Linearregler
Wenn man eine Schaltung universell einsetzbar machen oder Bauteile mit spezifischer Eingangsspannung (z.B. Microcontroller) verwenden will, kommt man um geregelte Spannung meisstens nicht herum.
Linearregler, oder auch Festspannungsregler, liefern eine geregelte Ausgangsspannung die man für den empfindlichen Teil einer Schaltung verwenden kann.
Die 78er Serie
Die 78er Serie der Linearregler gibt es in zahlreichen Ausführungen von unterschiedlichen Firmen. Sie regeln Eingangsspannungen auf einen konstanten Wert herunter - so regelt z.B. der 7812 seine Ausgangsspannung auf 12V.
Der 7805 ist einer der meist verwendetsten Festspannungsregler im Hobbybereich. Mit ihm lassen sich ganz einfach Eingangsspannungen auf 5V reduzieren. Ein Teil ihres Ruhmes verdanken die 78er sicherlich ihrer einfachen Beschaltung: Man braucht wie rechts dargestellt nichts weiter als 2 oder 3 Kondensatoren um eine stabile Ausgangsspannung herzustellen.
Alternative: Die LF Serie
Ebenso einfach und universell einsetzbar sind Regler der LF-Serie. Sie gibt es ebenso in verschiedenen Gehäusen und mit unterschiedlichen Regelspannungen. Im Unterschied zu der 78er Serie, gibt es hier jedoch auch Regler, die nicht nur ganzzahlige Voltbeträge am Ausgang erzeugen können - so lassen sich z.B. 3,3V mit dem LF 33 CV erzeugen.
Die Regler der LF Serie liefern Ausgangsspannungen von 1,25V bis hin zu 12V - ihre Beschaltung ist die selbe wie bei der 78er Serie.
Beschaltung
Typische Minimalbeschaltung eines Reglers der 78er Serie(hier: 7805)
Die Beschaltung der verschiedenen Regler ist immer gleich einfach - ganz egal ob es ein 7805, 7824 oder 7812 ist. Für eine stabile und sichere Ausgangsspannung benötigt man nur drei Kondensatoren - zweimal jeweils ca. 100nF und einmal einen etwas größeren Elektrolyt Kondensator (Elko) an der Eingangsseite (Empfehlung: 100-680µF).
Eine solche Beschaltung liefert eine sehr stabile Ausgangsspannung - so lässt sich z.B. zuverlässig ein Microcontroller in Verbindung mit dem 7805 betreiben.
Die Kondensatoren dienen zur Stabilisierung von kleinen und größeren Schwankungen in der Spannungsversorgung am Ein- und Ausgang. Sie speichern für kurze Zeit Energie und geben diese bei Bedarf an die Schaltung ab.
Ein- und Ausgangssseitig dämpfen die 100nF Kondensatoren jeweils hochfrequente Schwingungen, während ein Elektrolyt-Kondensator (ELKO) nochmals zusätzliche Stabilität gegen Spannungseinbrüche liefert.
Zu beachten ist weiterhin, das die Spannung am Eingang ca. 2V höher sein sollte, als der Regler am Ausgang ausgibt. Ein 7812 an einer 12V Spannungsquelle (z.B. Autobatterie) zu betreiben, wird wahrscheinlich dazu führen, das der Regler nicht richtig funktioniert. Im Boardnetz eines Autos muss man zudem noch mit erheblichen Schwankungen rechnen - dort liegen Spannungen zwischen 10V und 14V, sodaß ein 7812 erst recht nicht in Frage kommt. Empfehlenswert für den Betrieb im Auto wären Regler wie der 7808 (8V) oder niedriger - z.B. der 7805 (5V).
Beispielschaltung: Betrieb an einer Autobatterie
Beispielschaltung für den Betrieb eines 7805, 7808 oder LM33CV an einer Autobatterie mit
Schutzdiode. Die 12V Spannungsversorgung wird dabei mit dem Eingang der Schaltung (+12V) und die Masse der Batterie mit Masse (GND) verbunden. Die Schutzdiode schützt einerseits vor versehentlicher Verpolung der Schaltung und hindert andererseits den Kondensator am Entladen in Richtung Boardnetz. Am Ausgang der Schaltung (Rechts) liegt dann eine stabilisierte Schaltung von 8V, 5V oder 3,3V an (je nach verwendetem Regler).
Ausführungen
Die Abbildung zeigt verschiedene Ausführungen von Spannungsreglern von verschiedenen Herstellern. Obere Reihe, von Links nach Rechts: LF33CV, L7824, 7805, 7805 und 7405. Untere Reihe: 78L05 im SO8 Gehäuse und 78L05 im TO-92 Gehäuse.
Funktionsweise
Linearregler funktionieren wie ein sich automatisch einstellender Widerstand: Der Widerstandswert wird dabei so angepasst, dass am Ausgang des Reglers stets die richtige Spannung anliegt.
Wie bei einem Widerstand wird die gesamte Energie in Wärme gewandelt.
Verlustleistung
Beispielrechnung für einen 7808 an einer 12V Quelle
Betreibt man eine Last von 100mA bei 5V mit einem 7808 (mit 8V Ausgangsspannung) an einer Quelle mit 12V (z.B. Autobatterie), ergibt sich daraus folgende Rechnung:
U = 12V - 8V
I = 100mA = 0,1A
P = U * I = 4V * 0,1A = 0,4W
Die Verlustleistung in diesem Beispiel beträgt also 0,4W.
Die
Verlustleistung (
P) des Linearreglers lässt sich ganz einfach Berechnen:
P = U * I.
U ist die Spannung, die am Regler abfällt und
I der Strom, der durch den Regler hindurch fließt.
Belastbarkeit & Kühlung
Die Regler der 78er Serie sind belastbar für Ströme zwischen
100mA (78L05 in TO-92 und SO8 Ausführung) bis zu
1A (7805 im TO-220 Gehäuse).
Die Regler verfügen über eine thermische Abschaltung, die den Regler selbstständig abschaltet (125...150°C).
Für den sicheren Betrieb eines Reglers der 78er Serie bei Belastungen über ca. 0,5W sollte ein
Kühlkörper am Regler befestigt werden.
Im Hobbybereich reicht ggf. ein kleines Stück Blech, das mit einer Schraube am Regler befestigt wird.
Durch die automatische thermische Abschaltung ist ein Betrieb ohne Kühlkörper möglich ohne den Regler durch Überhitzung zu zerstören.
