In jedem Funkgerät sind eine oder mehrere Spannungsstabilisierungen vorhanden, da die Eingangsspannung, vor allem bei mit Akku betriebenen Geräten, schwanken kann und dann empfindliche Baugruppen, wie z. B. Oszillatoren, ihre Frequenz ändern würden.
Spannungsstabilisierungen gibt es in 3 Varianten:
Schaltung mit Z-Diode Lineare Spannungsregler Festspannungsregler in einer integrierten Schaltung
Die Schaltung mit Z-Diode (vgl. Abbildung NEA-10.15.1 ) stellt eine sehr einfache Schaltung zur Stabilisierung der Ausgangsspannung dar, da die Z-Diode die Ausgangsspannung in Grenzen stabil halten kann.
Die Z-Diode wird immer mit einem Vorwiderstand und in Sperrrichtung ($-U_Z$) betrieben. Z-Dioden mit Durchbruchspannungen $U_Z$ ab $5 V$, zeigen einen sehr steilen Verlauf der Kennlinie (vgl. Abbildung NEA-10.15.2 ) und eignen sich deshalb sehr gut zur Spannungsstabilisierung. Der Wirkungsgrad der Schaltung ist sehr niedrig, da die Verluste im Vorwiderstand $R_V$ und in der Z-Diode berücksichtigt werden müssen.
Prüfungsfrage AD321
Wie groß ist der Wirkungsgrad $\left(\eta = \dfrac{P_{\textrm{L}}}{P_{\textrm{IN}}}\right)$ der dargestellten Spannungsstabilisierung, wenn durch den Lastwiderstand $R_{\textrm{L}}$ = 470 Ohm ein Strom von $I_{\textrm{L}}$ = 10 mA und durch die Z-Diode ein Strom $I_{\textrm{Z}}$ = 15 mA fließt.
Lösung
A
0,17
B
0,34
C
0,21
D
0,14
Lineare Spannungsregler stabilisieren die Ausgangsspannung dadurch, indem ein Leistungstransistor als veränderlicher Widerstand betrieben wird und zusammen mit dem Lastwiderstand einen Spannungsteiler bildet.
Abbildung NEA-10.15.3: diskret aufgebaute Spannungsstabilisierung
In der folgenden Frage ist eine diskrete Spannungsstabilisierung mit Längstransistor dargestellt. Über eine Z-Diode wird eine Referenzspannung von $5,6 V$ an der Basis des Transistors erzeugt. Das Emitterpotential ist im Betriebszustand eines Siliziumtransistor um etwa $0,6 V$ niedriger als das Basispotential. Die geregelte Ausgangsspannung liegt dann bei etwa $5 V$.
Der Laststrom fließt auch durch den Transistor und dadurch wird er bei hohem Laststrom sehr warm. Die sogenannten Längstransistoren befinden sich deshalb bei linear geregelten Spannungsstabilisierungen immer auf einem Kühlkörper.
Prüfungsfrage AD315
Wenn man folgendes Signal an den Eingang der gezeigten Schaltung anlegt, beträgt die Ausgangsspannung zwischen A und B ungefähr ...
Lösung
A
11,2 V.
B
5,6 V.
C
5 V.
D
6,2 V.
Die Verlustleistung $P_V$ ergibt sich aus der Differenz von $P_{\mathrm{in}} - P_{\mathrm{out}}$. Zusammen mit der Leistungsformel $P = U \cdot I$ kann die Verlustleistung berechnet werden.
Prüfungsfrage AD319
Ein linearer Spannungsregler stabilisiert eine Eingangsspannung von 13,8 V auf eine Ausgangsspannung von 9 V. Es fließt ein Ausgangsstrom von 900 mA. Wie groß ist die Verlustleistung im Spannungsregler?
Lösung
A
4,32 W
B
8,10 W
C
12,42 W
D
1,53 W
Bei linearen Spannungsreglern ist der Wirkungsgrad systembedingt oft sehr niedrig. Hierzu gibt es eine Frage zum Wirkungsgrad, welche mit der bekannten Formel von oben $\eta = \frac{P_{\mathrm{out}}}{P_{\mathrm{in}}}$ gelöst werden kann.
Prüfungsfrage AD320
Ein linearer Spannungsregler stabilisiert eine Eingangsspannung von 13,8 V auf eine Ausgangsspannung von 5 V. Es fließt ein Eingangsstrom von 455 mA und ein Ausgangsstrom von 450 mA. Wie groß ist der Wirkungsgrad?
Lösung
A
0,56
B
0,99
C
0,64
D
0,36
Neben Z-Diode und Linearspannungsregler gibt es auch Festspannungsregler in einer integrierten Schaltung. Festspannungsregler arbeiten wie lineare Spannungsregler mit Längstransistor und beinhalten eine sehr genaue Spannungsreferenzquelle zusammen mit einer optimalen elektronischen Regelung. Auch wenn die Eingangsspannung stark schwankt (z.B. $\pm 2 V$) ist auf der Lastseite die Spannungsänderung nur im Millivoltbereich messbar. Die Kondensatoren auf beiden Seiten des Festspannungsreglers müssen nach Vorgaben des Herstellers gewählt werden, sonst kann es zu unerwünschten Schwingungen im Regelverhalten der Schaltung kommen.
Ausführliche Beschreibung: Der Schaltplan besteht aus zwei parallelen horizontalen Leitern. Beide haben einen Anschlusspunkt an beiden Enden. Der untere Leiter liegt an Masse. Im oberen horizontalen Leiter gibt es in der Mitte einen Baustein „IC1“ mit Verbindung zum unteren horizontalen Leiter. Links und rechts davon ist eine vertikale Verbindung zwischen beiden horizontalen Leitern eingezeichnet. In der linken Verbindung ist ein polarisierter Kondensator (zwei parallele Linien, die obere mit „+“ beschriftet) eingezeichnet. Die rechte Verbindung geht über einen anderen Kondensator. Zwischen beiden Anschlusspunkten links ist ein ein vertikaler Pfeil nach unten („U_E“) eingezeichnet, zwischen den beiden Anschlusspunkten rechts ist ein vertikaler Pfeil nach unten („U_A“) eingezeichnet.">
Abbildung NEA-10.15.5: Festspannungsregler
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Ein Festspannungsregler hält seine Ausgangsspannung weitgehend konstant, solange die Eingangsspannung ausreichend über der Ausgangsspannung liegt. Die Ausgangsspannung bleibt daher nahezu unverändert, auch wenn die Eingangsspannung schwankt.
Prüfungsfrage AD316
Welche Beziehung muss zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung der folgenden Schaltung bestehen, damit der Linearspannungsregler IC1 eine stabilisierte Ausgangsspannung erzeugt?
Lösung
A
Die Eingangsspannung muss kleiner als die gewünschte Ausgangsspannung sein.
B
Die Eingangsspannung muss mindestens doppelt so groß wie die gewünschte Ausgangsspannung sein.
C
Die Eingangsspannung muss größer als die gewünschte Ausgangsspannung sein.
D
Die Eingangsspannung muss gleich der gewünschten Ausgangsspannung sein
Prüfungsfrage AD317
Bei dieser Schaltung mit einem 12 V-Festspannungsregler schwankt die Eingangsspannung zwischen 15 V und 18 V. Wie groß ist die Spannungsschwankung am Ausgang?
Lösung
A
Die Spannungsschwankung beträgt ca. 0,7 V.
B
Die Spannungsschwankung beträgt ca. 3 V.
C
Die Spannungsschwankung beträgt nahezu null Volt.
D
Die Spannungsschwankung liegt zwischen 0,7 V und 3 V.
Damit die interne Regelschaltung optimal funktioniert, muss die Eingangsspannung bei Standard-Festspannungsregler (z.B. Typ 7812 für eine Festpannung von $12 V$) um ca. $3 V$ größer als die Ausgangsspannung sein, also mindestens $15 V$. Es gibt Festspannungsregler, bei denen die Eingangsspannung nur um $1 V$ größer als die Ausgangsspannung sein muss. Diese Regler heißen Low-Drop-Spannungsregler.
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Zur Lösung der folgenden Aufgabe nutzen wir erneut die bekannte Beziehung: Die Verlustleistung $P_V$ des Festspannungsreglers ergibt sich aus der Differenz von $P_{\mathrm{in}}$ und $P_{\mathrm{out}}$.
Prüfungsfrage AD318
Wie groß ist die Verlustleistung im Linearspannungsregler IC1?
Lösung
A
7,9 W
B
2,5 W
C
5,0 W
D
4,4 W
Der Lösungsweg beginnt mit der Berechnung des Laststromes: $I_L$. Hinweis: Der Strom in der Masseleitung des Festspannungsreglers ist vernachlässigbar klein und wird deshalb nicht berücksichtigt.
