DC-DC-Converter mit dem IC 4093
Beitrag zum Schaltungswettbewerb 2013 von Wolfgang Schmidt
Auf Grund der Schmitt-Trigger-Eingänge bietet sich beim 4093 ein Rechteckgenerator an – ein Gatter und dazu ein Widerstand und ein Kondensator genügt. Mit einem solchen Oszillator (und noch einigen weiteren Komponenten) habe ich einen Step-Up-Converter realisiert. Die restlichen drei Gatter des IC konnten dabei auch noch sinnvoll eingesetzt werden.
Die Spannungsumsetzung erfolgt mittels L1 und VT2. Während VT2 durchgesteuert ist, baut sich ein Stromfluss durch L1 auf. Sobald VT2 sperrt, wird Der Stromfluss auf Grund der Selbstinduktion noch für eine Zeit aufrecht erhalten, so dass C3 über VD1 aufgeladen wird. Dabei entsteht an C3 eine weit höhere Spannung als die ursprünglich an L1 anliegende.
Im nächsten Schritt wird VT2 wieder durchgesteuert und der beschriebene Vorgang beginnt von vorn. Während der Strom durch L1 erneut ansteigt, ist VD1 gesperrt, so dass die Ladung von C3 nicht über VT2 abfließen kann und ausschließlich für den Verbraucher zur Verfügung steht.
Beim Mustergerät wurden über 70 V an C3 erreicht (ohne Belastung durch Verbraucher). Diese Spannung ist stark von der Last (Strom durch den Verbraucher) abhängig, deshalb ist eine Spannungsregelung angebracht. Diese wird durch die Rückkopplung über VD2, VD3 und VT4 realisiert. Sobald die Summe der Z-Spannungen von VD2 und VD3 (in der vorliegenden Schaltung sind das 60 V) überschritten wird, wird VT1 durchgesteuert, worauf das Gatter D1B gesperrt wird. Es gelangen keine Impulse mehr zum Schalttransistor VT2. Der Vorgang der Spannungsumsetzung wird gestoppt, bis die Spannung an C3 wieder etwas gesunken ist und damit VT4 wieder gesperrt wird.
Diese Art der Spannungsreglung ist nicht optimal, dafür aber einfach und nachbausicher. Sie bewirkt, dass die Spannung an C3 geringfügig schwankt. Die Frequenz dieser Spannungsschwankung ist vom Laststrom abhängig und reicht bis in den NF-Bereich. Darüber hinaus sind an C3 auch Reste der Schaltfrequenz von VT2 vorhanden. Eine ausreichende Siebung der Ausgangsspannung ist daher unbedingt erforderlich, insbesondere wenn Audio-Schaltungen versorgt werden sollen. Hierfür ist das zweistufige Siebglied R1/C4/R2/C5 vorgesehen.
Das Mustergerät wurde für eine Ausgangsspannung von 60 V dimensioniert. Der maximale Ausgangsstrom beträgt dabei 50 mA. Durch entsprechende Auswahl von VD2 und VD3 können auch andere Spannungen eingestellt werden. Bei Spannungen > 60 V (max. 70 V) wird aber der verfügbare Ausgangsstrom wesentlich kleiner.
Der Wirkungsgrad der Schaltung ist nicht so hoch wie bei speziellen integrierten Step-Up-Convertern. Beim Mustergerät wurde ein Wirkungsgrad von ca. 60 % bei einem Laststrom von 15 ... 50 mA ermittelt. Bei kleineren Strömen wird der Wirkungsgrad etwas geringer, bei 5mA beträgt er noch 55 %.
Die Schaltfrequenz kann mit R5 verändert werden. Sie wird auf maximalen Wirkungsgrad eingestellt. Hierzu wird ein Widerstand von 1,5 ... 4 kW als Last angeschlossen, so dass der Ausgangsstrom 40 ... 15mA beträgt (Belastbarkeit des Widerstandes beachten: 60V * 0,04A = 2,4W !). R5 wird nun so eingestellt, dass der Eingangsstrom des Converters ein Minimum erreicht. Beim Mustergerät beträgt die Schaltfrequenz 43 kHz.
Für diesen DC-DC-Converter gibt es sicher eine Reihe verschiedener Anwendungen. Denkbar ist zum Beispiel ein Prüfgerät für Z-Dioden bis zu einer Z-Spannung von 56 V. Besonders interessant könnte er für die Freunde der Elektronenröhren sein. Elektronenröhren benötigen Anodenspannungen der Größenordnung 200V und höher (abgesehen von einigen wenigen Typen für 12V, die aber heute nur noch schwer beschaffbar sind). Viele schrecken aber vor der hohen Spannung zurück und experimentieren mit niedrigen Spannungen. Die üblichen Labornetzgeräte (auch Selbstbaugeräte) liefern aber nur max. 25 ... 30 V. Bei Anodenspannungen in diesem Bereich gibt es aber Einschränkungen in der Anwendung (die Steilheit ist erheblich geringer!). Eine Betriebsspannung von 60 V für Röhrenexperimente ist ein guter Kompromiss. Für die Versorgung von Batterieröhren (z. B. D-Typen), die für Anodenspannungen von ca. 60 ... 80 V konstruiert wurden, ist der Converter besonders geeignet.
Den Converter habe ich zunächst auf einem Labor-Steckbrett aufgebaut, um die Schaltung zu Testen und zu optimieren. Schließlich habe ich auch eine Leiterplatte (einlagig) entworfen. Die Abmessungen betragen 45 mm x 90 mm.
(Beachte: Layoutzeichnung und
Bestückungszeichnung sind mit Blick auf Bestückungsseite dargestellt.)
Das Layout ist so gestaltet, dass die Schaltung auch auf einer Lochrasterplatte mit 2,54-mm-Raster aufgebaut werden kann, d. h. sämtliche Pads und Leitungen des Layouts liegen im entsprechenden Raster. Das Foto zeigt den Musteraufbau auf einer geätzten Leiterplatte.
Das Leiterplattenlayout kann PDF-Datei *) im Maßstab 1:1 heruntergeladen und als Belichtungsvorlage verwendet werden.
Download: 1401_DC-DC-Converter_Layout.pdf