Einfacher Spannungswandler mit Induktivitäten
Im Praktikum Spannungen induktiv wandeln haben wir Schaltungen untersucht, mit denen verschiedene Spannungen erzeugt werden können,
- größer als die Versorgungsspannung,
- kleiner als die Versorgungsspannung und
- negative Spannungen.
Die Schaltungen waren nicht sehr aufwendig.
Hier betrachten wir einen Spannungswandler, der sehr einfach ist. Er ist nur für geringe Leistungen geeignet, aber für den Betrieb vieler Elektronikschaltungen ausreichend.
Wir betrachten auch eine Variante, mit der eine weiße LED an einer 1,5V-Batterie betrieben werden kann. Die LED leuchtet auch dann noch, wenn die Batterie weitgehend entladen ist.
Spannungswandler mit Induktivitäten
Die folgende Schaltung spart den Timer 555 ein, der den Transistor vor der Induktivität ansteuert. Wir verwenden eine Schaltung mit einer weiteren Induktivität und einem Kondensator. Damit steuert sich der Transistor sozusagen selbst an.
Die Daten der Schaltung in Bild 1 sind:
| Ausgangsspannung | 28V |
| Ausgangsstrom | 2,5mA |
| Eingangsstrom | 26mA |
| Frequenz | 177kHz |
| Wirkungsgrad | 65% |
Die Induktivität L1 und der Kondensator C1 sind die steuernden Elemente der Schaltung. Sie bestimmen die Frequenz des Wandlers:
Die Induktivität L2 hat keinen Einfluss auf die Frequenz. Es können Werte zwischen 100µH und 100mH verwendet werden. Optimal sind die 1mH in Bild 1.
Beide Induktivitäten werden nur mit geringen Strömen belastet. Es werden kleine Festinduktivitäten mit axialen Anschlüssen wie Widerstände verwendet.
Wird am Ausgang eine Z-Diode angeschlossen, so wird die Spannung auf deren Z-Spannung begrenzt. Sie sorgt auch gleichzeitig für eine gewisse Stabilisierung der Ausgangsspannung.
Dieser Wandler ist einfach aufzubauen und kann höhere Spannungen erzeugen.
- Der Ausgang sollte nie unbelastet sein, da die Spannung hoch werden kann. Dadurch kann der Transistor überlastet werden. Ein BC337 kann eine maximale Spannung von 45V vertragen.
- Die Z-Diode D2 begrenzt die Ausgangsspannung auf 12V und
- stabilisiert sie.
- Die Ausgangsspannung kann nicht kleiner als die Versorgungsspannung sein.
- Der Ausgang ist nicht kurzschlussfest, da dann die Versorgungsspannung über L2 und D1 kurzgeschlossen wird.
- Der Widerstand R1 hängt von der Stromverstärkung des Transistors Q1 ab und muss gegebenenfalls angepasst werden.
- Die am Ausgang abgegebene Leistung Uaus * Iaus kann durch den Widerstand R1 in gewissem Umfang angepasst werden.
Spannungswandler für LED
Im Praktikum Spannungen wandeln haben wir zu Beginn die Frage gestellt,
- Wie können wir eine weiße LED an einer 1,5V Batterie betreiben?
Der oben vorgestellte Spannungswandler ist dafür ideal. Die Schaltung lässt sich noch weiter vereinfachen.
Die Versorgungsspannung ist eine einfache Batterie mit einer maximalen Spannung von 1,5V. Wegen der geringen Spannung ersetzen wir die Diode D1 durch eine Schottkydiode.
Die Schaltung arbeitet bereits ab 0,7V.
| Uin | Iin | Iaus | |
| 0,7V | 11mA | 1,5mA | 58% |
| 0,8V | 21mA | 3,9mA | 69% |
| 0,9V | 30mA | 5,4mA | 60% |
| 1,0V | 36mA | 7,0mA | 58% |
| 1,2V | 48mA | 10mA | 51% |
| 1,5V | 65mA | 15mA | 46% |
- Der Wirkungsgrad um 50% ist recht beachtlich.
- Zwischen 0,7 V und 1,5 V variiert der LED-Strom zwischen 1,5 mA und 15 mA. Die Helligkeitsänderung der LED ist somit deutlich wahrnehmbar.
Der Wirkungsgrad gibt an, wie viel Prozent der Eingangsleistung am Ausgang zur Verfügung steht:
ULed * Iaus / ( Uin * Iin ) 3V * Iaus / ( Uin * Iin )
Die Schaltung kann den eigenen Bedürfnissen angepasst werden. Insbesondere der Widerstand R1 kann an die Stromverstärkung des Transistors angepasst werden. Kleinere Werte für R1 als 1kΩ können zu einer Überlastung der LED (über 20mA) führen.
Die beiden Induktivitäten sehen aus wie Widerstände: zwei Anschlussdrähte und Farbringe. Die Grundfarbe ist hier beige.
Spannungswandler für LEDs
Die Eingangsspannung von maximal 1,5V liegt immer unter der LED-Flussspannung von 3V (weiß) oder 1,6V (rot). Die Diode D1 und der Kondensator C3 sind daher nicht erforderlich. Die LED wird direkt an den Ausgang angeschlossen.
- Der Wandler kann auch mit LEDs anderer Farbe betrieben werden.
- Es ist auch möglich, mehrere LEDs in Reihe zu schalten. Fünf weiße LEDs sind kein Problem.
Oszillogramm der Spannungen am Spannungswandler
Zusammenfassend zeigt das folgende Oszillogramm die Spannungen am Spannungswandler von Bild 6.
Alle Spannungen haben die gleiche Skalierung von 1V pro Einheit. Auf der Zeitachse entspricht eine Einheit 1µs.
Die gelbe Kurve zeigt die Spannung an der Basis des Transistors.
Die blaue Kurve ist die Spannung an der LED, d.h. am Kollektor des Transistors.
Die violette Kurve ist die Spannung am Kondensator C1.
Alle drei Spannungen haben den gleichen Nullpunkt, das violette Dreieck links.
Der Transistor arbeitet offensichtlich als Schalter. Während der Einphase ist die Kollektorspannung nahe 0V. Wenn der Transistor sperrt, fällt die Spannung am Kollektor linear mit Zeit ab. Der Strom in der Induktivität nimmt linear mit der Zeit ab. Der differenzielle Widerstand der LED wandelt den Strom in eine fallende Spannung um. Die Spannung der idealisierten LED beträgt etwa 2,6V.
Die Spannung am Kondensator C1 ist sinusförmig. Sie hat einen Gleichspannungsanteil von +1V.
Die Spannung am Kondensator steuert den Transistor an der Basis an. Es ist gut zu erkennen, dass die Basisspannung während der positiven Halbwelle der Sinusspannung auf 0,76V begrenzt ist. Während der negativen Spannung am Kondensator C1 sperrt der Transistor.
Merkwürdigerweise schaltet der Transistor um 0,6µS zu spät ab. Man würde erwarten, dass der Transistor ungefähr dann abschaltet, wenn die fallende violette Kurve (Uc1) die gelbe Kurve (UBE) schneidet. Diese Verzögerung kann nur durch einen Kondensator zwischen Basis und Emitter des Transistors erreicht werden. Dieser Kondensator bildet mit R1 ein RC-Glied. Er müsste etwa 600pF (0,6µS/1kΩ) betragen. Die Basis-Emitter-Kapazität eines Transistors beträgt ebenfalls nur 10pF.
Die hohe Kapazität von 600pF wird durch den Transistor vorgespiegelt. Es ist die Wirkung der Kollektor-Emitter-Kapazität des Transistors. Diese betragt aber auch nur etwa 10pF. Sie wirkt vom Ausgang, dem Kollektor des Transistors, zum Eingang der Basis. Die Spannung am Ausgang wird gegenüber der Spannung am Eingang verstärkt. Die Kollektor-Emitter-Kapazität spiegelt eine verstärkte Kapazität am Eingang wider. In unserem Fall liegt wahrscheinlich eine Verstärkung von 60 (600pF/10pF) vor.
Diese Vergrößerung der parasitären Kapazität zwischen Kollektor und Emitter eines Transistors wird als Millereffekt bezeichnet.
Nicht über 1,5V
Der Spannungswandler für eine LED darf nicht an einer Spannungsquelle über 1,5V betrieben werden, da sonst die LED über L1 und D1 ohne Vorwiderstand betrieben wird.
LED-Treiber PR4401
THT und SMD
Montage von Bauelementen auf Leiterplatten
THT (Through Hole Technology) Durchsteckmontage
- Die Anschlüsse von THT-Bauelementen werden durch Löcher in der Platine gesteckt und von unten verlötet.
- THT-Bauelemente werden auf der Oberseite der Platine montiert.
- Bedrahtete Bauelemente wie Widerstände und Kondensatoren werden in THT montiert. Dazu müssen die Anschlussdrähte entsprechend gebogen werden.
SMD (Surface Mounted Device) Oberflächenmontage
- SMD-Bauelemente benötigen keine Bohrungen, sondern werden direkt auf Kupferpads gelötet.
- SMD-Bauelemente können auf beiden Seiten einer Platine montiert werden.
Es gibt eine noch einfachere Schaltung mit sehr gutem Wirkungsgrad. Sie beruht auf dem LED-Treiber-IC PR4401.
Bei einer Induktivität von 22µH wird die LED mit 11mA betrieben. Der minimal zulässige Wert für L1 ist 10µH. Dann ist der Strom in der LED 22mA. Mit L1 = 22µH sind es 11mA. Der Wirkungsgrad liegt bei 80%, wenn die Batteriespannung über 1,4V liegt.
- Der Strom durch die LED variiert zwischen einer Eingangsspannung von 0,95V bis 1,5V wenig. Eine Helligkeitsänderung der LED ist kaum wahrnehmbar.
- Der Wandler kann auch mit LEDs anderer Farbe betrieben werden.
- Es ist möglich, zwei weiße LEDs parallel zu betreiben.
- Es ist auch möglich, mehrere LEDs in Reihe zu schalten.
- Die maximale Spannung am Anschluss Vout darf 15V nicht überschreiten, d.h. es sollten nicht mehr als vier weiße LEDs in Reihe geschaltet werden.
- Der PR4402 liefert
- mit L1 = 6,8µH 32mA
- mit L1 = 4,7µH 40mA
- Dieses ist mit zwei parallel geschalteten Standard-LEDs möglich.
Der PR4401 hat ein SMD-Gehäuse vom Typ SOT-23-3, das wir einfach auf eine Lochrasterplatine setzen können: SOT-Gehäuse.