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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Stepdown ohne Spule?


Autor: Basti (Gast)
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Hi gibt es Stepdown-Regler ohne Spule? Also Eingang->IC->Elko??

Autor: Michael (Gast)
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Ja, müsste es eigentlich geben. Habe zumindest mal irgendwo 
step-up-Regler ohne Spule gesehen. Dann sollte es wohl auch step-down 
geben.

Am besten mal bei den üblichen Verdächtigen schauen, also TI, Maxim, 
National...

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Die einzige Möglichkeit geht über eine Ladungspumpe: Also meherer Cs in 
Reihe laden und dann parallel entladen.

Autor: Martin (Gast)
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Meinst du evtl. PWM ??

Autor: Michael (Gast)
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Also TI hat 62 "Inductorless DC/DC Regulators (Charge Pumps)". Schau Dir 
die mal an. Vielleicht ist da ja drunter, was Du brauchst.

Die meisten davon kann man übrigens bei Farnell kaufen. Ob wirklich 
alle, weiss ich nicht.

Autor: luxnix (Gast)
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PWM ohne Spule -> C

... das hat den gleichen Wirkungsgrad wie ein Linearregler.
Geht also nur (wie die Jungx schon sagten) über Ladungspumpe/Switched 
Capacitor.

Autor: Uhu Uhuhu (uhu)
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luxnix wrote:
> PWM ohne Spule -> C
>
> ... das hat den gleichen Wirkungsgrad wie ein Linearregler.

Das glaube ich nicht - lasse mich aber gerne überzeugen...

Da PWM entweder den Strom ein-, oder ausschaltet - Zwischenwerte kommen 
nicht vor. Es wird also keine Energie verbraten, wenn der PWM-Ausgang 
auf Null ist.

Nachteil der PWM ist aber, daß auf jeden Fall ein Regler notwendig ist, 
um die Ausgangsspannung einzustellen, während eine Ladungspumpe 
ungeregelt eine verlustfreie Spannungsteilung im Verhältnis 1/n zuläßt - 
wenn die Welligkeit kein Problem ist

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Uhu Uhuhu wrote:
> luxnix wrote:
>> PWM ohne Spule -> C
>>
>> ... das hat den gleichen Wirkungsgrad wie ein Linearregler.
>
> Das glaube ich nicht - lasse mich aber gerne überzeugen...
>
> Da PWM entweder den Strom ein-, oder ausschaltet - Zwischenwerte kommen
> nicht vor. Es wird also keine Energie verbraten, wenn der PWM-Ausgang
> auf Null ist.

Das Problem ist: Am Ausgangselko liegen z.B. 6V und am Eingang 12V. 
Schaltet man den Mosfet also ein, fließen bei einem RDSon von sagen wir 
mal 0,1Ohm also 60A. Demzufolge hast du also 360W Verlustleistung. Bei 
sagen wir mal 1A Ausgangsstrom müsste die PWM also ein Tastverhältnis 
von 1,7% haben (1A/60A). Das macht im Mittel eine Verlustleistung von 
6W.
Genau dieselbe wie bei einem Linearregler...

Autor: Basti (Gast)
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Ziel ist es, eine Schaltung, welche ca 10mA zieht, wenn sie aktiv ist 
(Attiny) an 12V zu betreiben, und ich will so wenig wie möglich Strom 
verbraten, also auch, wenn sie aktiv ist. Ein Linearregler fällt deshalb 
raus, weil er sich schon ca 10-15mA im Standby genehmigt. Das geht ja 
mal gar nicht....

Ja ich dachte auh an PWM aber das mösste man wirklich mal nachmessen, ob 
das so ein Problem ist mit dem Strom

Autor: Jörg Rehrmann (Firma: Rehrmann Elektronik) (j_r)
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@Basti:

> Hi gibt es Stepdown-Regler ohne Spule? Also Eingang->IC->Elko??

Ich nehme an, Du meinst nicht die Linearregler, die gibt es massenhaft.
Ohne Spule geht nur mit Ladungspumpe. Die ist aber immer ungeregelt und 
läßt nur ganzzahlige Teilungsverhältnisse zu. Für diskrete Schaltungen 
ist nur eine Halbierung praktikabel. Eine geregelte Ausgangsspannung ist 
nur mit einem nachgeschalteten oder kombinierten Linearregler mit 
entstprechend schlechtem Wirkungsgrad realisierbar. Bei geregelter 
Ausgangsspannung und höherer Leistung ist die Spule unverzichtbar.

Jörg

Autor: Stefan Ernst (sternst)
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> Ja ich dachte auh an PWM aber das mösste man wirklich mal nachmessen, ob
> das so ein Problem ist mit dem Strom

Man kann mit einer PWM ohne Spule keinen besseren Wirkungsgrad 
hinbekommen, als mit einem Linearregler. Wie Benedikt schon ausgeführt 
hat, hat man in der ON-Phase einen stark erhöhten Verlust, so dass man 
im Mittel bestenfalls den gleichen Verlust hat, wie beim Linearregler.

Man hat während der ON-Phase einen Energieüberschuss, den man möglichst 
verlustarm zwischenspeichern muss, damit er dann in der OFF-Phase wieder 
abgegeben werden kann. Das kann nur eine Spule leisten. Und 
PWM-Spule-Elko ist dann ja auch der klassische Schaltregler.

Autor: Uhu Uhuhu (uhu)
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@Benedikt K.

Danke, das überzeugt.

Autor: Jankey (Gast)
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Stepdown ohne spule geht nur wenn die Spule in den IC integriert wird = 
Wirkungsgrad zum kotzen. Oder Kapazitiv, falls da jemand was anderes 
findet bin ich sicher das da ein Nobelpreis rauspringt.

Autor: Basti (Gast)
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Okay danke ihr habt mich überzeugt. Habe mir gleich mal ein paar Spulen 
und Stepdown-regler bestellt :-)) Für Schnell mal ist ein Linearregler 
immer zur hand, aber wenn es dann mal um eine Batterie- applikation geht 
is mir das einfach zu viel verschwendete Energie. Freue mich jetzt auf 
meinen ersten Step-Down (MIT) spule.

Autor: Platy (Gast)
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Das kann so nicht stimmen. Ehrlich gesagt habe ich die Rechnung 
(noch)nicht parat, aber folgendes ist doch Fakt: Wenn ich zwei gleiche 
Kondensatoren habe, einer auf 12V geladen und einer 0V. Jetzt schalte 
ich beide parallel, stellt sich eine Spannung von (zugegebenermassen 
knappen, immerhin brizelt es) 6V ein. Daher lief das ganze doch relativ 
verlustfrei. Insofern müssen die Umladeverluste eine Abhängigkeit vom 
Kontaktwiderstand aufweisen. Ich bin überzeugt, es gibt eine.

Weiterhin spezifizieren Hersteller von Ladungspumpen (z.B. 
Spannungsverdopplern) ihre Bauteile mit einem Wirkungsgrad in der Gegend 
von 90%. Wie kommt's?

Autor: Jörg Rehrmann (Firma: Rehrmann Elektronik) (j_r)
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@Platy:
> Das kann so nicht stimmen. Ehrlich gesagt habe ich die Rechnung
> (noch)nicht parat, aber folgendes ist doch Fakt: Wenn ich zwei gleiche
> Kondensatoren habe, einer auf 12V geladen und einer 0V. Jetzt schalte
> ich beide parallel, stellt sich eine Spannung von (zugegebenermassen
> knappen, immerhin brizelt es) 6V ein. Daher lief das ganze doch relativ
> verlustfrei. Insofern müssen die Umladeverluste eine Abhängigkeit vom
> Kontaktwiderstand aufweisen. Ich bin überzeugt, es gibt eine.

Nein, interessanterweise ist in diesem Fall die Verlustrate immer genau 
50%, unabhängig vom Kontaktwiderstand.

> Weiterhin spezifizieren Hersteller von Ladungspumpen (z.B.
> Spannungsverdopplern) ihre Bauteile mit einem Wirkungsgrad in der Gegend
> von 90%. Wie kommt's?

Das Geheimnis besteht darin, dass sich die Ladespannungen der 
Kondensatoren beim Lade/Endladevorgang nur minimal ändern und dadurch 
auch nur geringe (Um)Ladungsverluste entstehen. Dein Beispiel beschreibt 
den Extremfall, dass ein voll geladener Kondensator mit einem völlig 
entladenen verbunden wird. Dieser Fall tritt bei der Ladungspumpe nicht 
auf (außer evtl. beim Einschalten).

Jörg

Autor: Platy (Gast)
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@Jörg

Das Klingt interessant. Dennoch frage ich mich, wie dennoch eine 
Wirkleistung mit geringen Verlusten durch die Schaltung kommt. Ich muss 
da nochmal drüber nachdenken. Der WoW-Server ist down, eine günstige 
Gelegenheit :-)

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Platy wrote:
> Das kann so nicht stimmen. Ehrlich gesagt habe ich die Rechnung
> (noch)nicht parat, aber folgendes ist doch Fakt: Wenn ich zwei gleiche
> Kondensatoren habe, einer auf 12V geladen und einer 0V. Jetzt schalte
> ich beide parallel, stellt sich eine Spannung von (zugegebenermassen
> knappen, immerhin brizelt es) 6V ein. Daher lief das ganze doch relativ
> verlustfrei. Insofern müssen die Umladeverluste eine Abhängigkeit vom
> Kontaktwiderstand aufweisen. Ich bin überzeugt, es gibt eine.

Lesestoff: http://www.hcrs.at/KOND.HTM

> Weiterhin spezifizieren Hersteller von Ladungspumpen (z.B.
> Spannungsverdopplern) ihre Bauteile mit einem Wirkungsgrad in der Gegend
> von 90%. Wie kommt's?

Steht in den AppNotes: Die Kondensatoren müssen hinreichend groß sein, 
und die Frequenz ausreichend hoch, so dass kaum eine Spannungsdifferenz 
entsteht. Dann ist der Verlust in der Tat nur der rein ohmsche 
Widerstand der Schalter mal dem Laststrom.

Autor: Kupfer Michi (Gast)
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Du magst den Innenwiderstand eines Kondensators zwar nicht sehen, er ist 
jedoch elektrisch gesehen auch ohne dies wirksam.

Wenn du z.B. 10V auf 5V ohne Spule nur mit einem C mit einem ESR von 
z.B. 50mOhm "transformieren" willst, so fliesen bei sonst idealen 
Schaltbauteilen beim auffuellen des Cs von z.B 5V -> 5.1V ein Strom von
   (10V-5.1V)/50mOhm = ~ 100A
Diese 100A verbraten an den 50mOhm ~ 500W ... keine gute Idee

Sind die Schaltbauteile nicht Ideal so wird dort die Spannungsdifferenz 
verbraten. So oder so hast du also Verlustverhältnisse wie bei einem 
Linearreglers.

(kann sich noch jemand an die "etwas" tumulthafte Diskussion zum 
gleichen Problem mit unserm guten Ratber erinnern? ;-)

Autor: Platy (Gast)
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Oh, Aua, da bin ich ja sogar mit meinem eigenen Beispiel reingefallen: 
Halbe Spannung ist halt nicht halbe Energie. Im Endeffekt denke ich nun 
über den Anhang nach.

Autor: Schwurbl aka Platy (Gast)
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Ok, die obige Spannungshalbierung setzt wohl voraus, dass die beiden 
Kondensatoren exakt gleiche Werte aufweisen, damit nicht schon ganz ohne 
Belastung ständig Energie vernichtet wird. In welcher Grössenordnung 
diese Verluste liegen, hängt von der Schaltfrequenz und der Kapazität 
ab, aber es kann dazu führen, dass die Schaltung keinerlei praktischen 
Nutzen besitzt.

Autor: Jörg Rehrmann (Firma: Rehrmann Elektronik) (j_r)
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@Schwurbl aka Platy:

> Ok, die obige Spannungshalbierung setzt wohl voraus, dass die beiden
> Kondensatoren exakt gleiche Werte aufweisen, damit nicht schon ganz ohne
> Belastung ständig Energie vernichtet wird.

Die Kapazitäten sind unkritisch und können auch völlig unterschiedlich 
sein. Wenn sie nur hinreichend groß und die ohmschen Verluste gering 
sind, ist der Wirkungsgrad sehr hoch.

> In welcher Grössenordnung
> diese Verluste liegen, hängt von der Schaltfrequenz und der Kapazität
> ab,

und natürlich vom Laststrom und den ohmschen Verlusten.

> aber es kann dazu führen, dass die Schaltung keinerlei praktischen
> Nutzen besitzt.

Man kann so ziemlich jede Schaltung so dimensionieren, dass sie keinen 
praktischen Nutzen hat.

Jörg

Autor: Unbekannter (Gast)
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> (kann sich noch jemand an die "etwas" tumulthafte Diskussion
>  zum gleichen Problem mit unserm guten Ratber erinnern? ;-

Oh ja...

Bitte nicht schon wieder...

Autor: Schwurbl aka Platy (Gast)
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@Jörg R.

> und natürlich vom Laststrom und den ohmschen Verlusten.

Jo, sofern eine Last dran hängt. Ich bezog mich auf den lastlosen 
Betrieb, der tatsächlich verlustfrei arbeitet. Na um so besser. Fehlt 
nur noch ein Testaufbau, sofern das Ganze überhaupt noch von Interesse 
ist.

Autor: Unbekannter (Gast)
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> Ich bezog mich auf den lastlosen
> Betrieb, der tatsächlich verlustfrei arbeitet.

Trugschluss:

   eta = P_aus / P_ein

für P_aus = 0 ergibt das:

   eta = 0 / P_ein = 0


Wirkungsgrad Null. Schlimmer geht nimmer.

Autor: Schwurbl aka Platy (Gast)
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Das ist es, was ich so an Entwicklern liebe.

Hatte ich was von Wirkungsgrad geschrieben? Ich schrieb "verlustfrei". 
Damit wollte ich ausdrücken, dass keine Wärme entsteht. Ich denke, man 
konnte mir folgen. Dein "eta" kannst Du Dir sonst wo hin kleben.

Autor: I_ H. (i_h)
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So kann das nicht gehen. Beispiel 12V auf 6V: Der Kondensator hat 6V.
Schaltet man nun 12V auf den Kondensator liegen an dem aber nach wie vor 
nur 6V an, also müssen 6V abfallen -> heiz. Man braucht einen 
unendlich hohen Strom, damit die Spannung sofort auf 12V hochgeht.
Die Kondensatorspannung bekommt eben nur über vollladen auf 12V hoch, 
mit dem entsprechenden Verlust beim Laden.

Aber das Umschalten von parallel auf reihe geht ja.

Autor: Platy (Gast)
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Naja, dass beim Umladen hohe Ströme entstehen, ist ja typisch für 
Ladungspumpen. Der Gag ist ja, dass sowohl Fusspunkt als auch der 
Pluspol umgeschaltet werden. Insofern stellt stellt sich doch ein 
eingeschwungener Zustand ein, in dem keine weiteren Umladevorgänge 
auftreten. Aber ich sehe schon: Was wir brauchen, ist eine Simulation.

Autor: I_ H. (i_h)
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Mein Senf war auf die Geschichte mit einem Elko bezogen. Bei 2 so wie in 
dem Bild oben müsste das wirklich verlustfrei ablaufen, dürfte aber 
schwer werden das mit Transistoren zu realisieren.

Autor: Platy (Gast)
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Ahso, ja ne is klar. Ein 74HC4053 dürfte ein wenig schwach auf der Brust 
sein. Eine pfiffige Anordnung von MOSFETs, evtl. mit Hilfsspannung per 
Bootstrap, könnte es schaffen. Allerdings hab ich auch Zweifel ob eine 
prinzipiell funktionierende aber praktisch mit einem Bauteilgrab 
verbundene Schaltung (dafür ohne Spulen lol) den OP zufrieden stellt.

Autor: Realist (Gast)
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Oh mann...

Auch diese lustige Schaltung funktioniert nicht wie gedacht. Sie erzeugt 
exakt die gleichen Verluste wie jede andere "geniale" Schaltung ohne 
Spule.

Die einen bauen immer wieder neue Perpetuum Mobile, die anderen bauen 
spulenlose Schaltregler.

Das Ergebnis ist immer das gleiche: Es funktioniert nicht.

Autor: Ich (Gast)
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Es gab mal (lange her) eine einfache Schaltung mit Widerstand statt 
Spule. Wenn es interessiert scanne ich sie mal.

Autor: jens (Gast)
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@Realist

was hällst du von dieser Schaltung?

http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/tps60502.pdf

Autor: Helmut (Gast)
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Das Teil von TI kann doch nur bis 6,5V am Eingang. Es sind 12V gefragt.

Es ist mir ein Rätsel warum es ohne Spule sein soll. Jede 
Charge-Pump-Schaltung erzeugt starke Stromspitzen in der 
Eingangsversorgung. Ein Wandler mit Spule plus kleiner Filterspule am 
Eingang ist da viel besser.

Autor: Eddy Current (chrisi)
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Bravo Helmut!

jens' Posting bezog sich aber auf die Aussage von Realist. Lies doch da 
bitte nochmal nach.

>Ein Wandler mit Spule plus kleiner Filterspule am Eingang ist da viel besser.
Das dürfte jedermann klar sein. Sonst würde der Betreff wohl kaum Sinn 
ergeben, nicht wahr?

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