Quasi diskreter Spannungsregler
Ein selbst aufgebauter Spannungsregler aus P-Kanal-MOSFET IRF9530N, Operationsverstärker TL072 und einer 2,7-V-Referenzdiode. Nicht besser als ein LM317, aber man kann an jeder Eigenschaft einzeln drehen.
Eckdaten
| Regelelement | IRF9530N, P-Kanal-MOSFET |
|---|---|
| Regelverstärker | TL072 |
| Referenz | Z-Diode 2,7 V |
| Vorwiderstand der Referenz | 120 Ω |
| Einstellung der Ausgangsspannung | Potentiometer 100 kΩ |
| Aufbau | Lochrasterplatine |
| Anregung | Bericht über Robert A. Pease |
Ziel
Spannungsregler gibt es bekanntlich wie Sand am Meer. Der LM317 oder die ICs vom Typ 78XX sind wohl die bekanntesten Vertreter. Warum also selber einen bauen, wenn es schon fertige ICs gibt?
Erstens, weil es geht, Spaß macht und man viel dabei lernen kann.
Zweitens, weil man durch den quasi diskreten Aufbau einen viel größeren Freiheitsgrad gewinnt. Es reicht vielleicht nicht immer aus, nur 1,5 A mit einem LM317 regeln zu können. Vielleicht sollen es auch mal über 10 A sein. Oder die Ausgangsspannung muss besonders genau sein. Oder die Dropout-Spannung soll besonders klein werden, die Regelgeschwindigkeit besonders hoch, das Überschwingen bei Laständerungen besonders gering. Es gibt also genug Gründe.
Auf die Idee gebracht hat mich ein Bericht über den leider verstorbenen Robert A. Pease.
Konzept
Ein Spannungsregler besteht im Wesentlichen aus zwei Funktionsblöcken: dem Regelglied, über das die Spannung beziehungsweise der Strom beeinflusst wird, und dem Stellglied, das die Ausgangsspannung überwacht und das Regelglied ansteuert.
Das Regelglied lässt sich mit einem Transistor oder FET im Strompfad aufbauen, bei mir ein IRF9530N. Das Stellglied übernimmt ein Operationsverstärker, hier ein TL072. Er vergleicht die Ausgangsspannung mit einer Referenz, die eine 2,7-V-Z-Diode liefert, und steuert danach das Gate an.
Aufbau
Der erste Entwurf ist auf Lochraster entstanden. Der Regler funktioniert, aber es gibt noch viel zu verbessern.
An welcher Schraube man dreht
Das ist der eigentliche Gewinn des diskreten Aufbaus. Bei einem fertigen IC bekommt man alle Eigenschaften im Paket. Hier lässt sich jede einzeln beeinflussen:
| Eigenschaft | Zuständige Komponente |
|---|---|
| Spannungsfestigkeit | Regelelement |
| Stromfestigkeit | Regelelement |
| Dropout-Spannung | Regelelement, dessen R_on |
| Regelgeschwindigkeit | Slew Rate des OPV, Regelschaltung |
| Spannungsgenauigkeit | Spannungsreferenz |
| Überschwingen | Regelschaltung |
Das Ganze ist natürlich nur eine Daumenregel, weil sich der ganze Regelkreis gegenseitig beeinflusst. Es macht also keinen Sinn, einen OPV mit superschneller Slew Rate zu verbauen und dann den Regelkreis zu bedämpfen.
Ergebnis
Als Netzteil ist ein LM317 die vernünftigere Wahl: kleiner, billiger, ausgereift. Der diskrete Aufbau lohnt sich dort, wo eine einzelne Eigenschaft aus dem Rahmen fällt, etwa bei sehr hohen Strömen oder besonders kleiner Dropout-Spannung.
Und er lohnt sich, um zu verstehen, was in so einem Dreibeiner eigentlich passiert. Genau dafür habe ich ihn gebaut.