Spannungsregler

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Spannungsregler sind Bauteile zum Regeln von elektrischen Spannungen. Dieser Artikel behandelt Linearregler. Daneben gibt es noch Schaltregler in den zwei Spielarten Hochsetzsteller und Tiefsetzsteller. Linearregler bieten den Vorteil einer störungsärmeren Ausgangsspannung, haben jedoch in der Regel einen schlechteren Wirkungsgrad als Schaltregler.

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung
2 Funktionsweise
3 Spannungsregler mit Operationsverstärker
4 Integrierte Spannungsregler
5 Weblink

[Bearbeiten] Einleitung

Zwei gängige Festspannungsregler, links 5V/1A, rechts 5V/100mA

In elektronischen Schaltungen werden verschiedene stabile Spannungen benötigt. Zu deren Erzeugung werden Spannungsregler oder Stabilisatorschaltungen verwendet. Diese Regelschaltungen müssen die Spannung bis zu einem maximal entnehmbaren Strom konstant halten.

Es gibt die Parallelstabilisierung und die Serienstabilisierung mit Längstransistor. Bei der Parallelstabilisierung liegt der Lastwiderstand (Verbraucher) parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke des Quertransistors. Diese Schaltung wird kaum benutzt, da im Regelfall die gesamte nicht benötigte Leistung im Quertransistor in Wärme umgewandelt wird. Bei der Serienstabilisierung liegt die Kollektor-Emitter-Strecke des Längstransistors in Serie mit dem Verbraucher. Diese Schaltung ermöglicht einen hohen Laststrom bei guter Stabilisierung der Ausgangsspannung und wird deshalb häufig in der Elektronik eingesetzt.

Man unterscheidet

Festspannungsregler (Ausgangsspannung ist fix)
einstellbare Spannungsregler (Ausgangsspannung ist nach eigenen Wünschen einstellbar, werden zum Beispiel in Labornetzteilen eingesetzt)

[Bearbeiten] Funktionsweise

Hier soll nur die Serienstabilisierung beschrieben werden.

Die Spannung Ue kommt z.B. von einem Netztrafo mit Graetzbrücke (Brückengleichrichter) mit Ladekondensator. Die Eingangsspannung wird von D1 auf Uz stabilisiert. Rv dient zur Strombegrenzung von D1 und muss gleichzeitig auch den wechselnden Basistrom von Q1 liefern. Die Ausgangspannung Ul ist gleich der Zenerdiodenspannung Uz minus Ube (Basis-Emitterspannung von Q1, etwa 0,6V). Wird Ue viel größer als Ul gewählt, dann wird auch der Wirkungsgrad dieser Schaltung deutlich schlechter.

Steigt der Ausgangsstrom Il, der gleichzeitig auch der Strom durch Q1 ist, durch einen sinkenden Verbraucherwiderstand „Last“ an, dann erhöht sich auch der Baisstrom von Q1. Der Basistrom von Q1 ist um den Stromverstärkungsfaktor β dieses Transistors geringer als Il. Also Ib = Il / β. Da die Spannung an der Basis Q1 durch Uz bis zu bestimmten Strömen konstant bleibt, regelt Q1 auf (der Widerstand der Kollektor-Emitter-Strecke sinkt). Damit kann der Ausgangsstrom steigen und die Ausgangsspannung über den Verbraucher bleibt somit fast konstant. Der Transistor Q1 arbeitet hier als Regelstrecke.

Ein Nachteil dieser Schaltung ist, dass bei einem Kurzschluss am Ausgang die komplette Spannung Ue an der Kollektor-Emitter-Strecke abfällt (Uce = Ue). Der Strom Ik im Kurzschlussfall ist dann (Ue - Ube) geteilt durch Rv mal Stromverstärkung β des Transistors. Diese hohe Verlustleistung (P = Ue x Ik) bedingt eine starke Aufheizung des Transistors, was letztendlich zu einem Defekt führen kann. Diese Schaltung ist daher nicht kurzschlussfest. Ein weiterer Nachteil ist der benötigte minimale Spannungsabfall zwischen Eingang und Ausgang. Neben Ube ist auch ein Spannungsabfall über Rv notwendig, um den Strom für die Zenerdiode D1 und den Basistrom für Q1 zu liefern. Das heißt, die Eingangsspannung muss mindestens um diese Spannung größer sein als die Ausgangsspannung, um einen sicheren Reglerbetrieb zu gewährleisten. Eine deutliche Verbesserung kann erzielt werden, wenn Rv durch einen pnp-Transistor Q2 ersetzt wird. Der Emitter von Q2 wird an den Kollektor von Q1 und der Kollektor von Q2 an die Katode von D1 geschaltet. Rv wird dann zwischen Basis von Q2 und Anode von D1 geschaltet. Durch diese Konstantstromquelle kann eine minimale Uce von etwa 1V und ein begrenzter Kurzschlussstrom erreicht werden, der nicht viel höher ist, als der maximale geregelte Laststrom. Durch diesen zusätzlichen Transistor kommt die Schaltung einem Low-Drop-Regler sehr nahe.

Der Spannungsabfall verursacht gemeinsam mit den Strom durch den Regler am Transistor eine (Verlust-)Wärme. Daher kann es notwendig sein, diesen mit einem Kühlkörper zu versehen, um diese Wärme abzuführen. Manche Spannungsregler weisen auch interne Schaltungsteile auf, welche die Temperatur des Reglers messen und bei Überschreiten einer bestimmten Maximaltemperatur den Strom durch den Regler drosseln oder abschalten.

[Bearbeiten] Spannungsregler mit Operationsverstärker

Um eine bessere Stabilisierung zu erhalten, werden z.B. in integrierten Spannungsreglern oder Labornetzteilen Operationsverstärker (OP) eingesetzt. Die folgende Schaltung ist ähnlich der, die zum Beispiel in integrierten Spannungsreglern eingesetzt wird. Das Einzige was fehlt, ist die Strombegrenzung und damit die Kurzschlussfestigkeit.

Der nichtinvertierende Eingang des OP wird fest auf Uz stabilisiert. Mit R2 kann die Spannung zwischen Uz und Ue eingestellt werden. Benutzt man für R2 einen „normalen“ Widerstand, so hat man einen Festspannungsregler. Steigt Ue, so steigt auch der Spannungsabfall an R1, R2, R3 und somit auch am invertierenden Eingang des OP. Somit sinkt die Ausgangsspannung des OP und Q1 regelt zu. Der Rest funktioniert fast genauso wie bei der oben beschriebenen Schaltung.

Eine Verbesserung kann erreicht werden, wenn Q1 gegen einen pnp-Transistor oder p-Mosfet getauscht wird. Zusätzlich müssen die Eingänge der OP und Kollektor/Emitter von Q1 getauscht werden. Wird ein pnp-Transistor verwendet, ist auch durch die Zwischenschaltung eines Basiswiderstandes Rb eine wirksame Strombegrenzung möglich. Wird dieser Widerstand durch ein Potentimeter in Reihe ergänzt, kann der maximal entnehmbare Laststrom eingestellt werden. Der maximale Laststrom ist etwa Ue x β / Rb

[Bearbeiten] Integrierte Spannungsregler

Traditionelle Festspannungsregler sind für Spannungen bis maximal 35 V bzw. −35 V ausgelegt. Bei diesen Reglern ist eine Mindest-Spannungsdifferenz von 2 V angegeben, das heißt Eingangsspannung − Ausgangsspannung ≥ 2 V.

Hier die Anwendung eines Festspannungsreglers und eines einstellbaren Spannungsreglers:

Bei einer Eingangsspannung (U1) von 30 V wird sich am Ausgang des Fixspannungsreglers 7824 (U2) eine Spannung von 24 V einstellen. Dimensioniert man die Widerstände nach folgender Formel (hergeleitet vom Prinzip des Spannungsteilers):

$U_3 = U_{Ref} \cdot \left(1+\frac{R_2}{R_1} \right)$

$U_3 = 1{,}25\ \mathrm V \cdot \left(1+\frac{11\ \mathrm k\Omega}{1\ \mathrm k\Omega} \right)$

erhält man zum Beispiel 15 V am Ausgang U3. $U R e f$ ist vom Hersteller für jeden Spannungsreglertyp angegeben, in diesem Fall (LM317) kann sie immer mit 1,25 V angenommen werden.

[Bearbeiten] Low-Drop Spannungsregler

Ein Low-Drop Spannungsregler (oft LDO genannt) ist im Grunde ein normaler Spannungsregler, der allerdings den Vorteil besitzt, dass die Untergrenze der Differenz von Eingangs- zu Ausgangsspannung bis auf 0,2–0,5 Volt absinken kann. Ein herkömmlicher Spannungsregler benötigt dagegen mindestens 2–3 Volt Spannungsdifferenz.

[Bearbeiten] Foldback-Verhalten

Integrierte Spannungsregler haben in der Regel ein Foldback-Verhalten. Bei Überschreitung des maximalen Ausgangsstroms wird die Spannung so weit verringert, dass nur noch ein Zehntel des max. Stroms abgegeben wird.

[Bearbeiten] Typenbezeichnungen

Fixspannungsregler beziehungsweise Festspannungsregler
- 78xx (positive Ausgangsspannungen – Positivregler) Datenblatt (1.8MB)
- 79xx (negative Ausgangsspannungen – Negativregler)

xx = Ausgangsspannung, Normspannungen: 5V, 9V, 12V, 15V, ...
zum Beispiel ML7805 = Positivregler für 5V Ausgangsspannung oder L78M12 = Positivregler für 12V Ausgangsspannung.
Die beiden ersten Buchstaben (falls vorhanden) sind abhängig vom Hersteller.

Einstellbare Spannungsregler
- LM317 (positive Ausgangsspannungen – Positivregler)
- LM337 (negative Ausgangsspannungen – Negativregler)
- L200 (positive Ausgangsspannungen – Positivregler) Datenblatt
- TL783 (positive Ausgangsspannungen – Positivregler)
- LM723 (Spannungs- und Stromregelung möglich, etwas aufwendigere Beschaltung, oft in Labornetzteilen verwendet)
- MAX 667
- etc.