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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Negative Spannung erzeugen


Autor: Eike (Gast)
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Moin!
Ich habe einen bipolaren AD-Wandler und möchte gerne als
Referenzspannung +-5V anlegen. Dafür wollte ich zwei
Festspannungsregler mit jeweils + oder - 5V Spannung verwenden. Um die
erzeugten Spannungen als Referenz zu verwenden müssen sie sich aber auf
die gleiche Masse beziehen. Daher kann man die Versorgungsspannung nicht
einfach umpolen. Ich habe deshalb eine Versorgungsspannung von 12V bzw.
14V mit zwei gleich großen Widerständen geteilt und das Mittel als
Grund verwendet. Das funktioniert für die positive Spannung soweit
wunderbar, erreiche 5V. Allerdings im negativen Bereich nur 2,7V. Weiss
jemand, woran das liegen mag? Oder eine alternative Lösung für dieses
Problem?
Danke
Eike

Autor: dkm (Gast)
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vielleicht hilft das Weiter:
http://www.loetstelle.net/praxis/negativevoltage/n...

mfg
DKM

Autor: Unbekannter (Gast)
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Kann sein dass der Negativ-Regler nur richtig arbeitet, wenn eine Last
dranhängt. Häng z.B. mal eine LED mit Vorwiderstand hin, und schau
ob's dann geht...

Autor: Unbekannter (Gast)
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Das funktioniert natürlich so nicht, es sei denn, Du brauchst nur sehr
geringe Ströme.

Denn Deine neue Masse ist nicht "GND", sondern der Mittelpunkt von
Deinem Spannungsteiler. Zu diesem Mittelpunkt müssen natürlich die
Ströme aus den beiden Verbrauchszweigen zurück fließen, also muss der
Querstrom im Spannungsteiler entsprechend groß sein.

Das andere Problem: Du hast bei 12 Volt Eingangsspannung und 2 mal 5
Volt Ausgangspannung pro Regler nur 1 Volt Drop-Out-Spannung zur
Verfügung. Du brauchst also Low-Drop-Regler.

Das Prinzip funktioniert prinzipiell schon, dazu musst Du die virtuelle
Masse nur entsprechend niederohmig machen, z.B. mit einer
Gegentaktendstufe mit ausreichendem Querstrom und Low-Drop-Regler
verwenden.

Ausserdem Kondensatoren zur Entkopplung nicht vergessen!

Wie groß sind eigentlich die Widerstände in Deiner Versuchsschaltung?

Autor: Eike (Gast)
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Zurzeit verwende ich zwei 820 Ohm-Widerstände. Mitlerweile ist es mir
auch gelungen, jeweils 5V zu erzeugen. Auch solange nur Leuchtdioden
zugeschaltet sind, läuft das ganze noch gut.
Wie genau erreiche ich nun, dies auch für höhere Ströme zu ermöglichen?
Dem Problem der Drop-Out-Spannung ist ja mit einer höheren
Eingangsspannung beizukommen. Was für weitere Probleme ergeben sich?

Autor: Harald Kuske (Gast)
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Der Vorschlag von DKM scheint mir der einzig sinnvolle, allerdings nur
der Teil in dem er den ICL 7660 vorschlägt. Das Teil ist einfach ideal,
ein IC und 2 C und schon hat man was man braucht...

Autor: Schoaschi (Gast)
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Wieviel Strom benötigst du bei der Negativen Spannungsversorgung?

Autor: Thomas Pototschnig (pototschnig)
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Um eine stabile virtuelle Masse zu erzeugen verwendet man statt 2
Spannungsregler normalerweise einen Operationsverstärker (mit genügend
Leistung). Der OP wird als Spannungsfolger geschaltet (Ausgang direkt
auf den invertierenden Eingang zurück) und der nicht-invertierende
Eingang wird auf die halbe Betriebsspannung gebracht (über einen
Spannungsteiler). Am Ausgang des OPs kriegt man dann - je nach OP -
eine virtuelle Masse, die man gut belasten kann.

Autor: Eike (Gast)
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Ich habe nun einiges ausprobiert und letzterer Tipp war tatsächlich der
effektivste und einfachste.
Danke
MfG
Eike

Autor: Detlef A (Gast)
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Hi,

virtuelle Masse ist ne Möglichkeit, geht aber auch einfacher (zumal Du
bei 14V Betriebsspannung nur 7V an Deinen Reglern hast, da brauchse
schon low-drop): die gute, alte Ladungspumpe, flying capacitor. Du
brauchst nur nen schaltenden square-wave Ausgang (Multivibrator, NE
555, Schmitt-trigger, was auch immer), 2Dioden und zwei C's. Mit den
Dingern macht Maxim bei Ihren RS232 Ic's die negative (und die höhere
positive) Spannung.

Cheers
Detlef

Autor: mario (Gast)
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Hallo,

ich muss mal diesen alten Thread ausgraben. Habe ich (sh. Bild) den 
Beitrag von Thomas Pototschnig richtig verstanden? Also dass man dann 
Ub/2 als GND einer symmetischen Spannung verwenden kann?

VG mario

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Nur, wenn dein GND (und damit auch +Ub) potentialfrei ist, also aus 
einer eigenen Versorgung stammt.

Und natürlich kann diese künstliche "Masse" (Ub/2) nur soviel Strom 
verarbeiten, wie der verwendete OP-Amp am Ausgang treiben kann. Denn der 
muß sie ja erzeugen.

Autor: Hewlett (Gast)
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Eine bewährte Schaltung

Autor: Joul (Gast)
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Hallo,
ich möchte das Prinzip mit dem "fliegenden Kondensator" gerne in meiner 
Schaltung verwenden. Ich habs mit 5V auch schon ausprobiert und es 
funktioniert gut. NUR: Ich hab +12V zur Verfügung und möchte daraus ca. 
-12V machen und dazu den Mikrocontroller als Taktquelle nutzen. Was kann 
ich da für eine Schaltung als "Schalter" für die 12V verwenden, der vom 
Controller gesteuert wird. Ich dachte an so was ähnliches wie im Anhang. 
Leider funktioniert das aber so nicht laut pspice...
Hat da jemand eine Idee?

Autor: Michael M. (Gast)
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lad mal deinen schaltplan aus spice hier rauf.
meine vermutung: du willst mit dem 5V pegel ausm atmel den p-kanal, 
dessen source an +12V liegt.
überleg dir mal, was für spannungen du damit über die GS-strecke 
hinbekommst.

Autor: Joul (Gast)
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Ja, Du liegst richtig mit Deiner Vermutung. Schaltungstechnik ist nicht 
meine Stärke, aber nachdem ich mal den Tietze Schenk befragt hab krieg 
ich genau U_DS < U_GS - U_th  in meinem Fall <= 4,2V über die 
Drain-Source Strecke. Ich kann also keine Spannungen schalten, die höher 
als die Gate-Source Spannung sind..?
Die Schaltung im Anhang funktioniert laut Simulator. Aber macht man das 
auch so in der Praxis oder eher doch anders?

Autor: Michael M. (Gast)
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Joul schrieb:
> Ja, Du liegst richtig mit Deiner Vermutung.
wenn das nur beim lotto klappen würde =)

> Ich kann also keine Spannungen schalten, die höher
> als die Gate-Source Spannung sind..?
rein rechnerisch noch spannungen, die um die threshold-spannung höher 
sind.
die threshold spannung ist aber bei weitem keine konstante, von daher 
sind von solchen spielereien abzuraten, wenn man wirklich nur schalten 
will.

> Die Schaltung im Anhang funktioniert laut Simulator. Aber macht man das
> auch so in der Praxis oder eher doch anders?
genau so macht man das.

Autor: Joul (Gast)
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Hallo nochmal,
nachdem ich die Schaltung aufgebaut hab und der MOSFET zu rauchen 
angefangen hat (war das Flußmittel) habe ich die Schaltung doch noch mal 
simuliert und festgestellt, dass das gar nicht funktionieren kann.
Dort wo ich in der Zeichnung die Spannung messe, hab ich nur 1,5V 
anliegen. Je kleiner die Last an dieser Stelle wird, desto höher wird 
die Spannung...
Was ich aber nicht versteh, warum in meiner realen Schaltung so viel 
Strom über die MOSFET's fließt. Ich benutzte die FDC6333C (zwei 
komplenetäre in einem Gehäuse).
Vielleicht weis doch noch jemand Rat..?

Autor: Michael M. (Gast)
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dein R3 ist zu groß. der transistor sättigt nicht, die gatespannung ist 
irgendwo in der mitte und schon schalten beide transitoren "halb" durch.

Autor: BMK (Gast)
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mit MOSFETs geht das nicht so ohne weiteres, weil kurzzeitig
beide leitend sind und dann einen Kurzschluss-Strom fließt.

Es gibt hierfür dann entsprechende Treiber, die eine Totzeit haben
und erst einen abschalten und nach einer Pause den anderen einschalten.

Oder man macht's mit bipolaren Transis, da geht's direkt, da gibts
'von Natur aus' eine Pause; weil in der Spannungsmitte sind beide aus.

Siehe 'komplementärer Emitterfolger':
http://www.lautsprecher-shop.de/theorie/transistor3.htm

Autor: Michael M. (Gast)
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bei 1k und einem richtig dicken fet mit 1nF C_GS sind das n paar µs.
klar, mit treiber ist die 100%ige lösung, aber als problem würd ich eher 
die 47k in der basis ansehen.

Autor: MaWin (Gast)
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> dein R3 ist zu groß. der transistor sättigt nicht,

Wäre zwar theoretisch denkbar, doch selbst wenn er passen sollte,
geht es aus anderem Grund nicht.

Der NMOSFET leitet ab 3V am Gate locker 4A, der PMOSFET ab 12V-3V=9V 
auch.
Beide Transistoren sind also im ersten Umschaltversuch gleichzeitig an 
und schliessen die Batterie kurz.

Entweder die Batteriespannung bricht zusammen, oder die MOSFETs rauchen.

Das geht so nicht, du brauchst eine Totzeit, darfst beide Transistoren 
nicht aus derselben Leitung schalten. Echte MOSFET-Treiber können das 
einhalten, wie HIP4080.

Autor: Michael (Gast)
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>Was ich aber nicht versteh, warum in meiner realen Schaltung so viel
>Strom über die MOSFET's fließt. Ich benutzte die FDC6333C (zwei
>komplenetäre in einem Gehäuse).
>Vielleicht weis doch noch jemand Rat..?

Das ist ganz einfach zu beantworten: Du hast die Gate-Source-Kapazitäten 
nicht berücksichtigt. In der Theorie kann man einen Mosfet von jetzt auf 
gleich umschalten, in der Praxis macht einem die parasitäre 
Gate-Source-Kapazität da einen Strich durch die Rechnung und hustet 
einem was. Das Umladen dieser Kapazität benötigt Zeit. Hast du dich noch 
nie gefragt warum Bipolartransistoren heute immer noch gerne eingesetzt 
werden? Mosfets sind ja eigentlich viel toller, man kann sie "quasi" 
leistungsfrei ansteuern. "Quasi" deshalb, weil nur der Schaltvorgang 
Leistung benötigt zum Umladen der Kapazität. Beim Bipolartransistor muss 
man ja "nur" die Raumladungszone mit Elektronen fluten bzw. frei machen 
um ihn zu schalten. Das geht um Welten schneller als eine Kapazität 
umzuladen. Deshalb sind grade für hochfrequente Anwendungen 
Bipolartransistoren i.d.R. interessanter als Mosfets.
In solchen Komplementärstufen, wie du sie da haben möchtest, musst du 
deshalb die Transistoren nach und nach schalten. Bipolare Transistoren 
kann man hier eventuell gleichzeitig schalten weil sie viel schneller 
umgeschaltet werden können.
Um dir den Effekt mal anzuschauen krall die mal eine Umschaltung und 
schau da genau hin. Das Bild speicherst du und dann änder mal  R2 von 10 
kOhm auf 1 kOhm. Schau dir auch hier wieder die Umschaltung an und 
vergleich sie mit 10 kOhm. Am Signalverlauf selbst wirst du keinen 
Unterschied feststellen aber die Zeit ist erheblich geschrumpft, die 
Umschaltung geht mit 1 kOhm wesentlich schneller, d.h. da wird dann auch 
nicht so lange viel Leistung verbraten und die Mosfets werden auch nicht 
so heiß werden. Vielleicht genügt dir das ja schon ansonsten halt einen 
Transistor nach dem anderen schalten.

Autor: Michael (Gast)
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>bei 1k und einem richtig dicken fet mit 1nF C_GS sind das n paar µs.
>klar, mit treiber ist die 100%ige lösung, aber als problem würd ich eher
>die 47k in der basis ansehen.

Nunja, die 10k in 1k ändern bringt mehr denn was nützt es, wenn der 
Bipolartransistor mehr Strom leiten kann, also schneller die Masse 
zuschalten kann, wenn man mit dem 10k den zufließenden Strom begrenzt? 
Man muss erstmal schaun, welchen Strom man für das Umladen benötigt und 
darauf kann man ja dann den Bipolartransistor anpassen. Natürlich kann 
man dann auch prima den 10k Widerstand neu auslegen. Das Hauptproblem 
wird schätungsweise das Laden der GS-Cs sein, nicht das Entladen.

Autor: Joul (Gast)
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Hallo,
danke für die ausführlichen Antworten!
Der Basiswiderstand ist in der Tat zu groß gewählt. Aber ein kleinerer 
Wert (3k) änderte auch nichts daran, dass der FET zu heiß wird.
Den Vorschlag von Michael werd ich nochmal ausprobieren. Ich hab im 
Moment nur wenig Zeit für das Projekt...

Autor: Joul (Gast)
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Hallo,
nachdem ich das Problem nun ganz anders gelöst habe bin ich nun doch 
eher zufällig auf eine Lösung gestoßen. Wie Michael weiter oben 
beschrieben hat müssten die FET's nacheinander und nicht gleichzeitig 
geschaltet werden.
Der MOSFET Treiber TC4427 von Microchip ist für die Anwendung wie ich 
sie ursprünglich gedacht hatte meiner Meinung nach gut geeignet. Die 
Eingangsspannung kann bis zu 18V und der Ausgangsstrom bis zu 1,5A 
betragen. Steuern lässt sich der Treiber unabhängig von der 
Eingangsspannung mit gewöhnlichen TTL Pegeln (H > 2,4V; L < 0,8V).
Womöglich geht es auch noch einfacher aber bei einem Stückpreis von 
~60Cent für den Treiber finde ich ist es eine prima Alternative zu 
fertigen Switched Capacitor IC's die gerne das zehnfache kosten. 
Vorausgesetzt man hat ein Taktsignal zur Verfügung, was aber bei einem 
Mikrocontroller leicht "übrig" ist.

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