Einstellbarer Spannungsregler LM317 für unterschiedliche Eingangsspannungen
Draussenduscher, 19. Dezember 2015
Der variable Spannungsregler LM317 kann eine angelegte Eingangsspannung auf konstante 1,2 bis 37 V absenken und dabei bis zu 1,5 A liefern. Die Ausgangsspannung kann über einen Spannungsteiler fest oder variabel eingestellt werden. Soll der Einstellbereich des Drehreglers einen bestimmten Spannungsbereich abdecken, dann kann der Spannungsteiler auch mit zwei einstellbaren Widerständen aufgebaut werden.
Linearer Spannungsregler
Die Besonderheit des LM317 ist, dass sich die Referenzspannung unmittelbar auf die Ausgangsspannung bezieht. Mit anderen Worten, die Ausgangsspannung lässt sich über einen einfachen Spannungsteiler einstellen, bei dem über R1 immer 1,25 V abfallen.
Wirkungsgrad
Als Linearer Spannungsregler zieht der LM317 soviel Strom, wie der Ausgang benötigt. Der Eigenstromverbrauch ist vernachlässigbar. Die Verlustleistung wird also hauptsächlich durch die Spannungsdifferenz vom Eingang zum Ausgang bestimmt.
Je größer der Spannungsabfall zwischen Ein- und Ausgangsspannung, umso höher die Verlustleistung. Zum Glück besitzt der LM317 Überstromschutz und einen thermischen Überlastschutz, mit einem passenden Kühlkörper kann man die Leistung ableiten. Der Wirkungsgrad ist näherungshalber der Quotient aus Aus- und Eingangsspannung:
Um die Verlustleistung gering zu halten, kann man folgerichtig dafür sorgen, dass die Eingangsspannung nicht unnötig viel größer als die Ausgangsspannung ist. Laut Datenblatt muss die Eingangsspannung mindestens 3 V betragen.
Einfacher Aufbau mit dem Bausatz K1823 von Velleman
In meinem konkreten Fall habe ich den Bausatz K1823 von Vellemann mit dem LM317 eingesetzt. Für den Einsatz im Labor sollte ein einfaches, variables Netzteil her. Als Spannungsquellen dienen Batterie- und Akkupacks, so dass die Eingangsspannung für einen guten Wirkungsgrad auf die benötigte Ausgangsspannung angepasst werden kann. Die Eingangs(gleich)spannung benötigt die Graetzbrücke zur Gleichrichtung nicht und kann deshalb direkt auf die Eingänge des LM317 gegeben werden. Den Trimmpotentiometer habe ich durch einen 5 kΩ-Einstellregler mit linearer Kennlinie ersetzt, den ich bequem bedienen kann.
Bei der Inbetriebnahme setzte ich ein 7,2 V-Akkupack als Spannungsquelle ein und war erstaunt über den seltsamen Regelbereich des Potentiometers. Das erste Fünftel überstrich den gesamten Regelbereich von 1,25 V bis ca. 6 Volt, dann stieg die Spannung natürlich nicht weiter an. Zuerst vermutete ich, dass ich fälschlicherweise einen Einstellregler mit logarithmischer Kennlinie erwischt hatte, was sich aber nicht bestätigte.
Ein Spannungsteiler besteht aus zwei Widerständen
Die Auflösung des Rätsels fand ich im Spannungsteiler. Der Bausatz sieht für R1 einen 120 Ω-Widerstand vor, ohne näher darauf einzugehen. An anderer Stelle liest man, dass ein Wert von 240 Ω »empfohlen« wird. Bei Jürgen Plate (www.netzmafia.de) kam ich dann auf den entscheidenden Gedanken: Die beiden Widerstände des Spannungsteilers R1 und R2 bestimmen gemeinsam Regelbereich und Ausgangsspannung.
Der Regelbereich wird von der Eingangsspannung begrenzt
Die Ausgangsspannung kann sich nur im Bereich von 1,25 V bis etwa 1,5 V unterhalb der Eingangsspannung bewegen. Diese beiden Grenzen sind durch den Spannungsregler vorgegeben. Das Regelverhalten kann man anhand eines Diagramms mit drei Beispiel-Kurven sehr schön veranschaulichen:
Der Anstieg der Kurven in der Schräge beschreibt den Quotienten der beiden Widerstände im Spannungsteiler. Als zusätzliche Randbedingung kommt die Höhe der Eingangsspannung hinzu: Die Ausgangsspannung kann maximal steigen, bis sie Uaus - 1,25 V erreicht hat. Dadurch kommt der horizontale Teil der Kurven zustande.
- Die minimale Ausgangsspannung von 1,25 V liegt immer an, wenn R2 = 0 ist, unabhängig von der Eingangsspannung
- Die laut Herstellerangaben maximal erreichbare Aussgangsspannung Uaus = 37 V setzt eine hohe Eingangsspannung von 40 V voraus. Sie wird mit R2 = 3,4 kΩ, d.h. bei 70% des Vollausschlags des Potentiometers erreicht.
- Bei einer mittleren Eingangsspannung von 16 V kann die Aussgangsspannung im Höchstfall 14,75 V betragen, dies wird schon bei 25% des Vollausschlags (R2 = 1,3 kΩ) erreicht. Bei größerem R2 wird die Ausgangsspannung nicht weiter ansteigen.
- Bei einer niedrigen Einganngsspannung von z.B. 7,2 V kann Uaus maximal 5,95 V erreichen. Hier wird der Regelbereich schon bei 450 Ω von 5 kΩ Gesamtwiderstand ausgeschöpft. Das ist natürlich unbefriedigend.
Es wird offensichtlich, dass bei dieser Dimensionierung des Spannungsteilers keine sehr feine Einstellung der Ausgangsspannung möglich ist, da immer nur ein Teil des Drehbereichs des Potis genutzt wird.
Der Regelbereich hängt auch von R1 ab
Das Ziel ist nun, den Regelbereich des Stellwiderstandes möglichst weit auszuschöpfen. Nehmen wir als nächstes zum Vergleich größere Werte für R1.
Es wird deutlich, dass die Regelcharakteristik mit größer werdendem R1 immer »flacher« wird. Der Regelbereich des Potis wird immer mehr ausgenutzt und letztlich werden gar nicht mehr die großen Ausgangsspannungen erreicht, weil der Stellregler innerhalb des Spannungsteilers quasi zu klein wird.
Zum direkten Vergleich habe ich die Kennlinie für den 7,2 V-Akku als Spannungsquelle wieder als gestrichelte Kurve in das Diagramm aufgenommen.
- Die minimale Ausgangsspannung von 1,25 V liegt wieder an, solange R2 = 0 ist, unabhängig von der Eingangsspannung
- Bei einem sehr großen R1 wird auch bei Vollausschlag des Potentiometers nur eine niedrige Ausgangsspannung erreicht, dafür aber mit einer sehr flachen Einstellcharakteristik.
- Bei einem mittleren Wert für R2 wird die Kurve wieder steiler. Es werden höhere Spannungen am Ausgang erreicht, lassen sich aber weniger genau einstellen.
- Bei einer niedrigen Einganngsspannung von z.B. 7,2 V kann Uaus maximal 5,95 V erreichen. Bei R2 = 1 kΩ wird die maximale Uaus erst bei R1 = 3,8 kΩ erreicht. Der nutzbare Regelbereich überstreicht als drei Viertel des gesamten Drehwinkels. Damit lässt sich ein Spannung in diesem Bereich mit einem Drehknopf schon sehr genau einstellen, z.B. für Leuchtdioden ohne Vorwiderstand.
Flexibel: Spannungsteiler mit zwei Stellwiderständen
Da ich den Einstellbaren Spannungsregler für unterschiedliche Tests in mehreren Spannungsbereichen nutzen möchte, hat der Spannungsteiler mit einem festen und einem Stellwiderstand immer wieder Nachteile – entweder der Drehbereich des Potentiometers wird nur teilweise ausgenutzt und die Einstellung ist ungenau. Oder die Einstellung ist sehr genau möglich, überstreicht aber nur einen Teil des möglichen Spannungsbereiches für den Ausgang. Es wird die Ausnahme sein, dass zufällig mal alles zusammenpasst. Also sind die empfohlenen 120 Ω oder 240 Ω für R1 immer nur Kompromisse.
Das hat mich dazu geführt, den Widerstand R1 durch einen Trimmpotentiometer zu ersetzen.
Ich habe einen Trimmpoti R1 = 1 kΩ gewählt. Diesen kann ich mit ausreichender Präzision so einstellen, dass Vollausschlag von R2 die maximale Ausgangsspannung ergibt. Diese Anpassung muss ich nur jedesmal vornehmen, wenn ich eine Spannungsquelle mit einem anderen Spannungswert anschließe. Dadurch überstreicht der volle Drehwinkel von R2 den gesamten erreichbaren Spannungsbereich von 1,25 V (bei Linksanschlag) bis Uein - 1,5V bei Rechtsanschlag.
Der Ablauf ist einfach: maximale Ausgangsspannung ausrechnen (Uein - 1,5V), den Drehpoti R2 auf Rechtsanschlag stellen und den Trimmpoti R1 so einstellen, dass gerade die errechnete Spannung erreicht wird. Das Einstellen ist unkritisch, man kann schlichtweg probieren bis man den richtigen Wert gefunden hat. In keinem Fall kann die Ausgangsspannung größer werden als Uein - 1,5V.
Ein zweiter Drehpoti ist natürlich auch denkbar, erscheint mir aber etwas zu dick aufgetragen. Schließlich muss ich den Bereich nur neu justieren, wenn ich eine deutlich andere Spannungsquelle eingewechselt habe.
Geschichte: Der LM317 ist Technik aus den 70ern
Der integrierte Spannungsregler LM317 wurde 1976 von dem US-amerikanischen Elektronik-Ingenieur Robert C. Dobkin für National Semiconductor entwickelt. Dobkin war auch Mitbegründer von National Semiconductor im Jahre 1959. Im Jahr 2011 wurde National – wie die Firma kurz genannt wurde – von Texas Instruments übernommen.
Links
- LM317, Texas Instruments
- Netzgerät 1 A, Velleman
- LM317-Rechner, www.netzmafia.de
- LM317 auf en.wikipedia.org
- Spannungsregler auf de.wikipedia.org