Analogtipp Spannungsreferenz und Transistor als Hochleistungs-Shunt-Regler

Autor / Redakteur: Chris Toliver * / Kristin Rinortner

Spannungsreferenzen können als Shunt-Regler verwendet werden, sind allerdings auf niedrige Ströme begrenzt. Wir stellen eine Schaltung vor, die wesentlich besser als eine Zener-Diode regelt und über einen größeren Strombereich arbeitet.

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Bild 1: Die Spannungsreferenz AD584 bildet zusammen mit dem externen Transistor NTE-244 einen Shunt-Regler, der bis zu 50 W verkraftet.
Bild 1: Die Spannungsreferenz AD584 bildet zusammen mit dem externen Transistor NTE-244 einen Shunt-Regler, der bis zu 50 W verkraftet.
(Bild: ADI)

Manche Spannungsreferenzen können als Shunt-Regler verwendet werden, indem man entweder UIN und UOUT verbindet oder UIN offen lässt. Diese Bausteine sind auf den Einsatz bei niedrigen Strömen von etwa 10 mA begrenzt. Standard Zener-Dioden erfüllen die gleiche Funktion und können bis etwa 500 mW arbeiten. Allerdings weisen sie einen hohen Serienwiderstand auf.

Die Spannungsreferenz AD584 ermöglichen zusammen mit einem externen Transistor wie dem NTE-244 die Realisierung von Shunt-Reglern, die bis zu 50 W verkraften. Die Schaltung in Bild 1 kann verwendet werden, um Impulse mit hohen Strömen, langer Zeitdauer und Überspannung zu begrenzen. Alternativ lässt sich die Schaltung als einstellbarer Reihenspannungsabfall einsetzen.

Die Spannungsreferenz AD584 enthält eine präzise Bandgap-Referenzzelle, einen Fehlerverstärker und ein Rückkopplungsnetzwerk. Der direkte Zugang zum Eingang der Bandgap-Referenz ermöglicht ein Überschreiben des internen Rückkopplungsnetzwerks mit dem externen Transistor und dem externen Rückkopplungsnetztwerk.

Das Ergebnis ist eine stabile Spannung zwischen U+ und U. Die Widerstände R13 und REB dienen dazu, den AD584 richtig vorzuspannen. Die Bypass-Kondensatoren mit Werten von 10 nF und 0,1 µF dienen Stabilitätszwecken. RSCALE kann gemäß Gleichung 1 berechnet werden: UOUT = U+ – U = UBG × (RSCALE/RBG + 1) mit UBG= 1,22 V.

Laut Datenblatt haben die internen Rückkopplungswiderstände im AD584 Werte von 36 und 12 kΩ. Die gewünschte Spannung an Pin 3 beträgt U + 2,5 V. Somit kann R13 wie folgt berechnet werden (Gleichung 2):

12 kΩ/(12 kΩ + (36 kΩ || R13)) × (U+ – UEB) = 2,5 V. Diese Gleichung vereinfacht sich zu R13 = –36 kΩ × (U+ – 2,5 – UEB)/(U+ – 10 – UEB). Für den Transistor NTE-244 gilt UEB = 1,5 V. Damit reduziert sich Gleichung 3 zu R13 = 36 kΩ × (U+ – 4)/(11,5 – U+).

Das Diagramm in Bild 2 zeigt die Ergebnisse bei fünf Spannungen, die für diese Schaltung gewählt werden können. Die Schaltung verkraftet problemlos eine Stromaufnahme von 5 A bei niedrigeren Spannungen oder kann 50 bis 60 W bei höheren Ausgangsspannungen Stand halten.

Vorausgesetzt wird dabei jedoch der richtige Kühlkörper und der Betrieb des Transistors NTE-244 unterhalb seiner Belastungsgrenzen. Die Schaltung regelt wesentlich besser als eine Zener-Diode und arbeitet zugleich über einen weitaus größeren Strombereich.

* Chris Toliver arbeitet als Schaltungsentwickler in der Linear Products Group von Analog Devices in Wilmington/USA.

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