Spannungswandler, Step-Up-Wandler

Spannungswandler werden in vielen Bereichen der Elektronik eingesetzt, ob als Netzteile oder als Wandler für Gleichspannungen zum Umsetzen höherer Gleichspannungen in niedrigere (Abwärtswandler bzw. Step-Down-Wandler) oder umgekehrt (als Aufwärtswandler oder auch Step-Up-Wandler). Um Letztere soll es hier gehen. Dazu folgen zunächst ein paar Experimentieraufbauten. Danach werden ein paar kommerzielle Step-Up-Wandler als günstige und kompakte Einbauplatinen vorgestellt, die mit integrierten Schaltungen arbeiten. Doch zunächst zu den Versuchsaufbauten. Diese dienen hier nur zur Vorstellung des Funktionsprinzips. Die Schaltungen funktionieren ähnlich wie die zur Heraufsetzung der Versorgungsspannung für LEDs, siehe dazu auch die Beiträge zu den mit 1,5 Volt betriebenen LEDs. Aufwärtswandler oder Boost-Converter bzw. Step-Up-Converter liefern eine höhere Ausgangsspannung als die am Eingang der Schaltung zur Verfügung stehende. Diese Schaltungen sind sehr praktisch, wenn mithilfe geringer Batteriespannungen elektrische Verbraucher betrieben werden sollen, die eigentlich höhere Spannungen benötigen. Ein gutes Beispiel dafür stellt die schon erwähnte Schaltung zum Betrieb von Leuchtdioden an einer einzigen Batteriezelle dar. LEDs eignen sich mehrere weniger bekanntermaßen nicht zum direkten Betrieb an einzelnen Batteriezellen mit 1,2 oder 1,5 Volt. Um einen solchen Betrieb doch möglich zu machen, bedient man sich des Prinzips eines Aufwärtswandlers. Die Schaltung in der oberen Abbildung zeigt den praktischen Aufbau eines solchen Aufwärtswandler. Im Beispiel wurde eine Glimmlampe an einer Lithium-Ionen-Batterie mit einer Spannung von ca. 3,7 Volt betrieben. Glimmlampen benötigen wesentlich höhere Spannungen ab etwa 60 Volt aufwärts. Sie werden gerne in Geräten eingesetzt, die eine Kontrollleuchte benötigen und in denen nur eine Netzspannung in Höhe von 230 Volt zur Verfügung steht.

Zum Aufbau der Schaltung wird eine sogenannte Induktivität bzw. ein Schalttransformator benötigt. Man kann sich einen solchen selbst aufbauen. Im einfachsten Fall besteht er nur aus einer oder zwei Spulen auf einem Eisenkern. Ein Beispiel für eine solche Spule ist im Beitrag zu finden, in denen es um den Betrieb einer Leuchtstofflampe an einer Spannung von 12 Volt geht. Für dieses Beispiel hier wurde ein anderer Weg gegangen. Der hier verwendete Wandlertrafo stammt aus einem kleinen Steckernetzteil mit vier USB-Anschlüssen, wie dieses heute zum Betrieb oder zum Aufladen kleinerer tragbarer Geräte eingesetzt wird. Erkennbar ist dieser Wandlertrafo in der Mitte der Platine.

Auf der Unterseite erkennt man, dass dieser kleine Trafo insgesamt sechs Anschlüsse besitzt, wovon jeweils zwei zu einer Spule führen. Auf der Platine sind verschiedene Komponenten zu erkennen. Rechts oben befindet sich ein kleiner Gleichrichter, der die rechts am Eingang zur Verfügung stehende Netzspannung (bei dieser handelt es sich bekanntermaßen um eine Wechselspannung) zunächst in eine Gleichspannung umwandelt. Auf der anderen Seite der Platine befindet sich ein Elektrolytkondensator zum Glätten der Spannung. Mithilfe einer elektronischen Schaltung, unter anderem bestehend aus dem kleinen IC rechts unten im Bild mit der Bezeichnung U1, wird mit dieser hohen Spannung der Trafo mit einer relativ hohen Frequenz angetaktet. Durch die Magnetfeldänderungen im Eisenkern des Transformators und in den Spulen entsteht in der Sekundärspule ebenfalls eine Wechselspannung, allerdings eine wesentlich niedrigere Spannung als die am Eingang zur Verfügung stehende. Erkennbar sind die beiden Anschlüsse im linken Bereich des Bildes. Beim genauen Hinschauen bemerkt man, dass die Platine aus zwei getrennten Bereichen besteht, dem Sekundärbereich links und dem Primärbereich rechts. Auf der linken Seite wird die Wechselspannung aus dem Wandlertrafo wieder in eine Gleichspannung umgewandelt. Dazu dienen die beiden Dioden oben links im Bild mit den Bezeichnungen D3 und D4. Die Gleichspannungen werden wir über einen Elektrolytkondensator geglättet und den USB-Anschlüssen auf der linken Seite der Platine zugeführt. Dort stehen sie zum Anschluss externer Geräte zur Verfügung. Wenn der Wandlertrafo zum Umwandeln höherer Spannungen in geringere eingesetzt werden kann, funktioniert das in der Regel auch auf umgekehrte Weise.

Der Wandlertrafo wurde zu diesem Zweck zunächst aus der Leiterplatte des Schaltnetzteils ausgelötet. In der Abbildung zu sehen sind die insgesamt sechs Anschlüsse (1 und 2, 3 und 4, 5 und 6) für die drei Wicklungen. Die Schaltung am Anfang der Seite wurde nach dem folgenden Schaltbild aufgebaut.

Diese Schaltung arbeitet mit einem einzigen Transistor sowie einem Widerstand. Eine der drei Wicklungen im Transformator, die im Netzteil als Sekundärwicklung zur Abgabe der Ausgangsspannung diente, wird über den Transistor angetaktet, also mit Spannungsimpulsen gespeist. Eine der beiden Wicklungen auf der Primärseite wurde hier als Rückkopplungswicklung verwendet. Die andere der drei Wicklungen dient als Ausgang.

Eine weitere und mit einer selbst hergestellten Spule (ebenfalls ein Transformator) arbeitende Schaltung funktioniert nach dem gleichen Prinzip. Diese Schaltung dient dazu, aus einer einzigen Batteriezelle mit 1,2 oder 1,5 Volt eine Ausgangsspannung in Höhe von etwa 5 Volt zu gewinnen. Die Abbildung oben zeigt den Versuchsaufbau mit der Spule, die auf einem kleinen Ringkern aufgewickelt wurde. Die Spule kann aus zwei Wicklungen mit jeweils etwa 8 Windungen hergestellt werden. Der Ringkern stammt aus einem alten Schaltnetzteil, wo er als Drossel eingesetzt wurde. Die vorhandenen Drahtwindungen wurden zuvor entfernt.

Alternativ kann auch ein fertiger Transformator eingesetzt werden. In der Abbildung oben besteht dieser aus einer Drosselspule mit zwei getrennten Wicklungen, die ebenfalls aus einem alten Schaltnetzteil stammt. Wie in der Abbildung mit dem Versuchsaufbau zu erkennen ist, liefert auch diese Schaltung eine Spannung in Höhe von knapp 5 Volt. Die nächste Abbildung zeigt das Schaltbild dieser einfachen Schaltung.

Auch hier wird der Wandlertrafo wieder durch einen Transistor angesteuert. Die auf diese Weise entstehende Induktionsspannung wird allerdings direkt als Ausgang verwendet, nachdem sie durch eine Diode in eine Gleichspannung umgeformt und durch einen Elektrolytkondensator geglättet wurde. Um die Spannung auf 5 V zu begrenzen, kann entweder eine Z-Diode oder ein integrierter Spannungsregler (7805) eingesetzt werden. Die Schaltung liefert allerdings eine Spannung mit einer nur äußerst geringen Stromstärke. Zum Betrieb von USB Geräten oder ähnlichen Verbrauchern ist sie nicht geeignet. Es handelt sich mehr um einen Versuchsaufbau, der nur aufzeigen soll, wie solche Spannungswandler bzw. Aufwärtswandler arbeiten und ist nicht für einen dauerhaften Einsatz geeignet. Es kann vorkommen, dass die Schaltung nicht gleich arbeitet. In diesem Fall sollte einmal eine der beiden Wicklungen umgepolt werden.

Step-Up-Wandler mit dem IC SD628

Kommerziell angebotene Step-Up-Wandler sollten natürlich effizienter arbeiten als die einfachen Schaltungen oben und auch höhere Ausgangsströme bzw. Ausgangsleistungen liefern können. Solche Schaltungen werden oft mit preisgünstigen integrierten Schaltungen realisiert. Die folgenden zwei Beispiele zeigen solche Spannungswandler mit einem IC des Typs SD628.

Die obere Schaltung liefert eine Spannung von 5 bis 12 Volt, einstellbar durch Lötbrücken auf der Oberseite der Platine. Die Ausgangsspannung der unteren Schaltung kann über ein Spindelpoti stufenlos in der Höhe eingestellt werden. Die Schaltung liefert Spannungen von bis zu etwa 28 Volt. Der Ausgangsstrom liegt bei etwa 1 Ampere bei entsprechender Kühlung der Platine.

Hier sind die Einstellmöglichkeiten für die obere, kleinere Platine zu sehen. Links in der Abbildung sehen Sie oben die beiden Lötbrücken zum Einstellen der Ausgangsspannung. Wie Sie rechts in der Abbildung erkennen können, lassen sich vier verschiedene Ausgangsspannungen einstellen. Sind beide Lötbrücken geöffnet, liegt eine Ausgangsspannung in Höhe von 5 Volt an. Die Schaltungen können mit Lithium-Ionen-Akkus betrieben werden, um Geräte zu betreiben, die wesentlich höhere Eingangsspannungen benötigen.

Der kleinere der beiden Spannungswandler wurde auf 5 Volt eingestellt (Grundeinstellung, beide Lötbrücken geöffnet). Hier wurde die Ausgangsspannung ohne angeschlossenen Verbraucher gemessen. Die zweite Platine links im Bild ist eine Ladeelektronik für den hier verwendeten Lithium-Ionen-Akku.

Der stufenlos einstellbare Step-Up-Wandler liefert mit dieser Einstellung eine Ausgangsspannung von rund 13 Volt. Die Ausgangsleistung reicht aus, um kleinere Geräte zu betreiben. Laut technischen Daten soll die Schaltung Ströme von mehr als 1 Ampere liefern können, allerdings nur bei entsprechender Kühlung. Die beiden Schaltungen sind praktisch, wenn mit handelsüblichen Lithium-Ionen-Akkus Geräte mit höheren Versorgungsspannungen betrieben werden sollen. Als Spannungsquelle mit einer Ausgangsspannung von 5 Volt eignen sie sich auch zum Aufladen von Geräten mit USB-Anschluss wie etwa Handys oder zum Anschluss von Geräten mit einer USB-Stromversorgung. Wichtig beim Einsatz von Lithium-Ionen-Akkus ist immer die Einhaltung der Spannungsbegrenzungen beim Aufladen und Entladen der Akkus. Hier sind noch einige Daten zum Spannungswandler mit regelbarer Ausgangsspannung:

  • Aufbau mit Leistungs-MOSFET
  • Eingangsspannung 2 Volt bis 24 Volt
  • 1,2 MHz Schaltfrequenz
  • Schaltstrombegrenzung bei 4 Ampere
  • einstellbare Ausgangsspannung
  • automatische Pulsfrequenzmodulation
  • Effizienz bis zu 97 Prozent

 

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