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.

P = I · U ein - U aus
Die Verlustleistung am Linearen Spannungsregler LM317 wird wesentlich durch die Spannungs­differenz zwischen Aus- und Eingang 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:

η = U aus U ein
Der Wirkungsgrad ist umso besser, je größer die Ausgangs­spannung im Verhältnis zur Eingangs­spannung ist.

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.

LM317 Uein Uaus Uadj Uein Uaus R1 R2
Vereinfachte Darstellung der Beschaltung des LM317, Bestimmung der Ausgangs­spannung durch den Spannungs­teiler mit Fest­wider­stand und Dreh­regler (linearer Potentio­meter)
U aus U 1 = R 1 + R 2 R 1 mit U 1 = 1,25 V U aus = 1,25 V · R 1 + R 2 R 1 = 1,25 V · 1 + R 2 R 1
Berechnung der Ausgangsspannung als Funktion der beiden Widerstände

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:

R2 (kΩ) Uaus (V) 40 30 20 10 0 0 1 2 3 4 5 (a) (b) (c) (d) Uein = 7,2 V Uein = 16 V Uein = 40 V
Diagramm Ausgangsspannung über Widerstand R2 für einen Spannungsteiler mit R1 = 120 Ω und R2 = 5 kΩ

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.

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.

R2 (kΩ) Uaus (V) 40 30 20 10 0 0 1 2 3 4 5 (a) (b) (c) (d) R1 = 1 kΩ R1 = 500 Ω R1 = 240 Ω
Kennlinienfeld für drei verschiedene Spannungsteiler mit R2 = 5 kΩ und R1 = 1 kΩ, R1 = 500 Ω und R1 = 240 Ω

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.

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.

LM317 Uein Uaus Uadj Uein Uaus R1 R2
Verbesserte, flexiblere Beschaltung des LM317, Bestimmung der Ausgangs­spannung durch einen Spannungs­teiler mit einstell­baren Wider­ständen

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.

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