Experimente mit Spannungsreglern
Diese Abhandlung führt - gestützt auf einfache Experimente - in die sachgerechte Anwendung ein.
Die Experimente sollten in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden.
Benötigt werden:
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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
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:
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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. |