Joule Thief Berechnung: Ferrit-Parameter und Windungen

Entwurf und Aufbau eines Joule-Thief-Sperrschwingers für Niederspannungsversorgung

Der Joule-Thief-Sperrschwinger wandelt die niedrige Spannung einer entladenen Batterie (0,3–0,6 V) in Impulse um, um eine LED zu betreiben. Der Arbeitszyklus besteht aus fünf Phasen: Der Transistor öffnet über den Basiswiderstand Rb, ein linearer Stromanstieg in der Kollektorwicklung W1 mit im Ferritkern gespeicherter Energie, Kernsättigung, das abrupte Schließen des Transistors Q1 und die Erzeugung eines Hochspannungsimpulses in der Ausgangswicklung W3 zur Beleuchtung der LED.

Die Zyklusfrequenz beträgt etwa 20 kHz und sorgt für kontinuierliches sichtbares Licht. Die Schaltung minimiert den Stromverbrauch und eignet sich für Navigationsbeleuchtung mit einem LED-Strom von 5–20 mA.

Schaltung und Komponenten

Klassische Topologie: Transistor Q1 (BC547C oder KT3102), Widerstand Rb, ein Dreiwicklungs-Transformator auf einem Ferritring (10×6×4 mm oder 14×9×5 mm).

Vorteile:

• Minimale Anzahl an Bauteilen
• Zuverlässiger Start bei 0,6 V
• Einstellbare Ausgangsspannung
• Kein hörbares Brummen bei f > 17 kHz

Experimentelle Bestimmung der Ferritparameter

Reale Ferriteigenschaften weichen von Datenblattwerten ab. Zur Berechnung wickeln Sie eine bifilare Testspule (15 Windungen mit Mittelanzapfung).

Querschnittsfläche Se = (D - d) × h / 2. Für einen 10×6×4 mm Ring: Se = (0,01 - 0,006) × 0,004 / 2 = 8×10^{-6} m².

Die Sättigung wird mit einem Prüfstand mit symmetrischem Multivibrator bestimmt. Auf dem Shunt-Strom-Oszillogramm achten Sie auf die Kurvenbiegung – ein steiler Anstieg der Steigung, wenn die Induktivität abfällt.

Sättigungsinduktion Bsat = (U × T) / (2 × w × Se).

Beispiel:

• U = 1,28 V
• T = 39,8 µs
• w = 15
• Se = 8×10^{-6} m²

Bsat = (1,28 × 3,98×10^{-5}) / (2 × 15 × 8×10^{-6}) ≈ 0,106 T.

Berechnung des Basiswiderstands Rb

Ausgangsdaten:

• Uin = 1,5 V
• U_LED = 3,15 V (mit 5% Abfall)
• I_LED = 10 mA
• Wirkungsgrad η = 70%

Pout = 3,15 × 0,01 = 0,0315 W

Pin = 0,0315 / 0,7 ≈ 0,045 W

Iavg = 0,045 / 1,5 = 0,03 A

Icpk = 2 × 0,03 = 0,06 A

Ib = (Icpk / h21e) × s, wobei h21e = 584 (gemessen mit einem RLC-Messgerät), s = 2.

Ib ≈ (0,06 / 584) × 2 ≈ 0,205 mA

Rb = (1,5 - 0,7) / 0,000205 ≈ 3,9 kΩ.

Frequenzabhängigkeit von Rb:

| Rb | f |

|-------|-------|

| 1 kΩ | 16 kHz|

| 3 kΩ | 20 kHz|

| 6 kΩ | 24 kHz|

Optimal sind 18–25 kHz, um hörbares Brummen zu vermeiden.

Auswahl von Frequenz und Einschaltzeit

Ziel f = 22 kHz. Tastverhältnis D = 40% aus dem Kollektor-Oszillogramm.

ton = D / f = 0,4 / 22000 ≈ 18 µs.

Berechnung der Transformatorwindungen

N1 = (Uin × ton) / (Bsat × Se) = (1,5 × 1,8×10^{-5}) / (0,106 × 8×10^{-6}) ≈ 32 Windungen.

Basiswicklung N2 = 1,2–1,5 × N1 für einfachen Start bei niedrigem Uin. Gewählt 1,5: N2 = 48 Windungen.

N2/N1-Verhältnisse:

• 0,5: schlechter Start
• 1,0: normal
• 1,2: gut
• 1,5: sehr einfach
• 2,0: Basisüberlastung

Bifilar mit Drähten wickeln. Ausgang N3 = N1 × (Vout / Vpulse), wobei Vpulse aus dem Kollektor-Oszillogramm stammt.

Aufbau und Test

Nach dem Wickeln testen Sie den Start bei 0,6 V, die Frequenz und den LED-Strom. Passen Sie die Windungen um 10–20% für Ferritvariationen an. Der fertige Wandler betreibt eine LED aus AA/AAA-Batterien bis zur vollständigen Entladung.

Wichtige Punkte

• Bestimmen Sie Bsat experimentell: Ferrit-Datenblattwerte sind unzuverlässig.
• Wählen Sie Rb für f 18–25 kHz, um Geräusche und Verluste zu vermeiden.
• N2/N1-Verhältnis = 1,5 gewährleistet Start bei 0,4–0,6 V.
• Testen Sie auf einem echten Prüfstand mit Oszilloskop für Genauigkeit.
• 70% Wirkungsgrad werden bei I_LED 5–20 mA mit richtiger Transistorauswahl erreicht.

— Editorial Team