DC-Spannungswandler

Manchmal muss eine Gleichspannung (DC) transformiert werden, entweder um eine höhere DC zu gewinnen oder um einen anderen Potentialbezug herzustellen. Das geht nur durch Zerhacken mit anschließender Transformierung und Gleichrichtung. Zusätzliche Forderung ist oft die Potentialtrennung der erzeugten Spannung. Die Potentialtrennung erfolgt normalerweise induktiv (Trafo), bei hoher Frequenz und geringer Leistung auch kapazitiv.

Ohne Potentialtrennung muss die DC nur zerhackt und anschließend gleichgerichtet werden, entweder positiv oder negativ zum Bezugspotential des Zerhackers. Der bipolare 555 kann bei geringer Leistung die Zerhackerfunktion selbst übernehmen. Oft dient er aber nur als Steuergenerator für den eigentlichen DC-Schalter.

Im Web sind viele Wandler-Schaltungen mit dem 555 zu finden. Allerdings fehlen meistens Messwerte, um vor allem die Belastung der 555-Endstufe einschätzen zu können. Bei Wandlern mit separaten Leistungsschalter verschiebt sich die Strombelastung auf die komplementären Transistoren.

Die folgenden Schaltungen wurden hinsichtlich Leistungsfähigkeit und Impulsbelastung untersucht. Mit den Messergebnissen ist es leichter möglich, für den speziellen Einsatzfall die geeignete Schaltung zu finden bzw. die richtigen Transistoren auszuwählen.

Wandler für negative Betriebsspannung (555 bipolar)

Eine negative Betriebspannung gegenüber der meist durchgehenden Masseleitung (GND) kann z.B. zur OPV-Versorgung (-Ub) nötig sein. Dabei ist der Strombedarf relativ gering. Der bipolare 555 bietet sich zunächst wegen seiner kräftigen Endstufe an, um einen Wandler nur mit dem 555 zu realisieren.

Der 555 erzeugt ein Rechteck mit Tastgrad 0,5. Die Frequenz ist nicht kritisch, sollte aber über dem Hör-Frequenzbereich liegen, damit keine aktustischen Pfeifstörungen auftreten. Zu hohe Frequenz (z.B. 100 kHz) lässt zwar kleine Umlade-Kondensatoren am Ausgang zu, verursacht aber auch höhere Verluste in den Leistungstransistoren. Außerdem ist die HF-Strahlung nicht zu unterschätzen. Ein 100kHz-Rechteck kann durch seine steilen Flanken Störungen bis in den UKW-Bereich verursachen und auch verschiedene Funkdienste stören.

Die folgenden Schaltungen unterscheiden sich.

Entweder schaltet der 555 direkt die benötigte Leistung, oder der 555 steuert eine separate Komplementär-Treiberstufe an. Danach erfolgt die Gleichrichtung 1-stufig (-Ub) oder mit Spannungsverdopplung (2x -Ub).

Die erzielbare Ausgangsspannung ist von der Last RL und von der Eingangsspannung +Ub abhängig. Alle Elkos wurden auf die verwendete Arbeitsfrequenz abgestimmt.

Die Transistor-Auswahl der Treiberstufe ist vom Ausgangs-Laststrom abhängig. Dabei ist nicht der statische, sondern der Impulsstrom maßgebend.

Alle Schaltungen wurden mit dem Analog-Oszi untersucht, die Ergebnisse sind in der jeweiligen Tabelle (Bild) zusammengefasst.

Der Tastgrad 0,5 sichert in der dem 555 folgenden Gleichrichterschaltung die maximal erreichbare Leistung der erzeugten Ausgangsspannung. Beim 555 sind besondere Schaltungsmaßnahmen erforderlich, damit der Tastgrad von 0,5 erreicht wird und die Impulspause (Ua = L) genau so groß ist wie der Impuls (Ua = H).

In der Standardschaltung des 555-AMV sind die Ladewiderstände für den zeitbestimmenden Kondensator C unterschiedlich groß, um dem Tastgrad D = 0,5 (D = Duty Cycle) nahe zu kommen. Genau 0,5 kann trotzdem nicht erreicht werden. Wird einer der Widerstände mit einer Diode überbrückt, ergibt sich auch ein Tastgrad von fast genau 0,5. Weiterhin kommt man mittels Transistor dem Wert von 0,5 noch näher.

Für maximale Leistung und damit auch Wirkungsgrad eines Spannungswandlers mit dem 555 ist also die Ladeschaltung des zeitbestimmenden Kondensators C ein wichtiges Kriterium. In den folgenden Schaltungen wurde auch dieser Aspekt berücksichtigt.

In den Überschriften der Wandler-Schaltungen werden folgende Kürzel verwendet:

Ls        = Ladeschaltung für den Kondensator C
D         = Diode
Q         = Transistor
R         = Widerstand
R von Out = Widerstand vom 555-Ausgang
R-Schutz  = Überstromschutz mit Widerstand
L1-Schutz = Überstromschutz mit Drossel
3x Ub     = Test mit 3 Betriebsspannungen
3x D      = Test mit 3 verschiedenen Diodentypen
Treiber   = mit Gegentakt-Treiber

Wandler +Ub nach 1x -Ub (555, Ls mit D)

Der Wandler erzeugt mit dem bipolaren 555 aus der positiven Betriebsspannung +Ub eine massebezogene negative Betriebsspannung (-Ua).

Ladeschaltung für Tastgrad 0,5

Der Tastgrad 0,5 wird näherungsweise mit der Diode D01 erreicht. Das C-Laden erfolgt über Ra-D01, Qdis ist in dieser Zeit gesperrt. Das C-Entladen erfolgt über Rb-Qdis. Somit sind für das Laden und Entladen unterschiedliche Pfade vorhanden. Ist Ra genau so groß wie Rb, ergibt sich nahezu ein Tastgrad von 0,5, wenn man die Fluss-Spannung der Diode D01 vernachlässigt. Zur Reduzierung des Diodenfehlers kann vorteilhafterweise eine Schottky-Diode zum Einsatz kommen. Einen gewissen Ausgleich des Diodenfehlers kann man auch durch leicht unterschiedliche Dimensionierung der beiden Widerstände erreichen. Das ist aber nur am Oszi möglich und bedeutet, entsprechende Tests zu machen.

Wandler-Ergebnisse

Muss der 555 die Leistung direkt schalten, ist die 555-Endstufe schnell überfordert. Es wurden Impulsspitzen von über 800 mA sowohl beim C1-Laden (-I3 von +Ub) als auch beim C1-Entladen (+I3 von C1 nach GND) gemessen. Die Spitzen sind zwar schmal (wenig energiehaltig), aber möglicherweise wird der 555 im Dauerbetrieb überlastet.

Die Höhe der Impulsspitzen wird vorrangig von +Ub und nicht vom Ausgangs-Laststrom bestimmt. Allerdings trat selbst bei 15 V keine übermäßige 555-Erwärmung auf.

Fazit

Selbst schon bei 8 V wird die 555-Ausgangsstufe hoch belastet. Eigentlich ist diese Schaltung nur bei 5 bis 6 V Eingangsspannung zu empfehlen.

Wandler +Ub nach 2x -Ub (555, Ls mit D)

Der Wandler erzeugt mit dem bipolaren 555 aus der positiven Betriebsspannung +Ub mit Spannungsverdopplung eine höhere massebezogene negative Betriebsspannung (-Ua).

Ladeschaltung für Tastgrad 0,5

Der Tastgrad 0,5 1:1 wird näherungsweise mit der Diode D01 erreicht. Das C-Laden erfolgt über Ra-D01, Qdis ist in dieser Zeit gesperrt. Das C-Entladen erfolgt über Rb-Qdis. Somit sind für das Laden und Entladen unterschiedliche Pfade vorhanden. Ist Ra genau so groß wie Rb, ergibt sich nahezu ein Tastgrad von 0,5, wenn man die Fluss-Spannung der Diode D01 vernachlässigt. Zur Reduzierung des Diodenfehlers kann vorteilhafterweise eine Schottky-Diode zum Einsatz kommen. Einen gewissen Ausgleich des Diodenfehlers kann man auch durch leicht unterschiedliche Dimensionierung der beiden Widerstände erreichen. Das ist aber nur am Oszi möglich und bedeutet, entsprechende Tests zu machen.

Wandler-Ergebnisse

Auch hier muss der 555 die Leistung direkt schalten. Aufgrund der Spannungsverdopplung ist der entnehmbare Ausgangsstrom -Ia wesentlich höher, aber das belastet den 555 schon bei 5 V stark. Ab 10 V wurde der 555 handwarm, ab 12 V stieg die Erwärmung kontinuierlich. Der 555 wurde richtig heiß. Ab ca. 12 V war der Betrieb ohne Überhitzung dauerhaft nicht mehr möglich.

Fazit

Das direkte Schalten der Leistung mit dem 555 ist bei Spannungsverdopplung nicht zu empfehlen. Bei 5 V ist die erzielte -Ua für eine sinnvolle Verwendung zu gering.

Wandler +Ub nach 1x -Ub (555, Ls mit Q, R-Schutz)

Der Wandler erzeugt mit dem bipolaren 555 aus der positiven Betriebsspannung +Ub eine massebezogene negative Betriebsspannung (-Ua). Zum Schutz der 555-Endstufe ist ein Widerstand eingefügt.

Ladeschaltung für Tastgrad 0,5

Der Tastgrad 0,5 wird näherungsweise mit der Diode D01 erreicht. Das C-Laden erfolgt über Ra-D01, Qdis ist in dieser Zeit gesperrt. Das C-Entladen erfolgt über Rb-Qdis. Somit sind für das Laden und Entladen unterschiedliche Pfade vorhanden. Ist Ra genau so groß wie Rb, ergibt sich nahezu ein Tastgrad von 0,5, wenn man die Fluss-Spannung der Diode D01 vernachlässigt. Zur Reduzierung des Diodenfehlers kann vorteilhafterweise eine Schottky-Diode zum Einsatz kommen. Einen gewissen Ausgleich des Diodenfehlers kann man auch durch leicht unterschiedliche Dimensionierung der beiden Widerstände erreichen. Das ist aber nur am Oszi möglich und bedeutet, entsprechende Tests zu machen.

Wandler-Ergebnisse

Die hohen Impulsströme der 555-Endstufe sind mit dem Widerstand R2 soweit reduziert, dass sie im 555-Limit liegen und keine Überlastung zu befürchten ist.

Allerdings wird auch die nutzbare Leistung stark reduziert. Trotzdem können mit 15 V bei -8 V Ausgangsspannung noch 4 mA entnommen werden.

Fazit

Mit einem Schutzwiderstand kann der 555 ohne Überlastung eine negative Ausgangsspannung erzeugen. Der Leistungsverlust ist aber ziemlich groß.

Wandler +Ub nach 1x -Ub (555, Ls mit D, L1-Schutz)

Der Wandler erzeugt mit dem bipolaren 555 aus der positiven Betriebsspannung +Ub eine massebezogene negative Betriebsspannung (-Ua). Zum Schutz der 555-Endstufe ist eine Drossel eingefügt. Gegenüber einem Widerstand ist eine Induktivität günstiger, da bevorzugt die höheren Frequenzen gedämpft werden.

Ladeschaltung für Tastgrad 0,5

Der Tastgrad 0,5 wird näherungsweise mit der Diode D01 erreicht. Das C-Laden erfolgt über Ra-D01, Qdis ist in dieser Zeit gesperrt. Das C-Entladen erfolgt über Rb-Qdis. Somit sind für das Laden und Entladen unterschiedliche Pfade vorhanden. Ist Ra genau so groß wie Rb, ergibt sich nahezu ein Tastgrad von 0,5, wenn man die Fluss-Spannung der Diode D01 vernachlässigt. Zur Reduzierung des Diodenfehlers kann vorteilhafterweise eine Schottky-Diode zum Einsatz kommen. Einen gewissen Ausgleich des Diodenfehlers kann man auch durch leicht unterschiedliche Dimensionierung der beiden Widerstände erreichen. Das ist aber nur am Oszi möglich und bedeutet, entsprechende Tests zu machen.

Wandler-Ergebnisse

Die hohen Impulsströme der 555-Endstufe sind mit der Drossel L1 fast völlig verschwunden und deshalb in der Tabelle nicht mehr separat aufgeführt (siehe auch Diagramm im Bild). Der Endstufen-Strom bleibt im 555-Limit selbst bis Ub = 15 V. Die Ausgangsleistung hat sich sogar gegenüber der Schaltung ohne Drossel etwas erhöht (max. 11,8 V gegenüber 10,6 V).

Die Drossel ist eine handelsübliche lackvergossene Induktivität mit axialen Anschlüssen (ähnlich einem Widerstand). Der Induktivitätswert wurde empirisch mit Oszi-Hilfe ermittelt (Farbkodierung siehe Bild).

Wandler +Ub nach 1x -Ub (555, Ls mit Q, L1-Schutz)

Der Wandler erzeugt mit dem bipolaren 555 aus der positiven Betriebsspannung +Ub eine massebezogene negative Betriebsspannung (-Ua). Zum Schutz der 555-Endstufe ist eine Drossel eingefügt.

Ladeschaltung für Tastgrad 0,5

Der Tastgrad 0,5 wird mittels Transistor Q1 und Diode D1 sichergestellt. Das C-Laden geschieht über Q1-R1, D1 ist dabei gesperrt, da Qdis des 555 gesperrt ist. Das C-Entladen erfolgt über R1-D1-Qdis, sobald Qdis leitend wird (obere 555-Schaltschwelle ist erreicht). Q1 ist dabei gesperrt. Da sowohl das Laden als auch das Entladen über R1 erfolgt, ergeben sich gleiche Zeitkonstanten und damit gleiche H- und L-Zeiten am 555-Ausgang. Allerdings sind auch hier sowohl die Diodenfluss-Spannung als auch die Sättigungs-Spannung des Transistors wirksam. Die Spannung über Q1 ist im EIN-Zustand relativ niedrig und wirkt sich kaum negativ aus. Die Diodenfluss-Spannung verursacht zusammen mit dem 555-internen Entladetransistor Qdis einen etwas größeren Fehler. Wird eine Schottky-Diode verwendet, reduziert sich dieser Fehler.

In der Tabelle sind die gefährlichen Stromspitzen des 555-Ausgangs in positiver und negativer Richtung getrennt aufgeführt. Bei Verdopplung der L1-Induktivität ergeben sich geringere Spitzen, was sich besonders bei hoher Ub günstig auswirkt (letzte Zeile in der Tabelle).

Fazit

Die Schutzbeschaltung mit einer Drossel erscheint nahezu ideal. Jetzt leistet die Schaltung, was man von ihr erwartet, ohne das der 555 überlastet wird.

Wandler +Ub nach 1x -Ub (555, Ls mit D, L1-Schutz, 3x Ub)

Der Wandler erzeugt mit dem bipolaren 555 aus der positiven Betriebsspannung +Ub eine massebezogene negative Betriebsspannung (-Ua). Zum Schutz der 555-Endstufe ist eine Drossel eingefügt.

Ladeschaltung für Tastgrad 0,5

Der Tastgrad 0,5 wird näherungsweise mit der Diode D01 erreicht. Das C-Laden erfolgt über Ra-D01, Qdis ist in dieser Zeit gesperrt. Das C-Entladen erfolgt über Rb-Qdis. Somit sind für das Laden und Entladen unterschiedliche Pfade vorhanden. Ist Ra genau so groß wie Rb, ergibt sich nahezu ein Tastgrad von 0,5, wenn man die Fluss-Spannung der Diode D01 vernachlässigt. Zur Reduzierung des Diodenfehlers kann vorteilhafterweise eine Schottky-Diode zum Einsatz kommen. Einen gewissen Ausgleich des Diodenfehlers kann man auch durch leicht unterschiedliche Dimensionierung der beiden Widerstände erreichen. Das ist aber nur am Oszi möglich und bedeutet, entsprechende Tests zu machen.

Wandler +Ub nach 1x -Ub (555, Ls mit R, L1-Schutz, 3x Ub)

Ladeschaltung für Tastgrad 0,5

Die Standardschaltung des 555-AMV liefert näherungsweise ein Tastgrad von 0,5, wenn einer der im Ladezweig liegenden Widerstände klein gegenüber dem Entladewiderstand ist. Der an der Betriebsspannung Ub hängende obere Widerstand (Ra) kann aber nicht beliebig klein gemacht werden. Er muss den Strom von +Ub über Qdis begrenzen. Mit Ra = Null würde sich von +Ub nach GND über Qdis ein Kurzschluss ergeben. Je größer das Verhältnis der beiden Widerstände ist, desto mehr nähert sich die 555-Ausgangsimpulsfolge dem Tastgrad von 0,5.

Wandler +Ub nach 1x -Ub (555, Ls mit D, L1-Schutz, 3x D)

Ladeschaltung für Tastgrad 0,5

Der Tastgrad 0,5 wird näherungsweise mit der Diode D01 erreicht. Das C-Laden erfolgt über Ra-D01, Qdis ist in dieser Zeit gesperrt. Das C-Entladen erfolgt über Rb-Qdis. Somit sind für das Laden und Entladen unterschiedliche Pfade vorhanden. Ist Ra genau so groß wie Rb, ergibt sich nahezu ein Tastgrad von 0,5, wenn man die Fluss-Spannung der Diode D01 vernachlässigt. Zur Reduzierung des Diodenfehlers kann vorteilhafterweise eine Schottky-Diode zum Einsatz kommen. Einen gewissen Ausgleich des Diodenfehlers kann man auch durch leicht unterschiedliche Dimensionierung der beiden Widerstände erreichen. Das ist aber nur am Oszi möglich und bedeutet, entsprechende Tests zu machen.

Wandler +Ub nach 2x -Ub (555, Ls mit D, L1-Schutz)

Der Wandler erzeugt mit dem bipolaren 555 aus der positiven Betriebsspannung +Ub mit Spannungsverdopplung eine massebezogene negative Betriebsspannung (-Ua). Zum Schutz der 555-Endstufe ist eine Drossel eingefügt.

Ladeschaltung für Tastgrad 0,5

Der Tastgrad 0,5 wird näherungsweise mit der Diode D01 erreicht. Das C-Laden erfolgt über Ra-D01, Qdis ist in dieser Zeit gesperrt. Das C-Entladen erfolgt über Rb-Qdis. Somit sind für das Laden und Entladen unterschiedliche Pfade vorhanden. Ist Ra genau so groß wie Rb, ergibt sich nahezu ein Tastgrad von 0,5, wenn man die Fluss-Spannung der Diode D01 vernachlässigt. Zur Reduzierung des Diodenfehlers kann vorteilhafterweise eine Schottky-Diode zum Einsatz kommen. Einen gewissen Ausgleich des Diodenfehlers kann man auch durch leicht unterschiedliche Dimensionierung der beiden Widerstände erreichen. Das ist aber nur am Oszi möglich und bedeutet, entsprechende Tests zu machen.

Wandler-Ergebnisse

Die 555-Endstufe gelangt bei der Spannungsverdopplung selbst mit Drossel L1 an ihre Leistungsgrenzen. Bis 12 V ist der 555 nicht gefährdet. Bei 15 V ist nur mit max. 11 mA Ausgangsstrom ein Dauerbetrieb möglich (555-Erwärmung mäßig). Die Leistungsausbeute ist gegenüber einer Verdopplerschaltung ohne Schutz etwas höher.

Der Induktivitätswert ist hier niedriger. Bei zu hoher Induktivität ändert sich ab ca. 12 V Ub die AMV-Frequenz (wird niedriger). Der ermittelte Wert (siehe Bild) ist optimal.

Wandler +Ub nach 2x -Ub (555, Ls mit Q, L1-Schutz

Der Wandler erzeugt mit dem bipolaren 555 aus der positiven Betriebsspannung +Ub mit Spannungsverdopplung eine massebezogene negative Betriebsspannung (-Ua). Zum Schutz der 555-Endstufe ist eine Drossel eingefügt.

Ladeschaltung für Tastgrad 0,5

Der Tastgrad 0,5 wird mittels Transistor Q1 und Diode D1 sichergestellt. Das C-Laden geschieht über Q1-R1, D1 ist dabei gesperrt, da Qdis des 555 gesperrt ist. Das C-Entladen erfolgt über R1-D1-Qdis, sobald Qdis leitend wird (obere 555-Schaltschwelle ist erreicht). Q1 ist dabei gesperrt. Da sowohl das Laden als auch das Entladen über R1 erfolgt, ergeben sich gleiche Zeitkonstanten und damit gleiche H- und L-Zeiten am 555-Ausgang. Allerdings sind auch hier sowohl die Diodenfluss-Spannung als auch die Sättigungs-Spannung des Transistors wirksam. Die Spannung über Q1 ist im EIN-Zustand relativ niedrig und wirkt sich kaum negativ aus. Die Diodenfluss-Spannung verursacht zusammen mit dem 555-internen Entladetransistor Qdis einen etwas größeren Fehler. Wird eine Schottky-Diode verwendet, reduziert sich dieser Fehler.

In der Tabelle sind die gefährlichen Stromspitzen des 555-Ausgangs in positiver und negativer Richtung getrennt aufgeführt. Die angegebene höhere L1-Induktivität ergibt geringe Spitzen. Allerdings muss bei einem Lastwiderstand von 500 Ω die L1-Induktivität verringert werden, damit die Schaltung nicht ins Schwingen gerät (rechter Teil in der Tabelle).

Fazit

Aufgrund der 555-Erwärmung und der doch recht hohen I3-Impulsströme ist festzustellen, dass der 555 bei höheren Ausgangsströmen recht schnell überfordert ist.

Wandler +Ub nach 1x -Ub (555, Ls mit R von Out, Treiber)

Der Wandler erzeugt aus der positiven Betriebsspannung +Ub eine massebezogene negative Betriebsspannung (-Ua). Der Komplementär-Treiber entlastet die 555-Endstufe.

Ladeschaltung für Tastgrad 0,5

Der Tastgrad 0,5 kann näherungsweise auch erreicht werden, wenn die Ausgangsimpulsfolge des 555 (Pin 3) als Lade- und Entladespannung benutzt wird. Dazu ist ein Widerstand von C zum 555-Ausgang geschaltet. Bei H am Ausgang wird C über diesen Widerstand aufgeladen, bei L wird C entladen. Diese Schaltungsvariante ist allerdings beim bipolaren 555 nicht perfekt, da sich H- und L-Pegel des Ausgangs je nach angeschlossener Last stark unterscheiden. Insbesondere der H-Pegel muss zusätzlich hochgezogen werden, d.h. nach +Ub hin verbessert werden. Das geschieht mit einem relativ niederohmigen Widerstand vom 555-Ausgang nach +Ub.

Schaltungsbeschreibung

Prinzipiell würden Kleinleistungs-Transistoren für die Treiberstufe (Q1, Q2) reichen. Da aber Q2-Kollektor-Impulsströme von 200 mA gemessen wurden, sind 1A-Transistoren im Plastikgehäuse (ohne Kühlung) sinnvoll (Typen siehe Bild).

Wandler-Ergebnisse, Wirkungsgrad

Mit der Schaltung sind bei ca. 10,5 V maximal 21 mA Laststrom möglich.

In der Tabelle ist auch der gemessene Eingangsstrom Ib (Betriebsstrom) aufgeführt. Rechnet man den Wirkungsgrad der gesamten Wandlung nach, ergeben sich ziemlich schlechte Werte. Für das letzte Tabellen-Wertepaar 10,7/21,4 ergibt sich gerade mal ein Wirkungsgrad von 0,22, d.h. von 100 % Eingangsleistung (1020 mW) bleiben 22 % am Ausgang übrig (229 mW). Bei kleiner Ue und Ua ist der Wirkungsgrad noch viel schlechter (bei 1,8/3,6 nur 6,7 %).

Bei dieser Betrachtung ist noch nicht berücksichtigt, dass die Ausgangsspannung ungeregelt ist. Oft ist aber eine stabile Spannung gefordert. Eine nachfolgende Spannungsstabilisierung verbraucht weitere Leistung, so dass der Wirkungsgrad noch schlechter wird. Ob überhaupt noch eine Nach-Regelung möglich ist, lässt sich in Abhängigkeit von der geforderten End-Ausgangsspannung aus der Tabelle ablesen.

Fazit

Die Schaltung ist nur bei hoher Ue und gleichzeitig geringem Ausgangsstrom sinnvoll einsetzbar. Allerdings sind für den 555 nur maximal 16 V Ub erlaubt.

Wandler +Ub nach 1x -Ub (555, Ls mit D, Treiber, 3x D)

Ladeschaltung für Tastgrad 0,5

Der Tastgrad 0,5 wird näherungsweise mit der Diode D01 erreicht. Das C-Laden erfolgt über Ra-D01, Qdis ist in dieser Zeit gesperrt. Das C-Entladen erfolgt über Rb-Qdis. Somit sind für das Laden und Entladen unterschiedliche Pfade vorhanden. Ist Ra genau so groß wie Rb, ergibt sich nahezu ein Tastgrad von 0,5, wenn man die Fluss-Spannung der Diode D01 vernachlässigt. Zur Reduzierung des Diodenfehlers kann vorteilhafterweise eine Schottky-Diode zum Einsatz kommen. Einen gewissen Ausgleich des Diodenfehlers kann man auch durch leicht unterschiedliche Dimensionierung der beiden Widerstände erreichen. Das ist aber nur am Oszi möglich und bedeutet, entsprechende Tests zu machen.

Wandler +Ub nach 2x -Ub (555, Ls mit R von Out, Treiber)

Dieser Wandler erzeugt aus der positiven Betriebsspannung +Ub mit Spannungsverdopplung eine massebezogene negative Betriebsspannung (-Ua). Der Komplementär-Treiber entlastet die 555-Endstufe.

Ladeschaltung für Tastgrad 0,5

Der Tastgrad 0,5 kann näherungsweise auch erreicht werden, wenn die Ausgangsimpulsfolge des 555 (Pin 3) als Lade- und Entladespannung benutzt wird. Dazu ist ein Widerstand von C zum 555-Ausgang geschaltet. Bei H am Ausgang wird C über diesen Widerstand aufgeladen, bei L wird C entladen. Diese Schaltungsvariante ist allerdings beim bipolaren 555 nicht perfekt, da sich H- und L-Pegel des Ausgangs je nach angeschlossener Last stark unterscheiden. Insbesondere der H-Pegel muss zusätzlich hochgezogen werden, d.h. nach +Ub hin verbessert werden. Das geschieht mit einem relativ niederohmigen Widerstand vom 555-Ausgang nach +Ub.

Schaltungsbeschreibung

Die Schaltung arbeitet mit Spannungsverdopplung am Ausgang. Da die Ausgangsspannung höher ist, müssen die Schalttransistoren Q1 und Q2 auch höhere Ströme schalten (bei gegebenen Lastwiderstand). Deshalb wurden hier 1,5A-Transistoren eingesetzt, die bei Bedarf gekühlt werden können. 1A-Typen der gleichen Bauart reichen auch.

Wandler-Ergebnisse, Wirkungsgrad

Die Tabelle (Bild) enthält alle Messergebnisse. Die Ausgangsspannung -Ua ist je nach Last bei kleiner Ue bis zu 2 V kleiner, bei großer Ua fast 3 V größer als Ue. Ursache sind die Durchlass-Spannungen der Dioden und Schalttransistoren, die sich bei kleiner Ue besonders auswirken.

Maximal wurde bei ca. 17,5 V ein Laststrom von 35 mA gemessen. Der gemessene Q2-Kollektorstrom ist dabei 880 mA (Spitze/Spitze), ein hoher Wert, der den Einsatz von 1A-Leistungstransistoren erfordert.

Der Wirkungsgrad liegt mit dem Wertepaar 17,7/35,4 bei 0,16, ein sehr niedriger Wert. Hier zeigen sich die Grenzen dieses Schaltungsprinzips.

Fazit

Die Spannungsverdopplung liefert etwas höhere Ausgangsspannungen, hat aber einen noch schlechteren Wirkungsgrad als die einfache Gleichrichtung. Der etwas höheren -Ua kann aber eine Spannungsstabilisierung folgen.

Wandler +Ub nach 2x -Ub (555, Ls mit R von Out, Treiber, 5V-Regler)

Die folgende Schaltung ist für eine End-Ausgangsspannung von -5V bei 12 mA Laststrom dimensioniert. Sie arbeitet mit Spannungsverdopplung und anschließender Stabilisierung auf 5V.

Ladeschaltung für Tastgrad 0,5

Der Tastgrad 0,5 kann näherungsweise auch erreicht werden, wenn die Ausgangsimpulsfolge des 555 (Pin 3) als Lade- und Entladespannung benutzt wird. Dazu ist ein Widerstand von C zum 555-Ausgang geschaltet. Bei H am Ausgang wird C über diesen Widerstand aufgeladen, bei L wird C entladen. Diese Schaltungsvariante ist allerdings beim bipolaren 555 nicht perfekt, da sich H- und L-Pegel des Ausgangs je nach angeschlossener Last stark unterscheiden. Insbesondere der H-Pegel muss zusätzlich hochgezogen werden, d.h. nach +Ub hin verbessert werden. Das geschieht mit einem relativ niederohmigen Widerstand vom 555-Ausgang nach +Ub.

Schaltungsbeschreibung

555-AMV, Leistungsschalter und Spannungsverdopplung entsprechen der vorigen Schaltung.

Gefordert ist eine Ua von -5 V bei 12 mA. Da eine Regelung mit Längstransistor erfolgt, sind wenigstens 7,5 V Ub erforderlich (siehe Tabelle im Bild, 1. Zeile).

Die Regelung arbeitet mit einer einfachen LED-Referenz LED D11 und Längstransistor Q11. Die Ausgangsspannung -Ua1 wird mit Trimm-R VR14 eingestellt.

Wandler-Ergebnisse, Wirkungsgrad

Die Tabelle (Bild) enthält die Messergebnisse für den Ue-Bereich 7,5 bis 15 V. Die Stabilisierung ist noch ausreichend, da -Ua der OPV-Versorgung dient.

Bei der höchsten Ue von 15 V fließen 200 mAss im Q2-Kollektor, deshalb sind mindestens 1A-Transistoren in der Schaltstufe erforderlich (mit eingerechneter Sicherheit).

Der Wirkungsgrad liegt zwischen 12 % (Ub = 7,5 V) und 5 % (Ub = 15 V). Durch die Regelung kommt nochmals weniger Leistung am Ausgang an.

Fazit

Mit dem 555 und Leistungstransistoren lässt sich bei Spannungsverdopplung eine geregelte negative 5V-Versorgung für OPVs realisieren, die mit 12 mA belastet werden kann.

Wandler für negative Betriebsspannung (555 CMOS)

In den folgenden Wandler-Schaltungen arbeitet ein CMOS-555 als Taktgeber. Die schwache Endstufe (gegenüber dem bipolaren 555) erfordert regelmäßig einen separaten Treiber (außer bei sehr geringem Ausgangsstrom).

Vorteil des CMOS-555 ist sein geringerer Betriebsstrom. Bei niedriger Betriebsspannung macht sich der höhere H-Pegel am 555-Ausgang positiv bemerkbar. Die komplementäre Endstufe wird sauber und mit kurzen Schaltzeiten angesteuert. Ein Widerstand begrenzt den möglichen Steuerstrom für die Treiberstufe und schützt somit den CMOS-Ausgang. Die erzielte Leistung ist ewas höher als bei der entsprechenden bipolaren Variante.

Frequenzwahl und Schaltungstechnik sind mit den entsprechenden Schaltungen mit bipolarem 555 vergleichbar (siehe weiter oben).

Wandler +Ub nach 1x -Ub (CMOS-555, Ls mit R von Out, Treiber)

Der Wandler erzeugt aus der positiven Betriebsspannung +Ub eine massebezogene negative Betriebsspannung (-Ua). Der Komplementär-Treiber entlastet die 555-Endstufe.

Ladeschaltung für Tastgrad 0,5

Beim CMOS-555 ist es leicht, ein Ausgangsimpuls-Tastgrad 0,5 zu erreichen. Da die CMOS-Endstufe nahezu +Ub (bei H) bzw. Null (bei L) liefert, wenn sie nur gering belastet wird, ist eine exakte Lade- bzw. Entlade-Spannung für C vorhanden. Es ist nur ein Widerstand von C zum 555-Ausgang nötig. Zu niederohmig sollte dieser Widerstand nicht sein, damit der CMOS-555-Ausgang nicht zu sehr belastet wird. Die Ausgangsspannung der CMOS-Endstufe steigt mit höherer Belastung an, und C würde somit nicht bis auf GND entladen werden. Nach oben sind dem Widerstand aber wenig Grenzen gesetzt, da der Eingangswiderstand der CMOS-555-Pins 6 und 2 mehrere hundert Megaohm beträgt. Er ist also sehr hoch. Beim C-Laden fließt in diesem Falle also nur der C-Ladestrom. Einen Leckstrom in den 555 hinein gibt es fast nicht.

Wandler +Ub nach 2x -Ub (CMOS-555, Ls mit R von Out, Treiber)

Der Wandler erzeugt aus der positiven Betriebsspannung +Ub mit Spannungsverdopplung eine massebezogene negative Betriebsspannung (-Ua). Der Komplementär-Treiber entlastet die 555-Endstufe.

Ladeschaltung für Tastgrad 0,5

Beim CMOS-555 ist es leicht, ein Ausgangsimpuls-Tastgrad 0,5 zu erreichen. Da die CMOS-Endstufe nahezu +Ub (bei H) bzw. Null (bei L) liefert, wenn sie nur gering belastet wird, ist eine exakte Lade- bzw. Entlade-Spannung für C vorhanden. Es ist nur ein Widerstand von C zum 555-Ausgang nötig. Zu niederohmig sollte dieser Widerstand nicht sein, damit der CMOS-555-Ausgang nicht zu sehr belastet wird. Die Ausgangsspannung der CMOS-Endstufe steigt mit höherer Belastung an, und C würde somit nicht bis auf GND entladen werden. Nach oben sind dem Widerstand aber wenig Grenzen gesetzt, da der Eingangswiderstand der CMOS-555-Pins 6 und 2 mehrere hundert Megaohm beträgt. Er ist also sehr hoch. Beim C-Laden fließt in diesem Falle also nur der C-Ladestrom. Einen Leckstrom in den 555 hinein gibt es fast nicht.

Wandler +Ub nach 1x -Ub (CMOS-555, Ls mit R von Out, Treiber, 3x D)

Ladeschaltung für Tastgrad 0,5

Beim CMOS-555 ist es leicht, ein Ausgangsimpuls-Tastgrad 0,5 zu erreichen. Da die CMOS-Endstufe nahezu +Ub (bei H) bzw. Null (bei L) liefert, wenn sie nur gering belastet wird, ist eine exakte Lade- bzw. Entlade-Spannung für C vorhanden. Es ist nur ein Widerstand von C zum 555-Ausgang nötig. Zu niederohmig sollte dieser Widerstand nicht sein, damit der CMOS-555-Ausgang nicht zu sehr belastet wird. Die Ausgangsspannung der CMOS-Endstufe steigt mit höherer Belastung an, und C würde somit nicht bis auf GND entladen werden. Nach oben sind dem Widerstand aber wenig Grenzen gesetzt, da der Eingangswiderstand der CMOS-555-Pins 6 und 2 mehrere hundert Megaohm beträgt. Er ist also sehr hoch. Beim C-Laden fließt in diesem Falle also nur der C-Ladestrom. Einen Leckstrom in den 555 hinein gibt es fast nicht.

Wandler +Ub nach 1x -Ub (CMOS-555, Ls mit R von Out, Treiber, 5V-Regler)

Die folgende Schaltung ist für eine End-Ausgangsspannung von -5V bei 12 mA Laststrom dimensioniert. Sie arbeitet mit Spannungsverdopplung und anschließender Stabilisierung auf 5V.

Ladeschaltung für Tastgrad 0,5

Beim CMOS-555 ist es leicht, ein Ausgangsimpuls-Tastgrad 0,5 zu erreichen. Da die CMOS-Endstufe nahezu +Ub (bei H) bzw. Null (bei L) liefert, wenn sie nur gering belastet wird, ist eine exakte Lade- bzw. Entlade-Spannung für C vorhanden. Es ist nur ein Widerstand von C zum 555-Ausgang nötig. Zu niederohmig sollte dieser Widerstand nicht sein, damit der CMOS-555-Ausgang nicht zu sehr belastet wird. Die Ausgangsspannung der CMOS-Endstufe steigt mit höherer Belastung an, und C würde somit nicht bis auf GND entladen werden. Nach oben sind dem Widerstand aber wenig Grenzen gesetzt, da der Eingangswiderstand der CMOS-555-Pins 6 und 2 mehrere hundert Megaohm beträgt. Er ist also sehr hoch. Beim C-Laden fließt in diesem Falle also nur der C-Ladestrom. Einen Leckstrom in den 555 hinein gibt es fast nicht.

Schaltung

Gefordert ist eine Ua von -5 V bei 12 mA. Die minimale Eingangsspannung Ub wurde auf 9 V festgelegt, das ergibt -8,9 V vor der Regelung. Dabei sinkt die geregelte Ausgangsspannung auf minimal 4,95 V ab (siehe Tabelle im Bild, 1. Zeile).

Die Regelung arbeitet wahlweise mit einer einfachen LED-Referenz oder mit der Bandgap-Referenz LM336-2.5 und dem Längstransistor Q11. Die Ausgangsspannung -Ua1 wird mit Trimm-R VR14 eingestellt.

Fazit

Mit dem CMOS-555 und Leistungstransistoren lässt sich bei Spannungsverdopplung eine geregelte negative 5V-Versorgung für OPVs realisieren, die mit 12 mA belastet werden kann. Mit der Bandgap-Referenz ist eine sehr gute Stabilität zwischen 9 und 15 V Wandler-Betriebsspannung erreichbar.

Geregelter Wandler +15V nach -5V

Dieser Wandler ist geregelt (im Gegensatz zu den vorigen Schaltungen). In Abhängigkeit von der Ausgangsspannung werden Tastgrad und Frequenz des 555-AMV so verändert, dass sich auch bei wechselnder Last eine nahezu konstante Ausgangsspannung ergibt.

Eigenschaften

• Ausgangsspannung -5,0 V, mit maximal 70 mA belastbar
• Eingangsspannung +15 V, bei 50 mA Last minimal +12 V
• Regelgenauigkeit ±0,1 % bei 0 bis 50 mA Last
• Regelwelligkeit und Rauschen max. 2 mV
• Ausgangsspannung einstellbar mit Trimm-Poti
• AMV-Frequenz und Tastgrad variabel (je nach Last)

Schaltungsteile

• 555-AMV (IC1) mit RC-Glied R1-C1
• Komplementärtreiber Q4-Q5
• Gleichrichterschaltung (D2, D3, C2, C3)
• Aktive Siebstufe mit Q6
• Z-Dioden-Nachbildung (Q2, Q3, R4 bis R8) in der Istwert-Rückführung
• Stelltransistor Q1 zur Änderung des AMV-Tastgrads

Schaltungsbeschreibung

Die vergleichsweise guten Regeleigenschaften des Wandlers basieren auf einigen Besonderheiten.

555-AMV (IC1)

Ohne Q1-Stelltransistor und mit Brücke Pin 7-2 liefert der AMV am Ausgang Pin 3 ca. 28 kHz mit langer H-Zeit und sehr kurzer L-Zeit. Das kann zum Test des 555-AMV genutzt werden, ohne dass dabei die anderen Schaltungsteile (Gleichrichter, Siebstufe, Z-Diode, Stelltransistor) funktionieren müssen.

Ist alles wie im Bild angeschlossen, wird über Stelltransistor Q1 die C1-Entladung solange hinausgezögert, bis die Ausgangsspannung Ua unter 5,0 V absinkt. Erst dann wird C1 über R3-Q1 bis zur unteren 555-Schwelle (1/3 von Ub) entladen. Nun beginnt ein neuer Ladezyklus, d.h. der 555-Ausgang liefert H und damit über Treiber Q4 neue Energie für den Gleichrichter.

Treiber mit Q4-Q5

Durch den Treiber können auch CMOS-555 eingesetzt werden, ohne dass eine Schaltungsänderung nötig wäre. Die Treibertransistoren sollten auf je einem kleinen Kühlblech montiert sein, insbesondere, wenn ein höherer Ausgangsstrom gefordert wird.

Für Q4 und Q5 können auch Kleinleistungs-Transistoren ausreichen, wenn nur wenige mA entnommen werden. Die angegebenen Transistoren wurden vor allem wegen der Impulsbelastung bei Maximalstrom ausgewählt.

Der entnehmbare Maximalstrom ist beim CMOS-555 etwas höher als beim bipolaren 555. H- und L-Pegel des 555-CMOS-Ausgangs sind nahezu identisch mit +Ub und GND. Dadurch werden die Treibertransistoren Q4 und Q5 sauber durchgesteuert, C2 kann sich bis nahezu +Ub (abzüglich Q4-Basis-Emitter-Spannung) aufladen, d.h. +Ub wird bestmöglich genutzt. Beim bipolaren 555 ist dagegen der 555-Ausgangs-H-Pegel um ca. 2 V niedriger als +Ub (lastabhängig), so dass C2 nicht so weit aufgeladen werden kann. Das wirkt sich dann negativ auf den maximal entnehmbaren Strom am -5V-Ausgang aus.

Gleichrichter

C2, D2-D3 und C3 bilden die Gleichrichterschaltung. Über C3 steht die negative Ausgangsspannung. Diese Spannung enthält allerdings normalerweise ca. 100 mVac. Dieser Wechselspannungsanteil wird durch die Regelung verursacht. Für eine möglichst saubere Ausgangsspannung wurde deshalb eine aktive Siebstufe hinzugefügt.

Aktive Siebstufe mit Transistor Q6

Die Wirksamkeit des Sieb-Cs C4 wird um die Q6-Stromverstärkung erhöht. C3 und C4 können deshalb relativ klein sein. Trotzdem ergibt sich eine sehr geringe Welligkeit der negativen Ausgangsspannung. C5 verhindert Schwingen der gesamten Schaltung in ungünstigen Belastungs-Situationen, R11 ist eine Grundlast und dient dem gleichen Zweck.

Erst nach dieser Siebstufe ist die Istwert-Rückführung angeschlossen, so dass sich insgesamt gute Regeleigenschaften ergeben.

Z-Dioden-Nachbildung (Q2, Q3, R4 bis R8)

Die mit Transistoren realisierte Z-Diode hat nicht nur den Vorteil, dass die Z-Spannung (und damit die Ausgangspannung Ua) einstellbar ist. Q2 und Q3 inkl. Beschaltung bewirken durch die Verstärkung der Transistoren einen wesentlich schärferen Z-Dioden-Knick. Die Kombination wird nahezu schlagartig leitend, sobald die mit VR4 eingestellte Z-Spannung erreicht ist. Deshalb muss auch VR4 ein Mehrgang-Poti sein, um eine feinfühlige Ua-Einstellung zu ermöglichen. VR4 und R5 können ggf. angepasst werden, der Gesamtwert sollte aber bei ca. 10 kΩ bis maximal 100 kΩ liegen.

Die Z-Dioden-Nachbildung trägt wesentlich dazu bei, dass die Regel-Ungenauigkeit der gesamten Schaltung bei max. 0,2 % liegt. Mit einer normalen Z-Diode werden im günstigsten Falle nur 1,5 % erreicht.

Stelltransistor Q1

Q1 hat die Aufgabe, bei gesperrter Z-Diode (Q2 gesperrt) das regelmäßige C1-Entladen zu sichern. Während der AMV schwingt, erhält die Gleichrichterschaltung Energie und der Ausgang liefert Strom (Ua steigt). Damit C1 bis auf weniger als die untere 555-Schwelle (1/3 von Ub) entladen werden kann, muss R1 mehr als doppelt so groß als R3 sein. Ist R1 mit 10 kΩ vorgegeben, muss R3 kleiner als 5 kΩ sein, da die Kollektor-Emitter-Restspannungen von Q1 und dem 555-Qdis zusätzlich zu berücksichtigen sind. Ist R1 zu groß, wird die 1/3-Schwelle nicht unterschritten, der 555 schwingt nicht.

Andererseits darf R3 nicht zu klein sein, da sonst der Tastgrad für maximalen Ausgangsstrom zu ungünstig wird. Idealerweise sollte der Tastgrad für maximalen Ausgangsstrom bei gegebener Betriebsspannung bei 0,5 liegen. In diesem Fall liefert die Gleichrichterschaltung die meiste Energie an den Ausgang. Der angegebene R3-Wert ist günstig, ggf. ist eine geringfügige Anpassung nötig.

Sobald Ua geringfügig größer als 5,0 V ist, wird die Z-Diode leitend (Q2 leitet) und Q1 sperrt. Somit wird das C1-Entladen verhindert und der 555 beginnt später mit seinem Schwing-Zyklus oder setzt bei geringer Ua-Last sogar kurzzeitig aus. Ua sinkt wieder, usw.

Wirkung der Regelung

Sind -5,0 V am Ausgang erreicht, sperrt Stelltransistor Q1, da die Z-Diode leitet und den über R2 kommenden Strom der Q1-Basis entzieht. Solange Q1 sperrt, bleibt C1 geladen und der 555-Ausgang verharrt auf H-Potential. Das bedeutet, der 555 stoppt, die Gleichrichterschaltung bekommt keine Energie.

Erst wenn Ua weniger als -5,0 V wird (wegen R11 und RL), erhält Q1 Basisstrom. Q1 entlädt nun C1, ein neuer 555-Zyklus beginnt. Damit liefert der 555 wieder Energie an die Gleichrichterschaltung, -Ua kann wieder steigen.

Sind -5,0 V erreicht, beginnt das Spiel von vorn. Ua pendelt also geringfügig um den eingestellten Wert von 5,00 V. Wie groß dieses Pendeln um den Sollwert ist, wird von der Regelverstärkung der gesamten Anordnung bestimmt. Die Ua-Welligkeit war nicht größer als 2 mVac (inkl. Rauschen).

Ausgangsstrom -Ia und Betriebsspannung Ub

Die Tabelle im Bild enthält einige Messwerte bei Einsatz des bippolaren 555. Bei 15 V sind mit Sicherheit 70 mA entnehmbar (80 mA beim CMOS-555). Bei 10 V sind es nur noch 7 mA. Damit sind die Grenzen der Schaltung abgesteckt. Ub sollte zumindest vorstabilisiert sein, wenn die jeweilige Belastungsgrenze genutzt wird. Generell bestimmt aber die Z-Spannung den Ua-Wert. Sie ist nahezu unabhängig von Ub.

Die Schaltung ist kurzschlussfest, da Ua bei zu hohem Strom zusammenbricht.

Fazit

Mit etwas mehr Aufwand lässt sich auch mit dem 555 eine gut stabilisierte negative Spannung erzeugen. Eine nachgeschaltete Regelschaltung, die den Wirkungsgrad weiter verschlechtern würde, ist nicht erforderlich.

 

© Peter E. Burkhardt