgebaut, aber das ist in der Fertigung zu aufwendig.


Da Verstärker häufig auch mit npn aufgebaut sind, ist die Unterdrückung 
der -VCC auch nicht so gut, wie die der +VCC. D.h. das Rauschen auf der 
-VCC stört auch mehr.


Peter

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>Gegen Schaltreglern spricht, das ich mit den +/- 15V analoge Technik
>versorgen will. Da kann ich keinen "Schmutz" auf der Versorgungsspannung
>brauchen.

Du verwendest die Switcher eben als Vorregler und kannst damit äußerst 
effizient vorregeln. Außerdem kannst du mit Switchern erheblich größere 
Netzspannungsschwankungen ausregeln.

Legst du die Vorspannung genügend hoch, kannst du am Ausgang des 
Switchers LRC-Filter mit ausreichend kräftigem R verwenden und den 
Switcher-Ripple auf fast beliebige Werte unterdrücken.

Die Feinregelung kannst du dann mit LM7815/7915 oder LM317/337 Reglern 
durchführen, wobei die LM317/337 deutlich bessere Eigenschaften 
aufweisen. Allerdings nur, wenn du die LM317/337 auch vollständig 
beschaltest. Achtung, die LM317/337 haben eine deutlich größere Drop-Out 
Spannung als die LM7815/7915!

Dann kannst du mit RC- oder LRC-Filtern das Rauschen weiter begrenzen. 
Alternativ oder zusätzlich lassen sich auch Gyratoren einsetzen. Die 
haben aber ihre Tücken und müssen mit Bedacht dimensioniert werden.

Jetzt noch ein paar Zahlen:
Ein LM7915 zeigt rund 250µV Rauschen in einer Bandbreite von 100kHz. 
Macht rund 800nV/SQRT(Hz). Ein FET-OPamp der TL071-Klasse hat eine PSRR 
von rund 46dB bei 10kHz. Also findet sich das Rauschen mit 
800nV/SQRT(Hz)/200 = 4nV/SQRT(Hz) im Signalweg wieder. Das Eigenrauschen 
des TL071 von 18nV/SQRT(Hz) wird also nur auf 18,4nV/SQRT(Hz) erhöht.

Ein RC-Glied in der Versorgungsspannung ist also schon fast Overkill. 
Machen wir eines rein, mit 100R und 100µF, zeigt der Elko bei 10kHz rund 
0,5R und wir erhalten zusätzliche 46dB Dämpfung. Im Signalweg erscheint 
das Rauschen also nur noch mit 20pV/SQRT(Hz). Macht insgesamt 
18,00001nV/SQRT(Hz).

Rauschärmere OPamps, die von einem RC-Glied profitieren könnten, haben 
in der Regel auch eine größere PSRR, schützen sich also schon 
automatisch. Betrachten wir dazu den OPA627. Der rauscht mit 
5nV/SQRT(Hz) bei 10kHz. Seine PSRR bei 10kHz liegt aber bei über 80dB. 
Also findet sich das Reglerrauschen nur mit 80pV/SQRT(Hz) im Signalweg 
wieder, und das ohne RC-Glied! Macht zusammen 5,0006nV/SQRT(Hz). Hier 
wäre ein RC-Glied wirklich Overkill, zumindest was das Regelerrauschen 
angeht.

Du siehst also, daß das Reglerrauschen nur in den seltensten Fällen 
wirklich ein ernstes Problem darstellt.

Kai Klaas

Autor: Boris F. (skyperhh)
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Wie es scheint, sind die Spannungsregler doch das kleinere Übel ... und 
nach einigen Suchen bin ich bei National mit dem LM2940 und LM2990 
fündig geworden. Werde diese als "zweit"-Regler einsetzen, für den 
"erst"-Regler werde ich mir dann mal Schaltregler anschauen. Danke Kai 
für die Informationen zu dem Thema.

Danke für die ganzen Tipps.

Gruß

Boris

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