Die meisten DIY-Projekte mit elektronischen Komponenten benötigen eine bestimmte, geregelte Spannung.
Vor allem ist dies beim Einsatz von Mikrocontrollern wichtig, denn fällt die Spannung zu sehr ab, gibt
es unvorhersehbare Effekte oder der Mikrocontroller versagt. Ist die Spannung zu hoch, werden Bauteile
beschädigt, zerstört oder es kommt sogar zu Bränden oder Explosionen (z.B. durch Elektrolytkondensatoren).
Häufig verwendete Spannungsbereiche sind 3,3V (ESP32), 5V (Arduino Uno), 6V oder 12V (LEDs, Motoren).
Die einfachst Art, eine konstante Spannung zu erhalten, besteht darin, eine Spannungsquelle zu verwenden, die
genau den Anforderungen entspricht, z.B. ein geregeltes Labornetzteil.
Jedoch sind die meisten Projekte mit Batterien ausgestattet, die über die Nutzungsdauer ihre Spannung verändern
und geregelte Netzteile oft auch zu groß und zu teuer sind, um sie in den Projekten zu verwenden.
Allerdings ist diese Möglichkeite gerade für Prototypen und Experimente die einfachste Lösung.
Man kann mit zwei Widerständen einen Spannungsteiler erstellen, der die Gesamtspannung in zwei verschiedene Spannungen aufteilt. Diese Möglichkeit ist jedoch nur geeignet wenn entweder eine konstante Last oder eine zu vernachlässigende Last (z.B. Signale von einem Mikrocontroller) zum Einsatz kommen. Jedoch muss klar sein, dass ein Spannungsteiler sich ohne und mit Last bzw. variablen Lasten auch entsprechend unterschiedlich verhält und daher eine konstante Spannung liefert.
Wie in einem früheren Beitrag beschrieben, können Zener-Dioden eine Spannung begrenzen, wenn sie in Sperrrichtung betrieben werden. Allerdings haben sie zu den in Folgenden beschriebenen Lösungen mit Spannungsreglern ein paar Nachteile, denn sie sind weniger stabil, weniger genau und haben auch eine höhere Verlustleistung. Außerdem bieten sie keinen Überhitzungsschutz wie viele Spannungsregler. Außerdem haben Zener-Dioden eine feste Zener-Spannung, so dass "krumme" Spannungen nicht eingestellt werden können.
Mit der 78xx-Reihe (positiver) Festspannungsreglern lassen sich recht einfach kleine Netzteile aufbauen, die eine
bestimmte, stabile Ausgangsspannung liefern, z.B. liefert der 7805 an seinem Ausgang stabile 5V wobei bis zu 35V
an seinem Eingang anliegen können. Bei entsprechender Kühlung des 78xx ist eine maximale Stromstärke von 1A möglich
(TO-220 Gehäuse).
Das xx in der Benennung bezeichnet die Ausgangsspannung, also z.B. 7805 für 5V oder 7812 für 12V. Je nach Hersteller
kann vor der Ziffernfolge 78 noch ein Präfix stehen. Üblich sind µA78xx, MC78xx, LM78xx oder L78xx.
Vorteile dieser Festspannungsregler sind ihre geringen Kosten, die weite Verbreitung und die einfach Handhabung (es
wird eine minimale Beschaltung benötigt). Nachteile sind die zusätzliche Kühlung durch entsprechend große Kühlkörper
und die nicht frei einstellbare Ausgangsspannung.
Hier wird eine 9V-Batterie als Spannungsquelle verwendet, es kann jedoch jede andere Gleichspannungsquelle zwischen 5V
und 35V benutzt werden. Eine LED mit Vorwiderstand wird als Last verwendet und um zu visualisieren, dass der 7805 richtig
arbeitet. Die beiden Elektrolytkondensatoren C1 und C2 können auch andere Werte haben, sie dienen zur Stabilisierung der
Spannung am Ein- und Ausgang. Mit einem Multimeter kann die Spannung zwischen Ausgang und GND gemessen werden; sie sollte
ziemlich genau 5V betragen.
Je nachdem wie hoch die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung ist bzw. wieviel Strom durch den Regler fließt,
wird der 78xx-Baustein ziemlich warm und kann überhitzen. Spätestens dann empfiehlt sich ein zusätzliches Kühlelement
anzubringen, um die überschüssige Wärme abzuführen. Allerdings sollte man evtl. auch darüber nachdenken, ob man nicht
besser eine etwas besser dimensionierte Spannungsquelle verwenden kann, um nicht unnötig viel Wärmeenergie zu erzeugen.
Der Positivregler LM317 bietet als Alternative zum 78xx die Möglichkeit eine regelbare Ausgangsspannung zur Verfügung zu stellen, somit kann dasselbe Bauteil für verschiedene Anwendungen dienen. Es können Ausgangsspannungen von 1,2V bis zu ~37V eingestellt werden, wobei eine Eingangsspannung von 4,5V bis zu 40V anliegen können. Der LM317 (TO-220) kann bis zu 1,5A Stromstärke vertragen. Auch hier sollte bei Bedarf mit einem Kühlkörper die zusätzliche Wärmeenergie abgeführt werden. Bei Überlastung reduziert der LM317 den Strom.
Zu Regelung der Ausgangsspannung benötigt der LM317 einen Spannungsteiler an seinem Adj-Ausgang.
Der Widerstand R2, der auch mit dem Ausgang verbunden ist, soll laut Datenblatt mit 240Ω festgelegt werden.
Hier sind aber auch die gebräuchlichen 220Ω gut zu verwenden. Mit R3 kann dann die Ausgangsspannung geregelt
werden. (siehe: LM317-Rechner)
Mit einem Multimeter kann die Spannung zwischen Ausgang und GND gemessen werden.
Der LP2950 ist ein sogenannter "Low Drop Out"-Spannungsregler (LDO), da mit einem geringen Spannungsabfall zwischen Eingang und Ausgang arbeiten kann. Außerdem beträgt sein Eigenverbrauch nur ca. 75μA. Er kann mit bis zu 30V Eingangsspannungen umgehen und hat in der 3-Pin-Variante (TO-92) feste Ausgangsspannungen, z.B. 5V, 3,3V oder 3V. Allerdings kann er nur mit einer maximalen Stromstärke von 100mA am Ausgang belastet werden.
Achtung: Der LP2950 ist nicht gegenüber Verpolung oder Überspannungen geschützt!
Hinweis: Es gibt von diesem Spannungsregler noch die Variante LP2951, welcher zwar deutliche teurer ist, allerdings eine variabel einstellbare Ausgangsspannung liefert und zusätzlich gegenüber +60V Überspannung und Verpolung von bis zu -40V geschützt ist.
Eine bequeme Möglichkeit sind die sogenannten Buck- bzw. Boost-Converter-Module, die eine effizietere Möglichkeit bieten, die Spannung nach den eigenen Wünschen zu regeln.
Will man kleinere Spannungen benutzen als die Stromquelle zur Verfügung stellt, z.B. an einem 12V-Netzteil ein ESP32 mit 3,3V betrieben, so kann man einen Abwärtswandler (engl. "step-down converter" oder "buck converter") benutzen. Dieses Modul stellt eine konstante -vorher einstellbare- Ausgangsspannung zur Verfügung, auch wenn sie die Eingangsspannung nachträglich ändern sollte.
Die Verwendung dieser Module ist sehr einfach, denn es muss nur die Eingangsspannung
mit (+) und (-) an die Eingänge gelegt werden (meist Vin+ und Vin-) und an den Ausgängen
(Vout+ zund Vout-) wird die Schaltung mit dem geringeren Spannungsbedarf gelegt.
Hinweis: Die Ausgangsspannung mit dem Trimpoti immer erst regeln
BEVOR das Modul an die Ausgänge angeschlossen wird!
Als Beispiel wird hier das LM2596-Modul verwendet (siehe Abbildung), welches zwischen 2V
und 30V an seinem Ausgang eingestellt haben kann. Der Eingang muss mit 4V bis max. 35V
beschaltet werden. Darauf zu achten ist, dass die Abwärtswandler-Module nur dann richtig
funktionieren, wenn die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung mind. 2V-3V
betragen, also z.B. Eingang: 9V → Ausgang: 5V
Analog zu den Abwärtswandlern gibt es die Aufwärtswandler, die aus einer geringeren Spannung eine höhere erzeugen. Natürlich müssen hierbei Leistungseinbußen in Kauf genommen werden, doch kann es nützlich sein, wenn man z.B. ein Gerät mit 5V betreiben muss, aber nur eine Li-Io-Zelle mit 3,7V zur Verfügung hat.
Hier wird als Beispiel das Aufwärtswandler-Modul MT3608 verwendet (siehe Abbildung), welches zwischen 2V und 4V am Eingang zu 5V bis 28V am Ausgang bereit stellen kann.
Ein weiteres Beispiel für einen sehr kompakten Aufwärtswandler auf der Basis des 2108A-Spannungsreglers
ist das folgende Board. Es lieferte konstante 5V am Ausgang Vo bei einer Eingangsspannung an Vi von
1V bis 5V und ermöglicht eine maximale Stromstärke von bis zu 480mA (abhängig von der Eingangsspannung).
Es arbeitet mit einer Frequenz von 150kHz und besitzt laut Hersteller eine Effizienz von 85%.
Die sog. Inverswandler kombiniert die Funktionsweise von Aufwärts- und Abwärtswandlern, d.h. am Ausgang liegt eine konstante Spannung an, auch wenn die Spannung am Eingang niedriger oder höher wird als am Ausgang.
Der das hier gezeigte Inverswandler-Modul XL6009 kann aus einer Eingangsspannung von 5V bis 32V eine Ausgangsspannung von 2V - 35V halten.
Ein weiteres Beispiel für einen Inverswandler ist das folgende TPS63020-Modul mit einer Eingangsspannung
von 2V bis 5V. Die Ausgangsspannung ist regelbar über die Jumper J1 - J4, die je nach gewünschter
Spannung überbrückt werden müssen. Dabei schafft das Modul bis zu 3A
Besonders interessant macht das Modul seinen Ruhestrom von nur 25µA.
| Anschluss | Beschreibung |
|---|---|
| GND | 0V/GND |
| VIN | Eingangsspannung (2V-5V) |
| VOUT | Ausgangsspannung (2,5V; 3,3V; 4,2V; 5V) |
| EN | Enable-Eingang: HIGH=aktiv; LOW=inaktiv |
| PS |
Power save mode-Eingang (HIGH=aus; LOW=ein) Ist standardmäßig ausgeschaltet. Muss durch trennen von SB1 aktiviert werden, ansonsten
ist der Ruhestom bei ~7mA anstatt ~25µA
|
| PG | Ausgang für Fehler-Status: LOW=normal; HIGH=Fehlerfall |
| J1, J2, J3, J4 | Lötstellen zum Überbrücken für entsprechende Ausgangsspannung (nur eine darf überbrückt werden) |