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Die meisten Elektronikschaltungen brauchen eine bestimmte, stets gleichbleibende Betriebsspannung. Üblich sind hier 5V, bei einigen Bauteilen auch 3,3V. Oft stellt sich daher das Problem, dass eine schwankende Spannung auf einen festen Wert geregelt werden muss, um die Schaltung zu betreiben. Bei Batterien und Akkus sinkt die Spannung ab, wenn sie entladen werden, und bei einfachen Netzteilen und Trafos schwankt die Spannung je nach Belastung. Um dieses Problem zu lösen, gibt es die sogenannten Spannungsregler: Bauteile, die mit der ungeregelten, schwankenden Spannung versorgt werden und daraus die gewünschte, konstante Spannung erzeugen.


Lineare Spannungsregler

Spannungsregler 78S05
Die wohl bekanntesten und sehr häufig eingesetzten Spannungsregler sind die der 78xx-Serie. Das xx steht hierbei für die Spannung, die die Regler erzeugen: 7805 für 5V, 7812 für 12V, und so weiter. Der große Vorteil dieser Regler ist ihr geringer Preis (ab etwa 20 Cent) und die einfache Verwendung: in der Minimalvariante sind keine externen, zusätzlichen Bauteile nötig. Es wird aber trotzdem dringend empfohlen, zwei Kondensatoren anzuschließen, damit der Regler stabil arbeitet.

Die Regler vergleichen die Ausgangsspannung mit einer intern erzeugen Referenzspannung. Wenn die Ausgangsspannung zu niedrig ist, wird ein Transistor, durch den der Ausgangsstrom fließt, stärker angesteuert, sodass ein größerer Strom fließen kann, bis die gewünschte Spannung erreicht ist.

Prinzipelle Arbeitsweise eines Linearreglers

Steigt die Ausgangsspannung zu sehr an, wird über den Transistor der Strom reduziert, bis die Spannung sich wieder stabilisiert hat. Der Transistor wird also benutzt wie ein variabler Widerstand, der so eingeregelt wird, daß die "überflüssige" Spannungsdifferenz zwischen Eingangsspannung und gewünschter Ausgangsspannung an ihm abfällt, und zwar unabhängig vom fließenden Strom.

Der Nachteil dieser linearen Spannungsregler liegt in ihrem schlechten Wirkungsgrad und ihrer großen Verlustleistung. Der Teil der Spannung, die am Eingang zugeführt wird und gerade nicht am Ausgang benötigt wird, fällt am Transistor ab und wird dort in Wärme umgewandelt.

Der Wirkungsgrad eines Linearreglers (ohne Berücksichtigung des eigenen Strombedarfs) berechnet sich mit:

Spannungsregler wirkungsgrad.png

Beispiel: Ein Linearregler mit 5V Ausgangsspannung wird mit 12V am Eingang versorgt. Unabhängig vom entnommenen Strom beträgt der Wirkungsgrad dann nur (5V/12V)*100%=41,7%. Bei höheren Eingangsspannungen wird er sogar noch schlechter. Angenommen, am Ausgang werden 500mA benötigt. Der Regler muss dann 12V-5V=7V bei 500mA in Wärme umwandeln. Das entspricht einer Verlustleistung von 7V*0,5A=3,5Watt.

Je nach Stromfluss führt das zu einer starken Erwärmung des Reglers, so dass in den meisten Fällen ein Kühlkörper nötig wird, wodurch weitere Kosten entstehen und viel Platz in Anspruch genommen wird. Außerdem reduziert sich durch die großen Verluste die Betriebsdauer, wenn man den Regler mit Akkus oder Batterien versorgt.

Linearregler gibt es als Festspannungsregler und Regler mit einstellbarer Ausgangsspannung. Viele der Regler sind kurzschlussfest.

Übliche Anwendungsschaltung für den 7805. D1 dient als Verpolschutz, D2 schützt den Regler bei Spannungsspitzen am Ausgang (D2 wird meistens weggelassen), Kondensatoren und Elkos zum Abblocken. Die Bauteilwerte sind nur Beispiele, es können auch andere Werte verwendet werden.

Bei den normalen Spannungsreglern muss die Eingangsspannung mindestens 2-3 Volt höher als die Ausgangsspannung sein. Bei "low-drop" Reglern ist nur eine extra Spannung ("dropout") von etwa 0,1-0,5 V nötig. Dafür fließt aber in der Regel mehr Strom über den Masseanschluss. Außerdem muss bei Low-drop Reglern genauer auf den Kondensator hinter dem Regler geachtet werden. Meist wird ein Mindestwert für die Kapazität (teils >20 µF) verlangt. Dazu kommt ein erlaubter Bereich für den scheinbaren Serienwiderstand (ESR) des Kondensators, der ebenfalls eingehalten werden muss, damit der Regler zuverlässig nicht schwingt. Neben der Kapazität muss dazu der Kondensator Typ (i.A. Keramikkondensator, Tantal Elko oder low ESR Elko) passen. Je nach Regler sind die Anforderungen unterschiedlich - um einen Blick ins Datenblatt kommt man entsprechend bei einem low Drop Regler kaum herum.

Festspannungsregler
  • 7805 (5V)
  • 78xx (xxV) , 1 A positiv, Gehäuse TO220
  • 78Sxx (xxV), 2 A positiv, Gehäuse TO220
  • 79xx (-xxV), 1 A negativ, Gehäuse TO220
  • LP2950-xx (xxV) Low drop, Dropout typ. 300mV, max. 100mA, Gehäuse TO92 /SO8
  • LM2940-xx (xxV) Low drop, Dropout typ. 500mV, max. 1 A, Gehäuse TO220, Ausgangskondensator >22 µF mit ESR 0,1 - 1 Ohm (z.B. Tantal, ggf. low ESR Elko)
  • LT1761ES5-xx (xxV) Low drop,Dropout typ. 300mV, max. 100mA, Verpolungsschutz, Gehäuse SOT23-5
Linerregler, einstellbar
  • LM317: 1 A positiv
  • LP2951: low drop 100 mA

Für die Widerstandsberechnung an einem LM317 siehe [1].

Schaltregler

Schaltregler arbeiten nach einem komplett anderen Prinzip. Während bei Linearreglern die Spannungsdifferenz in Wärme umgewandelt wird und damit verloren ist, wird diese Energie bei Schaltreglern in einem Magnetfeld gespeichert und der Schaltung zu einem späteren Zeitpunkt wieder zugeführt.

Dies erfordert einen komplizierteren Aufbau als beim Linearregler. Ein Schaltregler hat zwei Arbeitsphasen:

On-Phase
Eingangsenergie wird im Magnetfeld gespeichert
Off-Phase
Die im Magnetfeld gespeicherte Energie wird an den Ausgang abgegeben

Je nach Konstruktionsprinzip kann in beiden Phasen auch Energie direkt vom Eingang zum Ausgang fliessen.

Der wesentliche Vorteil eines Schaltreglers besteht in seinem hohen Wirkungsgrad, je nach Typ lassen sich etwa 70% bis über 90% erzielen. Zudem kann die Ausgangsspannung über der Eingangsspannung liegen und ein anderes Vorzeichen haben. Dadurch ergeben sich längere Laufzeiten im Akku- und Batteriebetrieb und eine gegenüber linearen Reglern wesentlich geringere Erwärmung. Daher kommt man ohne oder mit einem vergleichsweise kleinen Kühlkörper aus.

Der Nachteil liegt in einem höheren Preis. Übliche Schaltungen, die im Leistungsbereich eines 78xx liegen, kosten etwa 2 bis 5€. Außerdem brauchen diese Schaltungen teilweise mehr Platz, weil zum Regler-IC noch die Spule, Kondensatoren und oft eine Diode kommen. Auch das Platinenlayout erfordert etwas Sorgfalt, denn gewisse Leitungen sollten möglichst kurz und breit ausgeführt werden, um die einwandfreie Funktion sicherzustellen. Die Qualität der Spannung ist wegen der hohen Schaltfrequenzen in der Regel etwas schlechter als bei einem Linearregler (kann aber noch gefiltert werden) und kann zu Problemen in der Schaltung führen wie z.B. die Störung vom Funkempfängern.

Abwärtswandler

Prinzipieller Aufbau eines Abwärtsreglers

Am einfachsten zu verstehen ist der Abwärtswandler (Step-Down):

On-Phase (Schalter S geschlossen)
Über S und die Drossel L fliesst Strom an der Diode D vorbei zum Ausgang. Über der Drossel fällt Spannung ab, daher ist VOUT kleiner als VIN. Die Energiedifferenz wird in der Drossel als Magnetfeld gespeichert. Mit der Zeit setzt die Drossel dem Strom einen immer geringer werdenden Widerstand entgegen: Die VOUT steigt immer weiter. Hat VOUT den gewünschten Wert erreicht, dann wird S geöffnet und die On-Phase beendet.
Off-Phase (Schalter S geöffnet)
Die Drossel ist ein induktives Bauelement. Daher kann der Strom durch sie nicht sofort stoppen; er muss weiterfliessen: Die Drossel ist jetzt eine aus der Energie ihres Magnetfelds gespeiste Strompumpe, die den Kondensator C weiter mit Energie versorgt, indem sie Strom durch die Diode D saugt. In der Off-Phase zieht der Verbraucher seine Energie aus dem elektrischen Feld des Kondensators und dem Magnetfeld der Drossel. Sinkt der Strom durch die Drossel unter einen Schwellwert, dann folgt die nächste On-Phase.

Aufwärtswandler

Prinzipieller Aufbau eines Aufwärtswandlers
On-Phase (Schalter S geschlossen)
Über S und die Drossel L fliesst Strom an der Diode D vorbei nach GND. Der Stromfluss baut ein Magnetfeld in der Drossel auf. In der On-Phase versorgt sich der Verbraucher aus dem Kondensator C. Erreicht der Strom durch die Drossel einen oberen Schwellwert, wird S geöffnet und die on-Phase endet.
Off-Phase (Schalter S geöffnet)
Die Drossel ist ein induktives Bauelement. Daher kann der Strom durch sie nicht sofort stoppen; er muss weiterfliessen: Die Drossel pumpt Ladungsträger über die Diode D auf den Kondensator C. Die Energie dazu nimmt sie aus ihrem Magnetfeld. VOUT kann weit über VIN steigen. Sinkt der Strom durch die Drossel unter einen unteren Schwellwert, dann folgt die nächste On-Phase.

Invertierender Wandler

Prinzipieller Aufbau eines invertierenden Wandlers

Funktioniert vom Prinzip wie der Aufwärtswandler.

On-Phase (Schalter S geschlossen)
Über S und die Drossel L fliesst Strom an der Diode D vorbei nach GND. Der Stromfluss baut ein Magnetfeld in der Drossel auf. In der On-Phase versorgt sich der Verbraucher aus dem Kondensator C. Erreicht der Strom durch die Drossel einen oberen Schwellwert, wird S geöffnet und die on-Phase endet.
Off-Phase (Schalter S geöffnet)
Die Drossel ist ein induktives Bauelement. Daher kann der Strom durch sie nicht sofort stoppen; er muss weiterfliessen: Die Drossel saugt über die Diode D Ladungsträger vom Kondensator C. Die Energie dazu nimmt sie aus ihrem Magnetfeld. VOUT sinkt unter GND. Sinkt der Strom durch die Drossel unter einen unteren Schwellwert, dann folgt die nächste On-Phase.

praktische Umsetzung

Für Schaltregler gibt es spezielle ICs, die den größten Teil der Schaltung enthalten. Neben der Frequenz und dem Tastverhältnis sind auch die beteiligten Komponenten (Schalttransistor, Drossel, Diode, Kondensatoren) entscheidend für die Eigenschaften des Reglers (Effizienz, Störungen, Leistungsbereich, Ausgangsspannung- und Strom, Rippel, Baugröße, etc.). Einige der Regler arbeiten nur ab einer Mindestlast - bei weniger Belastung besteht die Gefahr von Überspannung am Ausgang.

Beispielschaltung für Schaltregler mit LM2575-5: 5 V bis ca. 1 A. Der 100µF Elko vor dem Regler sollte ein low ESR Typ sein und ggf. auch größer, um die nötige Strombelastbarkeit zu erreichen.

Beispiele für Schaltregler ICs:

  • LM2574 N5 : 5 V, 0,5 A , Abwärtswandler, DIP8
  • LM2576 T5 : 5 V, 3 A , Abwärtswandler, TO220-5
  • LM2576 T12: 12 V, 3 A , Abwärtswandler, TO220-5
  • LM2576 ADJ: einstellbar, 3A, TO220-5
  • LM2673 T5 : 5 V , 3 A , Abwärtswandler mit einstellbarer Strombegrenzung, TO220-5
  • LM2679 T5 : 5 V , 5 A , Abwärtswandler mit einstellbarer Strombegrenzung, TO220-5
  • MC33063/MC34063 : variabel ca. 0,2-1 A, DIP8, SO8, Online-Berechnung dazu unter Weblinks
  • LT1072 , variabel, ca. 1 A
  • MAX856, aufwärts, z.B. 3 V -> 5 V, ca. 100 mA, SO8 (SMD)
  • MCP1640 aufwärts, z.B. 1,2 V -> 5 V, ca. 100 mA, SOT23-6 (SMD)
  • PR4401, aufwärts, LED-teiber ca. 20 mA, SOT23 (SMD)
  • L4970A : einstellbar 5,1-40V Output, 10A, Abwärtswandler, Multiwatt-15-Gehäuse

Hinweise zu den beteiligten Komponenten:

  • Als Diode sollte eine Schottkydiode verwendet werden, die eine ausreichende Strombelastbarkeit aufweist, z.B. 1N5818 (1Ampere) oder 1N5821 (3Ampere). Sie sollte eine möglichst geringe Vorwärtsspannung (engl. "forward voltage") bei dem gewünschten Ausgangsstrom haben. Das lässt sich normalerweise im Datenblatt der Diode aus einem Diagramm entnehmen. Ein langsame Diode wie die 1N4003 ist hier nicht geeignet.
selber gewickelte Ringkernspule. 18 Windungen 1mm² Kupferlackdraht, Induktivität 250µH, (Kern: Pollin Best.-Nr. 250242), ca 20mm Durchmesser. Die Windungen wurden auseinander gedrückt, um die parasitäre Kapazität zwischen den Windungen zu reduzieren.
Bauteile für einen Schaltregler: von links nach rechts: Eingangs-Ker.ko., Eingangselko, Schaltregler-IC LM2576, Spule, Ausgangselko, unten: Schottkydiode
  • Die Spule sollte einen möglichst geringen ohmschen Widerstand haben. Man kann sie ganz einfach selbst anfertigen. Zur Reduktion von Funkstörungen ist eine Ringkernspule sinnvoll, da sie ein geschlossenes Magnetfeld bildet. Auf den Ringkern wird dann möglichst dicker Kupferlackdraht gewickelt (z.B. 0,5...1mm Durchmesser). Die Anzahl der erforderlichen Windungszahl n kann mit Hilfe der Formel L=Al*n² berechnet werden (L=benötigte Induktivität, Al=Konstante des Kerns in nH). Ein zweiter wichtiger Punkt ist, das der Kern nicht in die Sättigung kommt. Dazu sollte ein geeignetes Kernmaterial (in der Regel Ferrit) gewählt werden (keine zu hohe Permeabilität, Al nicht zu groß für die Bauform). [Bitte ergänzen]. Festinduktivitäten in Widerstandsbauform sind aufgrund ihres hohen Innenwiderstandes (schlechte Güte) dafür nicht geeignet. Langgestreckte Spulen (axiale Bauform) können aufgrund ihres erzeugten Magnetfeldes mehr Störungen verursachen. Die erforderliche Induktivität kann je nach Eingangsspannung und Ausgangsstrom variieren. Im Datenblatt des jeweiligen Schaltreglers gibt es hierfür Diagramme, in denen man die notwendige Induktivität abhängig von den genannten Größen ablesen kann.
  • Der Ausgangselko sollte einen geringen ESR ("equivalent series resistance") haben. Es gibt spezielle Low-ESR Typen, die für solche Anwendungen verwendet werden können. Alternativ kann durch eine Parallelschaltung von mehreren Elkos ebenfalls ein geringer ESR erreicht werden.

Ausgangsfilter:

Zur Reduktion der Welligkeit ("ripple") der Ausgangsspannung sollte ein zusätzliches LC-Tiefpassfilter hinter den Regler hinzugefügt werden. Man sollte darauf achten, dass die Filterspule wieder einen geringen ohmschen Widerstand besitzt, da ansonsten bei größerer Strombelastung die Ausgangsspannung aufgrund dieses Widerstandes sinkt. Festinduktivitäten in Widerstandsbauform sind aufgrund ihres hohen Innenwiderstandes (zu viel Spannungsabfall) dafür nicht geeignet. Parallel zum Elko kann auch noch z.B. ein 100nF Keramikkondensator geschaltet werden.

Beispiel für eine Dimensionierung des Filters (lt.Datenblatt des LM2576-5): 20µH, 100µF

Eingangsfilter:

Falls der Regler Rückwirkungen auf die Eingangsspannung verursacht, kann auch vor dem Regler ein LC-Tiefpassfilter eingesetzt werden. Die Kapazität des Eingangselkos darf in diesem Fall ruhig größer gewählt werden.

Im jeweiligen Datenblatt findet man in der Regel weiterführende Informationen zur Schaltung und den benötigten Teilen, insbesondere zur Dimensionierung sowie Anhaltspunkte zum Design eines Platinenlayouts.


Noch zu ergänzen:

  • Fotos
  • Schaltpläne

Spannungsregler als Konstantstromquelle

Für viele Aufgaben sind konstante Ströme ebenso wichtig wie konstante Spannungen. Beispielsweise bei Leuchtdioden. Leuchtdioden benötigen in der Regel ca. 20 mA Strom, je nach Ausführung. Vorwiderstände sind oft nicht die beste Lösung, zumal diese bei fallender Spannung den Strom nicht mehr konstant halten und somit die Leuchtkraft unnötig reduzieren. Eine einfache und zugleich günstige Lösung ist die hier abgebildete Schaltung mit dem zweckentfremdeten Spannungsregler LM317K. Der LM317K ist normalerweise ein einstellbarer Spannungsregler. Über die untere Schaltung wird er auch zur Konstantstromquelle: Der Spannungsregler stellt sich so ein, daß zwischen "Vout" und "Adj." 1,25 V liegen. Dank R = U / I läßt sich leicht errechnen, daß bei einem betimmten Widerstandswert ein bestimmter Strom fließt. Und diesen lassen wir dann einfach durch unsere Verbraucher weiterfließen. Der LM 317K kann mit einer maximalen Eingangsspannung von ca. 4 bis 35 Volt betrieben werden. Die Strombegrenzung ist in einem Bereich von 1,25 - 0,01 Ampere einstellbar, R1 liegt somit zwischen 1 Ohm bis 120 Ohm. Siehe unten unter Weblinks, dort findet man ein Online-Formular im Roboternetz, mit der sich die Schaltung genau dimensionieren läßt.

Es sollte darauf geachtet werden, dass der LM317 ausreichend gekühlt wird (bei größeren Strömen/Verlustleistungen). Üblicherweise wird der Regler mit etwas Wärmeleitpaste (evtl. auch Glimmerscheibe als Isolator) auf einen Kühlkörper geklebt und mit Hilfe einer M3 Schraube am Kühlkörper festgeschraubt.

Konstantstromquellelm317.gif Lm317.gif

Ist die Spannungsdifferenz zwischen Betriebsspannung und Last (z.B. High-Power-LEDs) sehr groß, bietet es sich an, nicht den LM317, sondern einen "normalen" Spannungsregler zu verwenden (z.B. 7805, 7809 o.ä.). Der Regler wird genau wie im abgebildeten Schaltplan angeschlossen. Vorteil ist dann, dass verhältnismäßig mehr Leistung im Widerstand als im Regler selbst umgesetzt werden muss. Ein Hochleistungswiderstand lässt sich nämlich in der Regel besser kühlen als der Regler im TO-220-Gehäuse.

Allerdings sollte man sich bei einer großen Spannungsdifferenz Gedanken über den Wirkungsgrad machen.

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