Spannungsregler

Ein Spannungsregler ist ein System zur automatischen Aufrechterhaltung einer konstanten Spannung . Er kann eine einfache Vorwärtskopplung oder eine Gegenkopplung nutzen. Er kann elektromechanische Mechanismen oder elektronische Bauteile verwenden . Je nach Ausführung kann er zur Regelung einer oder mehrerer Wechsel- oder Gleichspannungen eingesetzt werden .

Elektronische Spannungsregler finden sich in Geräten wie Computer-Netzteilen , wo sie die vom Prozessor und anderen Komponenten benötigten Gleichspannungen stabilisieren. In Lichtmaschinen von Kraftfahrzeugen und in Kraftwerken steuern Spannungsregler die Leistung der Anlage. In Stromverteilungsnetzen können Spannungsregler in Umspannwerken oder entlang von Verteilungsleitungen installiert sein , um allen Kunden eine konstante Spannung zu gewährleisten, unabhängig davon, wie viel Strom aus der Leitung entnommen wird.

Ein einfacher Spannungsregler lässt sich aus einem Widerstand in Reihe mit einer in Durchlassrichtung betriebenen Diode (oder mehreren Dioden) realisieren, wodurch eine Art Spannungsteiler entsteht . Aufgrund des logarithmischen Verlaufs der Dioden -I-Kennlinie ändert sich die Spannung an der Diode bei Änderungen des Stromverbrauchs oder der Eingangsspannung nur geringfügig. Wenn präzise Spannungsregelung und hoher Wirkungsgrad keine Rolle spielen, ist diese Schaltung ausreichend. Da die Durchlassspannung einer Diode gering ist, eignet sich diese Art von Spannungsregler nur für geregelte Niederspannungen. Wird eine höhere Ausgangsspannung benötigt, kann eine in Sperrrichtung betriebene Zenerdiode oder eine Reihe von Zenerdioden eingesetzt werden. Zenerdiodenregler nutzen die feste Sperrspannung der Zenerdiode, die recht hoch sein kann.

Rückkopplungsregler arbeiten, indem sie die tatsächliche Ausgangsspannung mit einer festen Referenzspannung vergleichen. Jede Abweichung wird verstärkt und zur Ansteuerung des Reglers genutzt, um den Spannungsfehler zu minimieren. Dadurch entsteht ein negativer Rückkopplungsregelkreis . Eine Erhöhung der Leerlaufverstärkung verbessert zwar die Regelgenauigkeit, verringert aber die Stabilität. Stabilität bedeutet, dass bei sprunghaften Änderungen der Last oder der Eingangsspannung keine Schwingungen oder Überschwingen auftreten. Es besteht ein Zielkonflikt zwischen Stabilität und Reaktionsgeschwindigkeit. Ist die Ausgangsspannung zu niedrig, wird der Regler bis zu einem gewissen Punkt angewiesen , eine höhere Ausgangsspannung zu erzeugen – entweder durch einen geringeren Spannungsabfall an der Eingangsspannung (bei linearen Serienreglern und Abwärtsreglern) oder durch längeren Stromverbrauch (Aufwärtsregler). Ist die Ausgangsspannung zu hoch, wird der Regler üblicherweise angewiesen, eine niedrigere Spannung zu erzeugen. Viele Regler verfügen jedoch über einen Überstromschutz, sodass sie die Stromzufuhr vollständig einstellen (oder den Strom in irgendeiner Weise begrenzen), wenn der Ausgangsstrom zu hoch ist. Einige Regler schalten sich auch ab, wenn die Eingangsspannung außerhalb eines bestimmten Bereichs liegt (siehe auch: Crowbar (Schaltung) ).

Bei elektromechanischen Reglern lässt sich die Spannung einfach regeln, indem der Messdraht zu einem Elektromagneten gewickelt wird. Das vom Strom erzeugte Magnetfeld zieht einen beweglichen Eisenkern an, der durch Federspannung oder Schwerkraft zurückgehalten wird. Mit steigender Spannung erhöht sich auch der Strom, wodurch das Magnetfeld der Spule verstärkt und der Kern in Richtung des Feldes gezogen wird. Der Magnet ist mit einem mechanischen Leistungsschalter verbunden, der sich öffnet, sobald sich der Magnet in das Feld bewegt. Sinkt die Spannung, sinkt auch der Strom, wodurch die Federspannung oder das Gewicht des Kerns nachlässt und dieser sich zurückzieht. Dadurch schließt sich der Schalter und der Stromfluss wird wiederhergestellt.

Wenn die Konstruktion des mechanischen Reglers empfindlich auf kleine Spannungsschwankungen reagiert, kann die Bewegung des Magnetkerns genutzt werden, um einen Wahlschalter über einen Bereich von Widerständen oder Transformatorwicklungen zu bewegen, um die Ausgangsspannung schrittweise zu erhöhen oder zu verringern, oder um die Position eines Drehspulreglers zu drehen.

Frühe Generatoren und Lichtmaschinen für Automobile besaßen einen mechanischen Spannungsregler mit einem, zwei oder drei Relais und verschiedenen Widerständen, um die Generatorausgangsspannung auf etwas über 6,7 V bzw. 13,4 V zu stabilisieren und die Batterie so unabhängig wie möglich von der Motordrehzahl oder der variierenden Last des Bordnetzes zu laden. Die Relais modulierten die Breite eines Stromimpulses, um die Generatorausgangsspannung durch Steuerung des mittleren Feldstroms in der rotierenden Maschine zu regeln. Dieser bestimmt die Stärke des erzeugten Magnetfelds und damit die Leerlaufspannung pro Umdrehung. Kondensatoren wurden, anders als zuvor beschrieben, nicht zur Glättung der gepulsten Spannung verwendet. Die hohe Induktivität der Feldspule speichert die dem Magnetfeld zugeführte Energie in einem Eisenkern, sodass der gepulste Feldstrom kein so stark gepulstes Feld erzeugt. Beide Arten von rotierenden Maschinen erzeugen ein Drehfeld, das in den Spulen des Stators einen Wechselstrom induziert. Ein Generator nutzt einen mechanischen Kommutator – Graphitbürsten, die auf Kupfersegmenten laufen –, um den erzeugten Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln. Dies geschieht durch Umschalten der externen Anschlüsse im Wellenwinkel, wenn sich die Spannung umkehrt. Ein Wechselstromgenerator erreicht dasselbe Ziel mithilfe von Gleichrichtern, die nicht verschleißen und daher nicht ausgetauscht werden müssen.

Moderne Konstruktionen nutzen heute Halbleitertechnologie (Transistoren), um die gleiche Funktion zu erfüllen, die die Relais in elektromechanischen Reglern erfüllen.

Elektromechanische Regler werden zur Stabilisierung der Netzspannung eingesetzt – siehe dazu den Abschnitt über Wechselspannungsstabilisatoren weiter unten.

Generatoren, wie sie in Kraftwerken, Schiffen oder Notstromsystemen eingesetzt werden, verfügen über automatische Spannungsregler (AVR), um ihre Spannung bei Laständerungen zu stabilisieren. Die ersten AVRs für Generatoren waren elektromechanische Systeme, moderne AVRs nutzen jedoch Halbleiterbauelemente. Ein AVR ist ein Regelungssystem, das die Ausgangsspannung des Generators misst, sie mit einem Sollwert vergleicht und ein Fehlersignal erzeugt, mit dem die Erregung des Generators angepasst wird. Mit steigendem Erregerstrom in der Feldwicklung des Generators steigt auch seine Klemmenspannung. Der AVR regelt den Strom mithilfe von Leistungselektronik; üblicherweise wird ein kleiner Teil der Generatorleistung für die Feldwicklung verwendet. Ist ein Generator parallel zu anderen Quellen wie einem Stromnetz geschaltet, beeinflusst eine Änderung der Erregung die vom Generator erzeugte Blindleistung stärker als die Klemmenspannung, die hauptsächlich vom angeschlossenen Stromnetz vorgegeben wird. Sind mehrere Generatoren parallel geschaltet, verfügt das AVR-System über Schaltungen, die sicherstellen, dass alle Generatoren mit demselben Leistungsfaktor arbeiten. ^{[ 1 ]} AVRs an netzgekoppelten Kraftwerksgeneratoren können zusätzliche Steuerungsfunktionen aufweisen, um das Stromnetz gegen Störungen durch plötzlichen Lastverlust oder Fehler zu stabilisieren.

Dies ist ein älterer Reglertyp aus den 1920er Jahren, der das Prinzip einer feststehenden Feldspule und einer zweiten Feldspule nutzt, die um eine Achse parallel zur feststehenden Spule gedreht werden kann, ähnlich einem Variokoppler.

Wenn die bewegliche Spule senkrecht zur festen Spule positioniert ist, heben sich die auf die bewegliche Spule wirkenden Magnetkräfte auf, und die Ausgangsspannung bleibt unverändert. Durch Drehen der Spule in die eine oder andere Richtung weg von der Mittelstellung erhöht bzw. verringert sich die Spannung in der beweglichen Sekundärspule.

Dieser Regler kann mittels eines Servomechanismus automatisiert werden, um die Position der beweglichen Spule zu verändern und so die Spannung zu erhöhen oder zu verringern. Ein Bremsmechanismus oder ein Getriebe mit hoher Übersetzung hält die rotierende Spule gegen die auf sie wirkenden starken Magnetkräfte in Position.

Elektromechanische Regler, sogenannte Spannungsstabilisatoren oder Stufenschalter , werden auch zur Spannungsregelung in Wechselstromverteilungsleitungen eingesetzt. Diese Regler arbeiten, indem sie mithilfe eines Servomechanismus den passenden Abgriff an einem Spartransformator mit mehreren Abgriffen auswählen oder den Schleifer eines stufenlos regelbaren Spartransformators bewegen. Liegt die Ausgangsspannung außerhalb des zulässigen Bereichs, schaltet der Servomechanismus den Abgriff um und ändert so das Übersetzungsverhältnis des Transformators, um die Sekundärspannung in den zulässigen Bereich zu bringen. Die Regler verfügen über eine Totzone, in der sie nicht eingreifen. Dadurch wird ein ständiges Nachjustieren der Spannung („Spannungspendeln“) bei geringfügigen Schwankungen verhindert.

Der ferroresonante Transformator , auch ferroresonanter Regler oder Konstantspannungstransformator genannt, ist ein Sättigungstransformator, der als Spannungsregler eingesetzt wird. Diese Transformatoren nutzen einen Schwingkreis, bestehend aus einer Hochspannungs-Resonanzwicklung und einem Kondensator , um bei variierendem Eingangsstrom oder variierender Last eine nahezu konstante mittlere Ausgangsspannung zu erzeugen. Der Schwingkreis besitzt auf der einen Seite eines Magnet-Shunts die Primärwicklung und auf der anderen Seite die Schwingkreisspule und die Sekundärwicklung. Die Spannungsregelung resultiert aus der magnetischen Sättigung im Kernbereich, der mit der Resonanzwicklung und der Sekundärwicklung verbunden ist. ^{[ 2 ]}

Der ferroresonante Ansatz ist aufgrund des Fehlens aktiver Bauteile attraktiv. Er nutzt die rechteckförmigen magnetischen Eigenschaften des im Sättigungsbereich arbeitenden Kerns, um Schwankungen der mittleren Eingangsspannung auszugleichen. Sättigungstransformatoren bieten eine einfache und robuste Methode zur Stabilisierung einer Wechselstromversorgung.

Ältere Konstruktionen erzeugten Ausgangssignale mit einem hohen Oberwellengehalt. Moderne Konstruktionen verbessern die Wellenformqualität, das Ausgangssignal ist jedoch keine ideale Sinuswelle. Die ferroresonante Wirkung dient eher als Flussbegrenzer denn als Spannungsregler, kann aber bei fester Versorgungsfrequenz eine nahezu konstante mittlere Ausgangsspannung aufrechterhalten, selbst bei stark schwankender Eingangsspannung.

Die ferroresonanten Transformatoren, die auch als Konstantspannungstransformatoren (CVTs) oder „Ferros“ bekannt sind, eignen sich ebenfalls gut als Überspannungsableiter, da sie eine hohe Isolation und einen inhärenten Kurzschlussschutz bieten.

Ein ferroresonanter Transformator kann mit einem Eingangsspannungsbereich von ±40 % oder mehr der Nennspannung betrieben werden.

Der Ausgangsleistungsfaktor bleibt von halber bis voller Last im Bereich von 0,96 oder höher.

Da es eine Ausgangsspannungswellenform regeneriert, ist die Ausgangsverzerrung, die typischerweise weniger als 4 % beträgt, unabhängig von jeglicher Eingangsspannungsverzerrung, einschließlich Kerben.

Der Wirkungsgrad bei Volllast liegt typischerweise zwischen 89 % und 93 %. Bei Teillast kann er jedoch unter 60 % sinken. Die Strombegrenzungsfähigkeit erweist sich zudem als Nachteil, wenn ein CVT in Anwendungen mit mittlerem bis hohem Einschaltstrom, wie beispielsweise Motoren, Transformatoren oder Magneten, eingesetzt wird. In diesem Fall muss der CVT auf den Spitzenstrom ausgelegt werden, was zu einem Betrieb bei Teillast und damit zu einem geringeren Wirkungsgrad führt.

Der Wartungsaufwand ist minimal, da Transformatoren und Kondensatoren sehr zuverlässig sind. Einige Geräte verfügen über redundante Kondensatoren, sodass der Ausfall mehrerer Kondensatoren zwischen den Inspektionen die Leistung des Geräts nicht merklich beeinträchtigt.

Die Ausgangsspannung ändert sich um etwa 1,2 % pro 1 % Änderung der Versorgungsfrequenz. Beispielsweise führt eine Änderung der Generatorfrequenz um 2 Hz, die sehr groß ist, zu einer Änderung der Ausgangsspannung von lediglich 4 %, was für die meisten Verbraucher kaum Auswirkungen hat.

Es akzeptiert eine 100%ige Belastung durch einphasige Schaltnetzteile ohne jegliche Notwendigkeit einer Leistungsreduzierung, einschließlich aller neutralen Komponenten.

Die Eingangsstromverzerrung bleibt auch bei der Versorgung nichtlinearer Lasten mit einem Strom-THD von über 100 % unter 8 % .

Nachteile von CVT-Getrieben sind ihre größere Größe, das hörbare Brummen und die hohe Wärmeentwicklung durch Sättigung.

Einige ferroresonante Transformatoren verfügen über eine aktive Steuerung. ^{[ 3 ]}

Spannungsregler oder -stabilisatoren dienen dem Ausgleich von Spannungsschwankungen im Stromnetz. Große Regler können fest an den Verteilleitungen installiert sein. Kleine, tragbare Regler werden zwischen empfindlichen Geräten und einer Wandsteckdose angeschlossen. Automatische Spannungsregler in Stromaggregaten sorgen für eine konstante Spannung bei Laständerungen. Der Spannungsregler gleicht die Laständerung aus. Spannungsregler für die Stromverteilung arbeiten üblicherweise in einem bestimmten Spannungsbereich, beispielsweise 150–240 V oder 90–280 V. ^{[ 4 ]}

Viele einfache Gleichstromnetzteile regeln die Spannung entweder mit Serien- oder Parallelreglern. Die meisten verwenden jedoch eine Spannungsreferenz mittels eines Parallelreglers, beispielsweise einer Zenerdiode , einer Lawinendurchbruchdiode oder einer Spannungsreglerröhre . Jedes dieser Bauteile beginnt bei einer bestimmten Spannung zu leiten und liefert so viel Strom, wie nötig ist, um die Klemmenspannung auf diesem Wert zu halten. Dies geschieht durch Ableitung von überschüssigem Strom einer nicht idealen Spannungsquelle gegen Masse, oft über einen Widerstand mit relativ niedrigem Wert , um die überschüssige Energie abzuführen. Das Netzteil ist so ausgelegt, dass es maximal einen Strom liefert, der innerhalb der sicheren Betriebsgrenze des Parallelreglers liegt.

Wenn der Stabilisator mehr Leistung bereitstellen muss, dient der Shunt-Ausgang lediglich dazu, die Standard-Spannungsreferenz für das elektronische Gerät, den sogenannten Spannungsstabilisator, bereitzustellen. Der Spannungsstabilisator ist das elektronische Gerät, das bei Bedarf deutlich höhere Ströme liefern kann.

Aktive Regler verwenden mindestens ein aktives (verstärkendes) Bauteil wie einen Transistor oder Operationsverstärker . Shuntregler sind oft (aber nicht immer) passiv und einfach, jedoch stets ineffizient, da sie den überschüssigen Strom, der der Last nicht zur Verfügung steht, im Wesentlichen ableiten. Bei höherem Leistungsbedarf kommen komplexere Schaltungen zum Einsatz. Im Allgemeinen lassen sich diese aktiven Regler in verschiedene Klassen einteilen:

• Lineare Serienregler
• Schaltregler
• SCR-Regler

Linearregler basieren auf Bauelementen, die in ihrem linearen Bereich arbeiten (im Gegensatz dazu basiert ein Schaltregler auf einem Bauelement, das als Ein-/Ausschalter fungiert). Linearregler werden außerdem in zwei Typen unterteilt:

1. Serienregler
2. Shuntregler

Früher wurden üblicherweise eine oder mehrere Elektronenröhren als variabler Widerstand verwendet. Moderne Schaltungen wie Shakti Servo nutzen stattdessen einen oder mehrere Transistoren , gegebenenfalls in einem integrierten Schaltkreis . Lineare Regler bieten den Vorteil eines sehr rauscharmen Ausgangssignals, sind aber meist deutlich weniger effizient und können die Eingangsspannung nicht wie Schaltnetzteile erhöhen oder invertieren. Alle linearen Regler benötigen eine höhere Eingangsspannung als die Ausgangsspannung. Nähert sich die Eingangsspannung der gewünschten Ausgangsspannung, fällt der Regler ab. Die Spannungsdifferenz zwischen Eingang und Ausgang, bei der dies geschieht, wird als Dropout-Spannung des Reglers bezeichnet. Low-Dropout-Regler (LDOs) ermöglichen eine deutlich niedrigere Eingangsspannung (d. h., sie verbrauchen weniger Energie als herkömmliche lineare Regler).

Vollständige Linearregler sind als integrierte Schaltungen (ICs) erhältlich. Diese Chips gibt es mit fester oder einstellbarer Spannung. Beispiele für integrierte Schaltungen sind der Universalregler 723 und die Serien 78xx /79xx.

Schaltregler schalten ein in Reihe geschaltetes Gerät schnell ein und aus. Das Tastverhältnis des Schalters bestimmt den mittleren Strom. Durch Anpassen des Tastverhältnisses (prozentuale Einschaltzeit) lässt sich der mittlere Strom anpassen, wenn der Laststrom die Spannung senkt.

Ein Schaltregler funktioniert ähnlich wie ein Ladegerät. Bei niedrigem Batteriestand wird das Ladegerät angeschlossen und lädt die Batterie. Bei hohem Ladestand schaltet sich das Ladegerät automatisch ab oder wird vom Netz getrennt. Ein Schaltregler schaltet üblicherweise Hunderte bis Zehntausende Male pro Sekunde automatisch ein und aus.

Das Tastverhältnis wird durch einen ähnlichen Rückkopplungsmechanismus wie bei einem Linearregler gesteuert. Da das Serienelement entweder vollständig leitet oder gesperrt ist, verbraucht es nahezu keine Leistung; dies verleiht dem Schaltregler seine Effizienz. Schaltregler können zudem Ausgangsspannungen erzeugen, die höher als die Eingangsspannung sind oder eine entgegengesetzte Polarität aufweisen – etwas, das mit einem Linearregler nicht möglich ist. In Schaltreglern wird der Durchlasstransistor als „gesteuerter Schalter“ verwendet und entweder im Sperr- oder im Sättigungsbereich betrieben. Daher erfolgt die durch den Durchlasstransistor übertragene Leistung in diskreten Impulsen und nicht als konstanter Stromfluss. Durch den Betrieb des Durchlasstransistors als niederohmiger Schalter wird eine höhere Effizienz erzielt. Im Sperrzustand fließt kein Strom und es wird keine Leistung verbraucht. Im Sättigungsbereich des Durchlasstransistors tritt ein vernachlässigbarer Spannungsabfall auf, wodurch nur eine geringe mittlere Leistung verbraucht wird und der maximale Strom an die Last abgegeben wird. In beiden Fällen ist der Leistungsverlust im Durchlasstransistor sehr gering, und nahezu die gesamte Leistung wird an die Last übertragen. Der Wirkungsgrad eines Schaltnetzteils ist daher bemerkenswert hoch – er liegt im Bereich von 70–90 %.

Schaltregler nutzen Pulsweitenmodulation (PWM), um den Mittelwert der Ausgangsspannung zu steuern. Der Mittelwert einer Impulsfolge hängt von der Fläche unter der Impulskurve ab. Bei Änderung des Tastverhältnisses ändert sich die mittlere Spannung proportional.

Ähnlich wie Linearregler sind auch nahezu vollständige Schaltregler als integrierte Schaltungen (ICs) erhältlich (z. B. LM2676 , TEA1566 Greenchip , 555 ). Im Gegensatz zu Linearreglern benötigen diese üblicherweise eine Induktivität für die Aufwärtswandlung oder einen Kondensator für die Abwärtswandlung, der als Energiespeicher dient. ^{[ 5 ] [ 6 ]} Die IC-Regler kombinieren die Referenzspannungsquelle, den Fehler-Operationsverstärker und den Durchlasstransistor mit Kurzschlussstrombegrenzung und Überhitzungsschutz.

Schaltregler sind anfälliger für Eingangs- und Ausgangsrauschen sowie Instabilität als Linearregler. Sie bieten jedoch eine deutlich höhere Energieeffizienz.

Regler, die über Wechselstromkreise gespeist werden, können Thyristoren (SCRs) als Reihenschaltung verwenden. Sobald die Ausgangsspannung unter den Sollwert fällt, wird der Thyristor gezündet und lässt Strom zur Last fließen, bis die Netzspannung den Nulldurchgang durchläuft (und damit die Halbperiode beendet ist). Thyristorregler sind sehr effizient und einfach aufgebaut. Da sie jedoch eine laufende Halbperiode nicht beenden können, ist ihre Spannungsregelung bei schnell wechselnden Lasten nicht sehr präzise. Eine Alternative ist der Thyristor-Shuntregler, der den Reglerausgang als Zündimpuls nutzt. Sowohl Reihen- als auch Shuntregler sind zwar rauschbehaftet, aber aufgrund des geringen Einschaltwiderstands des Thyristors leistungsstark.

Viele Netzteile nutzen mehrere Regelungsverfahren in Reihe. Beispielsweise kann die Ausgangsspannung eines Schaltreglers durch einen Linearregler weiter geregelt werden. Der Schaltregler verarbeitet einen weiten Eingangsspannungsbereich und erzeugt effizient eine (etwas verrauschte) Spannung, die leicht über der gewünschten Ausgangsspannung liegt. Darauf folgt ein Linearregler, der die exakte Sollspannung erzeugt und das vom Schaltregler erzeugte Rauschen nahezu vollständig eliminiert . Andere Konstruktionen verwenden einen Thyristor-Regler als Vorregler, gefolgt von einem weiteren Regler. Eine effiziente Methode zur Realisierung eines Netzteils mit variabler und präziser Ausgangsspannung ist die Kombination eines Transformators mit mehreren Anzapfungen mit einem einstellbaren Linearregler als Nachregler.

Im einfachsten Fall wird ein Basisverstärker verwendet, bei dem die Basis des Regeltransistors direkt mit der Spannungsreferenz verbunden ist:

Ein einfacher Transistorregler liefert eine relativ konstante Ausgangsspannung U _{_out} bei Änderungen der Eingangsspannung U _{_in} der Stromquelle und bei Änderungen der Last R_{_L} , vorausgesetzt, dass U _{_in} U _{_out} um einen ausreichenden Abstand übersteigt und die Belastbarkeit des Transistors nicht überschritten wird.

Die Ausgangsspannung des Stabilisators entspricht der Zenerdiodenspannung abzüglich der Basis-Emitter-Spannung des Transistors, U _{_Z} − U_{_BE} , wobei U _{_BE} bei einem Siliziumtransistor üblicherweise etwa 0,7 V beträgt und vom Laststrom abhängt. Fällt die Ausgangsspannung aus einem externen Grund ab, beispielsweise durch eine Erhöhung des Laststroms (wodurch die Kollektor-Emitter-Spannung gemäß der Kirchhoffschen Maschenregel ansteigt), erhöht sich die Basis-Emitter-Spannung ( U _{_BE} ) des Transistors. Dadurch wird der Transistor weiter leitend und liefert mehr Strom, wodurch die Lastspannung wieder ansteigt.

R _{_v} liefert einen Ruhestrom für die Zenerdiode und den Transistor. Der Diodenstrom ist minimal, wenn der Laststrom maximal ist. Der Schaltungsentwickler muss eine minimale, tolerierbare Spannung an R_{_v} wählen . Dabei ist zu beachten, dass mit steigender Spannungsanforderung die erforderliche Eingangsspannung U _{_in steigt und somit der Wirkungsgrad des Reglers sinkt. Niedrigere Werte von} R_{_v} führen hingegen zu einer höheren Verlustleistung in der Diode und zu schlechteren Reglereigenschaften. ^{[ 7 ]}

R _v ist gegeben durch

${\displaystyle R_{\text{v}}={\frac {\min V_{R}}{\min I_{\text{D}}+\max I_{\text{L}}/(h_{\text{FE}}+1)}},}$

Wo

min V _R ist die minimale Spannung, die an R _v aufrechterhalten werden muss .

min I _D ist der minimale Strom, der durch die Zenerdiode fließen muss.

max I _L ist der maximale Auslegungslaststrom.

hFE ist die Vorwärtsstromverstärkung des Transistors ( I _C / I _B ) _. ^{[ 7 ]}

Die Stabilität der Ausgangsspannung kann durch den Einsatz eines Differenzverstärkers , beispielsweise eines Operationsverstärkers , deutlich erhöht werden :

In diesem Fall steuert der Operationsverstärker den Transistor mit höherem Strom an, wenn die Spannung an seinem invertierenden Eingang unter die Ausgangsspannung der Referenzspannung am nicht-invertierenden Eingang fällt. Mithilfe des Spannungsteilers (R1, R2 und R3) lässt sich die Ausgangsspannung beliebig zwischen U_{_z} und U_{_in} wählen .

Die Ausgangsspannung kann nur innerhalb bestimmter Grenzen konstant gehalten werden. Die Regelung wird durch zwei Messungen spezifiziert:

• Die Lastregelung ist die Änderung der Ausgangsspannung bei einer gegebenen Änderung des Laststroms (zum Beispiel „typischerweise 15 mV, maximal 100 mV für Lastströme zwischen 5 mA und 1,4 A, bei einer bestimmten Temperatur und Eingangsspannung“).
• Die Netzspannungsregelung bzw. Eingangsspannungsregelung ist das Ausmaß, in dem sich die Ausgangsspannung mit Änderungen der Eingangsspannung (Versorgungsspannung) ändert – als Verhältnis der Änderung der Ausgangsspannung zur Änderung der Eingangsspannung (zum Beispiel „typischerweise 13 mV/V“) oder als Änderung der Ausgangsspannung über den gesamten angegebenen Eingangsspannungsbereich (zum Beispiel „plus oder minus 2 % für Eingangsspannungen zwischen 90 V und 260 V, 50–60 Hz“).

Weitere wichtige Parameter sind:

• Der Temperaturkoeffizient der Ausgangsspannung ist die Änderung mit der Temperatur (möglicherweise gemittelt über einen bestimmten Temperaturbereich).
• Die Anfangsgenauigkeit eines Spannungsreglers (oder einfach "die Spannungsgenauigkeit") gibt den Fehler in der Ausgangsspannung eines festen Reglers an, ohne Berücksichtigung von Temperatur- oder Alterungseffekten auf die Ausgangsgenauigkeit.
• Misst die temperaturinduzierte Drift : Sie quantifiziert, wie stark die Ausgangsspannung aufgrund von Temperaturschwankungen abdriftet.
• Der Mittelwert des Temperaturkoeffizienten (tempco) ist im Allgemeinen ein Durchschnitt über den angegebenen Betriebstemperaturbereich und keine inkrementelle Steigung , die an einem einzelnen Punkt gemessen wird.
• Die Ausfallspannung ist die minimale Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung, bei der der Regler noch den spezifizierten Strom liefern kann. Die Eingangs-Ausgangs-Differenz, bei der der Spannungsregler die Regelung nicht mehr gewährleisten kann, ist die Ausfallspannung. Eine weitere Reduzierung der Eingangsspannung führt zu einer reduzierten Ausgangsspannung. Dieser Wert ist abhängig vom Laststrom und der Sperrschichttemperatur.
• Der Einschaltstrom , auch Eingangsstromstoß oder Einschaltstoß genannt, ist der maximale, kurzzeitige Eingangsstrom, der von einem elektrischen Gerät beim Einschalten aufgenommen wird. Er dauert üblicherweise nur eine halbe Sekunde oder wenige Millisekunden, ist aber oft sehr hoch. Dies kann gefährlich sein, da er Bauteile über Monate oder Jahre hinweg allmählich beschädigen und zerstören kann, insbesondere ohne Einschaltstromschutz. Wechselstromwandler oder Elektromotoren in automatischen Spannungsreglern können beim Einschalten für einige Perioden der Eingangsspannung ein Vielfaches ihres normalen Nennstroms aufnehmen und abgeben. Auch Stromrichter weisen aufgrund des Ladestroms der Eingangskapazität oft Einschaltströme auf, die deutlich über ihren Dauerstrom liegen.
• Für Reglerkomponenten werden absolute Maximalwerte definiert, die die zulässigen kontinuierlichen und maximalen Ausgangsströme (manchmal intern begrenzt), die maximale Eingangsspannung, die maximale Verlustleistung bei einer bestimmten Temperatur usw. angeben.
• Ausgangsrauschen (thermisches weißes Rauschen ) und dynamische Ausgangsimpedanz können als Diagramme über der Frequenz angegeben werden, während Ausgangswelligkeitsrauschen ( Netzbrummen oder Schaltnetzteilrauschen) als Spitze-Spitze- oder Effektivspannungen oder in Form ihrer Spektren angegeben werden kann .
• Der Ruhestrom in einem Reglerschaltkreis ist der intern verbrauchte Strom, der der Last nicht zur Verfügung steht. Er wird normalerweise als Eingangsstrom gemessen, wenn keine Last angeschlossen ist, und ist daher eine Quelle der Ineffizienz (überraschenderweise sind einige Linearregler deshalb bei sehr niedrigen Lastströmen effizienter als Schaltregler).
• Das Einschwingverhalten beschreibt die Reaktion eines Reglers auf eine (plötzliche) Änderung des Laststroms (Lasttransiente ) oder der Eingangsspannung (Netztransiente ) . Manche Regler neigen zu Schwingungen oder weisen eine langsame Ansprechzeit auf, was unter Umständen zu unerwünschten Ergebnissen führen kann. Dieser Wert unterscheidet sich von den Regelparametern, da diese den stabilen Zustand definieren. Das Einschwingverhalten zeigt das Verhalten des Reglers bei einer Änderung. Diese Daten sind üblicherweise in der technischen Dokumentation des Reglers angegeben und hängen auch von der Ausgangskapazität ab.
• Der Spiegelbild-Einfügeschutz bedeutet, dass ein Regler so ausgelegt ist, dass er auch dann funktioniert, wenn an seinem Ausgangspin eine Spannung anliegt, die üblicherweise nicht höher als die maximale Eingangsspannung des Reglers ist, während sein Eingangsanschluss auf niedrigem Niveau, potenzialfrei oder geerdet ist. Manche Regler können diese Situation dauerhaft überstehen. Andere hingegen nur für eine begrenzte Zeit, beispielsweise 60 Sekunden (üblicherweise im Datenblatt angegeben). Diese Situation kann beispielsweise auftreten, wenn ein Dreipolregler falsch auf einer Leiterplatte montiert ist, sodass der Ausgangsanschluss mit dem ungeregelten Gleichstromeingang und der Eingang mit der Last verbunden ist. Der Spiegelbild-Einfügeschutz ist auch wichtig, wenn ein Regler in Batterieladeschaltungen verwendet wird, falls die externe Stromversorgung ausfällt oder nicht eingeschaltet ist und der Ausgangsanschluss auf Batteriespannung verbleibt.

• Laderegler
• Konstantstromregler
• DC-zu-DC-Wandler
• Liste der integrierten Schaltkreise der LM-Serie
• Drittbürsten-Dynamo
• Spannungskomparator
• Spannungsreglermodul

• Handbuch für lineare und Schaltspannungsregler ; ON Semiconductor; 118 Seiten; 2002; HB206/D. (Kostenloser PDF-Download)