Konstantspannungsquelle

Ein Mikrocontroller will 3,3 V – nicht 3,1 V, wenn das Funkmodul gerade sendet, und nicht 3,6 V, wenn der Akku frisch geladen ist. Eine Konstantspannungsquelle liefert genau das: eine Ausgangsspannung, die weitgehend unabhängig vom Laststrom und von der Eingangsspannung bleibt. Sie ist die technische Annäherung an die ideale Spannungsquelle, und praktisch jede Elektronikschaltung enthält mindestens eine davon.

Was „konstant“ bedeutet

Im Ersatzschaltbild einer realen Quelle sinkt die Klemmenspannung um R_i · I, sobald Strom fließt. Eine Konstantspannungsquelle macht ihren Innenwiderstand so klein wie möglich. Erreicht wird das nicht durch dickes Kupfer allein, sondern durch Regelung: Eine Schaltung misst die Ausgangsspannung laufend, vergleicht sie mit einer stabilen Referenz und gleicht jede Abweichung aus.

Wie gut das gelingt, beschreiben zwei Kennwerte aus dem Datenblatt:

• Lastausregelung (Load Regulation): Wie stark ändert sich die Ausgangsspannung, wenn der Laststrom von klein auf groß springt? Typisch sind einige Millivolt oder unter 1 %.
• Netzausregelung (Line Regulation): Wie stark ändert sie sich, wenn die Eingangsspannung schwankt?

Teilst du die Spannungsänderung durch die Stromänderung, erhältst du den wirksamen Innenwiderstand der Quelle:

Auch eine frische Batterie oder ein einfaches Festspannungsnetzteil zählt im Alltag als nahezu konstante Quelle – solange ihr Innenwiderstand klein gegenüber der Last bleibt. Diesen Betriebsfall nennt man Spannungsanpassung: Der Lastwiderstand ist viel größer als der Innenwiderstand (R_L ≫ R_i). Dann gilt

Schon bei R_L = 10 · R_i liegen gut 90 % der Leerlaufspannung an der Last, bei R_L = 100 · R_i rund 99 %. Bei R_L = R_i wäre es nur noch die Hälfte (das ist die Leistungsanpassung), und wird R_L kleiner als R_i, bricht die Klemmenspannung zusammen.

Einfachste Lösung: Z-Diode

Eine Z-Diode in Sperrrichtung hält ab ihrer Durchbruchspannung die Spannung nahezu fest. Zusammen mit einem Vorwiderstand entsteht eine einfache Stabilisierung: Der Vorwiderstand nimmt die Differenz zur Eingangsspannung auf, die Z-Diode leitet den Strom ab, den die Last gerade nicht braucht.

Das funktioniert gut für Referenzspannungen und kleine Ströme, ist aber verlustreich: Auch ohne Last fließt der volle Strom durch Widerstand und Diode. Außerdem hat eine Z-Diode einen differentiellen Widerstand von einigen Ohm – für größere Lastsprünge ist das zu viel.

Linearregler

Ein Linearregler (z. B. 7805, LM1117 oder ein moderner LDO) enthält eine Referenzspannung, einen Fehlerverstärker und einen Längstransistor. Der Transistor wirkt wie ein automatisch nachgestellter Widerstand zwischen Eingang und Ausgang. Die überschüssige Spannung verheizt er:

Damit ist der Wirkungsgrad höchstens U_A / U_E. Von 12 V auf 3,3 V sind das nur gut 27 %.

Wichtig ist die Dropout-Spannung: der Mindestabstand zwischen Ein- und Ausgang, damit der Regler noch regeln kann. Klassische Regler brauchen rund 2 V, LDOs (Low Dropout) oft nur 0,1 bis 0,3 V.

Schaltregler

Ein Schaltregler schaltet einen Transistor schnell ein und aus und speichert die Energie kurz in einer Spule und einem Kondensator. Statt die Spannungsdifferenz zu verheizen, wandelt er sie um. Wirkungsgrade von 85 bis 95 % sind üblich. Ein Abwärtswandler (Buck) senkt die Spannung, ein Aufwärtswandler (Boost) erhöht sie.

Der Preis: Die Ausgangsspannung trägt eine kleine Restwelligkeit im Takt des Schalters, und die schnellen Stromflanken können Störungen verursachen. Wie man damit umgeht, beschreibt der Artikel zur EMV.

Strombegrenzung und Schutz

Eine ideale Spannungsquelle würde bei Kurzschluss unbegrenzt Strom liefern. Reale Konstantspannungsquellen begrenzen deshalb den Strom: Ab einem Grenzwert sinkt die Ausgangsspannung so weit, dass dieser Strom nicht überschritten wird. Beim Labornetzteil stellst du diese Grenze selbst ein – oberhalb davon arbeitet es als Konstantstromquelle. Die Anzeige „CV“ (constant voltage) wechselt dann auf „CC“ (constant current).

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