Festspannungsregler

Markus Tillmann 02/2007 

Wer hatte nicht schon den Wunsch, die Anzahl der Steckernetzteile im heimischen Shack zu reduzieren, vielleicht sogar ganze Steckdosenleisten überflüssig werden zu lassen? Sie verschwenden Raum und, wenn sie nicht nach jedem Gebrauch abgeschaltet werden, auch Strom. Eine erste Vorraussetzung wäre mit einem ausreichend kräftigen 12 V-Netzteil gegeben, welches mehrere Geräte gleichzeitig versorgt. Doch viele Verbraucher – und deswegen gibt es ja die Steckernetzteile – benötigen kleinere Betriebsspannungen. Bei genauer Betrachtung beschränken sie sich aber doch auf nur wenige. Bei Weltempfängern, Kassettenrekordern, Aktivantennen und Anpassgeräten sind dies meist 6 V oder 9 V, selten auch 4,5 V und 7,5 V. Wenn also schon ein 12V-Netzteil zur Verfügung steht ist es kein großer Schritt, daraus solche und jede andere Spannungen abzuleiten. Der Aufwand ist gering, unkompliziert und preiswert.

Dieser kleine Beitrag beschreibt Spannungsregler nicht in seiner ganzen Bandbreite, weder bezüglich ihrer Anwendungsmöglichkeiten noch in ihrer Typenvielfalt. Er stellt nur eine Art Übersicht dar und soll dazu motivieren, ihre Eigenschaften gewinnbringend zu nutzen.

Betrachten wir Spannungsregler-IC´s mit fester, also nicht regelbarer Ausgangsspannung, deren Preis je nach Leistungsklasse zwischen etwa 0,30 bis 2,00 Euro liegt. Die gängigsten, dreibeinigen Typen tragen eine mindestens vierstellige Bezeichnung. 78XX steht für positives, 79XX für negatives Spannungspotential am Ausgang. Negative Spannungsregler machen in symmetrische Spannungsversorgungen Sinn. Sie sollen hier nicht weiter behandelt werden.

Die letzten Ziffern XX bezeichnen die Höhe der geregelten Spannung Ureg. Verbreitet sind die Werte 3, 5, 6, 8, 9, 12, 15 und mehr Volt. Der Baustein 7805 also liefert geregelte 5 V mit positivem Spannungspotential an seinem Ausgang, der 7812 entsprechend 12 V. Die Abweichungen vom angegebenen Wert liegen typisch unter 0,1 V. Solche IC´s besitzen beispielsweise den Gehäusetyp TO-220 und liefern einen Strom der Größenordnung 1 A bis 2 A, wenn seine Metallfläche dazu genutzt wird, die Verlustwärme an einen Kühlkörper abzugegeben.

Die Bezeichnung kann um einen Buchstaben in der Mitte erweitert sein, der davon abweichende Stromklassen und i.d.R. Bauformen angibt: L für ca. 0,1 A, M für 0,5 A und S für Ströme bis zu 7 A. Ein IC namens 78L05 wird in den transistorähnlichen Gehäusen T0-92 gefertigt, 78S05 in Gehäuseform TO-3.

Wichtig: Die Pin-Belegung unterliegt keiner Regel. Dies ist je nach Hersteller verschieden. Oft, aber keinesfalls zwingend, liegt bei positiven Reglern die Masse an Pin 2, bei negativen und Low-Drop-Reglern an Pin 1. Die Kataloge der Versandfirmen [1] weisen meist die Pin-Belegung aus. Bei TO-3-Gehäusen stellt das Gehäuse selbst mit seiner großen Kontaktfläche zu Kühlkörpern die Masse dar.

Wesentliche Merkmale der Reglerbausteine sind die Fähigkeit, variierende Eingangsspannungen auf einen festen Wert zu regeln, der aber auf Grund von Verlustleistung üblicherweise 2 V bis 3 V unter der Eingangsspannung liegt. Aus einer 12 V-Spannungsquelle lassen sich also bis zu 9 V ableiten, aus Netzteilen mit 13,8 V immerhin 10 V. Der Eingangsspannungsbereich der Regler beträgt rund 4 V bis 40 V.

Low-Drop-Regler erfordern eine nur 0,5 V bis 1,0 V höhere Eingangs- als Ausgangsspannung – ein Zeichen für ihre geringen Verluste und infolge dessen auch für geringe Abwärme.

Recht aufwändig geht es im Innern eines Regler-IC´s zu. So ist eine eigene Spannungsreferenz mit Anlaufschaltung integriert. Kurzschlussstrombegrenzung und eine thermische Sicherung gehören ebenfalls zur Ausstattung der meisten Typen. Letztere reduziert den Ausgangsstrom kontinuierlich soweit herab, wie dies mangelnde Wärmeabfuhr erzwingt, etwa wenn kein ausreichend großer Kühlkörper montiert ist. Das heißt, die Regler können zwar bedenkenlos ohne Kühlkörper betrieben werden, wobei man dann aber nicht mehr mit dem Strom-Nennwert rechnen kann.

Das Bild zeigt die Grundbeschaltung des IC.

Unabdingbar sind die Kondensatoren C2 und C3. Sie verhindern das Eigenschwingen des Reglers, dessen Frequenz 100 kHz betragen kann. C2 und C3 sind mit dem Regler über kürzest mögliche Leiterlängen zu verschalten, und diese wiederum möglichst gleich lang. Je nach Typ ist der Wert zwischen 47 nF und 220 nF zu wählen – praktisch erfüllen 100 nF meist den Zweck.

Für die weiteren Bauelemente in der Schaltung heißt es: Im Zweifelsfalle ja! Wenn die Zuleitung von dem Gleichrichter eines Netzteils eine gewisse Länge überschreitet – das kann bereits ab 10 cm der Fall sein - wirkt die Zuleitung induktiv. Auslöser ist die Welligkeit des vom Gleichrichter kommenden Gleichstroms. Daraus ergeben sich unerwünschte Schwingungen, die mit dem Elektrolytkondensator C1 kompensiert werden. Sein Wert hängt aber auch von der Strömstärke ab, die der Regler verarbeitet, denn Strom bestimmt ja die Induktivität. Bei einem 0,1 A-Typ könnte eine Kapazität der Größenordnung 100 µF, bei einem 1 A-Typ 1000 µF erforderlich sein. Eine Optimierung ist nur direkt am Objekt möglich. Eine pulsfreie Eingangsspannung, etwa die einer Batterie oder einer anderweitig sauber geglätteten Spannung, lässt C1 üblicherweise überflüssig werden.

Der Elko C4 blockt Störungen seitens des Verbrauchers ab, trägt aber nicht weiter zur Stabilisierung bei. Sein Wert liegt in der Größenordnung des C1 bis hinab zu einer Größenordnung niedriger. Letztlich bestimmt aber der Verbraucher, welche Kapazität für C4 angemessen ist.

Ein Tip: Auch, wenn hier für jeden Kapazitätswert auf die Notwendigkeit der Anpassung an die konkreten Verhältnisse hingewiesen wird, so dient das nur dazu, für eventuelle, aber eher seltene Problemfälle zu sensibilisieren. In der hobbymäßigen Praxis liegt man fast immer mit o.g. Werten richtig.

Damit sich eventuelle Hochfrequenzeinstrahlungen, die dem Verbrauchers entstammen oder über das Verbraucherkabel eingekoppelt werden, nicht auf die Stabilität des Reglers auswirken, kann eine UKW-Drossel mit einer Induktivität von rund 10 µH bis 30 µH in Reihe zum positiven Ausgang der Schaltung eingefügt werden.

Ferner kann eine Diode, etwa eine 1N4148 o.ä., zwischen Ein- und Ausgang geschaltet werden. Sie sorgt bei großen Kapazitäten und geringen Strömen am Ausgang für ein blitzschnelles Absenken der Spannung auf den Wert der Eingangsspannung. Das schützt vor Inversbetrieb.

Dies alles zusammen (ausgenommen der UKW-Drossel) lässt sich auf einer dreizeiligen Streifenrasterplatine mit nur 11 Punkten Länge unterbringen.

Hiervon könnte man je nach Bedarf mehrere (oder die entsprechende Anzahl Schaltungen auf einer Platine) in das Netzteilgehäuse integrieren und die verschiedenen Kleinverbraucher direkt aus dem Gerät herraus mit der benötigten Spannung versorgen. Die Nähe zur Spannungsquelle, d.h. dem Netzteil, könnte, sofern seine Ausgangsspannung ausreichend geglättet ist, dann sogar jeweils zum Verzicht auf C1 führen. Für den mobilen Betrieb, bei dem ein 12 V-Akku zur Verfügung steht, böte sich ein kleines, externes Gehäuse zur Unterbringung der Schaltungen mit den entsprechenden Anschlüssen an – sozusagen ein universeller Spannungskonverter. Im Autozubehör werden Spannungskonverter zum Anschluss an den Zigarettenanzünder angeboten. Hiervor ist allerdings zu warnen. Meist wird hierrin nicht der Aufwand betrieben, für jeden Ausgang seinen eigens bemessenen Regler einzubauen. Statt dessen werden gern Lösungen mit Z-Diode und anschließender Transistorverstärkung gewählt, die nicht die Spannungskonstanz eines Spannungsreglers besitzt.

Wichtig ist es, die Wärmeabfuhr zu berücksichtigen. Beim Einsatz von Kühlkörpern können im Falle des TO-220-Gehäuses eine Verlustleistung von über 10 W auftreten, bei TO-3-Typen gerne auch über 20 W.

Lassen die angeschlossenen Geräte ein Laden ihrer Akku´s zu, während sie im Gerät verbleiben, ergibt sich die beachtenswerte Möglichkeit, sie dauerhaft angeschlossen zu lassen. Da die Ausgangsspannung geregelt ist, hat der sich mit der Ladung verändernde Innenwiderstand des Akkus keinen Einfluss auf die Ausgangsspannung des IC´s. Damit wird ein Akku je nach Spannung zwar nicht unbedingt maximal geladen, kann aber dauerhaft an der Spannungsquelle verbleiben, ohne überladen und zerstört zu werden. Eine Optimierung in Sachen Ladespannung ergibt sich aus dem nächsten Abschnitt.

Benötigt man nur hin und wieder eine von o.g. Festwerten abweichende Spannung oder wünscht man eine geeignete Ladespannung, die bekanntlich etwas über der normalen Zellenspannung liegt, erhält man mit geringem Aufwand eine Applikation, mit der sich eine Spannung größer als die Ausgangsspannung (Reglerspannung) Ureg erzeugen lässt. Gegenüber dem Festspannungsbetrieb verschlechtert sich die Stabilisierungseigenschaften und die Ausgangsimpedanz nur geringfügig. Folgendes Bild zeigt den Kern o.g. Schaltung, erweitert um einen Spannungteiler.

Zur Funktion folgende Überlegung: Der Strom in R2, IR2, setzt sich aus Ii und IR1 zusammen. Ferner muss auf Grund der Konstanz der Ausgangssspannung Ureg auch IR2 konstant sein. R1 liegt an der Spannung Ureg.

Legen wir einen 5 V-Regler zu Grunde, da dies unsere niedrigste benötigte Spannung sein möge: Für IR1 wird ein Wert > 5 x Ii empfohlen [2]. Ii beträgt typisch rund 4 mA. Für R1 bedeutet dies:

R1 = 5 V / (5 x 0,004 A) = 250 Ohm.

Nehmen wir entsprechend der E-12-Reihe den handelsüblichen Wert 270 Ohm. R2 besitze 180 Ohm. Damit ist der Strom in R1

IR1= Ureg / R1 = 5 V / 270 Ohm = 18,5 mA

und der Summenstrom

IR2= Ii + IR1 = 4 mA + 18,5 mA = 22,5 mA.

Um zu wissen, wie hoch die Gesamtspannung sein wird, die sich aus der Summe von Ureg und UR2 ergibt, errechnen wir zunächst noch

UR2= IR2 x R2 = 0,0225 A x 180 Ohm = 4,05 V.

Ergo ist die Gesamtspannung

Uges= Ureg + UR2 = 5 V + 4,05 V = 9,05 V.

Wäre R2 als Poti ausgeführt, stünde bei der Einstellung 0 Ohm Ureg = 5 V und bei 180 Ohm Uges = 9,05 V am Ausgang zur Verfügung. Es muss aber bedacht werden, dass sich der maximale Strom damit entsprechend reduziert, denn die verarbeitbare Leistung des IC´s hat sich ja nicht geändert. Leistungsstärkere Regler-Ausführungen sind dann empfehlenswert.

Die Verringerung von R1 sowie die Erhöhung von R2 führt zu insgesamt höherer Ausgangsspannung. Da aber Kleinverbraucher selten eine Betriebsspannung von über 9 V besitzen, ist es einer praxisgerechten Poti-Bedienung wegen sinnvoll, sich auf o.g. Widerstandswerten zu beschränken. Höchstens zum Laden eines 9 V-Blocks wäre der nächst größerer Wert für R2 zu wählen. Mit R2 = 220 Ohm käme man z.B. auf den Maximalwert von Uges = 9,95 V. 12 V-Verbraucher können schließlich direkt an die 12V-Spannungsquelle angeschlossen werden.

Wollte man auch einen Spannungsbereich erfassen, der unterhalb der Regelspannung liegt, so bedient man sich regelbarer Spannungs-IC´s. Sie sind in gleichen Gehäuseformen und Leistungsklassen wie die Festspannungsregler erhältlich. Bekannte Typen sind der LM317 mit 1,5 A sowohl in TO-220 als auch in TO-3-Gehäuse, der TL317 mit 0,1 A in TO-92-Gehäuse sowie der LM350 mit 3,0 A. Low-Drop-Typen mit der Bezeichnung LT108XCX (z.B. LT1084CP mit 5,0 A) sind mit 1,5 A bis zu 7,5 A erhältlich.

Für die Obergrenze der Ausgangsspannung ist die Eingangsspannung bestimmend. Wie für die Festspannungsregler ist auch hier eine Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung von rund 3 V, beim Low-Drop-Typen 1,0 V einzuplanen. Die maximale Eingangsspannung liegt ebenfalls bei 30 V bis 40 V. Der Masse-Pin – nun mit „Adjust" bezeichnet – wird wie vor über einen Spannungsteiler und mit Hilfe eines Potis mit einer Regelspannung versorgt. Auch die Dimensionierung von R1 entspricht in etwa der Vorgabe IR1 > 5 x Ii, der Widerstandswert des Potis jedoch richtet sich nach den Vorgaben des Herstellers. Er ist typenabhängig wie auch die Dimension der Kondensatoren zur Stabilisierung des IC´s. Die Beschaltung sollte deshalb Tabellenbüchern entnommen werden - Kataloge der Versandfirmen bieten hier ebenfalls desöfteren Information.

Im Preis macht sich gegenüber Festspannungsreglern kaum ein Unterschied bemerkbar, jedoch in der wesentlichen Eigenschaft, die Ausgangsspannung bis hinab auf 1,2 V einstellen zu können.

[1] Fa. Conrad Electronik GmbH

[2] Das komplette Werkbuch Elektronik, Dieter Nührmann, Franzis´ Verlag 2002