NE555 Led Konstantstromquelle

Statt einen fertigen, integrierten Spannungsregler verwende ich in diesem Projekt einen NE555 Zeitgeberbaustein um eine getaktete geregelte Stromquelle aufzubauen.

Diese Schaltung ist entstanden um ein paar in Reihe geschaltete Leds mit dem notwendigen, konstanten Strom zu versorgen. Der Srom sollte in einem Bereich vin 0,5A bis 1A einstellbar sein, damit die Beleuchtungsstärke den Erfordernissen angepasst werden kann. Außerdem soll die Schaltung möglichst effizient sein, da diese etwa 12 Stunden am Tag eingeschaltet sein wird. Deswegen und aus thermischen Gründen scheidet ein Linear-Regler aus. Da ich keine passenden fertig ICs dafür hatte und ich langsam mal meine alten Bauteilbestände verkleinern möchte habe ich mit vorhandenen Bauteilen gearbeitet, in diesem Fall den guten alten NE555 Zeitgeber.

Die Schaltung ist nicht auf Leds beschränkt und kann prinzipiell als Konstantstromquelle eingesetzt werden.

Warnung

Weder der (+) noch der (-) Anschluss des Ausgangs dürfen direkt mit den entsprechenden Anschlüssen des Eingangs verbunden werden. Desweiteren hat die Schaltung eine minimale Ausgangsspannung von etwa 10% der Eingangsspannung. Unterhalb dieser Spannung kann der Strom nicht begrenzt werden.

Schaltung

Die Schaltung besteht aus den folgenden Teilen:

  • Linearregler zur internen Spannungsversorgung
  • Rechteckgenerator mit einstellbarem Tastverhältnis
  • Differenzverstärker zur Stromregelung
  • Stromsensor
  • Schaltstufe mit Mosfet, Freilaufdiode und Spule

welche in folgendem Schaltplan dargestellt sind.

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Schaltplan

Von den Betriebsparametern her ist die Schaltung auf eine Eingangsspannung von bis zu 30 Volt bei einem Ausgangsstrom von 1A ausgelegt. Prinzipiell wären auch höhere Ströme möglich, die Leistungsstufe muss dann entsprechend angepasst werden.

Funktionsweise

Am Eingang befindet sich zunächst eine Sicherung und eine Schottky-Diode zum Verpolungsschutz. Da ich eine hohe Eingangsspannung von etwa 30V verwende ist deren Spannungsabfall hier vertretbar. Diese Schutzdiode teilt sich das Gehäuse auch gleich mit der Freilaufdiode vom Abwärtswandler, das spart dann Platz auf der Platine.

Die Eingangsspannung wird dann mit einem Linearregler auf die Versorgungsspannung des NE555 geregelt. Diese Versorgungsspannung legt auch gleichzeitig die Gate-Steuerspannung des Mosfets fest. D.h. mann muss hier optimieren zwischen dem Spannungsabhängigen Ruhestromverbrauch durch den NE555 und die notwendige Steuerspannung für den Mosfet. Für den NE555 wären 5V optimal, dann muss jedoch ein Logik-Level Mosfet benutzt werden. Ich habe mich für 9V entschieden, dass ist bei ~1A Drainstrom und dem von mir verwendeten P16NF06 Mosfet in Ordnung und die Verlustleistung des NE555 hält sich in Grenzen. Zu beachten ist, dass am Linerarregler je nach Betriebsspannug durchaus 0,5W oder mehr Leistung abfallen kann, daher macht es Sinn einen mit TO-220 Gehäuse zu benutzen.

Die Leistungsstufe besteht aus dem oben erwähnten N-Mosfet Q3 sowie der Spule L1/L2 und der Diode D2. Außerdem wird mittels Widerstand R13 der Ausgangsstrom gemessen. Die Leistungsstufe ist als getakteter Abwärtswandler ausgeführt, allerdings befindet sich die Schaltstufe nicht wie meist auf der positiven Seite der Last sondern auf der negativen. Dadurch kann hier ein N-Kanal Mosfet, direkt ohne spezielle Treiberschaltung eingesetzt werden.

Die Leistungsstufe wird durch einen Rechteckgenerator mit variablem Tastverhältnis auf Basis des NE555 angesteuert. Der NE555 treibt direkt den Mosfet, was bei der Schaltfrequenz von ~30 kHz gut funktioniert. Durch die Schaltung von R1, D1 und R2 ist das minimale Tastverhältnis auf etwa 10% nach unten hin begrenzt. Die Schaltung hat also eine minimale Ausgangsspannung von 10% der Eingangsspannung.

Das Tastverhältnis des Rechteckgenerators wird durch den Differenzverstärker aus Q1, Q2 und R5 so geregelt, dass der Ausgangsstrom dem eingestellten Sollwert entspricht. Dazu wird der mittlerer Ausgangsstrom in eine Spannung umgewandelt und mit einer Steuerspannung aus R8, RV1 und R9 verglichen. Ist der Strom zu niedrig, dann ist die Steuerspannung an Q1 größer als der Messwert an Q2. Dadurch öffnet Q1 und vergrößert dadurch das Tastverhältnis des Rechteckgenerators.

Die Messung des Ausgangsstroms wird mittels eines Shunts R13 sowie dem Stromspiegel aus R10, R15, Q4, Q5 realisiert.