LDO – Low-Dropout-Regler

Ein Lithium-Ionen-Akku liefert zwischen 4,2 V und etwa 3,0 V, der Mikrocontroller will stabile 3,3 V. Ein 7805-artiger Regler bräuchte dafür 2 V Abstand – völlig unbrauchbar. Hier helfen Low-Dropout-Regler, kurz LDO. Sie arbeiten wie ein gewöhnlicher Linearregler, kommen aber mit einem Abstand von oft nur 0,1–0,3 V zwischen Ein- und Ausgang aus. Du findest sie auf praktisch jedem Mikrocontroller-Board: Der kleine Dreibeiner neben der USB-Buchse eines Arduino-Klons, der aus 5 V die 3,3 V macht, ist meist ein LDO.

Aufbau und Funktionsweise

Ein LDO hat dieselben Bausteine wie jeder Linearregler: Referenz, Fehlerverstärker, Spannungsteiler und Stellglied. Der Unterschied liegt im Stellglied. Beim 7805 ist es ein NPN-Darlington als Emitterfolger; seine Basis muss über dem Ausgang liegen, und deshalb braucht er rund 2 V Abstand. Ein LDO dreht den Transistor um:

• PNP-Transistor: Der Emitter liegt am Eingang, der Kollektor am Ausgang. Der Transistor kann bis in die Sättigung durchsteuern, der Abstand sinkt auf seine Sättigungsspannung von einigen hundert Millivolt. Nachteil: Der Basisstrom fließt nach Masse ab und erhöht den Eigenverbrauch.
• P-Kanal-MOSFET: Die Source liegt am Eingang, der Drain am Ausgang. Ganz aufgesteuert wirkt er wie ein kleiner Widerstand R_DS(on), und die Dropout-Spannung ist einfach U_Drop = I_A · R_DS(on). Weil das Gate keinen Steuerstrom braucht, kommen solche LDOs mit Mikroampere Ruhestrom aus. Das ist heute die häufigste Bauart (siehe MOSFET).

Dazwischen liegen die „Quasi-LDOs“ wie der AMS1117 oder LM1117 mit einem einzelnen NPN-Transistor statt eines Darlingtons. Sie brauchen etwa 1–1,3 V Abstand – besser als der 7805, aber kein echter LDO.

Schaltzeichen

Wie andere Spannungsregler zeichnet man den LDO als Kasten mit IN, OUT und GND. Viele LDOs haben zusätzlich einen Eingang EN (Enable), mit dem ein Mikrocontroller den Regler ab- und einschaltet, manche einen Ausgang PG (Power Good), der meldet, ob die Spannung im Sollbereich liegt. Einstellbare Typen haben einen Anschluss ADJ oder FB für den Spannungsteiler.

Wichtige Kennwerte

Drei Werte entscheiden über die Wahl:

• Dropout-Spannung: gilt immer für einen bestimmten Strom und meist für 25 °C. Bei kleinerem Strom ist sie kleiner, bei Wärme oft größer.
• Ruhestrom I_Q: der Strom, den der Regler selbst verbraucht, auch ohne Last. Bei Batteriegeräten im Schlafmodus ist er oft größer als der Strom der eigentlichen Schaltung.
• Ausgangskondensator: Mindestkapazität und erlaubter ESR-Bereich, damit der Regelkreis stabil bleibt.

Dazu kommen die Brummunterdrückung (PSRR) und das Rauschen. Wie gut ein LDO Störungen vom Eingang dämpft, hängt stark von der Frequenz ab: 60–70 dB bei 100 Hz sind üblich, bei einigen hundert Kilohertz – der Taktfrequenz eines Schaltreglers – bleiben oft nur 20–40 dB. Wie Dezibelwerte zu lesen sind, steht unter Dezibel.

Akkubetrieb durchgerechnet

Beispiel 1 – reicht die Spannung? Ein Sensor mit Mikrocontroller braucht 3,3 V und zieht beim Messen 200 mA. Er hängt mit einem MCP1700-3.3 an einer Li-Ionen-Zelle. Mit dem ungünstigsten Dropout von 350 mV muss die Zelle mindestens 3,3 V + 0,35 V = 3,65 V liefern. Ein voller Akku hat 4,2 V – kein Problem. Unter 3,65 V sinkt die Ausgangsspannung mit der Zellenspannung. Viele Mikrocontroller laufen auch mit 3,0 V noch, aber ein Funkmodul oder ein ADC mit 3,3-V-Referenz kann dann versagen. Ein AMS1117 bräuchte bis zu 3,3 V + 1,3 V = 4,6 V und würde an einer Li-Ionen-Zelle nie regeln.

Beispiel 2 – wie lange hält der Akku? Die Schaltung schläft 99 % der Zeit und zieht dabei 5 µA. Mit dem MCP1700 kommen 1,6 µA dazu, zusammen 6,6 µA. Eine Zelle mit 1000 mAh hielte rechnerisch 1000 mAh / 6,6 µA ≈ 150 000 h, also viele Jahre – in der Praxis begrenzt die Selbstentladung der Zelle. Mit einem AMS1117 und seinen 5 mA Ruhestrom ist der Akku nach 1000 mAh / 5 mA = 200 h leer, also nach gut acht Tagen. Der Regler verbraucht dann tausendmal mehr als die Schaltung.

Beispiel 3 – wird er zu warm? Bei vollem Akku und 200 mA verheizt der MCP1700 P = (4,2 V − 3,3 V) · 0,2 A = 0,18 W. Im SOT-23 mit etwa 212 K/W wird er 0,18 W · 212 K/W ≈ 38 K wärmer als die Umgebung – noch in Ordnung, aber nicht dauerhaft bei hohen Umgebungstemperaturen.

Die Laufzeit kannst du mit dem Rechner abschätzen:

Wie Akkuspannung und Kapazität zusammenhängen, steht unter Akkumulatoren und Lithium-Ionen-Akku.

Ausgangskondensator und Stabilität

LDOs sind empfindlicher als klassische Regler, weil ihr Stellglied am Ausgang einen hohen Innenwiderstand hat. Der Ausgangskondensator ist deshalb Teil der Frequenzgangkompensation. Ältere LDOs verlangten einen Kondensator mit einem bestimmten ESR-Fenster – nicht zu klein, nicht zu groß – und wurden mit Tantal-Elkos betrieben (siehe Tantal-Elko). Ein moderner Keramikkondensator mit wenigen Milliohm ESR kann solche Regler zum Schwingen bringen. Neuere Typen sind ausdrücklich „stabil mit Keramikkondensator“, oft schon mit 1 µF.

Bauformen

LDOs gibt es in allen Größen: im TO-92 und SOT-23 für einige hundert Milliampere, im SOT-223 und DPAK für etwa 1 A, im winzigen DFN mit 1 × 1 mm oder als Chip-Scale-Gehäuse für Smartphones. Bei Gehäusen mit Kühlfahne oder freiliegendem Pad entscheidet die Kupferfläche darunter über die erlaubte Verlustleistung (siehe Wärme und Kühlung).

Auswahl und Praxistipps

So gehst du vor:

1. Kleinste Eingangsspannung minus Ausgangsspannung ergibt den Spielraum. Der Dropout bei deinem Strom und deiner Temperatur muss mit Reserve darunter liegen.
2. Höchste Eingangsspannung prüfen – viele LDOs vertragen nur 5,5 oder 6 V. Ein 12-V-Netzteil zerstört sie sofort.
3. Verlustleistung im ungünstigsten Fall: höchste Eingangsspannung, größter Strom. Den nötigen Kühlaufwand berechnet Linearregler: Verlustleistung und Kühlkörper.
4. Ruhestrom gegen die Schlafströme der Schaltung abwägen.
5. Ausgangskondensator nach Datenblatt wählen.

Häufige Fehler:

• „LDO“ im Namen, aber 1,3 V Dropout: Der AMS1117 ist an 3,7-V-Akkus ungeeignet.
• Rückstrom: Liegt am Ausgang eine höhere Spannung als am Eingang – etwa wenn eine zweite Quelle den Ausgang speist –, leitet die Body-Diode des P-MOSFET rückwärts. Manche LDOs haben einen Rückstromschutz, sonst hilft eine Schottky-Diode oder ein Lastschalter.
• LDO hinter einem Schaltregler ohne Abstand: Liegt der Schaltregler nur 50 mV über dem LDO-Ausgang, arbeitet der LDO im Dropout und dämpft keine Störungen mehr. Plane 200–300 mV Reserve.
• Spannungsspitzen beim Einstecken: Ein USB-Kabel mit Induktivität und ein Keramikkondensator können am Eingang kurz auf das Doppelte der Spannung überschwingen. Ein 6-V-LDO an 5 V hat dann keine Reserve.

Selbsttest