78xx-spanningsregelaar

Figuur 1: Enkele 78xx IC's in TO220-Behuizing

Een 78xx-spanningsregelaar is een elektronische component die gebruikt wordt om van een variabele spanning, of van een spanning die hoger is dan de gewenste spanning, een vaste spanning te maken.

Toepassingsgebieden

Bij vele elektronische schakelingen is het vereist een constante voedingsspanning te hebben. Hiervoor gaat men vaak een adapter gebruiken die van de, in elk huis aanwezige, netspanning een bepaalde gelijkspanning maakt. Vele adapters bevatten echter een goedkope transformator waardoor de spanning met grote belasting veel lager kan zijn als de spanning met kleine belasting. Niet elke elektronische schakeling kan deze grote spanningsverschillen verdragen. Door een 78xx-IC in de schakeling op te nemen kan men van de variabele (of te hoge) spanning van de adapter een vaste lagere spanning maken. Hoe groot de vaste spanning is hangt af van het type 78xx-spanningsregelaar dat er gebruikt wordt. Een 7805 geeft bijvoorbeeld 5 Volt aan de uitgang, een 7809 geeft 9 Volt.

De 78xx-familie

Er zijn verschillende types 78xx-spanningsregelaars, elk met een verschillende uitgangsspanning. Ook is er nog een opdeling volgens de maximale stroom die er verwerkt kan worden. Zo kan de 78Lxx-serie maar 100mA leveren, de 78xx-serie kan 1 ampère leveren en de 78Sxx 2 ampère.

Onderstaande tabel toont een overzicht van alle 78xx-types die beschikbaar zijn.

Uuit [V]	Iuit-max = 100mA	Iuit-max = 1 A	Iuit-max = 2 A
2	78L02	-	-
3.3	78L33	7833	-
5	78L05	7805	78S05
6	78L06	7806	-
7.5	-	-	78S75
9	78L09	7809	78S09
10	78L10	-	78S10
12	78L12	7812	78S12
15	78L15	7815	78S15
18	78L18	7818	78S18
24	-	7824	78S24

Verder bestaat er nog een variant op de 78xx-spanningsregelaars, dit zijn de 79xx-spanningsregelaars, welke identiek zijn aan de 78xx-spanningsregelaars, enkel werken deze met negatieve spanningen.

Algemene eigenschappen

Een 78xx-spanningsregelaar bevat ook enkele beveiligingen. Zo zal hij uitschakelen als de opgenomen stroom meer dan zijn opgegeven maximum bedraagt of als hij warmer wordt dan 150°C. Dit heeft als voordeel dat het IC niet beschadigd raakt als er te veel stroom genomen wordt. Het IC laten afkoelen of de belasting wegnemen zal er voor zorgen dat de spanningsregelaar weer ingeschakeld wordt. De aangelegde voedingsspanning mag maximaal 35 Volt bedragen en moet minimaal 3 Volt hoger zijn dan de uitgangsspanning. Het IC verbruikt zelf 6 mA, ook als er geen belasting is aangesloten.

Werking

Opgenomen vermogen

Een 78xx-spanningsregelaar wordt tussen de voeding en de elektronische schakeling gezet, daarom noemt men dit een serie-spanningsregelaar. De stroom van de schakeling moet dus door de spanningsregelaar gaan. Door middel van deze stroom, de spanning aan de ingang en de spanning aan de uitgang kan men het door de 78xx gedissipeerde vermogen berekenen. Dit doet men door middel van volgende formule:
$P_{78xx} = (U_{in} - U_{uit}) \cdot I_{belasting}$
Als de 78xx een groot vermogen moet dissiperen (omzetten in warmte) moet er rekening mee gehouden worden dat men een koelvin van de juiste grootte bevestigt aan de 78xx spanningsregelaar.

Spanningsstabilisatie

Om aan spanningsstabilisatie te doen gebruikt de 78xx intern een zenerdiode.

Schema 1: Basiswerking Zenerdiode

Als men een zenerdiode in sper aansluit (zie schema 1), in serie met een weerstand aan een bron, dan zal er een spanning over de zenerdiode staan. Deze spanning wijzigt zo goed als niet bij een wisselende voedingsspanning, mits de voedingsspanning hoog genoeg is. Hoe groot deze spanning is hangt af van het type zenerdiode dat er gebruikt is. Men kan deze schakeling echter niet te zwaar belasten omdat de spanning dan zou zakken.

Om dit probleem op te lossen breidt men de schakeling uit met een transistor (zie schema 2).

Schema 2: Uitbreiding op de spanningsstabilisatie met een zenerdiode

We sluiten de basis van de transistor aan tussen de zenerdiode en de weerstand. Bij een transistor is de basis-emitterspanning altijd ongeveer gelijk aan 0,7 Volt. Dit heeft als gevolg dat U_uit ongeveer 0,7 Volt lager zal liggen als U_Zener. De stroom van de belasting zal nu niet meer door de de zenerschakeling lopen maar door de transistor. De zenerspanning zal dus constant blijven.

Stroombeperking

De 78xx-regelaar heeft enkele ingebouwde veiligheden. Zo zal hij er voor zorgen dat de maximum-stroom nooit overschreden kan worden. Schema 3 geeft een principe-schema van een spanningsregelaar met stroombegrenzing.

Schema 3: Uitbreiding met een stroombeperking op de spanningsstabilisatie met een zenerdiode

Weerstand R₁ en zenerdiode Z vormen het basisschema van de zenerstabilisatie uit schema 1.

Stel dat U_uit stijgt, dan zal via de spanningsdeler (R₄ en R₅) U_b2 ook stijgen waardoor T₂ meer in doorlaat gaat. Hierdoor zal er meer stroom door R₂ lopen waardoor U_R2 stijgt. Aangezien U_in een vast potentiaal is zal U_b1 dalen waardoor T₁ meer in sper gaat. Hierdoor zal U_uit dalen.

Als U_uit daalt dan zal U_b2 dalen waardoor T₂ meer in sper gaat. Dit heeft als gevolg dat de stroom door R₂ zal dalen waardoor U_R2 daalt. Dit zal er voor zorgen dat U_b1 stijgt en T₁ meer in doorlaat gaat wat er dan weer voor zorgt dat U_uit stijgt. De uitgangspanning zal zich dus stabilizeren rond één bepaalde spanning.

Wordt I_uit te groot dan zal U_R3 groter worden dan 0.7 Volt. Hierdoor zal T₃ meer in doorlaat gaan waardoor de stroom door R₂ en de spanning U_R2 stijgt. Dit zal zorgen voor een daling van U_b1, T₁ zal meer in sper gaan waardoor de uitgangsspanning afneemt.

Opmerking: Bovenstaande schema's zijn principeschema's, het schema van een echte 78xx-regelaar is een stuk complexer dan de schema's die hier gegeven zijn.

Eenvoudig 78xx-schema

In onderstaand schema ziet men een typisch basisschema voor het gebruik van een 78xx-spanningsregelaar (in dit schema het type 7805).

Schema 4: Basisschema voor een 7805-voeding.

Links in het schema ziet men U_in, hier sluit men een voeding op aan, deze voeding mag een wisselspanning (AC) of gelijkspanning (DC) leveren. Dit omdat er een diode (bv: type 1n4007) in het schema is opgenomen die zorgt voor een enkelzijdige gelijkrichting. De diode zorgt er ook voor dat, als men de gelijkspanning verkeerd aansluit, men de voeding niet kan beschadigen. De condensatoren C₁, C₂, C₃, en C₄ zijn afvlakcondensatoren. De spanningsregelaar (Voltage Regulator) VR₁ zorgt er voor dat de spanning U_uit steeds 5 Volt is.

Afvlakcondensatoren

Een afvlakcondensator kan men herkennen aan het feit dat deze parallel met de voeding staat. Zo zijn alle condensatoren in bovenstaand schema afvlakcondensatoren. Toch kan men twee types onderscheiden, namelijk de afvlakcondensatoren voor laagfrequente en hoogfrequente rimpel. De condensatoren zorgen er ook voor dat stroompieken opgevangen worden zonder dat er een spanningsdip aan de uitgang van de voeding ontstaat.

Wegwerken van laagfrequente rimpel

De condensatoren C₁ en C₄ zorgen samen voor het wegwerken van de laagfrequente rimpel in het schema. Voor deze condensatoren worden meestal Elco's genomen omdat deze een relatief grote capaciteit moeten hebben. Volgende figuur laat zien wat deze afvlakcondensatoren doen mochten we een wisselspanning aansluiting aan schema 4:

Figuur 2: Enkelzijdige gelijkgerichte wisselspanning met afvlakcondensator

De volle lijn geeft de spanning voor de 7805 weer, mochten we de condensator C₁ niet gebruiken. De stippenlijn geeft het spanningsverloop aan als we C₁ wel gebruiken. De condensator zal zich telkens opnieuw opladen wanneer de ingangsspanning U_in groter wordt dan U_c1. Als de voedingsspanning lager wordt dan U_c1 dan zal de condensator zich ontladen over de belasting, de spanning zal dus lichtjes dalen tot wanneer U_in terug groter wordt dan U_c1. Hoe groter de waarde van C₁ genomen wordt, hoe meer de spannning een perfecte gelijkspanning zal benaderen. Een richtlijn voor het berekenen van de waarde van een afvlakcondensator voor laagfrequente rimpel is dat men per opgenomen ampère 2200µF capaciteit voorziet. Dit schema is dus berekend op ongeveer 100mA.

Wegwerken van hoogfrequente rimpel

Door allerlei effecten (instraling, snel schakelende belasting, ...) kan er (hoogfrequente) ruis opgevangen worden die de DC-spanning "vervuilt". Dit kan zorgen voor een onzekere werking van de aangesloten componenten. De opgevangen ruis zorgt er voor dat er een AC-component wordt toegevoegd aan de DC-spanning.

Figuur 3: DC-spanning met hoogfrequente AC-component

Het is dus van groot belang dat de voedingsspanning vrij gemaakt wordt van deze vervuiling, dit kan gebeuren door een condensator te plaatsen die de hoogfrequente spanningen kortsluit. In schema 4 zorgen C₂ en C₃ ervoor dat de AC-component wordt kortgesloten naar de massa.

Zie ook

• Spanningsregelaar — Algemene uitleg over een spanningsregelaar.
• Voeding (elektronica) — Algemene uitleg over een voeding.

Externe links

• Enhancing the Power Supply Current Capability
• Datasheet van de LM7805 van 'Fairchild Semiconductor'