Vorbeugende Reparatur: Nachhaltige Alternative zum Spannungsregler LM7805

Der Siegeszug der linearen LM78 Spannungsregler begann Anfang der 1970er Jahre. Der Amerikaner Robert Widlar legte die Grundsteine und die Firma Fairchild produzierte die linearen Spannungsregler später in hohen Stückzahlen. Auch heute wird die LM-Serie noch immer für Reparaturen und Eigenbauten verwendet. So auch bei einem Bausatz für eine Nixieuhr. Allerdings gibt es inzwischen eine interessante, nachhaltige Alternative zum Spannungsregler LM7805. Und das mit besserem Wirkungsgrad durch höhere Effizienz.

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Zuverlässig zeigt meine selbst gebaute Nixieuhr die aktuelle Zeit an. Denn schon als Kind haben mich die kleinen Röhren fasziniert. Nach langer Recherche bestellte ich mir kürzlich gebrauchte Nixieröhren und einen passenden Bausatz aus Lettland. Die russischen Röhren stammen aus einem Altbestand der 1970er Jahre. Der lettische Bausatz ist gut dokumentiert und funktioniert auf Anhieb. Aus Neugier kontrolliere ich den Bausatz mit einer Wärmebildkamera. Der Spannungsregler LM7805 erhitzt sich auf knapp 40 Grad Celsius. Und das bereits ohne Gehäuse und bei normaler Zimmertemperatur. Ebenfalls erwärmt sich der danebenliegende Kondensator. Mit steigender Temperatur sinkt bekanntlich die zu erwartende Lebensdauer. Und somit entsteht in mir der Gedanke, den Bausatz mit einem alternativen Spannungsregler auf höhere Effizienz und längere Lebensdauer zu optimieren.

Bestandsaufnahme Spannungsregler LM7805 im Betrieb

Laut der englischen Dokumentation zum Bausatz wird ein 12V Netzteil empfohlen. Allerdings beträgt die Betriebsspannung der Nixieuhr nur 5V. Somit wird im Spannungsregler die Differenz in Wärme umgesetzt. Während dem Betrieb nimmt die Nixieuhr bei 12V knapp 300mA auf. Als Steckernetzteil verwende ich zuerst ein MeanWell SGA12E-12P1J mit 83% Wirkungsgrad. Durch die klassische Wandlung von 12V auf 5V ergeben sich auf der Nixie-Baugruppe knapp 2W Verlustleistung. Bezogen auf die Gesamtleistung von fast 5W ergibt sich ein Gesantwirkungsgrad von lediglich 50%.

Berechnung Verlustleistung und zulässige Wärmeentwicklung Spannungsregler LM7805

Ich betreibe den LM7805 ohne Kühlkörper. Daher frage ich mich, ob der Betrieb mit 2W Verlustleistung zulässig ist? Ich greife auf meine Formelsammlung von Peter Zastrow und das Datenblatt des Herstellers zurück.

Formel Berechnung Spannungsregler ohne Kühlkörper:

Maximale zulässige Verlustleistung = (max. Sperrschichttemperatur – Sicherheit – max. Umgebungstemperatur)/(Thermischer Widerstand Sperrschicht zu Umgebung)

Nun setze ich die Werte ein:

maximale zulässige Verlustleistung = (125 Grad Celsius – 20 Grad Celsius – 40 Grad Celsius)/(65 Grad Celsius pro Watt) = 1W

Laut dieser Berechnung wird bei 2W die zulässige Verlustleistung von 1W um 100% überschritten.

Alternative zum Spannungsregler LM7805 notwendig

Am einfachsten wäre nun die Reduktion der Betriebsspannung. Und somit ersetze ich das 12V Netzteil durch ein 9V Netzteil. Dadurch reduziert sich die Stromaufnahme um 10%. Die Verlustleistung sinkt auf knapp 1W. Denn Wirkungsgrad und thermische Belastung der Schaltung sind noch immer nicht zeitgemäß. Daher suche ich nach einer Alternative zum Spannungsregler LM7805. Beim Hersteller MeanWell finde ich schließlich den Spannungsregler N7805. Es handelt sich dabei nicht mehr um einen Linearregler sondern um einen Schaltregler. Allerdings nahezu baugleich zum TO220-Gehäuse. Das Bauteil ist lediglich dicker und ohne Kühlblech. Der Wirkungsgrad des MeanWell N7805 wird laut Datenblatt mit 93% angegeben. Das gesamte System inklusive externem Schaltnetzteil kommt nun auf eine Leistungsaufnahme von knapp 3W.

Nachhaltige Alternative zum Spannungsregler LM7805

Einziger Nachteil ist, dass der Schaltregler MeanWell N7805 im Vergleich zum Linearregler LM7805 etwas teurer ist. So kostet im Jahr 2023 ein LM7805 lediglich 0,30Euro und der N7805 von MeanWell ca. 3 Euro. Daher betrachte ich nun die laufenden Kosten: Meine Nixieuhr ist permanent im Betrieb. Bei einem Strompreis von 0,30 Euro und 8760 Betriebsstunden pro Jahr bedeutet dies folglich 4 Euro weniger Stromkosten. Somit hat sich der Mehrpreis für den modernene Spannungsregler bereits nach einem Jahr rentiert. In der Herstellung dürften beide Spannungsregler vergleichbare Ressourcen verbrauchen. Optional wäre noch ein zeitgesteuerter Betrieb denkbar.

Test und Ergebnisse nach Vergleich Spannungsregler

	12V LM7805	9V LM7805	12V N7805	9V N7805
Stromaufnahme Baugruppe	330mA	300mA	260mA	275mA
Temperatur am Spannungsregler	37°C	36°C	32°C	32°C
Differenz zu Raumtemperatur	12°C	11°C	7°C	7°C
Leistungsaufnahme inkl. Netzteil	5W	3,7W	4,1W	3,4W

Vorbeugende Reparatur durch weniger Wärmestress

Hitze verursacht bei elektrischen Bauteilen Stress. Ich betrachte meine Nixieuhr nach Umbau erneut mit der Wärmebildkamera. Und in der Tat hat sich die Wärmebelastung in der Umgebung reduziert. Der Kondensator neben dem Spannungsregler wird kaum noch erwärmt. In vielen Schaltungen und Geräten fallen sowohl Kondensatoren als auch Halbleiter verfrüht durch thermische Belastung aus. Wenn dieser Ausfall vom Hersteller bewusst kalkuliert ist, dann spricht man von geplanter Obsoleszenz. Im Gegensatz dazu gibt es Initiativen für nachhaltige Konstruktion von Geräten sowie die Forderung nach Recht auf Reparatur (right2repair).

Moderne Spannungsregler als nachhaltige Alternative für Produktion und Reparatur

Dieser Beitrag zeigt, dass moderne Spannungsregler einen Beitrag zu nachhaltiger Elektronikentwicklung leisten können. Denn sowohl der Wirkungsgrad als auch die Lebensdauer von elektronischen Schaltungen lassen sich durch moderne Bauteile erheblich erhöhen. Und durch weniger thermischen Stress erhöht sich die Haltbarkeit elektronischer Geräte. Dies führt zu weniger Müll und längerer Verwandbarkeit. Die genialen Ideen von Robert Widlar haben um 1970 die Grundlagen für Spannungsregler geschaffen. Seitdem hat sich viel bei Effizienz und Wirkungsgrad verbessert. Somit sprechen viele Argumente für den Austausch der klassischen aber inzwischen veralteten linearen Spannungsregler gegen moderne Alternativen.

Quellen und Links zum Beitrag

Reverse engineering a LM7805 (link)

Nachruf an Robert Widlar (link)

Bausatz für Nixie-Uhr aus Litauen (link)

Datenblatt Spannungsregler LM7805 (link)

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