Spannungsstabilisierung

In jedem Funkgerät sind eine oder mehrere Spannungsstabilisierungen vorhanden, da die Eingangsspannung, vor allem bei mit Akku betriebenen Geräten, schwanken kann und dann empfindliche Baugruppen, wie z. B. Oszillatoren, ihre Frequenz ändern würden.

Spannungsstabilisierungen gibt es in 3 Varianten:

Die Schaltung mit Z-Diode stellt eine sehr einfache Schaltung zur Stabilisierung der Ausgangsspannung dar, da die Z-Diode die Aussgangsspannung in Grenzen stabil halten kann.

Zur Erinnerung:

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Kurzfassung: Diagramm einer Strom-Spannungs-Kennlinie mit Achsen I_D (vertikal) und U_D (horizontal); eine orange Kurve verläuft lange flach nahe der Nulllinie, zeigt links bei -U_Z einen schmalen Abfall nach unten und steigt rechts ab U_th steil nach oben.

Detaillierte Beschreibung: Ein kartesisches Koordinatensystem mit Pfeilspitzen zeigt die vertikale Achse mit der Beschriftung „I_D“ nach oben und die horizontale Achse mit der Beschriftung „U_D“ nach rechts; die Achsen schneiden sich ungefähr in der Mitte. Auf der U_D-Achse ist links die Markierung „−U_Z“ eingetragen, rechts nahe einer Krümmungsstelle steht „U_th“. Eine durchgezogene, orangefarbene Kennlinie verläuft über weite Strecken nahezu auf der horizontalen Achse (I_D ≈ 0). Links, in der Nähe der Beschriftung „−U_Z“, stürzt die Kurve sehr steil nach unten (negativer I_D) und kehrt unmittelbar wieder dicht an die Nulllinie zurück, wodurch ein schmaler tiefer Einbruch entsteht. Rechts, in der Nähe der Beschriftung „U_th“, bleibt die Linie zunächst flach, biegt dann abrupt nach oben ab und verläuft anschließend fast senkrecht mit stark ansteigendem I_D. Weitere Gitterlinien oder numerische Skalen sind nicht vorhanden. — Abbildung A-5.11.1: Kennline einer Z-Diode

Die Z-Diode wird immer mit einem Vorwiderstand und in Sperrrichtung (-$U_Z$) betrieben. Z-Dioden mit Durchbruchspannungen $U_Z$ ab 5 V, zeigen einen sehr steilen Verlauf der Kennlinie und eignen sich deshalb sehr gut zur Spannungsstabilisierung. (siehe auch Klasse E: Abschnitt Diode 1)

AD321: Wie groß ist der Wirkungsgrad $\left(\eta = \dfrac{P_{\textrm{L}}}{P_{\textrm{IN}}}\right)$ der dargestellten Spannungsstabilisierung, wenn durch den Lastwiderstand $R_{\textrm{L}}$ = 470 Ohm ein Strom von $I_{\textrm{L}}$ = 10 mA und durch die Z-Diode ein Strom $I_{\textrm{Z}}$ = 15 mA fließt.

$Dieser Alt-Text wurde noch nicht überprüft. Schaltplan zeigt eine Spannungsquelle mit +13,8 V und 0 V. Ein Widerstand $ R_V $ ist in Reihe geschaltet. Ein Zener-Diode ist parallel zu einem anderen Widerstand $ R_L $ verbunden. Die Ströme $ I_Z $ durch die Diode und $ I_L $ durch den Widerstand $ R_L $ sind mit Pfeilen markiert.$

Der Wirkungsgrad der Schaltung ist sehr niedrig, da die Verluste im Vorwiderstand $R_V$ und in der Z-Diode berücksichtigt werden müssen. Die Berechnung ist sehr aufwändig.

Lösungsweg: Spannung am Lastwiderstand: $U_L$ = $I_L$ * $R_L$ = 10 mA * 470 Ω = 4700 mV = 4,7 V Leistung im Lastwiderstand: $P_{out}$ = 4,7 V * 10 mA = 47 mW Verlustleistung in der Z-Diode: $P_{VZ}$ = 4,7 V * 15 mA = 70,5 mW Eingangsstrom: $I_g $ = 10 mA + 15 mA = 25 mA Eingangsleistung: $P_{in}$ = 13,8 V * 25 mA = 345 mW Wirkungsgrad: $\eta = \frac{P_{out}}{P_{in}}$ = $ \frac{47\ mW}{345\ mW}$ = 0,14

Lineare Spannungsregler stabilisieren die Ausgangsspannung dadurch, indem ein Leistungstransistor als veränderlicher Widerstand betrieben wird und zusammen mit dem Lastwiderstand einen Spannungsteiler bildet.

Abbildung A-5.11.3: diskret aufgebaute Spannungsstabilisierung

In der folgenden Frage ist eine diskrete Spannungsstabilisierung mit Längstransistor dargestellt. Über eine Z-Diode wird eine Referenzspannung von 5,6 V an der Basis des Transistors erzeugt. Das Emitterpotential ist im Betriebszustand eines Siliziumtransistor um etwa 0,6 V niedriger als das Basispotential. Die geregelte Ausgangsspannung liegt dann bei etwa 5 V.

Der Laststrom fließt auch durch den Transistor und dadurch wird er bei hohem Laststrom sehr warm. Die sogenannten Längstransistoren befinden sich deshalb bei linear geregelten Spannungsstabilisierungen immer auf einem Kühlkörper.

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1. Kurze Zusammenfassung: Nahaufnahme eines schwarzen Kühlkörpers mit mehreren Lamellen und einem zentral montierten Metallbauteil mit der Aufschrift „2N3055“.

2. Detaillierte Beschreibung: Im Bild dominiert ein schwarzer Aluminium-Kühlkörper mit vier horizontalen Kühlrippen, montiert auf einer schwarzen Trägerplatte. In der Mitte sitzt ein silbernes, rundes Metallgehäuse mit ovaler Grundplatte, das mit zwei Schrauben befestigt ist; darauf sind „C5“ und „2N3055“ lesbar. Links und rechts in der Trägerplatte befinden sich zusätzlich zwei weitere Schlitzschrauben. Am Rand des Metallgehäuses sind helle, unregelmäßige Rückstände sichtbar. Unten ragt der Rand einer Leiterplatte mit feinen Leiterbahnen ins Bild; am unteren linken Bereich ist ein kurzes Stück einer rot isolierten Leitung zu sehen. Der Hintergrund ist weiß, die Beleuchtung erzeugt leichte Reflexe auf Metall und Lackflächen. — Abbildung A-5.11.4: Der Längstransistor in einem linear geregelten Netzteil muss große Verlustleistungen aushalten und wird deshalb auf einen Kühlkörper montiert.

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Zusammenfassung: Blick von oben in ein geöffnetes Metallgehäuse mit einer beschrifteten „Regelung“-Platine im oberen Bereich und einem großen, als „Netztrafo“ beschrifteten Transformator unten.

Details: Das Foto zeigt das Innere eines elektronischen Geräts in Hochformatansicht. Oben ist eine braune Leiterplatte mit mehreren schwarzen zylindrischen Elektrolytkondensatoren, Widerständen und weiteren Bauteilen montiert; darüber befindet sich ein hellblaues Textfeld mit der Aufschrift „Regelung“. In der Mitte sitzt ein kleiner schwarzer Lüfter mit rot-schwarzen Anschlussdrähten. Rechts daneben ist ein weiteres schwarzes, zylindrisches Bauteil an der Seitenwand befestigt. Entlang der linken Gehäuseseite verläuft ein Bündel mehrfarbiger Kabel (u. a. rot, gelb, blau, weiß). Unten nimmt ein großer schwarzer Transformator den Großteil des Platzes ein; auf seiner Oberseite ist ein vereinfachtes Anschluss-/Wicklungsdiagramm mit Linien und Zahlen (z. B. 0, 10, 12) aufgedruckt. Ein hellblaues Textfeld darunter trägt die Aufschrift „Netztrafo“. Das gesamte Innere ist in ein graues Metallchassis mit Schrauben und Haltewinkeln eingebaut. — Abbildung A-5.11.5: Innenansicht eines linear geregelten Netzteils für 13,8 V und 25 A; Gewicht 7 kg

Der schwere Netztrafo bestimmt im Wesentlichen das Gesamtgewicht. Unter der Regelung befindet sich ein großer Kühlkörper mit den Längstransistoren, die durch den Lüfter gekühlt werden

AD315: Wenn man folgendes Signal an den Eingang der gezeigten Schaltung anlegt, beträgt die Ausgangsspannung zwischen A und B ungefähr ...

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Kurzbeschreibung: Oben ist ein Oszilloskopbild mit periodischem Sägezahnverlauf, unten ein Schaltplan mit Transistor, Zenerdiode, Widerständen und einem Elektrolytkondensator zwischen den Klemmen A und B.

Detailbeschreibung:
- Oszillogramm: Rechteckiges Gitter mit vertikaler Beschriftung links „2 V/Div.“ und unten links „0 V“. Darauf eine dicke, wiederkehrende Sägezahnkurve über mehrere Perioden: sie steigt schräg an, erreicht eine abgerundete Spitze und fällt dann geradlinig auf die Linie bei 0 V zurück; die Amplitude liegt über etwa ein bis zwei Kästchen.
- Schaltplan: Zwei horizontale Leitungen, oben mit Anschluss „A“ rechts, unten mit Anschluss „B“ rechts; links jeweils eine offene Lötöse. An der oberen Leitung hängen (von links nach rechts): ein senkrechter Widerstand „470 Ω“ nach unten zu einem mittleren Knoten; in der Mitte ein Transistorsymbol im Kreis (drei Anschlüsse, ein Pfeil am Emitter), dessen oberer Anschluss an die obere Leitung geht und dessen unterer Anschluss zu demselben mittleren Knoten führt; rechts ein senkrechter Widerstand „1 kΩ“ von der oberen zur unteren Leitung. Vom mittleren Knoten führt links eine Zenerdiode nach unten zur unteren Leitung, mit Beschriftung „5,6 V“; ebenfalls vom mittleren Knoten führt ein polarer Kondensator nach unten zur unteren Leitung, mit „+“ am oberen Anschluss und Beschriftung „47 µF“. Alle Verbindungen sind mit Knotenpunkten (ausgefüllte Punkte) markiert.

Die Verlustleistung $P_V$ ergibt sich aus der Differenz von $P_{in}$ – $P_{out}$.

AD319: Ein linearer Spannungsregler stabilisiert eine Eingangsspannung von 13,8 V auf eine Ausgangsspannung von 9 V. Es fließt ein Ausgangsstrom von 900 mA. Wie groß ist die Verlustleistung im Spannungsregler?

Die Verlustleistung $P_V$ bestimmt auch den Wirkungsgrad eines Spannungsreglers. Bei linearen Spanungsreglern ist der Wirkungsgrad systembedingt oft sehr niedrig. Mit der folgenden Formel läßt sich der Wirkungsgrad berechnen: Wirkungsgrad = abgegebene Leistung auf der Lastseite : gesamte Eingangsleistung

$$\eta = \frac{P_{out}}{P_{in}}$$

Eingangsleistung = Eingangsspannung x Laststrom

$$P_{in} = U_{in} \cdot I_{L}$$

$P_{in}$ = 13,8 V * 0.9 A = 12,42 W Ausgangsleistung = Ausgangsspannung x Laststrom

$$P_{out} = U_{out} \cdot I_{L}$$

$P_{out}$ = 9 V * 0.9 A = 8,1 W

AD320: Ein linearer Spannungsregler stabilisiert eine Eingangsspannung von 13,8 V auf eine Ausgangsspannung von 5 V. Es fließt ein Eingangsstrom von 455 mA und ein Ausgangsstrom von 450 mA. Wie groß ist der Wirkungsgrad?

Der Lösungsweg beginnt mit der Berechnung der Einzelleistungen. Eingangsleistung = Eingangsspannung x Laststrom

$$P_{in} = U_{in} \cdot I_{L}$$

$P_{in}$ = 13,8 V * 0.455 A = 6,28 W Ausgangsleistung = Ausgangsspannung x Laststrom

$$P_{out} = U_{out} \cdot I_{L}$$

$P_{out}$ = 5 V * 0.450 A = 2,25 W

$\eta = \frac{P_{out}}{P_{in}} = \frac{2,25 W}{6,28 W}$ = 0,36

Festspannungsregler in einer integrierten Schaltung

Abbildung A-5.11.6: Festspannungsregler

Festspannungsregler arbeiten wie lineare Spannungsregler mit Längstransistor und beinhalten eine sehr genaue Spannungsreferenzquelle zusammen mit einer optimalen elektronischen Regelung. Auch wenn die Eingangsspannung stark schwankt (z. B. +-2 V) ist auf der Lastseite die Spannungsänderung nur im Millivoltbereich messbar. Die Kondensatoren auf beiden Seiten des Festspannungsreglers müssen nach Vorgaben des Herstellers gewählt werden, sonst kann es zu unerwünschten Schwingungen im Regelverhalten der Schaltung kommen.

AD318: Wie groß ist die Verlustleistung im Linearspannungsregler IC1?

1) Kurzbeschreibung: Schaltplan mit zwei parallelen horizontalen Leitern; beide mit Anschlusspunkten an beiden Enden; oberer Anschlusspunkt links „+13,8 V“; unterer horizontaler Leiter an Masse liegend; im oberen horizontalen Leiter Baustein „IC1“ mit Verbindung zum unteren horizontalen Leiter; links und rechts davon eine vertikale Verbindung zwischen beiden horizontalen Leitern mit jeweils einem Kondensator; rechts vom rechten Widerstand Anschlusspunkte in den horizontalen Leitern, oben mit „+ 5 V“ beschriftet; parallel dazu Widerstand („R_L = 10 Ω“).

2) Ausführliche Beschreibung: Der Schaltplan besteht aus zwei parallelen horizontalen Leitern. Beide haben einen Anschlusspunkt an beiden Enden. Der obere Anschlusspunkt links ist mit „+ 13,8 V“ beschriftet. Der untere Leiter liegt an Masse. Im oberen horizontalen Leiter gibt es in der Mitte einen Baustein „IC1“ mit Verbindung zum unteren horizontalen Leiter. Links und rechts davon ist eine vertikale Verbindung zwischen beiden horizontalen Leitern eingezeichnet. In der linken Verbindung ist ein polarisierter Kondensator (zwei parallele Linien, die obere mit „+“ beschriftet) eingezeichnet. Die rechte Verbindung geht über einen anderen Kondensator. Rechts vom rechten Widerstand gibt es Anschlusspunkte in den horizontalen Leitern, oben mit „+ 5 V“ beschriftet. Parallel dazu ist nach rechts ein Widerstand („R_L = 10 Ω“) eingezeichnet.

Der Lösungsweg beginnt mit der Berechnung des Laststromes: $I_L$ = $\frac{5 V}{10\ Ohm}$ = $0,5 A$ Eingangsleistung = Eingangsspannung x Laststrom Hinweis: Der Strom in der Masseleitung des Festspannungsreglers ist vernachlässigbar klein und wird deshalb nicht berücksichtigt. $P_{in} = U_{in} \ \cdot I_{L}$ = 13,8 V * 0,5 A = 6,9 W

Ausgangsleistung = Ausgangsspannung x Laststrom $P_{out} = U_{out} \cdot \ I_{L}$ = 5 V * 0,5 A = 2,5 W

Die Verlustleistung $P_V$ des Festspannungsreglers ergibt sich aus der Differenz von $P_{in}$ und $P_{out}$.

$P_V = P_{in}\ -\ P_{out}$ = 6,9 W – 2,5 W = 4,4 W

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Zusammenfassung: Drei Halbleiterbauteile im TO-220-Gehäuse sind auf bzw. vor silbernen Aluminium-Kühlkörpern angeordnet und von oben auf hellem Hintergrund fotografiert.

Detaillierte Beschreibung: Links sitzt ein schwarzes Bauteil mit Metalllasche und der sichtbaren Aufschrift „LM7905CT 9012“ mit einer Schraube an einem gerippten Kühlkörper; seine drei Anschlussbeinchen zeigen nach unten. In der Mitte steht ein „L7812CV“ (zusätzliche Markierung „SSS 86476“) mit leicht gebogenen Beinchen vor einer flachen Aluminiumplatte mit zwei kleinen Wassertropfen und einem Senkloch; in der Lasche steckt eine kleine Schraube. Rechts ist ein weiteres Bauteil „L7809CV“ (Markierung „SSS 8613S“) an einem zweiten gerippten Kühlkörper befestigt. Alle drei Bauteile haben eine Metalllasche mit Befestigungsloch, die Kühlkörper sind silbern und längs gerippt, und der Hintergrund ist weiß. — Abbildung A-5.11.7: Festspannungsregler für 5 V, 12 V und 9 V auf Kühlkörper

AD317: Bei dieser Schaltung mit einem 12 V-Festspannungsregler schwankt die Eingangsspannung zwischen 15 V und 18 V. Wie groß ist die Spannungsschwankung am Ausgang?

1) Kurzbeschreibung: Schaltplan mit zwei parallelen horizontalen Leitern; beide mit Anschlusspunkten an beiden Enden; unterer horizontaler Leiter an Masse liegend; im oberen horizontalen Leiter Baustein „IC1“ mit Verbindung zum unteren horizontalen Leiter; links und rechts davon eine vertikale Verbindung zwischen beiden horizontalen Leitern mit jeweils einem Kondensator; zwischen den Anschlusspunkten links ein vertikaler Pfeil nach unten („U_E“), rechts ein vertikaler Pfeil nach unten („U_A“).

2) Ausführliche Beschreibung: Der Schaltplan besteht aus zwei parallelen horizontalen Leitern. Beide haben einen Anschlusspunkt an beiden Enden. Der untere Leiter liegt an Masse. Im oberen horizontalen Leiter gibt es in der Mitte einen Baustein „IC1“ mit Verbindung zum unteren horizontalen Leiter. Links und rechts davon ist eine vertikale Verbindung zwischen beiden horizontalen Leitern eingezeichnet. In der linken Verbindung ist ein polarisierter Kondensator (zwei parallele Linien, die obere mit „+“ beschriftet) eingezeichnet. Die rechte Verbindung geht über einen anderen Kondensator. Zwischen beiden Anschlusspunkten links ist ein ein vertikaler Pfeil nach unten („U_E“) eingezeichnet, zwischen den beiden Anschlusspunkten rechts ist ein vertikaler Pfeil nach unten („U_A“) eingezeichnet.

Damit die interne Regelschaltung optimal funktioniert, muß die Eingangsspannung bei Standard-Festspannungsregler (z. B. Typ 7812) um ca. 3 V größer als die Ausgangsspannung sein. Es gibt Feststspannungsregler, bei denen die Eingangsspannung nur um 1 V größer als die Ausgangsspannung sein muss. Diese Regler heißen Low-Drop-Spannungsregler.

AD316: Welche Beziehung muss zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung der folgenden Schaltung bestehen, damit der Linearspannungsregler IC1 eine stabilisierte Ausgangsspannung erzeugt?

Lösungshilfe AD 315: 5 V AD 316: Die Eingangsspannung muss größer als die gewünschte Ausgangsspannung sein. AD 317: Die Spannungsschwankung beträgt nahezu null Volt. AD 318: 4,4 W AD 319: 12,42 W – 8,1 W = 4,32 W AD 320: 0,36 AD 321: 0,14

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