Linear geregelte Netzteile

Für viele Zwecke benötigt man eine geregelte Gleichspannung, die hinsichtlich Temperaturverhalten, Toleranz der Ausgangsspannung, Ausregelung von Laststromschwankungen und Eingangsspannungsschwankungen gewissen Bedingungen genügen muss. Normale, ungeregelte Netzteile (Gleichrichter und Kondensator) können nur in seltenen Fällen eingesetzt werden. Für die notwendige zusätzliche Stabilisierung kann man verschiedene Techniken einsetzen (lineare Regler, Schaltregler, magnetische Regler). Im Folgenden sollen linear geregelte Netzteile besprochen werden.

Die einfachste Ausführung eines linearen Längsreglers zeigt die folgende Abbildung. Er besteht aus einem Verstärker und einem Transistor, der als Emitterfolger geschaltet ist. Die Ausgangsspannung wird an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers gelegt, so dass dieser seinen Ausgang so einstellt, dass die Ausgangsspannung gleich der am nicht invertierenden Eingang anliegenden Referenzspannung ist.

Prinzipschaltung eines linear geregelten Netzteils

Diese Schaltung hat den Nachteil, dass einerseits die Referenzspannung extern zugeführt werden muss und andererseits keine Kurzschlussstrombegrenzung vorhanden ist. Ein Kurzschluss würde zumindest den Ausgangstransistor zerstören. Eine erweiterte Schaltung, die diese Nachteile nicht besitzt, zeigt folgende Abbildung

Linear geregeltes Netzteil mit Kurzschlussstrombegrenzung

Der Transistor T2 dient zur Kurzschlussstrombegrenzung. Im Normalfall, solange der Ausgangsstrom kleiner als 0.6/R3 ist, wird die am Widerstand abfallende Spannung nicht ausreichen, den Transistor T2 in den leitenden Zustand zu bringen. Erst wenn der Spannungsabfall an R3 größer als 0.6 V wird, beginnt der Transistor zu leiten und begrenzt dadurch den Ausgangsstrom. Der Kurzschlussstrom kann daher durch den Widerstand R3 auf

I_k = 0.6 / R3

eingestellt werden.

Um eine möglichst stabile Referenzspannung zu erhalten, wird als Versorgungsspannung für die Zenerdiode die stabilisierte Ausgangsspannung verwendet. Dies setzt voraus, dass der Operationsverstärker so beschaltet ist, dass er eine Verstärkung größer Eins aufweist. Dadurch wird sichergestellt, dass die Ausgangsspannung immer größer als die Referenzspannung ist. Für die Ausgangsspannung gilt

U_out = U_z * (R1 + R2) / R2.

Nimmt man also für R1 und R2 gleich große Widerstände, so stellt sich eine Ausgangsspannung von 2*U_z ein.

Der Arbeitsstrom der Zenerdiode wird durch den Widerstand R4 bestimmt. Dieser muss in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung eingestellt werden. Für einen Arbeitsstrom von 2 mA gilt

R4 = 500 * (U_out - U_z).

Für Labor-Anwendungen benötigt man oft ein Netzteil, das nicht nur eine beliebig einstellbare Spannung erzeugt, sondern auch über eine variable Strombegrenzung verfügt. Die im Folgenden beschriebene Schaltung zeigt den Aufbau eines Netzteils mit zwischen 1 und 20 V variabler Ausgangsspannung und variabler Strombegrenzung zwischen 10 mA und 1 A. Für den Aufbau wird ein integrierter Spannungsregler (LM723) mit externem Leistungstransistor eingesetzt. Das Netzteil verfügt außerdem über eine thermische Sicherung, die den Regler abschaltet, falls die Verlustleistung im Netzteil zu groß wird. Dies kann besonders bei niedriger Ausgangsspannung und hoher Stromentnahme auftreten, da in diesem Fall der Spannungsabfall am Regler und damit die Verlustleistung besonders groß ist.

Linear geregeltes Labornetzteil