Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad ${\displaystyle \eta }$ errechnet sich bei einem Linearregler wie folgt. Dabei wird der Eigenstromverbrauch des Reglers („Querstrom“) oft vernachlässigt, weil er im Verhältnis zum Ausgangsstrom klein ist.

${\displaystyle \eta ={\frac {P_{\text{aus}}}{P_{\text{ein}}}}={\frac {U_{\text{aus}}\cdot I_{\text{aus}}}{U_{\text{ein}}\cdot I_{\text{ein}}}}\;{\stackrel {I_{\text{aus}}=I_{\text{ein}}}{=}}\;{\frac {U_{\text{aus}}}{U_{\text{ein}}}}}$

Somit ist der Wirkungsgrad im Rahmen der Annahmen nur abhängig von der Ein- und Ausgangsspannung.

Funktionsbeispiel Steller

Eine Gleichrichterschaltung liefert U_E und 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. Der Transistor arbeitet als Emitterfolger, weshalb die Ausgangsspannung U_A etwas kleiner ist als U_z. Die Differenz U_z − U_A ist nicht konstant (Basis-Emitterspannung von Q, etwa 0,6 V), sondern ändert sich mit dem Emitterstrom. Deshalb ist die Stabilität schlechter als die der Zenerdiode (die differenziellen Widerstände von Zenerdiode und Widerstand müssen addiert werden, was zu einem schlechteren Stabilisierungsfaktor führt). Vorteil ist, dass man einen deutlich größeren Strom entnehmen kann, weil dieser hauptsächlich über die Kollektor-Emitter-Strecke läuft. Der Transistor muss meist mit einem Kühlkörper versehen werden, um die entstehende Verlustleistung abzuführen.

Diese Schaltung ist ein Stellglied im Sinne der Regelungstechnik, weil keine Rückführung des Ausgangs auf den Eingang stattfindet.

Funktionsbeispiel Regler

Um eine exaktere Stabilisierung zu erhalten, werden z. B. in integrierten Spannungsreglern oder Labornetzteilen Operationsverstärker (OP) eingesetzt. Die folgende Schaltung zeigt das Prinzip integrierter Spannungsregler, lediglich die Strombegrenzung und der Übertemperaturschutz fehlen:

Der nichtinvertierende Eingang des OP wird fest auf U_z stabilisiert. Mit dem Poti R₂ wird ein Teil der Ausgangsspannung abgegriffen und vom OP mit U_z verglichen. Der Unterschied der beiden Größen – Regelabweichung genannt – wird verstärkt und ändert die Stromdurchlässigkeit des Leistungstransistors. Im Gegensatz zum vorher gezeigten Stabilisator kontrolliert hier der OP die Ausgangsspannung und regelt gegebenenfalls nach. Benutzt man für R₂ einen „normalen“ Widerstand, so hat man einen Festspannungsregler.

Eine Verbesserung kann erreicht werden, wenn Q gegen einen pnp-Transistor oder p-MOSFET getauscht wird. Zusätzlich müssen die Eingänge des OP 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. Dieser ist etwa U_E · β / R_B

Die gezeigte Schaltung ist rudimentär, weil sie weder kurzschluss- noch übertemperaturfest ist. Integrierte Spannungsregler besitzen fast immer interne Schutzschaltungen, welche bei Überstrom oder Übertemperatur des Chips den Strom durch den Regler drosseln oder abschalten.

Kennwerte integrierter linearer Längsregler

Übliche Festspannungsregler sind für Eingangsspannungen 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 1,5–3 V erforderlich.

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

Der Fixspannungsregler U2, hier ein LM7824, benötigt nur kleine Kondensatoren am Ein- und Ausgang. Am Ausgang wird sich eine Spannung von 24 V einstellen.

Der einstellbare Spannungsregler LM317, U1 in nebenstehender Schaltskizze, und auf speziell diesen Typ beziehen sich die folgenden Ausführungen, benötigt noch einen Spannungsteiler zum Einstellen der Ausgangsspannung. Hier muss sich zwischen Steueranschluss und Ausgangsanschluss ${\displaystyle U_{\text{Ref}}=1{,}25\,\mathrm {V} }$ einstellen:

${\displaystyle U_{3}=U_{\text{Ref}}\cdot \left(1+{\frac {R_{2}}{R_{1}}}\right)+I_{\text{Adj}}\cdot R_{2}}$

Die Ausgangsspannung ergibt sich also aus dem Verhältnis von ${\displaystyle R_{2}}$ zu ${\displaystyle R_{1}}$. Der Anteil des zweiten Gliedes ist aufgrund des geringen Stromes ${\displaystyle I_{\text{Adj}}\approx 50\,{\text{µA}}}$ mit ${\displaystyle 0{,}055\,\mathrm {V} }$ vernachlässigbar gering, wenn der Längsstrom im Spannungsteiler nicht zu klein, also die Absolutwerte der Widerstände nicht zu groß sind. Mit ${\displaystyle R_{2}=1{,}1\,\mathrm {k} \Omega }$ und ${\displaystyle R_{1}=100\,\Omega }$ erhält man zum Beispiel 15 V am Ausgang U3.

Low-Drop-Längsregler

Ein Low-Drop-Spannungsregler (abgekürzt LDO für Low Drop-Out) ist ein Längsregler mit einer geringeren minimal erforderlichen Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung (0,1 V bis 1 V statt 1,5 V bis 3 V bei anderen Reglern). Die LDO-Eigenschaft wird in bipolarer Schaltungstechnik durch den Einsatz eines pnp-Transistors im Längszweig erreicht. Alternativ kann auch ein p-Kanal-Anreicherungs-MOSFET genutzt werden, z. B. IRF4905. Dieser wird statt eines npn-Transistors wie in obigen Schaltungen eingesetzt. Der pnp-Transistor kann dann bis in seine Sättigung getrieben werden, was die geringe Spannungsdifferenz von minimal rund 0,2 V zwischen Eingang (Emitter) und Ausgang (Kollektor) erlaubt. Beispielsweise können mit LDOs 3,3 V aus 4 V gewonnen werden.

LDOs verringern auch die Verluste, und das speisende Netzteil kann knapper ausgelegt werden. Der Nachteil besteht darin, dass Low-Drop-Längsregler stärker zu Schwingungen neigen. Der Grund liegt darin, dass der pnp-Transistor in Längsrichtung wegen der Verlustleistung eine relativ große Struktur aufweist, damit verbunden eine relativ große Basis-Emitter-Kapazität, welche durch den Millereffekt zusätzlich verstärkt wird. Dadurch entsteht in der Übertragungsfunktion ein dominanter Pol, welcher ohne Gegenmassen die Phasenreserve im Regelkreis negativ werden lässt, was zu unerwünschten Schwingungen führen kann.

Beschaltung

Integrierte Spannungsregler besitzen fast immer eine thermische Abschaltung und eine Strombegrenzung, sind somit bedingt kurzschluss- und überlastfest. Es wird jedoch nicht empfohlen, die thermische Abschaltung als alleinigen Überlastschutz vorzusehen. Gegen Verpolung sind v. a. ältere Regler-IC nicht geschützt. Die Regler können bei ungeeigneter Beschaltung unbeabsichtigt schwingen. Das ist nicht nur für die Spannungsregler gefährlich, es können auch unerwünschte hochfrequente Schwingungen und Transienten in der Last erzeugt werden. Diese bleiben leicht unbemerkt, da sie bei einer Gleichspannungsmessung nicht angezeigt werden.

Zur Vermeidung unerwünschten Schwingens und zum besseren Verhalten bei Lastsprüngen erfordern Spannungsregler externe Kondensatoren, entsprechend ihrem Datenblatt. Nicht alle im nebenstehenden Schaltplan eingezeichneten Kondensatoren sind zwingend notwendig, bei der populären 78xx-Reihe ist laut Datenblatt nur C2 mit mindestens 100 nF vorgeschrieben. Er muss induktionsarm sein, also einen niedrigen ESL-Wert aufweisen, das ist i. d. R. ein Keramikkondensator. Zusätzlich muss der Kondensator mit möglichst kurzen Leiterbahnen mit dem Regler verbunden sein, da auch große Leitungsinduktivitäten zum Schwingen führen können.

Andere Regler erfordern zwingend nur C3. Bei der 78xx-Reihe verbessert C3 das Regelverhalten bei schnellen Lastwechseln.

Die zusätzlichen Kondensatoren C1 und C4 sind optional. C1 kann zum Beispiel als Glättungskondensator nach einem Gleichrichter erforderlich sein und – falls er niederimpedant ist – C2 ersetzen. Ein großer C4 verbessert das Verhalten bei Lastwechseln und fängt kurze Lastspitzen ab. Nachteilig ist die in ihm gespeicherte Energie beim Ausschalten.

Daher schützt die optionale Diode D1 vom Ausgang zum Eingang den Regler, wenn beim Ausschalten die Ausgangsspannung höher als die Eingangsspannung wird, wodurch ein Strom rückwärts durch ihn fließt, was ihn zerstört. Die Schutzdiode ist insbesondere bei großem C4 erforderlich, wenn die Gefahr besteht, dass eingangsseitig ein Kurzschluss stattfindet oder weitere Lasten beim Ausschalten Strom aufnehmen.

Verwendung als Konstantstromquelle

Wird ein fester Widerstand zwischen den Ausgang des Spannungsreglers und seinen Fußpunkt geschaltet, wird die Spannung über dem Widerstand konstant gehalten und damit auch der Strom durch diesen Widerstand. Auf diese Weise kann eine einfache Konstantstromquelle realisiert werden, die als Zweipol in Reihe in einen Stromkreis eingebaut werden kann.

Typenbezeichnungen 78xx

Aufgrund ihres Alters (Einführung 1972) und der geringen Kosten (ab wenigen Cent) sind diese Festspannungsregler weit verbreitet:

• 78xx (positive Ausgangsspannungen – Positivregler)
• 79xx (negative Ausgangsspannungen – Negativregler)

xx = Ausgangsspannung, Normspannungen: 5 V, 9 V, 12 V, 15 V, …

zum Beispiel 7805 = Positivregler für 5 V Ausgangsspannung oder 7812 = Positivregler für 12 V Ausgangsspannung.

Je nach Hersteller kann vor der Ziffernfolge 78 noch ein Präfix stehen. Üblich sind µA78xx, MC78xx, LM78xx und L78xx.
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. Kleinere Ausführungen sind 78Mxx für 0,5-A-Typen und 78Lxx für 0,1-A-Typen. 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.

Beispiele für verbreitete einstellbare Spannungsregler sind:

• LM317 (positive Ausgangsspannungen – Positivregler)
• LM337 (negative Ausgangsspannungen – Negativregler)
• L200 (Positivregler, Spannungs- und Stromregelung möglich)
• LM723 (Positivregler, Spannungs- und Stromregelung möglich, etwas aufwändigere Beschaltung, oft in Labornetzteilen verwendet)

Laderegler oder Schutzschaltung für Akkus

Eine Überladung bei vollem Akku wird dadurch verhindert, dass bei Erreichen der maximalen Ladespannung der größte Teil des Stromes in einem Querregler abgezweigt und in Wärme umgewandelt wird. Diese Ladespannungsbegrenzung ist in vielen der dafür besonders empfindlichen Lithium-Ionen-Akkumulatoren, zusammen mit weiterer Überwachungselektronik, wie Stromsicherung, Endladeschlussspannungskontrolle und einer Temperaturüberwachung direkt mit in das Gehäuse des (LapTop-)Akkupacks bzw. in (Handy-)Einzelzellen eingebaut. Eine Ladespannungserhöhung über 4,2 V pro LiIonen-Zelle hinaus würde sonst zu einer Zersetzung des Elektrolyten führen und Brandgefahr bedeuten.

Das Verfahren mittels Querreglers wird auch bei Ladestromquellen angewendet, die nicht unbelastet betrieben werden dürfen. Ein typisches Beispiel dafür sind kleine Windgeneratoren; unbelastet könnten diese, je nach Bauart und Windgeschwindigkeit, unzulässige Rotor-Drehzahlen und Leerlaufspannungen erreichen.

Für 12-V-Bleiakkus gibt es z. B. den speziell auf die Ladeschlussspannung von ca. 13,7 V abgestimmten 1,5-A-Festspannungsregler PB137. Er ist vergleichbar mit der Reglerreihe 78xx mit zusätzlicher Schutzbeschaltung. Nach Erreichen der Ladeschlussspannung des Akkus von 13,7 V bzw. wenn zuvor auf vorgeschriebene Ladeschlussspannung von ca. 15 V aufgeladen wurde, fließt in ihm nur noch der geringe Betriebsstrom des PB137 um 5 mA aus der Ladequelle.

Solar-Stromversorgung

Shuntregler regeln weiterhin in Satelliten die aus Solarzellen erzeugte Bordspannung. Längsregler würden hier einen Leistungsverlust von mehreren Prozent verursachen, da ihr Mindest-Spannungsabfall eine etwas höhere Spannung der Solarzelle erfordert, wodurch der Maximalstrom bei gleicher Bestrahlung etwas sinkt. Je nach Aufbau unterscheidet man lineare Shuntregler (Shunt Regulators) sowie einen Teil der Solarzellen kurzschließende Regler: Switching Shunt Regulators (S2R), Sequential Switching Shunt Regulators (S3R) oder Sequential Switching Shunt Series Regulators (S4R). Die (nach Bedarf oder periodisch) kurzgeschlossenen einzelnen Solarzellen-Segmente sind hierzu über Dioden mit der Busspannung verbunden und dadurch voneinander entkoppelt.