Die Spannungsverdoppelung von 6 auf 12 Volt (alt)

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Beim Aufbau des Gespanns haben wir aus Kostengründen darauf verzichtet, die Bordelektrik auf 12 Volt umzurüsten. Die entsprechenden Lichtmaschinen sind sehr teuer. Dennoch kann es in einigen Fällen nötig sein, mehr als 6 bis 7,2 Volt zu Verfügung zu haben. Das gilt beispiels­weise für manche elektronische Schaltungen.

Ein Beispiel: Es gibt zwar Drehzahlmesser für 6 Volt und Einzylinder–Zweitakter. Die Auswahl ist aber eingeschränkt, während Drehzahlmesser für 12 Volt und Vierzylinder–Viertakter gebraucht oft günstig (und schön!) zu haben sind. Die lassen sich auch für unsere Zweitakter verwenden. Ebenso kann das beim Einsatz von Tagfahrleuchten mit LED Sinn machen.

Zum Glück ist es nicht weiter schwierig, eine entsprechende Schaltung auf- und einzubauen. Wir beschreiben sogar zwei Varianten, eine einfache und eine gehobene, und zum Schluss zwei Fertiglösungen - von denen die zweite der „Testsieger” ist.

Abschnitte dieser Seite:

• Das Prinzip der Spannungsverdopplung
• Der Bausatz von Conrad
• Lastabhängigkeit
• Die Luxusversion
• Die Fertiglösung vom Kemo
• Step-up–Wandler mit LTC1871

Das Prinzip der Spannungsverdopplung

Wechselspannungen können problemlos mittels eines Trafos erhöht oder verringert werden. Bei Gleichspannungen geht das jedoch nicht. Also muss ein vergleichbarer Trick her, und der ist ein uralter Hut. Das Prinzip: Ein Multivibrator schaltet am Ausgang ständig zwischen Plus und Minus um. Dabei wird ein Kondensator 'mal vom einen Pol, 'mal vom anderen aufgeladen. Diese Ladungen summieren sich, weil schnelle Schottky–Dioden mit geringem Spannungsabfall den Abfluss in die falsche Richtung verhindern. Schwupps, steht am Ausgang (nicht ganz) die doppelte Spannung zur Verfügung.

Für diese Zwecke werden gerne Verstärker–ICs zweckentfremdet, weil die von Haus aus bei kleinem Preis fast alles mitbringen, was es braucht. Daher basieren auch die hier vorgestellten Schaltungen auf den Chips TDA2003 beziehungsweise TDA2004 (die aufwändigere Version).

Wer sich Arbeit sparen möchte, kann zu einem Bausatz greifen, den Conrad (noch) anbietet. Das Problem ist nämlich weniger, die Elektronik zu bauen, als die nötigen und passenden Bauteile zu beschaffen. Das wird in der Regel schwieriger und teurer als der Griff zur (nahezu) Fertigsuppe.

Die Conrad–Version ist für unsere Zwecke (genauer, den Betrieb eines Drehzahlmessers für 12 Volt) fast schon perfekt - da fehlt lediglich ein größerer Glättungskondensator am Eingang, um die schon bei der USB–Ladeschaltung erwähnten „Stimmungsschwankungen” der Bordelektrik aufzufangen.

Der Bausatz von Conrad

Der Spannungswandler (fremde Seite) 191060 ist 2016 um knapp 17,00 € zu haben. Das ist vergleichsweise günstig, weil es sonst schwierig werden kann, alle Bauteile passend zu bekommen. Und wer die Anfertigung einer eigenen Platine scheut, kann den größeren Eingangs–Kondensator auch außer­halb anbringen oder die im letzten Abschnitt beschriebene Lösung verwenden. Das vorgesehene Teil mit 0,47 µF am Eingang ist jedenfalls zu schwach.

Die Schaltung arbeitet mit dem nicht mehr ganz aktuellen IC TDA2003. Diese Ausführung kann maximal 500 mA Strom am Ausgang liefern, mit einem größeren Kühlkörper sogar 2 Ampère. Da die Rückseite des IC und damit der Kühlkörper Masse führen, können diese (zum Beispiel im Seitenwagen) direkt auf Blech geschraubt werden, was die Wärmeabfuhr deutlich verbessert.

Unten sind die Leiterbahnen für die geänderte Platine und die dazu passende Bestückung zu sehen (61 × 44,7mm). Das dritte Bild zeigt den ursprünglichen Schaltplan mit einem kleinen Kondensator am Eingang.

[ ± ]. Das Platinenlayout.

[ ± ]. Die Bestückung der Platine.

Lastabhängigkeit

Leider ist die Spannung sehr lastabhängig. Der Strom am Eingang ist prinzipiell erst einmal etwa doppelt so hoch wie der am Ausgang. Werden da also zum Beispiel 0,8 Ampère entnommen, liegen am Eingang schon 1,6 Ampère an. Das ist jedoch nur Theorie.

Es ist deswegen Theorie, weil die gewünschten Ausgangsspannungen eben nicht erreicht werden und in den meisten Fällen damit auch ein geringerer Strom einhergeht, was eben an der Lastabhängigkeit der Schaltung liegt. Das Diagramm im Bild erklärt das besser. Es geht von einer Leerlaufspannung von 6 Volt (rote, waagerechte Linien) und einer durchschnittlichen Spannung von 6,4 Volt aus (blaue Linien).

Auf geht's: ein Beispiel. Gewünscht ist am Ausgang ein Verbraucher, der bei 11 Volt 0,8 Ampère braucht. Theoretisch macht das am Eingang bei 6,4 Volt 1,375 Ampère. Da wird die Schaltung aber nur wenig mehr als die Eingangsspannung am Ausgang liefern, bestenfalls gut 9 Volt.

Messen wir nun einmal, was derselbe Verbraucher bei 6,4 Volt an Ampère braucht. Aha, das sind nur noch 130 mA. Damit würde die Schaltung am Ausgang gut 10 Volt liefern. Das wiederum erhöht den Stromverbrauch auf rund 700 mA, und damit beißt sich die Katze in den Schwanz.

Tatsächlich dürfte der obere Wert aber fast passen - aber nur, wenn die Eingangsspannung mindestens 6,4 Volt beträgt. Letztendlich sind hier praktische Versuche am zielführendsten.

Die Luxusversion

Da ohnehin schon ein Verstärker–Baustein benutzt wird, liegt es nahe, eine Stereo–Version mit doppelter Kraft zu verwenden.

Dessen Layout ist schon weit komplizierter und die Platine nur noch bedingt für den Eigenbau geeignet. Tipps für die Anfertigung von Vorlagen und zum Ätzen finden sich auf unserer Modellbahn–Website.

[ ± ]. Das Platinenlayout der gehobenen Version.

[ ± ]. Die Bestückung der nun weit größeren Platine.

Die Fertiglösung von Kemo

Kein Geschick für oder keine Lust auf Lötarbeiten? Kein Problem. Kemo bietet eine vergleichbare und - gut - gekapselte Lösung an, die 2016 um knapp 20,- € zu haben ist, zum Beispiel bei (Link: fremde Seite) Völkner.

Der vergossene Baustein ist 70 mm breit, 60 mm hoch und 23 mm tief. Dazu kommt in der Breite ein 8 mm hoher Steg zur Befestigung an Blech oder einem Kühlblech. Rechts und links sind 6 mm breite Laschen mit ebenfalls 4 mm–Löchern zur Befestigung.

Bei 7,2 Volt am Eingang und 1 Ampère Last am Ausgang sollen noch 11 Volt erreicht werden - das sind also so ziemlich die gleichen Werte wie bei dem Conrad–Bausatz. Bei 6,4 Volt Spannung werden es wohl eher 9 Volt sein. Bei mehr als 10 Volt Eingangsspannung kann der Ausgang des Step up–Wandlers mit einem Potentiometer (4,7 kΩ linear) begrenzt werden. Ansonsten können diese drei Anschlusskabel (30 mm lang) unbelegt bleiben, sollten aber gut isoliert werden.

Auch dieser Konverter muss gut gekühlt werden. Wenn kein passendes Blech am Rahmen verfügbar ist (die Lasche führt Masse), muss entweder ein Kühlkörper und / oder ein Lüfter verwendet werden.

Step-up–Wandler mit LTC1871

Am Besten ist allerdings dieser einbaufertige Typ - er schlägt die anderen deutlich und ist um rund 10,- € in der „Bucht” zu haben. Außerdem bietet er eine fast schon luxuriöse Ausstattung.

Die Platine ist 68 mm lang, 40,6 mm breit und 12,5 mm hoch. Sie kann mit vier 3 mm–Schrauben aufgeständert werden.

Mit einem Potentiometer kann nur die maximale Ausgangs­spannung nach oben eingestellt, nicht jedoch begrenzt werden. Das ist ein Nachteil und erfordert Vorsicht. Abhilfe können im Bedarfsfall am Eingang vorgeschal­tete Dioden bringen. Mit einem Drucktaster kann die Spannungsanzeige (3,5–stellig, 7 Segmente) von Ein– auf Ausgangsspannung um- oder ganz ausgeschaltet werden. Zwei LED zeigen den Modus an.

Auf YouTube^® findet sich ein ausführliches Testvideo. Die Erhöhung von 5 auf 12 Volt bei 2 A am Ausgang war dabei auch ohne zusätzliche Kühlung für längere Zeit gar kein Problem. Für extreme Situationen empfiehlt sich dennoch ein zusätzlicher Lüfter.

Das macht den Spannungswandler sogar geeignet, um damit bestimmte, E-geprüfte Scheinwerfer–Einsätze mit 12 Volt–LED und 5¾" Durchmesser zu betreiben. Der geeignetste Typ, „Jackson” von Highsider, ist mit rund 300,- € allerdings nicht gerade billig. Dafür wird am Ausgang jedoch nur gut 1 A gebraucht, und die kalt–weiße Lichtausbeute ist deutlich besser.