Festspannungsnetzteil mit 7805/7812

Ein lineares Netzteil mit Festspannungsregler ist die klassische Versorgung für Bastelprojekte: brummfrei, störarm, kurzschlussfest und mit Teilen aus jedem Elektronikladen aufzubauen. Hier entsteht ein Netzteil mit zwei Ausgängen, +12 V für Relais, Lüfter oder einen Verstärker und +5 V für die Logik. Die Bauteile selbst – Pinbelegung, Kennwerte und Familie des 7805 – erklärt der Artikel Festspannungsregler 78xx und 79xx; hier geht es um das Zusammenspiel von Netzseite, Gleichrichter, Ladeelko und zwei Reglern.

Schaltplan

• F1, T160 mA: träge Feinsicherung in der Primärleitung. Sie schützt bei einem Defekt im Trafo oder einem Kurzschluss vor dem Regler.
• S1: Netzschalter, am besten zweipolig.
• Tr1, 230 V / 15 V, 30 VA: Ringkern- oder Printtrafo mit Sicherheitstrennung.
• B1, B80C1500: Brückengleichrichter für 80 V und 1,5 A.
• C1, 4700 µF, 35 V: Aluminium-Elko als Ladekondensator. Er überbrückt die Lücken zwischen den Halbwellen.
• C2, 330 nF: Keramik direkt am Eingang des 7812.
• IC1, 7812: liefert +12 V für die 12-V-Last und zugleich den Eingang des 7805.
• C3, C4, 100 nF: Keramik direkt an den Ausgängen.
• IC2, 7805: erzeugt +5 V aus den geregelten 12 V.

So funktioniert die Schaltung

Der Trafo setzt die Netzspannung auf 15 V herab und trennt die Schaltung galvanisch vom Netz. Die Brücke richtet beide Halbwellen gleich; C1 lädt sich in jeder Halbwelle auf den Scheitelwert auf und entlädt sich dazwischen über die Last. So entsteht eine Gleichspannung mit einem Sägezahn darauf, der Brummspannung mit 100 Hz.

Der 7812 regelt diesen Sägezahn weg – vorausgesetzt, seine Eingangsspannung fällt auch im tiefsten Tal nicht unter 14,6 V, die das Datenblatt für volle Regelung bei 1 A verlangt. Darunter schlägt das Brummen bis zum Ausgang durch. Der 7805 bekommt bereits saubere 12 V und unterdrückt den Rest noch einmal.

Die Kaskade hat einen weiteren Vorteil: Beide Spannungsdifferenzen werden in zwei Gehäusen verheizt. Der Strom des 7805 fließt allerdings auch durch den 7812, der deshalb die größere Last trägt. Die Fahne der 78xx liegt auf Masse, also dürfen beide Regler ohne Isolierscheibe auf denselben Kühlkörper.

Dimensionierung

Gegeben: +12 V mit 0,5 A und +5 V mit 0,3 A, Netzspannung 230 V ±10 %, Umgebung im Gehäuse bis 40 °C.

1. Gesamtstrom. Durch den 7812 fließen 0,5 A + 0,3 A = 0,8 A, dazu die Ruheströme von zusammen rund 10 mA.

2. Trafospannung. Der 7812 braucht im Tal mindestens 14,6 V. Ein 15-V-Trafo liefert den Scheitelwert 15 V · √2 ≈ 21,2 V (Effektivwert mal √2). In der Brücke leiten immer zwei Dioden; bei den kurzen, hohen Ladestromspitzen fallen an jeder etwa 1 V ab. Am Elko bleiben im Scheitel rund 19,2 V, bei −10 % Netz 17,1 V.

3. Ladeelko. Die Brummspannung schätzt du mit

Weil der Elko nicht die ganzen 10 ms entladen wird, sind es in Wirklichkeit etwa 1,5 V. Bei −10 % Netz liegt das Tal dann bei 15,6 V, rund 1 V über der Grenze des 7812. Mit 2200 µF wäre die Brummspannung doppelt so groß, und der Regler fiele in jedem Tal aus der Regelung. Die Spannungsfestigkeit von 35 V reicht auch für den Leerlauf: Kleine Trafos liefern ohne Last 15 bis 20 % mehr Spannung, der Elko lädt sich dann auf etwa 26 V auf.

4. Trafoleistung. Der Trafo liefert seinen Strom nur in kurzen Spitzen, während der Elko nachgeladen wird. Der Effektivstrom der Wicklung liegt deshalb beim 1,6- bis 1,8-Fachen des Gleichstroms, hier also bei etwa 1,4 A. Das sind 15 V · 1,4 A = 21 VA. Mit Reserve nimmst du einen 30-VA-Trafo; primär fließen dann etwa 130 mA, die träge Sicherung T160 mA passt.

5. Gleichrichter. Die B80C1500 verträgt 1,5 A Dauerstrom und 80 V Sperrspannung. Gesperrt liegen höchstens etwa 26 V an, der Strom ist 0,8 A – reichlich Abstand.

6. Verlustleistung. Der ungünstigste Fall ist +10 % Netz bei voller Last. Der Scheitel steigt auf 16,5 V · √2 − 2 V ≈ 21,3 V, der Mittelwert am Elko liegt bei etwa 20,6 V:

7. Kühlkörper. Zusammen sind es 9 W auf einem Kühlkörper. Der 7812 hat mit 6,9 W den größten Anteil. Zwischen Sperrschicht und Kühlkörper liegen bei ihm 4 K/W im Gehäuse und etwa 0,5 K/W Wärmeleitpaste, das sind 6,9 W · 4,5 K/W ≈ 31 K. Für höchstens 125 °C Sperrschicht darf der Kühlkörper also 94 °C warm werden:

Das ist ein Rippenkühlkörper von etwa 50 × 50 mm, kein kleiner Aufsteckkühler mehr. Einzelne Regler rechnest du mit dem Rechner Linearregler: Verlustleistung und Kühlkörper nach; Grundlagen unter Wärme und Kühlung.

Bauteilliste

Erweiterungen

Betriebsanzeige. Eine LED mit 1,5 kΩ am 12-V-Ausgang zeigt mit knapp 7 mA, dass das Netzteil läuft.

Schutzdioden. Hängt am Ausgang ein großer Elko (ab etwa 10 µF), legst du eine 1N4001 von jedem Reglerausgang zurück zu seinem Eingang, Kathode am Eingang. Wird der Eingang kurzgeschlossen oder schaltest du ab, entlädt sich der Ausgangselko darüber statt rückwärts durch den Regler.

Weniger Wärme. Wird der 5-V-Zweig stärker belastet, ersetzt du den 7805 durch ein fertiges Schaltreglermodul. Für einstellbare Spannungen ersetzt das einstellbare Netzteil mit LM317 den 7812.

Symmetrisch. Für Operationsverstärker brauchst du ±12 V: Trafo mit zwei Wicklungen, ein 7812 und ein 7912. Andere Wege zeigt Symmetrische Versorgung und virtuelle Masse.

Typische Fehler

• Brummen am Ausgang unter Last: Das Tal am Elko liegt unter 14,6 V. Mit dem Oszilloskop am Eingang des 7812 messen; Abhilfe ist ein größerer Elko oder ein Trafo mit etwas mehr Spannung.
• Regler schaltet nach Minuten ab: Übertemperaturschutz. Kühlkörper zu klein, Wärmeleitpaste vergessen oder das Gehäuse hat keine Lüftungsschlitze.
• Regler schwingt: C2 oder C3 sitzen zu weit weg. Die Keramikkondensatoren gehören direkt an die Pins, nicht ans andere Ende der Platine.
• 79xx auf demselben Kühlkörper: Beim 7912 liegt die Fahne am Eingang, nicht an Masse. Ohne Isolierscheibe gibt es einen Kurzschluss.
• Elko verpolt: Er wird warm, bläht sich auf oder platzt. Der Minuspol ist am Gehäuse mit einem Streifen markiert.

Selbsttest