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300mV-StepUp mit einem Transistor

Die hier beschriebene Schaltung funktioniert in einigen Prototypen der 300 mV-LED-Taschenlampe von Rainer schon ganz gut, allerdings hat das Thema noch Optimierungspotential, wie der Joule Thief von Big Clive zeigt.
Big Clive hat mit einem selbst gewickelten “Transformator”, einem Transistor und einem Widerstand den gleichen Effekt der Spannungserhöhung erreicht, nur eben kleiner und mit dem - im Hinblick auf die immer schwerer zu ergatternden Germanium-Transistoren sehr wichtigen - Nebeneffekt, nur halb so viele Transistoren zu benötigen ;-)

Mein Kollege Hanno hat in Versuchen herausgefunden, dass die Anzahl der Windungen relativ unkritisch ist und hat mir Fotos von zwei seiner Versuchsaufbauten geschickt.

Hannos Joule-Thief 1

Hannos Joule-Thief 2

Den elektrischen Anschluss der Kabel an die Batterie hat er übrigens mit kleinen, superstarken Lochmagneten realisiert. Die Kappen handelsüblicher Batterien sind ferromagnetisch (sie lassen sich magnetisieren) und geben damit den Magneten Halt, die die Anschlusskabel an die Batteriepole drücken. Genial einfach :-)

Hanno hat mich außerdem auf einen Umstand aufmerksam gemacht, der in der Originalschaltung von Big Clive zu sehen ist, der mir aber bis dato entgangen war. Die Reihenfolge der Anschlüsse B1-B2-A1-A2 des Trafos und die direkte Verbindung der Anschlüsse B2 und A1 in der zweiten bei Big Clive abgebildeten Schaltung legen den Schluss nahe, dass der Wickelsinn der beiden Windungen gleich ist. In diesem Fall kann der Trafo als Spule mit Mittelanzapfung betrachtet werden, was den Aufbau deutlich einfacher gestaltet, findet man eine passende Spule.

Findet sich keine Spule mit passendem Mittelabgriff, basteln wir uns halt selbst eine :-)

Das Verhältnis der beiden Windungsteile ist eher unkritisch, alles zwischen 1:1 (das ist das Verhältnis bei Big Clives selbstgewickeltem Trafo) und ca. 1:5 (Spulentyp 2, unten rechts) funktioniert.

Ich habe erfolgreich mehrere handelsübliche Spulen modifiziert, das Vorgehen ist immer im Wesentlichen gleich:

1. Umhüllung der Spule, soweit vorhanden, entfernen oder öffnen.

Spulentyp 1.Spulentyp 2

2. Den jetzt zugänglichen Kupferlackdraht an einer passenden Stelle durch Kratzen vom Lack befreien und

Spulentyp 1 mit MittelanzapfungSpulentyp 2 mit Mittelanzapfung

3. einen isolierten Draht anlöten. Das ist unser Mittelabgriff.

Die oben erwähnte “passende Stelle” wird wie folgt festgelegt:
Einer der beiden Spulenanschlüsse ist auf der äußersten Lage angeschlossen, d.h. man sieht den Draht der Wicklung zum Anschluss führen. Am gegenüber liegenden Ende der äußersten Wicklung liegt dann also mindestens eine volle Wicklungslänge Abstand zwischen diesem Originalanschluss und unserer anzulötenden Mittelanzapfung. Je nach Anzahl der Lagen insgesamt liegt damit dann das Wicklungsverhältnis fest. Es berechnet sich grob als 1 : (n-1), wenn n die Gesamtanzahl der auf dem Ferritkern aufgebrachten kompletten Wicklungslagen ist.

Es ist darauf zu achten, dass der Anschluss der Spule an den Widerstand angeschlossen werden muss, der das Ende der äußersten Lage bildet. Die Spule muss dazu passend orientiert auf der Platine angelötet werden.


Zu dieser vereinfachten Schaltung habe ich eine passende Platine entworfen
(Click auf das Bild für volle Auflösung)

300mV_TaLa_03 Platine, Click für volle Auflösung

Die Spule und der Transistor sind liegend angeordnet, Anschlüsse nach rechts, analog zu der hier gezeigten Realisierung. Es empfiehlt sich, Spule und Transistor mit Heißkleber oder Ähnlichem auf der Platine zu fixieren.

Das Schaltbild für Nicht-EAGLE-Benutzer hier zur Ansicht
(Click auf das Bild für volle Auflösung)

300mV_TaLa_03 Schaltbild, Click für volle Auflösung

Und natürlich wie immer die EAGLE-Designunterlagen zum Download.

Auch bei dieser Schaltung gilt, dass die Schottky-Diode D1 durch ein Stück Draht ersetzt und der Elko C1 weg gelassen werden kann, wenn es auf geringsten Stromverbrauch ankommt und die Helligkeit eher “Nebensache” ist.


Der Wert für R1 muss experimentell ermittelt werden, ein guter Einstieg hierbei ist ein Poti mit 500 Ω.
Generell gilt, je kleiner die Eingangsspannung der Schaltung ist, umso kleiner muss R1 sein. Dabei ist immer eine gewisse Bandbreite vorhanden. Geht man mit dem Widerstandswert an die untere Grenze, wird die LED heller leuchten, allerdings ist dann der tolerierte Eingangsspannungsbereich sehr eng, d.h. wenn die Schaltung auf größte Helligkeit bei kleiner Eingangsspannung eingestellt ist, setzt die Wandlung bereits bei leicht erhöhter Eingangsspannung aus, die LED erlischt.
Wählt man dagegen einen etwas höheren Widerstandswert, leuchtet die LED geringfügig schwächer, dafür darf die Eingangsspannung höher sein, bevor die Schwingungen des Wandlers abreißen.

Diese Betrachtungen sind dann von Belang, wenn eine Batterie bzw. eine Akkuzelle als Energiequelle für die Schaltung dient. Mit einer vollen Batterie liegt die Eingangsspannung mit 1,5 V immerhin etwa fünffach über dem akzeptierten Mindestwert.
Der Betrieb mit dieser hohen Eingangsspannung ist im Übrigen nicht empfehlenswert, denn die Stromaufnahme der Schaltung liegt dann bei über 1 A.
Mit einem Akku (ca. 1,2 V) oder einer (fast) leeren Batterie sind wir auf der sicheren Seite, der Strom in die Schaltung liegt dann unterhalb ca. 600 mA, was der Transistor auch ungekühlt über längere Zeit verkraftet.

Beim Stichwort “leere Batterie” darf angemerkt werden, dass diese, mit einem Germanium-Transistor aufgebaute Schaltung, mit einer von Big Clives original Joule Thief als leer definierten Batterie noch eine ganze Weile läuft :-)

 


Da die verwendeten Germanium-Transistoren schlecht zu bekommen sind, man gegebenenfalls keine Wahl hat, NPN- oder PNP-Typen zu kaufen, habe ich die Schaltung auch noch für einen NPN-Transistor, z.B. den AC 181 aus dem ersten Projekt mit zwei Transistoren, erstellt.

Die Platine hierfür sieht so aus...

Layout 300mV_TaLa_03a, Click für größere Darstellung

 

...das zugehörige Schaltbild so.

Schaltbild 300mV_TaLa_03a, Click für größere Darstellung

Auch hierfür stelle ich die EAGLE-Designunterlagen zur Verfügung.

Die Hinweise für den Widerstand, die Diode und den Kondensator gelten auch für diese Schaltung entsprechend.

 


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