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 1,5 V-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 | 28 V |
| Ausgangsstrom | 2,5 mA |
| Eingangsstrom | 26 mA |
| Frequenz | 177 kHz |
| 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 100 µH und 100 mH verwendet werden. Optimal sind die 1 mH 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 45 V vertragen.
- Die Z-Diode D2 begrenzt die Ausgangsspannung auf 12 V 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 1,5 V-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 1,5 V. Wegen der geringen Spannung ersetzen wir die Diode D1 durch eine Schottky-Diode.
Die Schaltung arbeitet bereits ab 0,7 V.
| Uin | Iin | Iaus | |
| 0,7 V | 11 mA | 1,5 mA | 58 % |
| 0,8 V | 21 mA | 3,9 mA | 69 % |
| 0,9 V | 30 mA | 5,4 mA | 60 % |
| 1,0 V | 36 mA | 7,0 mA | 58 % |
| 1,2 V | 48 mA | 10 mA | 51 % |
| 1,5 V | 65 mA | 15 mA | 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 1 kΩ können zu einer Überlastung der LED (über 20 mA) führen.
Die beiden Induktivitäten sehen aus wie Widerstände: zwei Anschlussdrähte und Farbringe. Die Grundfarbe ist hier beige.
Spannungswandler für LEDs
Die Eingangsspannung von maximal 1,5 V liegt immer unter der LED-Flussspannung von 3 V (weiß) oder 1,6 V (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 in Bild 6.
Alle Spannungen haben die gleiche Skalierung von 1 V 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 Einschaltphase ist die Kollektorspannung nahe 0 V. Wenn der Transistor sperrt, fällt die Spannung am Kollektor linear mit der 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 2,6 V.
Die Spannung am Kondensator C1 ist sinusförmig. Sie hat einen Gleichspannungsanteil von +1 V.
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 0,76 V begrenzt ist. Während der negativen Spannung am Kondensator C1 sperrt der Transistor.
Merkwürdigerweise schaltet der Transistor um 0,6 µS 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 bewirkt werden. Dieser Kondensator bildet mit R1 ein RC-Glied. Er müsste etwa 600 pF (0,6 µS/1 kΩ) betragen. Die Basis-Emitter-Kapazität eines Transistors beträgt aber nur 10 pF.
Die hohe Kapazität von 600 pF wird durch den Transistor vorgespiegelt. Dies ist der Effekt der Kollektor-Basis-Kapazität des Transistors. Diese beträgt etwa 10 pF. Die Kollektor-Basis-Kapazität wirkt vom Ausgang auf den Eingang zurück, d. h. vom Kollektor des Transistors auf seine Basis. Die Spannung am Ausgang ist gegenüber der Spannung am Eingang verstärkt. Die Kollektor-Basis-Kapazität spiegelt also eine verstärkte Kapazität am Eingang wider. In unserem Fall liegt wahrscheinlich eine Verstärkung von 60 (600 pF/10 pF) vor.
Diese Erhöhung der parasitären Kapazität zwischen Kollektor und Basis eines Transistors wird als Millereffekt bezeichnet.
Nicht über 1,5 V
Der Spannungswandler für eine LED darf nicht an einer Spannungsquelle über 1,5 V 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 22 µH wird die LED mit 11 mA betrieben. Der minimal zulässige Wert für L1 ist 10 µH. Dann ist der Strom in der LED 22 mA. Der Wirkungsgrad liegt bei 80 %, wenn die Batteriespannung über 1,4 V liegt.
- Der Strom durch die LED variiert zwischen einer Eingangsspannung von 0,95 V bis 1,5 V nur 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 15 V nicht überschreiten, d. h., es sollten nicht mehr als vier weiße LEDs in Reihe geschaltet werden.
- Der PR4402 liefert:
- mit L1 = 6,8 µH 32 mA
- mit L1 = 4,7 µH 40 mA
- Dies 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.