Spannungsregler

Ein Mikrocontroller will 3,3 V, ein Sensor 5 V, ein Motor 12 V – und aus der Steckdose, dem Akku oder dem USB-Anschluss kommt etwas anderes, das obendrein schwankt. Zwischen Quelle und Schaltung sitzt deshalb fast immer ein Spannungsregler. Er hält seine Ausgangsspannung fest, auch wenn sich Eingangsspannung, Laststrom oder Temperatur ändern. Dieser Artikel gibt den Überblick: welche Arten es gibt, wie sie arbeiten, welche Kennwerte du im Datenblatt findest und wie du den passenden Regler auswählst. Die einzelnen Typen haben eigene Artikel.

Linearregler und Schaltregler

Es gibt zwei grundverschiedene Prinzipien, eine Spannung herabzusetzen:

• Linearregler arbeiten wie ein automatisch nachgestellter Widerstand. Ein Transistor in Reihe zur Last nimmt genau so viel Spannung auf, dass am Ausgang der Sollwert bleibt. Die Differenzspannung mal Laststrom wird zu Wärme. Dafür sind Linearregler billig, einfach zu beschalten und liefern eine sehr saubere Ausgangsspannung.
• Schaltregler schalten einen Transistor viele hunderttausend Mal pro Sekunde ein und aus und glätten die Pulse mit Spule und Kondensator. Weil der Schalter entweder ganz offen oder ganz geschlossen ist, entsteht wenig Wärme; Wirkungsgrade von 85–95 % sind üblich. Schaltregler können die Spannung auch erhöhen oder umkehren. Der Preis: mehr Bauteile, sorgfältiges Platinenlayout und ein Rest an Schaltstörungen.

Die bekanntesten Linearregler sind die Festspannungsregler 78xx und 79xx, der einstellbare LM317 und die LDO-Regler, die mit wenig Spannungsabstand auskommen. Die getakteten Varianten beschreibt Schaltregler-ICs. Einen Vergleich der Prinzipien als Quelle betrachtet findest du auch unter Konstantspannungsquelle.

Aufbau und Funktionsweise eines Linearreglers

Im Inneren eines Linearreglers arbeiten vier Funktionsblöcke zusammen:

1. Eine Referenzspannungsquelle liefert eine sehr stabile, temperaturunabhängige Spannung, meist um 1,2 V (Bandgap-Referenz).
2. Ein Spannungsteiler greift einen Teil der Ausgangsspannung ab. Bei Festspannungsreglern sitzt er im Chip, bei einstellbaren Reglern außen (siehe Spannungsteiler).
3. Ein Fehlerverstärker vergleicht die geteilte Ausgangsspannung mit der Referenz.
4. Das Stellglied, ein Leistungstransistor zwischen Ein- und Ausgang, wird vom Fehlerverstärker so weit geöffnet, dass beide Spannungen gleich sind.

Sinkt die Ausgangsspannung, weil die Last mehr Strom zieht, öffnet der Verstärker den Transistor weiter – und umgekehrt. Das ist ein geschlossener Regelkreis. Dazu kommen Schutzschaltungen: eine Strombegrenzung gegen Kurzschluss und eine Übertemperaturabschaltung, die den Regler bei etwa 150 °C Sperrschichttemperatur abschaltet.

Schaltzeichen

Spannungsregler-ICs zeichnet man als Rechteckkasten mit drei Anschlüssen: Eingang (IN, oft V_IN), Ausgang (OUT) und Masse (GND) – bei einstellbaren Typen heißt der dritte Anschluss ADJ. Der Eingang liegt links, der Ausgang rechts, die Masse unten. Daneben stehen der Bauteilname (U1) und der Typ. Wichtig: Die Reihenfolge der Pins im Symbol sagt nichts über die Reihenfolge am Gehäuse – die steht im Datenblatt und unterscheidet sich von Typ zu Typ.

Wichtige Kennwerte

Moderne LDOs haben teils 0,1 V Dropout und nur wenige Mikroampere Ruhestrom – für batteriebetriebene Geräte entscheidend. Wie Dezibelwerte wie die 80 dB Brummunterdrückung zu lesen sind, erklärt Dezibel: 80 dB bedeuten, dass ein Brumm von 1 V am Eingang am Ausgang nur noch 0,1 mV ausmacht.

Verlustleistung und Wirkungsgrad

Beim Linearregler fließt der Laststrom (plus der kleine Ruhestrom) vom Eingang zum Ausgang. Die Verlustleistung ist deshalb

Den zweiten Term kannst du bei größeren Strömen meist vernachlässigen. Der Wirkungsgrad ist ungefähr η ≈ U_A / U_E – ein Linearregler von 12 V auf 5 V kann nie besser als 42 % sein. Wie warm er dabei wird, rechnest du mit den Wärmewiderständen aus Wärme und Kühlung.

Rechne deinen eigenen Fall durch:

Typische Beschaltung

Ein Linearregler braucht wenig: einen Kondensator am Eingang, einen am Ausgang, beide möglichst nah an den Pins. Der Eingangskondensator fängt die Induktivität langer Zuleitungen ab, der Ausgangskondensator sichert die Stabilität des Regelkreises und liefert kurze Stromspitzen. Bei klassischen Reglern genügen Keramikkondensatoren von 0,22–0,33 µF am Eingang und 0,1 µF am Ausgang; viele LDOs verlangen dagegen einen Ausgangskondensator mit bestimmter Mindestkapazität und passendem ESR. Hinter einem Gleichrichter kommt vor den Regler zusätzlich ein großer Ladeelko (siehe Brückengleichrichter und Kondensator im Gleichstromkreis).

Bauformen

Linearregler gibt es im TO-92 (bis etwa 100 mA, z. B. 78L05), im TO-220 zum Anschrauben an einen Kühlkörper, in SMD als SOT-223, DPAK oder D²PAK, deren Metallfahne auf eine Kupferfläche der Platine gelötet wird, und als winzige LDOs im SOT-23-5 oder DFN. Schaltregler stecken meist in SOT-23-6, SOIC-8 oder QFN, oft mit freiliegendem Kühlpad; dazu kommen fertige Module mit Spule und Kondensatoren auf einer kleinen Platine. Einen Überblick über die Gehäuse findest du unter IC-Gehäuse.

Auswahl und Praxistipps

Diese Fragen führen zum passenden Regler:

1. Wie groß ist die Spannungsdifferenz mal Strom? Unter etwa 0,5 W reicht ein Linearregler ohne Kühlkörper, bis wenige Watt mit Kühlkörper. Darüber oder bei Akkubetrieb ist ein Schaltregler meist die bessere Wahl.
2. Wie nah liegen Ein- und Ausgangsspannung? Braucht der Regler 2 V Abstand, die Quelle liefert aber nur 1 V mehr, hilft nur ein LDO.
3. Wie empfindlich ist die Last? Analoge Messschaltungen, Audio und Funk profitieren von der rauscharmen Spannung eines Linearreglers – notfalls hinter einem Schaltregler.
4. Wie lange läuft das Gerät aus der Batterie? Dann zählt der Ruhestrom, oft mehr als der Wirkungsgrad unter Last.

Häufige Fehler:

• Dropout bei der Restwelligkeit vergessen: Hinter einem Gleichrichter zählt das Tal der Brummspannung, nicht ihr Mittelwert. Fällt die Eingangsspannung dort unter U_A + U_Drop, kommt der Brumm am Ausgang durch.
• Kondensatoren zu weit weg oder vergessen: Der Regler schwingt dann, und am Oszilloskop sieht man eine hochfrequente Schwingung auf der „Gleichspannung“.
• Pinbelegung von einem anderen Typ übernommen: 7805, 7905, LM317 und AMS1117 haben im selben Gehäuse unterschiedliche Pinfolgen.
• Wärme unterschätzt: Der Regler funktioniert auf dem Labortisch und schaltet im geschlossenen Gehäuse nach zehn Minuten ab.
• Spannung am Ausgang höher als am Eingang: Etwa wenn ein großer Ausgangskondensator geladen bleibt, während der Eingang kurzgeschlossen wird. Eine Schutzdiode vom Ausgang zum Eingang leitet den Strom am Regler vorbei.

Für genaue Spannungen zum Messen statt zum Versorgen gibt es eigene Bausteine, die Spannungsreferenzen. Für ganz kleine Ströme reicht manchmal eine Z-Diode.

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