Linearregler Wenn ein geringer Stromverbrauch Probleme bereitet

Frage: Ich habe eine meiner Komponenten gegen ein neueres, besseres Bauteil mit geringerem Stromverbrauch ausgetauscht. Seitdem funktioniert nichts mehr. Was ist da passiert?

Antwort: Linearregler sind ziemlich einfache Bauteile und stellen keine allzu großen Anforderungen. Trotzdem kann man mit ihnen unbeabsichtigt Probleme bekommen.

In meiner Rolle als Applikationsingenieur werde ich manchmal gebeten, für einen Kunden für ein von ihm verwendetes Bauteil eine Empfehlung für eine direkt austauschbare Alternative eines anderen Lieferanten abzugeben. In vielen dieser Fälle wird die Entscheidung, ein Bauelement zu ersetzen, von der Einkaufs- oder Produktionsabteilung des Kunden getroffen und der eigentliche Entwickler wird davon manchmal nicht informiert.

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Dieser Auswahlprozess ist recht einfach: Das alternative Bauteil sollte den gleichen Funktionsumfang, das gleiche Gehäuse und die gleiche Pinbelegung und verglichen mit der ausgetauschten Komponente auch identische oder bessere elektrische Spezifikationen besitzen.

Sind alle diese Dinge überprüft, übergibt man die notwendigen Vergleichsdaten an den Entwicklungsingenieur und das neue Bauelement wird als Second Source in die Stückliste eingepflegt. Ist das alles abgehakt, sollte man eigentlich startklar sein. Aber nur solange, bis das Produkt, das mit der bisherigen Komponente zuverlässig funktionierte, nach der Umstellung auf die Alternative in der Fertigungslinie ausfällt. Was läuft da schief?

Ich hatte einen solchen Fall, in dem wir den beschriebenen Prozess durchliefen und einen unserer isolierten RS-485-Transceiver als alternativen Ersatz für den Baustein eines anderen Lieferanten in der Entwicklung eines Kunden vorsahen. Die Bauteile waren bezüglich Gehäuse, Einsatzfähigkeit und Funktionsumfang völlig gleich und unsere Komponente hatte sogar bessere elektrische Spezifikationen. Der Kunde bestellte daraufhin eine größere Menge dieses Bauteils bei uns und es gab keinen Grund anzunehmen, dass hierbei etwas schief gehen könnte. Der Kunde berichtete jedoch, dass der neue RS-485-Transceiver im Produktionstest ausfiel. Da nichts anderes im Design verändert wurde, musste irgendetwas mit dem neuen Bauteil in dieser Entwicklung nicht stimmen.

Bei weiteren Untersuchungen fanden wir heraus, dass der Linearregler, der den Bus des Transceivers versorgte, nicht wie erwartet auf 5 V herunterregelte, sondern auf eine wesentlich höhere Spannung ging. Wir mussten zusätzliche genaue Prüfungen und Vergleiche der Datenblätter des ursprünglichen und des neuen Transceivers sowie des Linearreglers durchführen, um festzustellen, was da passiert war.

Dabei ist es effektiver, das Problem in qualitativer Hinsicht und abhängig vom in Frage kommenden Parameter zu untersuchen. Wenn es beispielsweise um Geschwindigkeit, Gleichtaktunterdrückung (CMMR) oder Netzstörunterdrückungsverhältnis (PSRR) geht, dann ist höher besser, wenn es um Offset-Spannung oder Drift geht, ist geringer besser; und man muss kein großes ingenieurmäßiges Verständnis haben: Wenn es um den Leistungsbedarf geht, ist geringer immer besser.

Wenig Strom ist manchmal problematisch

Oder etwa nicht? In diesem besonderen Fall stellte sich heraus, dass das nicht stimmte. Der ursprünglich eingesetzte Transceiver benötigte im Ruhezustand auf der Busseite 15 mA (typisch), während das Ersatzbauelement nur 2 mA (maximal) verbrauchte. Deshalb war es auch kein Wunder, dass das neue Bauteil theoretisch besser geeignet schien. Unglücklicherweise „sah“ dies der Linearregler jedoch nicht so und drehte durch.

Wie ich bereits am Anfang dieses Artikels erwähnte, sind Linearregler ziemlich einfache Bauteile, die keine allzu großen Anforderungen stellen. Eine ihrer besonderen Eigenheiten ist, dass sie einen minimalen Laststrom benötigen, um einwandfrei zu funktionieren. Wird diese Bedingung nicht erfüllt, regelt der Linearregler nicht korrekt und seine Ausgangsspannung überschreitet die Grenzwerte. Diese Situation kann auch eintreten, wenn die Eingangsspannung des Reglers wesentlich höher ist als die gewünschte Ausgangsspannung.

Viele moderne Linearregler sind so entwickelt, dass sie diese Anforderung erfüllen und das Problem nicht verursachen. Einige ältere Bauteile – wie der Regler im Design unseres Kunden – benötigen aber besondere Vorkehrungen in der Systementwicklung. In manchen der Fälle liefert das Gegenkopplungswiderstandsnetzwerk des LDOs mit einstellbarer Ausgangsspannung den erforderlichen Mindestlaststrom. Unglücklicherweise können Sie dieses Problem völlig unbeabsichtigt bekommen, wenn Sie sich entscheiden, die Widerstände zu überdimensionieren, das Verhältnis aber beizubehalten.

Ein Widerstand ist die Lösung

Es gibt ein weiteres Szenario, nämlich dass das vom LDO versorgte Bauteil die Lastbedingungen zwar im Normalbetrieb erfüllt, im Standby-Betrieb jedoch nicht mehr. Dies sind alles potentielle Fallstricke, so dass Sie die Datenblätter des LDOs sorgfältig lesen sollten. Gibt es die Forderung nach einem Mindestlaststrom, wird dieser üblicherweise angegeben. Bild 1 zeigt, wie das aussehen kann. Zurück zu unserem im Bild 2 veranschaulichten Beispiel: Als die Hauptursache für das Problem ausgemacht war, war die Lösung recht einfach. Es reichte aus, einen Ableitwiderstand an den Reglerausgang zu schalten, um einen Mindestlaststrom zu ziehen (Bild 3).

Obwohl es für den unzufriedenen Kunden bequem gewesen wäre, uns wegen unseres Bauteils etwas vorzuwerfen, erkannte er die gute Seite der Geschichte und schätzte die aus dieser Episode gewonnene Erkenntnis. Es endete alles gut, wie im Märchen: Ein wenig „Herzblut“ wurde vergossen, aber danach lebten alle „glücklich und zufrieden bis an ihr Lebensende“.

* Abhinay Patil ist Field-Applications-Manager bei Analog Devices in Bangalore / Indien.

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