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
