LM317: Labornetzteil mit regulierbarer Ausgangsspannung

Ausführliche Informationen zum Spannungsregler LM317, der Berechnung der Ausgangsspannung und Verlustleistung und Schaltung für ein einfaches Labornetzgerät

Der LM317 ist ein Spannungsregler, genau wie die 78xx-Serie. Ein 7805-Baustein liefert eine konstante Spannung von 5 Volt, ein 7812-Baustein eine Spannung von 12 Volt, usw. Der LM317 tanzt diesbezüglich aus der Reihe: Er ist ein regulierbarer Spannungsstabilisator, bei dem die Ausgangsspannung verändert werden kann. Im folgenden Artikel werden Berechnungen zum LM317 durchgeführt. Um genaue und zuverlässige Daten zu erhalten, darf man sich aber keinesfalls nur auf die nachfolgenden Rechnungen berufen. Es sind unbedingt die Angaben des Herstellers zu beachten, da immer Abweichungen zwischen den Bausteinen verschiedener Hersteller auftreten können.

Berechnung der Ausgangsspannung

Der LM317 sorgt stets dafür, dass zwischen dem Adjust-Anschluss und dem Output immer eine Potentialdifferenz von 1.25 Volt gegeben ist. Legen wir also den Adjust-Anschluss auf 0 Volt, erhalten wir eine Ausgangsspannung von 1.25 Volt. Wenn wir nun den Adjust-Anschluss über einen Widerstand auf 0 Volt legen, liegt am Anschluss nicht mehr auf 0 Volt, sondern auf einigen Volt, abhängig davon, wie viel Strom durch den Widerstand fliesst. Wie wir aus dem Datenblatt erfahren, ist dieser Strom nur einige Mikroampere gross, weshalb sicherlich keine zuverlässigen Resultate zu erwarten sind. Um den Adjust-Pin auf eine konstante Spannung zu bringen, ist deshalb ein zusätzlicher Widerstand zwischen dem Adjust-Pin und dem Output unerlässlich. Nun können wir die Ausgangsspannung UO in Abhängigkeit von den beiden Widerständen berechnen: Sei R1 der Widerstand zwischen dem Adjust-Pin und dem Output. Der Spannungsabfall über diesem Widerstand wird wie gesagt vom LM317 auf UREF = 1.25 Volt geregelt. R2 sei der Widerstand zwischen dem Adjust-Pin und 0 Volt. Nach dem Ohmschen Gesetz gilt U = R * I. Wir können also folgende Gleichungen aufstellen:

  1. U = (R1 + R2) * I
  2. UREF = R1 * I

Mit der ersten Gleichung kann man die Ausgangsspannung berechnen. Was aber noch stört, ist der Strom I, der in der Gleichung vorkommt. I kommt aber auch in der Gleichung für UREF vor. Durch Umwandeln erhalten wir:

  • I = UREF / R1
  • I = UO / (R1 + R2)

Nun können diese beiden Gleichungen gleichgesetzt und umgewandelt werden:

  • UO = UREF * (R1 + R2) / R1
  • UO = UREF * (R1/R1 + R2/R1)
  • UO = UREF * (1 + R2/R1)

Wir kommen so auf die Rechnung, wie sie auch in den Datenblättern für den LM317 zu finden ist. Das heisst, eine kleine Abweichung gibt es: Wir haben in unserer Rechnung klangheimlich den Strom vernachlässigt, der vom Adjust-Pin durch den Widerstand R2 fliesst. Da dieser aber wie erwähnt nur wenige Mikroampere klein ist, kann man diesen oft vernachlässigen.

Wir haben hier übrigens mit den beiden Widerständen einen simplen Spannungteiler aufgebaut. Die resultierende Formel entspricht auch der allgemeinen Spannungsteilerformel, wie sie in den Lehrbüchern zu finden ist.

Die beiden Widerstände sorgen übrigens auch dafür, dass stets ein kleiner Strom durch den LM317 fliesst. Dies ist nötig, damit der Spannungsregler-Baustein richtig arbeitet.

Berechnung der Verlustleistung

Die Berechnung der Verlustleistung ist einfach. Die Leistung P ergibt sich aus der Spannung U multipliziert mit dem Strom I, also P = U * I. Die Spannung U ist hier der Spannungsabfall im LM317, d.h. die Differenz ΔU der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung, also ΔU = UI - UO. Der Strom setzt sich aus dem Ausgangsstrom IO verursacht durch die externe Last, und dem Strom IT durch den Spannungsteiler mit den Widerständen R1 und R2 zusammen. Die Verlustleistung beträgt also:

  • P = (UI - UO) * (IO + IT)

Die Verlustleistung macht sich in Wärmeentwicklung bemerkbar. Wir sehen also, dass die Verlustleitung (und somit die Wärmeentwicklung) umso grösser ist, je grösser der Strom und je grösser die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung ist. Beim Aufbau einer Schaltung mit dem LM317 sollte man also darauf achten, dass die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung möglichst klein gehalten wird, da so bei gleicher Wärmeentwicklung ein grösserer Strom geliefert werden kann. Es ist also nicht sinnvoll den Spannungsregler mit 24 Volt zu betreiben, wenn man nur Ausgangsspannungen von 3 bis 6 Volt erreichen will.
An diesem Beispiel lässt sich gut erkennen, dass eine gewisse Wärmeentwicklung bei einem solchen Spannungsregler nicht zu verhindern ist. Die obige Rechnung der Verlustleistung lässt sich auch auf Festspannungsregler wie diese der 78xx-Reihe übertragen. Es lässt sich so erklären, wieso ein 7805-Baustein, der mit 24 Volt Eingangsspannung versorgt wird, gekühlt werden muss, obwohl "nur" Ströme weit unter dem maximalen Strom geliefert werden müssen.

Bau eines einfachen Labornetzteils

Aus den obigen Überlegungen kann geschlossen werden, dass für den Betrieb des LM317 theoretisch nur die erwähnten zwei Widerstände nötig sind. Dem ist aber nicht - oder nur beschränkt - so. Man sollte je nach Anwendung unbedingt noch die im Datenblatt empfohlenen Schutzdioden einbauen, um dem Baustein ein längeres Leben zu gewähren. Auch die empfohlenen Kondensatoren sind zu beachten.

Für ein sehr simples und praktisches Labornetzteil für niedrige Gleichspannung eignet sich die Schaltung, die dem Datenblatt zu entnehmen ist. Beachten Sie unbedingt das Datenblatt des Herstellers Ihres Bausteines, um die richtigen Informationen über Ihren Baustein zu erlangen!

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Kommentare: 1
  • #1

    mueller (Samstag, 16 Februar 2013 11:15)

    Hallo!
    Toller Beitrag, vielen Dank!
    Grüsse aus Deutschland