LM317 und einstellbare Spannungsregler

Der LM317 ist der Klassiker unter den einstellbaren Linearreglern: drei Anschlüsse, zwei Widerstände, und schon hast du eine stabile Spannung zwischen 1,25 V und gut 30 V bei bis zu 1,5 A. Welche Spannung herauskommt, legen die beiden Widerstände fest. Dieser Rechner ermittelt die Ausgangsspannung aus R₁ und R₂ oder umgekehrt den passenden R₂ für eine Zielspannung – und prüft gleich mit, ob die Eingangsspannung reicht und wie viel Wärme entsteht. Wie Spannungsregler grundsätzlich arbeiten, erklärt der Grundlagenartikel Konstantspannungsquelle.

So rechnet der Rechner

Der LM317 regelt so, dass zwischen seinem Ausgang (OUT) und dem Einstellpin (ADJ) immer die Referenzspannung von 1,25 V liegt. R₁ sitzt genau zwischen diesen beiden Pins. Durch ihn fließt deshalb ein fester Strom 1,25 V / R₁. Derselbe Strom fließt weiter durch R₂ vom ADJ-Pin nach Masse – zusammen bilden die beiden einen Spannungsteiler, der die Ausgangsspannung festlegt. Dazu kommt ein kleiner Strom I_ADJ, der aus dem ADJ-Pin selbst fließt und ebenfalls durch R₂ geht:

Der Rechner nimmt für I_ADJ den typischen Wert von 50 µA aus dem Datenblatt. Bei üblichen Widerständen macht dieser Anteil nur einige zehn Millivolt aus.

Für die Gegenrichtung stellt er die Formel nach R₂ um:

Dann wählt er aus der gewünschten E-Reihe den Normwert, mit dem die Ausgangsspannung der Zielspannung am nächsten kommt.

Zusätzlich rechnet er mit Eingangsspannung und Laststrom:

Die Referenzspannung schwankt laut Datenblatt von Exemplar zu Exemplar zwischen 1,20 V und 1,30 V. Den Bereich, der sich daraus ergibt, zeigt der Rechner ebenfalls an.

So benutzt du ihn

1. Wähle Ausgangsspannung gesucht, wenn du die Widerstände kennst, oder Widerstand R2 gesucht, wenn du eine Zielspannung hast.
2. Gib R₁ ein – üblich sind 240 Ω oder 120 Ω. Widerstände schreibst du wie im Schaltplan, etwa „240“, „1k5“ oder „2,2k“.
3. Gib R₂ oder die Zielspannung ein, im zweiten Fall auch die E-Reihe (E12, E24, E48 oder E96).
4. Trage Eingangsspannung und Laststrom ein, etwa „9 V“ und „100 mA“. Daraus ergeben sich Spannungsdifferenz und Verlustleistung.

Ist die Spannungsdifferenz zu klein oder zu groß, fließt durch R₁ zu wenig Strom, oder liegt der Laststrom über 1,5 A, erscheint ein Hinweis.

Beispiel

Voreingestellt sind R₁ = 240 Ω und R₂ = 390 Ω bei 9 V Eingangsspannung und 100 mA Last:

Mit der Toleranz der Referenz liegt die Spannung zwischen 3,17 V und 3,43 V. Der Regler muss 9 V − 3,30 V = 5,70 V abbauen und setzt dabei 5,70 V · 0,1 A = 570 mW in Wärme um.

Schaltest du auf Widerstand R2 gesucht mit 5 V als Ziel, rechnet der Rechner R₂ = 3,75 V / (5,21 mA + 0,05 mA) ≈ 713 Ω. In der E24-Reihe liegt 680 Ω am nächsten an der Zielspannung, damit ergeben sich 4,83 V. Mit E96 und 715 Ω kommst du auf 5,01 V.

Praxis und typische Fehler

• Eingangsspannung zu knapp. Der LM317 braucht zwischen Ein- und Ausgang einen Mindestabstand, die Dropout-Spannung. Je nach Strom und Temperatur sind das etwa 1,5 V bis 2,5 V. Die Datenblattwerte gelten ab 3 V Abstand, darum warnt der Rechner darunter. Für 3,3 V aus 5 V nimmst du besser einen LDO.
• Zu große Differenz. Mehr als 40 V zwischen Ein- und Ausgang verträgt der Standardtyp nicht. Das gilt auch beim Einschalten, wenn der Ausgangskondensator noch leer ist, und bei einem Kurzschluss am Ausgang.
• R₁ zu groß gewählt. Der LM317 braucht eine Mindestlast von typisch 3,5 mA, im ungünstigsten Fall 10 mA. Sonst steigt die Ausgangsspannung im Leerlauf an. Mit 240 Ω fließen 5,2 mA durch den Teiler, mit 120 Ω sind es 10,4 mA und damit auch der ungünstigste Fall abgedeckt.
• Wärme unterschätzt. Die gesamte Spannungsdifferenz mal Laststrom wird im Regler zu Wärme. Ein TO-220 ohne Kühlkörper verträgt grob 1 bis 2 W. Ob du einen Kühlkörper brauchst und wie groß er sein muss, rechnest du mit dem Rechner Linearregler: Verlustleistung und Kühlkörper aus. Die Grundlagen stehen unter Wärme und Kühlung.
• Kondensatoren vergessen. Ein Keramikkondensator von 100 nF am Eingang nah am Regler und 1 µF oder mehr am Ausgang sorgen für stabile Regelung. Ein 10-µF-Kondensator von ADJ nach Masse verbessert die Brummunterdrückung. Bei großen Ausgangskondensatoren gehören Schutzdioden dazu, die beim Abschalten den Entladestrom am Regler vorbeileiten.
• R₁ weit weg vom Regler. R₁ gehört direkt an die Pins OUT und ADJ. Sonst addiert sich der Spannungsabfall der Leiterbahn zur Referenz und verschiebt die Ausgangsspannung.

Der LM317 kann statt einer Spannung auch einen Strom regeln: Mit nur einem Widerstand zwischen OUT und ADJ fließt I = 1,25 V / R durch die Last. Wie das funktioniert, steht unter Konstantstromquelle. Einen einfachen Spannungsteiler ohne Regler rechnest du mit dem Spannungsteiler-Rechner, andere Normwerte findest du mit Normwert finden.

Häufige Fragen

• Warum ausgerechnet 240 Ω für R1? Damit fließen gut 5 mA durch den Teiler, mehr als die typische Mindestlast des LM317. Manche Datenblätter und Applikationsschriften nehmen 120 Ω, damit auch der ungünstigste Fall von 10 mA erfüllt ist.
• Wie tief kann der LM317 regeln? Bis zur Referenzspannung von 1,25 V, wenn R₂ = 0 ist. Darunter geht es nur mit Tricks wie einer negativen Hilfsspannung.
• Gilt der Rechner auch für andere Regler? Für alle einstellbaren Regler mit 1,25 V Referenz zwischen OUT und ADJ, etwa LM338, LM350 und viele LM317-Varianten. Andere Regler haben andere Referenzspannungen und Pinbelegungen; für sie musst du die Formel mit ihrer Referenz rechnen.