Eine negative Spannung zu erzeugen mag auf den ersten Blick seltsam klingen, aber es gibt tatsächlich Situationen, in denen dies notwendig ist. In diesem Artikel werden vier verschiedene Möglichkeiten vorgestellt, wie man negative Spannungen erzeugen kann.
Was ist eine negative Spannung?
Spannungen werden normalerweise relativ zu einem bestimmten Referenzpunkt gemessen. In den meisten Systemen wird dieser Referenzpunkt als Nullleiter oder Erdung definiert. Bei batteriebetriebenen Geräten wird der Anschluss mit dem niedrigeren Potential als virtuelle “Erde” für das System verwendet. Eine “negative Spannung” ist dann eine Spannung im System, die ein niedrigeres Potential als die festgelegte Systemmasse hat.
Anwendungen für negative Spannungen
Negative Spannungen sind in verschiedenen Anwendungen notwendig. Zum Beispiel werden sie eingesetzt, wenn Signale bis zu 0 V gemessen werden müssen. Hier kommen Bauteile wie Operationsverstärker, A/D-Wandler und D/A-Wandler zum Einsatz, die mit einer bipolaren Spannungsversorgung arbeiten. Bei solchen Anwendungen ist es wichtig, dass die Spannungsversorgung sowohl für die positive als auch für die negative Spannung geringes Rauschen aufweist.
Es gibt auch andere Anwendungen für negative Spannungen, wie z.B. die Biasspannung zum Treiben von IGBTs, optischen Modulen, Displays oder CCD-Kameras. In solchen Fällen werden die negativen Spannungen in der Regel nur gering belastet und müssen nicht besonders rauscharm oder störungsfrei sein.
Die vier Möglichkeiten
Es gibt verschiedene Topologien zur Erzeugung von negativen Spannungen. In Bild 1 sind die vier Hauptgruppen dargestellt:
Eine beliebte Methode ist die Verwendung einer Ladungspumpe, bei der Ladungen auf Kondensatoren umgeschaltet werden, um eine positive Spannung in eine negative Spannung umzuwandeln. Diese Lösung ist einfach und kostengünstig, hat aber einen begrenzten maximalen Strom.
Wenn eine galvanische Trennung erforderlich ist, können Transformator-basierte Topologien verwendet werden. Hierbei handelt es sich in der Regel um Sperrwandler. Wenn bereits ein Transformator im System vorhanden ist, um andere galvanisch getrennte Spannungen zu erzeugen, kann eine negative Spannung durch eine zusätzliche Wicklung erzeugt werden. Diese muss in der Regel mit einem Linearregler nachgeregelt werden.
Die invertierende Topologie ist eine weitere Möglichkeit, negative Spannungen zu erzeugen. Hierbei handelt es sich um einen sogenannten Buck-Boost-Wandler, der eine Induktivität, zwei Schalter und zwei Kondensatoren verwendet. Diese Topologie wird häufig in Verbindung mit einem Buck-Regler verwendet, erfordert jedoch ein Levelshifting für bestimmte Anschlüsse.
Schließlich gibt es die ĆUK-Topologie, bei der sowohl an der Eingangs- als auch an der Ausgangsseite eine Induktivität vorhanden ist. Diese Topologie erzeugt sehr rauscharme Spannungen, erfordert jedoch zusätzliche Komponenten wie einen Koppelkondensator und einen Schaltregler mit einem negativen Feedback-Pin oder einen Inverter im Feedbackpfad.
Fazit
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, negative Spannungen zu erzeugen, je nach den Anforderungen der Anwendung. Jede Topologie hat ihre Vor- und Nachteile und eignet sich für unterschiedliche Situationen. Es ist wichtig, die richtige Lösung für die jeweilige Anwendung zu wählen und darauf zu achten, dass die Spannungsversorgung geringes Rauschen aufweist.
Frederik Dostal ist bei Analog Devices in München für Power Management in Industrieanlagen zuständig.
