../../icons/Logo.pngPraktische Elektronik

Erklärung der Schaltung

Wir beginnen mit der Prinzipschaltung des LM317.

Der LM317

Der Labor-Spannungsregler verwendet den Spannungsregler LM317. Seine Spannung ist einstellbar. Die Bezeichnung LM317T besagt, dass ein LM317 im TO-220-Gehäuse verwendet wird.

Labor-Spannungsregler_Prinzip.png
Bild 1: Grundschaltung des LM317

Der LM317 regelt die Ausgangsspannung so, dass zwischen seinen Anschlüssen OUT und ADJ 1,25V liegen.

Es werden nur 2 Widerstände benötigt: Der Widerstand R₈ erzeugt einen Strom von 5,17mA. Mit dem Widerstand R₇ wird die Spannung eingestellt. Die Ausgangsspannung ist

Uaus = 1,25V + 5,17mA * R₇

oder

R₇ = (Uaus - 1,25V) / 5,17mA

Für 5V Ausgangsspannung ist

R₇ = (5V - 1,25V) / 5,17mA
R₇ = 750Ω

Das Ganze ist leider etwas ungenau:

  • Die Spannung des LM317 ist nicht genau 1,25V, sondern zwischen 1,2V und 1,3V.
  • Die Widerstände R₆ und R₉ sind nicht genau.

Wir machen uns darüber keinen Kopf und stellen die Ausgangsspannung mit dem Trimm-Potentiometer R₇ und einem Voltmeter am Ausgang ein.

Wir müssen beachten:

Der LM317 kann keine Spannung unter 1,25V erzeugen.

Der LM317 ist ziemlich robust:

  • Er begrenzt den Ausgangsstrom auf 1,5A und
  • reguliert den Ausgangsstrom einfach herunter, wenn er zu heiß wird.

Elektronische Sicherung

Schön und gut, wir wollen jedoch, dass unser Labor-Spannungsregler auch bei kleineren Stromstärken herunterregelt. Wir müssen gezwungenermaßen die Sicherung selbst aufbauen.

Wir erinnern das Praktikum Einfache elektronische Sicherung und bauen zunächst eine Überstrom-Anzeige ein.

Labor-Spannungsregler_Prinzip_1.png
Bild 2: LM317 mit Überstromanzeige

Wenn der Ausgang über 10 mA belastet wird, leuchtet die rote LED4 auf. Der Strom wird mit dem Widerstand R₂₀ gemessen.

Labor-Spannungsregler_Prinzip_2.png
Bild 3: LM317 mit elektronischer Sicherung

Diese elektronische Sicherung unterscheidet sich von der in Einfache elektronische Sicherung. Es wird nicht ein MOFFET von dem Inverter Q2 gesteuert, sondern der LM317.

Ist der Strom zu groß, wird Q1 leitend und stiehlt dem Widerstand R₈ Strom. Dadurch wird die Ausgangsspannung des LM317 reduziert.

Durch die Widerstände R₉ und R₁₀ wird die Spannung am Messwiderstand R₂₀ etwa halbiert. Die Sicherung löst aus, wenn die Basis-Emitter-Spannung an Q2 über 0,6V liegt. Die Sicherung löst also erst bei 1,2V am Messwiderstand R₂₀ aus - genau sind es 1,25V ;-)

In den Details der Schaltung wird die Wirkung genauer beschrieben.

Schutzbeschaltung des LM317

Labor-Spannungsregler_Prinzip_3.png
Bild 4: LM317 mit Schutzbeschaltung

Der LM317 muss laut Datenblatt mit ein paar zusätzlichen Bauelementen betrieben werden. Die Kondensatoren C₂, C₃ und C₄ sind nötig. Die Diode D2 soll den LM317 schützen, wenn die Spannung am Ausgang - durch C₄ oder einen Kondensator der am Labor-Spannungsregler betriebenen Schaltung - höher als am Eingang ist. D3 schützt ADJ, wenn der Ausgang kurzgeschlossen wird.

Vervollständigung der Schaltung

Es fehlt noch die Überstromanzeige:

Labor-Spannungsregler_Prinzip_5.png
Bild 5: LM317 mit allen Anzeigen

Die rote LED3 leuchtet bei Überstrom.

Der Spannungsteiler mit R₄ und R₅ ist notwendig, weil die Sicherung bei einer Spannung von 1,25V am Messwiderstand R₂₀ auslöst.

Solange die Ausgangsspannung über 3V liegt, leuchtet die blaue LED4.

Der Widerstand R₆ soll übrigens verhindern, dass der Transistor T1 überlastet wird, wenn das Poti R₇ am Anschlag 1 steht.

Labor-Spannungsregler.png
Bild 6: Der Labor-Spannungsregler

Die parallelen Widerstände R₁₂, R₁₃, R₁₄ liefert eine Spannung mit der der Ausgangsstrom bestimmt werden kann. Diese Spannung liegt zwischen Pin2 und Pin3 der Steckbuchse J7. Hier darf kein Amperemeter angeschlossen werden, sondern ein Voltmeter. Wenn wir dort ein Voltmeter anschließen, entspricht die Spannung

Um   = 1Ω * Iaus
Iaus = Uₘ / 1Ω

Es werden 1000mV pro 1A angezeigt oder 1mV entspricht 1mA. Die Spannung Um ist nicht auf Masse GND bezogen.

An Pin1 und Pin2 der Steckbuchse J7 können externe Widerstände angeschlossen werden, mit denen der maximale Strom des Spannungsreglers eingestellt werden kann. Diese Einstellung übernimmt der Stromwähler.

Die grüne LED1 leuchtet, wenn die Stromversorgung korrekt angeschlossen ist. Bei verpolter Stromversorgung leuchtet die rote LED2.

Die Diode D1 blockiert und schützt die Schaltung bei verpolter Eingangsspannung.

Mit dem Schalter SW1 kann auf eine zweite Ausgangsspannung umgeschaltet werden. Diese wird mit dem Trimmpotentiometer R₃ eingestellt. Die Parallelschaltung der beiden Trimmpotentiometer hat den Nachteil, dass nach dem Verstellen der Spannung mit R₇ auch die zweite Spannung mit R₃ nachgestellt werden muss. Dafür wird vermieden, dass beim Umschalten der Spannung kurzzeitig eine hohe Ausgangsspannung auftritt, wenn keiner der beiden Trimmpotentiometer anliegt.

Ein Kühlkörper KK1 sollte eingebaut werden, weil sonst der LM317 schon bei kleinen Strömen sehr heiß und ausschaltet. Der LM317 kann allerdings nicht durch Überstrom zerstört werden.