Die Schaltung bietet sich für die Stromversorgung von Messgeräten und Steuerungen an, die neben den üblichen 5V für den Mikroprozessor auch noch positive und negative Hilfsspannungen für analoge Signalaufbereitung und einen hochstromigen 12V-Ausgang für Relais, Ventile und Antriebsmotore benötigen.
Bei einem Standard-Schaltnetzteil (z.B. +5V, +/- 12V) ist typischerweise eine hohe Grundlast am 5V-Ausgang erforderlich, damit am + 12V-Ausgang ein höherer Strom entnommen werden kann. Dieser Nachteil wird hier vermieden, indem ein Einfachspannung-Schaltnetzteil 12V-DC mit entsprechender Stromstärke zur Verfügung stellt und ein nachgeschalteter Schaltregler neben den +5V noch zusätzliche Hilfsspannungen erzeugt.
Die hier benötigte 12V Versorgungsspannung übernimmt ein fertiges, separates (intern oder extern) Schaltnetzteil, welche in großer Auswahl verfügbar sind, oder auch ein 12V-Akku (mobiler oder gepufferter Betrieb).
Schaltbild mit LM2575-5.0
Zur Erzeugung der +5V zeigt das Schaltbild den verwendeten Schaltregler LM2575-5.0 in der üblichen Beschaltung Cein, L1, C1 und D1. Über den Schalter SW1 wird in Verbindung mit R1 der Schaltregler ein- und ausgeschaltet. Bei offenem Schalter ist der Schaltregler abgeschaltet und benötigt einen Ruhestrom von unter 0,2mA.
Beim Betrieb mit 12V liefert der Schaltregler an seinem Ausgang Vout ein Rechtecksignal mit typ. 52kHz und ca. 45% Einschaltzeit. Die Erzeugung der negativen Hilfsspannung übernimmt die Ladungspumpe bestehend aus C2, D2 und Q2 für die Einschaltphase und D3 und C3 für die Auszeit des Schaltreglers. Q2 in Verbindung mit R2 begrenzt den Ladestrom von C2, solange sich der Schaltregler in der Startphase (<5ms) befindet. Hochwertige Ausführungen von C2 (niedriger ESR-Wert) können beim Einschalten des Reglers als Kurzschluß am Ausgang gewertet werden, wodurch der Schaltregler nicht richtig starten kann. Auch wenn der hier verwendete LM2575 sehr gut anschwingt, Schaltregler mit Softstart-Phase (z.B. L4962) kommen ohne Ladestrombegrenzung nicht in die Gänge.
Die Bauteile für die negative Ladungspumpe sind in der Schaltung für minimalen Spannungsabfall dimensioniert. An C3 liegen bei 100mA Laststrom –10V an. Für viele Anwendungen können bei geringeren Anforderungen an Strom und Spannung einfache Dioden (1N4148) verwendet werden; Q2 und R2 entfallen. Stattdessen wird die Diode D2 über einen strombegrenzenden Widerstand (10 Ohm) mit Masse verbunden.
Die 12V-Versorgungsspannung wird über den Leistungs N-Kanal MosFet BUZ11 eingeschaltet. Die Ladungspumpe C4, D4 und D5, C5 versorgt Q1 mit einer Gate-Source-Spannung von ca. 10V. Im eingeschalteten Zustand beträgt sein Innenwiderstand ca. 50 mOhm, sodaß ein Laststrom von mehreren Ampere ohne große Verluste entnommen werden kann (Spannungsabfall, Wärme). Nach dem Einschalten (mit SW1) wird C5 mit den positiven Impulsen des Schaltreglers über D5 und C4 geladen, sodaß Q1 zunehmend leitend wird. Abwechselnd wird C4, der sich bei der Umladung ebenfalls aufgeladen hat, über D4 wieder entladen. Die Spannung an Source-Q1 steigt immer weiter an, bis nach einigen Zyklen die volle Ausgangspannung erreicht ist und C4 fortwährend über D4 aufgeladen wird und C5 über D5 nachläd. Die Rechteckspannung von Vout des Schaltreglers wird mit der Ladungspumpe über die Ausgangsspannung (Source-Q1) zur Gatespannung `hochgeklemmt`. Die Anstiegszeit der Ausgangsspannung wird durch das Verhältnis von C5/C4 bestimmt; R3 in Verbindung mit C5 bestimmt den Spannungsabfall beim Auschalten.
Mit einer weiteren Ladungspumpe C6, D6 und D7, C7 wird bei 50mA Last eine Spannung von ca. 21V an C7 erzeugt. R4 dient hier wiederum der Strombegrenzung. Diese Spannung bietet sich an, um Sensoren mit 4-20mA Ausgangssignal zu betreiben. Sie benötigen einen min. Spannungsabfall von zumeist 12V für die Eigenversorgung. Bei Strom/Spannungs-Wandlung mit einem Meßwiderstand von 240 Ohm erhält man ca. 5V Meßspannung zum direkten Anschluß eines AD-Wandlers. Meßspannung und Versorgungsspannung liegen in Reihe, sodaß zusammen minimal 17V benötigt werden. Der Spannungsregler VR1 stabilisiert hier 18V für zwei bis drei dieser Sensoren.
Die Spannungsregler VR2 und VR3 liefern eine symmetrische Versorgungsspannung für analoge Schaltkreise. Sofern Spannungen nicht benötigt werden, können die betreffenden Ladungspumpen entfallen. Werden VR1 und VR3 nicht benötigt, sollten sie durch eine Miniaturdrossel ersetzt werden (ca. 47µH), um Schaltspitzen auszufiltern.
Wunschgemäß liefert die beschriebene Schaltung einen hohen Strom für den 12V-Zweig. Die erzeugten Hilfsspannungen benötigen einen stabil arbeitenden Schaltregler. Für die im Schaltbild angeführten –8V/0,1A und +18V/0,05A ist eine Belastung des 5V-Ausgangs mit etwa 0,3A erforderlich.
Prinzipiell kann man die 12V-Ausgangsspannung auch über einen P-Kanal MosFet ohne Ladungspumpe einschalten. Bei gleichen Kosten ist deren Innenwiderstand aber höher als von N-Kanal Typen. Bei einem N-Kanal Fet kann es zudem von Vorteil sein, wenn bei einem Ausfall des Schaltreglers auch die 12V ausfallen und die nachfolgende Schaltung spannungsfrei bleibt.
Eine Schaltung zum Ein-Ausschalten per Tastendruck wird hier gezeigt.
Literatur: Datenblatt LM2575, (www.national.com/pf/LM/LM2575.html)
