Der Spannungsregler 7805 ist einer der am weitesten verbreiteten Linearregler zur Erzeugung einer stabilen +5 V-Versorgung. Es ist bekannt für seine Einfachheit, Zuverlässigkeit und seinen integrierten Schutz und bleibt eine vertrauenswürdige Wahl. Von Mikrocontroller-Platinen bis hin zu Sensorschaltungen gewährleistet der 7805 eine gleichbleibende Leistung sowohl in Bildungs- als auch in professionellen Elektronikprojekten.
Was ist der Spannungsregler 7805?
Der 7805 ist ein klassischer Linearregler mit festem Ausgang, der +5 V bei einer höheren Eingangsspannung liefert. Er gehört zur Familie der 78xx, wobei "xx" die geregelte Spannung bezeichnet. Mit nur drei Pins (IN, GND, OUT) lässt es sich einfach in Schaltkreise integrieren, ohne dass erweiterte Designanforderungen erforderlich sind. Seine Beliebtheit beruht darauf, dass es robust und kostengünstig ist und von fast jedem großen Halbleiterunternehmen hergestellt wird, wodurch die Kompatibilität von Stecknadel zu Stecknadel zwischen verschiedenen Anbietern gewährleistet ist.
Es wird am häufigsten im TO-220-Gehäuse für Durchgangsloch-Designs geliefert, aber auch oberflächenmontierbare Optionen wie SOT-223 und D²PAK (TO-263) sind für kompakte Leiterplatten erhältlich. Während der 7805 auf +5-V-Schienen zugeschnitten ist, erweitern verwandte Geräte wie der 7806 (+6 V), der 7809 (+9 V) und der 7905 (–5 V) die gleiche Familie. Einstellbare Regler wie der LM317 kommen zum Einsatz, wenn nicht standardmäßige Spannungen erforderlich sind.
Merkmale des Spannungsreglers 7805
• Einfache Implementierung: Benötigt nur kleine Ein- und Ausgangskondensatoren für die Stabilität.
• Ordentlicher Stromantrieb: Liefert ~1 A kontinuierlich; bis zu 1,5 A Spitze mit ordnungsgemäßem Kühlkörper.
• Eingebauter Schutz: Strombegrenzung, thermische Abschaltung und Kompensation im sicheren Bereich sind integriert.
• Fehlertoleranz: Übersteht Kurzschlüsse, Überlastungen und Übertemperaturereignisse.
• Mäßiger Ausfall: In der Regel ~2 V, daher muss der Eingang ≥7 V bleiben.
• Breiter Betriebstemperaturbereich: Ausgelegt für gewerbliche und industrielle Bereiche, bis zu ~125 °C je nach Gehäuse.
Technische Daten des Spannungsreglers 7805
| Parameter | Wert / Bereich | Anmerkungen |
|---|---|---|
| Ausgangsspannung | 5 V (fest) ±4% typisch | Einige Anbieter garantieren ±2% |
| Eingangsspannung (empfohlen) | 7–25 V | Ermöglicht Ausfallende + Ripple Headroom |
| Eingangsspannung (max.) | 25–35 V (herstellerspezifisch) | Absolut max, Datenblatt prüfen |
| Ausgangsstrom | \~1 A kontinuierlich | Thermisch begrenzt, gehäuseabhängig |
| Ruhestrom | \~5 mA | Leichter Standby-Abfluss |
| Dropout-Spannung | \~2 V | Niedriger bei geringer Last, höher bei 1 A |
| Kondensatoren (Bypass) | 0,33 μF (IN), 0,1 μF (AUSGANG) | In der Nähe der Atemreglerstifte platzieren |
| Linienregulierung | 3–7 mV/V typisch | Änderung von Vout pro Vin Schritt |
| Lastregelung | 25–50 mV (0–1 A) | Wechsel in Vout von Leerlauf auf Volllast |
| PSRR | \~62–70 dB @ 100 Hz | Starke Unterdrückung von Welligkeit/Rauschen |
| Ausgangswelligkeit/Rauschen | \~40–80 μV rms | Niedriger als die meisten Schaltnetzteile |
7805 Pinbelegung des Spannungsreglers
| Anheften | Bezeichnung | Beschreibung |
|---|---|---|
| Nr. 1 | IN | Ungeregelter DC-Eingang (≥7 V) |
| Artikel 2 | GND | Masse-Rückführung |
| 3 | AUS | Geregelter +5 V Ausgang |
Typische 5-V-Versorgung mit 7805
Eine Standard-12-V-auf-5-V-Reglerkette sieht oft so aus:
• Abwärtstransformator – Reduziert den Netzstrom (110/220 V) auf ein sichereres Niveau von ~12 V AC.
• Brückengleichrichter – Wandelt Wechselstrom mit vier Dioden in pulsierenden Gleichstrom um.
• Bulk-Filterkondensator – Ein großer Elektrolytkondensator (typischerweise 1000 μF/25 V) glättet die gleichgerichtete Wellenform in einen stabileren Gleichstrom.
• 7805 Regulator IC – Regelt den geglätteten Gleichstrom und klemmt die Spannung präzise auf +5 V.
• Bypass-Kondensatoren – Ein Keramikkondensator mit 0,33 μF am Eingang und 0,1 μF am Ausgang verhindern Schwingungen und verbessern das Einschwingverhalten.
• Schutzkomponenten – Sicherung für Überlastsicherheit, Verpolungsdiode über IN/OUT zum Schutz vor Entladung beim Zusammenbruch des Eingangs und optionaler Überspannungsschutz für Netzspitzen.
Dieser Aufbau ist in Arduino-Boards, Sensormodulen und kleinen Embedded-Systemen zu finden. Ein Arduino UNO, der von einem 12-V-Wandadapter gespeist wird, verwendet beispielsweise intern den 7805, um eine geregelte 5-V-Schiene für seine Logikschaltkreise und Peripheriegeräte bereitzustellen.
Funktionsprinzip des Spannungsreglers 7805
Intern integriert der 7805 drei Tastenblöcke: eine 5-V-Referenz, einen Fehlerverstärker und einen Reihenpass-Transistor. Der Fehlerverstärker überwacht den Ausgang ständig gegen die Referenz und passt die Leitung des Passelements an.
• Bei Abfall des Ausgangs: Der Durchlasstransistor wird stärker angesteuert, wodurch mehr Strom fließen kann und die Spannung wieder auf 5 V angehoben wird.
• Wenn der Ausgang ansteigt: Der effektive Widerstand des Transistors erhöht sich, wodurch der Stromfluss reduziert und die Spannung wieder nach unten gezogen wird.
Dieses Closed-Loop-Feedback-System sorgt für einen stabilen Ausgang von +5 V mit guter Netz- und Lastregelung und minimiert gleichzeitig das Rauschen im Vergleich zu ungeregelten Versorgungen.
Der Kompromiss ist die Ineffizienz: Überspannung wird als Wärme abgeführt. Die Verlustleistung ist gegeben durch:
Ploss = (Vin − 5) × Iout
Dies macht den 7805 einfach und zuverlässig, aber weniger effizient, wenn die Eingangsspannung weit über 5 V liegt oder höhere Ströme geliefert werden.
Überlegungen zu Thermik und Wirkungsgrad
Der 7805 regelt die Spannung, indem er überschüssige Energie in Form von Wärme abführt. Die verlorene Leistung beträgt:
Pheat = (Vin − 5) × Iout
Dies macht das Wärmemanagement zu einem wichtigen Designfaktor, insbesondere wenn die Eingangsspannung viel höher als 5 V ist oder der Laststrom erheblich ist.
Werte des Wärmewiderstands
• TO-220-Gehäuse: RθJA ≈ 50–65 °C/W (ohne Kühlkörper), RθJC ≈ 5 °C/W.
• SOT-223-Gehäuse: RθJA ≈ 90–110 °C/W (begrenzte Wärmeausbreitung).
• Mit Kühlkörper: RθJA kann je nach Größe und Luftstrom auf 10–20 °C/W verbessert werden.
Richtlinien für Kühlkörper
• Zur besseren Ableitung an Aluminiumkühlkörpern oder Metallgehäusen anbringen.
• Verwenden Sie Wärmeleitpaste oder Isolierpads, um den Grenzflächenwiderstand zu senken.
• Sorgen Sie für einen ordnungsgemäßen Luftstrom, wenn die Verlustleistung ~5 W überschreitet.
Funktionierendes Beispiel
Für Vin = 12 V, Iout = 0,5 A:
Pheat = (12 − 5) × 0,5=3,5 W
• Ohne Kühlkörper (RθJA = 50 °C/W): Tj Anstieg ≈ 175 °C → unsicher.
• Mit Kühlkörper (RθJA = 15 °C/W): Tj Anstieg ≈ 52 °C → bei Raumtemperatur sicher.
Beispiele für den Wirkungsgrad
• Vin = 9 V, Iout = 500 mA → Wirkungsgrad ≈ 5/9 = 56%.
• Vin = 12 V, Iout = 500 mA → Wirkungsgrad ≈ 5/12 = 42%.
Daher funktioniert der 7805 am besten für niedrige bis mittlere Ströme und wenn Vin nahe 5 V liegt. Bei höherer Leistung oder großen Eingangs-Ausgangs-Unterschieden wird aus Gründen des Wirkungsgrads ein Schaltregler bevorzugt.
Anwendungen des Spannungsreglers 7805
Der 7805 ist aufgrund seiner Einfachheit und robusten Leistung in einer Vielzahl von Systemen mit geringem Stromverbrauch nach wie vor beliebt. Häufige Anwendungsfälle sind:
• Stromversorgung von Mikrocontroller-Boards – Bietet eine stabile 5-V-Schiene für Plattformen wie Arduino, STM32, AVR und PIC-Entwicklungsboards. Es gewährleistet einen stabilen Betrieb, selbst wenn die Eingangsversorgung über Wandadapter oder ungeregelte Quellen erfolgt.
• Analog- und Sensorschaltungen – Werden zur Versorgung von Operationsverstärkern, ADCs und Präzisionssensoren verwendet, bei denen eine saubere, geringe Welligkeitsspannung für die Genauigkeit wichtig ist.
• Ansteuerung von Peripheriemodulen – Unterstützt kleine Lasten wie Relais, LCD-Module und drahtlose Transceiver, die eine zuverlässige 5-V-Versorgung erfordern.
• Batteriebetriebene Systeme – Geeignet für Akkus ≥7 V (z. B. 9 V oder 12 V), bei denen moderate Ströme gezogen werden, was es nützlich für tragbare Schaltkreise oder Backup-Systeme macht.
• Umrüstungen im Labor und im Bildungsbereich – Üblich in Labor-Setups, bei denen eine 12-V-Quelle für Prototyping- und Studentenprojekte auf 5 V heruntergeregelt wird.
Im Inneren der IC-Schaltung des Spannungsreglers 7805
Der Spannungsregler-IC 7805 ist so konzipiert, dass er einen konstanten Ausgang von 5 V bei einer höheren Eingangsspannung liefert. Sein internes Design kombiniert Regelungs-, Feedback- und Sicherheitsfunktionen und ist damit einer der zuverlässigsten Spannungsregler, die in der Elektronik eingesetzt werden.
Hauptsteuerung (Q16 – Pass Transistor)
Q16 verwaltet den Stromfluss zwischen Eingang und Ausgang. Es arbeitet mit der Bandlücken-Referenzschaltung (gelber Abschnitt) zusammen, die eine stabile Referenzspannung liefert, die sich nicht mit der Temperatur ändert.
Rückmeldung und Fehlerkorrektur
Ein kleiner Teil der Produktion wird über Q1 und Q6 zurückgespeist. Ist die Spannung zu hoch oder zu niedrig, erzeugen sie ein Fehlersignal. Dieses Signal wird durch den Fehlerverstärker (orangefarbener Bereich) verstärkt und zur Einstellung von Q16 verwendet, wobei der Ausgang bei 5 V gehalten wird.
Startschaltung (grüner Abschnitt)
Diese Schaltung stellt sicher, dass die Bandlückenreferenz beim Einschalten des Reglers ordnungsgemäß aktiviert wird. Ohne diese Option kann es sein, dass der IC nicht startet. Einmal aktiv, hält es den Regulationsprozess stabil.
Eingebauter Schutz
Der 7805 verfügt über mehrere Sicherheitsfunktionen:
• Q13 verhindert Überhitzung.
• Q19 schützt vor zu hoher Eingangsspannung.
• Q14 begrenzt den Ausgangsstrom.
Diese Schutzschaltungen reduzieren oder schalten den Ausgang bei Bedarf ab und verhindern so Schäden sowohl am IC als auch an den angeschlossenen Geräten.
Spannungsteiler (blauer Bereich)
Der Teiler skaliert die Ausgangsspannung für den internen Vergleich herunter. Dies ermöglicht es dem Regler, Feineinstellungen vorzunehmen und die Leistung bei unterschiedlichen Lasten stabil zu halten.
Vor- und Nachteile des Spannungsreglers 7805
| Vorteile | Nachteile |
|---|---|
| Einfach zu bedienen – Erfordert nur wenige externe Kondensatoren; Kein Tuning oder Einstellen erforderlich. | Niedriger Wirkungsgrad bei hohem Vin – Überschüssige Eingangsspannung wird als Wärme abgeführt, wodurch der Wirkungsgrad verringert wird. |
| Eingebaute Schutzvorrichtungen – Kurzschluss, thermische Abschaltung und Strombegrenzung sorgen für einen sichereren Betrieb. | Thermische Herausforderungen – Erzeugt bei höheren Strömen erhebliche Wärme und erfordert oft einen Kühlkörper. |
| Stabiler, rauscharmer Ausgang – Bietet eine saubere 5-V-Schiene, die für logische und analoge Schaltungen geeignet ist. | Feste Ausgangsspannung – Begrenzt auf +5 V, nicht geeignet für variable Spannungsanforderungen. |
| Kostengünstig und zugänglich – Kostengünstig, weit verbreitet und in mehreren Verpackungstypen hergestellt. | Dropout-Spannung (\~2 V) – Benötigt mindestens \~7 V Eingang, um richtig zu regeln, ungeeignet für Niederspannungsquellen. |
| Zuverlässiges Design – Nachgewiesene Erfolgsbilanz bei Konsum- und Industrieprodukten. | Stromeinschränkungen – Versorgt in der Regel ~~1 A; Höhere Lasten erfordern Schaltregler. |
Häufige Fehler, die beim Spannungsregler 7805 zu vermeiden sind
• Wegfall von Bypass-Kondensatoren: Kleine Keramikkondensatoren (0,33 μF am Eingang, 0,1 μF am Ausgang) sind unerlässlich, um Schwingungen zu vermeiden. Das Überspringen führt oft zu einer instabilen oder verrauschten Ausgabe.
• Bereitstellung einer zu niedrigen Eingangsspannung: Da der 7805 mindestens ~7 V zur Regelung benötigt, führt die Einspeisung von nur 6–6,5 V zu einer schlechten Regelung und einer schwankenden Leistung.
• Ignorieren der Wärmeableitung: Bei hoher Belastung oder hohem Vin kann der Regler überhitzen und in den thermischen Abschaltmodus übergehen oder sogar ausfallen, wenn kein Kühlkörper verwendet wird.
• Unterdimensionierung des Eingangsfilterkondensators: Ein kleiner Bulk-Kondensator kann den gleichgerichteten Gleichstrom nicht richtig glätten, was zu einer Welligkeit führt, die die Stabilität verringert und empfindliche Schaltkreise stören kann.
• Schlechte Erdungspraktiken: Die Verwendung langer oder dünner Leiterbahnen führt zu Rauschen und Spannungsabfällen. Achten Sie immer auf eine solide Masseverbindung in der Nähe der Reglerstifte.
Prüfung und Fehlerbehebung des Spannungsreglers 7805
• Eingangsspannung überprüfen: Stellen Sie sicher, dass der Regler unter Last mit mindestens 7 V versorgt wird. Wenn der Vin unter dieses Niveau sinkt, kann der 7805 nicht richtig regulieren.
• Messen Sie die Ausgangsspannung: Überprüfen Sie mit einem Multimeter, ob der Ausgang nahe +5 V liegt. Eine signifikante Abweichung kann auf Überlastung, Überhitzung oder Ausfall des Reglers hinweisen.
• Überwachen Sie die Temperatur: Berührungssichere Überprüfungen oder ein Thermometer können eine Überhitzung anzeigen. Wenn das Gehäuse zu heiß läuft, sollten Sie den Einbau eines Kühlkörpers oder die Reduzierung des Laststroms in Betracht ziehen.
• Vergleich von Leerlauf- und Lastverhalten: Messen Sie die Leistung sowohl mit als auch ohne Last. Ein großer Spannungsabfall unter Last deutet auf eine unzureichende Eingangsfilterung, eine übermäßige Stromaufnahme oder ein defektes Gerät hin.
• Isolierung von Fehlern durch Entfernen der Last: Wenn der Ausgang heruntergezogen wird oder der Regler abgeschaltet wird, trennen Sie die Last, um den Regler unabhängig zu testen. Ein normaler 5-V-Ausgang ohne Last zeigt an, dass das Problem im angeschlossenen Stromkreis liegt.
7805 Alternativen für hohe Effizienz
Während der 7805 einfach und zuverlässig ist, verschwendet seine lineare Natur Strom in Form von Wärme. Für Anwendungen, die einen höheren Wirkungsgrad oder eine längere Akkulaufzeit erfordern, sind Alternativen oft die bessere Wahl:
Schalten von Abwärtsreglern (LM2596, XL4015)
Abwärtswandler, die einen Wirkungsgrad von 80 bis 90 % erreichen, selbst wenn Vin viel höher als 5 V ist. Sie eignen sich gut für die Stromversorgung von Verbrauchern über 500 mA oder wenn die Minimierung der Wärmeentwicklung entscheidend ist.
Low-Dropout-Regler (LDOs) – z. B. AMS1117-5.0, LT1763
Diese können mit Vin nur ~0,5–1 V über Vout regeln, was sie nützlich macht, wenn die Eingangsversorgung nahe 5 V liegt (z. B. 6-V-Adapter oder 2-Zellen-Li-Ionen-Packs). Die Effizienz verbessert sich, wenn Vin-Vout klein ist.
Hybrider Ansatz
Ein Abwärtsregler kann zunächst einen hohen Eingang (z. B. 12 V → 6,5 V) absenken, gefolgt von einem 7805 zur abschließenden Regelung. Dieser kombiniert die Effizienz der Schaltregelung mit dem rauscharmen Ausgang eines Linearreglers.
Vorgefertigte Module
Vormontierte Abwärtswandlerplatinen sind kostengünstig, kompakt und kosten oft nicht mehr als der blanke IC. Diese werden häufig in der Hobbyelektronik und in DIY-Projekten für eine schnelle und effiziente Energieumwandlung eingesetzt.
Schlussfolgerung
Der Spannungsregler 7805 ist nach wie vor eine klassische Lösung für die Versorgung mit sauberer und stabiler +5-V-Stromversorgung. Obwohl es nicht das effizienteste für Anwendungen mit hohen Strömen oder breiten Eingängen ist, ist es aufgrund seiner Robustheit, Benutzerfreundlichkeit und Geräuscharmut ideal für unzählige Designs mit geringem Stromverbrauch. Ob für Prototypen, Bildungskits oder kleine Embedded-Systeme, der 7805 ist nach wie vor eine zuverlässige Wahl.
Häufig gestellte Fragen [FAQ]
Was ist die maximale Eingangsspannung für einen Regler 7805?
Die meisten Regler des Typs 7805 können mit einem Eingang von bis zu 25 V umgehen, wobei einige Datenblattvarianten ein absolutes Maximum von 30 bis 35 V zulassen. Wenn Sie jedoch nahe an dieser Grenze arbeiten, wird überschüssige Wärme erzeugt, so dass aus Gründen der Zuverlässigkeit empfohlen wird, innerhalb von 7 bis 20 V zu bleiben.
Kann der 7805 ohne Kondensatoren verwendet werden?
Technisch ja, aber es ist nicht ratsam. Das Datenblatt spezifiziert Eingangs- (0,33 μF) und Ausgangskondensatoren (0,1 μF), die in der Nähe der Pins platziert sind, um Schwingungen zu vermeiden und das Einschwingverhalten zu verbessern. Wenn Sie sie überspringen, besteht die Gefahr von Instabilität und Lärm.
Wie reduziere ich die Hitze in einem Reglerkreis 7805?
Die Wärme ist proportional zu (Vin – 5) × Iout. Um sie zu minimieren, senken Sie die Eingangsspannung, verwenden Sie einen Kühlkörper oder koppeln Sie den 7805 mit einem Schaltvorregler. Bei hohen Lasten sind Schaltregler deutlich effizienter.
Ist der 7805 für batteriebetriebene Projekte geeignet?
Es kann funktionieren, wenn die Batterie über 7 V liegt, aber der Wirkungsgrad ist aufgrund der linearen Verlustleistung schlecht. Für tragbare Geräte sind Low-Dropout-Regler (LDO) oder DC/DC-Abwärtswandler in der Regel die bessere Wahl.
Warum sollte man einen 7805 anstelle eines Abwärtswandlers verwenden?
Der 7805 ist zwar weniger effizient, bietet aber ein extrem geringes Rauschen und eine geringe Welligkeit, was ihn ideal für analoge Sensoren, Audioschaltungen und HF-Module macht. Abwärtswandler zeichnen sich durch ihren Wirkungsgrad aus, erfordern jedoch oft eine zusätzliche Filterung, um eine vergleichbare Ausgangssauberkeit zu erreichen.