UPDATE: Integrierte fixe und einstellbare 3-pin-Spannungsregler und zwei Akku-Ladeschaltungen mit LM317LZ und LM317

Bild B zeigt einen reduzierten Ausschnitt aus Bild 6 im Kapitel „LM317/LM337: Symmetrische Ausgangsspannung“. Es geht dabei auch um die leichte Spannungseinstellung mittels hochauflösendem CERMET-Trimmpot, 10- oder 20-gängig. Als eine Erweiterung wird gezeigt, wie man mit einem 2-poligen Kipp-Umschalter zwei Spannungen ±Ub wählen kann, z.B. ±12 VDC oder ±15 VDC. Andere Werte sind möglich, wenn die involvierten Bauteile neu berechnet werden. Dazu gibt es drei etwas unterschiedliche LM317-Online-Rechenprogramme, anwendbar auch für die negative Spannungen mit LM337.

Teilbild B1 zeigt eine Umschaltmethode, die nicht erlaubt ist. Beim Umschaltvorgang wird kurzzeitig die Feedbackschlaufe beim LM317 (auch beim LM337) unterbrochen. Dabei steigt kurzzeitig die Spannung an +Ub (auch an -Ub) auf die maximale DC-Spannung und diese entspricht der gleichgerichtet und geglätteten DC-Spannung am Lade-Elko CL. Wegen der Umladung von Cx dämpft es etwas diesen Effekt, wobei dies stark abhängig ist von der Umschaltzeit des Kippschalters und vom Widerstand-Potmeter-Netzwerk.

Die Methode von Teilbild B2 ist praktikabel, weil die höhere Ausgangsspannung fix definiert und nur die niedrigere Spannung zugeschaltet wird. Es werden dabei die beiden Widerstand-Potmeter-Netzwerke parallel geschaltet. Dies hat den Nachteil, dass man stets zuerst die höhere und danach die niedrigere Spannung ±Ub kalibrieren muss.

Die neue Schaltung A (Bild 14 hier reduziert) zeigt wie es auch anders geht, so dass die Kalibrierungen sich gegenseitig nicht beeinflussen können. Am Beispiel mit drei umschaltbaren Spannungen +Ub geht das mit einem Kippschalter mit Nullstellung in der Mitte (B). Das funktioniert mit einem CMOS-Quad-NAND-Gatter (CD4011B) und drei NPN-Transistoren. Natürlich muss hier das Verhältnis Basis/Kollektorstrom von 1:10, zwecks maximaler Sättigung, definiert sein. Die Sättigungsspannung zwischen Kollektor und Emitter liegt bei 50 mV. Die daraus resultierende Präzision reicht für einen Netzteil-Betrieb längst aus. Bild 14 zeigt eine Single-Supply-Schaltung. Mit einer passenden Erweiterung, kann der Leser diese Schaltung zu einer Dual-Supply-Anwendung für ± Ub umsetzen, falls dies benötigt wird.

Dazu noch den Hinweis, die Schaltung in Bild A kann man auch für nur zwei Ausgangsspannungen +Ub realisieren und dies besonders einfach. Mehr dazu im Elektronik-Minikurs. Oder man könnte z.B. auch maximal zehn unterschiedliche Spannungen +Ub wählen mit dem Dekaden-Zähler-IC CD4017B. Noch mehr, und es müsste wohl ein µP zum Einsatz kommen….

Allgemeines: Neben weiteren praxisorientierten Anwendungen, befasst sich dieser Elektronik-Minikurs, betreffs den fixen und variablen 3pin-Spannungsreglern, mit seinen wichtigsten Aspekten. Ein Aspekt ist die Sache mit dem unerwünschten Strom-Rückfluss vom Aus- zum Eingang. Es ist genau beschrieben, wie es zu diesem Effekt kommt. Das Kapitel „Warum ist der Rückstrom so schädlich?“ zeigt am Beispiel der IC-internen Schaltung des 78xx-Regler, was im Detail passiert.

Gruss Euer
ELKO-Thomas


UPDATE: Integrierte fixe und einstellbare 3-pin-Spannungsregler und zwei Akku-Ladeschaltungen mit LM317LZ und LM317

Dieser Elektronik-Minikurs beschäftigt sich mit den 3-pin-Spannungsreglern des Typs 78xx, 79xx (fixe Ausgangsspannungen) und LM317, LM337 (frei dimensionierbare Ausgangsspannungen). Dabei geht es um bekannte Netzteilschaltungen, jedoch ins Detail hinein thematisiert. Mittels LM317 und LM337 kann man symmetrische Ausgangsspannungen erzeugen. Eine weitere Schaltung zeigt, wie man bei Bedarf die Symmetrie oder die Asymmetrie exakt einstellen kann.

Mit zwei LM317 ist es mit wenig Aufwand möglich ein Netzteil mit konstanter und strombegrenzter Ausgangsspannung zu realisieren. Vorausgesetzt, die relativ grosse Dropoutspannung stört nicht. Damit ist auch schon klar, dass sich diese Methode nur für kleine Leistungen eignet. Eine solche Schaltung eignet sich zur Realisierung einer kleinen Akku-Ladeschaltung. Diese ladet mit einem konstanten Strom der 1/10 der Akkukapazität entspricht und im Zustand der Ladeschluss-Spannung der Ladestrom so gering ist, dass dieser gerade noch der Ladeerhaltung des Akku dient. Dies setzt voraus, dass die Ladeschluss-Spannung exakt eingestellt werden kann.

NEU! Es gibt es eine Erweiterung, angedeutet in Teilbild 1 (Titelbild). Anstelle der üblichen Diode, um einen Stromrückfluss zu vermeiden, kommt ein PNP-Transistor zum Einsatz, der einige Vorteile mit sich bringt. Wegen der begrenzten Emitter-Basis-Sperrspannung von typisch 5 bis 6 V, eignen sich nur Akku mit niedrigen Spannungswerten, wie z.B. maximal drei in Serie geschalteten NiMH-Akkuzellen.

Ein anderes Thema beschäftigt sich mit dem Gegenteil. Schaltet man ein Netzteil aus, besteht oft das Risiko, dass die am Netzteil angeschlossene Schaltung kurzzeitig ein Strom ins Netzteil zurück liefert, weil sich ein Elko entladet. Dies zerstört den Spannungsregler. Abhilfe zeigen die Rückflussdioden in den Teilbildern 2 und 3, wobei die Schaltung in Teilbild 3 eine LM317-Stromquelle ist. Auch da kann diese Massnahme, je nach Einsatz, notwendig sein.

Teilbild 4 illustriert wie der unerwünschte Rückstrom durch den 7805-Spannungsregler fliesst, wenn die Rückfluss-Diode DR fehlt.

Gruss Euer
ELKO-Thomas


Integrierte fixe und einstellbare 3-pin-Spannungsregler und eine einfache Akku-Ladeschaltung mit LM317LZ

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Es ist nur möglich auf der Hauptseite des ELKO das begleitende Titelbild zum folgenden Text zu sehen. Damit dies im Newsletter auch möglich ist, öffne man im Web-Browser den folgenden Link:

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Das Update besteht aus vielen Verbesserungen in Bild und Text. Neu, gleich in der Einleitung hat es eine Liste von Datenblättern (Links) die man zum Lesen unbedingt benötigt.

Inhalt:

Die kapazitive Ein- und Ausgangsbeschaltung ist ein wichtiges Thema. Da geht es um die Vermeidung von Oszillation und um die Dämfung der Amplituden beim Einschwingvorgang bei schnellen Laststromänderungen am Ausgang und bei schnellen Spannungsänderungen am Eingang, sowie um eine optimale Dämpfung von Störspannungen.

Die Rückfluss-Diode DR ist eine wichtige Lebenversicherung für lineare Spannungsregelschaltungen, ob integriert oder (quasi-)diskret. An einem Beispiel mit dem 7805 wird am „Innenleben“ illustriert, wo die schädlichen Ströme fliessen, wenn die Rückfluss-Diode DR fehlt. Warum es empfehlenswert ist immer diese Rückfluss-Diode DR einzusetzen, illustriert eine einfache Messmethode mit den Resultaten. Ein Rückstrom fliesst dann, wenn der Eingang relativ niederohmig abgeschaltet wird oder im Betrieb der Glättungselko beim Gleichrichter kaputt geht.

Ein weiteres Thema befasst sich mit der Dimensionierung der Ausspannung des LM317(L) und erklärt warum es stets ausreicht, die reduzierte Berechnungsformel zu verwenden. Ebenfalls thematisiert ist die Strom- und Leistungsbegrenzung innerhalb des Safe-Operating-Area.

Praktisches Netzteil für symmetrische Speisung und ein das im Prinzip selbe Netzteil mit einstellbarer Asymmetrie für eine spezielle Anwendung. LM317 und LM337 kommen hier zum Einsatz. Ein Link zu einem andern Elektronik-Minikurs vermittelt Software zur Berechnung von Kühlkörpern. Es sind Online-Berechnungsprogramme.

Ein weiteres Thema widmet sich eingehend dem Einsatz von Konstantstromquellen mit dem LM317(L). Eine praktische Anwendung ist eine kleine Ladeschaltung für einen Akku in einem kleinen Solar-Taschenradio. Ein anderer Einsatz ist möglich mit passender Umdimensionierung. Das liegt beim Leser…

Guss Euer ELKO-Thomas


Im Fokus: 3pin-Spannungsregler am Ein- und Ausgang richtig beschaltet

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Es ist nur möglich auf der Hauptseite des ELKO das begleitende Titelbild zum folgenden Text zu sehen. Damit dies im Newsletter auch möglich ist, öffne man im Web-Browser den folgenden Link:

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Ein wiederkehrendes Thema besteht in der Unsicherheit, wie man die bekannten 3-beinigen Spannungsregler ein- und ausgangsseitig kapazitiv richtig abblockt und damit in ihrer Funktion stabilisiert. Als Beispiel dient der obere Teil des Titelbildes. In beiden Schaltungen geht es um ein spannungssymmetrisches Netzteil (Dual-Supply), wie es oft zur Speisung von analogen Schaltkreisen (Opamps,…) benötigt wird. Zum Einsatz kommen 78xx (z.B. LM7805) und 79xx (z.B. LM7905). Gemäss Datenblätter der beiden Spannungsregler werden eingangsseitig für C1 = 330 nF und C3 = 2.2 µF verlangt. Auch am Ausgang gibt es Unterschiede, C2 = 100 nF und C4 = 1 µF.

An Stelle von Elkos werden Tantal-Elkos gefordert. Das ist für das Abblocken von Speisespannungen allerdings Schnee von gestern. Mehr dazu erfährt man in diesem Minikurs. Weiter liest man, dass die Kapazität im Falle eines „normalen“ Elko zehn mal so hoch gewählt werden sollte. Diese Forderung steht in Zusammenhang mit der parasitären Induktivität eines „normalen“ Elko. Dieses Problem kann man allerdings locker umgehen, wenn zum „normalen“ Elko ein Keramik-Kondensator (Kerko) von üblicherweise 100 nF parallel geschaltet wird. Trotzdem schadet es nichts die Ein- und Ausgangskapazitäten zu erhöhen. Betreffs der Eingangskapazitäten erst recht nicht, weil die Spannungsregelung sehr oft nach dem Glättungselko (Gleichrichtung) erfolgt, der stets eine hohe Kapazität aufweist. Und auf den Ausgang eines Netzteiles folgt nicht selten eine Schaltung mit eingangsseitig relativ hohen Kapazitätswerten. Natürlich, wichtig bei all dem sind Kerkos um Oszillationsrisiken zu vermeiden. Dies betrifft vor allem den Eingang, wie C2 und C6 zeigt.

Das untere Teil des Titelbildes zeigt links eine kleine Netzteilschaltung mit dem LM317L (L = Lowpower). Die Schaltspannung Us schaltetet den Transistor T ein und aus. Damit wird der Laststrom Ia zwischen 50 und 100 mA mit einer Frequenz von 10 kHz umgeschaltet. Man betrachte dazu das Diagramm auf der rechten unteren Bildseite. Ohne C2 betragen die Amplitudenspitzenwerte beim Einschwingvorgang ±150 mV. Wenn C2 = 100 nF ist der Spitzenwert mit ±200 mV sogar höher!!! Bei C2 = 1 µF ist er mit ±150 mV gleich gross wie ohne C2, jedoch ist die Flankensteilheit und somit der Oberwellenanteil geringer. Erst so um die 10 µF reduziert sich der Amplitudenwert auf 1/3 von ±50 mV. Dieses Experiment soll illustrieren wie sich der Spannungsregler (der Regelverstärker) induktiv verhält und so mit der Kapazität am Ausgang eine Resonanz bilden kann (C2 = 100 nF). Vor allem dann eben, wenn man die Kapazität zu niedrig wählt. Gemäss LM317-Datenblatt sollte C2 = 1µF betragen. Und wie man erkennt, es darf locker auch mehr sein.

Gruss
Euer ELKO-Thomas


UPDATE: Spannungsregler Spezial: Das 78xx-, LM317- und Lowdropout-Prinzip

Prinzipschaltungen des LM317 und Lowdropout-Spannungsregler (LM2941)Diesen Elektronik-Minikurs gibt es seit Mai 2002. Jetzt kam es zu einem grösseren Update, wobei mit Bild 6 eine weitere Skizze dazu kam. Der Text ist ebenfalls überarbeitet.

Worum geht es in diesem Elektronik-Minikurs?

Oft sind gewisse Inhalte von Diskussionen in diversen Elektronik-Newsgruppen Auslöser Elektronik-Minikurse zu schreiben. Im vorliegenden Fall regte mich die Tatsache an, dass viele Mitwirkende praktisch keine Ahnung davon haben, wie die allseits bekannten und tradionsreichen dreibeinigen Spannungsregler der 78xx-Familie und des LM317 arbeiten. Das selbe gilt natürlich ebenso für die 79xx-Familie und für den LM337, welche, komplementär zu den andern, negative Ausgangsspannungen liefern. Da hier jedoch nur die Funktionsprinzipien interessieren, genügt es, wenn wir uns auf die 78xx-Familie und auf den LM317 beschränken.

Ein (angehender) Elektroniker sollte wissen wie ein 78xx und ein LM317 grundsätzlich arbeiten. Es sind zwei etwas unterschiedliche fundamentale Prinzipien der Spannungsregelung, die ebenso in andern ICs für Spannungsregelungen zur Anwendung kommen und man kann solche Schaltungen, falls einmal nötig, mit solchem Wissen, auch leicht selbst quasidiskret realisieren. Quasidiskret bedeutet, dass sowohl einzelne Transistoren und Dioden etc., jedoch auch ICs, z.B. Operationsverstärker vorkommen können.

Zusätzlich wird das Funktionsprinzip der Lowdropout-Spannungsregler thematisiert. Das sind Spannungsregler die auch noch mit einem sehr geringen Spannungsabfall zwischen Ein- und Ausgang einwandfrei arbeiten können. Als Vorlage für die Ausführung mit bipolaren Leistungstransistoren dient der LM2941 und für die Ausführung mit Power-MOSFETs die Serie LP3961 bis LP3964. Alle hier aufgeführten Produkte stammen aus dem Hause NATIONAL SEMICONDUCTOR.

Ich wünsche mit dem Studium dieses Elektronik-Minikurses viel Spass.


UPDATE: Positive und negative Zusatzspannung aus Gleichspannung

2-Phasen-Spannungsmultiplier

Dieser Elektronik-Minikurs zeigt wie man mittels preiswerten CMOS-ICs Spannungsverdoppler und Spannungsspiegel realisieren kann und wie mit einfacher Methode stabilisierte Zusatzpannungen erzeugt werden können.

Schritt für Schritt wird der Leser eingeführt, wie mit geringem Aufwand eine höhere stabilisierte Spannung (Hilfsspannung) als die Betriebsspannung ist, realisiert werden kann, sofern eine geringe Leistung genügt. Es kommt ein LM317L zum Einsatz. Die selbe Grundschaltung ermöglicht es, mit geringfügiger Änderung, einen Spannungsspiegel oder einen negativen Spannungsverdoppler zu realisieren. Zur Stabiliserung kommt ein LM337L zum Einsatz. Weil es hier besonders wichtig ist, wird speziell auf die Bedeutung von Abblockkondensatoren, die in der Nähe der ICs platziert werden müssen, eingegangen.

Zum Schluss wird noch ein kaum bekannter Zweiphasen-Spannungsvervielfacher vorgestellt, von dem ich bloss Kenntnis habe, weil ich an einem Vortrag davon mitbekommen habe. Diese Idee faszinierte mich, weil sie nur halb so viele Dioden benötigt als die bekannte Villardschaltung. Ich habe diese Schaltung auf einem Testboard aufgebaut, ein wenig Versuche angestellt und grob ausgemessen. Vielleicht regt diese Idee den einen oder andern Leser an, weitere Ideen zu dieser Idee zu entwickeln…