^             ^
           |             |
           '-.||.---.   .-.
             O||O   |   | | R1
         T1  O||O   |   | |
             O||O   |   '-'
             O||O   |    |
           .-'||'---+----*
           |        |    |
      .----*        |    |
      |    |        |   .-.
     _|_    \|      |   | | R2
LED  \|/  Q1 |------'   | |
     ---    /|          '-'
      |    |             |
     ---  ---           ---

* = connected, + = not connected

Q1=BC817 (NPN), R1=1.2k, R2=nicht bestueckt.
T1: primaer: 90uH, sekundaer: 8 to 12 Windungen, 250mA Strombelastbarkeit
    Beide Windungsanfaenge sind im Schaltplan oben.

Es ist ein kleiner Aufwaertswandler, der eine blaue LED von einer 1V bis 1.5V Versorgung (also einer Akku- oder Batteriezelle) treiben kann. Nebenbei ist es das einfachste Design eines Schaltwandlers, das ich bis jetzt gesehen und aufgebaut habe.

Funktionsweise

Direkt nach dem Einschalten fliesst kein Strom, da dieser bei der Schaltung nur durch Induktivitaeten fliessen kann und in diesen sich der Strom nicht spontan aendern kann. Nach und nach steigt der Strom in der Rueckkopplungswicklung an und versorgt den Transistor mit Basisstrom. Dadruch faellt seine Kollektorspannung (und der Kollektorstrom beginnt zu steigen). Die Spannung an der Treiberwicklung wird aber auf die Rueckkopplungwicklung transformiert, wodurch die Spannung an R1 steigt, mehr Strom in die Basis fliesst.
Irgendwann wird der Kern des Uebertragers gesaettigt oder der Strom wird zu gross, als dass der Transistor die niedrige Kollektorspannung beibehalten kann - der Kollektorstrom steigt langsamer, die Kollektorspannung steigt. Die Verringerte Spannung in der Treiberwindung wird aber auch auf die Rueckkopplungswindung transformiert, wodurch sich der Basisstrom des Transistors verringert. Das fuehrt wiederum zu einem kleineren Kollektorstrom, einer groesseren Kollektorspannung und noch weniger Basisstrom - die Schaltung kippt.
Solange der Transistor sperrt und noch Energie im Magnetfeld gespeichert ist, liegt eine negative Basisspannung an (da die Ausgangsspannung groesser ist als die Betriebsspannung und dadurch die Treiberwindung "umgepolt" ist). Sobald abgegeben ist, ist der gleiche Zustand wie direkt nach dem Einschalten. Der Zyklus beginnt von vorne.

Ein grosser Nachteil der Schaltung ist natuerlich, dass die Ausgangsleistung nicht geregelt ist. Auch funktioniert die Schaltung nur in einem recht kleinen Spannungsbereich optimal, denn der Basisstrom durch R1 aendert sich mit der Betriebsspannung.

Funktionsvoraussetzung

Das Windungsverhaeltnis von Treiber- und Rueckkopplungswindung muss so gewaehlt sein, dass die Rueckkopplungswindung den Transistor sperren kann. Dadurch haengt es einerseits von der Ausgangsspannung andererseits vom Verhaeltnis R1/R2 ab. Bei sehr kleinen Versorgungsspannungen wird R2 nicht gebraucht. Man kann den Basisstrom mit R1 alleine generieren:
Annahme: 1V Betriebsspannung, 3.5V Ausgangsspannung, 4:1 Windungsverhaeltnis.
Einschaltphase: 1V an Treiberwindung, fuehrt zu 0.25V zusaetzlich an R1. (An R1+Ube liegen somit 1.25V an.)
Ausschaltphase: 2.5V an Treiberwindung (3.5V - 1V), fuehrt zu 0.63V weniger an R1, wodurch fuer R1+Ube nur noch 1V-0.63V=0.37V anliegen. Der Transistor sperrt.

Erweiterung: Ausgangsspannungsregelung

   ^             ^
   |             |
   '-.||.---.   .-.
     O||O   |   | | R1
 T1  O||O   |   | |
     O||O   |   '-'
     O||O   |    |
   .-'||'---+----*
   |        |    |     D1
   *--------+----+-----|>|---*-----*--------o
   |        |    |           |     |
   |        |   .-.        C1|    .-.      Vout
    \|      |   | | R2     -----  | | R3
  Q1 |------*   | |        -----  | |       o
    /|      |   '-'          |    '-'       |
   |        |    |           |     |       ---
  ---        \| ---         ---    |
          Q2  |--------------------*
             /|                    |
            |                     .-.
           ---                    | | R4
                                  | |
                                  '-'
                                   |
                                  ---
Bei dieser Schaltungsvariation "stiehlt" der zweite Transistor (Q2) von Q1 Basisstrom, sobald die Ausgangsspannung (Vout) zu hoch ansteigt und deshalb Ube von Q2 gross genug wird.
Vout ergibt sich in etwa zu: Vout=Ubeq2*(R4*R3)/R3
Durch die Reduktion des Q1-Basisstroms beginnt dieser schon frueher zu sperren als ohne Q2 und der Strommittelwert und somit die uebertragene Leistung wird reduziert. Zu beachten ist, dass es sich um eine P-Regelung handelt und Q2 nur eine beschraenkte Verstaerkung hat, wesewegen die Ausgangsspannung bei Belastung etwas nachgeben wird. Ausserdem ist die "Referenzspannung" die Basis-Emitter-Spannung von Q2, die sich aber typischerweise um 2mV pro Grad Celsius verringert.
Diese Probleme werden umso mehr spuerbar, je grosesser das Verhaeltnis von R3/R4 ist. Bei hoeheren Ausgangsspannungen kann es deshalb sinnvoll sein, zu R3 eine Zenerdiode in Reihe zu schalten.
Zu beachten ist nur eins: Der Strommittelwert wird ueber die Frequenz geregelt. Das heisst, dass die Schaltfrequenz umso mehr ansteigt je kleiner die Belastung ist. Dabei werden dann auch die dynamischen Verluste und die Stoerabstrahlung groesser. Daher kann es notwendig sein, eine gewisse Minimallast zu garantieren.

Erweiterung: LED Stromquelle

               ^             ^
               |             |
               '-.||.---.   .-.
                 O||O   |   | | R1
             T1  O||O   |   | |
                 O||O   |   '-'
                 O||O   |    |
               .-'||'---+----*
               |        |    |
          .----*        |    |
          |    |        |   .-.
         _|_    \|      |   | | R2
    LED  \|/  Q1 |------*   | |
         ---    /|      |   '-'
          |    |        |    |
          |   ---     |/    ---
    .-----*-----------| Q2
    |     |           |\
 C1 |    .-.            |
  -----  | |            |
  -----  | | R3         |
    |    '-'            |
    |     |             |
   ---   ---           ---
Durch das Hinzufuegen von Q2, R3 und C1 erhaelt man eine Konstantsstromquelle fuer eine LED mit integrierter Aufwaertswandlung. Die Funktionsweise der Regelung ist die Gleiche wie bei der oben beschriebenen Ausgangsspannungsregelung. Der Unterschied ist unr, dass nicht die Ausgangsspannung sondern der Ausgangsstrom erfasst wird, wofuer R3 zustaendig ist. Der LED-Strom betraegt: ILed=Ubeq2/R3. Ubeq2 liegt typischerweise im Bereich von 0.67V bis 0.72V. C1 ist notwendig, da der Strom durch die LED gepulst ist, man aber nicht den Spitzenwert sondern den Mittelwert regeln will. C1 sollte so gewaehlt werden, dass die Zeitkonstante von C1*R3 wesentlich grosser (mindestens 10mal so gross) ist als die Wandlungsfrequenz, damit die Welligkeit am Kondensator vernachlaessigbar ist.
Durch diesen Schaltungszusatz erreicht man eine gewisse Unabhaengigkeit der LED-Helligkeit von der Betriebsspannung.

Erweiterung: Hoehere Ausgangsspannungen / Galvanische Trennung

                 ^             ^
                 |             |
                 '-.||.---.   .-.
                   O||O   |   | | R1
               T1  O||O   |   | |
                   O||O   |   '-'
                   O||O   |    |
                .--'||'---+----*
                |   ||    |    |
            .---+--O||    |    |
            |   |  O||    |    |
Uout       ---  |  O||    |    |
 o--*--|<|------+--O||    |    |
    |           |         |    |
    |           |         |   .-.
  -----          \|       |   | | R2
  -----        Q1 |-------'   | |
  C |            /|           '-'
    |           |              |
   ---         ---            ---
Wenn die geforderte Ausgangsspannung viele male hoeher ist als die Versorgungsspannung, wird die Schaltung (wie die meisten Aufwaertswandler) ineffizient, weil fuer die geforderte Spannung eine hohe Anstiegsgeschwindigkeit erforderlich ist, die dann vom Transistor nicht mehr ausreichend erbracht werden kann.
In diesem Fall ist die beste Loesung eine zusaetzliche Wicklung auf den Uebertrager zu wickeln, wodurch man ausserdem eine galvanische Trennung zur Betriebsspannung erhaelt. Diese Schaltungsvariante laesst sich oft im Internet finden und wird zur Versorgung von Leuchststofflampen durch Batterien verwendet.

Berechnung

    ^
IL  |
    |        /\            /\ --------- Ipk
    |      /   \         /   \
    |    /      \      /      \
    |  /         \   /         \   /
    |/            \/            \/
    +-------------------------------> t
    ^
Uce |
    |         |\            |\ -------- Ua
    |         |  \          |  \
    |         |   |         |   | ----- Ub
    |         |   |         |   |
    |         |   |         |   |
    +-------------------------------> t
    ^
UL  |
    |---------.   .---------.     ----- Ub
    |         |   |         |   |
    +---------+---+---------+---+---> t
    |         |   |         |   |
    |         |   |         |   |
    |         '---'         '---' ----- Ub-Ua

    |---------|---|
        ton    toff

Ipk = Ub*ton/L  --> ton=Ipk*L/Ub

toff = Ipk*L/(Ua-Ub)

ton/toff = (Ua-Ub)/Ub

toff = ton*Ub/(Ua-Ub)

Iout = toff*Ipk/(2*(ton+toff)) --> Iout=Ipk*Ub/(2*Ua)

Iin = (Ua-Ub)/(2*Ua)

Bilder der Testplatine (Lineal in mm)

Die Schaltung enstpricht dem odersten Schaltplan und treibt eine blaue LED die samt Schaltwandler und einer 1.2V NiMH Zelle (AA) in einen leeren Labelle eingebaut wurde.


Seitenansicht


Daraufsicht

Fazit

Fuer den Privatanwender sind dieser Schaltungen sicherlich interessant, da sie nur einen minimalen Aufwand erfordern. Fuer den kommerziellen Einsatz sind sie aber eher weniger geeignet, denn die Funktion haengt zum Teil von Parametern ab, die einer grossen Herstellungsstreuung unterliegen (z.B. Stromverstaerkung der Transistoren und Saettigungswert der Induktivitaet). Auch sind Induktivitaeten immer relativ teuer. Meist ist es billiger und einfacher ein fertiges Kontroll-IC als z.B. LED-Treiber zu verwenden, die man Privat wegen der kleinen Pins meist gar nicht loeten kann. Bei diesen entfaellt auch die Induktivitaet, da die Versorgungsspannung ueber Ladungspumpen generiert wird. Die hierfuer notwendigen Kondensatoren sind auch kleiner und billiger als der Uebertrager.
Fuer den privaten Einsatz sind wahrscheinlich diese Schaltungen die kleinsten praktikablen.

Nachtrag Dez. 2006

Ich habe die Variante in der der Schaltwandler als Konstantstromquelle fuer eine LED verwendet wird gebaut. Die Platine ist wirklich klein geworden und habe sie in die Verschlusskappe einer PET-Flasche eingebaut. Um Das Batteriefach einfach und universell zu gestalten, uebernhemen das 2 in Stahlscheiben befestigte Magnete. Somit kann die Lampe an jeder Batterie bis zur D-Zelle betrieben werden.

Nachtrag Okt. 2007

Zufaellig habe ich von dieser Webseite erfahren Talking electronics dessen Autoren sich offentsichtlich ausgiebig mit solchen Schaltungen ebschaeftigt haben. Dort wird beschrieben, dass ein kleiner Kondensator zwischen dem Basiswiderstand und Masse die Effizienz verbessert. Das musste ich natuerlich ausprobieren und vor allem musste ich wissen, warum. Der Grund ist einfach: Wenn das Feld in der Ausgangsinduktivitaet zusammenbricht und Strom durch die LED fliesst, dann wird durch die Rueckkopplungswindung eine negative Spannung auf die Basis des Transistors gegeben, die diese schnell ausraeumt. Leider behindert der Basisvorwidertand diesen Vorgang, indem er dabei als Gegenkopplung wirkt. Durch den 10nF Kondensator wird das verhindert. Es wird also lediglich das Abschaltverhalten optimiert. Den Effekt kann man besonders stark beobachten, wenn an der Versorgung der Schaltung kein Abblockkondensator eingebaut ist, da dann sich dann der Innenwiderstand der Spannungsquelle zusaetzlich negativ auswirkt. Bei einem Test (nicht auf Platine, sondern nur mit Draht zusammengeloetet und etwas Kroko-Klemmen) stellte sich heraus, dass die Schaltung zu parasitaeren Schwingungen neigt, wenn man die Betriebsspannung ueber etwa 1.3V erhoeht. Das kann man bis etwa 2V recht gut unterdruecken, indem man statt des vorgeschlagenen 10nF einen 100nF Kondensator einbaut. 2V sollten reichen, da die Schaltung normalerweise von einer Zelle mit 1.2V oder 1.5V betrieben wird. Der Wert duerfte aber vom verwendeten Aufbau und den Bauteilen abhaengen, sodass man bei einem Konkreten Aufbau nachmessen sollte.
Mit der Optimierung schaltet eine BC337 im Testaufbau in etwas weniger als 90ns aus. Auch wenn die Schaltung wegen ihrer Einfachheit nicht danach aussieht, heisst das, das man auf einen sauberen Aufbau achten sollte.