Der unterschied zwischen tiefsetzsteller und hochsetzsteller

In diesem Beitrag möchte ich verschiedene Optionen für die Spannungsversorgung vorstellen. Dabei geht es weniger um die Energiequellen selbst, wie z.B. Stromnetz, Akkus, Netzteile, Solarelemente, etc. Ich möchte mich vielmehr der Frage widmen, wie ihr unter Verwendung dieser Energiequellen definierte Spannungen einstellen könnt. Im Einzelnen gehe ich auf die folgenden Themen ein:

• Spannungsversorgung von bzw. über Boards
• Lineare Spannungsregler
  • Festspannungsregler (z.B. L78xx Reihe)
  • Einstellbare Regler (z.B. LM317)
• Schaltregler
  • Step-down Konverter / Tiefsetzsteller
  • Step-up Konverter / Hochsetzsteller
  • Schaltnetzteile

Spannungsversorgung von bzw. über Boards

Wer über Arduino Boards in die Welt der Microcontroller einsteigt, der wird vor allem zu Beginn ihre vorhandene, bequeme Infrastruktur nutzen. Der Strom für das Board wird über die USB Schnittstelle geliefert. Für die Versorgung weiterer Elemente, wie z.B. Sensoren, gibt es angenehmerweise einen 3.3 Volt und einen 5 Volt Ausgang. Letzteres gilt zumindest für die AVR basierten Arduino Boards.

Über die auf den Boards integrierten Spannungswandler ist auch ein Betrieb mit Versorgungsspannungen zwischen 7 und 12 Volt möglich. Dazu verwendet ihr die „VIN“ Pins oder, wie z.B. beim Arduino UNO, die dafür vorgesehene Buchse.

So weit, so bequem. Spätestens jedoch, wenn ihr

• den „nackten“ Microcontroller betreiben wollt (wie in diesem Beitrag über den ATmega328P oder in diesem über ATtinys), oder
• ihr mehr Strom braucht, als das Board liefern kann (wieviel das ist, dazu kommen wir gleich),

müsst ihr über das Thema Spannungsversorgung noch einmal nachdenken.

Spannungsversorgung mit linearen Spannungsreglern

Lineare Spannungsregler (kurz: Linearregler) sind DC/DC-Wandler, die üblicherweise Spannungen im Bereich zwischen 3 und 24 Volt liefern. Der Linearregler vergleicht die Ausgangsspannung mit einem Sollwert. Weicht die Ausgangsspannung ab, so wird sie entsprechend verstärkt. Man unterscheidet dabei lineare Festspannungsregler, die einen festen Spannungswert ausgeben und einstellbare lineare Spannungsregler.

Die Eingangsspannung muss bei den meisten linearen Spannungsreglern um 2 bis 3 Volt über der gewünschten Ausgangsspannung liegen.

Wirkungsgrad linearer Spannungsregler

Bei einem linearen Spannungsregler ist der Eingangsstrom I gleich dem Ausgangsstrom. Lediglich die Spannung U ändert sich. Das bedeutet für die Leistung P:

P_{Ein}=U_{Ein}\cdot I\;\;\;\text{und}\;\;\; P_{Aus} = U_{Aus}\cdot I

P_{V\!erlust} = P_{Ein} - P_{Aus}=(U_{Ein}-U_{Aus})\cdot I

Für den Wirkungsgrad η gilt:

\eta=\frac{U_{Aus}}{U_{Ein}}\cdot100\%

Sprich: je größer der Spannungsunterschied, desto schlechter der Wirkungsgrad. Und da die Verlustleistung in Wärme umgesetzt wird, kann es notwendig werden, dem Spannungsregler einen Kühlkörper zu spendieren.

Bei einem Trafo ist das anders. Dort ändert sich auch der Strom, sodass das Produkt aus U und I konstant bleibt. Zumindest gilt das für den idealen Transformator.

Wieviel Strom können Arduino UNO, Nano und Pro Mini am 5 V Pin liefern?

Die Frage war ja noch offen. Bei Stromversorgung über USB ist die Grenze bei ca. 500 mA, was durch die USB Schnittstelle bedingt ist und nicht durch den Arduino. Bei Versorgung über VIN oder die Strombuchse ist die Verlustleistung des Spannungswandlers auf dem Board der limitierende Faktor. 1 Watt sollte nicht überschritten werden. Das heißt zum Beispiel bei 9 Volt Spannungsversorgung:

1000\, [\text{mW}]=(9\,[\text{V}]-5\,[\text{V}])\cdot I_{max}\,[\text{mA}]

I_{max}=\frac{1000}{4}=250\,[\text{mA}]

Spannungsversorgung mit der L78xx Serie

Die L78xx Serie ist die wohl bekannteste Reihe von Festspannungsreglern. Ihr findet man sie auch manchmal unter der Bezeichnung LM78xx, MC78xx oder ähnlich. Dabei steht „xx“ für die Ausgangsspannung, die typischerweise 5, 6, 8, 9, 12, 15, 18 oder 24 Volt beträgt. Ein L7805 stellt also 5 Volt, ein L7824 stellt 24 Volt zur Verfügung.

Die Vertreter der L78xx Reihe liefern normalerweise 1 bis 1.5 Ampere. Die L78Sxx Reihe liefert Ströme bis 2 Ampere. Daneben gibt es auch noch die L78Mxx Reihe für Ströme bis 500 mA und die L78Lxx Reihe bis 100 mA.

L78xx Spannungsregler gibt es in verschiedenen Bauformen, wie zum Beispiel dem hier abgebildeten TO-220 Modell. Pin 1 ist der Input, Pin 2 ist GND und Pin 3 ist Output. Ein Datenblatt zur L78xx Reihe findet ihr zum Beispiel hier.

Beschaltung der L78xx Spannungsregler

Die Beschaltung der L78xx Spannungsregler ist einfach. Ihr braucht zusätzlich nur noch ein paar Kondensatoren. Je nach Art der Spannungsquelle und des Verbrauchers werden dafür unterschiedliche Größen empfohlen. Sehr häufig findet man die Kombination 330 nF / 100 nF.

Um die Schaltung noch etwas robuster gegen Schwankungen zu machen, könnt ihr größere Kondensatoren hinzufügen:

Symmetrische Spannungsversorgung mit L78xx und L79xx

Für einige Anwendungen, wie z.B. bestimmte Operationsverstärkerschaltungen, braucht ihr eine symmetrische Spannungsversorgung. Für die Bereitstellung der negativen Spannung gibt es die L79xx Reihe.  Um beispielsweise +/-5 Volt zu erzeugen, könntet ihr die folgende Schaltung verwenden (die Kondensatoren habe ich der Übersichtlichkeit halber weggelassen!):

Weitere lineare Festspannungsregler

Die L78xx Reihe ist sicherlich am populärsten, es gibt aber eine große Anzahl weiterer Festspannungsregler. Der weiter oben abgebildete Arduino Nano hat z.B. den AMS1117-5.0 (Datenblatt hier) verbaut, der – wie die Bezeichnung verrät – 5 Volt liefert. Die Kombination von einem AMS1117-5.0 und einem AMS1117-3.3 findet sich auf diesen praktischen Breadboardadaptern:

Wen es stört, dass die Eingangsspannung bei den meisten Linearreglern um ca. 2,5 Volt höher als die Ausgangsspannung liegen muss, der kann zu Low Dropout (LDO) Spannungsreglern greifen. Bei diesen liegt die minimale Spannungsdifferenz bei einem Volt oder weniger. Der AMS1117 ist übrigens ein auch LDO und somit gut geeignet, wenn ihr in einem 5 Volt Projekt einzelne Bauteile mit 3.3 Volt versorgen müsst.

Wem die 2 Ampere der L78Sxx Reihe nicht ausreichen, der kann auf leistungsstärkere Typen wie die LT108x Reihe ausweichen. Der LT1083 beispielsweise kann bis zu 7.5 Ampere liefern.

Je spezieller die Wünsche, desto schneller steigt allerdings auch der Preis. Ist der L7805 noch für 20 bis 30 Cent zu haben, müsst ihr für einen LT1083CP sagenhafte 10 bis 20 Euro auf den Tisch legen.

Spannungsversorgung mit dem LM317

Der Klassiker unter den einstellbaren linearen Spannungsreglern ist der LM317. Mit ihm könnt ihr Spannungen zwischen 1,25 und 37 Volt realisieren. Die Eingangsspannung muss dabei mindestens drei Volt über der Ausgangsspannung liegen. Die maximale Stromstärke ist mit mindestens 1,5 Ampere ausgelobt (siehe Datenblatt).

Der LM317 besitzt die drei Pins Adjust (1), Output (2) und Input (3).

Hier abgebildet ist die TO-220 Bauform, es gibt den LM317 aber auch als SMD.

Beschaltung des LM317

Die Ausgangsspannung des LM317 regelt ihr über zwei Widerstände. Hier zum Beispiel eine Schaltung, die 5 Volt liefert:

Der LM317 stellt zwischen OUT und ADJ eine Spannung von 1.25 Volt ein, die über R1 abfällt. Die Widerstände R1 und R2 stellen einen Spannungsteiler dar, über dem die Ausgangsspannung UA abfällt. Deshalb gilt:

\frac{U_A}{R_1+R_2}=\frac{1,25}{R_1}

U_A=1.25\cdot \frac{R_1+R_2}{R_1}=1.25\cdot \left( 1+\frac{R_2}{R_1}\right)

Für R1 wird ein Widerstandswert von 240 Ohm empfohlen.

Wenn ihr als R2 einen einstellbaren Widerstand einsetzt, dann seid ihr hinsichtlich der Ausgangsspannung entsprechend flexibel. Seid aber vorsichtig, dass ihr euch nichts zerschießt, nur weil der Widerstand vielleicht gerade ungünstig eingestellt war. Messt lieber erst die Ausgangsspannung bevor ihr irgendetwas anschließt.

Die im Schaltbild gewählten Größen für die Kondensatoren folgen den Empfehlungen des Datenblattes.

Der LM317 als Strombegrenzer

Ich möchte den Beitrag nicht zu lang werden lassen. Deswegen hier nur der Hinweis ohne weitere Erklärungen, dass ihr den LM317 auch als Strombegrenzer verwenden könnt. Wenn ihr diesem Link folgt, kommt ihr zu einer kompakten Beschreibung, einschließlich eines Online-Rechners.

Ruheverbrauch der linearen Spannungsregler

Leider verbrauchen die Spannungsregler auch dann Strom, wenn auf der Ausgangsseite kein Strom abgenommen wird. Für den L7805 habe ich bei einer Eingangsspannung von 9 Volt einen Verbrauch von 3 mA gemessen, beim LM317 waren es sogar 5 mA. Für dauerbetriebene, batteriebasierte Projekte ist das unter Umständen ein Killerkriterium.

Spannungsversorgung mit Schaltreglern

Der große Nachteil der linearen Spannungsregler ist die unter Umständen große Verlustleistung. Nicht zuletzt das hat zur Entwicklung von Schaltreglern geführt, die im Vergleich wesentlich effizienter arbeiten, insbesondere bei hohen Differenzen von Eingangs- zu Ausgangsspannung.

Mit der Schaltregeltechnik ist nicht nur ein Absenken, sondern auch eine Erhöhung der Eingangsspannung möglich. Module, die die Eingangsspannung senken, werden Step-down Konverter oder Tiefsetzsteller genannt (ich liebe die deutsche Sprache!). Da ist es keine Überraschung, dass die Module, die die Eingangsspannung erhöhen, Step-up Konverter bzw. Hochsetzsteller heißen.

Step-down Konverter / Tiefsetzsteller

Funktionsprinzip

Ich versuche mal in eigenen Worten kompakt zu beschreiben, wie ein Step-down Konverter im Prinzip funktioniert. Hier zunächst ein Schaltbild:

Der Mosfet ist das steuernde Bauteil in diesem Schema. Er öffnet und schließt in hoher Frequenz. Der steuernde Parameter ist dabei die Pulsweite. Ist der Mosfet leitend, sperrt die Diode und der Strom fließt in die Spule. Dabei wird ein Magnetfeld induziert, das dem Stromfluss entgegenwirkt. Strom und Spannung wachsen deshalb gebremst an. Wird der Mosfet gesperrt,  baut sich das Magnetfeld in der Spule wieder ab, wodurch ein Strom induziert wird (eine schöne Animation dazu gibt es hier). Der Strom möchte sozusagen weiterfließen. Dazu „zieht“ sich die Spule den Strom und in dieser Zugrichtung ist die Diode leitend, sodass ein Stromkreis über die Diode, die Spule und den Verbraucher am Ausgang gebildet wird. Im Zusammenspiel von Spule und Kondensator wird der Strom bzw. die Spannung geglättet.

Die Spule ist eine Art Energiespeicher, der immer nur so weit aufgefüllt wird, wie es auf der Ausgangsseite benötigt wird. Des Weiteren ist wichtig, dass der Mosfet hochfrequent schaltet. Würde er langsam schalten, erhielte man auf der Ausgangsseite eine Dreiecksspannung, die zwischendurch immer wieder auf null abfiele. Durch die hohe Frequenz und eine gesteuerte Pulsweite wird die Spannung auf einem einstellbaren Niveau gehalten. Trotzdem ist mit dem Oszilloskop immer noch die Dreiecksspannung (Ripple) erkennbar. Ihr seht das gleich noch an einem Beispiel.

Wer das nochmal in anderen Worten erklärt haben möchte, ohne gleich mit Formeln bombardiert zu werden, dem empfehle ich dieses YouTube Video. 

Wie ist es denn hier mit P = U x I?

Im Gegensatz zu den linearen Spannungsreglern ist hier der Ausgangsstrom größer als der Eingangsstrom, da der Strom ja auch dann weiter fließt, wenn der Mosfet gesperrt ist.

Die Spannung U sinkt, dafür steigt der Strom I und so bleibt die Leistung P konstant. Aber natürlich gibt es auch hier Verluste, die jedoch wesentlich geringer sind als bei den Linearreglern.

Ein Beispiel: der LM2596

Unten abgebildet seht ihr ein LM2596 Step-down Modul mit einem Poti zum Einstellen der Ausgangansspannung. Wenn ihr euch nicht mit der Berechnung der Bauteile (Spule, Kondensator) herumschlagen wollt, ist so ein Modul eine gute Lösung.

Der eigentliche LM2596 ist der IC mit den 5 Beinchen. Es gibt ihn als Festspannungsversion für 3.3, 5 oder 12 Volt (LM2596xx), oder – wie hier – zum Einstellen (LM2596-ADJ).

Dieses Modell kann laut Lieferant 4 bis 34 Volt bereitstellen und bis 1 Ampere ohne Kühlkörper betrieben werden. Die Eingangsspannung sollte mindestens 2 Volt über der Ausgangsspannung liegen, damit der LM2596 effektiv arbeitet. Der Verlust liegt – laut Lieferant – bei maximal 8 %.

Der LM2596 IC selbst würde im weiter oben abgebildeten Schaltbild dem Mosfet mit der zugehörigen Ansteuerung ensprechen. Über einen „Feedback“ Pin prüft er die Ausgangsspannung und regelt das PWM Signal entsprechend nach. Die Taktfrequenz des LM2596 beträgt 150 kHz, was einer Periode von 6.66 µs entspricht.

Ein paar Messungen am LM2596 Modul

Ich habe den LM2596 auf 5 Volt Ausgangsspannung eingestellt und damit eine geringe Last betrieben (ein paar LEDs). Mit dem Oszilloskop habe ich mir dann das Spannungssignal angeschaut. Die charakteristische Schwankung („Ripple“) lag bei gut 60 mV.  Zu meinem Erstaunen betrug die Periode (von Peak zu Peak) aber eher knapp 20 µs anstelle der erwarteten 6.6 µs, entsprechend einer Frequenz von 50 kHz. Ob hier wirklich ein Original LM2596 verbaut wurde?

Bei höherer Last ist sehr schön zu erkennen, wie der Tastgrad des PWM Signals, also das Verhältnis der Einschaltdauer zur Periode, steigt. Auch der Ripple steigt, hier auf fast 100 mV. Für die meisten Zwecke wird das aber nicht stören.

Step-down Konverter für hohe Ströme

Wenn ihr so richtig viel Strom braucht, z.B. 5 bis 10 Ampere, dann führen auch die relativ geringen Verluste der Step-down Konverter zu erheblicher Wärmeentwicklung. Für diese Fälle könnt ihr solche „Monster“ wie unten abgebildet verwenden. Ist übrigens alles bei Amazon zu finden, wenn ihr nach „step down converter“ sucht.

Der Vertreter oben rechts ist übrigens auch deswegen interessant, weil ihr neben der Ausgangsspannung auch den Ausgangsstrom einstellen könnt. Damit lassen sich dann zum Beispiel Leistungs-LEDs betreiben.

Kompaktere Schaltregler

Ihr müsst Schaltregler nicht unbedingt als Modul kaufen. Es gibt sie auch in sehr kompakter Form für verschiedene Spannungen und Stromstärken.

Allerdings sind solche Teile nicht ganz günstig. Bis 500 mA sind sie noch für unter 5 Euro zu haben, für 1.5 oder 2 Ampere werden schon 10 bis 20 Euro fällig. Conrad hat diesbezüglich ein gut strukturiertes Angebot. Sucht nach „DC DC Wandler“.

Ruheverbrauch der Step-down Konverter

Auch die Step-down Konverter haben, so wie die linearen Spannungsregler, einen nicht zu vernachlässigenden Stromverbrauch. Für das LM2596 Modul habe ich bei einer Eingangsspannung von 9 Volt und einer Ausgangsspannung von 5 Volt einen Ruhestrom von 7 mA gemessen.

Der „nackte“ LM2596 IC hat einen On/Off Pin. Im Off-Zustand geht der Stromverbrauch in den Mikroamperebereich. Leider ist der On/Off Pin auf dem Modul nicht ausgeführt.

Step-up Konverter / Hochsetzsteller

Ein Step-up Konverter besteht aus denselben Bauteilen wie ein Step-down Konverter, nur die Anordnung ist eine andere. Und er ist vielleicht ein wenig schwerer zu verstehen. Hier wieder zunächst ein Schaltbild:

Ist der Mosfet offen, fällt UE voll über der Spule ab. Durch das sich aufbauende Magnetfeld, das dem Strom entgegenwirkt, lädt sich die Spule als eine Art Energiespeicher auf. Ist der Mosfet gesperrt, gibt die Spule ihre Energie wieder ab. Der Strom fließt nun über die Diode und den Verbraucher auf der Ausgangsseite. Natürlich lädt sich die Spule auch dann auf, wenn der Mosfet gesperrt ist. Der „Witz“ dabei ist, dass die Spule bei offenem Mosfet mehr Energie aufnehmen kann als bei gesperrtem, da im letzteren Fall nur ein Teil von UE über der Spule abfällt.

Beispiele

Ich habe zwei Step-up Konverter Module getestet. Eines basiert auf einem IC „E50D“. Das andere basiert auf dem MT3608 IC. Ein Datenblatt habe ich nur zum MT3608 IC gefunden (hier der Link).

Das E50D basierte Modul liefert eine Festspannung von 5 Volt. Es ist gut geeignet um z.B. mit einer Lithiumbatterie (3.7 Volt) eine Spannung von 5 Volt bereitzustellen.

Das MT3608 Modul liefert einstellbare Ausgangsspannungen bis 28 Volt bei Eingangsspannungen von 2 bis 24 Volt. Die maximale Stromstärke wird mit 2 Ampere angegeben. Ich habe es nicht ausprobiert, aber ich wage mal zu bezweifeln, dass es mit diesem Modul tatsächlich möglich ist, eine 2 Volt Stromquelle auf 28 Volt hochzuziehen und gleichzeitig 2 Ampere zu ziehen. Hier muss man sicherlich testen, wie weit man wirklich kommt. Die Effizienz liegt laut Lieferant bei 93 %.

Mit dem Oszilloskop konnte ich wieder den für Schaltregler typischen Spannungsverlauf mit Ripple feststellen (hier am E50D Modul):

Anwendung: Einen Microcontroller mit einer Dampfmaschine betreiben

Könnt Ihr noch? Ein bisschen was kommt noch. Zur Auflockerung aber erstmal eine nicht ganz ernst gemeinte Anwendung. Ich habe mir die Dampfmaschine meines Sohnes ausgeliehen und damit einen ATtiny85 betrieben, der wiederum 2 LEDs blinken ließ.

Der Generator an der Dampfmaschine liefert eine recht stark schwankende Gleichspannung, die zudem von der Drehzahl abhängig ist. Unter Vollast konnte ich um die 4 Volt erreichen. Mit Kondensatoren habe ich die Spannung geglättet und dann mit dem Step-up Konverter auf 5 Volt gebracht. Hier ein Video dazu:

The Power of Esbit! Die Älteren erinnern sich an den fischig riechenden Trockenbrennstoff. Ganz nebenbei: schon gewusst, was Esbit heißt? Erich Schumms Brennstoff in Tablettenform – das wäre doch eine schöne Günther Jauch Frage für die eine Million. Aber jetzt habe ich es ja verraten…

Spannungsversorgung mit Schaltnetzteilen

Ganz zum Schluss noch ein paar Worte zu Schaltnetzteilen. Diese wandeln den 230 Volt Wechselstrom in Gleichstrom mit geringer Spannung. Durch die Schalttechnik braucht man hier keine großen Trafos, da man den benötigten Strom sozusagen in kleinen Portionen wandelt. So sieht das schematisch aus:

Eine wirklich gute Erklärung der Schaltnetzteile habe ich hier gefunden. Die Kurzversion lautet:

• Der Gleichrichter macht aus der Wechselspannung eine „höckerförmige“ Gleichspannung
• Die Spule und der Kondensator glätten die Spannung
• Der Schalter (z.B. ein Mosfet) zerhackt die Gleichspannung in eine Pulsspannung
• Der Trafo übernimmt die Spannungswandlung der Pulse
• Die Spule und der Kondensator glätten die Pulsspannung

Ihr könnt Schaltnetzteile kaufen, die ihr selbst an die Netzspannung anschließt. Ich persönlich arbeite ungern mit 230 Volt und würde auch jedem, der nicht ganz genau weiß, was er da tut, dringend davon abraten! Ausprobiert habe ich es trotzdem mal:

Wer sich aus dem Stromnetz bedienen möchte und 5 Volt braucht, dem würde ich eher zu solchen Netzteilen mit USB-Ausgang raten. Mit einer kleinen Adapterplatine für < 1 Euro lässt sich die Spannung dann bequem auf dem Breadboard nutzen.

Was macht ein hochsetzsteller?

Wie funktioniert ein tiefsetzsteller?

Was macht ein Buck Boost Converter?

Wie funktioniert ein Aufwärtswandler?