Worum es geht: Die zwei Arten, eine Spannung zu erzeugen — Linearregler und Schaltregler — und die Frage, wohin die Verlustwärme geht.
Wozu du das brauchst: Aus 12 V mit einem Linearregler 3.3 V zu machen kostet bei einem halben Ampere 4.35 Watt. Vier Watt in einem Gehäuse von der Grösse einer Erbse sind kein Rundungsfehler, sondern ein abgeschaltetes oder totes Bauteil.
Danach kannst du: den Reglertyp begründet auswählen, Verlustleistung und Wirkungsgrad ausrechnen, und über den Wärmewiderstand vorhersagen, wie heiss der Chip wird.
Ein Widerstand, der mitdenkt
Ein Linearregler — im Sprachgebrauch meist LDO, low dropout — ist im Kern ein Widerstand, den eine Regelung ständig nachstellt. Steigt die Ausgangsspannung, wird er hochohmiger; sinkt sie, niederohmiger. Das Ergebnis ist eine sehr saubere, sehr ruhige Ausgangsspannung.
Der Preis steht in einer Zeile:
Der Strom, der herausfliesst, ist derselbe, der hineinfliesst.
Ein Linearregler wandelt nicht um. Er wirft weg. Die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung mal dem Strom wird zu Wärme, und zwar in ihm selbst.
Beide Regler lösen dieselbe Aufgabe: aus 12 V sollen 3.3 V bei 500 mA werden.
Links der Linearregler. Er zieht ebenfalls 500 mA aus der Quelle und verheizt:
P = (12 V − 3.3 V) · 0.5 A = 4.35 W
Rechts der Schaltregler. Er kommt mit 153 mA Eingangsstrom aus und verliert nur 0.18 W.
Der Wirkungsgrad des Linearreglers ist keine Eigenschaft des Bauteils, sondern eine reine Spannungsfrage:
η = U(aus) / U(ein)
| von | nach | Verlust bei 500 mA | η |
|---|---|---|---|
| 5 V | 3.3 V | 0.85 W | 66 % |
| 12 V | 3.3 V | 4.35 W | 27.5 % |
Vier Watt sind kein Rundungsfehler. Vier Watt in einem Gehäuse von der Grösse einer Erbse sind ein Problem.
Trägt man das auf, ergibt sich der Unterschied auf einen Blick. Die amberne Kurve des Linearreglers fällt stetig: Sie ist nichts anderes als 3.3 V geteilt durch die Eingangsspannung. Bei 5 V steht sie noch bei 66 %, bei 12 V nur noch bei 27.5 %.
Die grüne Kurve des Schaltreglers verläuft fast waagrecht bei rund 90 %. Er verwandelt Spannung in Strom statt sie wegzuwerfen — deshalb ist sein Eingangsstrom kleiner als sein Ausgangsstrom, was beim ersten Mal falsch aussieht und richtig ist. Nachgerechnet:
P(aus) = 3.3 V · 0.5 A = 1.65 W
P(ein) = 1.65 W / 0.9 = 1.833 W, also Verlust 0.183 W
I(ein) = 1.833 W / 12 V = 153 mA
Die Energie bleibt erhalten, nicht der Strom.
Die Grenze nach unten heisst beim Linearregler Dropout: Er braucht einen Mindestabstand zwischen Ein- und Ausgang, um überhaupt regeln zu können. Ein klassischer 7805 braucht 2 V, ein moderner LDO 0.2 V. Wer 3.3 V aus einem Akku mit 3.7 V gewinnen will, ist auf einen echten LDO angewiesen.
Wohin die Wärme geht
Dass 4.35 W entstehen, ist die eine Frage. Ob das Bauteil sie loswird, ist die andere — und die entscheidet, ob es überlebt.
Die Wärme entsteht in der Sperrschicht, tief im Halbleiter, und muss von dort nach aussen. Auf dem Weg liegen Übergänge, und jeder wirkt wie ein Widerstand — nur dass hier nicht Strom fliesst, sondern Wärme, und dass statt einer Spannung eine Temperatur abfällt.
Die Kennzahl heisst Wärmewiderstand, Einheit Kelvin je Watt. Im Datenblatt steht meist die Summe über den ganzen Weg, θJA — von der Sperrschicht (junction) an die Umgebungsluft (ambient). Daraus:
T(J) = T(A) + P · θJA
Für 0.85 W in einem Gehäuse mit θJA = 50 K/W bei 25 °C Umgebung:
T(J) = 25 °C + 0.85 W · 50 K/W = 25 °C + 42.5 K = 67.5 °C
Das ist unbedenklich. Dasselbe Bauteil in einem kleinen SOT-23-Gehäuse mit θJA = 200 K/W:
T(J) = 25 °C + 0.85 W · 200 K/W = 25 °C + 170 K = 195 °C
Hundertfünfundneunzig Grad. Die übliche Grenze liegt bei 125 °C — dieses Bauteil schaltet ab oder stirbt, und zwar bei völlig unveränderter Schaltung. Nur das Gehäuse war anders.
Die Rechnung, die du wirklich brauchst
In der Praxis fragst du nicht «wie heiss wird es», sondern «wie viel darf ich überhaupt verheizen». Dafür stellst du um:
P(max) = (T(J,max) − T(A)) / θJA
Mit 125 °C Grenze, 50 °C im Gehäuseinneren und θJA = 50 K/W:
P(max) = (125 °C − 50 °C) / 50 K/W = 1.5 W
Und beachte, mit welchem T(A) gerechnet wird: nicht mit der Zimmertemperatur, sondern mit der Temperatur im geschlossenen Gehäuse, und die liegt schnell bei 50 oder 60 °C.
Ein Zusatz, der die Angaben im Datenblatt erst brauchbar macht: θJA gilt fast nie für deine Platine. Es wird auf einem genormten Prüfaufbau gemessen, oft mit einer bestimmten Kupferfläche unter dem Bauteil. Steht dort «θJA = 50 K/W bei 1 Zoll² Kupfer», dann brauchst du diese Kupferfläche auch.
Welchen von beiden
| Linearregler | Schaltregler | |
|---|---|---|
| Wirkungsgrad | U(aus) / U(ein) | rund 85–95 %, weitgehend unabhängig |
| Verlust bei 12 V → 3.3 V, 0.5 A | 4.35 W | 0.18 W |
| Ausgangsrauschen | sehr klein | Schaltreste im Millivoltbereich |
| Bauteile aussen | zwei Kondensatoren | Spule, Diode, mehrere Kondensatoren |
| Platzbedarf | klein | grösser |
| Störungen nach aussen | keine | ja, muss man beachten |
Die Entscheidungsregel:
- Kleiner Spannungsabstand und wenig Strom → Linearregler. 5 V auf 3.3 V bei 100 mA sind 0.17 W; das ist niemandes Problem.
- Grosser Abstand oder viel Strom → Schaltregler. Alles über etwa einem Watt Verlust ist es nicht mehr wert.
- Beides → Schaltregler auf eine Zwischenspannung, dahinter ein kleiner LDO für den empfindlichen Teil. So macht es fast jedes Messgerät.
Wie ein Schaltregler innen arbeitet — Spule, Diode, Taktfrequenz, Layout der Schleife — ist ein eigenes Thema und gehört nicht in diesen Kurs. Für die Auslegung genügt der Wirkungsgrad.
Kurze Selbstkontrolle
Zählt nicht — nur zum Prüfen, ob es angekommen ist.
1.Ein Linearregler macht aus 12 V die 3.3 V für eine Schaltung, die 500 mA zieht. Wie viel Leistung verheizt er?
2.Dieselbe Schaltung mit 0.85 W Verlust läuft in zwei verschiedenen Gehäusen: eines mit θJA = 50 K/W, eines mit 200 K/W. Was folgt daraus bei 25 °C Umgebung?