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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Joule Thief - Sperrwandler - Verständnisfrage


Autor: Johannes Spanier (johannes-sp)
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Hallo liebes Forum,

diese Wochenende habe ich mir also auch mal einen "Joule Thief" 
gebastelt.

Anleitung siehe auch http://www.emanator.demon.co.uk/bigclive/joule.htm 
oder
http://www.evilmadscientist.com/article.php/joulethief
oder Erklärung zum Sperrwandler unter 
http://www.trifolium.de/netzteil/kap7.html

In groben Zügen habe ich auch verstanden wie das ganze funktioniert.

Aaaaaber...

Warum klappt das bei mit mit einem BC337-40 und NICHT mit einem BC547B?
Auch ein 2N3904 den ich zufällig hatte, wie bei "evilmadscientist" tat 
es bei mit nicht.

Eine krude Frequenzmessung mit dem DMM ergab ca. 680 kHz. Alle genannten 
Transistoren sollen das doch eigentlich schaffen, oder? Woran liegt es 
also dann?

Gruß
Johannes

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Johannes Spanier (johannes-sp)

>Warum klappt das bei mit mit einem BC337-40 und NICHT mit einem BC547B?
>Auch ein 2N3904 den ich zufällig hatte, wie bei "evilmadscientist" tat
>es bei mit nicht.

Keine Ahnung, sollte alle funktionieren.

>Eine krude Frequenzmessung mit dem DMM ergab ca. 680 kHz.

Das ist recht viel, möglicherweise aber auch ein Messfehler.

> Alle genannten
>Transistoren sollen das doch eigentlich schaffen, oder? Woran liegt es
>also dann?

Wahrscheinlich ist dein Ringkern "schuld", der hat zuwenig 
Permeabilität, damit hat dein Trafo zu wenig Induktivität und einen zu 
hohen Sättigungsstrom. Damit klappt das Ganze dann nicht.

MFG
Falk

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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wie verhält sich die schaltung denn wenn es "nicht klappt"? geht der 
transistor dabei in einen dauerhaft geöffneten zustand? wenn ja ist 
evtl. der basiswiderstand zu klein.

Autor: Johannes Spanier (johannes-sp)
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Ben _ schrieb
> wie verhält sich die schaltung denn wenn es "nicht klappt"?

Also wenn ich einen Transistor nehme mit dem es nicht klappt (bei mir 
mit diesem Aufbau z.B. ein BC547B), dann bleibt dieser im gesperrten 
Zustand. (soweit ich dies ohne Oszi sagen kann). Ich messe mit dem DMM 
auf der CE-Strecke U_batt.

Den Hinweis von Falk möchte ich auch gerne nochmal aufgreifen. Ich habe 
einen Ringkern verwendet, der vermutlich von einer Entstördrossel kommt. 
Dieser müsste doch eigentlich eine hohe Permeabilität haben, um auch bei 
wenigen Windungen eine hohe Induktivität und damit gute Entstörung zu 
gewährleisten. Nachgemessen habe ich µ_r aber leider noch nicht. Das 
werde ich noch nachholen. Eine hohe Permeabilität wiederum müsste dann 
doch auch eine hohe magnetische Kopplung bedeuten, oder?

@Falk: Kannst du mir noch erklären warum ich in den Sättigungsstrom 
gehen muss damit die Schaltung funktioniert?

Ich habe auch nirgends Formeln zum Sperrwandler bzw. Joule Thief 
gefunden. Für ein besseres Verständnis wäre es für mich Interessant z.B. 
die maximale Ausgangsspannung und -Strom in Abhängigkeit der magnetische 
Kopplung zu berechnen. Kann mir da jemand einen Hinweis geben?

Danke und Gruß
Johannes

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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entstördrossel könnte wirklich ein ungeeigneter kern sein. sperrwandler 
benötigen einen kern für speicherdrosseln bzw. kerne mit luftspalt. 
ringerkerne für sowas findest du z.b. auf der sekundärseite von alten 
pc-schaltnetzteilen direkt an den ausgangskondensatoren.

EDIT:
miss doch bitte mal bei einem transistor mit dem es nicht funktioniert 
die basisspannung (Ube).

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Johannes Spanier (johannes-sp)

>einen Ringkern verwendet, der vermutlich von einer Entstördrossel kommt.
>Dieser müsste doch eigentlich eine hohe Permeabilität haben,

Kann man so allgemein nicht sagen. Siehe

http://www.mikrocontroller.net/articles/Transforma...

>werde ich noch nachholen. Eine hohe Permeabilität wiederum müsste dann
>doch auch eine hohe magnetische Kopplung bedeuten, oder?

Ja.

>@Falk: Kannst du mir noch erklären warum ich in den Sättigungsstrom
>gehen muss damit die Schaltung funktioniert?

Wenn der Trafo (oder der Transistor) sättig, dann wird keine Spannung 
mehr in die Steuerspule induziert und der Transistor sperrt.
Das ist nötig, damit er automatisch schwingt.

>Ich habe auch nirgends Formeln zum Sperrwandler bzw. Joule Thief
>gefunden.

Man kann schon grob das Ding als Sperrwandler rechnen, aber das ist 
nicht ganz so einfach.

> Für ein besseres Verständnis wäre es für mich Interessant z.B.
>die maximale Ausgangsspannung und -Strom in Abhängigkeit der magnetische
>Kopplung zu berechnen.

Ist nicht sonderlich relevant. Die Ausgangsspannung kann theoretisch 
sehr hoch werden, 20V und mehr sind drin.
Die Maximalleistung kann man abschätzen.

http://www.mikrocontroller.net/articles/Transforma...

MfG
Falk

Autor: Johannes Spanier (johannes-sp)
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Danke vielmals für eure Antworten. Das ist sehr hilfreich.

@Ben: Mit dem DMM bekomme ich verwirrende Werte. Das ist ganz 
offensichtlich nicht das richtige Werkzeug. Ein Oszi habe ich leider 
nicht. Hier trotzdem die Messwerte:

mit BC337-40 (klappt und treibt jetzt 9 LEDs!):
Spannung der Batterie: 1,4 VDC
CE-Spannung mit DMM:  1,35 VDC (was Quatsch sein muss, denn ich treibe 
ja erfolgreich 9 LEDs in Serie, Messung mit AC bringt 0 VAC, auch Käse). 
Die Spannungsspitzen sind vermutlich einfach zu kurz. Ich wünschte ich 
hätte ein Oszi! Evtl. sollte ich mal einen spannungsfesten Kondensator 
über den Ausgang legen.
BE-Spannung ist 0,25 VDC! (jetzt wird’s auch irgendwie Blödsinn ohne 
Oszi weiterzumessen..., AC Messung wieder OV)

mit BC547B (klappt nicht):
Gleiche Spannungen, aber BE Spannung ist 0,8 V. Eine schrittweise 
Erhöhung des Basiswiderstandes wie von dir Vorgeschlagen bis auf 3 MOhm 
hat leider auch an der Funktion nichts geändert.

@Falk: Das mit dem Sättigungsstrom der Spule ist mir jetzt klar 
geworden. Danke auch für Hinweis zu dem Trafo-Eintrag. Das hat mich 
weitergebracht. Übrigens ein empfehlenswerter Artikel!
> Wenn der Trafo (oder der Transistor) sättigt
                           ^^^^^^^^^^  in welchem Sinne sättigt? Im 
Sinne der Verstärkung? Also der Zustand in dem eine Erhöhung des 
Basisstroms keine Erhöhung des Kollektor-Stromes mehr bewirkt. Da der 
Strom durch die Speicherspule sich in diesem Zustand nicht mehr ändert 
wird also auch kein Strom mehr in die Steuerspule induziert und der 
Transistor sperrt. Hab ich das so richtig verstanden?

Das könnte natürlich eine Erklärung dafür sein, dass es mit einem BC547B 
nicht klappt. Die Stromverstärkung ist höher und der Transistor gerät 
evtl. zu früh in die Sättigung. Die Speicherspule ist noch gar nicht 
ganz "geladen". Wenn jetzt der Transistor sperrt reicht die 
Spannungsspitze einfach nicht aus um die LEDs zu treiben. Dann sollte 
aber ein hoher Vorwiderstand die Sache aber ermöglichen, da der 
Transistor dann nicht in die Sättigung gerät. Ich bin immer noch ratlos.

Ich habe mir gestern übrigens noch wie vorgeschlagen einen Ringkern aus 
der Sekundärseite eines PC-Netzteils besorgt und noch mal einen neuen 
"Trafo" gewickelt. Leider klappt es immer noch ausschließlich mit einem 
BC337-40. Immerhin war der Kern größer und ich habe daher mehr als 
doppelt so viele Windungen draufbekommen -> 4-fache höhere Induktivität 
-> mehr Ausgangsleistung. Ich werde aber wohl doch mal einen Ringkern 
speziell für Speicherspulen bestellen müssen.

Wenn ich das jetzt richtig verstanden habe, dann sollte das Kernmaterial 
einen niedrigen Sättigungsstrom (damit es schön schwingt) und eine hohe 
Permeabilität (für die Energiespeicherung bzw. Ausgangsleistung) haben. 
Dazu noch dünner Kupferlackdraht für viele Windungen (E ~ L ~ N^2).

Ich kapier' aber immer noch nicht warum es mit dem einen Typ prima 
klappt und mit dem anderen nicht! Was sind hier die relevanten 
Unterschiede zwischen den beiden? Am Unterschied im maximalen Strom oder 
der Grenzfrequenz kann es doch eigentlich nicht liegen, oder?

Besten Dank und ich kauf mir ein Oszi.

Gruß
Johannes

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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interessant, bei 0,8V Ube müßte der transistor locker leiten und es 
fließt ja auch strom sonst würde da ebenfalls die batteriespannung 
anliegen. also ist entweder der transistor defekt oder das ganze 
schwingt so hoch oder tief, daß es nicht für sichtbares licht der LEDs 
ausreicht.

die messungen mit dem DMM kannst du bei über 600kHz oder wo das teil 
schwingt natürlich vergessen.

wenn du sowas dauerhaft betreiben willst denke an eine halbwegs gute 
entstörung der versorgungsleitung und kurze leitungen zu den LEDs, das 
ding wird sonst schnell zum störsender.

habe vor langer zeit mal eine ähnliche schaltung mit einer drossel aus 
einem netzfilter gebaut um zu schauen was passiert. hat auch so gut wie 
keine leistung gebracht, aber schwang laut oszi auf knapp über 3MHz.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@Johannes Spanier (johannes-sp)

>> Wenn der Trafo (oder der Transistor) sättigt
>                           ^^^^^^^^^^  in welchem Sinne sättigt? Im
>Sinne der Verstärkung? Also der Zustand in dem eine Erhöhung des
>Basisstroms keine Erhöhung des Kollektor-Stromes mehr bewirkt.

Ja.

> Da der
>Strom durch die Speicherspule sich in diesem Zustand nicht mehr ändert
>wird also auch kein Strom mehr in die Steuerspule induziert

Strom wird nicht induziert, sondern Spannung.

>und der
>Transistor sperrt. Hab ich das so richtig verstanden?

>Das könnte natürlich eine Erklärung dafür sein, dass es mit einem BC547B
>nicht klappt. Die Stromverstärkung ist höher und der Transistor gerät
>evtl. zu früh in die Sättigung.

nein, das glaub ich nicht.

> Die Speicherspule ist noch gar nicht
>ganz "geladen". Wenn jetzt der Transistor sperrt reicht die
>Spannungsspitze einfach nicht aus um die LEDs zu treiben.

unwahrscheinlich, wein klein wenig leuchten sollten sie trotzdem.

> Dann sollte
>aber ein hoher Vorwiderstand die Sache aber ermöglichen,

Nein. Irgendwas zwischen 1k-10k sollte laufen.

>Ich habe mir gestern übrigens noch wie vorgeschlagen einen Ringkern aus
>der Sekundärseite eines PC-Netzteils besorgt

Besord dir doch lieber eine größere Ferritperle, das ist der 
"Originaltrafo" von Joule Thief.

>doppelt so viele Windungen draufbekommen -> 4-fache höhere Induktivität
>-> mehr Ausgangsleistung.

;-)
ein häufiger Irrtum. Beim Sperrwandler heißt es WENIGER INduktivität -> 
mehr Leistung.
Siehe der letzte Link im meinem letzten Posting.


> Ich werde aber wohl doch mal einen Ringkern
>speziell für Speicherspulen bestellen müssen.

Nö, eine etwas größere Ferritperle.

>Wenn ich das jetzt richtig verstanden habe, dann sollte das Kernmaterial
>einen niedrigen Sättigungsstrom (damit es schön schwingt) und eine hohe
>Permeabilität (für die Energiespeicherung bzw. Ausgangsleistung)

Mehr oder weniger ja.

> haben. Dazu noch dünner Kupferlackdraht für viele Windungen (E ~ L ~ N^2).

Jain. Ich hab das Ding vor einiger Zeit mal mit 20 Windungen auf einer 
größeren Ferrithülse gebaut. Lief gut.

>Ich kapier' aber immer noch nicht warum es mit dem einen Typ prima
>klappt und mit dem anderen nicht!

Vielleicht ist der andere auch kaputt. Ein Oszi ist hier viel Wert.

> Was sind hier die relevanten
>Unterschiede zwischen den beiden? Am Unterschied im maximalen Strom oder
>der Grenzfrequenz kann es doch eigentlich nicht liegen, oder?

Nein.

>Besten Dank und ich kauf mir ein Oszi.

Auch gut ;-)

MFg
Falk

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