Die Spannung, die von einem Akku oder einem Netzteil bereitgestellt wird, passt nicht immer zum Bedarf der Last. In den folgenden Kapiteln werden zwei Verfahren vorgestellt, mit denen die Quellenspannung verändert werden kann. Dabei wird darauf geachtet, dass auch bei veränderlichem Laststrom immer eine konstante und belastbare Spannung bereitgestellt wird. Das Ziel ist eine steuerbare bzw. einstellbare ideale Spannungsquelle.
LDO
Ein LDO (Low Dropout Regulator) ist ein integrierter Schaltkreis (IC) mit variabler Eingangsspannung und fester Ausgangsspannung. Ein LDO benötigt immer eine höhere Eingangsspannung, die er auf eine niedrigere Ausgangsspannung reduziert. Die Eingangsspannung ist dabei in einem weiten Bereich variabel. Die Ausgangsspannung ist fest.
Die Batteriespannung am Eingang des LDOs kann also veränderlich sein – je nach Last, SOC, Batterietyp usw. Sie muss nur größer sein als die minimale Eingangsspannung, die im Datenblatt des LDOs angegeben ist. Die Ausgangsspannung hat einen festen Wert, der ebenfalls im Datenblatt angegeben ist. Sie suchen einen LDO also nach passendem Eingangsspannungsbereich und passender Ausgangsspannung aus.
Die Dropout-Spannung beschreibt dabei die Differenz zwischen Ausgangsspannung und Eingangsspannung. Gute LDOs funktionieren schon mit nur wenigen 100mV Dropout-Spannung. Sie können mit guten LDOs z. B. einen Ausgangsspannung von 3,3V bereits mit einer Eingangsspannung von 3,5V oder größer erzeugen. Betrachten wir ein Beispiel, mit dem wir in diesem Kapitel durchgehend arbeiten werden:
Vier NiMH AA-Akkus werden in Reihe verschaltet. Die Ausgangsspannung eines Akkus liegt – je nach SOC – zwischen 1V und 1,3V. In Reihenschaltung beträgt die Ausgangsspannung [4V … 5,2V]. Der Mikrocontroller der Last benötigt 3,3V Versorgungsspannung. Die Last weist insgesamt einen (Ersatz-)Widerstand von R = 100Ω auf. Für den LDO verbleibt bei minimalem SOC der Akkus eine Dropout-Spannung von [0,7V … 1,9V] V.
Ein LDO weist eine minimale Dropout-Spannung auf, die i. A. vom Ausgangsstrom abhängt. Die Dropout-Spannung darf nicht kleiner sein als im Datenblatt angegeben. Sie darf aber größer sein. Sie dürfen nur die maximale Eingangsspannung des LDOs nicht überschreiten.
Ein LDO hat eine begrenzte maximale Leistung. Der Akku stellt eine Spannung bereit. Die Last hinter dem LDO zieht Strom aus dem Akku. Da der LDO in Reihe zwischen Akku und Last geschaltet ist, fließt der gesamte Laststrom durch den LDO. Die Spannung des Akkus teilt sich in die Dropout-Spannung am LDO und die Spannung an der Last auf. Es gilt
Die Leistungsaufnahme eines LDOs ergibt sich aus dem Strom durch den LDO multipliziert mit der Dropout-Spannung. Diese Leistung wird vollständig in Wärme umgewandelt. Dadurch wird der LDO u. U. sehr heiß. Die Leistung am LDO ist deshalb auf einen Maximalwert (Datenblatt) begrenzt. Sie können den LDO also entweder bei wenig Strom und hoher Eingangsspannung verwenden, die dann zu einer hohen Dropout-Spannung führt. Oder Sie verwenden ihn bei hohem Strom und weniger hoher Eingangsspannung.
Ein LDO ist keine ideale Spannungsquelle. Er weist einige reale Eigenschaften auf, die aber i. A. viel besser als die der Akkus sind. Seine Ausgangsspannung ist z. B. nicht vom SOC abhängig. Wir nähern uns damit als einer idealen Gleichspannungsquelle immer mehr an. Je höher die Dropout-Spannung ist, desto besser werden i. A. die realen Eigenschaften des LDO.
Der LDO weist einen Ausgangswiderstand auf. Damit sinkt eine innere Spannung mit dem Ausgangsstrom. Diese innere Spannung ist aber nicht die Ausgangsspannung. So lange eine hinreichend hohe Dropout-Spannung vorhanden ist, merken Sie das am Ausgang nicht, denn dann kompensiert der LDO diesen Effekt intern.
DC/DC-Wandler
DC/DC-Wandler generieren aus einer variablen Eingangs-Gleichspannung eine feste andere Ausgangs-Gleichspannung. Ein großer Vorteil liegt darin, dass die Ausgangsspannung auch größer als die Eingangsspannung sein kann. Sie können z. B. mit den vier NiMH-AA-Akkus mit [4V … 5,2V] mit einem DC/DC-Wandler eine 12V Versorgungsspannung für Operationsverstärker aufbauen. Wenn Sie also in Ihrer Schaltung mehr Spannung brauchen, also der Akku liefern kann, dann haben Sie drei Möglichkeiten: Sie können einen anderen Akku einsetzen, mehrere Akkus in Reihe schalten oder einen DC/DC-Wandler einsetzen.
Manchmal werden DC/DC-Wandler auch eingesetzt, wenn die Ausgangsspannung (deutlich) kleiner als die Eingangsspannung ist und viel Strom fließt. Betrachten wir dazu ein Beispiel. Es gilt:
Die Energie der Batterie wird bei dieser Lösung vorwiegend im LDO in Wärme umgesetzt, und nur zu einem kleinen Teil in der Schaltung genutzt. Der Wirkungsgrad der Lösung gibt an, wie viel Prozent der Leistung der Batterie Sie in der Last tatsächlich nutzen. Gerade bei batteriebetriebenen Schaltungen sollte der Wirkungsgrad möglichst hoch sein, sonst brauchen Sie einen viel zu großen Akku. Hier gilt:
DC/DC-Wandler stellen seine Ausgangspannung mit hohem Wirkungsgrad bereit. Dieser liegt typisch zwischen 70% und 95%, je nach Eingangs- und Ausgangsspannung und je nach Laststrom. Bei der Lösung oben wäre ein DC/DC-Wandler mit einem angenommenen Wirkungsgrad von η = 80% vorteilhaft. Der Wirkungsgrad des DC/DC-Wandlers ist besser als der des LDOs, weil nicht der gesamte Laststrom durch den DC/DC-Wandler fließt. Am Eingang fließt ein viel kleinerer Strom als
Den Eingangsstrom – und damit die Belastung der Akkus am Eingang – können Sie aus dem Wirkungsgrad berechnen. Es gilt:
Beim Einsatz des LDOs wird 1A aus den Akkus gezogen. Ein DC/DC-Wandler zieht nur etwa ein Drittel des Stroms. Ein DC/DC-Wandler lohnt sich nur, wenn am die Eingangsspannung viel größer als die Ausgangsspannung ist und ein hoher Strom fließt. Im Vergleich zu einem LDO wird dann von einem DC/DC-Wandler relativ wenig Leistung sinnlos in Wärme umgewandelt.
DC/DC-Wandler sind relativ teuer und sie benötigen relativ viel Platz auf einer Schaltung. Bei billigen und/oder kleinen Schaltungen finden Sie diese Lösung deshalb nicht.
Da die Ausgangsspannung eines DC/DC-Wandlers große hochfrequente Störungen enthält, wird dahinter fast immer ein Tiefpass-Filter verschaltet. Da ein LDO als Tiefpass-Filter wirkt, werden oft LDOs hinter DC/DC-Wandlern verbaut. Diese LDOs bekommen dann aber nur möglichst wenig Dropout-Spannung, sonst wird die Energiebilanz der Schaltung wieder schlecht.
Ende