Experimente mit Spannungsreglern


Hermann Metzger, DJ8TL

Seit vielen Jahren sind integrierte Festspannungsregler (so genannte Dreibeinregler) in reichhaltiger Typenvielfalt auf dem Markt. Am bekanntesten ist wohl die 78_ _ -Serie, deren Vertreter auch häufig als Sonderangebote zum Preis von 1 € oder weniger zu finden sind. Sie können je nach Ausführung einen Strom von 500 mA bis 2 A nominal verkraften, sind kurzschlussfest, schalten bei Übertemperatur einfach ab und nach Abkühlung unbeschädigt wieder ein. Dennoch berichten OMs immer wieder von Misserfolgen bzw. unbefriedigenden Ergebnissen im praktischen Einsatz. Ursache ist in aller Regel die Nichtbeachtung der minimalen Betriebsbedingungen, ohne die selbst dieses robuste Bauteil nicht auskommt.

Diese Abhandlung führt - gestützt auf einfache Experimente - in die sachgerechte Anwendung ein.

Die Experimente sollten in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden.

Benötigt werden:

            

2 Festspannungsregler 7805; 
5 Kondensatoren  0,1 µF / 22 V;
1 Elko 4700 µF / 22V;
2 Dioden 1N4001;
2 Schrauben M3, 10 mm lang mit Muttern und Beilagscheiben;
2 Autolampen 12 V / 21 W;
1 Widerstand 470 Ω / 0.5 W;
1 Widerstand 100 Ω / 1W ;
1 Widerstand 10 Ω / 4 W;
1 Poti  470 Ω;
1 Alu-Blech von ca. 10 x 10 cm;
1 Batterieladegerät oder besser 1 Netzgerät, das mindestens 15V / 4A liefern kann.


Vorschlag für den Aufbau der Experimentierschaltungen auf einer Lochraster-Platine

Layout


Experiment 1:    Grundschaltung

 

WICHTIG ! Der Regler wird sehr warm.
Auf Keramik-Kachel o.ä. legen!
Beobachtung:
 
Die Lampe leuchtet zunächst dunkel auf und verlöscht nach einiger Zeit. Nach Unterbrechen der Stromzuführung für einige Minuten und Wiedereinschalten beginnt der Vorgang erneut.
Erklärung: Wegen mangelnder Kühlung erwärmt sich der Regler zu stark und schaltet ab. Nach einer Weile hat er sich abgekühlt und ist wieder betriebsbereit.

 

Experiment 2: Gleicher Aufbau wie oben, jedoch Regler auf Kühlblech geschraubt, Versorgung über Zuleitungen von ca. 1 m Länge

Beobachtung: Die Lampe verlöscht nicht mehr, leuchtet jedoch schwächer als zu erwarten. Die gemessene Ausgangsspannung weicht deutlich von 5 V ab. Eventuell ist ein leises Pfeifen zu hören.

Erklärung: Der Regler wird nun ausreichend gekühlt; er schwingt jedoch und kann nicht stabilisieren.

Abhilfe: Vom  - Anschluss des Reglers wird je 1 Kondensator zum Eingang und zum  Ausgang gelegt. Dabei sind die Drahtlängen möglichst kurz zu halten.
Die Ausgangsspannung sollte nun 5 V betragen.

 

Experiment 3:    Die Ausgangsspannung wird variabel.



 

Beobachtung:
 
Durch Drehen am Poti lässt sich die Helligkeit der Lampe verändern. Die Spannungsmessung ergibt eine kontinuierliche Veränderung zwischen 5 V
und 12 V.

Erklärung: Durch den Spannungsteiler am - Pol des Reglers wird der internen Referenz eine variable Spannung „untergeschoben“, wodurch sich die Ausgangs- spannung in Grenzen einstellen lässt.
Bei festem Einbau in ein Gerät muss der Regler isoliert montiert werden, da  die Befestigungs- lasche intern mit dem Referenzanschluss verbunden ist. Wenn nur 5 V Festspannung benötigt werden, entfallen der Spannungsteiler am Referenzanschluss und die isolierte Montage.
(Diode: siehe Exp. 5)

 

Experiment 4:    Gleicher Aufbau wie bei Experiment 3, jedoch wird die Glühlampe ersetzt durch ein Amperemeter mit mindestens 5 A Messbereich.

(Man sträubt sich etwas dagegen, einen Strommesser als Kurzschluss einzusetzen,, aber hier darf man es ausnahmsweise machen!)

Beobachtung:
 
Das Amperemeter zeigt einen Strom von ca. 1 A an und nicht den zu erwartenden Kurzschlussstrom von mehr als 10 A.
Erklärung: Der Regler reduziert seine Spannung soweit, dass sein maximal zulässiger Strom nicht überschritten wird. Genau genommen handelt es sich hier um eine Begrenzung der Verlustleistung am Regler (safe area protection); d.h. das Produkt aus der am Regler abfallenden Spannung und dem fließenden Strom wird reglertypisch begrenzt. Erhöht man in diesem Fall die Eingangs-spannung, so geht der maximal mögliche Strom im gleichen Verhältnis zurück. Umgekehrt bewirkt eine Verringerung der Eingangsspannung eine Erhöhung des Stroms.

 

Experiment 5:    Gleicher Aufbau wie bei Experiment 3, jedoch mit 2 parallel geschalteten Autolampen 12 V / 21 W als Last; wenn möglich, variable Versorgungsspannung aus stabilisiertem Netzgerät verwenden

Beobachtung:
 
Die Lampen erreichen nicht die volle Helligkeit. Die Spannung liegt deutlich unter 12 V. Erhöht man die Eingangsspannung, geht die Helligkeit weiter zurück; verringert man die Eingangs- spannung, nimmt die Helligkeit zu.

Erklärung: Der Regler kann den Strom von ca. 3,5 A nicht aufbringen. Er begrenzt den Strom durch Verringern der Ausgangsspannung daher so, dass seine maximale Verlustleistung nicht überschritten wird. ( vergl.: Experiment  4 )

 

Experiment 6:    Zwei Regler werden parallel betrieben.


 
Beobachtung: Bei voll aufgedrehtem Poti leuchten die Lampen normal hell.

Erklärung: Die beiden Regler unterscheiden sich infolge von Exemplarstreuungen in ihrer Ausgangsspannung geringfügig (>1 mV). Deshalb übernimmt der Regler mit der höheren Spannung zunächst seinen maximal möglichen Anteil des Laststromes und begrenzt dann. Dadurch bricht seine Ausgangsspannung soweit zusammen, bis sie den Wert des zweiten Reglers erreicht. Dieser übernimmt dann den weiteren Stromanteil. Auf diese Weise können beliebig viele Regler zur Erzielung des gewünschten Ausgangsstroms parallel betrieben werden (z.B. für ein 20-A-Netzteil). Im Kurzschlussfall ist dann allerdings ein entsprechend hoher Strom zu erwarten, der jedoch den Reglern nicht schadet.

Zu beachten: Bei der beschriebenen Parallelschaltung ist jeder einzelne Regler mit den entsprechenden Schwingschutzkondensatoren zu beschalten. Ferner ist es zweckmäßig, jeden Regler mit einer Diode entgegen der Stromflussrichtung zu überbrücken. Sollte nämlich durch eine Induktivität oder einen geladenen Elko ein Rückstrom entstehen, der die Ausgangsspannung über die Eingangsspannung anhebt, so ist mit der sofortigen Zerstörung mindestens eines Reglers zu rechnen. Im Kurzschlussfall reicht ohne Schutzdiode u.U. bereits die Induktivität der geräteinternen Verdrahtung für die Zerstörung aus. Der Regler schaltet dabei meist voll durch, d.h. am Ausgang liegt die volle Spannung des Ladeelkos an. Die Dioden können dies wirksam verhindern, indem sie in dem beschriebenen Fall die Eingangsspannung kurzfristig anheben.

 

Experiment 8:    Schaltung eines Reglers als Konstantstromquelle


 
Beobachtung: Unabhängig vom Wert des angeschlossenen Lastwiderstandes (bis zu einer bestimmten Obergrenze) fließt immer ein Strom von 50 mA, selbst im Kurzschlussfall.

Erklärung: Der Regler versucht, zwischen Ausgang und Referenzanschluss eine Spannung von 5 V aufrechtzuerhalten. Bei einem Widerstand von 100 Ω ist dazu ein Strom von 50 mA erforderlich. Bei 10 Ω fließen entsprechend 500 mA usw. Der Regler stellt seinen Innenwiderstand immer so ein, dass der  vorgesehene Strom genau erreicht wird.
Die Diode verhindert einen Rückstrom, wenn über die Schaltung z.B. ein Akku geladen wird.