Wechselspannung

Letztmalig dran rumgefummelt: 03.11.11 06:37:59

Max Perner, DM2AU0 in CQDL Heft11/2006 S. 774 ff.

Nicht mehr wegzudenken sind auch in der Setbstbaupraxis die Festspannungsregler in Form von integrierten Schaltkreisen. Mit einem Minimum an externer Beschattung kann man den Einsatzbereich vergrößern. Der folgende Beitrag zeigt einige Möglichkeiten auf.

1. Technische Grundlagen
2. Typenspezifikation
3. Standard-Applikationen der Festspannungsregler
4. Festspannungsregler als Konstantstromquellen
5. Wärmeproblematik
6. Verwandte Themen

Grundlagen elektrischer Stromversorgung

Wechselspannung

begrenzt verwendbar - selbst aufpassen, ab welcher Stelle es Blödsinn wird ;-)

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Quellen:

1. Technische Grundlagen

Die Festspannungsregler sind monolithische integrierte Schaltungen für eine Vielfalt von Applikationen. Sie haben eine interne thermische Überlastungsabsicherung sowie eine interne Strombegrenzung bei einem Kurzschluss auf der Ausgangsseite. Mit einer entsprechenden Kühlfläche oder einem Kühlkörper können sie je nach Bauform Ausgangsströme von 100 mA oder 1 A liefern, bei Typen außerhalb des üblichen Selbstbaubereiches sind auch höhere Ströme möglich. Im Normalfall sind für ihren Betrieb keine externen Komponenten erforderlich. Je nach Hersteller und Suffix kann die Ausgangsspannung eine Toleranz von 2...10 % haben. Die Eingangsgleichspannung des Reglers sollte bei maximal belastetem Ausgang mindestens 2 V größer sein als die Ausgangsspannung, mit einer um 2,5 V höheren Spannung ist man immer auf der sicheren Seite.

die Diode

2. Typenspezifikation

Diese Dinger sind einfach genial - ohne großen Zusatzaufwand bekommst Du hier fast noch so etwas wie eine Sicherung geschenkt. Bei thermischer Überlastung machen sich die teile selbst zu, wenngleich sie natürlich nicht konstant im Überlastbetrieb eingesetzt werden sollten.

3. Standard-Applikationen der Festspannungsregler

Wir machen das immer mit der harten Beschaltung - sollten aber eben auch im Gleichstrombetrieb nicht auf die Glättung der Oberwellen mittels Stützkondensatoren verzichten - verstehen sich diese Eingangsseitig noch fast automatisch, so entfallen sie in Amateurschaltungen schon einmal am Ausgang - sollten sie aber nicht. In der Kapazität sollten sie der Last angemessen sein.

Die Positivregler 78Lxx im Gehäuse SO-8

Der 78Lx im Gehäuse SOT-89 und SO-08

Auch hierbei handelt es sich um SMD-Bauelemente, siehe Bild oben. Diese Bauform besitzt die gleichen Parameter wie die Bauform im SOT-89-Gehäuse einschließlich deren thermischer Belastbarkeit. Zu diesem Zweck sollte der Regler in der Mitte einer etwa 6 cm² Platinen-Kupferfläche aufgelötet werden, die Pins 2, 3, 6 und 7 übertragen die Wärme auf diese Kupferfläche.
Die Standard-Applikation der Festspannungsregler Bild rechts zeigt die von den Herstellern favorisierte Applikation. Vom Autor wurde als Spannungsquelle eine Batterie gezeichnet, als Verbraucher bzw. Last ein ohmscher Widerstand. Natürlich kann die Spannungsquelle auch ein Netzteil mit DC-Ausgang sein, es geht hier nur um das Wirkprinzip. Besitzt das Netzteil keine Filterung für die Gleichspannung, so sollte diese Funktion vor dem Spannungsregler eingefügt werden.
Die Hersteller empfehlen den Einsatz der beiden Kondensatoren C_in und C_out, wenn sich der Regler nicht unmittelbar an der Spannungsquelle bzw. am Verbraucher befindet. Mit diesen beiden Kondensatoren wird eine Selbsterregung und ein damit verbundenes Rauschen unterbunden, empfohlen werden HF-geeignete Typen. Beim Selbstbau ist der benötigte Platz für die beiden Kondensatoren immer vorhanden, sie kosten nicht die Welt und sicher ist sicher. Wird der Regler über längere Leitungen z.B. an einer Chassis-Rückwand montiert, so müssen die beiden Kondensatoren unmittelbar an den drei Pins des Reglers angelötet werden. Hervorgehoben wird im Bild rechts auch durch verstärkte Linien die kurze Leitungsführung zwischen Regler und den beiden Kondensatoren.

Die typische Herstellerapplikation

Der Ersatz eines Reglers 79xx Nicht immer hat man beim Selbstbau einen passenden Negativregler zur Hand, fast immer aber einen spannungsgleichen Positivregler. Bild rechts zeigt eine einfache Lösung. Die Spannungsquelle muss dazu aber massefrei sein! Wird der Ausgang des Positivreglers an Masse gelegt, so ist jetzt an seinem Kontakt Masse/GND eine negative Spannung in der Höhe der Ausgangsspannung des Positivreglers abnehmbar. Mit diesem Trick unter Beachtung der Massefreiheit der Speisespannung lassen sich auch die folgenden Beispiele für eine stabilisierte negative Spannung (bezogen auf Masse) auslegen. Zu beachten ist aber, dass jetzt die Kühlfläche des 78xx nicht mehr an Masse liegt, das Bauelement muss mittels geeigneter Isolierelemente montiert werden.

Ein 79xx kann durch einen 78xx ersetzt werden

U_a abweichend von der Reglerspannung

Hierunter sollen Ausgangspannungen verstanden werden, die nicht in der Typenreihe der Regler liegen und höher sind als die eigentliche Reglerspannung. Die wohl einfachste Variante zeigt Bild rechts. Eine Diode hebt das Potenzial an GND um ca. 0,6 V an. So kann mit einem 7812 eine Ausgangsspannung von 12,6 V erzeugt werden. Wichtig sind aber zwei Aspekte: Die Eingangsspannung unter Last muss mindestens 2 V höher sein als die Ausgangsspannung. Zu empfehlen ist der zusätzliche Kondensator C₁, der HF-Einströmungen und damit mögliche Unstabilitäten unterdrücken kann. Diese Aspekte gelten für alle folgenden Beispiele, bei denen GND des Reglers vom Massepotenzial angehoben wird. Es versteht sich, dass die Ausgangsspannung immer über der Reglerspannung U_XX sein wird. Bild rechts enthält eine zusätzliche Diode D₂. Der Einsatz dieses Typs (1 N4148, 1N4001 o. ä.) verhindert beim Abschalten der Eingangsspannung und sehr großer Kapazität auf der Ausgangsseite des Reglers, dass die Ausgangsspannung größer ist als die Eingangsspannung. Eine hohe Spannungsdifferenz kann zur Zerstörung des Reglers führen. Diese Diode kann auch bei anderen Reglerprojekten eingesetzt werden, bei Negativreglern ist dabei die Polarität zu ändern.

Die Ausgangsspannung ist hier ca. 0,6 V höher als die Typspannung

Eine weitere Möglichkeit zeigt Bild rechts. Hier hebt eine Z-Diode das Potenzial an GND des Reglers um die Z-Spannung an. Der Wert und die Belastbarkeit von R, sind abhängig von der Z-Diode und müssen experimentell optimiert werden. Werte zwischen 100...1000 Ω können als Startwerte dienen. C₁ ist ein Elko zwischen 1...10 pF
Auch wenn bei den obigen und den folgenden Bildern der Kondensator C zeichnerisch weit vom Regler entfernt ist, so muss er in der unmittelbaren Nähe des Reglers montiert werden.

Mit einer Z-Diode kann die Ausgangsspannung erheblich erhöht werden

Variable U_a oberhalb der Reglerspannung

Auch mit Festspannungsreglern lassen sich variable Ausgangsspannungen erzeugen, sie liegen aber immer über (!) der Typspannung. Die maximale Eingangsspannung muss unter Last mindestens 2 V höher sein als die maximale Ausgangsspannung. Zu beachten ist außerdem, dass die entstehende Wärme bei einer großen Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung und maximaler Last auch sicher abgeführt wird. Auf der sicheren Seite ist man, wenn ein Regler im TO-220-Gehäuse mit Kühlkörper oder Kühlfläche eingesetzt wird.
Bild rechts zeigt eine einfache Variante mit zwei zusätzlichen Bauelementen. Die Ausgangsspannung U_out ergibt sich aus der Summe der Typspannung U_XX und der Spannung über R₂.
Wesentlich eleganter aber aufwändiger ist die Variante mit einem Operationsverstärker, siehe Bild rechts unten. Der IC-Typ ist hier im Prinzip unkritisch, zu beachten ist nur seine maximale Betriebsspannung. Die Ausgangsspannung liegt im Minimum ca. 2 V höher als die Typspannung des Reglers, die maximale Ausgangsspannung verlangt eine um 2 V höhere Eingangsspannung.
Bei beiden Varianten sollte man einen Kondensator 10...100 nF zwischen GND des Reglers und Masse vorsehen. Der Vorteil dieser beiden Varianten besteht u. a. in der Nutzung der Überstromsicherung durch den Regler selbst.

schon mit einem Bauelement kann man eine verändeliche stabilisierte Spannung erzeugen

Mit einem Operationsverstärker realisierte
veränderbare stabilisierte Spannung

4. Festspannungsregler als Konstantstromquellen

	Hier nun arbeiten die Konstantspannungsregler gleichzeitig noch als definierte Strombegrenzer - für sehr viele Eigenbauprojekte eine durchaus wünschenswerte und mit den folgenden Schaltungen billige Alternative zu den teuren Laborstromgräten.
	Schaltung zur Strombegrenzung Oft benötigt man eine Baugruppe, die einen begrenzten Strom z.B. für einen Ladevorgang liefert. Auch hier kann ein Festspannungsregler helfen. Das Prinzip ist in Bild rechts zu sehen. Ein Beispiel beschreibt die Dimensionierung dieser Schaltung. Es soll ein Akku mit einem konstanten Strom von 100 mA geladen werden. Als Regler wird ein 7812 eingesetzt, damit muss die Eingangsspannung mindestens 14 V betragen. Mit U_XX = 12 V und I_out = 0,1 A ergibt sich R zu 12 V/0,1 A = 120 Ω. Der Widerstand wird mit einer Leistung von 0,1 A x 0,1 A = 120 Ω = 1,2 W belastet, gewählt wird also ein 2-W-Typ.	*Konstantstrom mit einem Festspannungsregler*
	*Stromerhöhung durch externen Transistor* Wenn der Regler nicht den maximal benötigten Strom für die zu stabilisierende Spannung liefern kann, so hilft hier ein externer Transistor. Bei den beiden folgenden Beispielen muss man beachten, dass die Eingangsspannung etwa 2 V höher sein muss als die Ausgangsspannung und dass die Betriebsspannungsquelle auch diesen Strom unter Last bereitstellen kann. Für den Längstransistor ist ein Typ auszuwählen, der den maximalen Stromfluss dauerhaft übersteht. Die Montage auf einem Kühlkörper oder einer Kühlfläche ist fast immer notwendig. Das Bild rechts zeigt eine Lösung mit einem NPN-Leistungstransistor. Er arbeitet als Emitterfolger, sein Stromverstärkungsfaktor β bestimmt den maximalen Strom. Zu beachten ist, dass die Ausgangsspannung U_out um die Basis-Emitter-Spannung U_BE geringer ist als die Typspannung des Reglers 78xx. Als Transistor könnte hier ein BD 245C eingesetzt werden. Seine wesentlichen Daten: 115 V, 10 A, 80 W Gehäuse TO-3P.	*höhere Ausgangsströme durch einen externen npn-Transistor*
	Mit einem PNP-Leistungstransistor arbeitet die Schaltung nach Bild 15. Die Basis-Emitterstrecke von Ts₁ in Verbindung mit R, steuert die Spannung am Reglereingang. R, hat je nach Transistor einen Wert zwischen 30...150 Ω er sollte experimentell optimiert werden. Jede Änderung der Ausgangsspannung wirkt über R₁ am Reglereingang, somit wird die Ausgangsspannung korrigiert. Für Ts₁kann ein BD 246C verwendet werden mit den charakteristischen Daten: 115 V, 10 A, 80 W Gehäuse TO-3P. *Hinweis:* Das Gehäuse TO-3P ist nicht identisch mit dem Gehäuse T03!	*Höhere Ausgangsströme durch einen externen PNP-Transistor*
	Die Low-Drop Festspannungsregler Die obigen herkömmlichen Festspannungsregler benötigen für eine richtige Funktion eine Eingangsspannung, die etwa 2 V höher ist als die Typspannung. Bei den Low-Drop-Typen reicht hier schon eine Differenz von 0,5...1,0 V aus. Speziell bei höheren Strömen kann damit das Netzteil kleiner und kompakter werden. Die Wärmeentwicklung sinkt, die Kühlflächen lassen sich reduzieren. In der Praxis sind vorwiegend die Regler mit einer Ausgangsspannung von 3,3 V interessant, denn hiermit kann aus den 5 V für die TTL-Bauelemente die Betriebsspannung für 3,3-V Prozessoren und -Controller erzeugt werden. Diese Festspannungsregler werden vorwiegend in den Gehäusen TO-92, TO220 und SO-8 angeboten. Vor dem Einsatz eines Low-Drop-Reglers sollte man sich allerdings beim Händler oder im Internet sachkundig machen über die Belegung der Anschlüsse. Einige Positivregler haben die in der Tabelle angegebenen Anschlussbelegungen, einige Hersteller verwenden dagegen die Anschlussbelegung der Negativregler! Auch eine durchgängige Kennung wie 78xx für Positivregler und 79xx für Negativregler gibt es nicht.

5. Wärmeproblematik

	Abschließend sollen noch einige thermische Probleme beim Betrieb von Festspannungsreglern betrachtet werden. An diesem Problem sowie der Notwendigkeit, dass die Eingangsspannung bei Last mindestens 1,8 V über der Typspannung liege muss, scheitern viele Selbstbauprojekte.

6. Verwandte Themen

Hier nun wird's schon fast schwierig, Verwandtschaften aufzuzählen, denn es gehört ja faktisch alles dazu - wer Elektronik betreiben will, braucht Strom! Da machen auch Controller und der mausealte LC-80 keine Ausnahme. Auch die klassischen Entdecker der Grundlagen unserer heutigen Elektrotechnik bleiben davor nicht verschont.

Zunächst die Klassiker der Elektrotechnik, wobei die Reihenfolge der Namen keine Wichtung ihrer Forschungsergebnisse darstellt

Alessandro Volta

André Marie Ampére

Georg Simon Ohm

Michael Farraday

Halbleiter-Vorgänge

Die Diode

Der Transistor

Induktivitäten

elektronische Konstantspannungsregler

Phasenanschnittsteuerung mittels Thyrisoren

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... dieser Text wurde nach den Regeln irgendeiner Rechtschreibreform verfasst - ich hab' irgendwann einmal beschlossen, an diesem Zirkus nicht mehr teilzunehemn ;-)

„Dieses Land braucht eine Steuerreform, dieses Land braucht eine Rentenreform - wir schreiben Schiffahrt mit drei „f“!“

Diddi Hallervorden, dt. Komiker und Kabarettist