Spannungsregler

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Zwei gängige integrierte lineare Festspannungs-Längsregler, links 5 V/1 A, rechts 5 V/100 mA

Spannungsregler stabilisieren die Betriebsspannung um die Schwankungen der Eingangsspannung, z. B. von einer Batterie oder dem Stromnetz in weiten Bereichen auszugleichen. Heute werden oft integrierte Schaltungen zum Regeln der Gleichspannung verwendet. Diese elektronischen Spannungsregler erfüllen meist noch weitere Aufgaben, wie Strombegrenzung oder Abschaltung der Ausgangsspannung über einen Shutdown-Pin.

Es können aber auch Wechselspannungen stabilisiert werden.

Überblick[Bearbeiten]

Eine Spannungsstabilisierung mit einer Zenerdiode ist kein Regler, sondern ein Steller

Elektronische Schaltungen benötigen fast immer eine Betriebsspannung, die konstant, d. h. unabhängig von der Eingangsspannung, und die stabil ist, d. h. unabhängig von der Stromaufnahme.

Die Netzspannung darf um ±10 %, also 207 V bis 253 V, schwanken. Bei einem konventionellen Trafo muss daher die Betriebsspannung grundsätzlich stabilisiert werden, wodurch auch die Restwelligkeit hinter dem Gleichrichter weitgehend beseitigt wird. Batterien und Akkus haben einen ähnlich weiten Spannungsbereich von voll geladen bis komplett entladen.

Bei Gleichspannungsreglern gibt es unterschiedliche Prinzipien:

Für kleinste Leistungen wie bei Referenzspannungsquellen verwendet man keine Regler, sondern Stabilisierungsschaltungen mit Zenerdioden, wie im nebenstehenden Prinzipbild gezeigt. Ausschlaggebend für die Funktion ist der besonders geringe differentielle Widerstand dieser Bauelemente von etwa 5 Ω, der viel kleiner sein muss als Rv. Denn nur dann bleibt die Ausgangsspannung Ua auch bei größeren Schwankungen des Laststromes annähernd konstant.

Linearregler verwenden einen Leistungstransistor, der wie ein elektronisch variierbarer Widerstand arbeitet. Weicht die Ausgangsspannung vom Sollwert ab, wird die Differenz verstärkt und zum Leistungstransistor zurückgeführt (Regelkreis). Nachteilig ist der relativ geringe Wirkungsgrad bei einer großen Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung, verbunden mit der Notwendigkeit, den Leistungstransistor zu kühlen. Vorteile: Lastwechsel können schnell und gut ausgeglichen werden, für kleine Leistungen gibt es sehr preiswerte Bausteine. Am Ausgang gibt es keine Wechselspannungsreste, außerdem wird keine Störstrahlung (EMV) erzeugt. So lassen sich empfindliche Analogschaltungen problemlos betreiben.

Schaltregler enthalten einen Leistungstransistor, der mit hoher Frequenz (einige kHz bis MHz), ein- und ausgeschaltet wird und eine Induktivität oder einen Trafo. Dieser Transistor ist immer ganz gesperrt oder ganz offen und wird daher kaum erwärmt. So können hohe Wirkungsgrade über 90 % erreicht werden. Das verlängert die Betriebsdauer von batteriebetriebenen Geräten wie Laptops. Nachteilig ist, dass die Schaltung wegen der intern verwendeten leistungsstarken Wechselfrequenz gut abgeschirmt werden muss (Elektromagnetische Verträglichkeit) und dass am Ausgang immer ein geringer Anteil dieser Wechselspannung messbar ist. Das stört weniger Digitalschaltungen oder Ladegeräte, sehr wohl aber empfindliche Verstärker z. B. in Funkgeräten, HiFi-Anlagen oder EEGs.

Es gibt Schaltregler als Abwärts- und Aufwärtswandler. Bei letzteren ist die Ausgangsspannung stets größer als die Eingangsspannung, dies ist bei Linearreglern prinzipiell nicht möglich.

Lineare Regler[Bearbeiten]

Man unterscheidet die Parallelstabilisierung (Querregler), die Serienstabilisierung (Längsregler) sowie die Kombination aus beiden.[1]

Beim Querregler liegt die Last (der Verbraucher) parallel zur Reglerschaltung und er wandelt immer die gesamte nicht benötigte Leistung in Wärme um. Überdies treten oft Verluste im nötigen vorgeschalteten Bauteil zur Strombegrenzung (im einfachsten Fall ein Widerstand) auf. Dieses auch als Shuntregler bezeichnete Verfahren wird aufgrund der Verluste nur dann verwendet, wenn z. B. die entnommene Leistung nur gering ist oder die Regelgeschwindigkeit hoch sein muss.

Bei linearen Längsreglern liegt die Regelstrecke (sogenannter Längstransistor) in Reihe mit dem Verbraucher. Diese Schaltung nimmt immer nur etwas mehr als den Laststrom auf und ist daher effizienter als eine Parallelstabilisierung; sie wird deshalb in der Elektronik am häufigsten eingesetzt.

Unabhängig vom Reglertyp gehört zu einem Spannungsregler immer eine Referenzspannungsquelle, die entsprechend den Anforderungen aus einer unterschiedlich komplexen Schaltung besteht. Zum Einsatz kommt im einfachsten Fall die Reihenschaltung aus einer Zenerdiode und Vorwiderstand, des Weiteren die bei integrierten Schaltkreisen bevorzugte Bandabstandsreferenz und bei Präzisionsanwendungen eine Zenerdiode mit geregelter Beschaltung oder spezielle temperaturkompensierte Bandabstandsreferenzen.

Längsregler[Bearbeiten]

Als Längsregler finden meist integrierte Schaltungen Verwendung, die die Regelstrecke (Leistungstransistor), den Regler und eine Referenzspannungsquelle enthalten. Man unterscheidet:

  • Festspannungsregler: Ausgangsspannung wird herstellerseitig festgelegt
  • Einstellbare Spannungsregler: Ausgangsspannung ist mittels eines Spannungsteilers wählbar

Wirkungsgrad[Bearbeiten]

Der Wirkungsgrad \eta errechnet sich bei einem Linearregler wie folgt. Dabei wird oft der Eigenstromverbrauch des Reglers vernachlässigt, weil er im Verhältnis zum Ausgangsstrom klein ist.

\eta = 
\frac{P_{aus} } {P_{ein}}=
\frac{U_{aus} \cdot I_{aus}} {U_{ein} \cdot I_{ein}}
\;
\stackrel{\mathrm{I_{aus}=I_{ein}}}=
\;
\frac{U_{aus}} {U_{ein}}

Somit ist der Wirkungsgrad im Rahmen der Annahmen nur abhängig von der Ein- und Ausgangsspannung.

Funktionsbeispiel Steller[Bearbeiten]

Stabilisator mit Z-Diode

Eine Gleichrichterschaltung liefert UE und wird von Dz auf Uz stabilisiert. Rv dient zur Strombegrenzung von Dz und muss gleichzeitig auch den wechselnden Basisstrom von Q liefern. Der Transistor arbeitet als Emitterfolger, weshalb die Ausgangsspannung UA etwas kleiner ist als Uz. Die Differenz UzUA ist nicht konstant (Basis-Emitterspannung von Q, etwa 0,6 V), sondern ändert sich mit dem Emitterstrom. Deshalb ist die Stabilität schlechter als die der Zenerdiode (die differenziellen Widerstände von Zenerdiode und Widerstand müssen addiert werden, was zu einem schlechteren Stabilisierungsfaktor führt). Vorteil ist, dass man eine deutlich größeren Strom entnehmen kann, weil dieser hauptsächlich über die Kollektor-Emitter-Strecke läuft. Der Transistor muss meist mit einem Kühlkörper versehen werden, um die entstehende Verlustleistung abzuführen.

Die gezeigte Schaltung wird selten eingesetzt, weil sie nicht kurzschlußfest ist und eine relativ große Spannungsdifferenz zwischen Eingang und Ausgang benötigt.

Integrierte Spannungsregler besitzen meistens interne Schutzschaltungen, welche bei Übertemperatur des Chips den Strom durch den Regler drosseln oder abschalten.

Funktionsbeispiel Regler[Bearbeiten]

Um eine exakte Stabilisierung zu erhalten, werden z. B. in integrierten Spannungsreglern oder Labornetzteilen Operationsverstärker (OPV) eingesetzt. Die folgende Schaltung zeigt das Prinzip integrierter Spannungsregler, lediglich die Strombegrenzung und der Übertemperaturschutz fehlen:

Einstellbarer Längsregler mit OPV

Der nichtinvertierende Eingang des OPV wird fest auf Uz stabilisiert. Mit dem Poti R2 wird ein Teil der Ausgangsspannung abgegriffen und vom OPV mit Uz verglichen. Der Unterschied der beiden Größen – Regelabweichung genannt – wird verstärkt und ändert die Stromdurchlässigkeit des Leistungstransistors. Im Gegensatz zum vorher gezeigten Stabilisator kontrolliert hier der OPV die Ausgangsspannung und regelt gegebenenfalls nach. Benutzt man für R2 einen „normalen“ Widerstand, so hat man einen Festspannungsregler.

Eine Verbesserung kann erreicht werden, wenn Q gegen einen pnp-Transistor oder p-MOSFET getauscht wird. Zusätzlich müssen die Eingänge des OPV und Kollektor/Emitter von Q getauscht werden. Wird ein pnp-Transistor verwendet, ist auch durch die Zwischenschaltung eines Basiswiderstandes RB eine wirksame Strombegrenzung möglich. Wird dieser Widerstand durch ein Potentiometer in Reihe ergänzt, kann der maximal entnehmbare Laststrom eingestellt werden. Der maximale Laststrom ist etwa UE · β / RB

Kennwerte integrierter linearer Längsregler[Bearbeiten]

Übliche Festspannungsregler sind für Eingangsspannungen bis 40 V ausgelegt. Es werden auch Regler für negative Spannungen angeboten. Bei den meisten Längsreglern ist eine Mindest-Spannungsdifferenz zwischen Ein- und Ausgang von 1,5–3 V erforderlich.

Das Bild zeigt die Beschaltung eines Festspannungsreglers und eines einstellbaren Spannungsreglers.

Anwendung von Spannungsreglern

Der Fixspannungsregler U2, hier ein LM7824, benötigt nur kleine Kondensatoren am Ein- und Ausgang. Am Ausgang wird sich eine Spannung von 24 V einstellen.

Der einstellbare Spannungsregler LM317 (U1), nur auf speziell diesen Typ beziehen sie die folgenden Ausführungen, benötigt noch einen Spannungsteilers zum Einstellen der Ausgangsspannung. Hier muss sich zwischen Steueranschluss und Ausgangsanschluss U_\mathrm{Ref} = 1,25 \mathrm{V} einstellen:

U_3 = U_\mathrm{Ref} \cdot \left(1+\frac{R_2}{R_1} \right) \,

Der Längsstrom im Spannungsteiler darf einen bestimmten Wert nicht unterschreiten, um die spezifizierte Regelgenauigkeit einzuhalten, da aus dem Steuereingang ein gewisser kleiner Strom herausfließt. Der vom Hersteller angegebene Richtwert des Längsstromes (und damit des Wertes von R1) bewegt sich zwischen 1 und 10 mA; im folgenden Dimensionierungsbeispiel beträgt er 1,25 mA. Mit R_2 = 11 \mathrm{k} \Omega und R_1 = 1 \mathrm{k} \Omega erhält man zum Beispiel 15 V am Ausgang U3.

Low-Drop-Längsregler[Bearbeiten]

Low-Drop-Linearregler auf einer CPU-Adapterfassung

Ein Low-Drop-Spannungsregler (oft LDO genannt, für Low Drop-Out) ist ein Längsregler mit einer geringeren minimal erforderlichen Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung (0,1 bis 1 Volt statt 1,5 bis 3 Volt bei anderen Reglern). Die LDO-Eigenschaft wird in bipolarer Schaltungstechnik durch den Einsatz eines pnp-Transistors im Längszweig erreicht. Alternativ kann auch ein p-Kanal-Anreicherungs-MOSFET genutzt werden, z. B. IRF4905. Dieser wird statt eines npn-Transistors wie in obigen Schaltungen eingesetzt. Der pnp-Transistor kann dann bis in seine Sättigung getrieben werden, was die geringe Spannungsdifferenz von minimal rund 0,2 V zwischen Eingang (Emitter) und Ausgang (Kollektor) erlaubt. Beispielsweise können mit LDOs 3,3 Volt aus 4 Volt gewonnen werden.

LDOs verringern auch die Verluste, und das speisende Netzteil kann knapper ausgelegt werden. Der Nachteil besteht darin, dass Low-Drop-Längsregler stärker zu Schwingungen neigen. Der Grund liegt darin, dass der pnp-Transistor in Längsrichtung wegen der Verlustleistung eine relativ große Struktur aufweist, damit verbunden eine relativ große Basis-Emitterkapazität, welche durch den Millereffekt zusätzlich verstärkt wird. Dadurch entsteht in der Übertragungsfunktion ein dominanter Pol, welcher ohne Gegenmassen die Phasenreserve im Regelkreis negativ werden lässt, was zu unerwünschten Schwingungen führen kann.

Beschaltung[Bearbeiten]

Durch eine Diode geschützter Regler

Integrierte Standard-Spannungregler sind kurzschluss- und überlastfest, manche sind jedoch nicht gegen Verpolung geschützt. Außerdem können die Regler unbeabsichtigt schwingen. Das ist nicht nur für die Spannungsregler gefährlich, es können auch unerwünschte hochfrequente Schwingungen und Transienten in der Last erzeugt werden. Diese bleiben oft unbemerkt, da sie bei einer Gleichspannungsmessung nicht angezeigt werden.

Zur Vermeidung unerwünschten Schwingens und zum besseren Verhalten bei Lastsprüngen erfordern Spannungsregler externe Kondensatoren entsprechend ihrem Datenblatt. Nicht alle im nebenstehenden Schaltplan eingezeichneten Kondensatoren sind zwingend notwendig, bei der populären 78xx-Reihe ist laut Datenblatt nur C2 mit mindestens 100 nF vorgeschrieben und muss induktionsarm sein, also einen niedrigen ESL-Wert aufweisen. Zusätzlich muss der Kondensator mit möglichst kurzen Leiterbahnen mit dem Regler verbunden sein, da auch große Leitungsinduktivitäten zum Schwingen führen können.

Andere Regler erfordern zwingend nur C3. Bei der 78xx-Reihe verbessert C3 das Regelverhalten bei schnellen Lastwechseln.

Die zusätzlichen Kondensatoren C1 und C4 sind optional. C1 kann als Glättungskondensator nach einem Gleichrichter agieren und – wenn dessen Parameter passen – gleichzeitig C2 ersetzen. Ein großer C4 verbessert das Verhalten bei Lastwechseln oder fängt kurze Lastspitzen ab und reduziert die Restwelligkeit auf der Ausgangsspannung. Nachteilig ist der verlangsamte Spannungsanstieg beim Einschalten.

In einigen Anwendungen empfiehlt sich eine Verpolungsschutzdiode vom Regler-Ausgang zum Eingang. Von Bedeutung ist dieser Schaltungszusatz bei großem C4 und wenn gleichzeitig mehrere Lasten von der ungeregelten Eingangsspannung abzweigen. Dann kann es passieren, dass beim Ausschalten C1 schneller als C4 entladen wird und die Ausgangsspannung höher als die Eingangsspannung ist (verpolter Regler). Eine Schutzdiode bewahrt den Regler dann vor der Zerstörung.

Umwidmung zu einem Stromkonstanter[Bearbeiten]

Wird ein fester Widerstand zwischen Ausgang des Spannungsreglers und dessen Fußpunkt geschaltet, wird die Spannung über dem Widerstand konstant gehalten und damit auch der Strom durch diesen Widerstand. Auf diese Weise kann eine Primitivversion eines Stromreglers realisiert werden, die als Zweipol – zwischen Eingang des Spannungsreglers und dessen Fußpunkt (gleichzeitig hinter dem Lastwiderstand) – seriell in einen Stromkreis eingebaut werden kann.

Typenbezeichnungen LM78xx[Bearbeiten]

Aufgrund ihres Alters und der geringen Kosten sind diese Festspannungsregler sehr verbreitet: LM78xx (positive Ausgangsspannungen – Positivregler)[2] LM79xx (negative Ausgangsspannungen – Negativregler)

xx = Ausgangsspannung, Normspannungen: 5 V, 9 V, 12 V, 15 V, …
zum Beispiel LM7805 = Positivregler für 5 V Ausgangsspannung oder L78M12 = Positivregler für 12 V Ausgangsspannung.
Manche Hersteller verwenden statt LM ein anderes Präfix.

Hinter der Bezeichnung 78Sxx verbirgt sich ein 2-A-Typ, unter 78Txx einer für 3 A. Die 5-A-Typen haben meist die Bezeichnung 78Hxx. Kleinere Ausführungen sind 78Mxx für 0,5-A-Typen und 78Lxx für 0,1-A-Typen. Je nach Hersteller kann vor der Ziffernfolge 78 noch ein Präfix stehen. Üblich sind µA78xx, MC78xx, LM78xx und L78xx. Oft bezeichnet ein Buchstabe nach der Spannungsangabe die Toleranz. Als Anhaltspunkt können ein A für ±2 % und ein C für ±4 % dienen. Beispiel: MC7809A für Positivregler, 9 V, Toleranz 2 %, Gehäuse TO-220.

Beispiele für verbreitet einstellbare Spannungsregler sind:

    • LM317 (positive Ausgangsspannungen – Positivregler)
    • LM337 (negative Ausgangsspannungen – Negativregler)
    • L200 (Positivregler, Spannungs- und Stromregelung möglich)[3]
    • LM723 (Positivregler, Spannungs- und Stromregelung möglich, etwas aufwändigere Beschaltung, oft in Labornetzteilen verwendet)

Querregler[Bearbeiten]

Querregler, auch Parallelregler oder Shuntregler genannt, sind parallel zum Verbraucher geschaltet und nehmen immer soviel Strom auf, um die Spannung an ihren Klemmen konstant zu halten. Sie müssen daher aus einer strombegrenzten Quelle gespeist werden. Die Strombegrenzung besteht in der Regel aus einem vorgeschalteten Widerstand. Querregler werden nur für kleine Leistungen eingesetzt (Referenzspannungsquellen, kleine Gleichspannungsquellen). Die Ausgangsspannung von Querreglern ist kurzschlussfest, wenn das strombegrenzende Glied die erhöhte Verlustleistung verträgt. Der Querregler selbst hat bei maximaler Last (und auch bei Kurzschluss) seine geringste Belastung.

Als Querregler werden neben diskreten Schaltungen in einfachen Fällen Zenerdioden, für höhere Stabilitätsanforderungen integrierte Schaltungen eingesetzt. Diese integrierten Schaltkreise sind ebenso wie Längsregler für fixe Spannungen (z. B. 2,5 V, 4,096 V, 5 V) als auch in einstellbaren Varianten erhältlich. Sie werden auch Referenzspannungsquelle genannt, da das ihr Hauptanwendungsgebiet ist (es gibt jedoch auch Referenzspannungsquellen in der Schaltungsart eines Längsreglers). Querregler verhalten sich nach außen wie eine hochstabile, temperaturunabhängige Zenerdiode.

Typenbeispiele:

  • LM336, fixe Spannung
  • TL431, einstellbar

Laderegler oder Schutzschaltung für Akkus[Bearbeiten]

Eine Überladung wird bei vollem (Lithium-Ionen-)Akku dadurch verhindert, dass ein den Akkumulator zu überladen drohender Strom im Querregler abgezweigt und in Wärme umgewandelt wird. Diese Ladespannungsbegrenzung ist in vielen der dafür empfindlichen Lithium-Ionen-Akkumulatoren mit weiterer Überwachungselektronik, wie Stromsicherung, Endladeschlusssspannungskontrolle und einer Temperaturüberwachung direkt mit in das Gehäuse des (LapTop-)Akkupacks bzw. in (Handy-)Einzelzellen eingebaut. Eine Ladespannungserhöhung über 4,2V pro LiIonen-Zelle hinaus würde sonst zu einer Zersetzung des Elektrolyten führen und Brandgefahr bedeuten.

Das Verfahren mittels Querreglers wird auch bei Ladestromquellen angewendet, die nicht unbelastet betrieben werden dürfen. Ein typisches Beispiel dafür sind kleine Windgeneratoren: unbelastet können diese, je nach Bauart und Windgeschwindigkeit, unzulässige Rotor-Drehzahlen und Leerlaufspannungen erreichen.

Für 12V-Blei-Akkus gibt es z.B. einen speziell auf die Ladeschlussspannung von ca. 13,7V abgestimmten 1,5 A-Festspannungsregler PB137. Der ist etwa vergleichbar mit der Reglerreihe 78xx mit zusätzlicher Schutzbeschaltung. In ihm fließen dann nach Erreichung der Ladeschlussspannung des Akkus von 13.7V bzw. wenn zuvor auf vorgeschriebene Ladeschlussspannung von ca. 15V aufgeladen wurde, nur noch der geringe Betriebsstrom des PB137 um 5mA aus der Ladequelle.

Solar-Stromversorgung[Bearbeiten]

Shuntregler regeln weiterhin in Satelliten die Stromversorgung aus Solarzellen. Längsregler würden hier einen Leistungsverlust von mehreren Prozent verursachen, da ihr Mindest-Spannungsabfall eine etwas höhere Spannung der Solarzelle erfordert, wodurch der Maximalstrom bei gleicher Bestrahlung etwas sinkt. Je nach Aufbau unterscheidet man einfache Shuntregler (Shunt Regulators), Switching Shunt Regulators (S2R), Sequential Switching Shunt Regulators (S3R) oder Sequential Switching Shunt Series Regulators (S4R).

Kombination Querregler/Längsregler[Bearbeiten]

Solche Schaltungen können wie ein Längsregler eingesetzt werden, sind jedoch zusätzlich in der Lage, die Ausgangsspannung auch dann konstant zu halten, wenn Strom in den Ausgang hineinfließt (sourcing und sinking). Beispiele sind die Referenzspannungsquelle AD158x sowie die etwas stärkeren LT1118.

Schaltregler[Bearbeiten]

Hauptartikel: Schaltregler
Schaltungsschema eines Abwärtswandlers.

Schaltregler funktionieren grundsätzlich anders als Linearregler: Die Eingangsspannung wird periodisch (oft mit Frequenzen zwischen 10 und 100 kHz) ein- bzw. ausgeschaltet und eine nachgeschaltete Drossel ausreichender Induktivität glättet den Strom, der einen Elektrolytkondensator auflädt. Die Eingangsspannung muss dabei sicher über der gewünschten Ausgangsspannung liegen, weshalb die Anordnung auch Abwärtswandler genannt wird. Je nach dem Verhältnis von Ein- zu Ausschaltzeit und dem Entladestrom stellt sich am Ausgang eine bestimmte Durchschnittsspannung ein. Soll diese konstant sein, muss eine Regelschaltung das Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation regeln. Vorteilhaft ist die wesentlich geringere Verlustleistung, wenn der Schalter einen ausreichend geringen Durchlasswiderstand aufweist. Nachteilig sind der höhere Schaltungsaufwand, EMV-Störungen durch das Zerhacken (schnelle Schaltvorgänge) und die relativ langsame Reaktion auf Belastungssprünge.

Es gibt ebenso wie bei linearen Längsreglern solche mit fixer und solche mit vorwählbarer Ausgangsspannung. Schaltregler sind insbesondere bei der Erzeugung kleiner Spannungen bei großem Strom (z. B. für Prozessoren mit 1–3 Volt) nahezu zwingend geboten, da ansonsten die Stromaufnahme und die Verlustwärme des Reglers unangemessen hoch wären. Schaltregler für große Ströme (ab etwa 5 A) erfordern zusätzlich einen oder mehrere externe Schalttransistoren, die oft auch die Diode ersetzen (Synchrongleichrichtung), um die besonders bei großen Strömen erhebliche Verlustleistung der Diode zu vermeiden.

Schaltregler mit Synchrongleichrichtung sind rückspeisefähig, das heißt, sie können auch Strom aus der „Last“ zurück in die Speisespannungsquelle übertragen, wenn die Lastspannung die Sollspannung übersteigt. Diese Eigenschaft kann in der Antriebstechnik von Hybridelektrokraftfahrzeugen und Elektrolokomotiven den Wirkungsgrad erheblich steigern (Vierquadrantensteller).

Alle modernen Laderegler sind Schaltregler, weil sich nur damit ein sinnvoller Wirkungsgrad erzielen lässt.

Überlast-Verhalten[Bearbeiten]

Falls überhaupt vorhanden sind die folgenden Charakteristiken üblich. In einigen Fällen fehlt die Überstromsicherung, und bei Kurzschluss kann das Leistungsbauelement zerstört werden. Ein genügend hoher Innenwiderstand der Spannungsquelle oder des Leistungsbauelements stellt ebenfalls einen (primitiven) Überlastschutz dar.

Neben dem Schutz vor Überstrom darf auch ein thermischer Schutz nicht fehlen, im einfachen Fall durch überdimensionierte Kühlung. Bei integrierten Spannungsreglern ist ein solcher in der Regel eingebaut. Zu beachten ist bei der Schaltungsauslegung, dass die dabei auftretenden lokalen Erhitzungen zu Folgeschäden führen können.

Foldback-Verhalten[Bearbeiten]

Bei Überschreitung des maximalen Ausgangsstroms wird die Spannung so weit verringert, dass nur noch ein sehr kleiner Strom fließt. Die Spannung kehrt erst wieder zurück, wenn die Last entfernt wurde.

Elektronische Sicherung[Bearbeiten]

Beim Überschreiten des maximalen Ausgangsstroms wird der Ausgang abgeschaltet. Das Starten erfolgt manuell mit einem Taster. Je nach Schaltungsauslegung erfolgt der Hochlauf beim Zuschalten der eingangsseitigen Spannung automatisch – oder ebenso manuell.

Rechteck-Verhalten[Bearbeiten]

Mit Erreichen des maximalen Stromes wechselt der Regler in den Konstantstrom-Betrieb: Erhöht sich die Last weiter, bleibt der Ausgangsstrom konstant bis zum Kurzschluss. Dieses Verhalten findet sich häufig bei Labor-Stromversorgungen sowie bei integrierten Festspannungsreglern.

Hiccup-Betrieb („Schluckauf“-Betrieb)[Bearbeiten]

Der Regler (häufig bei Schaltreglern) versucht bei Überlastung ständig von neuem, die Ausgangsspannung anzuheben und liefert dazu periodisch bis zur Höhe des Maximalstromes ansteigende Stromimpulse.

Wechselspannungsregler[Bearbeiten]

Regelung mit Stelltransformatoren[Bearbeiten]

Schema eines Stufenschalters in einem Leistungstransformator mit einer unterbrechungsfreien Umschaltung zwischen Stufe Zwei und Drei

Die Regelung von Netzwechselspannung mit Stelltransformatoren ist sehr verlust- und verzerrungsarm, jedoch aufgrund des motorischen Stellantriebes langsam.

Es werden Transformatoren eingesetzt, deren Übersetzungsverhältnis während des Betriebes verändert werden kann. Das können automatisch angetriebene Stelltransformatoren oder Transformatoren mit Anzapfungen (Spannungsregelung) sein, die umgeschaltet werden.

Bei Leistungstransformatoren in Umspannwerken kommen standardmäßig so genannte Stufenschalter für Leistungstransformatoren zum Einsatz. Diese Schalteranordnungen bestehen aus einem Lastschalter mit Vorwähler. Die Vorwähler stellen Trenner dar, welche fix im Gehäuse des Leistungstranformators eingebaut sind und wegen der geringeren Strombelastung auf der Oberspannungswicklung angeordnet sind. Dabei wird eine Anpassung der Netzspannung im Bereich von typisch ±25 % ermöglicht. Die Änderung der Spannung erfolgt bei diesen und auch bei kleineren Geräten unterbrechungsfrei unter Last durch Umschalten zwischen Wicklungs-Anzapfungen. Dabei entsteht ein kurzzeitiger Windungsschluss, dessen Strom durch zwei Widerstände, in nebenstehender Abbildung als Widerstand A und B bezeichnet, begrenzt werden muss. Die letzte Stufe der Spannungsregelung in öffentlichen Stromnetzen erfolgt bei der Speisung der Mittelspannungsnetze. Die lokalen Transformatorenstationen zur Speisung der Haushalte mit Niederspannung von üblicherweise 230/400 V besitzen im Regelfall ein fix eingestelltes Übersetzungsverhältnis ohne Einstellmöglichkeit im Betrieb.

Bei indirekt arbeitenden Reglern wird über Zusatztransformatoren vergleichsweise geringer Leistung eine phasengleiche oder um 180° phasenverschobene Spannung in Reihe zum Verbraucher zur Eingangsspannung addiert oder von ihr subtrahiert. Die Zusatztransformatoren werden ihrerseits aus automatisch angetriebenen Stelltransformatoren gespeist. Sie gestatten abhängig von ihrem Übersetzungsverhältnis eine Spannungsregelung von z. B. ±25 %. Bei Netzregel-Geräten nach diesem Prinzip und auch bei kleineren Geräten mit automatischen Stelltransformatoren bedarf es keiner Maßnahmen zur Strombegrenzung während der Wicklungs-Umschaltung; die dabei zur Kontaktierung der freiliegenden Windungen verwendeten Graphit-Rollen bieten selbst einen ausreichenden Beitrag zur Stromaufteilung.

Als Querregler, realisiert beispielsweise in Form von Phasenschiebertransformatoren, werden in Dreiphasenwechselstromnetzen auf der Höchstspannungsebene von 220 kV oder 400 kV verwendet. Damit kann sowohl der Betrag als auch die Phasenlage geändert werden und so Lastflüsse gezielt beeinflusst werden. Sie können wie Wechselstromregler mit Zusatztransformatoren realisiert werden. Die Regelwicklung des Zusatztransformators liegt in Reihe zur Last an der Phase S. Die in ihr induzierte Regelspannung besitzt eine bestimmte Phasenlage, die mit der Primärspannung und deren Phasenlage eingestellt werden kann. Die Primärwicklung wird mit einer Tertiärwicklung des Haupttransformators oder durch einen separaten Erregertransformator gespeist. Durch Wahl der Schaltgruppen der Wicklungen des Haupt- und des Zusatztransformators lassen sich Zusatzspannungen beliebiger Größe und Phasenlage einstellen.

Neuere Verfahren zur Einstellung der Netzwechselspannung und der Leistungsflüsse basieren auf Leistungselektronik und werden unter dem Begriff Flexible-AC-Transmission-System (FACTS) zusammengefasst.

Magnetische Spannungskonstanthalter[Bearbeiten]

Magnetischer Spannungsgleichhalter für Netzspannungs-Verbraucher bis 200 W; 125 mm × 200 mm × 260 mm

Magnetische Spannungskonstanthalter wurden früher häufig zum Betrieb röhrenbestückter Geräte verwendet, um die damals oft schwankende Netzspannung automatisch zu stabilisieren. Sie bestehen aus einem Transformator, einer Drossel mit Anzapfungen und einem Kondensator, der mit der Drossel einen Schwingkreis bildet. Bei der Stabilisierung wird das Sättigungsverhalten des Eisenkerns der Drossel ausgenutzt. Diese Regler arbeiten schneller als motorische Netzspannungsregler, haben jedoch einen kleineren Regelbereich, einen Restfehler nach der Stabilisierung (Schwankungen von 20 % werden z. B. auf 3 % verringert) und besitzen größere Verluste als jene. Sie enthalten keine mechanisch bewegten Teile oder Kontakte und sind daher sehr zuverlässig.

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

  • Adolf J. Schwab: Elektroenergiesysteme - Erzeugung, Transport, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie. Springer, 2006, ISBN 3-540-29664-6.
  • L. Retzbach: Akkus und Ladegeräte. Neckar Verlag, 13. Auflage, 2002, ISBN 3-7883-2142-3

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Spannungsregler – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
 Wiktionary: Spannungsregler – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. zum Beispiel AD158x von Analog Devices
  2. Datenblatt 78xx
  3. Datenblatt L200