Projekte für Elektronikeinsteiger – Teil  14

Spannungswandler-Praxis

Spannungswandler sind überall im Einsatz – in Netzteilen, Solaranlagen, Elektroautos oder Laptops. In diesem Artikel werden die Grundlagen, warum Spannungswandlung wichtig ist und welche Methoden es gibt, einfach und verständlich erklärt. Anhand eines praktischen Beispiels wird gezeigt, wie man mithilfe eines Spannungswandlers selbst aus fast leeren Batterien noch das letzte bisschen Energie herausholen kann.

Grundlagen der elektronischen Spannungswandlung

Viele Geräte benötigen eine bestimmte Betriebsspannung (z. B. 3,3 V/5 V/12 V), während die verfügbaren Quellen (z. B. Batterie, Netzspannung, Solarpanel) oft eine andere Spannung liefern. Spannungswandler passen die Spannung an, indem sie:

• die Spannung herunterregeln (Step-Down/Buck-Wandler) – z. B. von 12 V auf 5 V für USB-Geräte;
• die Spannung hochsetzen (Step-Up/Boost-Wandler) – z. B. aus 1,5 V einer AA-Batterie 3,3 V für eine LED erzeugen;
• umkehren (Inverter) – z. B. aus Gleichspannung (DC) Wechselspannung (AC)
  oder aus einer positiven Spannung eine negative machen.

Es könnte der Eindruck entstehen, dass die Erzeugung einer höheren Spannung aus einer niedrigen ohne Verletzung physikalischer Gesetze unmöglich sei. Doch tatsächlich ist genau das machbar – und zwar dank einer cleveren Nutzung von Induktivitäten und dem Prinzip der Energieerhaltung. Es wird also keineswegs gegen physikalische Grundprinzipien verstoßen, sondern vielmehr eine geschickte Energieumwandlung vorgenommen.

Die Gesamtleistung bleibt dagegen bei einer Spannungstransformation tatsächlich stets erhalten. Wird beispielsweise aus 5 V Eingangsspannung eine Ausgangsspannung von 12 V erzeugt, muss zwangsläufig die verfügbare Stromstärke reduziert werden. Die umgesetzte Leistung bleibt wegen der Energieerhaltung bis auf unvermeidbare Verlustleistungen nahezu konstant.

In vielen Spannungswandlern wird die Induktivität einer Spule als grundlegendes Bauelement verwendet. Durch Schließen eines elektronischen Schalters wird Strom durch die Spule geleitet. Dabei wird Energie im entstehenden Magnetfeld gespeichert. Beim Öffnen des Schalters (S) kollabiert das Magnetfeld. Durch den Effekt der Selbstinduktion wird eine Spannung generiert, deren Höhe die ursprünglich verwendete Eingangsspannung deutlich übersteigen kann. Die hohe Induktionsspannung lädt über eine Diode (D) einen Kondensator (C). Aus diesem kann die nun höhere Spannung entnommen werden (Bild 1).

Die maximal mögliche Spannungshöhe unterliegt jedoch einigen Beschränkungen:

• Die maximal speicherbare Energie der Spule ist begrenzt.
• Ohmsche Verluste in den Bauteilen setzen der Effizienz Grenzen.
• Auch die gewählte Schaltfrequenz bestimmt die erreichbare Spannung.

Vorversuch: Spannungen für LEDs

LEDs setzen elektrische Energie direkt in Licht um. Dabei spielen deren Betriebsspannungen eine wichtige Rolle. LEDs leuchten, wenn Strom in Durchlassrichtung durch sie fließt. Dafür benötigen sie eine bestimmte Mindestspannung, die als Schwellenspannung oder Flussspannung bezeichnet wird. Die notwendige Spannung hängt direkt mit der Farbe bzw. Wellenlänge des emittierten Lichts zusammen:

• Rote LEDs benötigen typischerweise etwa 1,8–2,1 V,
• gelbe und grüne LEDs etwa 2,0–2,2 V,
• blaue und weiße LEDs erfordern mit etwa 3,0–3,6 V deutlich höhere Spannungen.

Je kurzwelliger das Licht (von rot nach blau), desto höher die benötigte Spannung.

Die Entwicklung blauer LEDs war ein entscheidender Durchbruch in der Beleuchtungstechnologie. Im Jahr 2014 erhielten die japanischen Wissenschaftler Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Nakamura den Nobelpreis für Physik für diese Errungenschaft. Während rote und grüne LEDs bereits seit den 1960er-Jahren existierten, erforderten blaue LEDs neuartige Halbleitermaterialien wie Galliumnitrid.

Erst mit blauen LEDs konnten weiße LED-Leuchten durch Kombination der Grundfarben oder durch Phosphor-Beschichtung hergestellt werden, was energieeffiziente LED-Beleuchtung für den Massenmarkt ermöglichte und die Beleuchtungsindustrie weltweit revolutionierte. Die höhere Betriebsspannung blauer LEDs (über 3 V) ist ein direktes Resultat der physikalischen Eigenschaften der verwendeten Materialien, die notwendig sind, um kurzwelliges blaues Licht zu erzeugen.

Dass weiße LEDs eine Mindestspannung von 3,0–3,6 V benötigen, kann man leicht mit Batterien oder Akkus nachweisen. Mit einer Batterie oder zwei in Serie geschalteten Batterien kann man rote oder gelbe LEDs bereits zum Leuchten bringen. Für blaue oder weiße LEDs sind dagegen mindesten drei Zellen erforderlich (s. Bild 2 und 3). In Bild 2 wird deutlich, dass erst ab der Durchlassspannung ein nennenswerter Strom durch die LED fließt. In Bild 3 sind die verschiedenen Durchlassspannungen (auch Mindest- oder Schwellspannungen) anschaulich zusammengefasst.

Spannungswandler in der Praxis

Die beiden Transistoren bilden zusammen mit dem Kondensator C, der Spule L und den Widerständen einen Multivibrator. Das Prinzip dieser Schaltung wurde bereits im ersten Beitrag zu dieser Serie (Feuerwehrsirene und Morseübungsgerät) erläutert. Bei Bedarf können die Grundlagen dazu also dort nachgelesen werden. Die Transistoren schalten den Strom durch die Spule ein und aus. Gemäß dem Induktionsgesetz versucht das zusammenbrechende Magnetfeld der Spule, den Stromfluss aufrechtzuerhalten. Dabei entsteht eine induzierte Spannung, die sich zur Batteriespannung addiert.

Die Gesamtspannung kann unter idealen Bedingungen bis zu über 40 V erreichen!  Allerdings ist die in der Spule gespeicherte Energie relativ gering. Bild 6 zeigt den Spannungsverlauf der Schaltung im Leerlauf, also ohne eingebaute LED.

Man erkennt, dass die Spannung hier bis auf über 40 V ansteigt. Nach dem Einsetzen der LED wird die Spannung durch die LED selbst auf deren farbspezifische LED-Spannung begrenzt. Es ist darum egal, welche Farbe die LED hat – sie leuchtet in jedem Fall hell auf. Die Wahl der Spule ist ebenfalls unkritisch. Tests haben ergeben, dass alle Werte über 300 µH gut funktionieren.
Mit dem Festinduktivitätsmodul aus einem PAD-Set mit einer Induktivität von 1 mH (= 1000 µH) arbeitet die Schaltung auf jeden Fall einwandfrei. Aber auch mit einem Ferritstab aus einem alten MW-Radio und 100 bis 300 Windungen Kupferlackdraht kann man beispielsweise gute Ergebnisse erzielen.

Alte Batterien nutzen

In handelsüblichen Elektrogeräten werden Batterien von ca. 1,5 V um 0,5 V bis auf etwa 1 V entladen. Dann gelten sie als verbraucht und müssen ersetzt werden. Allerdings ist dann immer noch vergleichsweise viel Energie in der vermeintlich „leeren“ Batterie. Die Schaltung nach Bild 4 kann eine Batterie dagegen bis auf etwa 0,6 V entladen. Das bedeutet, dass zusätzliche 20 bis 25 Prozent der gesamten Batterieenergie durch diese Schaltung nutzbar gemacht werden. Ohne die Schaltung wäre diese Restenergie verschwendet und würde Geldbeutel und Umwelt unnötig belasten.

Hohe Spannungen nutzen

Dass die Schaltung tatsächlich sehr hohe Spannungen liefert, kann auch ohne Oszilloskop nachgewiesen werden. Aufgrund der hohen Spannung können nämlich sogar mehrere weiße LEDs in Reihe betrieben werden. Bild 8 zeigt beispielsweise den Betrieb von 3 seriell geschalteten LEDs.

Dies beweist, dass die Schaltung mindestens 3 x 3,2 = 9,6 V liefert. Allerdings wird das Licht der LEDs mit zunehmender Anzahl dunkler, da die Schaltung mit wachsender Ausgangsspannung immer ineffektiver arbeitet.

Ökologisch-ökonomische Taschenlampe

Als praktische Anwendung der Schaltung kann eine ökologisch-ökonomische Taschenlampe aufgebaut werden. Bild 9 zeigt eine mögliche Version in einem praktischen Gehäuse. Solche oder ähnliche Lampen werden auch als „Joule Thief“ bezeichnet. Der Name ist ein Wortspiel und setzt sich wie folgt zusammen:

• „Joule“ ist die physikalische Einheit für Energie
• „Thief“ bedeutet auf Englisch „Dieb„

Ein Joule Thief „stiehlt“ also auch noch die letzte Energie, die in einer Batterie vorhanden ist, aber von normalen Geräten nicht mehr genutzt werden kann. Einige Joule-Thief-Varianten kommen sogar mit nur einem Transistor aus. Allerdings benötigen diese statt einer Spule einen Transformator mit zwei Windungen. Zudem funktioniert diese Minimalversion meist nur mit speziellen Transistortypen. Die Schaltung nach Bild 4 dagegen arbeitet auch mit Standard-Transistoren und einer einfachen Spule einwandfrei.

Ein „Joule Thief“ bietet mehrere ökologische und ökonomische Vorteile, wenn er in einer einfachen Taschenlampe verwendet wird:

Ökologische Vorteile:

1. Nutzung (fast) leerer Batterien
   • Der Joule Thief kann Energie aus scheinbar „leeren“ Batterien ziehen, die für andere Geräte bereits unbrauchbar sind.
   • Reduziert Batterieabfall und verlängert die Nutzungsdauer von Batterien
2. Weniger Ressourcenverbrauch
   • Weniger neue Batterien bedeuten geringeren Bedarf an Rohstoffen wie Zink, Lithium oder Mangan.
3. Recycling-freundlich
   • Solche Taschenlampen lassen sich auch aus alten Elektronikkomponenten bauen (z. B. Transistoren, Spulen, LEDs), was Elektroschrott reduziert.

Ökonomische Vorteile:

1. Extrem kostengünstig
   • Der Aufbau ist einfach, mit wenigen kostengünstigen Bauteilen. Perfekt für DIY-Projekte oder preiswerte Massenproduktion.
2. Lange Batterielebensdauer
   • Selbst aus alten Batterien wird noch Licht gewonnen, sodass der Kauf neuer Batterien seltener nötig ist.
3. Geringer Stromverbrauch
   • Eine weiße LED kann bereits mit geringen Strömen betrieben werden, wodurch eine sehr lange Laufzeit möglich ist.

Ergänzungen und Anregungen

• Welche Kombination aus Kondensator und Spule liefert das hellste LED-Licht?
• Kann man außer Batterien auch andere Energiequellen nutzen (Hinweis „Zitronenbatterie“, s. Beitrag 4 zu dieser Artikelreihe)?
• Kann man auch Akkuzellen für den Spannungswandler nutzen?
  Sind ältere Zellen geeignet?
  Welche Vor- und Nachteile haben Akkus in diesem Fall?             
• Welche Spulen, z. B. aus alten Geräten wie Radios, Netzteilen oder sogar Energiesparlampen, können im Joule Thief eingesetzt werden?
• Spielt die Bauform eine Rolle?

Ausblick

Nachdem in diesem Artikel die Grundlagen der Spannungswandlung genauer betrachtet wurden, soll im nächsten Beitrag der Unterschied von NPN- und PNP-Transistoren genauer betrachtet werden. Beide Transistorvarianten arbeiten nach demselben Prinzip, aber mit umgekehrter Polarität. Für den Schaltungsentwurf ist es wichtig, den Typ richtig zu wählen, je nachdem, wie Spannungen und Ströme in der Schaltung fließen sollen.

Die Kombination von NPN- und PNP-Transistoren bietet den Vorteil, dass sich Strom sowohl nach Masse (mit NPN) als auch zur Versorgungsspannung hin (mit PNP) effizient schalten lässt. Dadurch entstehen symmetrische Schaltungen, die Signale in beide Richtungen verarbeiten können – etwa in Verstärkern oder Treiberstufen. Ein klassisches Beispiel ist die Gegentakt-Endstufe in Audioverstärkern. Neben den Schaltungsgrundlagen sollen dabei auch wieder praktische Anwendungen im Vordergrund stehen.

Erforderliches Material:

Außerdem benötigen Sie:

• 2x NPN-Transistor, z. B. Modul BC847 oder BC547
• Verschiedene LEDs oder LED-Module
• Widerstände und Kondensatoren
• Induktivität (ca. 1 mH)
• Batteriehalter
• Volle oder (nahzu) leere Batterien

Über den Autor
Dr. Günter Spanner ist als Autor zu den Themen Elektronik, Sensortechnik und Mikrocontroller einem weiten Fachpublikum bekannt. Schwerpunkt seiner hauptberuflichen Tätigkeit für verschiedene Großkonzerne wie Siemens und ABB ist die Projektleitung im Bereich Entwicklung und Technologie-Management. Der Dozent für Physik und Elektrotechnik hat zudem zahlreiche Fachartikel und Bücher veröffentlicht sowie Kurse und Lernpakete erstellt.