Allgemeines zur Festspannungsreglerserie 78xx

Spannungsregler sind elektronische Bauteile, die eine „hohe“ Eingangsspannung auf eine geringere Ausgangsspannung regeln. Es gibt Typen, bei denen die Ausgangsspannung regelbar ist, und solche, bei denen sie fest vorgegeben ist – um letztere dreht es sich auf dieser Seite. Die am häufigsten anzutreffenden Festspannungsregler sind die der Serie 78xx (79xx für negative Spannungen). Es gibt sie für Ausgangsspannungen von 5, 6, 8, 9, 12, 15, 18 oder 24 V. Die Ausgangsspannung wird in der Typenbezeichnung angegeben. Beispielsweise regelt der Typ 7805 auf 5 V, der 7812 auf 12 V usw. Die Eingangsspannung muss ca. 2 V über der Ausgangsspannung liegen, damit der Regler arbeiten kann. Die Standardreihe ist gekühlt bis max. 1 A belastbar, wobei die Eingangsspannung hierbei nicht wesentlich mehr als 3 V über der Ausgangsspannung liegen sollte – dazu später mehr. Prinzipiell kann die Eingangsspannung zwar bis zu 36 V betragen, jedoch erhöht sich mit steigender Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung die Verlustleistung und somit auch die thermische Belastung. Generell sollten Spannungsregler immer mit einem Kühlkörper versehen werden, und zwar nicht nur, wenn sie im Grenzbereich betrieben werden – es sei denn, sie werden wirklich nur mit einem Bruchteil ihrer maximalen Belastung beansprucht. Die maximalen Ströme sind über Buchstaben in der Typenbezeichnung verschlüsselt. Der Typ 78S12 regelt demnach auf 12 V bei einem maximalen Strom von 2 A (gekühlt), unter Beachtung der maximalen Spannungsdifferenz. Die Aufschlüsselung ist der folgenden Tabelle zu entnehmen:

Der 78xx besitzt eine integrierte Strombegrenzung, die bei Überlastung oder Kurzschluss die Ausgangsspannung automatisch herunterregelt, sowie eine integrierte thermische Schutzschaltung.

   Grundschaltung

Die folgenden beiden Schaltungen sind geeignet bzw. ausreichend zur Spannungsregelung von bereits geglätteten Gleichstromspannungen. Die linke Schaltung zeigt die minimalistische Bastel-Schaltung, die rechte die minimal empfohlene Schaltung.

Der Kondensator C1 verhindert Eigenschwingungen des Spannungsreglers, welche zu einer höheren thermischen Belastung bis hin zu Regelstörungen führen können. Somit ist C1 ein wichtiger Bestandteil der Spannungsregelung und sollte immer mit verbaut werden. Dabei ist darauf zu achten, dass dieser immer in unmittelbarer Nähe des Reglers angebracht sein sollte. Der Kondensator C2 ist beim 78xx nicht zwingend erforderlich, verbessert jedoch das Regelverhalten bei schnellen Lastwechseln.

Achtung! – Folien-Elkos sind hierfür nicht geeignet. Laut Herstellerangaben müssen Keramik- oder Tantal-Kondensatoren eingesetzt werden.

Für nicht geglättete Eingangsspannungen sollten noch zwei weitere Kondensatoren (Elkos), parallel zu C1 und C2 mit in die Schaltung integriert werden. Deren Auslegung ist in erster Linie abhängig vom benötigtem Strom, der Wert sollte min. 0,1 µF je mA betragen.

   Mehr Sicherheit

Mehr Schutz für die hinter dem Spannungsregler liegenden Komponenten bietet eine Rückflussdiode, die in Sperrrichtung vom Ein- zum Ausgang geschaltet wird. Hintergrund: Liegt die Ausgangsspannung, zum Beispiel aufgrund einer Induktions-Spannungsspitze, auch nur kurzzeitig über der Eingangsspannung, kann das das Ende des 78xx bedeuten. Das Fiese an der Sache ist, dass es bei solch einem Versagen zum Kurzschluss zwischen Ein- und Ausgang kommen kann, was fatale Folgen für die dahinterliegende Schaltung haben kann. Ein geeigneter Diodentyp ist zum Beispiel die 1N4002, die mit 1 A Belastbarkeit genügend Reserven bietet.

   Belastbarkeit und Kühlung

Ein Festspannungsregler muss die Spannungsdifferenz regelrecht verbraten und in Wärme abgeben. Diese Verlustleistung errechnet sich aus Eingangsspannung minus Ausgangsspannung, multipliziert mit dem Strom, der den Spannungsregler durchfließt. Das heißt: Je größer die Spannungsdifferenz und/oder der Strom, desto höher die Verlustleistung, desto mehr Abwärme entsteht und desto besser muss gekühlt werden. Im Rechenbeispiel haben wir eine Eingangsspannung von 12 V, die mittels eines 7805 auf 5 V geregelt wird. Der Strom, der den Spannungsregler durchfließt, beträgt 50 mA.

Und wie gewohnt, hierzu auch einen passenden Onlinerechner

Ab wann man einen 78xx im TO220-Gehäuse mittels Kühlkörper passiv kühlen sollte, hängt neben der Verlustleistung auch vom Einbauort und der zu erwartenden Umgebungstemperatur ab. Alles, was über 0,5 W liegt, sollte auf jeden Fall gekühlt werden; was über 0,1 W liegt, sollte man im Betrieb beobachten. In der Regel verkraftet der 78xx bis zu 125 °C Kerntemperatur. Das heißt zum einen aber nicht, dass man diese auch zwingend erreichen muss ;-) und zum anderen kann man ja nur die Gehäusetemperatur messen und sollte entsprechend Reserve einplanen. Eine Bastler-Faustregel besagt: Kann man den Regler im laufenden Betrieb lange und fest anpacken, ohne dass es weh tut, dann ist alles gut.