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Spannungsregler 9V->5V->3.3V

Hat man Bauteile in einer Schaltung die eine spezifische Eingangsspannung haben (beispielsweise Microcontroller), braucht man unbedingt eine geregelte Spannung.

Den Arduino Pro Mini beispielsweise gibt es in zwei verschiedenen Ausführungen: 3.3 Volt und 5 Volt.
Da diese Microcontroller nicht mal eben mit mehr als der angegebenen Leistung betrieben werden können, ohne dabei kaputt zu gehen, ist es ratsam die vorgegebenen (Spannungs-)Werte des Herstellers einzuhalten.

Der 7805er…

Um beispielsweise aus einer 9V-Blockbatterie die benötigten 5 Volt umzuwandeln eignet sich unter Anderem ein Linearregler.
Mit so einem wollen wir nun arbeiten, da der 7805 aus der 78er Serie der Festspannungsregler ist, der am meisten verwendet wird. Er ist sehr robust, kostengünstig (2016 ~0,20 Euro), besitzt einen Maximalstrom von 1-1.5A, ist Überstrom- und Kurzschlussfest, Temperaturüberwacht und einfach in der Verwendung.

Wo Licht da auch Schatten, denn der 7805er hat auch einen Nachteil: Er muss mit mindestens 2-3 Volt mehr an der Eingangsspannung als an der Ausgangsspannung herauskommt betrieben werden. Das heißt, unsere Eingangsspannung sollte mindestens 7-8 Volt betragen. Hier entsteht ein kleines Problem, denn diese mindestens 2-3 Volt mehr müssen „vernichtet“ werden und somit werden sie vom Spannungsregler in Hitze umgewandelt (Das ist die Funktionsweise eines Linearreglers: Er verheizt die überflüssige Spannung).
Diesem könnte man bis zu einem gewissen Ausmaß mit größeren Kühlkörpern entgegenwirken. Allerdings sollte man sich dann überlegen, ob man nicht vielleicht einen größeren Spannungsregler davorschaltet, wenn die Eingangsspannung so hoch ist, dass eine weitere Kühlung notwendig ist. Es kann unter Umständen auch ein Platzproblem sein ein großes Kühlblech verbauen zu müssen.

Der LP2950 3V3er…

Damit wir neben der 5 Volt-Ausgangsspannung auch zusätzlich noch eine 3,3 Volt-Ausgangsspannung zur Verfügung haben, verwenden wir einen weiteren Spannungsregler. Dieser ist ein so genannter Low-Drop-Spannungsregler, das heißt, im Gegensatz beispielsweise zum 7805er ist eine geringere erforderliche Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung (0,1 bis 1 Volt statt 2-3 Volt bei regulären Reglern) notwendig. Somit ist die Verlustleistung und  die Gesamtstromaufnahme geringer und entsprechend wird der Regler auch nicht so heiß, da er ja nicht so viel Überschuss an Spannung verbrennen muss.

Aber auch Low-Drop-Spannungsregler haben einen kleinen Nachteil: Sie neigen stärker zu Schwingungen als die anderen Regler. Das ist dann nicht nur für den Regler gefährlich, sondern auch für den Rest der Schaltung. Diesem Problem können wir aber mit ein paar Bauteilen in unserer Schaltung entgegenwirken.

Die Schaltung

An sich wäre eine Schaltung abgeschlossen, wenn wir an das Input-Beinchen den Pluspol einer Batterie klemmen und Minus an das GND-Beinchen. Mit einem Multimeter und dem roten Messkabel am Output-Beinchen und dem schwarzen Messkabel an GND sehen wir, dass der Regler arbeitet. Das würde auch ohne Weiteres so funktionieren, allerdings sollte man die oben angesprochene Schwingung eliminieren und eventuell noch einen Verpolungs- und Gegenspannungsschutz einbauen. Die Bauteilkosten hierfür liegen im unteren Centbereich. Meistens liegen die Teile eh herum.

Was brauchen wir nun genau? Hier eine Teileliste für den Spannungswandler:

Natürlich noch Breadboard und Kabel und dann kann es auch schon losgehen.

Breadboard-Aufbau:

Als erstes mal der Breadboard-Aufbau. Ich habe die Abstände zwischen den Bauteilen etwas größer gehalten, damit man den Aufbau besser nachvollziehen kann.

Spannungsregler auf 5V und 3.3V Steckplatine [1]

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Achtet unbedingt darauf, dass Ihr die Regler richtig herum einbaut. Solltet Ihr andere Regler verwenden, sicherheitshalber nochmal in das Datenblatt schauen. Bei mir liegen die INPUT-Beinchen der Regler auf der linken Seite.
Und auch darauf achten, dass die Elektrolyt-Kondensatoren (C1, C3, C5) richtig gepolt eingebaut werden. Bei den Keramikkondensatoren (C2, C4, C6) ist es egal, da diese keine Pole haben.
Bei der LED dasselbe. Das lange Beinchen ist Plus (Anode) und ist im Breadboard links.

 

Und hier ist der Schaltplan für unseren Spannungsregler:

Spannungsregler auf 5V und 3.3V_Schaltplan [2]

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Erklärung zur Schaltung:

Wir haben hier zwei Dioden D1 und D2 verbaut. D1 lässt die Spannung nur durch, wenn die Polung der Stromquelle korrekt ist und hier Plus anliegt.
D2 ist eine Verpolungsschutzdiode die vom Regler-Ausgang zum Eingang gelegt wird und somit den Regler überbrückt.
Im Normalbetrieb hat die Diode keinen Einfluss auf den Regler, da diese ja in Sperrrichtung geschaltet ist. Kommt es nun aber zu einer ungewollten Gegenspannung zum Beispiel möglicherweise beim Ausschalten könnte C1 schneller als C4 entladen, dann ist die Ausgangsspannung höher als die Eingangsspannung.
Eine Gegenspannung entsteht auch, wenn Geräte oder Bauteile mit Spulen angeschlossen werden wie Relais, Motoren, usw.
Eine Schutzdiode bewahrt den Regler vor Verpolung und einer möglichen Zerstörung.

Die Kondensatoren C1 – C6 dienen zur Stabilisierung von kleinen und größeren Schwankungen in der Spannungsversorgung am Eingang und am Ausgang.
Sie speichern für kurze Zeit Energie und geben diese bei Bedarf an die Schaltung ab. Am Eingang und am Ausgang dämpfen die 100 nF-Keramikkondensatoren (KERKO C1, C4, C5) hochfrequente Schwingungen, während die Elektrolyt-Kondensatoren (ELKO C2, C4, C6) nochmals zusätzlich Stabilität gegen Spannungseinbrüche liefern.

Die Kondensatoren sollten nicht zu weit weg sein vom jeweiligen Regler, da längere Leitungswege zum Schwingen führen können.

Nur so nebenbei: Man kann die Ausgangsspannung des Reglers auch ein wenig erhöhen. Hierzu legen wir einfach eine Diode an den Massezweig (mittleres Beinchen) des Reglers. Somit steigt die Spannung um ca. 0,7 Volt, denn dem Spannungsregler wird vorgegaukelt, dass der Massepunkt um die Diodenspannung höher liegt. Somit regelt er auf die höhere Spannung ein.

Man kann auch einen noch höheren Wert erreichen, in dem man eine entsprechende Zenerdiode verwendet (Hinweis: Z-Dioden immer entgegen der Stromrichtung schalten), aber das ist eigentlich nicht notwendig, denn gerade in der 78er-Serie gibt es für so ziemlich alle gängigen Spannungen einen Regler.
Aber falls es mal Sonntag Abend ist und der Elektronikteile-Dealer geschlossen hat, wäre das eine mögliche Zwischenlösung.

IC1, C5, C6 wären der zweite Teil der Schaltung, der dafür sorgt, dass aus den umgewandelten 5 Volt nun 3,3 Volt werden können. Die Funktionsweise ist identisch wie mit dem weiter oben beschriebenen 7805er.
Da aber hier die Spannung schon sehr stark geglättet ist und der LP2950 ein Low-Drop-Regler ist, fällt die Kapazität des Keramik-Kondensators geringer aus.
Am Ausgang bleiben wir bei C6 mit 100 nF für den ELKO gleich mit dem ersten Teil der Schaltung.

Als optionalen Teil der Schaltung ist noch eine Kontroll-LED mit einem Vorwiderstand verbaut. Sobald eine Spannung am Eingang anliegt, geht die LED an.

Was jetzt nicht mit in den Steckplatinen- und Schaltplan berücksichtigt ist, ist ein Ein- und Ausschalter, mit dem man nicht ständig die Energiequelle abmontieren muss. Da ich leider keinen Schalter vorrätig hatte, habe ich eine doppelte Stiftleiste eingebaut und ein Jumper dient mir so als Ein- und Ausschalter.

Mein Breadboardaufbau:

Spannungswandler auf einem Breadboard [3]

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Ich habe zum besseren Nachvollziehen alle Leitungswege die Plus sind mit roten Drähten versehen und Minus mit weißen Drähten.

Auf der Minus-Leiste unten ist in der Mitte ein Draht der waagerecht verläuft. Hier müsst Ihr schauen, ob Euer Breadboard eine durchgängige Verdrahtung auf der Minus-Leiste hat (auf dem Bild von links nach rechts), oder wie in meinem Falle die beiden Bereiche voneinander getrennt sind.
Falls getrennt, ist diese Brücke nötig, da Ihr sonst im rechten Teil der Schaltung ohne einen Minus-Pol zur Spannungsquelle dasteht.

So, wenn Ihr nun alles richtig herum eingebaut, korrekt verkabelt und nachdem Ihr eine Batterie angeschlossen habt, sollte die Kontroll-LED leuchten.

Jetzt nehmen wir noch unser Multimeter zur Hand und stellen das Gerät auf Gleichstrommessung ein (VGleichstrom).
Das schwarze Messkabel verbinden wir mit dem Ground (unten) und das rote Messkabel legen wir am oberen Bereich über C3 an, wo wir ein Kabel für den 5 Volt-Plus-Ausgang gelegt haben. Der Regler arbeitet intern mit einer Referenzspannung und versucht ständig den Wert anzupassen. Somit werdet Ihr schwankende Messergebnisse von ein paar Millivolt haben.

Multimetermessung 5V [4]

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Jetzt klemmen wir das rote Messkabel ab und legen es an den anderen Ausgang an, den wir für 3,3 Volt angelegt haben. Auch hier dürfte der Wert schwanken, aber er sollte schon 3,2-3,4 Volt anzeigen.

 

Multimetermessung 3,3V [5]

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Somit haben wir uns einen Spannungsregler gebaut, der uns eine sehr konstante Spannung von wahlweise 5 und/oder 3,3 Volt liefert. Die Materialkosten bewegen sich so um die 1-2 Euro für alle Bauteile.

Jetzt können wir beispielsweise mit diesem Spannungsregler und unserer 9 Volt Blockbatterie Sensoren betreiben, die nur mit 3,3 Volt arbeiten, oder aber wir programmieren damit und einem USB-Programmer einen Arduino Pro Mini, oder einen Attiny85-Mikroprozessor. Das erkläre ich später in einem anderen Tutorial.

Abschließend nochmal ein kurzes Wort zur Funktionsweise des Spannungsreglers. Weiter oben schrieb ich ja, dass es sich hierbei um einen Linearregler handelt, der überschüssige Spannung in Wärme umwandelt. Der Regler arbeitet somit wie ein ohmscher Widerstand aber im Gegensatz zu diesem kann er ständig den Widerstandswert anpassen um die referenzierte Ausgangsspannung von x Volt zu liefern.
Bis 125-150 Grad Hitze kann so ein Regler vertragen (dann schaltet er thermisch ab), dennoch sollte man niemals dieses oder ein anderes Bauteil an den maximalen Grenzen dauerhaft betreiben. Sie altern und gehen dann schneller kaputt.

Wir sollten sie entsprechend kühlen. Die Messmethode „Finger drauf und wenn es weh tut“ ist eine Möglichkeit, die andere ist die, sich im Vorfeld auszurechnen, ob die Verlustleistung weitere Kühlmaßnahmen erfordert oder nicht. Für einen sicheren Betrieb sollte man ab einer Belastung von über 0,5 Watt einen Kühlkörper am Regler befestigen.

Wie können wir so was berechnen? Auch hier gibt es eine Formel (siehe URI-Pyramide [6]) um die Verlustleistung eines Linearreglers zu berechnen. Sie lautet P = U * I.
P ist die Verlustleistung die wir suchen. U ist die Spannung und I die Stromstärke.

Kleines Rechenbeispiel: Stellen wir uns vor, wir betreiben eine Last von 100mA bei 5V mit einem 7808 Spannungsregler an einer 12V-Stromquelle.
U = 12V (Eingangsspannung) – 8V (Ausgangsspannung) = 4V (Überschuss)
I = 100mA : 1000 = 0,1A
P = 4V (U) * 0,1A (I) = 0,4W

Über einen Extra-Kühler sollte man bei 0,4 Watt Verlustleistung die in Wärme umgewandelt wird, nachdenken.

So, ich hoffe, ich konnte Euch in meinem allerersten Tutorial alles verständlich erklären und wünsche viel Spaß beim Nachbau einen Spannungsreglers.