Spannungsregelung. Projektlabor Lutz Schülein. 17. November Technische Universität Berlin
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- Lucas Fuchs
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1 Spannungsregelung Projektlabor 2015 Lutz Schülein Technische Universität Berlin 17. November 2015
2 1 Übersicht 2 Lineare Spannungsregler 3 Schaltregler 4 Vergleich 5 Referenzen
3 Übersicht 1 Übersicht 2 Lineare Spannungsregler 3 Schaltregler 4 Vergleich 5 Referenzen Lutz Schülein (TUB) Spannungsregelung 17. November / 22
4 Spannungsregelung Warum? Angenommen wir wollen einen Verbraucher betreiben, haben aber keine Spannungsquelle verfuegbar, die die Eingangsspannung des Verbrauchers herstellen kann. Lutz Schülein (TUB) Spannungsregelung 17. November / 22
5 Spannungsregelung Warum? Angenommen wir wollen einen Verbraucher betreiben, haben aber keine Spannungsquelle verfuegbar, die die Eingangsspannung des Verbrauchers herstellen kann. Ein Beispiel Versorgung: 12V Akku Verbraucher: 5V Abbildung: Beispielschaltung Lutz Schülein (TUB) Spannungsregelung 17. November / 22
6 Spannungsregelung Warum? Angenommen wir wollen einen Verbraucher betreiben, haben aber keine Spannungsquelle verfuegbar, die die Eingangsspannung des Verbrauchers herstellen kann. Ein Beispiel Versorgung: 12V Akku Verbraucher: 5V ACHTUNG: Versorgungsspannung ist nicht konstant! Abbildung: Beispielschaltung Lutz Schülein (TUB) Spannungsregelung 17. November / 22
7 Übersicht 1 Übersicht 2 Lineare Spannungsregler 3 Schaltregler 4 Vergleich 5 Referenzen Lutz Schülein (TUB) Spannungsregelung 17. November / 22
8 Lineare Spannungsregler Funktionsweise am Beispiel vom LM317 Bipolartransistor wird angesteuert Im Prinzip: variabler Widerstand hat 3 Pins: IN, OUT, ADJUST ADJUST wird über das Verhältnis des Spannungsteilers eingeregelt Abbildung: Linearer Regler: LM317 [1] Abbildung: Grundbeschaltung vom LM317 [2] Lutz Schülein (TUB) Spannungsregelung 17. November / 22
9 Lineare Spannungsregler Verlustleistung Der LM317 dient als variabler Widerstand Angenommen: der Verbraucher zieht einen Strom von 1A Abbildung: Schaltbild zum Beispiel Lutz Schülein (TUB) Spannungsregelung 17. November / 22
10 Lineare Spannungsregler Verlustleistung Der LM317 dient als variabler Widerstand Angenommen: der Verbraucher zieht einen Strom von 1A P = U I Abbildung: Schaltbild zum Beispiel Lutz Schülein (TUB) Spannungsregelung 17. November / 22
11 Lineare Spannungsregler Verlustleistung Der LM317 dient als variabler Widerstand Angenommen: der Verbraucher zieht einen Strom von 1A P = U I P Verlust = 7V 1A = 7W Abbildung: Schaltbild zum Beispiel Lutz Schülein (TUB) Spannungsregelung 17. November / 22
12 Lineare Spannungsregler Verlustleistung Der LM317 dient als variabler Widerstand Angenommen: der Verbraucher zieht einen Strom von 1A P = U I P Verlust = 7V 1A = 7W Das sind 7 Watt Wärmeleistung! Abbildung: Schaltbild zum Beispiel Lutz Schülein (TUB) Spannungsregelung 17. November / 22
13 Übersicht 1 Übersicht 2 Lineare Spannungsregler 3 Schaltregler 4 Vergleich 5 Referenzen Lutz Schülein (TUB) Spannungsregelung 17. November / 22
14 Schaltregler Funktionsweise Nicht linear Besitzen Energiespeicher und einen Schalter Durch gezieltes schalten des Schalters kann Ausgangsspannung geäendert werden mehrere hundert bis Millionen Schaltzyklen je Sekunde Abbildung: LM2576 [3] Lutz Schülein (TUB) Spannungsregelung 17. November / 22
15 Schaltregler Funktionsweise Nicht linear Besitzen Energiespeicher und einen Schalter Durch gezieltes schalten des Schalters kann Ausgangsspannung geäendert werden mehrere hundert bis Millionen Schaltzyklen je Sekunde Arten von Schaltreglern Abwärtsregler Aufwärtsregler Ladungspumpen Abbildung: LM2576 [3] Lutz Schülein (TUB) Spannungsregelung 17. November / 22
16 Step-Down Regler / Buck Converter S L + + U E D C U A Abbildung: Schaltbild eines Step-Down Reglers [4] Aufbau Serienschaltung von Schalter, Spule, Last Diode und Glättungskondensator parallel geschaltet Diode ist waehrend der OFF-Phase offen Kondensator dient sowohl als Energiespeicher, als auch Glättungselement Lutz Schülein (TUB) Spannungsregelung 17. November / 22
17 Step-Down Regler / Buck Converter Abbildung: Step-Down Schaltung ON [5] ON-Phase Spannung fällt ueber der Drossel ab U out < U in Magnetfeld in der Spule baut sich auf Widerstand der Spule faellt U out teigt Lutz Schülein (TUB) Spannungsregelung 17. November / 22
18 Step-Down Regler / Buck Converter Abbildung: Step-Down Schaltung OFF [5] OFF-Phase Das Magnetfeld der Drossel baut sich ab Es fliesst ein Strom durch den Verbraucher und Diode Sinkt U out unter einen bestimmten Wert, wird der Schalter wieder geschlossen Lutz Schülein (TUB) Spannungsregelung 17. November / 22
19 Step-Up Regler / Boost Converter L D + + U E S C U A Abbildung: Schaltbild eines Step-Up Reglers [6] Aufbau Serienschaltung von Spule, Diode und Last Schalter und Glättungskondensator parallel geschaltet Diode leitet während der OFF-Phase Kondensator dient sowohl als Energiespeicher, als auch Glättungselement Lutz Schülein (TUB) Spannungsregelung 17. November / 22
20 Step-Up Regler / Boost Converter Abbildung: Step-Up Schaltung ON [7] ON-Phase Es fliesst ein Strom durch die Spule und den Schalter In der Spule baut sich ein Magnetfeld auf Die Gespeicherte Energie in der Spule steigt an Lutz Schülein (TUB) Spannungsregelung 17. November / 22
21 Step-Up Regler / Boost Converter Abbildung: Step-Up Schaltung OFF [7] OFF-Phase Das Magnetfeld der Spule baut sich ab Es baut sich sich sehr schnell eine Spannung groesser U out auf Die Diode leitet Der Strom fliesst über die Last Lutz Schülein (TUB) Spannungsregelung 17. November / 22
22 Ladungspumpe / Charge Pump Abbildung: Schaltbild einer Ladungspumpe [8] Aufbau Keine (teuren) Spulen Besteht allein aus Kondensatoren und Dioden Benötigt Rechteck Wechselspannung Lutz Schülein (TUB) Spannungsregelung 17. November / 22
23 Ladungspumpe / Charge Pump Abbildung: Ladungspumpe Schaltung OFF [8] OFF-Phase Rechteckspannung: 0V C 1 wird durch 5V Versorgung auf 4, 3V geladen C 2 wird durch 5V Versorgung aug 3, 6V geladen Lutz Schülein (TUB) Spannungsregelung 17. November / 22
24 Ladungspumpe / Charge Pump Abbildung: Ladungspumpe Schaltung ON [8] ON-Phase Rechteckspannung: 5V D 2 leitet, sobald U D1 D 2 > U C2, also 4, 3V ist C 1 entlädt sich U outmax = 3, 6V + 4, 3V = 7, 9V Lutz Schülein (TUB) Spannungsregelung 17. November / 22
25 Übersicht 1 Übersicht 2 Lineare Spannungsregler 3 Schaltregler 4 Vergleich 5 Referenzen Lutz Schülein (TUB) Spannungsregelung 17. November / 22
![Lineare Spannungsregler Vorteile Nachteile Abbildung: LM317 [1] Preis: 0, 20 < X < 1, 00 EUR Leicht zu beschalten Leicht zu dimensionieren Relativ stabile Ausgangsspannung](/docs-images/92/109528911/images/26-1.jpg "Abbildung: Gekühlter LM317 [9] Schlechter Wirkungsgrad Hohe Wärmeentwicklung Müssen gekühlt werden Keine Spannungshochregelung Lutz Schülein (TUB) Spannungsregelung 17.")
26 Lineare Spannungsregler Vorteile Nachteile Abbildung: LM317 [1] Preis: 0, 20 < X < 1, 00 EUR Leicht zu beschalten Leicht zu dimensionieren Relativ stabile Ausgangsspannung Abbildung: Gekühlter LM317 [9] Schlechter Wirkungsgrad Hohe Wärmeentwicklung Müssen gekühlt werden Keine Spannungshochregelung Lutz Schülein (TUB) Spannungsregelung 17. November / 22
![Schaltregler Vorteile Nachteile Abbildung: LM2576 [3] Abbildung: LM2576 Blockdiagram [10] Hoher Wirkungsgrad: über 80% möglich Hoch- und Runterregelung Können ohne Induktivitäten umgesetzt](/docs-images/92/109528911/images/27-0.jpg "werden Ladungspumpen Hohe Preise: 2, 00 < X < 10, 00 EUR Komplizierter zu schalten Ausgangsspannung kann bei Laständerung stark schwanken Lutz Schülein (TUB) Spannungsregelung 17.")
27 Schaltregler Vorteile Nachteile Abbildung: LM2576 [3] Abbildung: LM2576 Blockdiagram [10] Hoher Wirkungsgrad: über 80% möglich Hoch- und Runterregelung Können ohne Induktivitäten umgesetzt werden Ladungspumpen Hohe Preise: 2, 00 < X < 10, 00 EUR Komplizierter zu schalten Ausgangsspannung kann bei Laständerung stark schwanken Lutz Schülein (TUB) Spannungsregelung 17. November / 22
28 Übersicht 1 Übersicht 2 Lineare Spannungsregler 3 Schaltregler 4 Vergleich 5 Referenzen Lutz Schülein (TUB) Spannungsregelung 17. November / 22
29 website. Online abrufbar unter: url = website. Online abrufbar unter: url = Diagram/lm317.thumbnail.gif. website. Online abrufbar unter: url = website. Online abrufbar unter: url = converter.svg. website. Online abrufbar unter: url = converter#/media/file:buck operating.svg. website. Online abrufbar unter: url = converter.svg website. Lutz Schülein (TUB) Spannungsregelung 17. November / 22
30 Online abrufbar unter: url = converter#/media/file:boost operating.svg. website. Online abrufbar unter: url = website. Online abrufbar unter: url = LM2576/LM2576HV Series SIMPLE SWITCHER 3A Step-Down Voltage Regulator. Lutz Schülein (TUB) Spannungsregelung 17. November / 22
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