Spannungsregler & Buck-/Boost-Converter

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).

Geregelte Spannungsquelle

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.

Spannungsteiler

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.

Zener-Diode

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.

Lineare Spannungsregler

Festspannungs-Regler 78xx

Linearer Festspannungs-Längsregler LM7805

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.

Verwendete Bauteile

Aufbau der Schaltung

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.

Schaltplan mit Festspannungsregler LM7805

LM317

LM317 (TO-220)

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.

Anschlüsse

Anschlüsse des LM317

Aufbau der Schaltung

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.

Schaltplan mit Positivregler LM317

Aufwärts-/Abwärtswandler

Eine bequeme Möglichkeit sind die sogenannten Buck- bzw. Boost-Converter-Module, die eine effizietere Möglichkeit bieten, die Spannung nach den eigenen Wünschen zu regeln.

Abwärtswandler

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.

Abwärtswandler-Modul LM2596
Abb.: Abwärtswandler-Modul LM2596

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

Aufwärtswandler

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.

Aufwärtswandler-Modul MT3608

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.

Inverswandler

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.

Inverswandler-Modul XL6009

Der das hier gezeigte Inverswandler-Modul XL6009 kann aus einer Eingangsspannung von 5V - 32V eine Ausgangsspannung von 2V - 35V halten.

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