LED StepUp Converter

Eine kleine, aber extrem hilfreiche Schaltung, um auch noch das Letzte aus haushaltsüblichen (vermeintlich leeren) Batterien herauszukitzeln.

Grundidee war, die teuren Batterien auch effektivst nutzen zu können. Die meisten batteriebetriebenen Kleinstgeräte (Taschenlampen, Wecker, Taschenrechner) nutzen Batterien nie ganz aus. Für eine LED ist aber immer noch genügend Ladung in einer gebrauchten Batterie vorhanden. Problem dabei ist, dass eine LED mindestens 2,5V bis 3,5V Durchflussspannung benötigt. Beim seriellen Betrieb von Batterien werden jedoch nie beide gleichmäßig belastet, da der Innenwiderstand stark Ladungsabhängig ist. Also galt es, eine Schaltung zu entwerfen mit welcher man eine oder mehrere LEDs mit nur einer Batterie â 1,5V betreiben kann. Solche StepUp-Converter gibt es auch als fertige IC-Schaltkreise in verschiedensten Bauformen. Diese haben allerdings meist eine höhere StartUp-Voltage, bei der die Schaltung ins schwingen kommt. Daher, und aus dem Bedürfnis die Schaltung verstehen zu wollen, entschied ich mich zum diskreten Aufbau.

Schaltung 1:

Beim durchstöbern des Internets stieß ich auf zahlreiche mögliche Varianten von Stepup-Convertern. Dabei reicht die Spanne von einfachen Schwingkreisen bis hin zu OPV-Schaltungen. Ich entschied mich für eine Umsetzung mittels Transistorschaltung.

Schaltplan:

JouleThief mit nur wenigen Bauteilen
An K1 kommt natürlich die LED. Anschluss 1 ist dabei für die Anode, und die 2 für die Kathode.
Wie es funktioniert ist eigentlich ganz einfach. Die zwei Transistoren bilden mit den Widerständen und dem Kondensator einen einfachen Multivibrator. Demzufolge steuert der Transistor T2 ständig durch und schließt wieder. Damit ändert sich laufend der Stromfluss duch die Induktivität, und beim Sperrvorgang des Transistors wird eine Spannung in der Induktivität induziert, welche sich auf die Batteriespannung addiert. Je nach LED kommen dann insgesamt bis zu 3,8V an der Klemme an. Die induzierte Spannung richtet sich nach der LED (genaugenommen nach deren Innenwiderstand). Somit stellt sich die Spannung immer automatisch an die angeschlossene LED ein.
Wenn die Batteriespannung sinkt, sinkt zwar auch der Strom etwas und aber die Frequenz des Multivibrators steigt. Aber immerhin kann man die Batterien nun bis 0,7V leersaugen.
Screenshot vom Oszilloskop der gemessenen Ausgangsspannung über die LED
Hier sieht man die pulsierende Gleichspannung am Anoden-Anschluss einer superhellen blauen LED. Der Spitzenwert der Spannung liegt bei 4,5V mit einer Periodendauer von ca. 5µs. Das entspricht einer Frequenz von 200kHz. Dabei wird die LED nur ein drittel der Periodendauer vom Strom durchflossen. Sinkt nun die Batteriespannung, steigt die Frequenz mit der der Multivibrator schwingt, da der Kondensator weniger Zeit braucht um geladen zu werden. Trotzdem sinkt die Helligkeit der LED auch etwas, genügt aber immernoch um sich im dunkeln orientieren zu können.

Größenvergleich 2€-Stück und Schaltung


Das kleine Layout im Größenvergleich zu einem 2€-Stück. Ich brauch dringen einen SMD-Lötkolben...vor allem die Transistoren machen mir mit meiner jetzigen Lötstation Probleme.

Schaltung 2:

Eine weitere, bauteilsparendere Möglichkeit fand ich auf einer japanischen Internetseite (Link). Meine erste Variante ist eigentlich schon perfekt, jedoch reizte mich der Ansatz mit nur einem Transistor und einem kleinen selbstgewickelten Transformator auszukommen.

Bauelemente für JouleThief
JouleThief mit selbstgewickeltem kleinen Trafo
Schaltplan:

Da der Erfinder die Schaltung schon selbst als Try-and-Error-Schaltung ausschrieb, ist hier Probieren angesagt. Zumal die Japanischen Bauteile hier nirgends zu bekommen sind. Die Grundidee ist es, einen kleinen Transformator selbst zu wickeln. Dazu benutze ich einen Eisenpulver-Ringkern T30-18, welcher mit zwei Wicklungen zu je 20 Windungen (0,2mm Kupferlackdraht) bewickelt wird. Rein rechnerisch ergibt sich daraus eine Induktivität von 8,8µH pro Wicklung.

Schaltplan von JouleThief 2Funktionsweise:

Die Schaltung ist im Prinzip eine Joule-Thief-Schaltung. Im Einschaltmoment fließt nun ein Strom durch den Widerstand R1 und lässt damit den Transistor T1 durchschalten. Da dieser nun durchschaltet, fießt auch durch die Wicklung 1 ein Strom, welcher in Wicklung zwei ein Strom induziert. Dieser induzierter Strom kommt additiv zum Basistrom hinzu, weshalb der Transistor noch weiter verstärkt. Diese Collektorstromerhöhung hat wiederum zur Folge, dass eine Spannung in Windung 1 additiv zur Batteriespannung hinzukommt. Somit ergibt sich eine höhere Spannung, bei der die LED leuchten kann. Der Aufschwingprozess geht so lang, bis der Transistor in Sättigung gefahren ist, und sich damit der Strom nicht mehr ändern kann. Dieser Vorgang wiederholt sich mit einer bestimmten Frequenz immer wieder.

Messung_1Messung 2
 
Im linken Screenshot zu sehen, die Ausgangsspannung über die LED. In diesem Falle beträgt diese ca. 2,2V Spitzenwert. Im rechten Bild ist die Induzierte Spannung in Windung 2 zu sehen. Ausgehend von der Ausgangsspannung ist eine Periode 5µs lang, also leuchtet die LED mit 200kHz.

Im direkten vergleich zur SMD-Version fällt die Jule-Thief-Schaltung relativ klein aus. Aber auch nur, weil das Layout des SMD-Stepups sehr großzügig gewählt ist. Dennoch war es schön mal wieder selbst einen Ringkern zu wickeln. Effizienter ist jedoch eindeutig der SMD-Stepup. Vermutlich ist der Transistor nicht die Ideale Wahl. Und der Transformator könnte vielleicht doch ein paar Windungen mehr vertragen.

Vergleich der beiden JouleThief Varianten

Kleine Platinen der ersten Schaltung