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Mehr über Linearregler
Als präzise Spannungsquellen in der Elektronik stabilisieren Linearregler Gleichspannungen für empfindliche Schaltungen. Sie werden als Halbleiter integriert und arbeiten im linearen Bereich eines Transistors. Das Bauelement begrenzt den Spannungsabfall, sodass nach der Gleichrichtung eine definierte Ausgangsschiene bereitsteht. Die geringe Störneigung prädestiniert diesen Regler für Standardanwendungen in Messsystemen und Audiosystemen, in denen selbst kleine Spannungsfluktuationen hör- oder messbar sind.
Funktionsweise und Architektur
Regelkreis, Wirkprinzip und Störunterdrückung
Im Kern agiert der Serientransistor als variabler Widerstand, der Überspannung in Wärme umsetzt. Ein Rückkopplungspfad mit Referenzquelle wertet die Ausgangsspannung aus, liefert fortlaufendes Feedback und justiert den Durchlass. Die geschlossene Regelung umfasst eine präzise Überwachung der Ausgangsschiene und wirkt als Blocker gegen breitbandige Störung, weil keine hochfrequenten Schaltflanken entstehen. Spannungsspitzen, die bei Lastwechseln auftreten könnten, werden durch die schnelle Regeldynamik abgeflacht.
Einbindung im Netzteilpfad und Kennwerte
Typischerweise folgt der Regler auf Leistungstransformator, Gleichrichter und Siebelko. Low-Dropout-Regler (LDO) halten die Regelung bereits bei geringer Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsschiene. Werte unter 200 mV bei 1 A sind gängig. Moderne Bausteine benötigen im Leerlauf unter 100 µA Ruhestrom. Leitungsregelung um 0,01 %/V und Lastregelung nahe 0,05 %/A zeigen, wie eng die Ausgangstoleranz geführt wird.
- Rauscharmut: Sehr geringe spektrale Störanteile, die empfindliche Stufen begünstigen.
- Einfachheit: Wenige externe Komponenten und klarer Regelpfad.
- Transientenverhalten: Schnelles Nachführen bei Lastsprüngen.
- Geringe Abstrahlung: Minimaler Bedarf an zusätzlicher Filterung.
Eigenschaften und Kennzahlen
Toleranzen, Rauschpegel und Spannungsqualität
Präzisionsvarianten spezifizieren die Ausgangsspannung über Temperatur und Last mit ±1 %. Neben dem statischen Fehler zählen Spektralrauschen und Power-Supply-Rejection im interessierenden Frequenzband. Für empfindliche Signalpfade wie in der Messtechnik oder bei Audioverstärkern ist die Kombination aus geringer Welligkeit und hoher Unterdrückung von Einkopplungen entscheidend für eine rauscharme Versorgung.
Thermik und Wirkungsgradbetrachtung
Die Verlustleistung ergibt sich aus (Vin − Vout) × Iout und muss über das Layout abgeführt werden. Ein Wärmewiderstand RthJA um 40 K/W für ein SOIC-8-Gehäuse dient als Richtwert. Hohe Eingangsspannungen bei großen Strömen erfordern Kühlflächen oder Gehäuse mit niedrigem Wärmewiderstand. In der Anlagenperspektive wirken einfache Strukturen positiv auf die Ausfallraten und damit auf die OEE, während die TCO wegen der Abwärme bei ungünstigen Spannungsverhältnissen zu berücksichtigen ist.
Auswahl und Anwendung
Entscheidungsparameter für die Applikation
Die Wahl richtet sich nach Ausgangsspannung, Nennstrom, Dropout, Ruhestrom und gefordertem Rauschbudget. Für batteriegetriebene Geräte sind geringe Eigenaufnahme und niedrige Dropout-Spannung vorteilhaft. Transientenfestigkeit und Soft-Start schützen Lasten vor Überschwingern. Schnittstellen zur Spannungsüberwachung erleichtern Diagnose und Sequenzierung komplexer Systeme.
- Ausgangsspezifikation: Toleranzband, Temperaturbereich, Referenz-Drift.
- Dynamik: Regelschleifenbandbreite, Startverhalten, Strombegrenzung.
- Thermik: Gehäuse, Leiterplattenfläche, Lastprofil.
- Schnittstellen: Enable-Pin, Power-Good, Telemetrie für Überwachung.
Fallbeispiel 1: Ein Datenerfassungsmodul speist einen 3,3-V-Sensorpfad mit 150 mA aus 5 V. Ein LDO mit 180 mV Dropout begrenzt die Verlustleistung auf 0,27 W und hält das Rauschen im kHz-Bereich niedrig, wodurch nachgelagerte Operationsverstärker ohne zusätzliche Filtermöglichkeit auskommen. Die Produktwahl erfolgt anhand Datenblattkurven. Eine präzise Produktabbildung erleichtert das Footprint-Matching.
Fallbeispiel 2: In einem Steuergerät der Fahrzeugklasse werden CAN-Transceiver und Mikrocontroller mit separaten Reglern versorgt. Die robuste Strombegrenzung und Thermoabschaltung stabilisieren den Betrieb bei Lastspitzen von Injektor-Treibern. In sicherheitskritischen Pfaden der Medizintechnik werden daneben Zulassungen und Rückwirkungsfreiheit auf Sensorströme geprüft.
Abgrenzung zu alternativen Konzepten
Wo ein hoher Spannungsabfall bei großem Laststrom vorliegt, erzielt ein Wandler mit Induktivität meist einen besseren Wirkungsgrad. Ein Schaltregler reduziert dabei die Wärmeabgabe erheblich, verlangt jedoch mehr Bauteile und Sorgfalt beim Layout. Historische oder einfache Lösungen nutzen gelegentlich einen Stufenschalter zur groben Spannungsanpassung, während der lineare Pfad die Feinstabilisierung übernimmt.
Vergleich und Marktüberblick
Gegenüberstellung zentraler Eigenschaften
| Eigenschaft | Linearregler | Getaktete Lösung |
|---|---|---|
| Wirkungsgrad | Begrenzt durch (Vin − Vout) × I | Hoch bei großer Spannungsdifferenz |
| Rauschen | Niedriges Breitbandspektrum | Schaltflanken erfordern Filter |
| Komplexität | Wenige externe Teile | Induktivität, Dioden, Controller |
| Größe | Kompakt, Kühlfläche einplanen | Höhere Leistungsdichte möglich |
| Wärmeabgabe | Direkte Umsetzung in Verlustleistung | Geringere Erwärmung |
| Anwendungsprofil | Signalpfade, Sensoren | Hochstrom, Vorregelung |
Hersteller, Qualität und Service
Führende Anbieter sind Analog Devices, Texas Instruments, STMicroelectronics, Infineon Technologies, NXP Semiconductors, Diodes Incorporated, Microchip Technology, Renesas Electronics, Vishay Intertechnology, ON Semiconductor und Richtek Technology. Strenge Qualitätsstandard und branchenspezifische Zertifizierungen sichern die Eignung für Automotive und klinische Geräte. Verlässlicher Support umfasst Referenzdesigns, Thermikhinweise und Layoutregeln. Praxisnahe Appnotes klären Mischkonzepte aus Linearzweig und getakteter Vorstufe oder Stufenschalter.
Für robuste Implementierungen empfiehlt sich eine konsequente Stabilitätsanalyse des Regelkreises, eine thermische Dimensionierung anhand realer Lastprofile sowie eine saubere Masseführung zur Minimierung von Einkopplungen. Sorgfältige Spannungssequenzierung, konsistente Bauteiltoleranzen und Power-Good-Überwachung sichern die Startbedingungen komplexer System-on-Modules und verhindern Fehlerfortpflanzung in mehrstufigen Versorgungsketten.
FAQ zu Linearregler
Warum werden Linearregler trotz ihres niedrigeren Wirkungsgrads in bestimmten Anwendungen bevorzugt?
Linearregler bieten sehr geringe Rauschwerte und reagieren schnell auf Laständerungen. Sie erzeugen keine hochfrequenten Schaltstörungen, die empfindliche analoge oder HF-Schaltungen beeinflussen könnten. Ihre einfache Struktur und der geringe Bedarf an externen Komponenten verringern Designaufwand und Fehlerquellen. Dies ist besonders wichtig in Präzisionsmesstechnik, Audiotechnik und medizinischen Geräten, bei denen Signalintegrität entscheidend ist.
Welche Konstruktionsfehler bei Layout und Dimensionierung von Linearreglern verursachen typische Betriebsprobleme
Häufige Ursachen sind eine unzureichende thermische Auslegung, die zu Überhitzung und Ausfall führen kann, sowie eine fehlerhafte Masseführung, die Rauschen einkoppelt und die Regelstabilität mindert. Ebenso beeinträchtigt die Wahl ungeeigneter Ein- oder Ausgangskondensatoren mit falschem ESR oder Kapazitätswert die Stabilität. Dies zeigt sich meist durch Schwingungen oder eine verzögerte Reaktion auf Laständerungen.
Wie beeinflusst die Auswahl externer Kondensatoren die Stabilität eines Linearreglers?
Der Ausgangskondensator stabilisiert den Regelkreis und stellt bei Lastsprüngen schnell Energie bereit. Seine äquivalente Serienwiderstand (ESR) ist für die Regelstabilität entscheidend; zu hohe oder zu niedrige ESR-Werte können Schwingungen verursachen. Der Eingangskondensator glättet die Versorgungsspannung und verringert das Spannungsripple, was die Leistungsfähigkeit des Reglers verbessert. Keramikkondensatoren mit niedrigem ESR sind oft vorteilhaft, ihr Spannungskoeffizient muss jedoch berücksichtigt werden.
In welchen neuen Einsatzfeldern gewinnen Spannungsregler an Bedeutung?
Spannungsregler werden zunehmend in batteriebetriebenen IoT-Sensorknoten eingesetzt, um durch geringen Ruhestrom die Laufzeit zu verlängern. In tragbaren Medizingeräten sichern sie präzise und rauscharme Spannungsversorgungen für empfindliche Biosensoren. In der Automotive-Elektronik stabilisieren sie kritische ECU-Komponenten bei schwankenden Bordnetzbedingungen. Zudem sorgen sie in High-End-Audio-Streaming-Geräten für eine unverfälschte Signalwiedergabe.
Wie erhöhen LDO-Regler die Batterielaufzeit in tragbaren Geräten?
LDO-Regler besitzen einen sehr niedrigen Ruhestrom im Mikroampere-Bereich und verringern dadurch die Batterieentladung im Leerlauf. Ihre Fähigkeit, bereits bei geringer Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung zu regeln, ermöglicht eine effiziente Nutzung der verbleibenden Batteriekapazität. So kann das Gerät auch bei sinkender Spannung länger betrieben werden, bevor die Abschaltschwelle erreicht ist. Einige Modelle bieten zusätzlich programmierbare Abschaltfunktionen zur weiteren Verlängerung der Standby-Zeit.
Sind lineare Spannungsregler bei stark schwankender Eingangsspannung effizient einsetzbar?
Lineare Spannungsregler halten die Ausgangsspannung stabil, solange die Eingangsspannung über der Ausgangsspannung plus Dropout-Spannung liegt. Steigt die Eingangsspannung jedoch deutlich an, erhöht sich die Verlustleistung und damit die Wärmeentwicklung, was den Wirkungsgrad mindert. Bei großen Spannungsschwankungen ist eine vorgeschaltete Stufe mit einem Schaltregler meist die effizientere Lösung.
Welche fortschrittlichen Verfahren minimieren Stromversorgungsrauschen am effektivsten?
Rauscharmes Design lässt sich durch lineare Niedrigrauschregler und aktive Filter erreichen, die mit Operationsverstärkern und passiven Komponenten Restwelligkeit und Breitbandrauschen unterdrücken. Gyrator-Schaltungen simulieren hohe Induktivitäten und wirken als effektive Tiefpassfilter. In besonders anspruchsvollen Anwendungen werden zudem diskrete, speziell abgestimmte Schaltungen eingesetzt, die ein geringeres Rauschniveau als integrierte Lösungen erzielen.
Hintergrund: Linearregler
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Linearregler Wikipedia
Die Wikipedia-Seite erklärt Spannungsregler: Linearregler (inkl. LDO) stabilisieren Gleichspannungen mit Regelkreis und Transistor, sind rauscharm, aber verlustbehaftet; Schaltregler arbeiten effizienter, erzeugen jedoch Störungen. Anwendungen, Schutzfunktionen und 78xx/LM317 werden beschrieben.