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Ratgeber
Spannungsregler sind elektronische Bauelemente, die schwankende, zu hohe oder zu niedrige Eingangsspannungen in eine konstante und stabilisierte Ausgangsspannung umwandeln. Oftmals übernehmen sie noch weitere Aufgaben, zum Beispiel Strombegrenzung und Kurzschluss-Schutz. Auch eine Umwandlung von Wechsel- in Gleichspannung ist bei entsprechend ausgelegten Spannungsreglern möglich. Spannungsregler können in linearer Schaltungstechnik oder als getaktete Schaltregler aufgebaut sein.
Spannungsregler werden in beinahe jeder elektronischen Schaltung benötigt. Man findet sie in unterschiedlichen Leistungsklassen und in verschiedenen technischen Ausführungen deshalb in nahezu jedem elektronischen Gerät, etwa im Automotive-Sektor, in Telekommunikationsanwendungen, Industriesteuerungen und vielen weiteren Bereichen.
Wohl jedem Elektroniker und Hobbybastler bekannt sind die absoluten Klassiker der linearen Spannungsregler, die Typenreihen 78xx und 79xx. Hierbei handelt es sich um Spannungsregler mit fester Ausgangsspannung, die es in diversen Gehäusevarianten, Leistungen und als Positiv- oder Negativregler gibt. Ihre Ausgangsspannung ist stets niedriger als die Eingangsspannung.
Einstellbarer Spannungsregler
Technisch ähnlich aufgebaut sind die ebenfalls linearen, einstellbaren Spannungsregler. Im Gegensatz zu den Festspannungs-Reglern bieten sie die Möglichkeit, die Ausgangsspannung in vorgegebenen Grenzen einzustellen.
Als Schaltregler ausgeführte Spannungswandler beinhalten eine elektronische Schaltung, die mit relativ hoher Frequenz – meist im unteren MHz-Bereich – und unter Zuhilfenahme einer integrierten Speicherdrossel eine Spannungsregelung durchführt.
AC/DC-Printnetzteile
AC/DC-Printnetzteile kommen als kompakte Regler zum Einsatz, wenn eine konstante Gleichspannung benötigt wird, als Versorgungsspannung aber nur Wechselspannung aus dem Netz zur Verfügung steht. Im Vergleich zu den relativ großen und schweren Transformatoren sind sie kleiner und leichter sowie bereits mit einer Spannungsregelung ausgestattet, so dass am Ausgang eine konstante Spannung zur Verfügung steht. Eine weitere, externe Schaltung, die als Regler fungiert, ist hier nicht mehr notwendig.
Spannungs- und Schaltregler
Diese Spannungs- und Schaltregler arbeiten effizienter als lineare Spannungsregler und produzieren deshalb weniger elektrische Verluste und Abwärme bei gleichem Ausgangsstrom.
DC/DC-Wandler
DC/DC-Wandler mit integrierten Spannungsreglern arbeiten ebenfalls mit Schaltreglern und integrieren in ihrem Gehäuse noch weitere Bauteile. Je nach Ausführung generieren sie entweder aus einer höheren Eingangsspannung eine kleinere Spannung oder sie setzen eine zu niedrige Versorgungsspannung am Eingang in die gewünschte höhere Spannung um. Gebräuchliche DC/DC-Wandler sind mit Leistungen bis zu einigen hundert Watt erhältlich und arbeiten mit hohen Wirkungsgraden.
Spannungsreferenzen
Wird eine besonders hohe Spannungskonstanz bei eher geringen Strömen gefordert, setzt man die sogenannten Spannungsreferenzen ein. Diese Spannungsregler gibt es sowohl mit festen als auch mit einstellbaren Ausgangsspannungen. Oft werden derartige Regler eingesetzt, um eine präzise Referenzspannung zu erzeugen, an der sich leistungsstärkere Regler orientieren, beziehungsweise um relative Differenzen zu einer anderen Spannung auszuwerten.
Manche Spannungsregler können auch als Konstantstromquelle dienen oder alternativ mittels einer kleinen Außenbeschaltung hierzu benutzt werden. Ebenso ist damit eine Strombegrenzung realisierbar.
Neben der Frage, welche Spannungsart (Wechsel- oder Gleichspannung) für den auszuwählenden Regler zur Verfügung steht, müssen sowohl Ausgangsspannung als auch Ausgangsstrom des Spannungsreglers zu der zu versorgenden Schaltung passen. Auch ist darauf zu achten, ob eine feste Spannung geliefert werden soll oder diese einstellbar sein muss.
Steht Netzspannung zur Verfügung, ist der Einsatz eines AC/DC-Printnetzteils die einfachste und sicherste Lösung. Diese Spannungsregler bieten oftmals einen Weitbereichseingang, beispielsweise 100 bis 240 Volt, wodurch ein Einsatz in Ländern mit abweichender Netzspannung möglich wird.
Lineare Spannungsregler sind preisgünstig und liefern am Ausgang eine „saubere“ Spannung, die weitgehend frei von Störsignalen ist. Allerdings generieren sie durch ihre lineare Regelung deutlich höhere Verluste als getaktete Spannungsregler und produzieren damit auch mehr Verlustwärme. Je höher das Verhältnis der Spannung zwischen Ein- und Ausgang ist, desto mehr fällt dieser Aspekt ins Gewicht und desto sinnvoller wird der Einsatz eines getakteten Reglers.
Spannungsreferenzen wählt man immer dann, wenn es um eine hohe Spannungskonstanz geht beziehungsweise eine präzise Referenz für andere Regler erforderlich ist oder Spannungsabweichungen zu erfassen sind.
Mit DC/DC-Wandlern lassen sich auch größere Leistungsanforderungen abdecken. Zudem gibt es sie als Aufwärtswandler (Step-Up-Converter), die eine niedrige Spannung in eine höhere umsetzen.
Unser Praxistipp: Passende Kühlung
Typen, die in einem Gehäuse zur Printmontage beziehungsweise in einem geschlossenen Gehäuse mit Anschlussdrähten oder Schraubklemmen sitzen und keine metallische Grundplatte haben, benötigen im Normalfall keine zusätzliche Kühlung. Hier ist eine ausreichende Luftkonvektion ausreichen, wenn sie in einem geschlossenen Gehäuse eingesetzt werden.
Ganz anders sieht das bei Reglern aus, die eine metallische Kühlfinne zur Montage eines Kühlkörpers oder zum Anbringen an eine gut wärmeleitfähige Gehäusewandung haben. Sie benötigen eine ausreichende Kühlung, ansonsten können sie durch Überhitzung zerstört werden. Im Datenblatt finden sich hierzu entsprechende Angaben.
Mein linearer Regler liefert eine zu geringe Spannung, woran kann das liegen?
Diese Bauteile benötigen eine Mindest-Spannungsdifferenz von etwa 1,5 bis 3 Volt zwischen Eingang und Ausgang, um korrekt zu arbeiten. Steht diese Spannung nicht zur Verfügung, sollte besser ein Low-Drop-Regler eingesetzt werden.
Warum benötigen einige Regler einen Kondensator am Ein- und Ausgang?
Je nach interner Schaltungsausführung dienen diese Kapazitäten zur Unterdrückung von ungewünschten Schwingungen oder zur Dämpfung (Glättung) des Ausgangsstroms.
Achten Sie bei Spannungsreglern auf eventuelle erforderliche Prüfzeichen, die insbesondere bei höheren Spannungen und natürlich einem Netzspannungsanschluss obligatorisch sein können. Ist eine geringe Verlustleistung ein Kriterium, bieten sich die sogenannten Low-Drop-Regler an. Sie kommen mit geringeren Spannungsdifferenzen zwischen Ein- und Ausgang aus. Hohe Wirkungsgrade bieten – auch bei größeren Spannungsdifferenzen – getaktete Regler und DC/DC-Wandler. Bei linearen Reglern gibt es Ausführungen für positive und negative Ausgangsspannungen, also Positivregler und Negativregler, die nicht verwechselt werden dürfen.