Spannungsstabilisator – Wie funktioniert er?

In der Robotik ist eine stabile Spannung von größter Bedeutung, und ein integrierter Schaltkreis in Form eines Spannungsstabilisators dient diesem Zweck. Dieses kleine, dreibeinige Objekt ist so konzipiert, dass es an seinem Ausgang eine bestimmte Gleichspannung aufrechterhält. Die einzelnen Modelle arbeiten auf der Grundlage einer negativen Rückkopplung und sind daher über einen relativ großen Bereich gegen die meisten Spannungsspitzen immun. Es lohnt sich, sie aus der Nähe kennen zu lernen, denn ihr Einsatz ist in einigen Fällen, insbesondere in der Robotik, absolut notwendig.

Was ist ein integrierter Schaltkreis?

Ein integrierter Schaltkreis ist ein elektronischer Schaltkreis mit einem miniaturisierten Design und einer monolithischen Struktur aus Silizium, einem Halbleiter-Einkristall. ICs werden in zwei Gruppen unterteilt – monolithische und hybride. Monolithische Modelle, bei denen sich alle Komponenten (aktive und passive) innerhalb der monokristallinen Halbleiterstruktur befinden, und hybride Modelle, die sich in Form und Struktur deutlich unterscheiden. Schichten aus leitendem und widerstandsbehaftetem Material werden auf eine Platine aus Isoliermaterial aufgebracht. Später werden die Materialien geätzt, um das richtige Verbindungssystem zu bilden.

Die gebräuchlichste Form monolithisch integrierter Schaltkreise ist sehr komplex, da bei ihrer Herstellung rund 350 Prozessschritte für verschiedene Zwecke durchgeführt werden. Interessanterweise weisen moderne Modelle dieser Schaltungen eine extrem geringe Widerstandskanallänge von einigen Mikro- oder Nanometern auf.

Was ist ein Spannungsstabilisator?

Ein Spannungsstabilisator ist ein elektronisches Gerät, eigentlich ein integrierter Schaltkreis, der die korrekte Gleichspannung aufrechterhalten soll. Er sollte unabhängig von der Netzlast und von Spannungsschwankungen arbeiten und so weitere Teile der Elektronik schützen. Der Prozess des Schutzes beruht auf einer negativen Rückkopplung. Die Stabilisatoren schließen mit drei Füßen unterschiedlicher Größe und Form ab, und der obere Teil des Stabilisators ist ein monolithisches Gehäuse, in das alle Komponenten des jeweiligen Stabilisators eingebettet sind. Es handelt sich in der Regel um einen Halbleiter-Einkristall in Form von Silizium, der sich durch eine hohe Festigkeit und hervorragende praktische Eigenschaften auszeichnet.

Eine stabile Spannung zeichnet sich dadurch aus, dass sie unabhängig von der vorherrschenden Temperatur oder Stromaufnahme unveränderlich ist. Es ist wichtig zu wissen, dass jedes elektrische Gerät die Spannung auf ziemlich unvorhersehbare Weise abgibt und ihre Schwankungen typisch sind, so dass die Spannung hauptsächlich innerhalb bestimmter Grenzen und Bereiche bestimmt wird. Leider funktionieren die Schaltkreise am besten mit einer stabilen Stromversorgung, so dass spezielle Spannungsstabilisatoren verwendet werden müssen, um sie mit dieser zu versorgen.

Die drei Leitungen jedes Stabilisators dienen nacheinander als Eingang, Masse und Ausgang, und die Funktion kann mit Kondensatoren, einer 9-V-Batterie und einem Multimeter überprüft werden, das in diesem Fall unter anderem als Voltmeter dient. Die Stromversorgung wird zwischen der Eingangsklemme und GND angeschlossen, der Stromkreis zwischen GND und der Ausgangsklemme. Die Spannungswerte, die nach Erhöhung des Stroms aus dem Stromkreis (z. B. zur Versorgung der Dioden mit Widerständen, d. h. etwa 20 mA) gemessen werden, sollten vor und nach dem Anschluss der Dioden identisch sein. Ein Spannungsstabilisator soll Ungenauigkeiten und Schwankungen “im Vorbeigehen” ausgleichen und gleichzeitig die wertvolle Elektrik vor Schäden und Störungen schützen. In der Regel verwenden Arduino-basierte Projekte eine Spannung von 5 V.

Was ist eine Rückkopplung?

Jeder Spannungsstabilisator reagiert auf eine Änderung der Gleichspannung mit einer Rückkopplung, die dazu dient, Schwankungen zu reduzieren und zu normalisieren. Es handelt sich um einen Prozess, bei dem die Ausgangssignale kontinuierlich mit den Eingangssignalen interagieren, was unter anderem mit einem Kopfhörer mit aktiver Schalldämpfung verglichen werden kann. Sowohl beim Spannungsstabilisator als auch bei den oben erwähnten Kopfhörern erfolgt die Verringerung der Unannehmlichkeiten durch Neutralisierung mit der entgegengesetzten Kraft. Im Falle von Kopfhörern sind dies Töne mit einer Frequenz und Intensität, die das Unbehagen in einer lauten Umgebung verringern. Der Spannungsstabilisator hingegen überwacht ständig die Ausgangsspannung und gleicht sie mit der Referenzspannung ab, um ein Steuersignal zu erzeugen, das den Schwankungen der Ausgangsspannung entgegenwirkt, wenn die Versorgungsspannung schwankt.

Grundlegende Parameter von Spannungsstabilisatoren

Einer der wichtigsten Parameter von Spannungsstabilisatoren ist die garantierte Stabilisierungsspannung. Dies ist die Eingangsspannung, in deren Bereich ein bestimmtes Gerät einen garantierten Spannungspegel am Ausgang liefert. Ein ebenso wichtiger Parameter ist die Betriebsspannung des Stabilisators. Er definiert den Eingangsspannungsbereich, in dem die Stabilisierung erfolgt. Allerdings kann der Ausgangsspannungsbereich selbst völlig außerhalb des garantierten Spannungsbereichs liegen, was zu berücksichtigen ist. Weitere grundlegende Parameter von Spannungsstabilisatoren sind die garantierte Ausgangsspannung sowie die Stabilisierungsrate, die bestimmt, wie lange es dauert, bis der Stabilisator nach einem Spannungsabfall wieder die Ausgangsspannung erreicht.

Arten von Spannungsstabilisatoren

Es gibt drei Arten von Spannungsstabilisatoren auf dem Markt, nämlich den linearen Stabilisator, den Impulsstabilisator und den LDO-Stabilisator. Alle drei unterscheiden sich erheblich voneinander, vor allem in Bezug auf Funktionalität und Leistung, und funktionieren in völlig unterschiedlichen elektrischen Systemen. In den meisten Fällen werden lineare Stabilisatoren verwendet, die zu den am weitesten verbreiteten Produkten gehören, aber manchmal besteht auch Bedarf an einem Impuls- oder Low-Drop-Out-Modell.

Impuls-Stabilisatoren

Impulsstabilisatoren, auch Wechselrichter genannt, ermöglichen es, eine höhere stabile Ausgangsspannung als die von der Stromquelle gelieferte Spannung zu erzeugen. Ein solches Vorgehen beruht auf dem Phänomen der Selbstinduktion. Dabei handelt es sich um ein elektromagnetisches Phänomen, das auftritt, wenn eine elektromotorische Kraft in demselben Stromkreis wie der durch das System fließende Strom erzeugt wird, was zu einer Induktion führt. Dadurch entsteht eine elektromotorische Kraft, die Änderungen des elektrischen Stroms entgegenwirkt. Damit steht ein Element zur Verfügung, das die Spannung – je nach Bedarf – erhöht oder senkt.

Die Wechselrichter zeichnen sich durch einen kontinuierlichen Betrieb aus und haben die Vorteile einer schnellen Reaktion und eines geringen Geräuschpegels während des Betriebs. Wie alles haben jedoch auch die Impulsstabilisatoren ihre Schwächen, zu denen der geringe Wirkungsgrad aufgrund des ununterbrochenen Stromverlusts an den Exekutivtransistor gehört.

Lineare Stabilisatoren

Lineare Stabilisatoren sind dafür zuständig, eine stabilisierte Spannung von der Stromquelle an die Last zu liefern. Ihre charakteristischen Merkmale sind sicherlich Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und niedrige Anschaffungskosten. Allerdings haben diese Geräte auch ihre Nachteile. Dazu gehört vor allem die freigesetzte Wärme, die proportional zur Spannungsdifferenz zwischen Eingang und Ausgang ist. Dies ist jedoch kein unüberwindbares Problem, denn es wird lediglich ein geeigneter Kühlkörper benötigt, der die Wärme von den Schaltkreisen ableitet.

Linearstabilisatoren lassen sich in vier Gruppen einteilen:

• positive Spannungsstabilisatoren mit fester Spannung,
• Festspannungs-Negativspannungsstabilisatoren,
• positive Spannungsstabilisatoren mit vom Benutzer einstellbaren Spannungen,
• benutzerdefinierte negative Spannungsstabilisatoren.

Früher basierten lineare Stabilisatoren ausschließlich auf diskreten Bauteilen in Form von Röhren, Zenerdioden oder Transistoren. Im Laufe der Zeit wurden diese Geräte jedoch durch integrierte Schaltkreisstabilisatoren abgelöst. Die neuen Versionen weisen eine deutlich verbesserte Leistung auf, und die meisten Modelle verfügen über eine eingebaute Schaltung zur Begrenzung des Ausgangsstroms bei Überlast und auch bei übermäßigem Temperaturanstieg der Siliziumstruktur.

LDO Stabilisatoren – Low Drop Out

LDO Stabilisatoren (engl. Low Drop Out) sind eine Art von linearen Stabilisatoren. Diese Geräte benötigen eine geringe Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung, um ihre Aufgabe erfüllen zu können. Daher sind sie für raue Umgebungen, in denen hohe Eingangsspannungen üblich sind, nicht geeignet. Wichtig ist, dass LDO-Stabilisatoren für den Dauerbetrieb ausgelegt sind und dass ihre Hauptbestandteile eine Referenzspannungsquelle, ein Fehlerverstärker und ein Reihenelement (Q1 Bipolartransistor oder MOSFET) sind.

Unterschiede zwischen Spannungsstabilisatoren

Spannungsstabilisatoren zeichnen sich aufgrund ihrer Bauart und ihres Zwecks durch unterschiedliche Funktionalitäten aus, die es wert sind, näher betrachtet zu werden. Der wichtigste Parameter ist sicherlich der Wirkungsgrad, der beim linearen Modell zwischen 25 und 60 % und beim Impulsmodell zwischen 75 und 95 % liegt. Die Fläche der Kühlkörper, die die Temperatur des Impulsstabilisators senken, beträgt nur 10-20 % der Fläche der Kühlkörper im linearen Modell. Für die Robotik ist auch das Leistungsgewicht von Bedeutung, das im Fall des Linearstabilisators 20 W/kg beträgt. Dies ist unvergleichlich weniger als 110 W/kg für einen sehr robusten Impulsstabilisator.

Der Stabilisierungsqualitätsparameter für das Impulsmodell ist gut/ausgezeichnet, während er für den linearen Stabilisator sehr gut ist. Dies ist von großer Bedeutung für Konstruktionen, bei denen es auf hohe Präzision und das Fehlen möglicher Spannungsschwankungen ankommt. Sehr wichtig sind auch die Reaktionszeiten des Stabilisators auf unvorhergesehene Spannungsänderungen, die beim linearen Modell zwischen 5 und 50 Mikrosekunden und bei der Impulsvariante zwischen 100 und 1.000 Mikrosekunden liegen, d. h. der Stabilisator reagiert deutlich später auf Spannungsänderungen. Große Unterschiede ergeben sich auch aus der Schalldämpfung und der Restwelligkeit. Der lineare Stabilisator erfüllt diese Aufgabe sehr gut und erreicht etwa 0,2 – 2 mV, während das gepulste Modell deutlich schlechter abschneidet. In diesem Fall ist die Rausch- und Welligkeitsunterdrückung sehr schwach und erreicht etwa 10 – 60 mV.

Beim Entwurf eines Stromkreises wird häufig auch die Fähigkeit berücksichtigt, die Spannung bei einem Spannungsabfall aufrechtzuerhalten. Die Eingangsspannung kann im Falle eines linearen Stabilisators für 1 – 10 Millisekunden abklingen, was viel weniger ist als die 20 – 50 Millisekunden im Impulsmodell. Ein sehr wichtiges Merkmal von Spannungsstabilisatoren ist auch ihre Fähigkeit, Funkstörungen zu unterdrücken. Der lineare Stabilisator erfüllt diese Aufgabe allein durch den Einsatz von Entstörkondensatoren, während wir bei der gepulsten Variante gezwungen sind, konstruktive Zusätze und Maßnahmen in Form von Abschirmungen und Filtern einzusetzen.

Einsatz eines Spannungsstabilisators in der Robotik

Bei Roboteranwendungen, in denen Elektromotoren eingesetzt werden, kann es zu plötzlichen und hohen Leistungsbelastungen kommen. Solche Probleme sind häufig die Ursache für Ausfälle, die durch den Einsatz hochwertiger Spannungsstabilisatoren vermieden werden können. Meistens werden jedoch Batterien verwendet, die einen geringen Innenwiderstand haben, aber auch diese Art der Stromversorgung hat ihre Nachteile. Das wichtigste davon ist das Problem der Aufrechterhaltung des Leistungsniveaus unter Last, durch das Batterien oft versagen, was direkt durch Stromimpulse beeinflusst wird. In unvorhergesehenen Situationen wäre der Einsatz von Spannungsstabilisatoren eine hervorragende Lösung für diese Art von Problemen.

Verwendung von Netzspannungsstabilisatoren

Spannungsstabilisatoren haben im Allgemeinen ein breites Anwendungsspektrum, weshalb sie in vielen Branchen zu finden sind. Darüber hinaus werden sie aber auch häufig in Hausinstallationen eingesetzt, wo Spannungsschwankungen eine mögliche Ausfallursache für verschiedene Geräte darstellen. Was deutet normalerweise auf anhaltende elektronische Probleme hin? Meistens macht sich der Ausfall dadurch bemerkbar, dass sich die Empfänger aufhängen oder spontan abschalten. Darüber hinaus können sich Störungen durch eine schwankende Lichtintensität der Glühbirnen, ihr Flackern oder einen schnelleren Verschleiß der Netzteile bemerkbar machen.

Netzspannungsstabilisatoren werden in Produktionsbetrieben eingesetzt, in denen motorisierte Maschinen verwendet werden. Darüber hinaus werden diese Geräte häufig eingesetzt, wenn sich das betreffende Unternehmen in unmittelbarer Nähe zu Unternehmen mit hohen Einschaltströmen befindet. Darüber hinaus werden Netzspannungsstabilisatoren in Häusern installiert, die weit vom Umspannwerk entfernt sind, sowie in Maschinen, die in Länder mit niedriger Netzspannung exportiert werden.

Einstellbarer Stabilisator gegenüber nicht einstellbarem Stabilisator

Es gibt zwei Varianten von Stabilisatoren: einstellbare und nicht einstellbare. Das verstellbare Modell ist leicht verstellbar, was für diejenigen wichtig ist, die sehr spezifische Lösungen mit einer hohen Änderungsmöglichkeit suchen. Zu diesem Zweck werden zusätzliche Potentiometer verwendet. Ein Potentiometer ist ein einzelnes elektronisches Bauteil, das auch als variabler Widerstand bezeichnet wird, und dessen Funktion darin besteht, die Spannung zu regulieren. Mit anderen Worten: Das Potentiometer wirkt wie ein Spannungsteiler, indem es die elektrische Spannung perfekt optimiert. Sein Aufbau ist nicht kompliziert, da das Bauteil mit drei Anschlüssen, den so genannten Leitungen, ausgestattet ist. Darüber hinaus ist jedes Potentiometer mit einem Schieber und einem Widerstandspfad ausgestattet. Der beliebteste einstellbare Stabilisator ist das Modell LM317.

Ein ungeregelter Stabilisator hingegen zeichnet sich durch eine feste und dauerhafte Ausgangsspannung aus, die vom Hersteller des betreffenden Stromkreises genau festgelegt wurde.

Die beliebtesten Spannungsregler – LM317 und LM7805

Der Spannungsstabilisator LM317 ist ein geregeltes Gerät. Es wurde von Robert C. Dobkin und Robert J. Widlar im Jahr 1970, als beide bei National Semiconductor arbeiteten, entworfen und entwickelt. Der Einstellbereich für die Ausgangsspannung dieses Stabilisators liegt zwischen 1,25V und 37V, während der Spannungsabfall am Stabilisator zwischen 3V und 40V liegt. Zu den Spezifikationen des LM317 gehört auch die zulässige Umgebungstemperatur, bei der das Gerät ordnungsgemäß arbeiten kann, um seine Aufgaben zu erfüllen. Er reicht von 0 Grad Celsius bis 125 Grad Celsius. Der zulässige Ausgangsstrom sollte bei Verwendung des vom Hersteller empfohlenen Kühlkörpers weniger als 1,5 A betragen.

Der LM7805 ist ein ungeregelter Stabilisator, der in mehreren Varianten auf dem Markt ist, die sich in einigen Details unterscheiden, die ihre Verwendbarkeit in einer bestimmten Anwendung bestimmen. Die Eingangsspannung aller LM7805-Modelle beträgt 5 V mit einer Genauigkeit von 2 %, während der maximale Ausgangsstrom 1 A oder 1,5 A betragen kann. Die Modelle können sich auch im Gehäuse unterscheiden (TO263 und TO220). Die LM7805-Stabilisatoren sind Teil der 78xx-Familie. Die letzten beiden Zahlen (z. B. 05) geben die Ausgangsspannung an, die von 5 V bei der 7805-Variante bis zu 24 V beim Stabilisator LM7824 reichen kann.