Power-Tipp Wie Sie Linearregler als Filter verwenden

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Zum Filtern einer Versorgungsspannung können unterschiedliche Schaltungen eingesetzt werden. Dieser Power-Tipp zeigt die wesentlichen Unterschiede zwischen der Nutzung eines LC-Filters und eines Linearreglers zur Filterung.

Linearregler setzen eine höhere Spannung in eine niedrigere Spannung um. Die auf diese Weise gewandelte Spannung ist genau auf einen einstellbaren Wert geregelt. So lassen sich auf einfache Art Versorgungsspannungen für unterschiedliche Anwendungen erzeugten. Da diese Spannungsregelung jedoch nicht sonderlich effizient ist, wurden Linearregler in vielen Anwendungen mit getakteten Spannungswandlern ersetzt. Bild 1 zeigt eine einfache Linearregler-Schaltung zur Spannungswandlung.

Der Linearregler hat über die Jahre eine neue Hauptanwendung gefunden: das Filtern von Versorgungsleitungen. Bild 2 zeigt eine passive Filtermöglichkeit mit einem Filter, der aus einem Kondensator und einer Spule besteht. Ein solcher Filter wird verwendet, da die Gleichstromverluste relativ gering sind. Sie bestehen hauptsächlich aus dem Längswiderstand, also dem Gleichstromwiderstand DCR der Spule L. Bild 2 zeigt einen derartigen LC-Filter.

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Filtern mit Linearreglern

Die Filterwirkung eines solchen Filters richtet sich nach der Übertragungsfunktion des Filters. Diese ist von der Doppelpolstelle im Bode-Diagramm geprägt, bei der die Verstärkung ab der Eckfrequenz mit 40 dB pro Dekade abfällt. Dies wird festgelegt durch den Wert von L und C. Dieser Filter ist also ein Tiefpassfilter, der DC-Spannungen durchlässt und höherfrequente Störungen, wie beispielsweise die Spannungswelligkeit auf einer Versorgungsleitung, dämpft. Ein solcher Filter kommt ohne einen aktiven Schaltkreis aus, benötigt aber eine Spule, welche je nach Stromfestigkeit und Induktivitätswert einiges an Kosten verursachen kann.

In Bild 3 ist mit dem LT3042 ein Linearregler zu sehen, welcher ebenfalls eine Filterfunktion bietet. Er regelt die Spannungswelligkeit der Versorgungsspannung möglichst gut heraus. Wie gut das gelingt, ist abhängig vom „Power Supply Rejection Ratio“ (PSRR, Netzstörunterdrückungsverhältnis). Das PSRR wird üblicherweise in einem Dämpfungsdiagramm in Abhängigkeit von der Frequenz angegeben. Gute Werte sind Dämpfungen bis zu 80 dB bei üblichen Schaltreglerfrequenzen von 1 MHz.

Der Linearregler aus Bild 3 eignet sich besonders gut als Filterstufe, da er ein hohes PSRR auch bei hohen Frequenzen bietet und auch nur sehr geringe eigene Störungen verursacht. Dies ist besonders bei Anwendungen wichtig, bei welchen ein Filter zum Säubern einer Versorgungsspannung benötigt wird.

LC-Filter versus Linearfilter

Es gibt also unterschiedliche Arten, einen Filter zu implementieren. Ein großer Vorteil eines Linearreglers zur Filterung ist, dass dadurch die Ausgangsspannung sehr genau geregelt wird. Ein LC-Filter hat keine eigene Spannungsregelung. Hier wird die generierte Spannung vom Verhalten der Spannungsquelle beeinflusst. Abhängig vom DC-Stromfluss durch den LC-Filter wirkt sich der Gleichstromwiderstand der Spule mehr oder weniger auf die Ausgangsspannung aus. Bei Anwendungen mit konstantem Laststrom ist dieses Verhalten möglicherweise akzeptabel. Bei Anwendungen mit unterschiedlichen Lastströmen kann die Spannungsveränderung des Ausgangs jedoch problematisch sein.

Um die jeweiligen Vor- und Nachteile eines jeweiligen Filters für eine spezifische Anwendung zu überprüfen, eignet sich ein Simulationstool wie LTSpice. (kr)

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

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