Stromversorgung:Längsregler
Längsregler
Der entscheidende Nachteil der einfachen Stabilisierung mit einer Zenerdiode ist der schlechte Wirkungsgrad. Er kann weitgehend vermieden werden, wenn man der Zenerdiode einen Transistor in Kollektorschaltung (Emitterfolger) nachschaltet. Die Zenerschaltung muss dann nur den geringen Basisstrom aufbringen. In weiten Grenzen ist daher der aus der Stromquelle entnommene Strom kaum größer als der Ausgangsstrom der Schaltung.
von B. Kainka,
Die wesentlichen Verluste treten im Längstransistor auf und hängen nur von der Differenz zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannung ab. Wenn die Eingangsspannung doppelt so hoch wie die Ausgangsspannung ist, beträgt der Wirkungsgrad fast 50 %.
Ein Transistor als Längsregler
Bei der Schaltung muss beachtet werden, dass die Ausgangsspannung um die Basis-Emitterspannung von ca. 0,6 V unterhalb der Zenerspannung liegt.
Die kleinste Eingangsspannung muss daher um einiges über der Ausgangsspannung liegen, damit diese Differenz und eine gewisse Mindestspannung am Widerstand gegeben ist.
Für eine Ausgangsspannung von 5 V sollte eine Eingangsspannung von über 7 V vorliegen.
Verwendet man ein Netzteil mit Gleichrichter und Siebelko, ist zu bedenken, dass die tiefsten Einbrüche der Rest-Wechselspannung über diesem Grenzwert liegen müssen, um sie vollständig ausregeln zu können.
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Hier die Verhältnisse für den Fall, dass die Brummspannung nicht mehr vollständig ausgeregelt werden kann.
Spannungsverhältnisse an einem LängsreglerDer Längsregler kann auch für einen einstellbaren Spannungsregler verwendet werden.
Ein Potentiometer dient als Spannungsteiler für die stabilisierte Hilfsspannung.
Die Ausgangsspannung ist dann jeweils um ca. 0,6 V geringer als die Spannung am Schleifer des Potis.
Für eine ausreichende Stabilität auch bei schwankendem Ausgangsstrom muss der Querstrom durch den Spannungsteiler wesentlich größer sein als der maximale Basisstrom.
Trotzdem weist die Schaltung einen gewissen Innenwiderstand und damit eine merkliche Lastabhängigkeit auf.
Ein einstellbarer SpannungsreglerBessere Ergebnisse erzielt man mit einer komplexeren Regelschaltung, die einen Regelverstärker zur aktiven Nachführung der Ausgangsspannung verwendet.
Ein einstellbarer Teil der Ausgangsspannung wird mit der Spannung an einer Zenerdiode verglichen.
Die Differenz dient als Regelinformation und steuert über die Basisspannung des Längstransistors.
Da die Zenerspannung weit unterhalb der Eingangsspannung liegt, kommt die stabilisierte Ausgangsspannung bis etwa 1 V an die Eingangsspannung heran.
Die folgende Schaltung zeigt eine typische Dimensionierung für ein Netzteil bis 1 A. Die tatsächliche Belastbarkeit hängt von der Kühlung des Leistungstransistors ab.
Ein verbesserter einstellbarer SpannungsreglerDie klassische Stabilisierungsschaltung kann um eine Strombegrenzung erweitert werden.
In den Minuszweig der Schaltung wird dazu ein kleiner Widerstand eingefügt, dessen Spannungsabfall proportional zum Ausgangsstrom ist.
Ein zusätzlicher Transistor beginnt zu leiten, sobald der Spannungsabfall etwa 0,6 V überschreitet.
Er regelt die Basisspannung des Längstransistors herab.
Mit der angegebenen Dimensionierung führt dies dazu, dass auch im Kurzschlussfall kein Strom über 0,6 A fließen kann. Bei einer Überlastung geht das Netzteil in den Konstantstrombetrieb über.
Eine zusätzliche StrombegrenzungBesonders bei größeren Ausgangsströmen und kleiner Ausgangsspannung muss sehr viel Leistung im Längstransistor in Wärme umgewandelt werden.
In der gegebenen Schaltung führt eine Ausgangsspannung von 5 V bei einem Ausgangsstrom von 0,5 A zu einer Verlustleistung von 6,5 W.
Um diese Leistung sicher abführen zu können, ist ein großer Kühlkörper erforderlich.
Dasselbe Problem besteht übrigens bei jedem Längsregler, also auch bei integrierten Spannungsreglern, wie sie im folgenden vorgestellt werden. Eine wirkliche Verbesserung ist nur mit den wesentlich aufwendigeren Schaltreglern möglich.
Die hier vorgestellte Schaltung soll das Prinzip eines einstellbaren Spannungsreglers verdeutlichen. Der grundsätzliche Aufbau mit einem Längstransistor, einer Vergleichsspannung und einem Regelverstärker findet sich auch in integrierten Schaltungen. Ein integrierter Spannungsregler vom Typ LM317 bietet einen preisgünstigen Ersatz für die diskret aufgebaute Regelschaltung bei wesentlich günstigeren Daten. Neben einer Strombegrenzung haben integrierte Spannungsregler auch eine Schutzschaltung gegen Überhitzung.
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