LED-Spannungswandler mit dem NE555

Entry to the 555 contest: Voltage converter for Power LEDs using the NE555
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Abstract
To use a power LED at higher voltages around 12 V a simple switching voltage converter can help to achieve a much better efficiency compared to a linear regulator. The NE555 is used together with a little coil to make up a simple converter. The power is about 1 W. Current is not regulated and depends on the input voltage. The efficiency is fairly good. None of the parts
gets warm except the LED .

Wenn eine LED mit höherer Spannung betrieben werden soll, geht bei Verwendung eines Vorwiderstands oder in einem Längsregler erhebliche Energie verloren. Ein großer Teil des guten Wirkungsgrads moderner LEDs wird wieder zunichte gemacht. Vor allem beim Einsatz von Power-LEDs kann auch die Verlustwärme nachteilig sein, da man zusätzliche Kühlkörper benötigt. All diese Nachteile vermeidet ein Schaltregler. Satt eines speziellen Schaltregler-ICs kann ein erster Versuch schon mit einem einfachen Timerbaustein NE555 durchgeführt werden.



Das Schaltbild  zeigt einen sehr einfachen Schaltregler mit einem NE555. Am Pin 3 entsteht ein Rechtecksignal mit einer Frequenz von ca. 100 kHz. Die Spule mit einer Induktivität von 100 µH sorgt für die Anpassung an die Power-LED. Die Schaltung zeigt bei 12 V eine Stromaufnahme von 100 mA. Damit wird eine Leistung von 1,2 W aufgenommen und maximal ca. 1 W an die LED abgegeben. Bei geringerer Eingangsspannung sinkt auch der Eingangsstrom. Bei 6 V Batteriespannung wird ca. 50 mA aufgenommen, bei 3 V nur noch ca. 20 mA.

Das Oszillogramm  verdeutlicht, wie die Schaltung arbeitet. Der untere Kanal zeigt die Ausgangsspannung am Pin 3 des NE555. Der obere Kanal zeigt den Strom durch die Spule und die LED, gemessen über den Spannungsabfall an einem zusätzlichen Widerstand von 2,7 Ohm. Im Low-Zustand steigt der Strom nahezu linear an. In dieser Phase speichert die Spule Energie in ihrem Magnetfeld. Gleichzeitig erhöht sich auch die CE-Spannung des internen Schalttransistors. Nach dem Wechsel fließt weiterhin Strom durch die LED und die Spule. Im High-Zustand nimmt der Strom linear ab. In dieser Phase gibt die Spule die gespeicherte Energie wieder ab. Strom fließt durch die Si-Diode. Die Power-LED erhält einen dreieckförmig modulierten Arbeitsstrom.

 

Dieser einfache Schaltregler hat noch nicht den besten erreichbaren Wirkungsgrad, weil der NE555 an seiner Leistungsgrenze arbeitet. Der Schalttransistor der Ausgangsstufe muss zwar nur einen mittleren Strom von 100 mA verkraften, wird aber gegen Ende der Ladephase bis zu einem Spitzenstrom von 300 mA belastet. Dabei tritt ein Spannungsabfall bis ca. 3 V auf. Die Diode 1N4148 verursacht ebenfalls Verluste, die man z.B. mit einer Schottkydiode verringern könnte. Und die relativ kleine Spule besitzt einen relativ großen Gleichstromwiderstand von 1,7 Ohm und einen recht kleinen Kern, der zusätzliche Verluste verursacht. Dennoch ist der Wirkungsgrad bereits wesentlich besser als bei einem Linearregler. Einen guten Eindruck liefert die Temperatur der Bauteile. Weder der NE555 noch die anderen Bauteile zeigen eine spürbare Erwärmung. Dagegen wird das Kühlblech der Power-LED sehr warm.

Dieser Step-Down-Wandler ist ungeregelt, d.h. der Ausgangsstrom hängt stark von der Eingangsspannung ab. Die Schaltung lässt sich bis herab zu einer Batteriespannung von 4,5 V einsetzen. Der relativ gute Wirkungsgrad der Schaltung bleibt auch bei kleiner Eingangsspannung erhalten. Der Wandler eignet sich daher für Batteriebetrieb mit wechselnder Eingangsspannung und für einfache Anwendungen, in denen die Helligkeit über die Eingangsspannung verändert werden soll, z.B. über ein umschaltbares Steckernetzteil.

Literaturhinweis: Der Beitrag stammt aus meinem Franzis-Buch Schnellstart LEDs


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