78xx-spanningsregelaar

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 wordt vaak een adapter gebruikt die van netspanning een bepaalde gelijkspanning maakt. Vele adapters bevatten echter een goedkope transformator waardoor de spanning met grote belasting veel lager kan zijn dan de spanning met kleine belasting. Niet elke elektronische schakeling kan deze grote spanningsverschillen verdragen. Door een 78xx-IC in de schakeling op te nemen is van de variabele (of te hoge) spanning van de adapter een vaste lagere spanning te 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 100 mA 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.

U_uit [V]	I_uit-max = 100mA	I_uit-max = 1 A	I_uit-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, die identiek zijn aan de 78xx-spanningsregelaars, maar deze leveren een negatieve spanning.

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 afgenomen wordt. Het IC laten afkoelen of de belasting wegnemen zal ervoor 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 met de volgende formule het door de 78xx gedissipeerde vermogen berekenen:

$P_{78xx}=(U_{in}-U_{uit})\cdot I_{belasting}$

Als de 78xx een groot vermogen moet dissiperen (omzetten in warmte) moet er rekening mee gehouden worden dat men een koelplaat van de juiste grootte bevestigt.

Spanningsstabilisatie

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

Schema 1: Basiswerking van zenerdiode

Als men een zenerdiode in ster aansluit (zie schema 1), in serie met een weerstand aan een bron, dan zal er een spanning over de zenerdiode staan. Deze spanning verandert vrijwel 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

De basis van de transistor wordt aangesloten 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 dan U_Zener. De stroom van de belasting zal nu niet meer door de zenerschakeling lopen maar door de transistor. De zenerspanning zal dus constant blijven.

Stroombeperking

De 78xx-regelaar heeft enkele ingebouwde veiligheden. Zo zal hij ervoor zorgen dat de maximumstroom nooit overschreden kan worden. Schema 3 geeft een principeschema 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 ervoor zorgen dat U_b1 stijgt en T₁ meer in doorlaat gaat wat er dan weer voor zorgt dat U_uit stijgt. De uitgangsspanning zal zich dus stabiliseren 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.

De 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

Schema 4 is 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 staat U_in, hier wordt een voeding op aangesloten, deze voeding mag een wisselspanning of gelijkspanning 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 de gelijkspanning verkeerd wordt aangesloten, de voeding niet zal beschadigen. De condensatoren C₁, C₂, C₃, en C₄ zijn afvlakcondensatoren. De spanningsregelaar VR₁ zorgt ervoor dat de spanning U_uit steeds 5 volt is.

Afvlakcondensatoren

Een afvlakcondensator is te herkennen doordat deze parallel met de voeding staat. Zo zijn alle condensatoren in het schema afvlakcondensatoren. Toch zijn twee types te onderscheiden; de afvlakcondensatoren voor laagfrequente rimpel en die voor 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 elektrolytische condensatoren (elco's) genomen omdat deze een relatief grote capaciteit hebben. Volgende figuur laat zien wat deze afvlakcondensatoren doen met een wisselspanning aangesloten volgens schema 4:

Figuur 2: Enkelzijdige gelijkgerichte wisselspanning met afvlakcondensator

De volle lijn geeft de spanning voor de 7805 weer als de condensator C₁ niet gebruikt wordt. De stippellijn geeft het spanningsverloop aan als C₁ wel gebruikt wordt. 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 spanning 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 2200 µF capaciteit voorziet. Dit schema is dus berekend op ongeveer 100 mA.

Wegwerken van hoogfrequente rimpel

Door allerlei effecten (instraling, snel schakelende belasting e.d.) kan er (hoogfrequente) ruis opgevangen worden die de gelijkspanning vervuilt. Dit kan zorgen voor een onzekere werking van de aangesloten componenten. De opgevangen ruis zorgt ervoor dat er een wisselspanningscomponent wordt toegevoegd aan de gelijkspanning.

Figuur 3: Gelijkspanning met hoogfrequente wisselspanningscomponent

Het is dus van groot belang dat de voedingsspanning vrijgemaakt 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 wisselspanningscomponent wordt kortgesloten naar de massa.

Externe links

Datasheet van de LM7805 van 'Fairchild Semiconductor'