Nicht mehr wegzudenken sind auch in der Setbstbaupraxis die Festspannungsregler in Form von integrierten Schaltkreisen. Mit einem Minimum an externer Beschattung kann man den Einsatzbereich vergrößern. Der folgende Beitrag zeigt einige Möglichkeiten auf.

Diese Dinger sind einfach genial - ohne großen Zusatzaufwand bekommst Du hier fast noch so etwas wie eine Sicherung geschenkt. Bei thermischer Überlastung machen sich die teile selbst zu, wenngleich sie natürlich nicht konstant im Überlastbetrieb eingesetzt werden sollten.

Die Positivregler 78xx im Gehäuse TO-220

Das Gehäuse ist in rechts zu sehen. Kennzeichen ist die metallische Rückseite, die beim 78xx an Masse liegt. Eine Ausnahme bilden die Typen 78xx ISOWATT, hier ist das Gehäuse vom Innenleben isoliert. Für den Typ 78xx differiert der Maximalstrom je nach Hersteller zwischen 1 und 1,5 A, mit 1 A liegt man aber auf der sicheren Seite. Handelsüblich sind die Ausgangsspannungen 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18, 20 und 24 V
Hinter der Bezeichnung 78Sxx verbirgt sich ein 2-A-Typ, unter 78Txx einer für 3 A. Je nach Hersteller kann vor der Ziffernfolge 78 noch ein Präfix stehen. Üblich sind µA78xx, MC78xx, LM78xx und L78xx. Oft bezeichnet ein Buchstabe nach der Spannungsangabe die Toleranz. Als Anhaltspunkt können ein A für ±2 % und ein C für ±4 % dienen. Beispiel: MC7809A für Positivregler, 9 V, Toleranz t2 %, Gehäuse TO-220.
Die maximale Eingangsspannung für die Typen 7805 bis 7818 kann 35 V sein, für den 7824 40 V Die Eigenstromaufnahme liegt zwischen 4 und 7 mA.

78xx im Gehäuse TO-220

Die Positivregler 78xx im Gehäuse SOT-936

Diese Bauform als SMD ist im Bild 2 zu sehen. Oft wird diese Bauform auch als D2PAK oder DZPAK bezeichnet. Bei diesem Typ sind die Parameter mit dem TO-220-Typ identisch, das Händlerangebot ist allerdings begrenzt. Wie beim Gehäuse TO-220 liegt die metallische Gehäuseunterseite an Masse/Grund. Auch hier findet man wieder einen Präfix, der erste Buchstabe nach der Spannung gibt die Toleranz an. Es folgt meist noch D2T als Kennung der Bauform. Beispiel: LM7812CD2T für Positivregler, 12 V, Toleranz ±4 %, Gehäuse SOT 936.
 

Der 78xx im Gehäuse SOT-936

Die Positivregler 78xx im Gehäuse TO-3

Diese Bauform findet man nur noch gelegentlich, sie soll aber hier der Vollständigkeit halber kurz erwähnt werden. Das Gehäuse ist im Bild rechts zu sehen. Charakteristisch ist das Ganzmetall-Gehäuse, das an Masse/Grund liegt. Der Maximalstrom liegt bei 3 A, heute wird statt der TO-3-Bauform der Typ 78Txx im Gehäuse TO-220 eingesetzt. Einige Hersteller bezeichnen das Gehäuse als TO-204.

Der 78xx im Gehäuse TO-3

Das L (Low) in der Typenbezeichnung deklariert diesen Festspannungsregler als einen Typ für einen Maximalstrom von 100 mA. Bild 4 zeigt die Gehäuseform sowie die Kontaktbezifferung von unten (!) auf das Bauelement gesehen. Das Gehäuse ist Plastik, eine metallische Kühlfläche wie beim Gehäuse TO-220 ist nicht vorhanden. Auch hier gibt es eine interne Strombegrenzung. Handelsüblich sind die Ausgangsspannungen 3,3, 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18 und 24 V Je nach Hersteller kann vor der Typenbezeichnung 78L noch ein Präfix stehen. Üblich sind uA78Lxx, MC78Lxx, LM78Lxx und L78Lxx. Oft bezeichnet ein Buchstabe nach der Spannungsangabe die Toleranz. Als Anhaltspunkte können ein A für ±5 % und ein C für ±10% dienen. Beispiel: MC78LO9A für Positivregler, 9 V, Toleranz ±5 %, Gehäuse TO-92.
Die maximale Eingangsspannung für die Typen 78L33 bis 78L09 kann 30 V sein, für die 78L12 bis 78L15 35 V und für die 78L18 bis 78L24 40 V Die Eigenstromaufnahme liegt zwischen 4 und 6 mA. Wichtig ist, dass die Eingangsspannung hier nur 1,7 V höher sein muss als die Ausgangsspannung.
 

Der 78Lx im Gehäuse TO-92

Hierbei handelt es sich um SMD-Bauelemente, siehe (Bild 5). Diese Bauform besitzt die gleichen Parameter wie die Bauform im TO-92-Gehäuse, nur ist hier die thermische Belastbarkeit wesentlich besser. Wird z.B. die metallische Rückseite auf eine Platinen-Kupferfläche von 6 cm² aufgelötet, so kann diese Bauform das Vierfache an thermaler Leistung verkraften. Wichtig ist, dass bei diesem Gehäuse die metallische Körperunterseite an Masse/Grund liegt. Mit einem geeigneten Lötkolben sollte die herausstehende Kühlfläche schnell und dabei flach auf die Platine gelötet werden, eine kleine Menge Wärmeleitpaste kann den thermalen Kontakt verbessern. Einige Hersteller bezeichnen diese Gehäuseform als U-Pak.

Der 78Lx im Gehäuse SOT-89 und SO-08

Größenvergleiche der IS nach Bild oben

Anschlussdaten und Gehäuseformen der wichtigsten Festspannungsregler

Wir machen das immer mit der harten Beschaltung - sollten aber eben auch im Gleichstrombetrieb nicht auf die Glättung der Oberwellen mittels Stützkondensatoren verzichten - verstehen sich diese Eingangsseitig noch fast automatisch, so entfallen sie in Amateurschaltungen schon einmal am Ausgang - sollten sie aber nicht. In der Kapazität sollten sie der Last angemessen sein.

Der 78Lx im Gehäuse SOT-89 und SO-08

Ein 79xx kann durch einen 78xx ersetzt werden

Hierunter sollen Ausgangspannungen verstanden werden, die nicht in der Typenreihe der Regler liegen und höher sind als die eigentliche Reglerspannung. Die wohl einfachste Variante zeigt Bild rechts. Eine Diode hebt das Potenzial an GND um ca. 0,6 V an. So kann mit einem 7812 eine Ausgangsspannung von 12,6 V erzeugt werden. Wichtig sind aber zwei Aspekte: Die Eingangsspannung unter Last muss mindestens 2 V höher sein als die Ausgangsspannung. Zu empfehlen ist der zusätzliche Kondensator C₁, der HF-Einströmungen und damit mögliche Unstabilitäten unterdrücken kann. Diese Aspekte gelten für alle folgenden Beispiele, bei denen GND des Reglers vom Massepotenzial angehoben wird. Es versteht sich, dass die Ausgangsspannung immer über der Reglerspannung U_XX sein wird. Bild rechts enthält eine zusätzliche Diode D₂. Der Einsatz dieses Typs (1 N4148, 1N4001 o. ä.) verhindert beim Abschalten der Eingangsspannung und sehr großer Kapazität auf der Ausgangsseite des Reglers, dass die Ausgangsspannung größer ist als die Eingangsspannung. Eine hohe Spannungsdifferenz kann zur Zerstörung des Reglers führen. Diese Diode kann auch bei anderen Reglerprojekten eingesetzt werden, bei Negativreglern ist dabei die Polarität zu ändern.

Die Ausgangsspannung ist hier ca. 0,6 V höher als die Typspannung

Mit einer Z-Diode kann die Ausgangsspannung erheblich erhöht werden

Auch mit Festspannungsreglern lassen sich variable Ausgangsspannungen erzeugen, sie liegen aber immer über (!) der Typspannung. Die maximale Eingangsspannung muss unter Last mindestens 2 V höher sein als die maximale Ausgangsspannung. Zu beachten ist außerdem, dass die entstehende Wärme bei einer großen Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung und maximaler Last auch sicher abgeführt wird. Auf der sicheren Seite ist man, wenn ein Regler im TO-220-Gehäuse mit Kühlkörper oder Kühlfläche eingesetzt wird.
Bild rechts zeigt eine einfache Variante mit zwei zusätzlichen Bauelementen. Die Ausgangsspannung U_out ergibt sich aus der Summe der Typspannung U_XX und der Spannung über R₂.
Wesentlich eleganter aber aufwändiger ist die Variante mit einem Operationsverstärker, siehe Bild rechts unten. Der IC-Typ ist hier im Prinzip unkritisch, zu beachten ist nur seine maximale Betriebsspannung. Die Ausgangsspannung liegt im Minimum ca. 2 V höher als die Typspannung des Reglers, die maximale Ausgangsspannung verlangt eine um 2 V höhere Eingangsspannung.
Bei beiden Varianten sollte man einen Kondensator 10...100 nF zwischen GND des Reglers und Masse vorsehen. Der Vorteil dieser beiden Varianten besteht u. a. in der Nutzung der Überstromsicherung durch den Regler selbst.

schon mit einem Bauelement kann man eine verändeliche stabilisierte Spannung erzeugen

Mit einem Operationsverstärker realisierte
veränderbare stabilisierte Spannung

Oft benötigt man eine Baugruppe, die einen begrenzten Strom z.B. für einen Ladevorgang liefert. Auch hier kann ein Festspannungsregler helfen. Das Prinzip ist in Bild rechts zu sehen. Ein Beispiel beschreibt die Dimensionierung dieser Schaltung. Es soll ein Akku mit einem konstanten Strom von 100 mA geladen werden. Als Regler wird ein 7812 eingesetzt, damit muss die Eingangsspannung mindestens 14 V betragen. Mit U_XX = 12 V und I_out = 0,1 A ergibt sich R zu 12 V/0,1 A = 120 Ω. Der Widerstand wird mit einer Leistung von 0,1 A x 0,1 A = 120 Ω  = 1,2 W belastet, gewählt wird also ein 2-W-Typ.
 

Konstantstrom mit einem Festspannungsregler

Wenn der Regler nicht den maximal benötigten Strom für die zu stabilisierende Spannung liefern kann, so hilft hier ein externer Transistor. Bei den beiden folgenden Beispielen muss man beachten, dass die Eingangsspannung etwa 2 V höher sein muss als die Ausgangsspannung und dass die Betriebsspannungsquelle auch diesen Strom unter Last bereitstellen kann. Für den Längstransistor ist ein Typ auszuwählen, der den maximalen Stromfluss dauerhaft übersteht. Die Montage auf einem Kühlkörper oder einer Kühlfläche ist fast immer notwendig.
Das Bild rechts zeigt eine Lösung mit einem NPN-Leistungstransistor. Er arbeitet als Emitterfolger, sein Stromverstärkungsfaktor β bestimmt den maximalen Strom. Zu beachten ist, dass die Ausgangsspannung U_out um die Basis-Emitter-Spannung U_BE geringer ist als die Typspannung des Reglers 78xx. Als Transistor könnte hier ein BD 245C eingesetzt werden. Seine wesentlichen Daten: 115 V, 10 A, 80 W Gehäuse TO-3P.

höhere Ausgangsströme durch einen externen npn-Transistor

Höhere Ausgangsströme durch einen externen PNP-Transistor

Die obigen herkömmlichen Festspannungsregler benötigen für eine richtige Funktion eine Eingangsspannung, die etwa 2 V höher ist als die Typspannung. Bei den Low-Drop-Typen reicht hier schon eine Differenz von 0,5...1,0 V aus. Speziell bei höheren Strömen kann damit das Netzteil kleiner und kompakter werden. Die Wärmeentwicklung sinkt, die Kühlflächen lassen sich reduzieren. In der Praxis sind vorwiegend die Regler mit einer Ausgangsspannung von 3,3 V interessant, denn hiermit kann aus den 5 V für die TTL-Bauelemente die Betriebsspannung für 3,3-V Prozessoren und -Controller erzeugt werden.
Diese Festspannungsregler werden vorwiegend in den Gehäusen TO-92, TO220 und SO-8 angeboten. Vor dem Einsatz eines Low-Drop-Reglers sollte man sich allerdings beim Händler oder im Internet sachkundig machen über die Belegung der Anschlüsse. Einige Positivregler haben die in der Tabelle angegebenen Anschlussbelegungen, einige Hersteller verwenden dagegen die Anschlussbelegung der Negativregler! Auch eine durchgängige Kennung wie 78xx für Positivregler und 79xx für Negativregler gibt es nicht.

Bei den obigen 3 W entstehen somit 3 × 65 K = 195 K. Bei einer Umgebungstemperatur von 25° C sind das dann 220 °C. Es bleiben also nur zwei Lösungen. Man reduziert die Spannungsdifferenz unter Last auf ca. 13,8...14 V und entnimmt zusätzlich weniger Strom. Die zweite Lösung ist eine Ableitung der entstehenden Wärmeleistung von 3 W.
Zunächst muss man bei den Kühlkörpern zwei Varianten unterscheiden. Kühlkörper mit einer größeren Oberfläche werden eingesetzt zur Abfuhr einer permanenten Wärmeleistung, die Kühlkörper mit einer großen Masse sind bei intermittierender Wärmeleistung effektiver.
Die Problematik der Wärmeabfuhr lässt sich in einem Ersatzschaltbild darstellen. Im Bild oben links ist als Wärmequelle, auch oft als Wärmekapazität bezeichnet, die Sperrschicht des Halbleiters dargestellt. Rechts im Bild wird die Umgebungstemperatur ebenfalls als Kapazität betrachtet. Für einen Kapazitätsaustausch zwischen Sperrschicht und Umgebung muss also ein Strom fließen, der durch den Gesamt-Wärmewiderstand R_thges, der Reihenschaltung differenzierter Wärmewiderstände, begrenzt wird. Je höher dieser Gesamtwiderstand, desto geringer ist der Kapazitätsausgleich. Mit anderen Worten: Je höher der Gesamt-Wärmewiderstand, desto schlechter wird die Sperrschicht des Halbleiters gekühlt. Das Ganze lässt sich als Formel beschreiben: Sperrschichttemperatur - Umgebungstemperatur = Wärmewiderstand R_thges × Verlustleistung des Halbleiters.
Betrachtet man die Vorgaben des obigen Beispiels, so kann man die 75 °C des 7812 als maximale Sperrschichttemperatur bezeichnen. Für die Umgebungstemperatur setzen die Hersteller 25 °C an, dabei sollte man aber einen möglichen ungünstigen Temperaturfall beachten und bedenken. Mit 30 °C ist man schon relativ sicher. Löst man die obige Formel nach R_thges auf und setzt die beiden Temperaturen ein, so erhält man (75 - 30)K/3 W = 15 K/W Jetzt muss man nur noch einen Kühlkörper finden, der diesen oder einen noch besseren R, Wert hat (Bild oben rechts). So bietet Reichelt einen Kühlkörper an, der mit den Abmessungen 20 mm × 29 mm × 12 mm einen Wert von 13,5 K/W aufweist, mit den Abmessungen 35 mm × 29 mm × 12 mm schon 12 K/W Damit lässt sich das obige Problem mit der Verlustleistung von 3 W lösen.
Möchte man den Regler z.B. an der Rückwand des Gehäuses montieren, so kann man mit der Faustformel Kühlfläche = 1000/R_thges rechnen. Man erhält die Fläche in cm². Für das obige Beispiel ergeben sich 1000/15 = 66,6 cm². Das gilt nur für den Idealfall: also Luftaustausch mit der Umgebung möglich, Oberfläche nicht lackiert, Fläche steht senkrecht, Materialdicke 2,5 mm, Werkstoff Alu. In der Praxis schaffen Kühlflächen über etwa 400 cm² keine wesentliche Wärmeabfuhr mehr.
Ein Wärmewiderstand wurde oben als nicht existent vorausgesetzt (im Bild oben links R_thges). Es ist der Übergang vom Halbleitergehäuse zum Kühlkörper, also abhängig von der Qualität der sich berührenden Flächen. Dieses Problem tritt speziell bei der isolierten Montage des Halbleiters auf.
Es können folgende Wärmewiderstände R_thges auftreten: Direkte Montage 0 K/W mit Silikonfett -0,2 K/W dünnes Eloxal 1,4 K/W Eloxal und Silikonfett 0 K/W, Glimmerfolie 2,5 K/W. Der letzte Abschnitt zu den Festspannungsreglern sollte nochmals klarstellen, dass der 78xx zwar 1 A stabilisieren kann, aber das eben nur unter bestimmten Bedingungen. Betrachtet man unter den obigen thermischen Problemen den 78Lxx im Gehäuse TO-92 mit einem Gesamt-Wärmewiderstand von 200 K/W so werden hier schnell die Grenzen des Möglichen klar.

... dieser Text wurde nach den Regeln irgendeiner Rechtschreibreform verfasst - ich hab' irgendwann einmal beschlossen, an diesem Zirkus nicht mehr teilzunehemn ;-)

„Dieses Land braucht eine Steuerreform, dieses Land braucht eine Rentenreform - wir schreiben Schiffahrt mit drei „f“!“

Diddi Hallervorden, dt. Komiker und Kabarettist