Spannunsgwandler bis 40 V           

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Ein Spannungswandler für Röhrenschaltungen auf dem RT100 wurde gebraucht. Speziell ging es um das Röhren-Theremin, das  mit etwa 30-40 V optimal läuft und dabei etwa 5 mA braucht.  Die Eingangsspannung sollte 12 V sein, weil auch die Heizspannung 12 V beträgt. Auf der Suche nach einem geeigneten Wandler-IC bin ich auf den MC43063A gestoßen, der noch in der Bastelkiste lag.

Die Schaltung lehnt sich an das Datenblatt an und wurde so an die erforderliche Ausgangsleistung angepasst, dass keine unnötig großen Ladeströme durch die Speicherdrossel fließen. Trotzdem war noch ein hoher Filteraufwand nötig, um Störungen nach außen abzudämpfen. Die Schaltfrequenz beträgt 20 kHz bei 12 V und einer Last von 4,7 k.



Der Widerstand von 1,2 Ohm stellt den maximalen Ladeström durch die Spule ein. Sobald der Spannungsabfall 0,6 V erreicht, wird die Ladephase beendet. Das bedeutet, dass die Spule bis 0,5 A geladen wird. Das ist relativ viel, wenn man bedenkt, dass am Ausgang nur bescheidene 5 mA gebraucht werden. Ein Versuch, den Widerstand auf 3,6 Ohm zu erhöhen, scheiterte, weil die Ausgangsleistung dann nicht mehr erreicht wurde. Probeweise wurde auch eine kleine Festinduktivität wie im folgenden Wandler verwendet. Sie funktionierte trotz des großen Stroms ebenso gut wie die hier eingebaute Speicherdrossel.



Der Knackpunkt ist die Art der Spannungsregelung. Der Wandler arbeitet immer einige Schwingungen lang, bis die Ausgangsspannung etwas zu groß ist und schaltet dann solange ab, bis die Spannung etwas zu klein ist. Im Endeffekt entsteht dadurch ein Sägezahnsignal mit rund 1 kHz und 300 mV am Ladekondensator.  Ein solches Verhalten habe ich auch schon bei einigen Steckernetzteilen gefunden. Es ist extrem störend für analoge Anwendungen und erfordert einigen zusätzlichen Aufwand für eine bessere Filterung. Das sägt natürlich am Wirkungsgrad:

UinLoadIinUoutIoutWirkungsgrad
12 V-17 mA35 V00%
12 V10 k28 mA34 V3,4 mA34 %
12 V6,8 k33 mA33 V4,9 mA41 %
12 V4,7 k42 mA32,5 V6,9 mA54 %
12 V3,3 k48 mA28 V8,5 mA41 %



Spannungswandler mit drei Transistoren

Wenn schon ein integrierter Spannungsregler nicht ganz einfach zu beherrschen ist, kann man ja auch gleich diskrete Bauteile verwenden und dabei besondere Rücksicht auf die Anforderungen der Anodenspannung nehmen. Die Spannung sollte möglichst störungsfrei sein, muss aber nicht extrem kontant sein. Und auch ein sehr kleiner Innenwiderstand der Spannungsquelle ist nicht erforderlich. Es reicht ja, wenn der Wandler so gut arbeitet, wie eine alte Anodenbatterie. Und der Wandler kann für kleine Leistungen ausgelegt werden und sollte mit möglichst kleinen Stromspitzen arbeiten. 

Die Schaltung lehnt sich an den LED-Spannungswandler aus der Bastelecke an. Es handelt sich um einen RC-Oszillator, der mit einer einfachen Spule ohne Anzapfung oder Koppelwicklung auskommt. Die Schaltfrequenz beträgt 130 kHz bei 12 V und einer Last von 4,7 k. Die Gleichrichterdiode ist hier probeweise eine rote LED, deren Kennlinie näher an der einer Röhrendiode liegt als eine Si-Diode. Außerdem sieht man immer den Anodenstrom. Der mittlere Transistor dient zur Spannungsregelung. Sobald der Regeltransistor eine Basisspannung über 0,6 V erhält, reduziert er den Basisstrom des Schalttransistors und damit die Ausgangsamplitude.



Belastung mit 4,7 k

Die Basis-Emitterspannung ist damit die eigentliche Referenz der Spannungsregelung. Das ist zwar nicht besonders genau, funktioniert aber sehr weich und ganz ohne Aussetzen der Schwingungen. Beim Herunterregeln wird der Schalttransistor einfach nicht mehr voll ausgesteuert, wie das folgende Oszillogramm zeigt. Das ist zwar ingenieurmäßig inkorrekt und suboptimal, passt aber sehr gut zu der geringen Ausgangsleistung des Wandlers.

Belastung mit 22k

Der Wirkungsgrad ist vergleichbar mit dem integrierten Spannungswandler. Bis zu einer Strom von 6,4 mA wird die Spannung sehr konstant auf 30 V gehalten.

UinLoadIinUoutIoutWirkungsgrad
12 V-12 mA30 V00%
12 V10 k22 mA30 V3,0 mA34 %
12 V6,8 k27 mA30 V4,4 mA41 %
12 V4,7 k32 mA30 V6,4 mA50 %
12 V3,3 k42 mA28 V8,5 mA47 %

Für den Aufbau auf der Lochrasterplatine habe ich den Spannungsteiler auf 100K/1,5k  verändert, sodass jetzt etwas über 40 V am Ausgang stehen. Die Transistoren sind jetzt drei BC547B. Und die Gleichrichterdiode ist eine 1N4148 geworden.





Optimierung des Spannungswandlers mit MC43063 von Bernd DG2DCY



Die Schaltung arbeiteit im lückenden Betrieb, siehe im Oszillogramm der Spannung Uce am Schalttransistor mit der abklingende Schwingung. Abhilfe wäre eine Erhöhung Schaltfrquenz auf ca. 400kHz, welches der Baustein MC34063 nur max 100kHz schafft. Daher muss die Arbeitsinduktivität von 220uH auf 4,7mH geändert werden. Als weiteres ist der max Schaltstrom zu hoch welches mehr Energie überträgt als am Ausgang abgenommen wird. Dies führt zu einem Burstmodus, siehe im 2. Oszillogramm. Das ist auch der Fall wenn ein Schaltregler im Leerlauf betrieben wird. Der 33 Ohm Widerstand in der Spannungversorgung und der 470 Ohm Widerstand im Ausgang sind viel zu groß und haben einen erheblichen Einfluß auf die Regeleigenschaft. Den Ladestrom habe ich mit 5.6 Ohm auf ca. 60 mA eingestellt und die Kapazität des Oszillators von 2.2 nF auf 680 pF angepasst. Den 470 Ohm Widerstand an Pin 8, Basisstrom des Schalttransistors, habe ich auf 5,6k Ohm erhöht. Denn bei 60mA Schaltstrom reicht ein 2 mA Basisstrom aus um den Transistor in die Sättigung zu treiben. Damit wird ein Wirkungsgrad von 70% bis 80% erreicht.


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