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.

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" Spannungdifferenz 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. Je nach Stromfluss führt das 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 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 Enegie direkt vom Eingang zum Ausgang fliessen.

Neben der Frequenz und dem Tastverhältnis sind auch die beteiligten Komponenten (Schalttransistor, Drossel, Diode, Kondensatoren) entscheidend für die EIgenschaften des Reglers (Effizienz, Srörungen, Leistungbereich, Ripple, etc.)

Der wesentliche Vorteil eines Schaltreglers besteht in seinem hohen Wirkungsgrad, je nach Typ lassen sich etwa 70% bis über 90% erzielen. Zudem kann die Ausgangssannung über der Eingangsspannung liegen und anderes Vorzeichen haben. Dadurch ergeben sich längere Laufzeiten im Akku- und 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 eines 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 oder 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 V_OUT kleiner als V_IN. Die Energiedifferenz wird in der Drossel als Magnetfeld gespeichert. Mit der Zeit setzt die Drossel dem Strom einen immer geringer werdenden Widerstand entgegen: Die V_OUT steigt immer weiter. Hat V_OUT 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 Megnetfeld 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. V_OUT kann weit über V_IN 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. V_OUT sinkt unter GND. Sinkt der Strom durch die Drossel unter einen unteren Schwellwert, dann folgt die nächste On-Phase.

Noch zu ergänzen:

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

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