De spanningsregelaar

spanreg.png
Hierboven het algemeen toegepaste symbool voor de spanningsregelaar in schakelingen, op finimuis.nl is dit symbool ook in gebruik.

Een spanningsregelaar is in algemene zin een spanningsbron die elektrische spanning op een constante (soms instelbare) spanningswaarde houdt.

spanschema.png
Hierboven ziet u een schematische voorstelling van de interne opbouw van een spanningsregelaar. De getekende RLAST (welke op de uitgang is aangesloten) is de belasting welke de schakeling voorsteld die door de spanningsregelaar van een voedingsspanning wordt voorzien.

In de elektronica gebruikt men de term spanningsregelaar voor een schakeling of een actieve component die aan de uitgang een constante spanning geeft, dus onafhankelijk van de voedingsspanning en de belasting.

De eenvoudigste spanningsregelaars bevatten een zenerdiode (DZ) voor de referentiespanning, een weerstand (RV) en een transistor (T) welke in een gemeenschappelijke-collector versterker configuratie geschakeld staan, en zijn ondergebracht in één behuizing.

Vanwege de soms aanzienlijke stroomsterkte en het onvermijdelijke verschil tussen ingangs- en uitgangsspanning dissiperen spanningsregelaars meestal veel vermogen. Fabrikanten kiezen daarom vaak voor een behuizing die aan een koelprofiel kan worden geschroefd, zoals TO-220 of TO-3.

Naast eenvoudige vaste spanningsregelaars zijn er ook instelbare spanningsregelaars, met afhankelijk van de schakeling 3 tot 5 aansluitingen.
De instelbare spanningsregelaars worden verderop besproken, eerst bespreken we de vaste spanningsregelaars.

Toepassing van een spanningsregelaar

Bij veel elektronische schakelingen is het vereist een constante voedingsspanning te hebben. Hiervoor wordt vaak een spanningsadapter(besproken in het hoofdstuk Transformator) gebruikt die van 230 Volt netspanning een bepaalde gelijkspanning met een laag Voltage maakt.

Vele spanningsadapters bevatten echter een goedkope transformator waardoor de spanning met grote belasting veel lager kan zijn dan de spanning met een kleine belasting.

Niet elke elektronische schakeling kan deze grote spanningsverschillen verdragen.

Door een 78xx(spanningsregelaar) in de schakeling op te nemen is van de variabele(of te hoge) spanning van de spanningsadapter een vaste lagere spanning te maken.

Hoe groot de vaste spanning is hangt af van het type 78xx-spanningsregelaar dat er gebruikt wordt. Een 7805 geeft bijvoorbeeld 5 Volt aan de uitgang, een 7809 geeft 9 Volt spanning af.

Hieronder staat een tabel, met de standaard spanningswaarden welke door de diverse fabrikanten op de markt worden gebracht. Daarnaast is er nog een verdeling aangaande de maximale stroom die er verwerkt kan worden. Zo kan de 78Lxx-serie 100 milliAmpére leveren, de 78xx-serie kan 1 Ampère leveren en de 78Sxx kan 2 Ampère stroom leveren.
Uitleg aangaande de toegepaste codering, volgt verderop in dit artikel.

UUIT in Volt IUITmax = 100 milliAmpére IUITmax = 1 Ampére IUITmax = 2 Ampére
2 tot 2,6 78L02 - -
3,3 78L33 7833 -
5 78L05 7805 78S05
6 78L06 7806 -
7,5 - - 78S75
8 - 7808 -
8,5 - 7885 -
9 78L09 7809 78S09
10 78L10 - 78S10
12 78L12 7812 78S12
15 78L15 7815 78S15
18 78L18 7818 78S18
24 - 7824 78S24

Uit bovenstaande tabel, kunt u afleiden dat nietvoor iedere uitgangsspanning een spanningsregelaar met alle 3 uitgangsstromen beschikbaar is.

Naast de 78xx-spanningsregelaars, zijn er ook de 79xx-spanningsregelaars, die identiek zijn aan de 78xx-spanningsregelaars, echter deze leveren een negatieve spanning.

Voor diverse schakelingen is het nodig om een gelijke positieve en negatieve voedingsspanning te hebben, vandaar de 78xx en 79xx uitvoeringen van de spanningsregelaars.

Algemene eigenschappen:

Een 78xx-spanningsregelaar bevat ook enkele beveiligingen.

Zo zal hij uitschakelen wanneer de opgenomen stroom hoger is dan zijn opgegeven maximum, of wanneer de spanningsregelaarals warmer wordt dan 150°Celsius.
Dit heeft als groot voordeel dat de spaningsregelaar niet defect raakt wanneer er te veel stroom afgenomen wordt.

De spanningsreglaar laten afkoelen of de belasting wegnemen zal er voor zorgen dat de spanningsregelaar weer ingeschakeld wordt.

De aangelegde voedingsspanning mag maximaal 35 Volt bedragen en moet minimaal 3 Volt hoger zijn dan de uitgangsspanning.

De spanningsregelaar verbruikt zelf 6 milliAmpére stroom, ook wanneer er geen belasting is aangesloten.

Werking: het opgenomen vermogen

Een 78xx-spanningsregelaar wordt tussen de voeding en de elektronische schakeling gezet, daarom noemt men dit een serie-spanningsregelaar.

De stroom welke de schakeling verbruikt moet dus door de spanningsregelaar gaan.

Door middel van deze te consumeren stroom, de ingangsspanning en de uitgangsspanning van de spanningsregelaar kan men met de volgende formule het door de spanningregelaar gedissipeerde vermogen berekenen:

Pspanningsregelaar = (Uingangsspanning - Uuitgangsspanning): Ibelasting-stroom

praktijkvoorbeeld: We hebben een 12 Volt spanningsregelaar, welke vanuit een 24 Volt- systeem spanning krijgt en een achterliggende schakeling moet voeden welke 675 milliAmpére stroom verbruikt.

Eerder is besproken dat een spanningregelaar zelf 6 milliAmpére stroom verbruikt, dus de totale stoomopname = 675 + 6 = 681 milliAmpére.

Het te dissiperen vermogen zal dan volgens de formule: 24 minus 12 = 12 Volt gedeeld door 0,681 Ampére = 17,61 Watt bedragen.

Als de spanningsregelaar een groot vermogen moet dissiperen(omzetten in warmte) dient u er rekening mee te houden dat er een koelplaat van de juiste grootte bevestigt moet worden aan de spanningsregelaar.

Voor het bovenstaande, kan een 7812 worden gebruikt omdat die 1 Ampére stroom kan verwerken, waarbij in principe geen extra koelblok noodzakelijk is omdat de stroom zo rond de 70% ligt van het maximaal toegestane.

Werking: Spanningsstabilisatie

Om aan spanningsstabilisatie te doen gebruikt de 78xx spanningsregelaar intern een zenerdiode.
spanreg1.png
Wanneer men een zenerdiode in sper-toestand aansluit(zoals in de afbeelding hierboven), en in serie met een weerstand op een spanningsbron, dan zal er een spanning over de zenerdiode staan.
Deze spanning verandert vrijwel niet bij een wisselende voedingsspanning, mits de voedingsspanning hoog genoeg is.
Hoe groot deze spanning is hangt af van het type zenerdiode dat er gebruikt is.
Men kan deze schakeling echter niet te zwaar belasten, omdat de spanning dan zou dalen.
Om dit probleem op te lossen breidt men de schakeling uit met een transistor(zoals op de afbeelding hieronder).

spanreg3.png
De basis van de transistor wordt aangesloten tussen de zenerdiode en de weerstand.
Bij een transistor is de basis-emitterspanning altijd ongeveer gelijk aan 0,7 Volt.
Dit heeft als gevolg dat UUIT ongeveer 0,7 Volt lager zal liggen dan UZ.
De stroom van de belasting zal nu niet meer door de zenerschakeling lopen maar door de transistor. De zenerspanning zal dus constant blijven.

Werking: Stroombeperking

Zoals eerder aangegeven bezit een 78xx-spanningsregelaar enkele ingebouwde veiligheden.
Zo zal hij er voor zorgen dat de maximumstroom nooit overschreden kan worden.
spanreg4.png
Op de afbeelding hierboven ziet u een uitbreiding met een stroombeperking op de spanningsstabilisatie met een zenerdiode.
De weerstand(R1) en zenerdiode (Z) vormen het basisschema van de zenerstabilisatie op dezelfde wijze zoals eerder getoond uitgevoerd.

Stel dat Uuit stijgt, dan zal via de spanningsdeler(R4 en R5) de spanning Ub2 ook stijgen waardoor transistor (T2) meer in doorlaat gaat.
Hierdoor zal er meer stroom door weerstand(R2) lopen waardoor UR2 stijgt.

Aangezien Uin van een vast potentiaal is zal Ub1 dalen waardoor transistor(T1) meer gaat sperren. Hierdoor zal Uuit dalen.
Als gevolg van het dalen van Uuit, zal transistor(T2) meer gaan sperren. Dit heeft als gevolg dat de stroom door weerstand(R2) zal dalen waardoor eveneens UR2 daalt.

Dit zal er voor zorgen dat Ub1 stijgt en transistor(T1) zal meer in doorlaat gaan wat er dan weer voor zorgt dat Uuit stijgt.
De uitgangsspanning zal zich dus stabiliseren rond één bepaalde spanning.

Wordt Iuit te groot dan zal UR3 groter worden dan 0,7 Volt.
Hierdoor zal tansistor(T3) meer in doorlaat gaan waardoor de stroom door weerstand(R2) en de spanning UR2 stijgt.

Dit zal zorgen voor een daling van Ub1, transistor(T1) zal meer gaan sperren waardoor de uitgangsspanning afneemt. Waardoor de aangesloten belasting(RL) niet of niet goed zal functioneren.

De beide laatste hierboven getoonde schema's zijn principeschema's, het schema van een echte 78xx-spanningsregelaar is een stuk complexer dan de schema's die hier staan. In een datasheet is dit goed zichtbaar.
Klik hier voor de datasheet van Texas Instrumenst, aangaande de LMxxxx spanningregelaars.

Basisschema voor een 7805 voeding:

spanreg5.png
Op de afbeelding hierboven, ziet u geheel links in het schema ziet Uin, op de hierbij behorende aansluitpunten plaats u een voedingspanning(minimaal 3 Volt hoger) dan de uitgangsspanning.
Deze voedingspanning mag een wisselspanning of gelijkspanning leveren, omdat er een diode(bijvoorbeeld: type 1n4007) in het schema is opgenomen welke zorgt voor een enkelzijdige gelijkrichting.
De diode dient eveneens als beveiliging hij zorgt er namelijk ook voor dat, als men de gelijkspanning verkeerd aansluit, de voeding niet kan beschadigen.
De condensatoren C1, C3, C3, en C4 zijn afvlakcondensatoren.
De spanningsregelaar(IC1) zorgt er voor dat de spanning Uuit steeds 5 Volt5 volt.
Zoals u in de eerder getoonde tabel kunt aflezen is een 7805 geschikt voor een constante stroom van 1 Ampére.

De afvlakcondensatoren in het basisschema voor een 7805 voeding:

Een afvlakcondensator is te herkennen aan het feit dat deze parallel met de voeding staat.
Zo zijn alle condensatoren in bovenstaand schema afvlakcondensatoren.
Toch kan men twee types onderscheiden, namelijk de afvlakcondensators voor laagfrequente rimpel en afvlakcondensators voor hoogfrequente rimpel.
De condensators zorgen er ook voor dat stroompieken opgevangen worden zonder dat er een spanningsdip aan de uitgang van de voeding ontstaat.

Wegwerken laagfrequente rimpel in het basisschema voor een 7805 voeding:

De condensators (C1 en C4) zorgen samen voor het wegwerken van de laagfrequente rimpel in het schema.
Voor deze condensators worden meestal elektrolytische condensators welke ook wel elco's worden genoemd, genomen dit omdat deze een relatief grote capaciteit moeten hebben.
Onderstaande afbeelding laat zien wat deze afvlakcondensators voor laagfrequente rimpel doen indien er een wisselspanning wordt aangesloten op de afbeelding Basisschema voor een 7805 voeding.
grafiek1.png
De volle lijn(rood) geeft de spanning voor de 7805 weer, indien afvlakcondensator(C1) niet gebruikt gaat worden.
De stippellijn(grijs) geeft het spanningsverloop aan, wanneer afvlakcondensator(C1) wel gebruikt gaat worden.
De condensator zal zich telkens opnieuw opladen wanneer de ingangsspanning Uin) groter wordt dan de condensatorspanning (Uc1).
Als de voedingsspanning lager wordt dan Uc1 dan zal de condensator zich ontladen over de belastingbelasting, de spanning zal dus iets dalen tot wanneer Uin weer groter wordt dan Uc1.
Hoe groter de waarde van condensatorC1 genomen wordt, hoe meer de uitgangsspanning een perfecte gelijkspanning zal benaderen.
Een richtlijn voor het berekenen van de waarde van een afvlakcondensator voor laagfrequente rimpel is dat men per opgenomen Ampére stroom in een capaciteit van 2200 microFarad (µF) voorziet.
Het basisschema voor een 7805 voeding is dus berekend op ongeveer 100 milliAmpére, hetgeen is af te leiden uit de capaciteit van C1 welke namelijk 220 microFarad (µF) omvat.
De toegepaste 7805 spanningsregelaar is aangaande het vermogen ruim bemeten en heeft geen extra koeling nodig.

Wegwerken hoogfrequente rimpel in het basisschema voor een 7805 voeding:

Door diverse effecten (instraling, snel schakelende belasting en dergelijke) kan er (hoogfrequente)ruis opgevangen worden die de gelijkspanning vervuilt.
Dit kan zorgen voor een onzekere werking van de aangesloten componenten. De opgevangen ruis zorgt er voor dat er een wisselspanningscomponent wordt toegevoegd aan de gelijkspanning.
grafiek2.png
Op bovenstaande afbeedling is een gelijkspanning met hoogfrequente wisselspanningscomponent weergegeven.
Het is dus van groot belang dat de voedingsspanning wordt vrijgemaaktvrijgemaakt van deze vervuiling, dit kan gebeuren door een condensator te plaatsen die de hoogfrequente spanningen kortsluit.
In het basisschema voor een 7805 voeding zorgen de condensators (C2 en C3) ervoor dat de wisselspanningscomponent wordt kortgesloten naar de massa.

Hieronder ziet u een viertal fysieke (deels vergroot) uitvoeringen van de 7805 spanningsregelaar.
78L05.png
Op de afbeelding hierboven, ziet u de 78L05.
Klik hier voor de datasheet van de LM78L05 spanningsregelaar.

7805.png
Op de afbeelding hierboven, ziet u de 7805.
Klik hier voor de datasheet van de L78-serie spanningsregelaar.

78S05.png
Op de afbeelding hierboven, ziet u de 78S05.
Klik hier voor de datasheet van de L78S-serie spanningsregelaar.

78L05-to3.png
Op de afbeelding hierboven, ziet u de 78L05 in een TO-3-behuizing.
De robuuste TO-3 komt u wellicht tegen in verouderde systemen. Tegenwoordig worden steed vaker TO-220 behuizingen en uitvoering(en) in de Surface Mounted Device (SMD) techniek gebruiken, welke behoorlijk ruimtebesparend is.
Voor meer informatie aangaande SMD , kunt u de pagina GEÏNTEGREERDE SCHAKELINGEN bekijken welke een apart hoofdstuk is op deze site.

Instelbare spanningsregelaars.

Klik hier voor de datasheet van de LM317 instelbare spanningsregelaar.
Ten opzichte van de vaste spanningsregelaar , is het uiterlijk van de TO-220 behuizing niet afwijkend en lijkt deze sterk op een "Vaste spanningsregelaar".

LET OP bij Gebruik !.

Als lineaire spanningsregelaar worden bijvoorbeeld de, LM317 en LM337 gebruikt in DC naar DC omzet schakelingen.
Lineaire regelaars verbruiken net zoveel stroom als dat de voeding geeft.
Wanneer deze stroom vermenigvuldigd gaat worden door het spanningsverschil tussen Ingang en Uitgang blijft er een behoorlijke hoeveelheid warmte over welke moet worden gedissipeerd.

Daarvoor is bij het gebruik van bijvoorbeeld een LM317 het gebruikelijk dat er een koelblok gebruikt gaat worden.
Hierbij kan ook de metalen behuizing van de kast waarin de schakeling is geplaatst worden gebruikt.

Bij grote spanningsverschillen, kan de energie verloren als warmte groter zijn dan het circuit verschaft.
Dit is een afweging, voor het gebruik van lineaire regelaars welke een eenvoudige manier bieden voor een stabiele spanning met enkel een paar extra componenten.

Als alternatief rest dan een schakelende spanningsregelaar, welke veel efficiënter zijn maar wel een behoorlijk grotere print en extra componenten nodig heeft.

OPGELET:
bij behuizingen welke metalen gedeelte met bijvoorbeeld een schroefgat hebben voor montage tegen een koelblok (zoals bijvoorbeeld een TO-220) is de metalen achterkant binnenin de regelaar verbonden met de UITgang pin.

Hierdoor is het ERG BELANGRIJK dat er een 100 % goede elektrische isolatie tussen schroefgat-gedeelte en het koelblok is.
Hier zijn speciale setjes verkrijgbaar voor. GEBRUIK DEZE ALTIJD.
Natuurlijk moet het koelblok ook elektrisch zijn gescheiden van de elektronische schakeling, zo niet dan zal er mogelijk een sluiting in de schakeling ontstaan.

Instelbare spanningsregelaar als Spanningsregelaar

lm317sch.png
Op de tekening hierboven, ziet u de LM317T in een spanningsregelaar-configuratie.

Deze configuratie is inclusief ontkoppel-condensatoren om ingangsruis en uitgang-schommelingen weg te werken.

De LM317T heeft drie aansluitingen, namelijk: INgang, UITgang en ADJUST.

Het component lijkt erg veel op een Operational Amplifier (besproken bij de geïntegreerde schakelingen), met een relatief hoge uitgangsstroom capaciteit.
De inverterende ingang van de versterker is in dit geval de ADJUST- pin, terwijl de niet-inverterende ingang
ingesteld staat als een interne spanning-referentie die een referentie-spanning van 1,25 Volt produceert.

Een uit twee weerstanden bestaande spanningsdeler, welke tussen de uitgang en aarde (massa) is geplaatst zorgt ervoor dat de operational amplifier dusdanig is geconfigureerd dat de spanning van de uitgang continu ingesteld blijft op een vaste waarde referentie spanning hoger dan die op de adjust-pin.

Een ideale situatie, welke de volgende uitgang spanning op zal leveren. Dit volgens de formule: Vout = Vref (1 + RL / RH)

Let Op: de Vref is het verschil in spanning tussen de UIT- en de ADJUST-pin.

Bij normaal gebruik is Vref typisch 1,25 Volt, omdat er een ruststroom(Irust) vloeit via de adjust-pin van het component.

Dit resulteerd in de volgende formule: Vout = Vref (1 + RL / RH) + (Irust x RL).

Om de UITgang stabieler te maken, is het component ontworpen om de ruststroom onder de 100 microAmpére te houden.
Dit maakt het mogelijk om de rustroom welke er vloeit te negeren in nagenoeg alle praktijk-situaties.

Instelbare spanningsregelaar als Constante stroombron

lm317cur.png
Op de tekening hierboven, ziet u de LM317T in een constante stroombron-configuratie.

Het component kan dusdanig geconfigureerd worden, zodat de stroom bij een constante uitgangsspanning kan worden gereguleerd in plaats van het reguleren van de uitgangsspanning.
Door weerstand RL uit het de spanningsdeler van het spanningsregelaar-schema weg te laten en de adjust-aansluiting rechtstreeks met de uitgang ( na weerstand RH ) te verbinden. Zoals op bovenstaande tekening uitgevoerd is.

De uitgangsstroom is het resultaat, van de referentie-spanning door de weerstand RH
In een ideale situatie geeft de volgende formule: IOUT = ( Vref / RH )

De berekening inclusief de ruststroom geeft de formule: IOUT = ( Vref / RH ) + Irust

De LM317T kan worden gebruikt in verschillende schakelingen, zoals bijvoorbeeld een 0 Volt tot 30 Volt regelaar schakeling.

Of een instelbare regelaar-schakeling met een verbeterde rimpel afwijzing.

Een precisie stroom-begrenzing schakeling, en nog meer vershillende schakelingen.

Wanneer u de datasheet van de LM317 hierboven, aandachtig leest, worden een aantal mogelijke configuraties voor gebruik in schakelingen getoond.

Het bereik van de uitgangsspanning loopt van minimaal 1,25 Volt tot maximaal 37 Volt. Vanzelfspreked is dit wel afhankelijk van de ingangsspanning.

Laatste update : 17 augustus 2016.

Terug naar Component informatie
Terug naar Startpagina
Email aan Finimuis.nl