Längsregler mit Z-Diode und Transistor

Die Spannungsstabilisierung mit Z-Diode stößt schnell an ihre Grenze: Ab etwa 20 mA muss die Diode im Leerlauf so viel Leistung schlucken, dass es unhandlich wird. Die Lösung ist ein Transistor, der den Laststrom übernimmt. Die Z-Diode gibt nur noch die Sollspannung vor und führt einen kleinen, fast konstanten Strom; der Transistor sitzt als Emitterfolger in der Plusleitung und liefert den Strom. Weil er in Reihe zur Last liegt, heißt die Schaltung Längsregler oder Serienregler.

Genau so sind im Kern auch die integrierten Spannungsregler aufgebaut. Diskret lohnt sich die Schaltung, wenn du eine ungewöhnliche Spannung brauchst, Teile aus der Bastelkiste verwenden willst oder verstehen möchtest, was im 7805 passiert.

Schaltplan

• T1, BD139-16: der Längstransistor, ein NPN-Transistor im TO-126-Gehäuse für 1,5 A und 80 V. Er setzt die Spannungsdifferenz in Wärme um und braucht einen kleinen Kühlkörper.
• D1, 1N4740A: Z-Diode 10 V, 1 W, DO-41. Sie hält die Basis auf fester Spannung.
• R1, 180 Ω, 0,5 W: versorgt Z-Diode und Basis.
• R2, 1,8 kΩ: Grundlast. Sie hält T1 auch ohne Last leitend, sonst stiege die Ausgangsspannung durch Leckströme langsam bis auf 10 V.
• C1, 100 µF, 25 V: Pufferelko direkt am Regler, auch wenn das Netzteil schon einen Siebelko hat.
• C3, 10 µF, 16 V: fängt schnelle Laststöße ab.

So funktioniert die Schaltung

T1 arbeitet als Emitterfolger: Sein Emitter folgt der Basisspannung im Abstand der Basis-Emitter-Spannung von etwa 0,7 V. Die Basis liegt fest auf 10 V, also stellt sich der Ausgang auf rund 9,3 V ein:

Will die Last mehr Strom, sinkt die Ausgangsspannung ein wenig, U_BE wird größer, und T1 leitet stärker – bis das Gleichgewicht wieder stimmt. Die Z-Diode merkt davon kaum etwas: Sie muss nur den Basisstrom liefern, und der ist um die Stromverstärkung h_FE kleiner als der Laststrom. Darum heißt der Emitterfolger auch Impedanzwandler: Aus Sicht der Last wirkt die Z-Diode wie eine Konstantspannungsquelle mit sehr kleinem Innenwiderstand.

Die überschüssige Spannung fällt zwischen Kollektor und Emitter ab. Dort entsteht die Wärme: P = (U_E − U_A) · I_L. Das ist das Wesen jedes Linearreglers, ob diskret oder integriert.

Wie gut die Regelung über den Eingangsbereich hält und wo sie aufhört, zeigt die Kennlinie:

Dimensionierung

Gegeben: ein unstabilisiertes 12-V-Steckernetzteil, das je nach Last und Brumm zwischen 12,5 V und 17 V liefert. Gesucht: rund 9 V für bis zu 300 mA, etwa für ein Effektgerät oder einen kleinen Verstärker.

1. Z-Spannung. Für U_A ≈ 9,3 V passt eine 10-V-Diode. Die 1N4740A ist für 25 mA spezifiziert, hat dort r_Z ≤ 7 Ω und verträgt 1 W.

2. Transistor und Basisstrom. Der BD139-16 garantiert bei 150 mA eine Stromverstärkung von mindestens 100, bei 500 mA aber nur noch 25. Für 300 mA rechnest du vorsichtig mit h_FE,min = 40:

3. Vorwiderstand. Bei der kleinsten Eingangsspannung muss R1 den Basisstrom und mindestens 5 mA für die Diode liefern:

Du nimmst den nächstkleineren Wert der E12-Reihe, 180 Ω. Bei 12,5 V fließen dann 13,9 mA, für die Diode bleiben 6,4 mA.

4. Z-Diode im Leerlauf. Bei 17 V ohne Last braucht T1 fast keinen Basisstrom, der ganze Strom geht durch die Diode:

Für die 1-W-Diode ist das entspannt, eine 500-mW-Diode im Glasgehäuse wäre bei warmer Umgebung zu knapp. R1 bekommt 0,5 W.

5. Grundlast. Durch R2 sollen etwa 5 mA fließen: R₂ = 9,3 V / 5 mA ≈ 1,86 kΩ, gewählt 1,8 kΩ. Das kostet 48 mW.

6. Verlustleistung im Transistor. Im ungünstigsten Fall liefert das Netzteil trotz 300 mA Last noch 17 V:

7. Kühlkörper. Ohne Kühlkörper hat das TO-126 einen Wärmewiderstand von 100 K/W; T1 würde um 230 K wärmer als die Umgebung. Mit 40 °C Umgebung und höchstens 150 °C Sperrschicht darf der gesamte Wärmewiderstand höchstens (150 °C − 40 °C) / 2,3 W ≈ 48 K/W betragen. Davon gehen 10 K/W ins Gehäuse und etwa 1 K/W in die Wärmeleitfolie. Der Kühlkörper braucht also höchstens 37 K/W – ein kleiner Aufsteck- oder Fingerkühlkörper mit 20 bis 25 K/W reicht mit Reserve. Den Rechner nutzt du genauso wie für einen Regler-IC:

Bauteilliste

Varianten

Strombegrenzung. Ein Kurzschluss am Ausgang zerstört T1 in Sekunden. Abhilfe: ein Messwiderstand R_S = 1,5 Ω in der Emitterleitung und ein BC547, dessen Basis-Emitter-Strecke über R_S liegt und dessen Kollektor an die Basis von T1 geht. Ab 0,65 V / 1,5 Ω ≈ 0,43 A zieht er den Basisstrom ab. Dauerkurzschlussfest ist die Schaltung damit noch nicht: T1 müsste dann 17 V · 0,43 A ≈ 7 W abführen. Wie man das richtig löst, zeigt die elektronische Sicherung.

Mehr Strom. Für 1 A und mehr nimmst du einen Darlington-Transistor wie den BD679 oder einen TIP120. Der Basisstrom sinkt um den Faktor 20 bis 50, aber U_BE steigt auf etwa 1,4 V: Für 9 V Ausgang brauchst du dann eine Z-Diode mit 10 V plus eine Diode in Reihe, und die Mindest-Eingangsspannung steigt.

Genauere Spannung. Ersetzt du die Z-Diode durch einen TL431 als Spannungsreferenz mit Teiler vom Ausgang, regelt die Schaltung auf den Ausgang statt auf die Basis. U_BE und seine Temperaturdrift fallen dann heraus.

Lieber gleich ein IC. Für feste 5, 9 oder 12 V bis 1 A ist ein Festspannungsnetzteil mit 7805/7812 kleiner, genauer und kurzschlussfest. Für einstellbare Spannungen gibt es das einstellbare Netzteil mit LM317.

Typische Fehler

• Ausgang bleibt bei 0,7 V unter der Eingangsspannung oder schwingt: Kollektor und Emitter vertauscht. Der BD139 ist E-C-B belegt, von der beschrifteten Seite gesehen; der Kollektor liegt auch am Metallrücken.
• Kühlkörper unter Spannung: Der Rücken des TO-126 ist mit dem Kollektor verbunden. Berührt der Kühlkörper Masse, ist der Eingang kurzgeschlossen. Isolierscheibe und Isolierbuchse verwenden.
• Spannung bricht bei Volllast ein: Die Eingangsspannung sinkt im Brummtal unter 12,5 V. Miss mit dem Oszilloskop am Eingang, nicht mit dem Multimeter – es zeigt nur den Mittelwert. Größerer Siebelko im Netzteil hilft.
• Ohne Last zu hohe Spannung: R2 fehlt. Der Ausgang steigt auf fast 10 V.
• Z-Diode wird heiß: Leerlauf bei höchster Eingangsspannung vergessen. Hier ist das die 0,39 W aus Schritt 4.

Selbsttest