Spannungsregler

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Dieser Bericht befasst sich mit den Spannungsreglern im Bereich der Elektronik

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Einleitung

Datei:Regler.png

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.

Es gibt

• Festspannungsregler (Ausgangsspannung ist fix) oder
• einstellbare Spannungsregler (Ausgangsspannung ist nach eigenen Wünschen einstellbar) wie Labornetzteile etc.

Funktionsweise

Hier soll nur die Serienstabilisierung beschrieben werden!
Ein gutes Grundwissen über die Funktion von Transistoren ist hier vonnöten!

Datei:Stabilisierung.png

Die Spannung Ue kommt z.B. von einem Netztrafo mit Graetzbrücke. Die Eingangsspannung wird von D1 auf Uz stabilisiert. Rv dient zur Strombegerenzung von D1 (Schutzwiderstand). Uz und Ul bilden als Differenz die Schwellspannung Ube für den Transistor Ube = Uz - Ul. Zieht der Verbraucher "Last" mehr Strom sinkt die Ausgangsspannung, 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. Das Ergebnis ist, dass Q1 aufregelt (der Widerstand der Kollektor-Emitter-Strecke sinkt). Damit steigt wieder die Ausgangsspannung für 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. Der Nachteil dieser Schaltung ist, dass bei einem Kurzschluss am Ausgang die komplette Spannung Ue am Kollektor-Emitter-Kreis abfällt (Uce = Ue). Daher verbrät der Transistor die komplette Leistung der Spannungsqelle und wird sehr heiß und geht wahrscheinlich kaputt. Daher ist diese Schaltung nicht kurzschlussfest.

Spannungsregler mit Operationsverstärker

Um zusätzlich eine höhere Stabilisierung zu erhalten, werden z.B. in integrierten Spannungsreglern oder Labornetzteilen OVs eingesetzt. Die folgende Schaltung ist ähnlich der, die z.B. in integrierten Spannungsreglern eingesetzt wird. Das Einzige was fehlt ist die Strombegrenzung und damit die Kurzschlussfestigkeit.

Datei:Stabilisierung3.png

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.

Die Festspannungsregler sind für Spannungen bis maximal 35V bzw. -35V ausgelegt. Bei diesen Reglern ist eine Mindest-Spannungsdifferenz von 2V angegeben, d.h. Eingangsspannung - Ausgangsspannung >= 2V.

Hier eine Anwendung von einem Festspannungsregler und einem einstellbaren Spannungsregler:

Bei einer Eingangsspannung (U1) von 30V wird sich am Ausgang des Fixspannungsreglers 7824 (U2) eine Spannung von 24V befinden. Dimensioniert man die Widerständ nach der Formel (hergeleitet vom Prinzip des Spannungsteilers):

$U_{3}=U_{Ref}*\left(1+{\frac {R_{2}}{R_{1}}}\right)$

$U_{3}=1{,}25V*\left(1+{\frac {11k\Omega }{1k\Omega }}\right)$

erhält man zum Beispiel 15V am Ausgang (U3). URef ist vom Hersteller für jeden Spannungsreglertyp angegeben, in diesem Fall (317) kann sie immer mit 1,25V angenommen werden.

Ein Low-Drop Spannungsregler ist im Grunde ein normaler Spannungsregler, allerdings hat er einen kleinen Vorteil: Die Differenz von Eingangs- zu Ausgangsspannung kann hier bis zu 0,5 - 1 Volt betragen, anstatt wie bei normalen Spannungsreglern 2 bis 3 Volt.

Typenbezeichnungen

1. Fixspannungsregler bzw. Festspannungsregler
   1. 78xx (positive Ausgangsspannungen - Positivregler)
   2. 79xx (negative Ausgangsspannungen - Negativregler)

xx = Ausgangsspannung, Normspannungen: 5V, 9V, 12V, 15V, ...
z.B. ML7805 = Positivregler für 5V Ausgangsspannung oder L78M12 = Positivregler für 12V Ausgangsspannung.
Die 1. Buchstabenkombination ist abhängig vom Hersteller.

1. Einstellbare Spannungsregler
   1. 317 (positive Ausgangsspannungen - Positivregler)
   2. 337 (negative Ausgangsspannungen - Negativregler)
   3. L200 (positive Augangsspannungen - Positivregler)
   4. TL783 (positive Ausgangsspannungen - Positivregler)
   5. 723
   6. MAX 667
   7. etc.