Einstellbare- und Festspannungsregler - Projektlabor
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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 2 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 • • • • 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] 3 3. Eigenschaften eines Spannungsreglers • 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. • 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. • 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 4 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 5 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 6
