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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:
Abbildung 67: 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)
Abbildung 68: Spannungsstabilisierung mit Z-Diode
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 Ω ein Strom von $I_{\textrm{L}}$ = 10 mA und durch die Z-Diode ein Strom $I_{\textrm{Z}}$ = 15 mA fließt.
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
Lineare Spannungsregler stabilisieren die Ausgangsspannung dadurch, indem ein Leistungstransistor als veränderlicher Widerstand betrieben wird und zusammen mit dem Lastwiderstand einen Spannungsteiler bildet.
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.
Abbildung 70: Der Längstransistor in einem linear geregelten Netzteil muss große Verlustleistungen aushalten und wird deshalb auf einen Kühlkörper montiert.
Abbildung 71: 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 ...
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.
Festspannungsregler in einer integrierten Schaltung
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?
Der Lösungsweg beginnt mit der Berechnung des Laststromes: $I_L$ = $\frac{5V}{10\ Ohm}$ = $0,5A$
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
Abbildung 73: 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?
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.
