Einstellbares Netzteil mit LM317

Zum Ausprobieren von Schaltungen brauchst du ständig andere Spannungen: 3,3 V für einen Sensor, 5 V für einen Mikrocontroller, 9 V als Batterieersatz, 12 V für einen Lüfter. Ein kleines einstellbares Netzteil mit dem LM317 deckt das alles mit einem Drehknopf ab. Es ist robust, denn der Regler begrenzt bei Kurzschluss selbst den Strom und schaltet bei Überhitzung ab.

Dieser Artikel baut die komplette Schaltung vom Trafo bis zur Ausgangsbuchse auf und rechnet sie durch. Wie der LM317 innen arbeitet und welche Varianten es gibt, steht im Bauteilartikel.

Schaltplan

• B1, B80C3700: Brückengleichrichter, 3,7 A ohne und 2,2 A mit Ladeelko.
• C1, 4700 µF, 35 V: Ladeelko; C2, 100 nF: Keramik direkt am Pin IN.
• IC1, LM317T: einstellbarer Regler im TO-220. Pinfolge von vorn: ADJ, OUT, IN; die Fahne liegt am Ausgang.
• R1, 120 Ω: setzt mit der Referenzspannung von 1,25 V einen festen Strom von 10,4 mA durch den Teiler. Er deckt zugleich den Mindest-Laststrom des LM317.
• P1, 1 kΩ linear: stellt die Ausgangsspannung ein.
• C3, 10 µF: glättet die Spannung am ADJ-Pin und verbessert die Brummunterdrückung.
• C4, 10 µF: stabilisiert den Regler und fängt Lastsprünge ab.
• D1, D2, 1N4002: Schutzdioden, siehe unten.

So funktioniert die Schaltung

Der LM317 hält zwischen OUT und ADJ stur 1,25 V. Liegen diese über R1 an, fließt dort ein konstanter Strom von 1,25 V / 120 Ω = 10,4 mA. Derselbe Strom fließt weiter durch P1 und erzeugt dort eine zweite Spannung. Die Ausgangsspannung ist die Summe beider. Drehst du P1 auf 0 Ω, bleiben 1,25 V; bei 1 kΩ kommen 10,4 V dazu. Der Teiler ist ein belasteter Spannungsteiler, bei dem der Regler den oberen Teil auf fester Spannung hält.

Aus dem ADJ-Pin fließen zusätzlich rund 50 µA in P1; sie heben die Spannung um 0,05 V an – vernachlässigbar, solange R1 klein bleibt.

Die Schutzdioden. Schaltest du das Netzteil ab, entlädt sich C1 schneller als C4, wenn eine Last dranhängt – oder der Eingang wird kurzgeschlossen. Dann läge der Ausgang höher als der Eingang, und C4 würde sich rückwärts durch den Regler entladen. D1 leitet diesen Strom am IC vorbei. D2 erfüllt dieselbe Aufgabe für C3: Bei einem Kurzschluss am Ausgang entlädt sich C3 über D2 statt über den ADJ-Pin.

Dimensionierung

Ziel: einstellbar von 1,25 V bis knapp 12 V, Strom bis 1 A, Umgebung bis 40 °C.

1. Spannungsteiler. Für die höchste Spannung gilt

Ein gewöhnliches Poti hat ±20 % Toleranz. Mit 800 Ω erreichst du nur 9,6 V, mit 1,2 kΩ dagegen 13,8 V. Miss dein Poti vor dem Einbau; ist es zu groß, legst du einen Widerstand parallel. Eigene Kombinationen rechnest du hier:

2. Mindest-Eingangsspannung. Der LM317 braucht bei 1 A rund 2 bis 2,5 V zwischen Ein- und Ausgang; mit Reserve rechnest du mit 3 V. Für 11,7 V am Ausgang muss das Tal am Ladeelko also über 14,7 V bleiben.

3. Trafo und Ladeelko. Ein 15-V-Trafo liefert 15 V · √2 ≈ 21,2 V Scheitel, abzüglich zweier Dioden mit je etwa 1 V unter Ladestrom bleiben 19,2 V. Bei −10 % Netz sind es 17,1 V. Mit 4700 µF und 1 A beträgt die Brummspannung rund 1,9 V, das Tal liegt bei 15,2 V – passt. Für den Trafo rechnest du mit dem 1,8-Fachen des Gleichstroms: 15 V · 1,8 A = 27 VA, gewählt 40 VA.

4. Verlustleistung. Hier liegt die eigentliche Grenze eines linearen Labornetzteils. Der Regler verheizt die ganze Spannung, die er nicht weitergibt. Der ungünstigste Fall ist +10 % Netz (im Mittel etwa 20,3 V am Elko), kleinste Ausgangsspannung und voller Strom:

Das ist mit einem TO-220 kaum abzuführen (Wärme und Kühlung). Mit R_th,JC = 5 K/W und 0,5 K/W für die Wärmeleitpaste dürften für 125 °C Sperrschicht bei 40 °C Umgebung insgesamt nur 85 K / 19 W ≈ 4,5 K/W anfallen – für den Kühlkörper bliebe nichts übrig.

5. Kühlkörper realistisch wählen. Du nimmst einen großen Rippenkühlkörper mit 2 K/W. Dann darf der LM317 dauerhaft

umsetzen. Daraus folgt der größte Dauerstrom für jede Ausgangsspannung, I = P_max / (U_C1 − U_A). Ab etwa 9 V liefert das Netzteil die vollen 1 A, bei 1,25 V noch knapp 0,6 A. Mehr verlangt, regelt der interne Übertemperaturschutz den Strom zurück – der Regler geht nicht kaputt, aber die Spannung bricht ein. Den Kühlkörper für deine eigenen Werte bestimmt der Rechner Linearregler: Verlustleistung und Kühlkörper.

6. Widerstände und Kondensatoren prüfen. R1 setzt 1,25 V · 10,4 mA = 13 mW um, P1 höchstens 10,4 V · 10,4 mA ≈ 0,11 W – ein normales Poti mit 0,25 W reicht. C3 und C4 sehen höchstens 12 V; 25-V-Typen geben Reserve.

Bauteilliste

Erweiterungen

Weniger Wärme bei kleinen Spannungen. Ein Trafo mit zwei Wicklungen und ein Umschalter: Für Ausgangsspannungen bis 6 V schaltest du auf 9 V Wechselspannung, darüber auf 15 V. Die Verlustleistung bei kleinen Spannungen sinkt damit etwa auf die Hälfte.

Bis 0 V. Der LM317 kommt nicht unter 1,25 V. Legst du das untere Ende von P1 an eine Hilfsspannung von −1,25 V, etwa aus einer Ladungspumpe für negative Spannung, lässt sich die Spannung bis 0 V herunterdrehen.

Strombegrenzung einstellbar. Ein zweiter LM317 als Konstantstromquelle mit LM317 vor dem Spannungsregler begrenzt den Strom auf einen festen Wert, etwa 100 mA beim Testen einer neuen Schaltung.

Typische Fehler

• Spannung lässt sich nicht verstellen, liegt bei 1,25 V: P1 hängt am Schleifer statt am Ende, oder der ADJ-Pin hat keine Verbindung zu P1. Die Pinfolge ADJ-OUT-IN unterscheidet sich vom 7805 (IN-GND-OUT).
• Kurzschluss beim Montieren: Die Fahne des LM317 liegt am Ausgang. Ohne Isolierscheibe ist der Ausgang mit dem Gehäuse verbunden.
• Spannung driftet nach oben, wenn nichts angeschlossen ist: R1 zu groß gewählt. Mit 1 kΩ statt 120 Ω fließen nur 1,25 mA, unter dem Mindest-Laststrom von bis zu 10 mA.
• Schwingen oder Rauschen am Ausgang: R1 sitzt weit vom Regler entfernt oder C4 fehlt. R1 gehört direkt an die Pins OUT und ADJ.
• Spannung bricht bei voller Last nach einiger Zeit ein: Übertemperaturschutz. Prüfe mit dem Diagramm oben, ob du mehr verlangst, als der Kühlkörper abführen kann.

Selbsttest