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Ratgeber
Alle elektronischen Geräte benötigen eine bestimmte elektrische Leistung. Während der Stromverbrauch dynamisch ist und von der Gerätebelastung abhängt, sollte die Versorgungsspannung im Idealfall konstant bleiben. Dafür sorgen Spannungsregler. Erfahren Sie hier, wie diese kleinen Helfer funktionieren, welche Typen und Bauarten erhältlich sind und worauf bei der Beschaffung zu achten ist.
Das Netzteil eines elektronischen Geräts wandelt den eingehenden Wechselstrom üblicherweise in Gleichstrom mit bestimmten Spannungen und Stromstärken um.
Damit die Spannung auch bei Leistungs- und Lastschwankungen gleich bleibt, nimmt ein im Netzteil integrierter Spannungsregler eine höhere Eingangsspannung auf und gibt eine niedrigere, aber stabilere Spannung am Ausgang ab.
Ein zusätzlicher Verwendungszweck des Reglers ist der Schutz vor Spannungsspitzen und Kurzschlüssen, die elektronische Bauelemente möglicherweise beschädigen können.
Bei den in elektronischen Niederspannungsgeräten verwendeten Spannungsreglern handelt es sich in der Regel um integrierte Schaltungen.
Die gebräuchlichsten Typen mit verstärkenden Komponenten wie Transistoren oder Operationsverstärker sind lineare und schaltende Spannungsregler:
Lineare Spannungsregler
Lineare Spannungsregler sind einfache transistorbasierte Bauelemente, die in der Regel als ICs verpackt sind. Ihre interne Schaltung verwendet Differenzverstärker zur Steuerung der Ausgangsspannung gegenüber einer Referenzspannung. Lineare Spannungsregler können eine feste Ausgangsspannung oder eine einstellbare Spannung besitzen. Als einstellbare Spannungsregler benötigen sie meist einen Eingangsstrom, der deutlich höher über dem Ausgangsstrom liegt.
Die gebräuchlichsten linearen Regler kommen aus den Serien 78XX und 79XX für positive beziehungsweise negative Ausgangsspannungen. Das XX steht für feste Ausgangsspannungen von 5, 6, 8, 9, 12, 15, 18 oder 24 Volt. Um richtig zu arbeiten, benötigen die Spannungsregler Eingangsspannungen, die 2 bis 3 Volt über der gewünschten Spannung am Ausgang liegen. Als Höchstgrenze für die Spannung am Eingang gilt allgemein 36 Volt. Diese Regler sind für die Oberflächenmontage sowie in TO-92- und TO-220-Gehäusen erhältlich. Zum Anschluss stehen bei TO-Gehäusen drei Stifte zur Verfügung: ein Eingang, ein gemeinsamer GND und ein Ausgang.
Schaltende Spannungsregler
Schaltende Spannungsregler leiten die Eingangsspannung an einen Leistungs-MOSFET oder Bipolartransistor-Schalter.
Die gefilterte Ausgangsspannung des Leistungsschalters wird zu einer Schaltung zurückgeführt, die mit Frequenzen im Megahertz Bereich die Ein- und Ausschaltzeiten des Leistungsschalters steuert.
So entsteht am Ausgang eine konstante Spannung unabhängig von der Eingangsspannung oder von Laststromänderungen.
AC/DC-Printnetzteile
In den weitaus meisten Fällen nutzen elektronische Geräte mit Versorgung durch das Stromnetz Spannungen und Ströme in relativ niedrigen Bereichen.
In der Regel sind dafür externe Netzteile mit Hohlstecker-Kabeln auf der Ausgangsseite die erste Wahl.
Soll der Netzstrom allerdings direkt in das Gerät geführt werden, bieten sich AC/CD-Printnetzteile an.
Sie wandeln nicht nur den Wechselstrom (AC) in den notwendigen Gleichstrom (DC), sie enthalten auch komplette Regler für eine konstante Ausgangsspannung – und sie sind so klein und leicht, dass sie sich als SMD-Bauteil direkt auf die Platine löten lassen.
DC/DC-Wandler
Zu gängigen Spannungsreglern gehören auch die DC/DC-Wandler.
Haupteinsatzzweck ist die Transformierung höherer Gleichspannungen in niedrigere oder umgekehrt.
Im Bereich des Eingangs reicht die Skala bis zu 840 Volt, beim Ausgang bis zu 53 Volt. Der Ausgangsstrom kann bis zu 40 Ampere betragen, die Leistung bis zu 500 Watt.
Zunächst ist auf die notwendigen Spannungen für den Eingang und den Ausgang zu achten und darauf, welche Stromstärke notwendig ist.
Lässt sich ein Printnetzteil verbauen, bieten sich Regler mit Weitbereichseingang für 100 bis 240 Volt an. Üblicherweise sind diese Bauteile auch bifrequent konstruiert, sodass sie sich sowohl am 50-Hertz- als auch am 60-Hertz-Stromnetz betreiben lassen. Ist mit einer relativ hohen Verlustleistung zu rechnen – wie sie oft bei linearen Spannungsreglern auftritt – sollten Kühlkörper eingeplant werden.
Welche Verluste treten bei Spannungsreglern auf?
Verluste in geschalteten Spannungsreglern entstehen durch die zum Ein- und Ausschalten des MOSFETs benötigte Leistung, die mit dem Gate-Treiber des MOSFETs verbunden ist. Außerdem entstehen MOSFET-Verluste, weil das Umschalten vom leitenden in den nichtleitenden Zustand eine bestimmte Zeit in Anspruch nimmt. Verluste entstehen auch durch die Energie, die zum Laden und Entladen der Kapazität des MOSFET-Gates zwischen der Schwellenspannung und der Gatespannung benötigt wird.
Die Verlustleistung eines linearen Spannungsreglers ist bei einer bestimmten Eingangs- und Ausgangsspannung direkt proportional zu seinem Ausgangsstrom. Das bedeutet: Der typische Wirkungsgrad kann unter Umständen und bei nicht optimierten Bauelementen lediglich bei 80 Prozent oder darunter liegen. Die Rauschleistung eines linearen Reglers ist jedoch viel geringer als die eines Schaltreglers mit den gleichen Anforderungen an Ausgangsspannung und -strom. In der Regel kann der Schaltregler höhere Stromlasten treiben als ein Linearregler.
Wie steuert ein Schaltregler seinen Ausgang?
Schaltende Spannungsregler benötigen einen Mittelwert, um ihre Ausgangsspannung als Reaktion auf Änderungen der Ein- und Ausgangsspannung zu variieren. Ein Ansatz ist die Verwendung der Pulsweitenmodulation, kurz PWM. Sie steuert den Eingang des zugehörigen Leistungsschalters, der das Tastverhältnis entsprechend anpasst. Im Betrieb wird die gefilterte Ausgangsspannung des Reglers an den PWM-Controller zurückgegeben. Wenn sich die gefilterte Ausgangsspannung ändert, variiert die Rückkopplung zum PWM-Regler das Tastverhältnis, um eine konstante Ausgangsspannung zu erhalten.
Wie wirkt sich die Schaltfrequenz auf den Einsatz von schaltenden Spannungsreglern aus?
Höhere Schaltfrequenzen bedeuten, dass der Spannungsregler kleinere Induktivitäten und Kondensatoren verwenden kann. Sie bedeuten aber auch höhere Schaltverluste und ein stärkeres Rauschen in der Schaltung.
Worauf ist bei der Verwendung von Spannungsreglern des Typs 78XX und 79XX zu achten?
Die linearen Spannungsregler 78XX und 79XX können nur dann eine konstante Ausgangsspannung mit Nennwert liefern, wenn die Eingangsspannung mindestens 2,5 Volt oder mehr als die Ausgangsspannung beträgt. Beispielsweise kann ein LM7809 keine 9 Volt Ausgangsspannung liefern, wenn er mit einer 9-V-Batterie betrieben wird.
Der Spannungsabfall entsteht, weil sich diese Regler im Wesentlichen wie Pseudowiderstände verhalten und die zusätzliche Eingangsleistung der Batterie als Wärme abgeben. Das ist natürlich nicht sehr effizient, da die Wärme mit Kühlkörpern oder Lüftern abgeleitet werden muss. Hochspannungs- und Hochstromregler benötigen deshalb große Kühlkörper oder den ständigen Einsatz von Lüftern, um stabile Temperaturbereiche zu gewährleisten. Zudem bringen hohe Eingangsspannungen für niedrige Ausgänge – wie zum Beispiel ein 24-Volt-Eingang für einen LM7805 mit 5 Volt-Spezifikation, nur einen sehr schlechten Wirkungsgrad von etwa 20 Prozent.