Spannungsregler: Stützpfeiler der Stromversorgung

Spannungsregler stabilisieren Betriebsspannungen in elektrischen Schaltkreisen. Reguläre Ausgangsspannungen von Transformatoren oder Gleichrichtern besitzen oftmals eine Restwelligkeit, die für viele Anwendungen beseitigt werden muss.

Spannungsregler wandeln solche schwankenden Spannungen in konstante, stabilisierte Ausgangsspannungen um.

Je nach Bauform können sie zusätzlich Wechsel- in Gleichspannungen transformieren oder zum Beispiel als Sicherung vor Kurzschlüssen fungieren. Spannungswandler sind in verschiedenen Ausführungen für unterschiedliche Leistungen und Bedingungen erhältlich: Sowohl für niedrige Spannungen in der Computertechnik als auch für hohe Spannungen in der Anlagenelektronik.

Spannungsregler nehmen eine Eingangsspannung auf und wandeln sie in eine feste Ausgangsspannung um. Diese wird mit einer weiteren sogenannten Referenzspannung verglichen. Ändert sich die Eingangsspannung, passt der Spannungsregler das Durchleitungsgerät so an, dass die Ausgangsspannung weiterhin konstant und stabil bleibt.

Linearregler verwenden hierfür einen Leistungstransistor, der ähnlich wie ein differenzieller Widerstand arbeitet. Dieser führt bei Abweichungen der Ausgangsspannung vom Sollwert die Differenz zurück zum Leistungstransistor und stabilisiert so das Spannungslevel.

Schaltregler verwenden ebenfalls einen Leistungstransistor, der jedoch mit hoher Frequenz ein- und ausgeschaltet wird, um einen höheren Wirkungsgrad zu erreichen.

Bei den linearen Spannungsreglern unterscheidet man zwischen Quer- und Längsreglern. Beim Längsregler liegt der Transistor in Reihe mit dem Verbraucher und nimmt nur etwas mehr als den Laststrom auf, was zu einem hohen Effizienzgrad führt.

Sie sind als integrierte Schaltungen erhältlich, die neben dem Regler auch eine Regelstrecke und eine Referenzspannungsquelle beinhalten. Man baut sie entweder als Festspannungsregler mit einer vom Hersteller vorgegebenen Spannung oder sie können über einen Spannungsteiler die Ausgangsspannung einstellen.

Low-Drop-Spannungsregler sind Längsregler mit einer geringeren erforderlichen Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung. Sie sind verlustarm, wodurch das Netzteil schwächer ausgelegt werden kann.

Bei Querreglern wird der Verbraucher parallel zur Reglerschaltung gelegt. Sie nehmen immer so viel Strom auf, dass die Spannung an ihren Klemmen konstant bleibt und die nicht benötigte Leistung in Wärme umgewandelt wird. Sie werden in der Regel nur für kleine Leistungen eingesetzt.

Schaltregler erreichen deutlich höhere Effizienzgrade als Linearregler. Sie verfügen über eine Speicherdrossel, die dank schneller Schalter periodisch entweder über die Eingangsspannung versorgt wird oder am Ausgang Energie liefert. Über einen zusätzlichen Kondensator wird dabei die Spannung am Ausgang der Drossel geglättet.

• Zu den Schaltreglern gehört zum Beispiel der Abwärtswandler, auch Step-Down-Spannungswandler/-regler oder Buck Converter genannt. Er erzeugt am Ausgang immer eine Spannung, die niedriger als die Eingangsspannung ist.
• Das Pendant hierzu bildet der Aufwärtswandler (Step-Up-Spannungswandler/-regler oder Boost Converter), der stets eine höhere Ausgangsspannung liefert.
• Eine Sonderform ist der Inverswandler (Buck-Boost-Converter), der entweder eine höhere oder niedrigere Spannung am Ausgang erzeugt, die jedoch in jedem Falle invertiert ist.
• Der SEPIC-Wandler ist die schaltungstechnische Kombination aus Abwärts- und Aufwärtswandlern und verfügt über einen Kondensator als zusätzlichen Energiespeicher.

Hierzu gehören zum Beispiel die Wechselspannungsregler. Sie erzielen eine Stabilisierung des Stromes mithilfe von Stelltransformatoren, deren Übersetzungsverhältnis während des Betriebs verändert werden kann.

Auch Versionen mit regulären Transformatoren, die über Spannungsregler zur Anzapfung verfügen, sind möglich.

Unter dem Begriff Ladungspumpe werden mehrere Schaltungen zusammengefasst, die alle elektrische Spannungen vergrößern oder die Polarität von Gleichspannungen umkehren. Ladungspumpen fungieren als Spannungswandler und eignen sich besonders für Anwendungen mit geringen Ausgangsströmen. Sie verfügen über keinerlei magnetische Bauelemente.

Das erste Auswahlkriterium liegt in der Art der Spannung. Soll der Spannungsregler Gleich- oder Wechselspannungen stabilisieren? Ferner macht es einen erheblichen Unterschied, ob ein Spannungsregler für 5, 12 oder sogar 230 Volt ausgelegt ist.

Dazu muss bestimmt werden, welche Ausgangsspannung und welcher Ausgangsstrom am besten zur jeweiligen Anwendung passen. Hierbei klärt sich, ob ein Regler mit Festspannung zum Einsatz kommen soll oder ein einstellbarer Spannungsregler.

Weitere Auswahlkriterien wie Effizienzgrad oder Zusatzfunktionen spielen ebenfalls eine Rolle. Günstige Linearregler sind im Vergleich zu Schaltregler recht ineffizient und erzeugen so Abwärme, die eingeplant werden muss. Soll der Regler zusätzlich als Sicherung oder Spannungswandler dienen, ist dies bei der Auswahl des richtigen Bauteils auch zu berücksichtigen.

An welchen Symptomen erkenne ich, dass ein Spannungsregler defekt ist?

Abhängig vom Einsatzgebiet sind Spannungsregler Verschleißteile, die relativ oft ersetzt werden müssen. Bei Automobilen oder Motorrädern kündigt sich ein solcher Defekt zum Beispiel durch Funktionsstörungen der Lichter oder der Batterie während des Aufladens an. In größeren Anlagen sind sie so abgesichert, dass Kontrollleuchten oder andere Schutzmechanismen auf eine Fehlfunktion hinweisen.

Was muss man beim Einsatz von Linearreglern beachten?

Linearregler tendieren dazu, relativ hohe Abwärme zu erzeugen. Diese muss beim Einsatz in Anlagen oder Schaltungen sorgfältig eingeplant werden, um eventuelle Kühlungen oder Wärmeleitkonzepte zu implementieren.

Woher weiß ich, für welche Spannungen ein Spannungsregler geeignet ist?

Die Informationen über die Spannungen und Ströme sowie vorgesehenen Funktionen von Spannungswandlern lassen sich dem zugehörigen Datenblatt entnehmen. Besonders innerhalb der EU gibt es zusätzlich Aufschluss über notwendige Schutzmaßnahmen, wie zum Beispiel Kühlung oder EMV.