Einstellbare- und Festspannungsregler - Projektlabor

TU-Berlin
Elektrotechnik
SS 2005
Ausarbeitung zum Referat:
Einstellbare- und Festspannungsregler
Oleg Zeiter
[email protected]
Inhaltsverzeichnis
1. Vorwort ..........................................................................................3
2. Aufgaben eines Spannungsreglers..................................................3
3. Eigenschaften eines Spannungsreglers ...........................................4
4. Schaltbeispiel für einen Festspannungsregler.................................4
5. Schaltbeispiel für einen einstellbaren Spannungsregler .................5
6. Prinzipieller Aufbau eines Festspannungsreglers...........................6
7. Temperaturempfindlichkeit ............................................................6
8. Quellen ...........................................................................................6
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Einstellbare- und Festspannungsregler
1. Vorwort
Wenn man an Spannungsregler denkt, stellt sich schnell die Frage nach deren Nutzen und
Einsatzgebiet. Diese wird schnell klar, wenn man bedenkt, dass meisten elektronischen Geräte
die wir im Alltag nutzen auf eine Gleichspannung angewiesen sind. Diese holt man sich aus
Transformatoren und immer häufiger auch aus Akkus oder Batterien. Wenn die
Ausgangsspannung eines Netzteils stabilisiert sein soll, kommen Spannungsregler zum
Einsatz. Auch bei akkubetriebenen Geräten (man denke da an die extrem weit verbreiteten
Geräte wie Handys, MP3-Spieler, usw.) wird eine konstante Betriebsspannung benötigt. Da
die Batterie/Akkuspannung im Betrieb immer weiter sinkt, muss auch diese mit Hilfe eines
Spannungsreglers auf einem konstanten Niveau gehalten werden. Schnell wird ersichtlich,
dass Spannungsregler nicht mehr aus unserem Alltag wegzudenken sind.
2. Aufgaben eines Spannungsreglers
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Stabilisierung der Spannung (>2% Spannungsschwankung am Ausgang)
Schutz der Schaltung vor Überspannung
Spannungsumwandlung (z.B.: von =12V auf =5V)
Einstellbare Spannungsquelle
Die bekanntesten Festspannungsregler sind die 78xx- für positive und die 79xx-Serie für
negative Spannungen. Das XX in der Type gibt die Ausgangsspannung an. Die folgende
Abbildung [Bild 1] zeigt typische Gehäusebauformen eines Spannungsreglers. Die Kosten für
so ein Bauteil liegen bei ca. 60 Ct bis einige Euro. Natürlich spielen hierbei Faktoren wie
maximaler Ausgangsstrom, Kurzschlussfestigkeit, Baugröße eine beeinflussende Rolle.
[Bild 1]
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3. Eigenschaften eines Spannungsreglers
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Die Eingangsspannung [Ue] sollte mindestens 2V über der Ausgangsspannung und
darf bis maximal 40V ansteigen. Es gibt aus auch sogenannte LowDropSpannungsregler die mit weniger als 2V Differenz auskommen und natürlich auch
Typen die einige hundert Volt regeln können.
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Die Ausgangspannungen [Ua] sind fest eingestellt und können durch den Einsatz
verschiedener Typen auf 5, 6, 8, 9, 12, 15, 18, 24V, usw. realisiert werden.
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Der Laststrom muss min: 5mA betragen, damit der Spannungsregler einwandfrei
arbeiten kann. Der maximale Laststrom ist Typenabhängig und beträgt z.B: 0,1A,
0,5A, 1A, 2A, 3A, 5A, usw. Die bereits erwähnten LowPower-Spannungsregler
kommen mit viel weniger minimalem Laststrom aus.
Die Differenz der Ue und Ua sollte möglich klein (ca. 3V) sein. Je größer der Unterschied,
desto höher die Verlustleistung, die sich durch Wärmeentwicklung bemerkbar macht. Bei
einer mobilen Stromversorgung hätte dies den Nachteil, dass der Akku oder die Batterien
unnötig belastet würden und somit die Laufzeit des Gerätes sich reduzieren würde.
4. Schaltbeispiel für einen Festspannungsregler
[Bild 2]
C1 dient der Stabilisierung und Glättung der Eingangsspannung
¾ Dieser ist gemäß Datenblättern vorgeschrieben. In [Bild 2] mit der 78xxSerie sind für C1 z.B.: 330 nF vorgeschrieben. Die Kapazitäten dürfen auch
problemlos höher sein. C1 muss stets so nahe wie möglich an die
Anschlüsse des Spannungsreglers gelötet werden.
C3 dient der Stabilisierung und Kompensation von Anpassungsspitzen
¾ Bei der Spannungsanpassung des FS-Reglers entstehen technisch bedingt
kurze Spannungsspitzen am Ausgang, die der C3 kompensiert. Die
Kapazität dieses Elkos hat je nach Datenblatt und Applikation
unterschiedliche Werte von weniger als 100 nF bis 1µF. Er darf durchaus
auch größer als diese 1µF sein. Je höher der Wert von C2, um so geringer
die Amplitude des Einschwingvorganges bei einer abrupt ändernder
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Eingangsspannungs- oder Laststromänderung. Der C3 dämpft zusätzlich
hochfrequente Spitzen, falls solche beim schnellen Regelvorgang entstehen
oder vom Eingang her in die Schaltung gelangen.
D1 dient als Überspannungsschutz des Spannungsreglers
¾ Für den Fall, dass Ua>Ue fließt der Strom über D1 ab. Falls der Zustand eintritt,
dass auch nur für einen kurzen Moment Ua größer ist als Ue, dann verabschiedet
sich der Festspannungsregler. Dummerweise folgt durch eine solche Zerstörung
ein Kurzschluss zwischen Ein- und Ausgang des Reglers d.h. Ue = Ua, was die
Zerstörung der an Ua betriebenen Schaltung zur Folge haben kann.
5. Schaltbeispiel für einen einstellbaren Spannungsregler
[Bild 3]
C1, C3 und D1 haben die selbe Funktion wie beim Festspannungsregler
Mit dem Spannungsteiler aus R1 und R2 (siehe Bild 3) wird die Ausgangsspannung
des einstellbaren Spannungsreglers konfiguriert.
R1 ist fest
¾ R1 ist mit 240 Ohm angegeben. So fließt durch ihn ein Strom von etwa 5
mA, was etwa dem minimalen typischen Laststrom entspricht.
R2 ist einstellbar
¾ Mit diesem veränderlichen Widerstand kann die Ausgangsspannung justiert
werden. Der veränderliche Wiederstand kann als Poti oder Spindeltrimmer
realisiert werden
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6.
Prinzipieller Aufbau eines Festspannungsreglers (sehr stark vereinfacht)
[Bild 4]
[Ue]:
[Ua]:
[UR]:
[U1]:
[U2]:
Eingansspannung
Ausgangsspannung
Referenzspannungsquelle
Vergleichspannung
Steuerspannung der Leistungsstufe [T1]
Am Ue liegt eine Eingangsspannung an. Intern ist ein Referenzspannungsquelle realisiert die
konstant z.B. 2,5V hält. Am Spannungsteiler [U1] wird ein Referenzwert für die aktuelle
Ausgangsspannung bestimmt. Wir haben also nun 2 Spannungen die verglichen werden
können [U1] und [UR]. Der OPV regelt bei einer Differenz der Spannungen seinen Ausgang
und steuert damit eine Leistungsstufe [T1] an.
Ia steigt Æ U1 sinkt Æ Differenz zu UR am OPV-Eingang steigt Æ OPV erhöht U2 Æ T1
steuert mehr auf Æ Ua steigt auf Referenzspannung an.
7. Temperaturempfindlichkeit
Ein Spannungsregler beinhaltet im internen Aufbau zahlreiche Halbleiterbauelemente wie
z.B. FETs, Transistoren und Dioden. Alle diese Bauelemente sind bekanntlich
Temperaturempfindlich. Der Maximalstrom des Spannungsreglers sinkt mit steigender
Temperatur und schützt das Bauteil so vor dem Hitzetod.
8. Quellen
http://www.elektronik-kompendium.de/ ELKO Das Elektronik-Kompendium, Abruf:
11.06.2005, Verantwortlicher: Patrick Schnabel
Datenplatt L78S00 Abruf: 10.06.2005, Verantwortlicher: SGS-Thomson Microelectronics
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