LCD-Bias-Spannungswandler


Wenn man mit LCD-Anzeigen experimentieren will, wird man bei den meisten Modellen mit dem Problem konfrontiert:

Woher die negative Bias-Spannung nehmen, wenn nur +5V zur Verfügung stehen?

Dieses Projekt soll die Antwort liefern.

Projekt

Project

Intention


Es ist klar, der Wandler soll einfach und günstig sein. Er soll aber auch den zweckmäßigen Anforderungen gerecht werden. Ich habe nachgelesen/nachgemessen und folgendes herausgefunden:

  1. der Stromverbrauch liegt unter 10 mA (ca. 5mA bei 25°)
  2. die Spannung geht bis maximal 14V (ca. 12,5V bei 25°)
  3. die Spannung liegt nicht gegen Masse, sondern gegen +5V an
  4. die Spannung darf nicht anliegen, wenn die Logik nicht mit +5V versorgt wird

Entsprechend soll die Schaltung für den kleinen Strom richtig dimensioniert sein. Der Wandler muss nur ca. -8,5 V (gegen Masse gemessen) erzeugen. Die Stabilisierung soll gegen +5V arbeiten und eine Schutzschaltung ist notwendig. Der Ausgangs-Kondensator darf sonst nicht zu groß sein. Er wird die Bias-Spannung nachhaltig auch ohne Versorgungsspannung liefern, bis er entladen ist.

Die Implementierung


Der Ausgangspunkt ist der bekannte Schaltnetzteil-Schaltkreis MC34063 im Spannungsinverterbetrieb. Hier die Referenzanwendung:

Referenzinverter

Referenzinverter

Die Inverterschaltung bedient sich mit einem Trick. Da der Fehlerkomparator nur den negativen Eingang ausgeführt hat, schließt man die Masse des IC an das negative Ausgangspotential an. Damit sind für den IC alle Spannungen positiv und der Komparator kann mit dem negativen Eingang richtig arbeiten. Es bedeutet aber auch, dass mit der erzeugten negativen Spannung der IC mitversorgt werden muss (ca. 2 mA).  

Um den gestellten Anforderungen näher zu kommen, wird die Schaltung folgendermassen  modifiziert: 

Modifikation

Modifikation

Der Spannungsteiler für die Rückkopplung ist jetzt gegen +5V aufgespannt und hat einen Poti zum Nachstellen. Das heißt, die Bias-Spannung ist von den Schwankungen der Versorgungsspannung völlig unabhängig. Ein Kondensator zum Entstören des ICs ist auch dazu gekommen.






Und hier die richtig dimensionierten Werte:

  • Vin = 5 V
  • Vout = -9 V (max)
  • Iout = 5 mA (+ 2,5 mA für den IC)
  • Fmin = 42 kHz

Das ergibt:

  • L1 = 1 mH (60 mA)
  • D1 = 1N4148 oder sogar BAT42
  • R1 = 2,7 kΩ
  • R2 = 15 kΩ
  • R4 = 10 kΩ (Poti)
  • R3 = 5.6 Ω (Strombegrenzung)
  • C1 = 22 µF (Eingang)
  • C2 = 100 nF (Entstörung)
  • C3 = 680 pF (Oszillator)
  • C4 = 47 µF (Ausgang)

Jetzt noch die Schutzschaltung. Diese könnte so aussehen:

Schutzschaltung

Schutzschaltung

Die Konstantstromquelle CCS erzeugt eine konstante 4.7V Referenzspannung über den Widerstand RREF. Der OP-Verstärker arbeitet als Komparator. Er schaltet durch, sobald die Versorgungsspannung (+5V) unter 4.7V fällt. Damit schaltet er die Bias-Spannung ab. Der OP muss natürlich mit seinem Ausgangsstrom den LCD versorgen können. Man sollte auch beachten, dass diese Schaltung nicht kurzschlussfest ist!




Zufällig hat der MC34063 einen größeren Bruder, der einen OP und die Schaltdiode beinhaltet. Es ist der µA78S40 – der perfekte IC für unsere Zwecke. Hier der endgültige Schaltplan mit der Schutzschaltung, auf der Basis von µA78S40:

Die Lösung

Die Lösung

Dieser IC führt zwar beide Eingänge des Fehlerkomparators aus, wegen dem OP-Verstärker wird trotzdem die Masse des IC auf dem negativen Potenzial belassen. Hinter dem OP-Ausgang wurde noch ein LC-Glättungsglied beschaltet, um die Ausgangsspannung ein bisschen “zu beruhigen”. 10µH and 1µF reichen völlig aus. Der Kondensator sollte sowieso nicht zu groß sein, damit der OP den Stress beim Abschalten gut verkraften kann.


Und die fertige Platine als Beispiel:

Die Platine

Die Platine





Viel Spaß mit dem Inverter!

Gregor

2 Kommentare zu “LCD-Bias-Spannungswandler”

  1. Gregoram 9. Juli 2009 um 22:24 Link zum Kommentar

    Wenn der Eingangskondensator CIN auf 10µF (Tantal) reduziert wird, ist die Schaltung auch bestens für “USB-Bus-Powered” geeignet!

  2. Uweam 18. März 2010 um 21:43 Link zum Kommentar

    Gregor Du bist einfach gut

Einen Kommentar schreiben