Woher die 5 V kommen

Einsteiger

Eine Taschenlampe mit alten Batterien leuchtet nur noch schwach. Bei einer LED ist das kein Problem, sie wird einfach etwas dunkler. Ein Chip dagegen, etwa ein Logik-Baustein aus dem Adventskalender, will seine 5 V ziemlich genau haben. Bekommt er deutlich weniger, rechnet er falsch oder hört ganz auf. Bekommt er deutlich mehr, kann er kaputtgehen. Auf dieser Seite geht es darum, wie man zu einer Spannung kommt, auf die man sich verlassen kann.

Die Batterie: Spannung, die nachlässt

In der Batterie läuft eine chemische Reaktion ab, die Ladung von Minus nach Plus schiebt (Teil 3). Solange genug Stoff für die Reaktion da ist, liefert sie Spannung. Aber nicht immer gleich viel: Ein frischer 9-V-Block hat etwa 9,5 V. Je mehr er schon geleistet hat, desto weiter sinkt seine Spannung, erst langsam, am Ende schnell.

Diagramm Spannung über Betriebszeit. Die rote Kurve der Batterie beginnt bei 9,5 Volt, sinkt langsam und fällt am Ende steil auf 5 Volt. Die blaue Kurve des Reglerausgangs bleibt waagrecht bei 5 Volt im grünen erlaubten Bereich von 4,5 bis 5,5 Volt, bis die Batterie unter etwa 7 Volt fällt; danach sinkt auch sie. Die Fläche zwischen den Kurven ist orange: Diesen Unterschied macht der Regler zu Wärme.

Rot die Batterie, blau der Ausgang des Spannungsreglers. Der genaue Verlauf hängt von Batterie und Strom ab.

Dazu kommt ein zweiter Effekt: Unter Last sinkt die Spannung ein wenig, sie erholt sich danach wieder. Je mehr Strom die Schaltung zieht, desto mehr sinkt sie. Bei unseren kleinen Strömen von einigen Milliampere sind das nur Hundertstel Volt. Woher das kommt, steht im Wissensbereich unter Innenwiderstand.

Für eine LED ist das alles egal. Für einen Chip, der genau 5 V braucht, ist eine Batterie allein zu ungenau.

Das Netzteil: 5 V aus der Steckdose

Dein Handy-Ladegerät ist ein Netzteil. Es macht aus den 230 V Wechselspannung der Steckdose (Teil 7) eine kleine Gleichspannung: am USB-Anschluss 5 V. Die gefährlichen 230 V bleiben sicher im Gehäuse eingeschlossen. Ein gutes USB-Netzteil hält seine 5 V schon ziemlich genau, laut USB-Norm zwischen 4,75 V und 5,25 V.

Fürs Steckbrett gibt es drei bequeme Wege:

Warum nicht einfach ein Widerstand?

Aus 9 V sollen 5 V werden. Mit dem, was du schon kannst, liegt eine Idee nahe: ein Vorwiderstand vor der Schaltung, an dem die übrigen 4 V abfallen, so wie bei der LED in Teil 4.

Für einen festen Verbraucher klappt das. Nimm als Beispiel einen Chip, der bei 5 V rund 10 mA braucht. Er verhält sich dann wie ein Widerstand von 500 Ω (5 V geteilt durch 10 mA, Teil 4). Mit einem Vorwiderstand von 400 Ω teilen sich die 9 V genau auf: 4 V am Vorwiderstand, 5 V am Chip.

Das Problem: Die Spannung am Chip hängt davon ab, wie viel Strom fließt. Und der ändert sich ständig, sobald du etwas dazusteckst oder abziehst:

Oben: 9 Volt über einen festen Vorwiderstand von 400 Ohm an einen oder zwei Verbraucher von je 500 Ohm. Ohne Verbraucher liegen am Ausgang 9 Volt, zu viel. Mit einem Verbraucher 5 Volt, passt. Mit zwei Verbrauchern 3,5 Volt, zu wenig. Unten dieselbe Schaltung mit einem Spannungsregler 7805: in allen drei Fällen 5 Volt.

Der feste Vorwiderstand passt nur für genau einen Strom. Der Regler passt für alle.

Herleitung: Woher kommen 9 V, 5 V und 3,5 V?

Ansatz: Vorwiderstand und Verbraucher liegen in Reihe. Durch beide fließt derselbe Strom \(I\), und ihre Spannungen addieren sich zu den 9 V der Batterie (Teil 5). Den Strom liefert das ohmsche Gesetz \(I = U/R\) (Teil 4).

Kein Verbraucher: Der Kreis ist offen, es fließt kein Strom, \(I = 0\). Am Vorwiderstand liegt dann \(U = R \cdot I = 400\,\Omega \cdot 0 = 0\,\text{V}\). Der Ausgang hat die vollen 9 V.

Ein Verbraucher (500 Ω):

  1. Gesamtwiderstand in Reihe: \(400\,\Omega + 500\,\Omega = 900\,\Omega\)
  2. Strom: \(I = 9\,\text{V} / 900\,\Omega = 10\,\text{mA}\)
  3. Spannung am Verbraucher: \(U_\text{aus} = 500\,\Omega \cdot 10\,\text{mA} = 5{,}0\,\text{V}\)

Zwei Verbraucher (je 500 Ω, parallel): Zwei gleiche Verbraucher ziehen bei derselben Spannung zusammen doppelt so viel Strom wie einer. Sie wirken deshalb wie ein Widerstand von halber Größe, also 250 Ω.

  1. Gesamtwiderstand: \(400\,\Omega + 250\,\Omega = 650\,\Omega\)
  2. Strom: \(I = 9\,\text{V} / 650\,\Omega \approx 13{,}8\,\text{mA}\)
  3. Spannung am Ausgang: \(U_\text{aus} = 250\,\Omega \cdot 13{,}8\,\text{mA} \approx 3{,}5\,\text{V}\)

Kontrolle: Am Vorwiderstand liegen \(400\,\Omega \cdot 13{,}8\,\text{mA} \approx 5{,}5\,\text{V}\). Zusammen mit den 3,5 V am Ausgang ergibt das wieder 9 V. Mehr Strom heißt also: mehr Spannung bleibt am Vorwiderstand hängen, weniger kommt beim Chip an.

Ohne Verbraucher bekommt der Ausgang die vollen 9 V. Genau das passiert beim ungeregelten Steckernetzteil aus dem Kasten oben: Darin wirkt der lange, dünne Draht der Trafo-Wicklung wie ein Vorwiderstand.

Der Spannungsregler: ein Widerstand, der sich selbst nachstellt

Die Lösung ist ein Vorwiderstand, der sich von selbst verstellt. Genau das ist ein Spannungsregler, vereinfacht gesagt:

Vereinfachtes Innenleben eines Spannungsreglers: Zwischen Eingang 9 Volt und Ausgang 5 Volt liegt ein verstellbarer Widerstand. Ein Aufpasser misst den Ausgang, vergleicht ihn mit genau 5 Volt und stellt den Widerstand nach. Der Aufpasser hängt an Masse.

Ein verstellbarer Widerstand und ein Aufpasser, der ihn ständig nachstellt.

Weil er die Spannung gleichmäßig wegnimmt, wie ein Widerstand, heißt so ein Bauteil auch Linearregler. Unserer heißt MC7805: „78“ ist die Bauteilfamilie, „05“ steht für 5 V. Es gibt auch einen 7809 für 9 V, einen 7812 für 12 V und so weiter.

Probier es aus

Zum Ausprobieren: Vorwiderstand gegen Regler

Stell die Batteriespannung ein und schalte Verbraucher zu (je 10 mA bei 5 V, wie oben). Der grüne Streifen ist der Bereich, den die Logik-Chips vertragen: 4,5 V bis 5,5 V.

Eingang Ausgang
9,0 V

Probier zum Beispiel: Vorwiderstand, 1 Verbraucher, Batterie 9 V. Das passt. Jetzt 2 oder 0 Verbraucher: Schon ist es daneben. Dasselbe mit dem Regler: Die 5 V bleiben, bis die Batterie unter etwa 7 V sinkt.

Was der Regler kostet: Wärme und 2 V

Der Regler zaubert nicht. Er nimmt die überzähligen Volt weg, genau wie ein Widerstand, und macht daraus Wärme. Wie viel, lässt sich ausrechnen.

Herleitung: Wie viel Wärme entsteht im Regler?

Ansatz: Der Regler sitzt in Reihe zwischen Batterie und Schaltung. Durch ihn fließt also derselbe Strom \(I\) wie durch die Schaltung (Teil 5). An ihm liegt die Spannung, die zwischen Eingang und Ausgang fehlt. Leistung ist Spannung mal Strom (Teil 6).

Schritte:

  1. Spannung am Regler: \(U_\text{Regler} = U_\text{ein} - U_\text{aus}\), mit der Eingangsspannung \(U_\text{ein}\) und der Ausgangsspannung \(U_\text{aus}\).
  2. Leistung, die im Regler zu Wärme wird: \(P = U_\text{Regler} \cdot I\)
  3. Zusammen: \(P = (U_\text{ein} - U_\text{aus}) \cdot I\)

Kontrolle: Ist der Eingang nur so groß wie der Ausgang, wird nichts verheizt: \(P = 0\). Fließt kein Strom, auch nicht. Die Einheit stimmt: Volt mal Ampere ergibt Watt.

Zahlenprobe: Drei LEDs wie an Tag 1 ziehen zusammen etwa \(I = 20\,\text{mA}\). Bei frischer Batterie mit \(U_\text{ein} = 9\,\text{V}\):

\[P = (9\,\text{V} - 5\,\text{V}) \cdot 20\,\text{mA} = 4\,\text{V} \cdot 0{,}02\,\text{A} = 0{,}08\,\text{W} = 80\,\text{mW}\]

Die Batterie gibt \(9\,\text{V} \cdot 20\,\text{mA} = 180\,\text{mW}\) ab, bei der Schaltung kommen \(5\,\text{V} \cdot 20\,\text{mA} = 100\,\text{mW}\) an. Fast die Hälfte wird also Wärme.

80 mW spürst du nicht, der Regler bleibt kalt. Bei 100 mA wären es schon 0,4 W, dann wird er deutlich warm. Der MC7805 kann bis zu 1 A liefern, braucht dafür aber ein Stück Metall zum Kühlen, einen Kühlkörper. Er schützt sich übrigens selbst: Wird er zu heiß, schaltet er ab, bis er wieder abgekühlt ist.

Die zweite Bedingung: Am Eingang braucht er mindestens etwa 2 V mehr, als er ausgibt. Sein verstellbarer Widerstand kann nicht ganz auf null gehen. Für 5 V am Ausgang braucht er also mindestens rund 7 V am Eingang. Darum endet die blaue Linie im Bild oben bei etwa 7 V Batteriespannung. Darunter folgt der Ausgang einfach der Batterie nach unten. Ein 9-V-Block ist dann zwar noch nicht ganz leer, aber für 5-V-Chips nicht mehr zu gebrauchen.

So wird der MC7805 angeschlossen

Links der MC7805 im Gehäuse mit Metallfahne und Loch, beschriftete Seite nach vorn. Die drei Beine von links: 1 Eingang, 2 Masse, 3 Ausgang. Die Metallfahne hängt an Masse. Rechts der Schaltplan: plus 9 Volt an Pin 1, Pin 2 an Masse, Pin 3 liefert plus 5 Volt; je ein Kondensator 100 Nanofarad vom Eingang und vom Ausgang nach Masse.

Beschriftete Seite zu dir: links Eingang, Mitte Masse, rechts Ausgang.

Dazu kommen zwei kleine Kondensatoren mit 100 nF, je einer vom Eingang und vom Ausgang nach Masse. Was ein Kondensator ist, kommt in Teil 13. Hier nur so viel: Der Aufpasser im Regler reagiert sehr schnell. Ohne die beiden Kondensatoren kann er übers Ziel hinausschießen und anfangen zu schwingen, die Spannung zittert dann schnell auf und ab. Die Kondensatoren beruhigen ihn. Darum gehören sie so nah wie möglich an seine Beine.

Versuch: Regler gegen Widerstand

Hier prüfst du die Kernaussage dieser Seite: Der Regler hält die 5 V, ein fester Widerstand nicht.

Du brauchst: den Aufbau von Tag 1 des Adventskalenders, also 9-V-Batterie mit Clip, MC7805, zwei Kondensatoren 100 nF und drei LEDs mit je einem Widerstand 470 Ω. Dazu ein Multimeter (Teil 10). Ohne Multimeter geht es auch, dann schaust du nur auf die Helligkeit.

Zwei Schaltpläne. A mit Regler: 9 Volt an den 7805, an dessen Ausgang die rote Schiene; ein Voltmeter misst zwischen Schiene und Masse; drei LED-Zweige mit je einem Widerstand, LED 2 und 3 gestrichelt. Ergebnis: immer 5,0 Volt. B: Statt des Reglers ein Widerstand 470 Ohm zwischen 9 Volt und der roten Schiene, zwei LED-Zweige, LED 2 gestrichelt. Ergebnis: ohne LED 9 Volt, mit einer 5,5 Volt, mit zwei 4,3 Volt.

A: mit Regler. B: ein Widerstand an seiner Stelle.

A · Mit Regler.

  1. Bau Tag 1 auf (Bauanleitung dort), aber steck zunächst keine LED ein.
  2. Multimeter auf V⎓, schwarze Spitze an die blaue Schiene, rote an die rote Schiene.
  3. Batterie anklemmen und den Wert notieren. Dann nacheinander LED 1, 2 und 3 samt Widerstand einstecken und jedes Mal ablesen.
  4. Miss zum Schluss auch den Eingang: rote Spitze an das Bein 1 des Reglers.

B · Widerstand statt Regler. Batterie ab.

  1. Zieh den Regler heraus. Nimm eine LED samt ihrem 470-Ω-Widerstand ab und steck diesen Widerstand dorthin, wo vorher der Regler saß: von der Spalte des Eingangs (Bein 1) zur Spalte des Ausgangs (Bein 3). Die Kondensatoren dürfen bleiben.
  2. Jetzt gibt es nur noch zwei LEDs. Zieh beide heraus und miss wieder an der roten Schiene, erst ohne LED, dann mit einer, dann mit zwei.
An der roten Schiene 0 LEDs 1 LED 2 LEDs 3 LEDs
A · mit Regler (erwartet) 5,0 V 5,0 V 5,0 V 5,0 V
B · Widerstand statt Regler (erwartet) 9 V 5,5 V 4,3 V —
dein Wert A
dein Wert B

Was du siehst: Mit Regler bleibt die Spannung stehen. Ein Exemplar hat vielleicht 4,97 V oder 5,03 V, aber es bleibt bei seinem Wert. Der MC7805 darf laut Datenblatt zwischen 4,8 V und 5,2 V liegen. Die Batteriespannung am Eingang sinkt beim Zustecken dagegen um ein paar Hundertstel Volt. Ohne Regler fällt die Spannung mit jeder LED deutlich. Ohne Multimeter siehst du das auch so: In B wird LED 1 sichtbar dunkler, sobald LED 2 dazukommt. In A ändert sich nichts.

Herleitung: Woher kommen 5,5 V und 4,3 V in Versuch B?

Ansatz: Eine LED hat im Betrieb etwa 2 V (Teil 4). Ihr eigener Widerstand und der Widerstand „statt Regler“ haben je 470 Ω. Die Spannungen im Kreis addieren sich zu den 9 V der Batterie (Teil 5).

Eine LED: Beide Widerstände und die LED liegen in Reihe, durch alle fließt derselbe Strom \(I\):

  1. \(9\,\text{V} = 470\,\Omega \cdot I + 470\,\Omega \cdot I + 2\,\text{V}\)
  2. \(940\,\Omega \cdot I = 7\,\text{V}\), also \(I \approx 7{,}4\,\text{mA}\)
  3. An der Schiene: \(U = 9\,\text{V} - 470\,\Omega \cdot 7{,}4\,\text{mA} = 9\,\text{V} - 3{,}5\,\text{V} = 5{,}5\,\text{V}\)

Zwei LEDs: Jetzt teilt sich der Strom durch den oberen Widerstand auf zwei gleiche Zweige auf. Nennen wir die Spannung an der Schiene \(U\). Durch jeden Zweig fließen \((U - 2\,\text{V})/470\,\Omega\), durch den oberen Widerstand \((9\,\text{V} - U)/470\,\Omega\). Was oben hineinfließt, fließt unten in die zwei Zweige:

  1. \(\dfrac{9\,\text{V} - U}{470\,\Omega} = 2 \cdot \dfrac{U - 2\,\text{V}}{470\,\Omega}\)
  2. Beide Seiten mal 470 Ω: \(9\,\text{V} - U = 2U - 4\,\text{V}\)
  3. \(3U = 13\,\text{V}\), also \(U \approx 4{,}3\,\text{V}\)

Kontrolle: Durch den oberen Widerstand fließen \((9 - 4{,}33)\,\text{V} / 470\,\Omega \approx 9{,}9\,\text{mA}\). Durch jeden Zweig \((4{,}33 - 2)\,\text{V} / 470\,\Omega \approx 5{,}0\,\text{mA}\), zusammen 9,9 mA. Es passt.

Zahlenprobe am Steckbrett: Deine Werte weichen etwas ab, weil eine frische Batterie mehr als 9 V hat und rote, gelbe und grüne LEDs nicht genau 2 V haben. Die Richtung stimmt aber immer: Jede LED mehr drückt die Spannung nach unten.

Danach: Batterie ab, Regler wieder einsetzen. An Tag 1 und in allen weiteren Versuchen bleibt er drin.

Zusammenfassung

Weiter mit Teil 12: Widerstände: Farbcode, Bauformen, Potentiometer (erscheint demnächst). Zurück zu Teil 10: Das Multimeter oder zur Übersicht aller Teile.

Erstellt: 06.11.2026