Analoge PWM

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Der erste Gedanke war, einen Step-Up-Baustein zu verwenden, der die 20 LED mit konstanter Spannung versorgt und bei zu geringer Eingangsspannung abschaltet oder die Akkus auf andere Weise schützt. Nach dem Test diverser Bausteine auf der Lochrasterplatine erwies sich der BL8530 [Datenblatt als PDF] als besonders billig, einfach aufzubauen und effizient. Er ist günstig bei AliExpress oder eBay zu finden.

Am Batteriefach der LED-Lichterkette durchtrennt man einfach die Leitungen, isoliert sie ab und versieht sie mit Dupont-Steckern. Den Minus-Pol kann man zudem mit schwarzem Filzstift markieren, was das Anstecken an die unterschiedlichen Aufbauten und beim Messen vereinfacht.

Mit den 3,3 V des Spannungsreglers gab es ordentlich Licht, bei etwa 180 mA Last. Allerdings nur für rund acht Stunden, bis die Akkus leer waren. Zwei Tage Glimmen bei abnehmender Leuchtstärke gegen kurzzeitiges Flutlicht einzutauschen, war allerdings nicht Sinn der Sache. Das Ergebnis könnte man aber durch Pulsweitenmodulation verbessern: Mit hoher Frequenz schaltet man die Last an und ab und über das Verhältnis von An- zu Aus-Zeit lässt sich die gewünschte Leistung einstellen.

Zerhackte Leistung

Dafür wären Mikrocontroller eigentlich perfekt – die haben Timer und PWM-Module ab Werk dabei und könnten einen Leistungs-MOSFET schalten. Aber beim Einsatz für die Lichterkette lägen so viele Komponenten des Mikrocontrollers brach, dass es eine Verschwendung wäre. Die Idee für eine Alternative kam schnell – als erste Verständnisübung für Elektronik bastelt man in der Regel einen schön langsam dimmenden astabilen Multivibrator. Wenn man dessen Wechsel zwischen den Zuständen einfach beschleunigt und steilere Flanken erzeugt, sollte man damit doch eine Last an- und abschalten können.

So etwas einfach aus dem Bauch heraus aufzubauen geht zwar auch, aber eine etwas fundiertere Herangehensweise führt meist rascher zum Erfolgerlebnis. In der Folge benutzte ich zum ersten Mal das kostenlose Simulationsprogramm LTSpice. Nach kurzer Zeit waren die Bausteine zusammengeklickt. Sinnvollen Ergebnissen stand zunächst lediglich eine fehlende explizite "GND"-Markierung (Rechtsklick in der Nähe der Spannungsquelle auf der Minusseite, Netz benennen, GND auswählen, fertig) und die vergessene Spice-Direktive ".tran 100m startup" im Wege. Ohne erstere lieferte die Simulation seltsame Schwingungen in den Spannungsverläufen, ohne die letztere läuft sie erst gar nicht los.

Flackerfrei

Die Werte für die Kippstufen-Bausteine waren rasch ermittelt. Kondensatoren mit 1 µF sowie 100 nF, Basiswiderstände von 10 kΩ und Kollektorwiderstände von 1 kΩ führen zu Schwingungen mit etwa 200 Hz. Mit dem Kollektor von Transistor 2 wurde das Gate des P-Kanal-MOSFET IRLML6402 verbunden. Der erste Test war erfolgreich: Die LED-Lichterkette liefert noch ordentlich Licht, verbraucht aber nur noch um die 30 mA und flackert auch nicht, jedenfalls nicht, wenn man den Blick darauf ruhen lässt.

Das Spielzeug-Oszilloskop DSO Nano brachte dann noch ans Licht, was elektrisch wirklich passiert. Knapp 200 Hz mit rund 25 Prozent Duty Cycle liegen an – soweit gut. Aber die Kurven haben merkwürdige Buckel beim Abschalten. Das sollte so nicht aussehen. Eine kurze Recherche führt zu dem Phänomen der Gate-Kapazität bei MOSFETs: Zwar schalten MOSFETs vermeintlich stromlos, aber das Gate funktioniert wie ein kleiner Kondensator. Diese Schwinger sind ein bekannter Effekt – an dieser Stelle wird unnötig Strom "verbrannt". Die Lösung besteht darin, die Kapazität sehr schnell umzuladen. Dazu brausch man einen MOSFET-Treiber.

Glücklicherweise schaltet der P-FET wenigstens mit Spitzentempo ein, sodass nur für die Abschaltung eine Korrektur her muss. Zwischen Gate des MOSFET und Kollektor von Transistor 2 braucht man dafür noch einen Transistor, der das Gate auf die Versorgungsspannung zieht. Damit das Gate aber weiterhin auch auf GND-Level oder tiefer kommen kann, führt eine Diode vom Gate zum Kollektor von Transistor 2. Somit kann das Einschalten nach wie vor direkt via Kippstufe erfolgen, während das Abschalten über den Treiber-Transistor erfolgt. Um die Abschaltung weiter zu beschleunigen, fehlt noch ein Widerstand von etwa 10 kΩ zwischen Gate und der V_CC-Leitung.

Glättung geglückt

Danach sieht das Signal wesentlich besser aus: Der MOSFET schaltet schnell und sauber an und wieder aus.

Die endgültige Schaltung könnte nun gegebenenfalls zwischen den Emittern der Transistoren der Kippstufe und GND mit einem Schalter versehen werden. Zudem kann man das Tastverhältnis anpassen, indem man den 10-kΩ-Widerstand R1 ganz links durch einen 500-kΩ-Poti ersetzt – das senkt dann zwar auch die Frequenz der Schaltung, führt aber auf einfache Weise zum gewünschten Ergebnis. Ein kleiner N-FET wie ein 2N7002 anstatt eines Bipolartransistors zum Treiben des Leistungs-P-FET verbessert die Effizienz auch noch ein wenig.

Mit dieser Schaltung läuft die LED-Lichterkette mit zwei NiMH-Akkus jetzt schlappe anderthalb bis zwei Tage – bei gleichbleibender Helligkeit. Die Akkus werden nicht bis zum absoluten Ende auf 0 V leergezogen. Dennoch sollte man sie nicht endlos in der Schaltung lassen, da einerseits durch die Speicherdrossel des Step-Up-Moduls eine Verbindung besteht, andererseits die Hysterese des Schaltreglers gelegentlich greift und die LEDs dann alle paar Minuten aufblitzen.

Eine weitere kleine Verbesserung brachte das Austauschen des 100-nF-Kondensators durch eine 10-nF-Version. Das erhöht die Frequenz auf knapp 2 kHz, wodurch selbst beim "streifenden Vorbeigucken" keine Perlenketten entstehen, die bei 200 Hz durchaus noch erscheinen können. Die erhöhten Schaltverluste sind vernachlässigbar.

Weitere Schritte

Diese Lösung ist nicht das Nonplusultra für PWM; man kann sie jedoch mit Wald- und Wiesen-Bausteinen aus der Grabbelkiste aufbauen. Die astabile Kippstufe trägt keine Last, da reichen also fast schon beliebige NPN-Transistoren. Einzig der P-FET sollte sehr gut zur Spannungslage und Last passen. Der IRLML6402 kann problemlos 3,7 A schalten und weist eine maximale V_GS(th) von –2,5 V auf, schaltet also bei –3,3 V am Gate sicher voll durch.

Ähnliche Kennzahlen weist auch der billige AO3401 auf, kann jedoch locker bis 4 A schalten. Damit kann man beispielsweise auch einen in der Leistung regelbaren Akkuträger für E-Zigaretten bauen. Erste Versuche direkt mit LiIon-Akku-Spannung und 1,5 A Last waren erfolgreich.

Ebenso kann man auch davor einen Boost-Baustein einsetzen und dessen Ausgang mit PWM versehen. Mit einem XR1151-Boost-IC konnte die Schaltung mehr als 2 A Last bedienen – dabei flossen über 10 Watt. Wenn man also ohne zusätzliche ICs mit einfachen Mitteln rasch eine Pulsweitenmodulation ergänzen möchte, ist dies mit dieser Schaltung problemlos machbar.

Zum Umgang mit LTspice siehe auch:

• Olaf Göllner, Würzige Schaltungssimulation mit LTspice, c't Hacks 2/2014, S. 92

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