Der 7824 gehört zu den Linearreglern der 7800-Reihe und gibt 24V aus. Das vorliegende Bauteil stammt von ST Microelectronics. Die Toleranz der Ausgangsspannung spezifiziert das Datenblatt mit +/-1,2V bei einem Strom von 5mA bis 1A und einer Eingangsspannung zwischen 28V und 38V. Die Strombegrenzung des Spannungsreglers reagiert typischerweise bei 2,1A. Der tatsächliche Wert ist vom Spannungsabfall über den Baustein abhängig, damit der SOA-Bereich des Regeltransistors nicht überschritten wird.
Die Varianten in den Gehäuseformen TO220 und D2PAK tragen den Index C und sind abgesehen vom Toleranzbereich der Ausgangsspannung in allen Spezifikationen etwas schlechter als die Spannungsregler ohne Index, die sich im TO3-Gehäuse befinden. Wie sich noch zeigen wird, ist der Gehäusetyp höchstwahrscheinlich nicht der Grund für diesen Unterschied. Ebenso wenig handelt es sich um Sortierungen.
Die im Datenblatt abgebildete Schaltung entspricht Großteils dem Schaltplan des Siemens TDB7805. Einziger Unterschied ist der Widerstand R21, der im TDB7805 zwar auch integriert ist (dort als R3* markiert), im Schaltplan aber nicht auftaucht.
Die Abmessungen des Dies betragen 2,1mm x 2,3mm. Die Schaltung ist damit merklich größer als die Schaltung im TDB7805. Oberflächlich betrachtet liegt das hauptsächlich an dem sehr viel größeren Kompensationskondensator der Spannungsverstärkerstufe.
Bei den Zeichenfolgen 8615 und L7711 scheint es sich um die für ST typische Beschriftung zu handeln, wie sie zum Beispiel auch im NE555 von ST Microelectronics zu finden ist. Wie dort bereits beschrieben, handelt es sich bei der Zahlenfolge, die mit der 8 beginnt, anscheinend um die Bezeichnung eines Fertigungsprozesses. Die Zeichen L7711 dürften für die 7800-Familie stehen.
In der unteren rechten Ecke des Dies finden sich die für ST Microelectronics typischen Ätzmarker zur Überwachung des Fertigungsprozesses.
Die integrierte Schaltung entspricht Großteils dem im Datenblatt abgebildeten Schaltplan.
Der Längsregler besteht wie beim Siemens TDB7805 aus zwei Leistungstransistoren (Q17a/b), die von ihren Darlington-Treibertransistoren umgeben sind (Q16a/b). Auch der Aufbau der Leistungstransistoren selbst ist der gleiche. Die keilförmigen Emitterflächen und die dünnen Zuleitungen sorgen für eine gleichmäßige Stromverteilung.
In der linken oberen Ecke findet sich der Widerstand RE15, der im Schaltplan des Datenblatts nicht auftaucht. Er dient als Emitterwiderstand für den Transistor Q15, der die Überstromabschaltung realisiert.
Der Widertand R4, der den Strom durch die Z-Diode der Anlaufschaltung begrenzt, ist sehr lang ausgeführt. Er verläuft von der rechten unteren Ecke des Bildausschnitts in den oberen rechten Bereich, wo zusätzlich einige Schleifen integriert wurden. Interessant ist hier die Fläche, die die Metalllage über dem Widerstand bildet. Durch eine relativ einfache Verschiebung der Durchkontaktierung kann man so den Widerstandswert und damit den Strom durch die Z-Diode variieren.
Wie beim Siemens TDB7805 befindet sich auch hier in der Übertemperaturschutzschaltung ein Testpad. Darüber lässt sich die Schwelle der Schutzschaltung nach der Produktion abschätzen, ohne die Temperatur tatsächlich variieren zu müssen.
In diesem Schaltungsteil findet sich ein weiterer Unterschied zum Schaltplan. Dem Transistor Q14 ist der Treibertransistor Q14p mit dem Emitterwiderstand RQ14p vorgeschaltet. Der Treibertransistor Q14p befindet sich in derselben Kollektorfläche wie der Transistor Q12.
In der unteren linken Ecke des Dies befinden sich die Widerstände R19 und R20, die als Spannungsteiler im Rückkopplungszweig die Höhe der Ausgangsspannung definieren. Der Widerstand R20 besteht aus sechs seriell geschalteten Elementen. Die Metalllage verschaltet die Widerstände derart, dass sich die gewünschte Ausgangsspannung von 24V ergibt. Dazu passend befindet sich in diesem Bereich auch die Zahl 24.
ST Microelectronics bietet den Spannungsregler mit sehr vielen Ausgangsspannungen an: 5V, 5,2V, 6V, 8V, 8,5V, 9V, 12V, 15V, 18V, 24V. Diese Spannungen müssen über die hier integrierten Widerstände dargestellt werden. Im Datenblatt ist schön zu erkennen, wie die Toleranz der Ausgangsspannung mit der Spannungshöhe skaliert. Während der Toleranzbereich für die 5V-Variante bei konstanter Last mit +/-0,2V angegeben ist, beträgt er in der 24V-Variante +/-1V.
Der Widerstand R2 bietet einen zusätzlichen, ungenutzten Kontakt. Wie beim TDB7805 beschrieben, stellt der Widerstand R2 (R13 im TDB7805) den positiven Temperaturkoeffizienten der Referenzspannung ein. Über den zusätzlichen Kontakt am oberen Ende kann dieser Beitrag variiert werden, so dass er den negativen Temperaturkoeffizienten der Referenzspannung möglichst gut kompensiert.
Das ST Microelectronics Datenblatt gibt zwei Stromgrenzen an, den "short circuit peak current" und den "short circuit current". Der "short circuit peak current" ist der Strom, der sich maximal einstellen kann. Er liegt typischerweise bei 2,2A. Der Begriff "short circuit" ist dabei eher irreführend. Der maximale Strom tritt üblicherweise gerade nicht bei einem harten Kurzschluss auf. Der Shunt R11 und der Transistor Q15 sorgen für die beschriebene Begrenzung des Stroms. Der Pfad R13/D2 reduziert diesen Stromwert sobald über dem Regler eine gewisse Spannung abfällt. Je höher der Spannungsabfall ausfällt, desto weiter wird der Strom reduziert.
Der "short circuit current" ist der Strom, der sich bei einem harten Kurschluss am Ausgang einstellt. Das ist ein besonderer Betriebszustand, da dabei Teile des Reglers nicht mehr vollständig versorgt werden und entsprechend viele Zusammenhänge nicht mehr gelten. Das Datenblatt gibt als Rahmenbedingungen eine Eingangsspannung von 35V und eine Temperatur von 25°C an. Für den 7800 (TO3-Gehäuse) liegt der typische Ausgangsstrom dann bei 0,75A. Für die 7800-Varianten (TO220 und D2PAK) sind überraschenderweise andere und noch dazu unterschiedliche Stromwerte angegeben. Dort sinkt der "short circuit current" mit steigender Nennausgangsspannung von 0,75A (7805C) auf 0,15A (7824C). Im Schaltplan findet sich keine Erklärung für diesen Zusammenhang. Auch die Komponenten auf dem Die bieten keine Möglichkeit das Verhalten im Kurzschlussfall derart zu beeinflussen. Die Erklärung liegt im Aufbau der TO3-Regler.
Ken Shirriff hat einen ST 7805 im TO3-Gehäuse analysiert (LINK) und dabei festgestellt, dass die Schaltung vom Schaltplan im ST-Datenblatt stark abweicht. Sie würde eher zum KIA7805 von KEC Semiconductor passen. Der hier zu sehende Schaltplan stammt aus dem zugehörigen Datenblatt. Es steht die Vermutung im Raum, dass es sich dabei um ein älteres Design von Thomson handelt. Es scheint, dass ST Microelectronics diese Schaltungsvariante in seinen TO3-Gehäusen eingesetzt hat. Die TO220- und D2PAK-Gehäuse enthalten dagegen die Schaltung, die auch im Datenblatt abgebildet ist. Das könnte die unterschiedlichen Werte für den "short circuit current" erklären. Ein Kurzschluss am Ausgang sorgt für gänzlich andere Arbeitspunkte in der Referenz- und Differenzverstärkerschaltung. Anscheinend beeinflusst dabei der Spannungsteiler im Rückkopplungspfad der 7800C-Regler den sich einstellenden Ausgangsstrom.
Mit diesem Hintergrund erklärt sich auch warum die 7800-Regler im TO3-Gehäuse bei fast allen Kriterien andere (etwas bessere) Spezifikationen aufweisen.
