Konstantspannungsregler

Spannungsregler sind Bauteile zum Regeln (Stabilisieren) von elektrischen Spannungen.

Elektrische Verbraucher und elektronische Schaltungen benötigen in der Regel stabile, last- und netzspannungsunabhängige Spannungen. Hierzu werden Spannungsregler oder Stabilisatorschaltungen verwendet. Solche Regelschaltungen halten die Spannung bis zu einem bestimmten maximalen Strom konstant.

Sowohl Gleich- als auch Wechselspannungen können stabilisiert werden, bei kleineren Verbrauchern stabilisiert man meist die ohnehin erforderliche Gleichspannung.

Es gibt für Gleichspannung Linearregler und Schaltregler (siehe dort) in den zwei Arten Aufwärtswandler und Abwärtswandler (Tiefsetzsteller). Tiefsetzsteller können ganz ähnlich wie Längsregler eingesetzt werden, sie benötigen oft zusätzlich eine Diode und eine Induktivität und haben einen hohen Wirkungsgrad.
Linearregler bieten dagegen den Vorteil einer störungsärmeren Ausgangsspannung, haben jedoch aufgrund höherer Verlustwärme einen schlechteren Wirkungsgrad als Schaltregler.

Lineare Regler

Zwei gängige lineare Festspannungs-Längsregler, links 5 V/1 A, rechts 5 V/100 mA

Man unterscheidet die Parallelstabilisierung (Querregler) und die Serienstabilisierung (Längsregler).

Beim Querregler liegt der Lastwiderstand (Verbraucher) parallel zum Reglerschaltkreis und wandelt die gesamte nicht benötigte Leistung in Wärme um. Sie wird aufgrund ihrer Verluste nur in seltenen Fällen verwendet, z. B. wenn die entnommene Leistung nur gering ist oder die Regelgeschwindigkeit hoch sein muss. Die Gesamtstromaufnahme ist immer so hoch wie bei Maximallast. Im weitesten Sinne kann eine Zener-Diode als Shuntregler verstanden werden.

Bei linearen Längsreglern liegt die Regelstrecke (sogenannter Längstransistor) in Serie mit dem Verbraucher. Diese Schaltung nimmt immer nur etwas mehr als den Laststrom auf und ist daher effizienter als eine Parallelstabilisierung; sie wird deshalb in der Elektronik am häufigsten eingesetzt.

Unabhängig vom Reglertyp gehört zum Spannungsregler immer eine Referenzspannungsquelle die entsprechend den Anforderungen aus einer unterschiedlich komplexen Schaltung besteht. Zum Einsatz kommt im einfachsten Fall die Reihenschaltung aus einer Zener-Diode und Vorwiderstand, des Weiteren die bei integrierten Schaltkreisen bevorzugte Bandabstandsreferenz und bei Präzisionsanwendungen eine Zener-Diode mit geregelter Beschaltung oder spezielle temperaturkompensierte Bandabstandsreferenzen.

Längsregler

Als Längsregler finden meist integrierte Schaltungen Verwendung, die die Regelstrecke (Leistungstransistor), den Regler und eine Referenzspannungsquelle enthält.

Man unterscheidet:

• Festspannungsregler: Ausgangsspannung wird herstellerseitig festgelegt
• Einstellbare Spannungsregler: Ausgangsspannung ist mittels eines Spannungsteilers wählbar

Funktionsweise

Funktion am Beispiel einer einfachen Schaltung:

Längsregeler mit Z-Diode

Die Spannung U_E kommt z. B. von einem Netztrafo mit Graetzbrücke (Brückengleichrichter) mit Ladekondensator. Die Eingangsspannung wird von D_z auf U_z stabilisiert. R_v dient zur Strombegrenzung von D_z und muss gleichzeitig auch den wechselnden Basisstrom von Q liefern.
Die Ausgangsspannung U_A ist gleich der Zenerdiodenspannung U_z minus U_BE (Basis-Emitterspannung von Q, etwa 0,6 V).
Wird U_E viel größer als U_A gewählt, dann wird der Wirkungsgrad der Schaltung schlechter.

Steigt der Ausgangsstrom I_A, der gleichzeitig auch der Strom durch Q ist, durch einen sinkenden Verbraucherwiderstand R_Last an, dann erhöht sich auch der Basisstrom von Q. Der Basisstrom von Q ist um den Stromverstärkungsfaktor β dieses Transistors geringer als I_A. Also I_B = I_A / β.
Da die Spannung an der Basis Q durch U_z bis zu bestimmten Strömen konstant bleibt, regelt Q auf (der Widerstand der Kollektor-Emitter-Strecke sinkt). Damit kann der Ausgangsstrom steigen und die Ausgangsspannung über den Verbraucher bleibt somit fast konstant. Der Transistor Q arbeitet hier als Regelstrecke.

Ein Nachteil dieser Schaltung ist, dass bei einem Kurzschluss am Ausgang die komplette Spannung Ue an der Kollektor-Emitter-Strecke abfällt (Uce = Ue). Der Strom I_k im Kurzschlussfall ist dann (U_E - U_BE) geteilt durch R_v mal Stromverstärkung β des Transistors. Diese hohe Verlustleistung (P = U_E x I_k) bedingt eine starke Aufheizung des Transistors, was letztendlich zu einem Defekt führen kann. Diese Schaltung ist daher nicht kurzschlussfest.

Ein weiterer Nachteil ist der benötigte minimale Spannungsabfall zwischen Eingang und Ausgang:
Neben U_be ist auch ein Spannungsabfall über R_v notwendig, um den Strom für die Zenerdiode D_z und den Basisstrom für Q zu liefern. Das heißt, die Eingangsspannung muss mindestens um diese Spannung größer sein als die Ausgangsspannung, um einen sicheren Reglerbetrieb zu gewährleisten. Eine deutliche Verbesserung kann erzielt werden, wenn R_v durch einen pnp-Transistor Q₂ ersetzt wird.

Der Emitter von Q₂ wird an den Kollektor von Q und der Kollektor von Q₂ an die Kathode von D_z geschaltet. R_v wird dann zwischen Basis von Q₂ und Anode von D_z geschaltet. Durch diese Konstantstromquelle kann eine minimale U_CE von etwa 1 V und ein begrenzter Kurzschlussstrom erreicht werden, der nicht viel höher ist, als der maximale geregelte Laststrom.
Durch diesen zusätzlichen Transistor kommt die Schaltung einem Low-Drop-Regler sehr nahe.

Der Spannungsabfall verursacht aufgrund des Stromes durch den Regler am Transistor Verlustwärme. Daher ist es oft nötig, Längsregler mit einem Kühlkörper zu versehen, um diese Wärme abzuführen.

Integrierte Spannungsregler besitzen meistens interne Schutzschaltungen, welche bei Übertemperatur des Chips den Strom durch den Regler drosseln oder abschalten.

Um eine exakte Stabilisierung zu erhalten, werden z. B. in integrierten Spannungsreglern oder Labornetzteilen Operationsverstärker (OPV) eingesetzt.
Die folgende Schaltung ist ähnlich der, die zum Beispiel in integrierten Spannungsreglern eingesetzt wird, lediglich die Strombegrenzung und der Übertemperatuschutz fehlen:

Einstellbarer Längsregler mit OPV

Der nichtinvertierende Eingang des OPV wird fest auf U_z stabilisiert. Mit R₂ kann die Spannung zwischen U_z und U_E eingestellt werden. Benutzt man für R₂ einen „normalen“ Widerstand, so hat man einen Festspannungsregler.
Steigt U_E, so steigt auch der Spannungsabfall an R₁, R₂, R₃ und somit auch am invertierenden Eingang des OPV. Somit sinkt die Ausgangsspannung des OPV und Q regelt zu. Der Rest funktioniert fast genauso wie bei der oben beschriebenen Schaltung.

Eine Verbesserung kann erreicht werden, wenn Q gegen einen pnp-Transistor oder p-Mosfet getauscht wird. Zusätzlich müssen die Eingänge des OPV und Kollektor/Emitter von Q getauscht werden. Wird ein pnp-Transistor verwendet, ist auch durch die Zwischenschaltung eines Basiswiderstandes R_B eine wirksame Strombegrenzung möglich. Wird dieser Widerstand durch ein Potentiometer in Reihe ergänzt, kann der maximal entnehmbare Laststrom eingestellt werden. Der maximale Laststrom ist etwa U_E x β / R_B

Kennwerte integrierter linearer Längsregler

Übliche Festspannungsregler sind für Eingangsspannungen von 20 bis 40 V ausgelegt. Es werden auch Regler für negative Spannungen angeboten.
Bei den meisten Längsreglern ist eine Mindest-Spannungsdifferenz zwischen Ein- und Ausgang von 1,5 bis 2 V erforderlich.

Das Bild zeigt die Grundschaltung eines Festspannungsreglers und eines einstellbaren Spannungsreglers.

Anwendung von Spannungsreglern

Bei einer Eingangsspannung (U1) von 30 V wird sich am Ausgang des Fixspannungsreglers 7824 (U2) eine Spannung von 24 V einstellen.
Man dimensioniert die Widerstände nach dem Prinzip eines Spannungsteilers, sodass sich zwischen Steueranschluss und Ausgangsanschluss U=U_Ref einstellt:

$U_3 = U_{Ref} \cdot \left(1+\frac{R_2}{R_1} \right) \,$

Der Längsstrom im Spannungsteiler darf einen bestimmten Wert nicht unterschreiten, um die spezifizierte Regelgenauigkeit einzuhalten, da aus dem Steuereingang ein gewisser kleiner Strom herausfließt. Der vom Hersteller angegebene Richtwert des Längsstromes (und damit des Wertes von R1) bewegt sich zwischen 1 und 10 mA; im folgenden Dimensionierungsbeispiel beträgt er 1,25 mA. Mit

$U_3 = 1{,}25\ \mathrm V \cdot \left(1+\frac{11\ \mathrm k\Omega}{1\ \mathrm k\Omega} \right) \,$

erhält man zum Beispiel 15 V am Ausgang U3. U_Ref ist vom Hersteller für jeden Spannungsreglertyp angegeben, beim Typ LM317 beträgt sie etwa 1,25 V.

Low-Drop-Längsregler

Low-Drop-Linearregler auf einer CPU-Adapterfassung

Ein Low-Drop Spannungsregler (oft LDO genannt, für Low Drop-Out) ist ein Längsregler mit einer geringeren minimal erforderlichen Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung (0,2 bis 0,5 Volt statt 1,5 bis 3 Volt bei anderen Reglern).

Sie sind hilfreich, um die Regelreserve bei schwankender Eingangsspannung näher an die Ausgangsspannung zu bringen, so verringern sich die Verluste und auch das speisende Netzteil kann knapper ausgelegt werden.

Ein weiterer Anwendungsfall ist, aus einer vorhandenen Spannung eine kleinere zu gewinnen, die nur wenig darunter liegt (z. B. 4,096 Volt aus 5 Volt).

Beschaltung

Durch eine Diode geschützter Regler

Integrierte Standard-Spannungregler sind kurzschluss- und überlastsicher, manche jedoch nicht gegen Verpolung geschützt. Außerdem können sie durch den Regelvorgang anfangen zu schwingen. Das ist nicht nur für die Spannungsregler gefährlich, es können auch unerwünschte hochfrequente Schwingungen und Transienten erzeugt werden. Diese bleiben oft unbemerkt, da sie bei einer Gleichspannungsmessung nicht angezeigt werden.

Für den ordnungsgemäßen Betrieb erfordern Spannungsregler externe Kondensatoren. Ein gutes Datenblatt liefert hierzu alle nötigen Angaben. Nicht alle im nebenstehendem Schaltplan eingezeichneten Kondensatoren sind zwingend notwendig, bei der populären 78xx-Reihe ist laut Datenblatt nur C2 mit mindestens 100 nF vorgeschrieben und muss induktionsarm sein, also einen niedrigen ESR-Wert aufweisen. Zusätzlich muss der Kondensator mit möglichst kurzen Leiterbahnen mit dem Regler verbunden sein, da große Leitungsinduktivitäten genauso zum Schwingen führen.

Andere Regler erfordern nur C3 als zwingend, ebenfalls induktionsarm. Bei der 78xx-Reihe verbessert C3 das Regelverhalten gegenüber schnellen Lastwechseln.

Die zusätzlichen Kondensatoren C1 und C4 sind optional. C1 kann als Glättungskondensator nach einem Gleichrichter agieren und – wenn dessen Datenblattwerte stimmen – gleichzeitig C2 ersetzen. Ein großer C4 verbessert das Verhalten bei Lastwechseln oder fängt kurze Lastspitzen ab und reduziert die Restwelligkeit auf der Ausgangsspannung. Nachteilig ist der verlangsamte Spannungsanstieg beim Einschalten.

In einigen Anwendungen empfiehlt sich eine Verpolungsschutzdiode vom Regler-Ausgang zum Eingang. Von Bedeutung ist dieser Schaltungszusatz bei großem C4 und wenn gleichzeitig mehrere Lasten von der ungeregelte Eingangsspannung abzweigen. So kann es passieren, dass beim Ausschalten C1 schneller als C4 entladen wird und die Ausgangsspannung höher als die Eingangsspannung liegt. Der Regler ist nun verpolt. Ein Schutzdiode bewahrt den Regler vor der Zerstörung. Eine schnelle Diode (z. B. Schottkydiode) ist hier besonders geeignet, die Sperrspannung muss mindestens so hoch wie die maximale Spannung der Speisung betragen.

Typenbezeichnungen

• Fixspannungsregler beziehungsweise Festspannungsregler
  • 78xx (positive Ausgangsspannungen – Positivregler) ^[1]
  • 79xx (negative Ausgangsspannungen – Negativregler)

xx = Ausgangsspannung, Normspannungen: 5 V, 9 V, 12 V, 15 V, …
zum Beispiel ML7805 = Positivregler für 5 V Ausgangsspannung oder L78M12 = Positivregler für 12 V Ausgangsspannung.

Hinter der Bezeichnung 78Sxx verbirgt sich ein 2-A-Typ, unter 78Txx einer für 3 A. Die 5-A-Typen haben meist die Bezeichnung 78Hxx. Je nach Hersteller kann vor der Ziffernfolge 78 noch ein Präfix stehen. Üblich sind µA78xx, MC78xx, LM78xx und L78xx. Oft bezeichnet ein Buchstabe nach der Spannungsangabe die Toleranz. Als Anhaltspunkt können ein A für ±2 % und ein C für ±4 % dienen.
Beispiel: MC7809A für Positivregler, 9 V, Toleranz 2%, Gehäuse TO-220.

• Einstellbare Spannungsregler (Beispiele)
  • LM317 (positive Ausgangsspannungen – Positivregler)
  • LM337 (negative Ausgangsspannungen – Negativregler)
  • L200 (positive Ausgangsspannungen – Positivregler) ^[2]
  • TL783 (positive Ausgangsspannungen – Positivregler)
  • LM723 (Spannungs- und Stromregelung möglich, etwas aufwändigere Beschaltung, oft in Labornetzteilen verwendet)
  • MAX667 (LDO-Regler für Batterieanwendungen: Eingangsspannungswächter, Ausgangsspannung wahlweise 5 V oder einstellbar)

Querregler

Querregler, auch Parallelregler, oder Shuntregler genannt, sind parallel zum Verbraucher geschaltet und nehmen immer soviel Strom auf, um die Spannung an ihren Klemmen konstant zu halten. Sie müssen daher aus einer strombegrenzten Quelle gespeist werden. Die Strombegrenzung besteht in der Regel aus einem vorgeschalteten Widerstand. Querregler werden nur für kleine Leistungen eingesetzt (Referenzspannungsquellen, kleine Gleichspannungsquellen).
Die Ausgangsspannung von Querreglern ist kurzschlussfest, wenn das strombegrenzende Glied die erhöhte Verlustleistung verträgt. Der Querregler selbst hat bei maximaler Belastung (und auch bei Kurzschluss) seine geringste Belastung.

Als Querregler werden neben diskreten Schaltungen in einfachen Fällen Zenerdioden, für höhere Stabilitätsanforderungen integrierte Schaltungen eingesetzt. Diese integrierten Schaltkreise sind ebenso wie Längsregler für fixe Spannungen (z. B. 2,5 V, 4,096 V, 5 V) als auch in einstellbaren Varianten erhältlich. Sie werden auch Referenzspannungsquelle (engl. voltage reference) genannt, da dies ihr Hauptanwendungsgebiet ist (es gibt jedoch auch Referenzspannungsquellen in der Schaltungsart eines Längsreglers). Querregler verhalten sich nach außen wie eine hochstabile, temperaturunabhängige Zenerdiode.

Typenbeispiele:

• LM336, fixe Spannung
• TL431, einstellbar

Eine weitere Anwendung des Querreglers ist als Laderegler für Akkus. Eine Überladung wird bei vollem Akku dadurch verhindert, dass ein den Akku zu überladen drohender Strom im Querregler abgezweigt und in Wärme umgewandelt wird. Dieses Verfahren ist bei Ladestromquellen angezeigt, die nicht unbelastet betrieben werden dürfen. Ein typisches Beispiel hierfür sind kleine Windgeneratoren. Unbelastet können diese, je nach Bauart und Windgeschwindigkeit, unzulässige Drehzahlen und Leerlaufspannungen erreichen.

Shuntregler regeln in der Satellitentechnik die Stromversorgung von Solarzellen. Sie sind einfach und zuverlässig. Unter Last ist ihre Verlustleistung geringer als die der Längsregler, die immer einen Spannungsabfall und damit einen Leistungsabfall in der Größenordnung von mehreren Prozent verursachen. Je nach Aufbau unterscheidet man einfache Shunt Regulators, Switching Shunt Regulators (S2R), Sequential Switching Shunt Regulators (S3R) oder Sequential Switching Shunt Series Regulators (S4R).

Schaltregler

Siehe Hauptartikel Schaltregler. Sie funktionieren grundsätzlich anders als Längsregler: Die Eingangsspannung wird periodisch ein- bzw. ausgeschaltet und auf ein Speicherglied (Drossel, Elko) gegeben. Je nach dem Verhältnis von Ein- zu Ausschaltzeit stellt sich am Ausgang eine bestimmte Durchschnittsspannung ein. Vorteilhaft ist die wesentlich geringere Verlustleistung, nachteilig sind der höhere Schaltungsaufwand und EMV-Störungen durch das Zerhacken (schnelle Schaltvorgänge).

Es gibt ebenso wie bei linearen Längsreglern solche mit fixer und solche mit vorwählbarer Ausgangsspannung.
Schaltregler sind insbesondere bei der Erzeugung kleiner Spannungen bei großem Strom (z. B. für Prozessoren mit 1…3 Volt) nahezu zwingend geboten, da ansonsten die Stromaufnahme und die Verlustwärme des Reglers unangemessen hoch wären.
Schaltregler für große Ströme (ab etwa 5 Ampere) erfordern zusätzlich einen oder mehrere externe Schalttransistoren, die oft auch die Diode ersetzen (Synchrongleichrichtung), um die besonders bei großen Strömen erhebliche Verlustleistung der Diode zu vermeiden.

Überlast-Verhalten

Foldback-Verhalten

Bei Überschreitung des maximalen Ausgangsstroms wird die Spannung so weit verringert, dass z. B. nur noch ein sehr kleiner Strom fließt. Die Spannung kehrt erst wieder, wenn die Last entfernt wurde.

Rechteck-Verhalten

Mit Erreichen des maximalen Stromes wechselt der Regler in den Konstantstrom-Betrieb: Erhöht sich die Last weiter, bleibt der Ausgangsstrom konstant bis zum Kurzschluss. Dieses Verhalten findet sich häufig bei Labor-Stromversorgungen.

„Hiccup“-Betrieb

Der Regler (häufig bei Schaltreglern) versucht bei Überlastung ständig von neuem, die Ausgangsspannung anzuheben und liefert dazu periodisch bis zur Höhe des Maximalstromes ansteigende Stromimpulse.

Wechselspannungsregler

Regelung mit Stelltransformatoren

Die Regelung von Netzwechselspannung mit Stelltransformatoren ist sehr verlust- und verzerrungsarm, jedoch aufgrund des motorischen Stellantriebes langsam.

Es werden Transformatoren eingesetzt, deren Übersetzungsverhältnis während des Betriebes verändert werden kann. Das können automatisch angetriebene Stelltransformatoren oder Transformatoren mit Anzapfungen (Spannungsregelung) sein, die umgeschaltet werden.
Bei regelbaren Transformatoren in Umspannstationen ist meist die Oberspannungswicklung in eine Stammwicklung und eine an ihrem erd- bzw. sternpunktseitigen Ende angeordnete Regelwicklung mit Anzapfungen aufgeteilt, die eine Anpassung der Netzspannung im Bereich von typisch ±25 % ermöglicht. Die Änderung der Spannung erfolgt bei diesen und auch bei kleineren Geräten unterbrechungsfrei unter Last durch Umschalten zwischen Wicklungs-Anzapfungen mit einem Stufenschalter. Dabei entsteht ein kurzzeitiger Windungsschluss, dessen Strom begrenzt werden muss (besonderer Wicklungsaufbau aus zwei parallelen Strängen oder separate Widerstände).

Bei indirekt arbeitenden Reglern wird über Zusatztransformatoren vergleichsweise geringer Leistung eine phasengleiche oder um 180° phasenverschobene Spannung in Reihe zum Verbraucher zur Eingangsspannung addiert oder von ihr subtrahiert. Die Zusatztransformatoren werden ihrerseits aus automatisch angetriebenen Stelltransformatoren gespeist. Sie gestatten abhängig von ihrem Übersetzungsverhältnis eine Spannungsregelung von z. B. ±25 %.
Bei Netzregel-Geräten nach diesem Prinzip und auch bei kleineren Geräten mit automatischen Stelltransformatoren bedarf es keiner Maßnahmen zur Strombegrenzung während der Wicklungs-Umschaltung; die hierbei zur Kontaktierung der freiliegenden Windungen verwendeten Graphit-Rollen bieten selbst einen ausreichenden Beitrag zur Stromaufteilung.

Als Querregler werden auch Regler in Drehstromnetzen bezeichnet, die sowohl den Betrag als auch die Phasenlage ändern können. Sie können wie Wechselstromregler mit Zusatztransformatoren realisiert werden. Die Regelwicklung des Zusatztransformators liegt in Reihe zur Last an der Phase S. Die in ihr induzierte Regelspannung besitzt eine bestimmte Phasenlage, die mit der Primärspannung und deren Phasenlage eingestellt werden kann. Die Primärwicklung wird mit einer Tertiärwicklung des Haupttransformators oder durch einen separaten Erregertransformator gespeist. Durch Wahl der Schaltgruppen der Wicklungen des Haupt- und des Zusatztransformators lassen sich Zusatzspannungen beliebiger Größe und Phasenlage einstellen.

Magnetische Spannungskonstanthalter

Magnetischer Spannungsgleichhalter für Netzspannungs-Verbraucher bis 200 Watt; 125 x 200 x 260mm

Magnetische Spannungskonstanthalter wurden früher häufig zum Betrieb röhrenbestückter Geräte verwendet, um die damals oft schwankende Netzspannung automatisch zu stabilisieren. Sie bestehen aus einem Transformator, einer Drossel mit Anzapfungen und einem Kondensator, der mit der Drossel einen Schwingkreis bildet. Bei der Stabilisierung wird das Sättigungsverhalten des Eisenkernes der Drossel ausgenutzt. Diese Regler arbeiten schneller als motorische Netzspannungsregler, haben jedoch einen kleineren Regelbereich, einen Restfehler nach der Stabilisierung (Schwankungen von 20 % werden z. B. auf 3 % verringert) und besitzen größere Verluste als jene. Sie enthalten keine mechanisch bewegten Teile oder Kontakte und sind daher sehr zuverlässig.

Literatur

• Adolf J. Schwab: Elektroenergiesysteme - Erzeugung, Transport, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie. Springer Verlag 2006, ISBN 3-540-29664-6

Einzelnachweise

1. ↑ http://www.st.com/stonline/products/literature/ds/2143.pdf Datenblatt 78xx
2. ↑ http://www.st.com/stonline/products/literature/ds/1318.pdf Datenblatt L200

Siehe auch

• Voltage Regulator Module

Weblinks

• Hobby-Elektronik - Grundschaltungen von Festspannungsreglern
• Integrierte fixe und einstellbare 3-pin-Spannungsregler
• Spannungsregler-Spezial: Das 78xx-, LM317- und LowDropout-Prinzip
• Einfaches Labornetzteil mit NPN-Komplementär-Darlingtonstufe und Überlastanzeige
• Mosfet-Netzteilschaltungen