mini|hochkant=1.1|Integrierte lineare 5 V-Festspannungs-Längsregler: links 1,5 A, Gehäuse TO-220, rechts 0,1 A, Gehäuse TO-92
Ein Spannungsregler stabilisiert eine elektrische Spannung, meist eine Gleichspannung, als Betriebsspannung einer Schaltung, um Schwankungen der Eingangsspannung, z. B. von einer Batterie oder dem Stromnetz, in weiten Bereichen auszugleichen. Dafür werden heute meist integrierte Schaltungen verwendet. Diese elektronischen Spannungsregler erfüllen häufig noch weitere Aufgaben, wie Überstrombegrenzung oder Abschaltung der Ausgangsspannung über einen Shutdown-Pin. Spannungsregler waren früher meist Linearregler, heute sehr oft Schaltregler.
Mit Stelltransformatoren und magnetischen Spannungskonstantern können auch Wechselspannungen stabilisiert werden.
Überblick mini|Eine Spannungsstabilisierung mit einer Zenerdiode ist kein Längs-, sondern ein Querregler. Regelungstechnisch betrachtet ist es allerdings ein Steller, weil hier kein Regelkreis besteht. (Parallelregler) Elektronische Schaltungen benötigen meist eine konstante Betriebsspannung, die möglichst unabhängig sowohl von der Eingangsspannung als auch stabil, d. h. unabhängig von der Stromaufnahme ist.
Die Netzspannung darf um ±10 % schwanken, also von 207 V bis 253 V. Bei einem konventionellen Trafo muss daher die Betriebsspannung meist stabilisiert werden, wodurch gleichzeitig die Restwelligkeit hinter dem Gleichrichter weitgehend beseitigt wird. Batterien und Akkus haben einen ähnlich weiten Spannungsbereich von voll geladen bis komplett entladen.
Bei Gleichspannungsreglern gibt es unterschiedliche Prinzipien:
Für kleinste Leistungen wie bei Referenzspannungsquellen verwendet man keine Regler, sondern Stabilisierungsschaltungen mit Zenerdioden, wie im nebenstehenden Prinzipbild gezeigt. Ausschlaggebend für die Funktion ist der besonders geringe differentielle Widerstand dieser Bauelemente von etwa 5 Ω, der viel kleiner sein muss als Rv. Denn nur dann bleibt die Ausgangsspannung Ua auch bei größeren Schwankungen des Laststromes annähernd konstant.
Linearregler verwenden einen Leistungstransistor, der wie ein elektronisch variierbarer Widerstand arbeitet. Weicht die Ausgangsspannung vom Sollwert ab, wird die Differenz verstärkt und zum Leistungstransistor zurückgeführt (Regelkreis). Nachteilig ist der relativ geringe Wirkungsgrad bei einer großen Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung und dadurch meist die Notwendigkeit, den Leistungstransistor zu kühlen. Vorteile: Lastwechsel können schnell und gut ausgeglichen werden, für kleine Leistungen gibt es sehr preiswerte Bausteine. Am Ausgang gibt es keine Wechselspannungsreste, außerdem wird keine Störstrahlung (EMV) erzeugt. So lassen sich empfindliche Analogschaltungen problemlos betreiben.
Schaltregler enthalten einen Leistungstransistor, der mit hoher Frequenz (einige kHz bis MHz) ein- und ausgeschaltet wird, und eine Induktivität oder einen Trafo. Dieser Transistor ist immer ganz gesperrt oder ganz offen und wird daher nur gering erwärmt. So können hohe Wirkungsgrade über 90 % erreicht werden. Das verlängert die Betriebsdauer von batteriebetriebenen Geräten wie Laptops. Nachteilig ist, dass die Schaltung wegen der intern verwendeten leistungsstarken Wechselfrequenz gut abgeschirmt werden muss (Elektromagnetische Verträglichkeit) und dass am Ausgang immer ein geringer Anteil dieser Wechselspannung messbar ist. Das stört bei Digitalschaltungen oder Ladegeräte weniger, sehr wohl aber bei empfindlichen Verstärkern z. B. in Funkgeräten, HiFi-Anlagen oder EEGs.
Schaltregler gibt es als Abwärts- und Aufwärtswandler. Bei letzteren ist die Ausgangsspannung stets größer als die Eingangsspannung, das ist bei Linearreglern prinzipiell nicht möglich.
Lineare Regler Man unterscheidet die Parallelstabilisierung (Querregler), die Serienstabilisierung (Längsregler) sowie die Kombination aus beiden.zum Beispiel AD158x von Analog Devices
Beim Querregler liegt die Last (der Verbraucher) parallel zur Reglerschaltung und er wandelt immer die gesamte nicht benötigte Leistung in Wärme um. Überdies treten oft Verluste im nötigen vorgeschalteten Bauteil zur Strombegrenzung (im einfachsten Fall ein Widerstand) auf. Dieses auch als Shuntregler bezeichnete Verfahren wird aufgrund der Verluste nur dann verwendet, wenn z. B. die entnommene Leistung nur gering ist oder die Regelgeschwindigkeit hoch sein muss.
Beim Längsregler liegt die Regelstrecke (sogenannter Längstransistor) in Reihe mit dem Verbraucher. Diese Schaltung nimmt nur etwas mehr als den Laststrom auf und ist daher effizienter als eine Parallelstabilisierung; sie wird deshalb in der Elektronik am häufigsten eingesetzt.
Unabhängig vom Reglertyp gehört zu einem Spannungsregler immer eine Referenzspannungsquelle, die entsprechend den Anforderungen aus einer unterschiedlich komplexen Schaltung besteht. Zum Einsatz kommt im einfachsten Fall die Reihenschaltung aus einer Zenerdiode und Vorwiderstand, des Weiteren die bei integrierten Schaltkreisen bevorzugte Bandabstandsreferenz und bei Präzisionsanwendungen eine Zenerdiode mit geregelter Beschaltung oder spezielle temperaturkompensierte Bandabstandsreferenzen.
Längsregler Als Längsregler finden meist integrierte Schaltungen Verwendung, die die Regelstrecke (Leistungstransistor), den Regler und eine Referenzspannungsquelle enthalten. Man unterscheidet: Festspannungsregler: Ausgangsspannung wird herstellerseitig festgelegt. Einstellbare Spannungsregler: Ausgangsspannung ist mittels eines Spannungsteilers wählbar.
Wirkungsgrad Der Wirkungsgrad errechnet sich bei einem Linearregler wie folgt. Dabei wird der Eigenstromverbrauch des Reglers („Querstrom“) oft vernachlässigt, weil er im Verhältnis zum Ausgangsstrom klein ist.
Somit ist der Wirkungsgrad im Rahmen der Annahmen nur abhängig von der Ein- und Ausgangsspannung.
Funktionsbeispiel Steller mini|Stabilisator mit Z-Diode Eine Gleichrichterschaltung liefert UE und wird von Dz auf Uz stabilisiert. Rv dient zur Strombegrenzung von Dz und muss gleichzeitig auch den wechselnden Basisstrom von Q liefern. Der Transistor arbeitet als Emitterfolger, weshalb die Ausgangsspannung UA etwas kleiner ist als Uz. Die Differenz Uz − UA 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 mini|Kollektorschaltung als idealer Transistor durch Impedanzwandler per Operationsverstärker, kann ebenso als verstärkter Spannungsfolger (Emitterfolger) gesehen werden und ist die Grundschaltung linearer Spannungsregler: Ue=Ua mini|Einstellbarer Längsregler mit OP 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 Uz stabilisiert. Mit dem Poti R2 wird ein Teil der Ausgangsspannung abgegriffen und vom OP mit Uz 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 RB eine wirksame Strombegrenzung möglich. Wird dieser Widerstand durch ein Potentiometer in Reihe ergänzt, kann der maximal entnehmbare Laststrom eingestellt werden. Dieser ist etwa UE · β / RB
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. mini|Anwendung von Spannungsreglern
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 einstellen:
Die Ausgangsspannung ergibt sich also aus dem Verhältnis von zu . Der Anteil des zweiten Gliedes ist aufgrund des geringen Stromes mit vernachlässigbar gering, wenn der Längsstrom im Spannungsteiler nicht zu klein, also die Absolutwerte der Widerstände nicht zu groß sind. Mit und erhält man zum Beispiel 15 V am Ausgang U3.
Low-Drop-Längsregler mini|Low-Drop-Linearregler auf einer CPU-Adapterfassung (Sockel 7) Ein Low-Drop-Spannungsregler (abgekürzt LDO für ) 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 mini|Durch eine Diode geschützter Regler