Spannungsregler
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Spannungsregler sind Bauteile zum Regeln von elektrischen Spannungen. Dieser Artikel behandelt Linearregler. Des Weiteren gibt es Schaltregler in den zwei Spielarten Hochsetzsteller und Tiefsetzsteller. Linearregler bieten den Vorteil einer häufig störungsärmeren Spannung, haben jedoch in der Regel einen schlechteren Wirkungsgrad als Schaltregler, was eine höhere Verlustleistung bedeutet.
Inhaltsverzeichnis |
[Bearbeiten] Einleitung
In elektronischen Schaltungen werden verschiedene stabile Spannungen benötigt. Dazu werden Spannungsregler oder Stabilisatorschaltungen verwendet.
Es gibt die Parallelstabilisierung und die Serienstabilisierung mit Längstransistor. Bei der Parallelstabilisierung liegt der Lastwiderstand (Verbraucher) parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors. Diese Schaltung wird kaum benutzt, da sie nur einen kleinen Ausgangsstrom für den Verbraucher zur Verfügung stellt. Bei der Serienstabilisierung liegt die Kollektor-Emitter-Strecke in Serie mit dem Verbraucher. Diese Schaltung ermöglicht einen hohen Laststrom bei guter Stabilisierung der Ausgangsspannung und wird dadurch 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). Die Eingangsspannung wird von D1 auf Uz stabilisiert. Rv dient zur Strombegrenzung von D1 (Schutzwiderstand). Uz und Ul bilden als Differenz die Schwellspannung Ube für den Transistor Ube = Uz - Ul.
Ist der Verbraucherwiderstand "Last" klein, sinkt bei gleichem Strom die Ausgangsspannung Ul, und Uce steigt (Spannungsabfall an der Kollektor-Emitter-Strecke). Die Folge ist, dass der Emitter negativer wird. Da die Spannung an der Basis durch Uz konstant bleibt ist nun die Basis positiver als der Emitter (Ube wird größer) und der Transistor regelt auf (der Widerstand der Kollektor-Emitter-Strecke sinkt). Damit steigt der Ausgangsstrom und auch wieder die Ausgangsspannung über den Verbraucher. Der Emitter wird wieder positiver und die Schaltung stellt sich auf die vorgegebene Spannung wieder ein.
Dies gilt auch für Ue. Wird Ue größer, so wird der Emitter positiver, der Transistor regelt zu. Analog dazu gilt dies auch für eine zu kleine Eingangsspannung (Transistor regelt auf). Der Transistor arbeitet hier als Regelstrecke.
Ein Nachteil dieser Schaltung ist, dass bei einem Kurzschluss am Ausgang die komplette Spannung Ue am Kollektor-Emitter-Kreis abfällt (Uce = Ue). Dieser Kurzschluss führt zu einer starken Aufheizung des Transistors, was letztendlich zu einem Defekt führen kann. Sie ist daher nicht kurzschlussfest.
Ein weiterer Nachteil ist der benötigte minimale Spannungsabfall zwischen Eingang und Ausgang. Durch den Einsatz eines npn-Transistor ist der minimale Spannungsabfall (engl. dropout voltage) bei dieser Schaltung mindestens 2,5 V. Das heißt, die Eingangsspannung muss mindestens um diese Spannung größer sein als die Ausgangsspannung um einen sicheren Reglerbetrieb zu gewährleisten. Vor allem bei kleinen Spannungen ist dies vom Wirkungsgrad schlecht: Bei einem 5 V Regler ergibt sich damit nur ein Wirkungsgrad von 50% oder weniger.
Durch Verwendung eines pnp-Transistors (oder eines p-kanal MOSFET) lässt sich die Schaltung mit geringeren Spannungsabfall betreiben. (engl. low drop regulator) Jene Regler sind allerdings technologisch aufwendiger als integrierte Schaltung auf einem Siliziumchip herzustellen und haben meist nur geringere Leistung.
Der Spannungsabfall verursacht gemeinsam mit den Strom durch den Regler am Transistor eine (Verlust-)wärme. Daher kann es notwendig sein, einen Spannungsregler mit einem Kühlkörper zu versehen um diese Abwärme 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 zusätzlich eine höhere Stabilisierung zu erhalten, werden z.B. in integrierten Spannungsreglern oder Labornetzteilen Operationsverstärker (OV) 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 OV 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 am OV. Somit sinkt die Ausgangsspannung des OVs und Q1 regelt zu. Der Rest funktioniert fast genauso wie bei der oben beschriebenen Schaltung.
[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 eine Anwendung von einem Festspannungsregler und einem einstellbaren Spannungsregler:
Bei einer Eingangsspannung (U1) von 30 V wird sich am Ausgang des Fixspannungsreglers 7824 (U2) eine Spannung von 24 V befinden. Dimensioniert man die Widerstände nach der Formel (hergeleitet vom Prinzip des Spannungsteilers):
erhält man zum Beispiel 15 V am Ausgang (U3). URef 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 ist im Grunde ein normaler Spannungsregler, der allerdings den Vorteil besitzt, dass die Untergrenze der Differenz von Eingangs- zu Ausgangsspannung etwa 0,2–0,5 Volt betragen 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 1. Buchstabenkombination ist abhängig vom Hersteller.
- Einstellbare Spannungsregler
- LM317 (positive Ausgangsspannungen – Positivregler)
- LM337 (negative Ausgangsspannungen – Negativregler)
- L200 (positive Ausgangsspannungen – Positivregler) Datenblatt
- TL783 (positive Ausgangsspannungen – Positivregler)
- LM723
- MAX 667
- etc.
