Im Fokus:
3pin-Spannungsregler am Ein- und Ausgang
richtig beschaltet

Einleitung

Im Fokus ist eine neue Elektronik-Minikurs-Idee. Es geht darum ein Thema in den Raum zu stellen, das von allgemeinem Fachinteresse ist. Dieses Thema wird so weit wie nötig erklärt. Oft bietet Wikipedia eine hervorragende einführende Erklärung, wenn es grundlegend mit Physik zu tun hat. Danach werden Elektronik-Grundlagen- und Elektronik-Minikurse vorgestellt, wo das Thema in praktischer Form präsentiert wird. Diesmal geht es um das Thema wie man die 3pin-Spannungregler am Ein- und Ausgang kapazitiv richtig beschaltet. Unter 3pin-Spannungregler sind Spannungsregler mit drei Anschlüssen zu verstehen. Solche mit fixen Ausgangsspannungen haben einen Ein- und einen Ausgang und einen GND-Anschluss (z.B. LM7805 und LM7905). Solche mit variablen frei dimensionierbaren Ausgangsspannungen haben einen Ein- und einen Ausgang und einen Kalibrier-Anschluss (z.B. LM317 und LM337).

Ein stets wiederkehrendes Thema in Diskussionsforen, ist die Unsicherheit darüber wie man solche 3-pin-Spannungsregler ein- und ausgangsseitig kapazitiv richtig abblockt. Ein Blick in das Datenblatt des 78xx-Fixspannungsregler zeigt, dass die selben Kapazitätswerte bei allen 78xx-Applikationen empfohlen werden. Eingangsseitig sind es 330 nF und ausgangsseitig 100 nF. Man sieht dies in den Application-Notes im LM78xx-Datenblatt von Fairchild auf den Seiten 22 bis 25.

Der 79xx-Fixspannungsregler ist das Pendant zum 78xx-Fixspannungsregler mit den negativen Ausgangsspannungen. Im Vergleich zum 78xx gibt es nur wenig Application-Notes auf Seite 12 des LM79xx-Datenblattes von Fairchild. Dabei fällt auf, dass die Werte für die Ein- und Ausgangskapazitäten (Figure 6) mit 2.2 µF bzw. 1 µF signifikant höher sind als beim LM78xx. Interessant ist, dass bei Figure 7 (Split Powersupply ±12V/1A) für den 78xx und den 79xx die selben höheren Kapazitätswerte an den Ausgängen eingesetzt sind. Bild 1 fasst dies ein wenig zusammen:

In Bild 1 liest man bei den Spannungsreglern anstelle von LM78xx nur 78xx und anstelle von LM79xx nur 79xx. Im Text liest man stets LM78xx und LM79xx. Dies bringt zum Ausdruck, dass andere Hersteller teils andere Buchstaben vor die Zahl setzen. Die hier diskutierte Dimensionierung ist die selbe. LM wurde ursprünglich von National-Semiconductor eingeführt und später von Texas-Instruments mit der IC-Fabrikation übernommen. Allerdings benutzt auch Fairchild die LM-Bezeichnung. Es gibt auch die µA-Bezeichnung, µA78xx und µA79xx.

Teilbild 1.1 zeigt mit C1 und C2 die typische Dimensionierung des LM78xx und Teilbild 1.2 die des LM79xx. Teilbild 1.3 zeigt die folgerichtige Zusammensetzung der beiden Schaltungen zu einer Dual- bzw. Split-Powersupply mit ±Ue und ±Ua. In Teilbild 1.4 sind beide Kapazitäten am Ausgang gleich gross gewählt und dem grösseren Wert der beiden Werte angepasst. Das macht Sinn, damit die Quellimpedanzen auf +Ua und -Ua identisch sind. Dass man den höheren Kapazitätswert wählt, ist in Bezug zur Stabilität richtig.

Auf Seite 12 des LM79xx-Datenblattes liest man folgende Fussnote: "Required for stability. For value given, capacitor must be solid tantalum. If aluminium electronics are used, at least ten times value shown should be selected.". Das war einmal! Tantal-Elkos sollte man grundsätzlich vermeiden zum Abblocken von Betriebsspannungen. Der Grund dafür liest man im Kapitel "Warum kein Tantalelko verwenden?" hier. Die bessere Alternative ist ein Alu-Elko mit parallel geschaltetem Keramik-Kondensator (Kerko) mit typisch 100 nF, wie dies Teilbild 1.5 zeigt. Bei dieser Methode gilt nicht zwingend, dass der Alu-Elko eine mindest zehnfach höhere Kapazität haben muss, als der Tantal-Elko, weil der Kerko hochfrequenzmässig den dominanten Teil zur Stabilität beträgt. C2 und C6 sollten aus Gründen der Stabilität nahe bei den Eingängen sein. Ausgangsseitig ist es weniger kritisch was zuerst kommt, Elko oder Kerko. Kerkos benötigt man insgesamt sowieso mehr als nur grad die Elkos C4 und C8, weil mit Kerkos die Betriebsspannung an den ICs abgeblockt werden muss, so wie dies in Teilbild 1.5 rechts mit dem TLC271 und TLC555 angedeutet ist.

Bild 2 illustriert die selbe Angelegenheit mit den 3pin-Spannungsreglern, welche für variable Ausgangsspannungen konzipiert sind. Es sind dies die ebenso altbekannten und traditionsreichen LM317 (positive Ausgangsspannung) und LM337 (negative Ausgangsspannung) und die Lowpower-Versionen LM317L und LM337L:

Bild 2 zeigt die Basisschaltungen mit den empfohlenen Werten der Ein- und Ausgangskapazitäten gemäss den Datenblätter von LM317, LM317L, LM337 und LM337L.

Interessante Auffälligkeit: Es fällt auf, dass bei den LM78xx- und LM79xx-Fixspannungsreglern, als auch bei den LM317(L)- und LM337(L)-Spannungsreglern mit variablen Ausgangsspannungen, diejenigen mit den negativen Ausgangsspannungen höhere Eingangskapazitäten fordern. Warum dies so ist, weiss ich nicht. Es muss jedoch irgend etwas mit einer etwas anders gearteten Schaltungstechnik zu tun haben. Es gilt die Regel, dass man die Kapazität nicht unterschreiten sollte. Massiv erhöhen, dem steht allerdings nichts im Weg, den schlussendlich folgen solche Regelschaltungen sehr oft auf den Lade-Elko bei der Gleichrichterschaltung mit einer wesentlich höheren Kapazität, wie dies Bild 3 illustriert:

Bild 3 ist Bild 6 aus Integrierte fixe und einstellbare 3-pin-Spannungsregler. Es ist ein Dual-Spannungsregler, realisiert mit LM317 und LM337. Die Ladeelkos C1 und C2 mit je 3300 µF wirken auf höhere Frequenzen parasitär induktiv. C1 und C2 alleine können die Oszillationsneigung sogar noch erhöhen. Dies vermeiden die beiden Kerko C3 und C4. An den Ausgängen von +Ub und -Ub haben C7 und C8 die empfohlenen Werte von 1 µF. Diese Kapazitätswerte können sich je nach angschlossener Schaltung zusätzlich erhöhen. Mehr Details zu dieser Schaltung liest man im oben genannten Link.

Wozu benötigt man die Ausgangskapazitäten C7 und C8? Ohne diese oder durch zu niedrige Kapazitäten wären die Amplituden an +Ub oder/und -Ub beim Einschwingen nach einer schnellen Laststrom- oder Eingangsspannungsänderung zu gross. Das aperiodische Einschwingen kann in ein periodisches Oszillieren übergehen. Siehe dazu weiter unten "Das induktive Verhalten". C7 und C8 reduzieren durch Dämpfung den Einschwingvorgang und stabilisieren so das Regelsystem. Dafür erhöht sich leicht die Zeit bis zum eingeschwungenen Zustand. C5 und C6 dämpfen die noch restliche Rippelspannung am Ausgang (siehe Datenblatt).

Das induktive Verhalten: Im nächsten Schritt gehen wir der Frage nach, was eigentlich passiert, wenn die Kapazität am Ausgang zu niedrig ist. Das gilt nicht nur bei dieser Schaltung in Bild 3. Es gilt für jede Spannungsregelung. Das Verrückte dabei ist - man glaubt es kaum - dass diese Instabilität ein Maximum bei einer gewissen relativ niedrigen Kapazität erreichen kann. Und das heisst wohl nichts anderes, als dass ein Resonanz-Effekt vorliegt. Genau das trifft zu!

Wo aber hat es denn dazu eine Induktivität? Das ist quasi ein Nebeneffekt des Regelverstärkers. Je höher die Frequenz ist, um so höher ist der Quell-Widerstand (Quell-Impedanz). Die Ursache ist das Verhältnis von Openloop- zu Closedloop-Gain, das mit zunehmender Frequenz abnimmt. Dies trifft auf jede gegengekoppelte Verstärkerschaltung zu und deshalb auch bei einem linear geregelten Netzteil.

Die Grundlagen dazu liest man u.v.a. im Buch TROBLESHOOTING IN ANALOGSCHALTUNGEN von R. A. Pease, - auch Bob Pease genannt. Mit den Inhalten zu diesem Thema habe ich selbst praxisnah experimentiert mit einem Opamp und einem Spannungsregler. Daraus ist ein Elektronik-Minikurs entstanden, den ich gerne empfehle. So weiss man dann was es mit diesen Kondensatoren am Ein- und Ausgang auf sich hat:



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