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Siemens TDB7805

TDB7805

Der TDB7805 ist ein von Siemens vertriebener 5V-Linearregler. Er gehört zur Familie der weit verbreiteten und von vielen Herstellern produzierten 78xx-Spannungsregler.
In der zweiten Zeile scheint sich ein Datecode zu befinden. Demnach wurde das Bauteil im Jahr 1983 hergestellt.

Bei Raumtemperatur spezifiziert das Datenblatt den Ausgangsspannungsbereich mit 5V +/-0,2V. Im vollständigen Betriebstemperaturbereich von 0°C bis 85°C liegt die Genauigkeit bei +/-0,25V. Parallel waren TDC-Modelle verfügbar, die einen stark erweiterten Betriebstemperaturbereich von -65°C bis 150°C boten, deren Genauigkeit dann aber nur noch bei +/-0,35V lag. Der Ruhestrom des TDB7805 kann bis zu 8mA betragen. Der minimale Spannungsabfall liegt typischerweise bei 2V. Das Datenblatt gibt einen Ausgangsstrom von 1A an. Bei nicht zu hohen Spannungsabfällen und niedrigen Temperaturen sind auch bis zu 2,7A möglich.

Neben dem 7805 produzierte Siemens Varianten mit den Ausgangsspannungen 6V, 8V, 12V, 15V, 18V und 24V.

 

TDB7805 Aufbau

TDB7805 Aufbau

Im Gehäuse befindet sich ein großer Heatspreader. Das Die ist relativ klein, wenn man es zum Beispiel mit einem LT1083 vergleicht. Das macht sich im Wärmewiderstand bemerkbar. Der LT1083 bietet hier 0,6°C/W für den Leistungstreil und 1,6°C/W für den Regelungsteil. Beim TDB7805 gibt Siemens dagegen 4°C/W an. Die Verlustleistung darf entsprechend selbst mit einem idealen Kühlkörper 15W nie überschreiten.

 

TDB7805 Die

Die Kantenlänge des Dies beträgt 1,80mm.

In der rechten unteren Ecke befinden sich einige Symbole, die höchstwahrscheinlich die Ausrichtung der verschiedenen Masken und die Prozessqualität sichtbar machen sollen. Neben den Symbolen sind in einer unteren Lage gerade noch die Zeichen 39M zu erkennen. Es könnte sich dabei um eine interne Typ- oder Prozessbezeichnung handeln.

 

TDB7805 Schaltplan

Das Datenblatt des TDB7805 enthält einen vollständigen Schaltplan. Die Anzahl der Bauteile ist überschaubar, der Regelkreis besitzt aber dennoch eine gewisse Komplexität.

Der eigentliche Längsregler ist rot hinterlegt. Es handelt sich um eine Darlington-Schaltung, die die notwendige Stromverstärkung darstellen kann. Der hellgrüne Schaltungsteil schützt den Darlingtontransistor vor Überlastung. Der Widerstand R1 dient der Stromessung. Ab einem gewissen Spannungsabfall über diesen Widerstand wird der Transistor T3 leitend und reduziert die Aussteuerung des Längsreglers. Der Pfad R3/Z2 wird leitend, wenn der Spannungsabfall zwischen Eingang und Ausgang ungefähr 6V übersteigt. Der zusätzliche Stromfluss zum Transistor T3 reduziert den Maximalstrom weiter. Damit wird ausgeschlossen, dass sich der Arbeitspunkt des Längsreglers in den Bereich des second breakdown bewegt. Der grau hinterlegte Transistor T6 dient als Übertemperaturschutz. Dazu liegt zwischen Basis und Emitter eine relativ konstante Spannung an. Erhöht sich die Temperatur, so reduziert sich die Spannung der Basis-Emitter-Strecke des Transistors T6, der Basisstrom erhöht sich und es fließt ein Teil des Steuerstroms zum Massepotential ab.

Die dem Längsregler vorgeschaltete Spannungsverstärkerstufe besteht aus einer Stromquelle (dunkelblau), der eigentlichen Spannungsverstärkerstufe (hellblau) und einem Emitterfolger (orange). Die Stromquelle wird durch den Stromspiegel T5/T4 dargestellt, der wiederum auf der Stromsenke T9 basiert. Die hellblaue Spannungsverstärkerstufe ist als Darlingtontransistor aufgebaut. In diesem Schaltungsteil befindet sich auch der Kompensationskondensator, der den Frequenzgang des Regelkreises begrenzt. Die Kombination R17/T17 (orange) bildet einen Emitterfolger, der mit seiner Stromverstärkung dafür sorgt, dass die Spannungsverstärkerstufe möglichst wenig belastet wird.

Die der Spannungsregelung zugrunde liegende Referenzspannung generiert die grün hinterlegte Bandgap-Referenz, deren Funktionsweise nicht sofort ersichtlich ist. Eine Bandgap-Referenz basiert immer auf der Kompensation des negativen Temperaturkoeffizienten der Flussspannung eines pn-Übergangs mit einem gleich großen positiven Temperaturkoeffizienten.

 

TDB7805 Bandgap

Der Strom, der durch R12/T13 fließt, wird mit einem durch den Widerstand R15 definierten Faktor zum Transistor T14 gespiegelt. Ein einfacher Stromspiegel arbeitet auf Grund des notwendigen Basisstroms nicht ideal. Der Transistor T12 wirkt sich diesbezüglich positiv aus, indem er den Basisstrom der beiden Transistoren aus dem Versorgungspotential zuliefert.
Da die Basis-Emitter-Flussspannungen der Transistoren T13/T14 den gleichen negativen Temperaturdrift aufweisen, kompensieren sich deren temperaturbedingte Änderungen und wirken sich nicht auf den Ausgangsstrom aus. Arbeiten die beiden Transistoren aber mit unterschiedlich hohen Basis-Emitter-Spannungen, so bleibt ein verhältnismäßig kleiner positiver Temperaturdrift, der durch die Temperaturspannung des pn-Übergangs verursacht wird. Die unterschiedliche Basis-Emitter-Spannung ergibt sich durch die unterschiedlichen Emitterwiderstände des Stromspiegels und den dadurch unterschiedlich hohen Strömen. Der positive Temperaturdrift überträgt sich auf den Kollektorstrom des Transistors T14 und damit auf die am Widerstand R13 abfallende Spannung.
Der zur stabilen Referenzspannung notwendige negative Temperaturkoeffizient addiert sich durch die Basis-Emitter-Strecken der Transistoren T10, T11, T15 und T16. Die exakte Anpassung der beiden gegenläufigen Temperaturdrifts aufeinander erfolgt über das Widerstandverhältnis R13/R15. Der relativ geringe positive Temperaturdrift wird proportional zu diesem Verhältnis verstärkt.

Die Referenzspannung stellt sich über die Kette T10/T11/R13/T15/T16 ein. Zum Transistor T10 wird das Ausgangspotential zurückgekoppelt. Dazu teilen die im oberen Schaltbild gelb hinterlegten Widerstände R18/R19 das Ausgangspotential herunter. Weicht das Ausgangspotential vom Sollwert ab, so ändert sich der Storm durch den Referenzpfad. Dieser Strom steuert die im Referenzpfad integrierte Spannungsverstärkerstufe T15/T16, die entsprechend reagiert und den Linearregler so ansteuert, dass sich der Sollwert wieder einstellt.

Der im oberen Schaltbild rosa hinterlegte Schaltungsteil sorgt für ein sauberes Anlaufverhalten des Spannungsreglers. Die Z-Diode Z1 generiert dazu eine einigermaßen konstante Spannung, die über den Transistor T7 in die Widerstandskette R8/R9/R10 eingespeist wird. Der lila hinterlegte Transistor T8 versorgt darauf basierend den dunkelblauen Stromspiegel mit dem notwendigen Anlaufstrom. Im eingeschwungenen Zustand ist die Spannung am Emitter des Transistors T8 so hoch, dass er keinen Strom mehr liefert.

 

TDB7805 Die Analyse

Die Schaltung lässt sich relativ gut auf die Strukturen des Dies übertragen.

 

TDB7805 Die Endstufe

Der Leistungstransistor, der als Längsregler arbeitet, ist auf zwei große Blöcke aufgeteilt (T1a/T1b). Die Zuleitung des Kollektorpotentials erfolgt über die Rückseite der Transistoren. Die Anbindung an den rechten Eingang übernehmen Metallkontakte oberhalb und unterhalb der zwei Transistoren. Den braunen Basisbereich kontaktiert eine Schleife der Metalllage. Der grüne Emitterbereich bildet viele einzelne Dreiecke aus, so dass die Basis-Emittergrenzfläche möglichst niederohmig angebunden ist. Bevor der Strom von der Emitterfläche über die Metalllage nach links geführt wird, durchläuft er dünne, grüne Streifen (Re), die als Emitterwiderstände dienen und für eine gleichmäßige Stromverteilung sorgen.
Das Emitterdreieck in der unteren linken Ecke dient gleichzeitig als Shunt zur Strommessung (R1).

Oberhalb und unterhalb der zwei Leistungstransistoren befinden sich in der selben Kollektorfläche die zwei Treibertransistor des Darlington-Längsreglers (T2a/T2b). Das Emitterpotential des Treibertransistors ist direkt mit dem Basispotential des Leistungstransistors verbunden.

Im linken Bereich findet sich der im Schaltplan nicht abgebildete Widerstand R3*. Dieser Widerstand leitet den Spannungsabfall am Emitterwiderstand des Treibertransistors T2 zum Transistor T3, der so einen Überstromschutz für Leistungs- und Treibertransistor realisiert. Anscheinend können bestimmte Arbeitspunkte auch den Treibertransistor überlastet.

 

TDB7805 Die Rückkopplung

Der Transistor T6, der den Übertemperaturschutz abbildet, befindet sich in der Nähe des Leistungstransistors, um dessen Temperatur möglichst optimal sensieren zu können.

An der linken Kante befinden sich einige Widerstände, von denen nur einer in die Schaltung eingebunden ist. Es handelt sich dabei um den Widerstand R19, der mit dem Widerstand R18 den Spannungsteiler zur Rückkopplung des Ausgangspotentials darstellt. Auf den Widerstand R18 wurde bei diesem Modell allerdings verzichtet. Mit ziemlicher Sicherheit werden die freien Widerstände in anderen Varianten des 78xx genutzt, um die jeweiligen Spannungen einzustellen. Dazu passt, dass der 7805 die Variante mit der geringsten Ausgangsspannung ist. Die 5V können anscheinend direkt als Rückkopplung verwendet werden. Will man ein höheres Ausgangspotential einstellen, so modifiziert man die Metalllage, damit sich der passende Spannungsteiler ergibt.

 

TDB7805 Die R13

Der Widerstand R13 (hier weiß markiert) ist extrem lang. R15 bietet dagegen einen sehr niederohmigen Widerstand. Dieses Verhältnis ist wie beschrieben notwendig, um den positiven Temperaturkoeffizienten der Stromsenke T14 ausreichend hochskalieren zu können.
Der linke Kontakt des Widerstands R13 enthält eine gewisse Variabilität. Dort sind zwei Metallstreifen platziert, von denen hier der obere kontaktiert wurde. Nutzt man den unteren Metallstreifen, so erhöht sich der Widerstand. Des Weiteren befindet sich in den zwei Metallstreifen jeweils eine kleine Durchkontaktierung (rote Pfeile). Diese Kontakte können verschoben werden, um eine Feineinstellung des Widerstandwerts realisieren zu können. Die umfangreichen Einstellmöglichkeiten sind notwendig, da davon abhängt wie hoch der verbleibende Temperaturdrift ist.

 

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