Spannungsregelung (Schaltungstechnik)

Eine Spannungsregelung wandelt die Netzwechselspannung von 230 Volt in eine stabile Gleichspannung beliebiger Höhe um. Sie besteht aus einem Überspannungsschutz, der Spannungswandlung, Gleichrichtung und Glättung und am Ende eine eigentliche Spannungsregelung.

Zunächst schützt ein Überspannungsschutz die Schaltung vor Spannungsspitzen. Anschließend reduziert ein Transformator die Netzspannung auf den benötigten Wert. Die Gleichrichtung wandelt die Wechselspannung in eine pulsierende Gleichspannung um. Diese wird durch die Glättung weitgehend eingeebnet (geglättet). Abschließend sorgt die Spannungsregelung dafür, dass unabhängig von Lastschwankungen eine konstante Ausgangsspannung bereitgestellt wird.

Überspannungsschutz

Diagramm Überspannungsschutz
Der Überspannungsschutz soll die elektronischen Bauelemente vor Überspannungen schützen, die aus dem Stromnetz kommen.
Überspannungen entstehen beispielsweise nach einem Stromausfall, wenn der Strom wieder eingeschaltet wird oder bei einem Blitzeinschlag.

Spannungswandlung (Transformator)

Diagramm Spannungswandlung (Transformator)
Da die Spannung aus dem Stromnetz sehr groß ist, muss sie verringert werden. Der Widerstand sollte dabei möglichst klein bleiben. Die sicherste Methode ist ein Transformator.
Je nach nachfolgenden Bauteilen muss der Stromverbrauch und der Spannungsabfall beachtet werden.

Gleichrichtung

Diagramm Gleichrichtung
Mittels einer Gleichrichterschaltung wird aus der Wechselspannung eine pulsierende Gleichspannung. Diese Schaltung bringt den Wechselstrom in eine Richtung zum fließen.

Gleichrichterschaltungen
Brückengleichrichterschaltung
Synchron-Gleichrichter von Thomas Schaerer

Glättung und Siebung

Diagramm Glättung
Für die Glättung wird ein Kondensator verwendet. Eine Gleichspannung mit leichtem Brummspannungsanteil erhält man am Ausgang der Schaltung. Für die Siebung werden RC- oder LC-Siebglieder verwendet. Der Brummspannungsanteil wird nahezu komplett reduziert.
Die Siebung ist optional. Häufig reicht eine Spannungsregelung mit vorgeschalteter Glättung aus.

Glättung und Siebung

Spannungsregelung

Diagramm Spannungsregelung
Statt eines Siebgliedes kann auch eine Stabilisierungsschaltung zur Entfernung der Brummanteile eingesetzt werden. Zudem wird die Ausgangsspannung noch stabilisiert. Das einfachste ist eine Stabilisierungsschaltung mit Z-Diode. Bei kommerziellen Produkten werden Festspannungsregler verwendet.

Festspannungsregler
Spannungsregelschaltung mit elektronischer Brummsiebung von Thomas Schaerer

Schaltungsergänzung

Als Betriebsanzeige kann eine Led mit Vorwiderstand (4k7) mit angeschaltet werden.

Welche Spannungsregler gibt es?

Ein Spannungsregler besteht aus verschiedenen Stabilisierungsschaltungen und mehreren Verstärkerstufen. In der Regel hat er eine interne Strombegrenzung, die bei Überlastung und Kurzschluss auslöst. Bei einem Kurzschluss sollte der Spannungsregler seine Ausgangsspannung automatisch herunterregeln. Wird der Kurzschluss aufgehoben, stabilisiert sich die Ausgangsspannung wieder auf ihren festen Wert. Eine thermische Schutzschaltung verhindert die Zerstörung des ICs durch Überhitzung.

Spannungsregler (Bauelemente)

Spannungsstabilisierung mit Z-Diode

Die Spannungsstabilisierung mit einer Z-Diode ist eine einfache Methode, um eine konstante Gleichspannung zu erzeugen. Eine Z-Diode wird in Sperrrichtung betrieben und hält die Spannung über sich konstant, solange der Strom durch die Diode innerhalb bestimmter Grenzen bleibt.

Bei Anwendungen mit ständiger Spannungsstabilisierung und geringer, sowie stabiler Stromentnahme reicht eine einfache Schaltung mit Vorwiderstand und Z-Diode aus. Wenn allerdings größere Ströme, genauere und stabilere Spannungswerte gefordert werden, kommen integrierte Festspannungsregler zum Einsatz.

Festspannungsregelung mit 78xx und 79xx

Die 78xx- und 79xx-Serien sind integrierte Festspannungsregler, die verwendet werden, um eine stabile Ausgangsspannung zu erzeugen. Die 78xx-Serie ist für positive Spannungen und die 79xx-Serie für negative Spannungen ausgelegt. Diese Regler sind nützlich, wenn größere Ströme und genauere Spannungswerte benötigt werden.

Einstellbare Spannungsregelung mit LM317

Der LM317 ist ein einstellbarer Spannungsregler, der eine Ausgangsspannung von 1,25 V bis 37 V liefern kann, je nach Bedarf. Er ist sehr nützlich, wenn eine spezifische Spannung benötigst wird, die nicht direkt von einer Batterie oder einem Netzteil bereitgestellt wird.

Spannungsregler (78xx und LM317) von Thomas Schaerer
Einstellbarer Spannungsregler (LM317) von Thomas Schaerer
Einstellbarer Spannungsregler mit elektronischer Sicherung von Thomas Schaerer
Einstellbarer Spannungsregler mit Strombegrenung (LM317) von Thomas Schaerer

Einfaches Labornetzteil mit NPN-Komplementärdarlingtonstufe

Ein einfaches Labornetzteil mit einer NPN-Komplementärdarlingtonstufe ist eine Stromversorgungseinheit, die eine stabile Ausgangsspannung liefert. Dabei wird eine Darlington-Schaltung verwendet, um die Stromverstärkung zu erhöhen. Eine Darlington-Schaltung besteht aus zwei Transistoren, die so verbunden sind, dass der Ausgangsstrom des ersten Transistors den Eingangsstrom des zweiten Transistors steuert. Dadurch wird eine sehr hohe Stromverstärkung erreicht.
In einem Labornetzteil wird diese Schaltung verwendet, um eine konstante Spannung oder einen konstanten Strom an den Ausgang zu liefern, selbst wenn sich die Last ändert. Die NPN-Komplementärdarlingtonstufe sorgt dafür, dass das Netzteil effizient arbeitet und eine hohe Last treiben kann.

Einfaches Labornetzteil mit NPN-Komplementärdarlingtonstufe von Thomas Schaerer

Spannungsregelschaltung mit elektronischer Brummsiebung (Brummunterdrückung)

Eine Spannungsregelschaltung mit elektronischer Brummsiebung dient dazu, die Brummspannung, also den unerwünschten Wechselspannungsanteil in einer geglätteten Gleichspannung, zu reduzieren. Hierbei wird die Spannung zunächst gleichgerichtet und geglättet, um eine möglichst konstante Gleichspannung zu erhalten.

Spannungsregelschaltung mit elektronischer Brummsiebung von Thomas Schaerer

Lowdropout-Netzgerät mit dem 723

Ein Low-Dropout-Netzgerät (LDO) ist ein Spannungsregler, der auch bei einer geringen Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung stabil arbeitet. Der LM723 ist ein vielseitiger Spannungsregler-IC, der in verschiedenen Konfigurationen eingesetzt werden kann, um eine stabile Ausgangsspannung zu erzeugen. Beispielsweise mit einer Komplementär-Darlington-Leistungsstufe und
Impuls-Foldback-Strombegrenzung.