Spannungsregler

Diese Bauteile dienen meist dazu, die Versorgung von ICs mit einer konstanten Spannung sicher zu stellen. Nebenbei wirken sie dabei als Filter, der Fluktuationen der externen Versorgung abpuffert.

Das Wort “Spannungskonstanter” ist zwar keine Hannoveraner Erfindung. Aber es ist so ungewöhnlich, dass es in den Katalogen, von Reichelt, Farnell, Bürklin, oder Conrad nicht zu finden ist.

Positive Spannungsregler 78xx und MCP1825S-xx

Belegung der Anschlüsse im TO220-Gehäuse, wenn man auf die Beschriftung schaut:

  _________
 /   ||    |--- out
| O  ||    |--- ground
 \   ||    |--- in
  ---------

Das Kühlblech ist elektrisch mit dem mittleren Pin, also “Ground” verbunden. Datenblatt von 78xx und MCP1825E

Der Regler braucht etwa 1.7 V mehr Spannung am Eingang als er am Ausgang erzeugt. Aus ihm kann man immerhin 1A ziehen. Dann ist ein Kühlkörper Pflicht.

Positive Spannungsregler 78Lxx

Den gleichen Chip wie den 78xx gibt es auch in kleiner (TO92), noch kleiner (SO8) und ganz klein (SOT89) unter der Bezeichnung 78L**. Wobei je nach Hersteller noch eine Vorsilbe aus ein bis drei Buchstaben davor gesetzt wird. (Texas Instruments=“UA”, National=“LM”, ST Microelectronics=“L”, ON=“MC”, Taiwan Semiconductor=“TS”, Fairchild=“KA”). Die kleine Version kann 100 mA austeilen. Dabei muss man beachten, dass nicht mehr als 800 mWl Abwärme entsteht.

    ______
out|1    8|in      78Lxx, SO8
GND|2    7|GND     Ansicht von oben
GND|3    6|GND
 NC|4____5|NC

Die Bauform TO92, sieht aus, wie ein kleiner bedrahteter Transistor. Bei der Beschaltung ist die Reihenfolge gespiegelt zu der bei TO220:

 _____  1 = in      78Lxx, TO92,
|1 2 3| 2 = GND     Ansicht von oben
\_____/ 3 = out

In der ganz kleinen Bauform SOT89 gibt es ärgerlicherweise zwei unterschiedliche Beschaltungen. Eine ist wieder gleich, wie bei TO220:

   _                
 _/_\_  1 = out     78Lxx, SOT89, z.B  L78L05ABUTR, TS78L05ACY, KA78L05AMTF
|1 2 3| 2 = GND     Ansicht von oben
 | | |  3 = in

Bei der anderen SOT89-Beschaltung sind Eingang und Ausgang vertauscht:

   _
 _/_\_  1 = in     78Lxx, SOT89, alternative Beschaltung. Z.B UA78L05CPK, TS78L05CY
|1 2 3| 2 = GND    Ansicht von oben
 | | |  3 = out
 

Spannungsregler für 3.3V

Für Spannungen kleiner als 5V gibt es keine Regler aus der 78er Reihe. Für 3.3V, mit viel Strom eignet sich der LF33 von ST. Wenn wenig Strom gebraucht wird, kommt der LE33C in Frage. Die Belegung ist gleich, wie die der Regler aus der 78er-Serie.

Negativer Spannungsregler 79xx

Belegung der Anschlüsse im TO220-Gehäuse, wenn man auf die Beschriftung schaut:

  _________
 /   ||    |--- out
| O  ||    |--- in
 \   ||    |--- ground
  ---------

Achtung: Das Kühlblech ist wie beim 78xx elektrisch mit dem mittleren Pin verbunden – Hier also “in”. Datenblatt von ST Microelectronics

Negative Spannungsregler 79Lxx

Die 79Lxx bieten die gleiche Schaltung, wie beim 79xx, im deutlich kleineren TO92, SO8, oder SOT89-Gehäuse. Beim Einsatz muss man die maximale Abwärme von etwa 800 mW beachten.

    ______
out|1    8|NC    79Lxx
 in|2    7|in     Ansicht  von oben
 in|3    6|in
 NC|4____5|GND
 _____  1 = out     79Lxx, TO92,
|1 2 3| 2 = in      Ansicht von oben
\_____/ 3 = GND
   _                79Lxx, SOT89
 _/_\_  1 = GND     Ansicht von oben
|1 2 3| 2 = in
 | | |  3 = out

Variable positive Spannung

Mit der variablen Spannungskonstante LM317 lassen sich durch passende Beschaltung beliebige Spannungswerte zwischen 0.1V und 40 V einstellen. Statt einer Verbindung zu Masse hat diese Spannungsregler einen “Adjust”-Eingang, den der Regler um 1.25 V unter der . Belegung der Anschlüsse im TO220-Gehäuse, wenn man auf die Beschriftung schaut:

  _________
 /   ||    |--- in
| O  ||    |--- out
 \   ||    |--- adj
  ---------

Auch bei diesem Regler ist das Kühlblech elektrisch mit dem mittleren Pin verbunden – Hier also zur Abwechselung “out”. Für die Bauform TO92 gibt es ein eigenes Datenblatt. Weil dieses Gehäuse kein Kühlblech hat, liegt der maximal erlaubte Strom bei 100 mA. Die Pinbelegung ist die gleiche wie bei der Bauform TO220:

 _____  1 = in     LM317L, TO92,
|1 2 3| 2 = out    Ansicht von oben
\_____/ 3 = adjust

Fig. 1: Einfache Beschaltung des LM317

In figure 1 bilden die Widerstände R1 und R2 einen Spannungsteiler vom Ausgang nach Masse. An die geteilte Spannung ist der adj-Eingang des LM317 angeschlossen. Der Spannungsregler sorgt nun dafür, dass zwischen seinem Ausgang und dem adj-Anschluss eine Spannung von 1.25 V anliegt. Dadorch stellt sich die folgende Ausgangsspannung Uout ein:

U_\text{out} \,=\, 1.25V \left( 1 + \frac{R_2}{R_1}\right) + R_2 \,I_{\mathrm{adj}}

Dabei ist Iadj ein Strom in Höhe von etwa 50 µA.

Mit diesem Bauteil und nur einem weiteren Widerstand kann man eine effektive Strombegrenzung bauen. (Siehe Seite 23 des Datenblatts von Texas Instruments.)

Ein potentielles Ärgernis sind die etwa 2 V, die der LM317 sich selbst zwischen Eingang und Ausgang gönnt. Eine Alternative mit halb so großem Spannungsabfall ist der TS1085CZ.

Die Nummerierung der Pins ist in den Datenblättern verschiedener Hersteller unterschiedlich dargestellt – mal von oben nach unten und mal von unten nach oben. Das ändert aber nichts an der immer gleichen funktionalen Zuordnung.

Mehr Strom: LM350

Für mehr als 1A Strom bietet sich der LM350 an. Laut Datenblatt kann dieser Regler bis zu 3A liefern. Ansonsten ist er kompatibel zum LM317.

Noch mehr Strom: LM338, oder LT1084

Der variable positive Spannungsregler LM338 kann bis zu 5 A liefern. Dieses Bauteil kommt in der gleichen Bauform TO220 wie der LM317. Es ist ist bei den meisten Elektronik-Distributoren für etwa 1.5 €/Stück erhältlich. Bei vollem Strom fallen an ihm immerhin 3 V Spannung ab.

Wenn der Spannungsabfall des LM338 in einer speziellen Anwendung zu groß ist, ist der LT1084 eine Alternative sein. Bei diesem Bauteil fallen unter voller Last maximal 1.5 V Spannung ab. Diesen Vorteil bezahlt man mit einem deutlich höheren Preis von etwa 10 €/Stck.

Am meisten Strom LT1083

Bei 7.5 Ampere markiert der LT1083 das Ende der Reglerfahnenstange. Für die 50% mehr Strom bezahlt man 15€ bis 20€ pro Stück. Außerdem gibt es diese Regler nur un der Bauform TO3. Wenn es noch mehr sein soll, hilft eventuell eine paralleler Betrieb von zwei, oder mehr Reglern. Im Datenblatt gibt es einen Schaltungsvorschlag dazu.

Mehr Spannung: TL783

Für besonders hohe Spannungen, bis zu 125 V, eignet sich der TL783. Dabei muss je nach fließendem Strom mit 5 V bis 15 V Spannungsabfall gerechnet werden.

Klein: TL431

Wenn es ein wenig kleiner sein soll, eignet sich der Klassiker TL431. Den gibt es in diversen SMD-Bauformen von SO8, über SOT89 bis SOT23. Obwohl das auch ein integrierter Regler ist, ist es doch nicht eins-zu-eins ein LM317. Die Schaltungen zur Anwendung unterscheiden sich. Es muss mindestens ein 1mA fließen, damit verlässlich die erwartete Spannung erzeugt wird. Außerdem kann die Ausgangsspannung nicht kleiner als 2.5 V groß sein.

Variable negative Spannung

Zum LM317 gibt ist der LM337 das negative Gegenstück. Bis auf die Polarität und unterschiedliche Pinbelegung haben die Bauteile die gleichen Eigenschaften. Belegung der Anschlüsse im TO220-Gehäuse, wenn man auf die Beschriftung schaut:

  _________
 /   ||    |--- out
| O  ||    |--- in
 \   ||    |--- adj
  ---------

Auch hier ist das Kühlblech elektrisch mit dem mittleren Pin verbunden – Hier also “in”.

Analog zum LM317 lässt sich mit diesem Bauteil eine Strombegrenzung bauen.

Genaue Spannungsreferenzen

Für genaue Messungen wird häufig eine besonders genau bekannte Spannung benötigt. Für diesen Zweck gibt es Bauteile mt besonders geringen Temperaturkoeffizienten.

Spannungsreferenzen mit integriertem Vorverstärker

Bei diesen Spannungsreferenzen ist eine Zenerdiode mit einem kleinen Operationsverstärker integriert. Dadurch wird ein runder Spannungswert erreicht. Außerdem kann der Ausgang eine Last mit bis zu 10 mA treiben. Die Referenzen sind in unterschiedlichen Güteklassen erhältlich, die sich um eine Größenordnung im Temperaturkoeffizienten unterscheiden:

  • REF01 oder REF102 (10.00 V)
  • REF02 (5.00 V)
  • ADR445BRZ (5.00 V). Genauer, rauschärmer und teurer als REF02.
  • LT1236A-10 und LT1236A-5 eignen sich als Upgrade für REF01 bzw. REF02. Bei gleicher Bauform ist bei ihnen Rauschen und Drift jeweils etwa eine Größenordnung besser. Wobei der Variante für 5 V im Vergleich zum REF02 die Temperaturmessung und die Möglichkeit zum Trimmen der Ausgangsspannung fehlt.
  • AD780 (2.50 V, oder 3.00 V)
  • LTC6655 (1.25 V, 2.048 V, 2.5 V, 3.0 V, 3.3 V, 4.096, oder 5.0 V). Wird als das stabilste und rauschärmste auf dem allgemeinen Markt empfohlen. Kostet etwa 10 €. Nur in der Bauform MSOP

Manche Referenzen führen einen Ausgang nach außen, dessen Spannung proportional zur Temperatur der Bandlücke ist. Das kann zur Kalibration der restlichen Schaltung, oder zur Temperierung der Referenz genutzt werden. Pinkompatible Beispiele für solche Referenzen sind REF02 und AD780. Beim REF01 und dem REF102 gibt es diesen Ausgang nicht.

LM399

Die Referenz LM399 wird nicht mehr hergestellt :-(. Über Distributoren sind noch Restmengen erhältlich – zu interessanten Preisen. In neuen Schaltungen sind die Referenzen mit integriertem Impedanzwandler wie etwa REF02, oder REF01 die bessere Wahl.

Der LM399 besteht aus einer als Spannungsreferenz dienenden Zenerdiode, die auf einer konstanten Temperatur von 90 °C gehalten wird. Dazu ist eine kleine, geregelte Heizung integriert. Direkt nach dem Einschalten zieht diese Heizung etwa 150 mA Strom, der nach etwa 10 Sekunden, wenn die Betriebstemperatur erreicht Ist, auf wenige mA zurückgeht.

  • Spannungswert: 6.95 V
  • Die Temperaturkoeffizient der Ausgangsspannung ist kleiner als 0.5 ppm/K, bzw.
  • Langzeitdrift der Ausgangsspannung < 20 ppm / 1000 h.
  • Rauschen: 50 nV/sqrt(Hz) oberhalb von 100 Hz.
  • Das 1/F -Knie des Rauschens liegt bei etwa 50 Hz
  • Bauform: TO46 mit thermisch isolierender Plastik-Abdeckung

Datenblatt von Linear Technoloy.

Spannungsreferenzen LT1009 und LT1029

Diese Bauteile sind vergleichsweise leicht erhältliche Alternativen zum LM399. Wegen fehlender Heizung ist der Temperaturkoeffizient abseits von Raumtemperatur höher. Außerdem ist das Rauschen ein Stück stärker.

  • Spannung: 5 V ( LT10929) oder 2.50 V (LT1009)
  • Rauschen: 125 nV/sqrt(Hz) oberhalb von 100 Hz mit 1/F -Knie bei etwa 50 Hz
  • Bauform: SO8 und TO92
  • Erhältlich bei Bürklin, oder Farnell

Datenblatt von Linear Technologies

Spannungsreferenz ADR5040

Der ADR5040 ist eine besonders kleine Spannnungsreferenz, bei der ein einzelner Halbleiter als Shunt wirkt.

  • Bauform: SOT23
  • Spannung: 2.048 V
  • Rauschen: 1800 nV/sqrt(Hz) oberhalb von 100 Hz mit 1/F -Knie bei etwa 20 Hz
  • Erhältlich bei Farnell, BestNr. 149 8669, oder 149 8668 für ca. 1.50 EUR/Stck

Nachteil: Recht viel Rauschen. Der Temperaturkoeffizient ist mit 100 ppm/K deutlich größer als bei der Präzisionsreferenz RE02.

Schaltregler

Schaltregler schaffen das scheinbar Unmögliche: Viel Spannung aus wenig Spannung erzeugen. Beim Erzeugen von niedrigeren Spannungen haben sie die angenehme Eigenschaft sehr effizient zu sein. Sie brauchen also erst bei viel höheren Strömen einen Kühlkörper als die analogen Regler.

Diese positiven Eigenschaften haben leider einen Pferdefuß: Der Schaltvorgang erzeugt elektromagnetische Störungen in der weiteren Umgebung des Bauteils. Sie sind berüchtigte Störquellen für Messungen am Rande der Auflösungsvermögens. Normalerweise vermeiden wir deshalb Schaltregler, wo es nur geht. Aber es gibt Ausnahmen, bei denen der Zweck die Mittel heiligt.

LT1615

Der LT165 kommt mit minimal 1 V am Eingang aus. Er ist in der Lage daraus je nach Beschaltung zwischen 2 und 15 Volt zu erzeugen. Um vernünftig zu funktionieren, werden einige weitere externe Bauteile gebraucht. Eine Simulation mit LTSPICE ist empfehlenswert.

  • Bauform: SOT23-5
  • Beschaffung: 2.35 € bei Reichelt