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Power-Tipp Einen „grünen Linearregler“ bestmöglich implementieren

| Autor / Redakteur: Frederik Dostal * / Kristin Rinortner

Eine Kombination von Linearregler und Schaltregler in einem Gehäuse schafft nicht nur eine höhere Wandlungseffizienz, sondern erleichtert auch die Auswahl der Komponenten.

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Bild 1: Schaltung zum effizienten Erzeugen einer sehr rauscharmen Versorgungsspannung
Bild 1: Schaltung zum effizienten Erzeugen einer sehr rauscharmen Versorgungsspannung
(Bilder: Analog Devices)

Linearregler sind Festspannungsregler, die einen variablen Widerstand in einem Leistungspfad so einstellen, sodass die erzeugte Ausgangsspannung fest auf einen Wert geregelt wird. Ungünstigerweise wird der Spannungsunterschied zwischen Spannungsquelle und der erzeugten Spannung in Wärme umgewandelt. Somit sind Linearregler nicht besonders effizient.

Die Verlustleistung entspricht Gleichung 1: Pverlust = Iout x (Uin – Uout). Wenn die Eingangsspannung (Uin) also viel größer als die Ausgangsspannung (Uout) ist, wird eine hohe Verlustleistung generiert. In solchen Fällen sind Schaltregler wesentlich leistungseffizienter als Linearregler.

Aus diesem Grund werden Linearregler heute hauptsächlich als Filterbausteine eingesetzt. Eine vorhandene Spannung, die nicht genau genug oder mit Störungen behaftet ist, soll durch einen Linearregler gesäubert werden. Diese Bauteile sind dafür hervorragend geeignet, da manche Varianten einen sehr hohen Versorgungsspannungsdurchgriff (PSRR – Power Supply Rejection Ratio) bieten. Eine Spannungswelligkeit am Eingang wird durch den Versorgungsspannungsdurchgriff stark gedämpft. In solchen Filteranwendungen liegt die Versorgungsspannung üblicherweise nur knapp oberhalb der generierten, gefilterten Ausgangsspannung. Dadurch sind die Leistungsverluste des Linearreglers gering.

Da Linearregler prinzipiell immer einen Spannungsabfall in Wärme umwandeln, gibt es keine wirklich ‚grünen‘ Linearregler. Das folgende Schaltungskonzept zeigt jedoch eine Möglichkeit, um die Funktion eines ‚grünen‘ Linearreglers bestmöglich zu implementieren.

Bild 1 zeigt den ADP5003 von Analog Devices. Er ist eine Kombination aus einem Schaltregler sowie einem Linearregler mit extrem niedrigem Rauschen. Diese Verbindung kann eine sehr saubere Spannung erzeugen, wie sie in vielen Messtechnik- oder HF-Anwendungen benötigt wird.

Der Schaltregler im oberen Bereich des ADP5003 erzeugt eine Spannung, die automatisch genauso eingestellt ist, wie sie vom unteren Linearregler benötigt wird, um die jeweilige Ausgangsspannung zuverlässig zu erzeugen.

Bei Linearreglern ist der benötigte Spannungsabfall zwischen Versorgungsspannung und generierter Ausgangsspannung abhängig vom Laststrom. Bei geringen Lasten kann der Spanungsabfall im Linearregler sehr gering sein.

Bei höheren Lasten ist ein etwas höherer Spannungsabfall notwendig. Eine dynamische Variation der Ausgangsspannung des Schaltreglers, also der Eingangsspannung des Linearreglers, ermöglicht die höchst mögliche Spannungswandlungseffizienz der Gesamtschaltung.

Der Linearregler ist von der Bauart darauf optimiert, bei geringem Spannungsabfall auch einen hohen Versorgungsspannungsdurchgriff zu bieten.

Der Linearregler im ADP5003 hat eine sehr niedrige Rauschdichte. Bild 2 zeigt sie für unterschiedliche Lastströme zwischen 100 mA und 3 A. Diese Messungen wurden mit einer Versorgungsspannung von 12 V und 1,8 V am Ausgang des Linearreglers vorgenommen.

Eine Kombination von Linearregler und Schaltregler in einem Gehäuse schafft nicht nur eine höhere Wandlungseffizienz, sondern erleichtert auch die Auswahl der Komponenten. Der Linearregler ist auf das Verhalten des Schaltreglers optimal angepasst, um eine sehr saubere Ausgangsspannung zu generieren.

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

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