Spannungsregler

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 man eine schwankende Spannung auf eine festen Wert regeln 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 kein 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. Steigt die Ausgangsspannung zu sehr an, wird über den Transistor der Strom reduziert, bis die Spannung sich wieder stabilisiert hat.

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 je nach Stromfluss in Wärme umgewandelt. Dies führt zu einer starken Erwärmung des Reglers, sodass 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.

Schaltregler

Schaltregler arbeiten ähnlich wie eine Motorsteuerung nach den PWM-Prinzip: Die Eingangsspannung wird mit einer Frequenz im Bereich von einigen Kilohertz zerhackt, wobei das Verhältnis zwischen an- und ausgeschalteter Spannung die übertragene Leistung beeinflusst. Die so entstehende Rechteckspannung wird über eine Spule und einen Kondensator geglättet, um eine saubere Gleichspannung zu erhalten. Die Ausgangsspannung wird mit einer Referenzspannung verglichen, und bei Abweichung vom Sollwert wird das Tastverhältnis, mit dem die Spannung zerhackt wird, nachgeregelt. Der wesentliche Vorteil eines Schaltreglers besteht in seinem hohen Wirkungsgrad, je nach Typ lassen sich etwa 70 bis über 90% erzielen. Dadurch ergeben sich längere Laufzeiten im Akku/Batteriebetrieb, und eine gegenüber linearen Reglern wesentlich geringere Erwärmung. Daher kommt man meist mit einen vergleichsweise kleinen Kühlkörper aus, bei kleiner Last manchmal auch ohne zusätzliche Kühlung. Der Nachteil liegt in einem höheren Preis, übliche Schaltungen, die im Leistungsbereich einen 78xx liegen, kosten etwa 4 bis 5€. Außerdem brauchen diese Schaltungen mehr Platz, weil zum Regler-IC noch die Spule, eine Diode und ein Kondensator kommen. Daher ist der Aufbau auch etwas komplizierter, weil man mehr Bauteile unterbringen und korrekt verschalten muss. 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 kann wegen der hohen Schaltfrequenzen unter Umständen etwas schlechter sein als bei einem Linearregler.

Aufwärtswandler

Abwärtswandler

Invertierender Wandler

Noch zu ergänzen:

• Fotos
• Schaltpläne
• Beispiele für Schaltregler-Typen und low-drop-Regler

--Uwegw 15:09, 10. Sep 2006 (CEST)