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.
Inhaltsverzeichnis
Lineare Spannungsregler
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 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.
Linearregler gibt es als Festspannungsregler und Regler mit einstellbarer Ausgangsspannung
- Festspannungsregler
- 7805 (5V)
- 7812 (12V)
- 78xx (xxV)
- 79xx (-xxV)
- LM2936-xx (xxV) Low-Drow, Droput typ. 200mV, max. 50mA
- LM2940-xx (xxV) Low-Drow, Droput typ. 500mV
- Linerregler
- LM317:
- VB408: Hochvolt
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.
Neben der Frequenz und dem Tastverhältnis sind auch die beteiligten Komponenten (Schalttransistor, Drossel, Diode, Kondensatoren) entscheidend für die Eigenschaften des Reglers (Effizienz, Störungen, Leistungbereich, Ausgangsspannung- und Strom, Ripple, Baugröße, 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
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
- 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
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.
Noch zu ergänzen:
- Fotos
- Schaltpläne
- Beispiele für Schaltregler-Typen und low-drop-Regler
Spannungsregler als Konstantstromquelle
Für viele Aufgaben sind konstante Ströme ebenso wichtig wie konstante Spannungen. Beispielsweise bei Motoren oder 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.
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