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Spannungsteiler berechnen: Wie Sie Widerstände von Spannungsversorgungen dimensionieren

| Autor / Redakteur: Frederik Dostal * / Kristin Rinortner

Spannungsteiler: Was ist bei einer Reihenschaltung von Widerständen für Spannungsversorgungen zu beachten?
Spannungsteiler: Was ist bei einer Reihenschaltung von Widerständen für Spannungsversorgungen zu beachten? (Bild: Sabina Ehnert)

Spannungsteiler sind eine einfache und kostengünstige Methode, um Eingangs- und Ausgangsspannungen aneinander anzupassen. Unser heutiger Powertipp erläutert, wie Sie beim Entwurf einer Spannungsversorgung die Widerstände des Spannungsteilers berechnen und auf der Platine platzieren.

Beim Entwurf von Spannungsversorgungen lassen sich die gewünschten Ausgangsspannungen einstellen. Das erfolgt bei den meisten integrierten Spannungsversorgungen – Schaltregler und Linearregler-ICs – mit Hilfe eines Spannungsteilers.

Die beiden Widerstandswerte müssen zueinander in einem passenden Verhältnis stehen, damit die gewünschte Ausgangsspannung eingestellt wird.

Bild 1 zeigt einen solchen Spannungsteiler. Die interne Referenzspannung Uref sowie die gewünschte Ausgangsspannung bestimmen das Verhältnis der Widerstandswerte zueinander gemäß Gleichung 1.

Uref/Uout = R2 / (R1 + R2) (Gl. 1)

Die Referenzspannung Uref wird vom Schaltregler oder Linearregler-IC festgelegt und liegt üblicherweise bei 1,2; 0,8 oder 0,6 V. Diese Spannung repräsentiert die niedrigste Spannung, auf welche die Ausgangsspannung Uout eingestellt werden kann.

Sind Referenzspannung Uref sowie Ausgangsspannung Uout festgelegt, gibt es in Gleichung 1 mit den Widerständen R1 und R2 immer noch zwei Unbekannte. Einer der beiden Widerstände kann nun relativ frei gewählt werden. Üblich sind Werte unterhalb von 100 kΩ.

Bei zu kleinen Widerstandswerten ist die Verlustleistung durch den im Betrieb ständig fließenden Strom Uout / (R1 + R2) recht hoch. Wenn R1 und R2 jeweils einen Wert von 1 kΩ haben, würde bei einer Ausgangsspannung von 2,4 V ein Ableitstrom von 1,2 mA fließen. Dies entspricht einer Verlustleistung von 2,88 mW, die alleine vom Spannungsteiler erzeugt wird.

Je nachdem, wie genau die Ausgangsspannung eingestellt werden soll, und wie hoch der Strom in den Fehlerverstärker der Spannungsversorgung am FB-Pin ist, kann Gleichung 1 unter Berücksichtigung dieses Stromes noch präzisiert werden.

Allzu groß dürfen die Widerstandswerte jedoch nicht sein. Wenn die Widerstände jeweils 1 MΩ betragen würden, hätten wir nur eine Verlustleistung von 2,88 µW.

Störungen bei hohen Widerstandswerten

Ein gravierender Nachteil dieser Widerstandsdimensionierung bei sehr hohen Werten ist die Tatsache, dass der Feedback-Knoten eine sehr hohe Impedanz bekommt. Der Strom, der in den Feedbackknoten fließt, ist je nach Spannungsregler, sehr gering.

Dadurch können sich auf den Feedback-Knoten Störungen einkoppeln, die unmittelbar in die Regelschleife der Spannungsversorgung eingreifen. Die Regelung der Ausgangsspannung wird möglicherweise gestört und es kann eine Instabilität der Regelschleife auftreten. Besonders bei Schaltreglern ist dieses Verhalten kritisch, da durch das schnelle Umschalten von Strömen Störungen entstehen, die sich in den Feedback-Knoten einkoppeln.

Sinnvolle Widerstandswerte R1 + R2 liegen zwischen 50 und 500 kΩ, abhängig von den zu erwartenden Störungen durch andere Schaltungsteile, dem Wert der Ausgangsspannung und der Notwendigkeit die Verlustleistung zu reduzieren.

Wo Sie den Spannungsteiler auf der Leiterplatte platzieren sollten

Ein weiterer, wichtiger Aspekt ist die Platzierung des Widerstandsteilers auf der Leiterplatte. Der Feedback-Knoten sollte so klein wie möglich ausgelegt werden, damit in diesen Knoten möglichst wenig Störungen einkoppeln.

Die Widerstände R1 und R2 müssen also sehr nahe am Feedback-Anschluss des Spannungsversorgungs-ICs liegen. Die Verbindung zwischen R1 und der Last ist üblicherweise kein Knoten mit einer hohen Impedanz und kann daher mit einer längeren Leiterbahn ausgeführt werden. Bild 2 zeigt ein Beispiel von nahe am Feedback-Knoten platzierten Widerständen.

Verlustleistung des Spannungsteilers minimieren

Um die Verlustleistung eines Spannungsteilers besonders in „Ultra Low Power“-Anwendungen wie dem Energy Harvesting zu reduzieren, haben ICs wie der Schaltregler ADP5301 zum Einstellen der Ausgangsspannung eine Funktion, mit der der Wert des Einstellwiderstands für die Spannung am VID-Pin nur einmalig während des Hochlaufens überprüft wird.

Dieser Wert wird dann für den laufenden Betrieb gespeichert, ohne ständig Strom durch einen Spannungsteiler fließen zu lassen. Das ist eine sinnvolle Lösung für hocheffiziente Anwendungen.

* Frederik Dostal arbeitet als Field Application Engineer für Power Management bei Analog Devices in München.

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