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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Spannung anheben: Ladungspumpe vs. Aufwärtswandler


Autor: blablub (Gast)
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Hallo,

ich möchte eine 2,4V Spannung auf 5V anheben. Sollte ich das lieber über 
eine Ladungspumpe oder einen Aufwärtswandler realisieren?

Wo liegen die Vor- und Nachteile? Bin leider ein ziemlicher Noob, 
Erläuterungen wären nett. Besitze fast ausschliesslich wikipedia Wissen.

Autor: Ern0 (Gast)
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Das hängt von der gewünschten Belastbarkeit deiner Quelle ab.

Autor: blablub (Gast)
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Naja, ich dachte so an maximale Ströme von 1A.

Autor: Ern0 (Gast)
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Na dann nimm den Aufwärtswandler!

Autor: Ern0 (Gast)
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Ladungspumpen nimmt man für wenige mA, aber mit A biste da schon eher 
weit von entfernt. Ladungspumpen sind nicht so belastbar - es geht, 
klar, aber der Aufwärtswandler ist dafür besser geeignet.

Autor: blablub (Gast)
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Warum sind Ladungspumpen da weniger geeigne? Packen die Kondensatoren 
die hohen Ströme nicht, gehen die dann schnell kaputt?

Autor: Ern0 (Gast)
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Autor: Jörg Rehrmann (Firma: Rehrmann Elektronik) (j_r)
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Ern0 schrieb:
> Ladungspumpen nimmt man für wenige mA

Das ist ein weit verbreiteter Irrtum. In bestimmten Fällen kann man auch 
viele Amppere effektiv und sinnvoll mit Ladungspumpen umwandeln und die 
Speicherdrossel einsparen. Hier einige Beispiele, insbesondere zur 
Erzeugung der Rechteckspannung:
http://www.joretronik.de/Web_NT_Buch/Kap5/Kapitel5.html

Jörg

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Jörg Rehrmann (Firma: Rehrmann Elektronik) (j_r)

>> Ladungspumpen nimmt man für wenige mA

Meist ist diese Aussage richtige, Ausnahmen bestätigen die Regel ;-)

>Das ist ein weit verbreiteter Irrtum. In bestimmten Fällen kann man auch
>viele Amppere effektiv und sinnvoll mit Ladungspumpen umwandeln und die
>Speicherdrossel einsparen.

Hast du eine Drosselallergie?

> Hier einige Beispiele, insbesondere zur
>Erzeugung der Rechteckspannung:
>http://www.joretronik.de/Web_NT_Buch/Kap5/Kapitel5.html

Ich hab das Buch vor mir. Naja, mein Einfdruck ist gemischt. Es ist eine 
Art Kochbuch, das zumindest ansatzweise versucht, die Zusammenhänge und 
Hintergründe zu erklären, wenn gleich das nur teilweise gelingt. Es ist 
keine Grundlagenbuch und auch nix für Leute ohne (deutliche) 
Vorkenntnisse, je nach Kapitel.

Lange Rede, kurzer Sinn. Das Problem der Ladungspumpe sind die heftigen 
Strompulse, da ist ein DC-DC mit Spule deutlich harmloser.

MFG
Falk

Autor: Jörg Rehrmann (Firma: Rehrmann Elektronik) (j_r)
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Falk Brunner schrieb:
> @  Jörg Rehrmann (Firma: Rehrmann Elektronik) (j_r)
>
>>> Ladungspumpen nimmt man für wenige mA
>
> Meist ist diese Aussage richtige, Ausnahmen bestätigen die Regel ;-)

Dass das tatsächlich so ist, dürfte wohl an der o.a. Behauptung liegen

> Hast du eine Drosselallergie?

Im Gegenteil: Im Gegensatz zu Elkos kann ich die selber herstellen.
Manchmal sind sie aber einfach zu teuer

>> Hier einige Beispiele, insbesondere zur
>>Erzeugung der Rechteckspannung:
>>http://www.joretronik.de/Web_NT_Buch/Kap5/Kapitel5.html
>
> Ich hab das Buch vor mir. Naja, mein Einfdruck ist gemischt. Es ist eine
> Art Kochbuch, das zumindest ansatzweise versucht, die Zusammenhänge und
> Hintergründe zu erklären, wenn gleich das nur teilweise gelingt. Es ist
> keine Grundlagenbuch und auch nix für Leute ohne (deutliche)
> Vorkenntnisse, je nach Kapitel.

Du kannst gerne Verbesserungsvorschläge einreichen :-)

> Lange Rede, kurzer Sinn. Das Problem der Ladungspumpe sind die heftigen
> Strompulse, da ist ein DC-DC mit Spule deutlich harmloser.

Das kann ich so nicht bestätigen. Drosselwandler haben auf der 
"Drosselseite" natürlich keine steilen Stromanstiege, dafür aber auf der 
Schalterseite.
Ladungspumpen haben diese steilen Flanken auf beiden Seiten, aber nicht 
heftiger als der Drosselwandler auf der Schalterseite. Die Kondensatoren 
müssen nur so groß, bzw. die Frequenz so hoch sein, dass sie sich nicht 
nennenswert auf- oder entladen. Dann fließen nur "normale" 
Ausgleichsströme, die durch den Innenwiderstand der Elkos "begradigt" 
werden.

Jörg

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Jörg Rehrmann (Firma: Rehrmann Elektronik) (j_r)

>Du kannst gerne Verbesserungsvorschläge einreichen :-)

Ohhh, jetzt seh ich es erst. Der Autor himself. Tach auch ;-)

> Lange Rede, kurzer Sinn. Das Problem der Ladungspumpe sind die heftigen
> Strompulse, da ist ein DC-DC mit Spule deutlich harmloser.

>Das kann ich so nicht bestätigen. Drosselwandler haben auf der
>"Drosselseite" natürlich keine steilen Stromanstiege, dafür aber auf der
>Schalterseite.

Aha, 1:0 für die Drosseln.

>Ladungspumpen haben diese steilen Flanken auf beiden Seiten, aber nicht
>heftiger als der Drosselwandler auf der Schalterseite.

Jain. Da haben die Drosseln auch noch ein Wörtchen mitzureden, vor allem 
bei Flußwandlern.

> Die Kondensatoren
>müssen nur so groß, bzw. die Frequenz so hoch sein, dass sie sich nicht
>nennenswert auf- oder entladen.

> Dann fließen nur "normale" Ausgleichsströme,
> die durch den Innenwiderstand der Elkos "begradigt"
> werden.

Eben hier rollen sich mir die Nackenhaare auf, obwohl ich gestern erst 
beim Frisör war.
Ich behaupte einfach mal, dass das einer der Gründe ist, warum man 
Ladungspumpen oberhalb von 100mA in der Praxis SEHR selten sieht.

MfG
Falk

Autor: Fralla (Gast)
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Lol, das mit innenwiderstand un "begradigen" hätte ich gern genauer 
erklärt. Die Drossel ist eignetlich dafür da...

Autor: jfu (Gast)
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Der Aufwand, einen Spannungsverdoppler >10V Uin als Ladungspumpe zu 
bauen, der mal locker 100W durchschiebt, ist nicht besonders groß. Der 
Wirkungsgrad liegt dann meist deutlich >90%. Bei sagen wir >50V ist es 
auch garkein Problem auf 95% und mehr Wirkungsgrad zu kommen.

Um das mit einem Schaltnetzteil mit Spule hinzubekommen ist schon eine 
ganze Menge Aufwand nötig.


Die Dinger haben natürlich aber auch Nachteile, zB. die feste 
Ausgangsspannung und das geringe Übersetzungsverhältnis. Stromregelung 
oder sowas ist auch nicht möglich, sinkt die Ausgangsspannung zB. weil 
man die Frequenz herabsetzt, geht der Wirkungsgrad in den Keller.

Sehen tut man die Teile so selten weil die meisten Schaltnetzteile 
irgendwas mit 230VAC anfangen sollen, und da scheiden Ladungspumpen 
naturgemäß aus.

Autor: Jörg Rehrmann (Firma: Rehrmann Elektronik) (j_r)
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Falk Brunner schrieb:

>> Die Kondensatoren
>>müssen nur so groß, bzw. die Frequenz so hoch sein, dass sie sich nicht
>>nennenswert auf- oder entladen.
>
>> Dann fließen nur "normale" Ausgleichsströme,
>> die durch den Innenwiderstand der Elkos "begradigt"
>> werden.
>
> Eben hier rollen sich mir die Nackenhaare auf, obwohl ich gestern erst
> beim Frisör war.
> Ich behaupte einfach mal, dass das einer der Gründe ist, warum man
> Ladungspumpen oberhalb von 100mA in der Praxis SEHR selten sieht.

Dann rechne doch mal eine einfache Verdopplerschaltung nach:
Schaltfrequenz 50 kHz
Elkos 1000 µF
Ausgangsstrom 1 A
Der Rdson der MOSFETs sei 100 mOhm
Dazu kommen je 100 mOhm für Dioden und Elko (ESR)

Der Elko am Ausgang des Rechteckgenerators muß pro Zyklus die Ladung 
1A/50kHz=20µC auf den Ausgang übertragen. Dabei wird er jeweils um den 
Wert dU=20µC/1000µF=20mV auf- und entladen. Bei der Aufladung liegen 
neben diesem noch eine Diode und ein MOSFET in Serie. Zusammen mit dem 
Innenwiderstand der Spannungsquelle (auch 100mOhm) mußt Du also mit 
einem Serienwiderstand von insgesamt 0,4 Ohm rechnen. Daraus ergibt sich 
während der Ladezeit eine Stromänderung von dI=dU/Ri=50mA, was bei einem 
Eingangsstrom von 2A eher vernachlässigbar ist.
Bei einem einfachen Drosselwandler liegt der Wert der Stromänderung 
innerhalb eines Zyklus wesentlich höher. Bei einem minimal 
dimensionierten Spannungsverdoppler mit Drossel schwankt der Strom 
immerhin zwischen 0 und 4A auf Drossel- UND Schalterseite, d.h., der 
Drosselwandler produziert i.d.R. auf der Schalterseite wesentlich 
stärkere Stromspitzen als eine gut dimensionierte Ladungspumpe.
Ladungspumpen sind also keineswegs so schlecht, wie ihr Ruf vermuten 
läßt.

Jörg

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Jörg Rehrmann (Firma: Rehrmann Elektronik) (j_r)

>Dann rechne doch mal eine einfache Verdopplerschaltung nach:
>Schaltfrequenz 50 kHz
>Elkos 1000 µF
>Ausgangsstrom 1 A
>Der Rdson der MOSFETs sei 100 mOhm
>Dazu kommen je 100 mOhm für Dioden und Elko (ESR)

Und deine zwei Elkos a 1000F, die immerhin 2A Ripple aushalten müssen, 
sind soviel kleiner und billiger als eine Drossel? Und kann man diesen 
fiktiven Verdoppler für die Aufgabenstellung des OP nutzen (2,5Vx2 @1A) 
?

>Ladungspumpen sind also keineswegs so schlecht, wie ihr Ruf vermuten
>läßt.

Tja, dann müsste man deren Eigenschaften halt mal deutlich 
herausstellen. Das wäre ein Verbesserungsvorschlag für das Buch ;-) Ein 
paar Dimensionierungen mit Pro und Kontra beleuchten, incl. realer 
Messergebnisse.

MFG
Falk

Autor: BMK (Gast)
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Wenn ich mich recht erinnere, gilt für L und C folgendes:

1. Ich lege über einen Schalter eine Spannung an die Drossel
und der Strom steigt bei 0 beginnend stetig an.
Bei diesem Vorgang sehe ich soweit keine Verluste.

2. Ich lasse in einen Kondensator einen Strom fliessen und
die Spannung steigt bei 0 beginnend stetig an.
Soweit auch ok, wenn..... wir eine Stromquelle hätten!!!

Haben wir aber nicht!!! Was wird also gemacht? ==>

2a. Ich lege über einen Schalter eine Spannung an den
Kondensator und der Strom sinkt - vom Kurzschlussstrom
beginnend stetig ab.

Wieso denn das? Nehmen wir mal frech eine Spannungsquelle von
100V , einen Schalter (MOSFET) mit 5mOhm und einen Kondensator
mit ESR auch 5mOhm.

Im Einschaltmoment erhalten wir I = 100V / 10mOhm = 10.000A
macht eine Verlustleistung von 1MW......huch!!

Ist für mich nicht salonfähig im Leistungsbereich.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  BMK (Gast)

>Soweit auch ok, wenn..... wir eine Stromquelle hätten!!!
>Haben wir aber nicht!!!

Das ist der Knackpunkt!

>Im Einschaltmoment erhalten wir I = 100V / 10mOhm = 10.000A
>macht eine Verlustleistung von 1MW......huch!!

Ein weiterer Knackpunkt.

>Ist für mich nicht salonfähig im Leistungsbereich.

WENN die Ladungspumpe erstmal angelaufen ist, und WENN der Spannungshub 
beim Umladen gering bleibt, DANN hat sie einen relativ brauchbaren 
Wirkungsgrad, wenn man die Schaltströme (und deren schnelle Änderung) 
erstmal nicht berücksichtigt. Jaja, die Stromänderungen gibt es auch bei 
Drosselwandlern, aber dort kann man mehr machen.

MfG
Falk

Autor: jfu (Gast)
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2A ripple sollte so ziemlich jeder 1000uF Elko aushalten. Kapazitäten 
lassen sich einfach weit idealer fertigen als Induktivitäten.

Wir können den Test gern machen - 24V auf 48V, 50W, Wirkungsgrad bitte 
90 bis 95%. Ich behaupte ich schaffe das auf'm Steckbrett.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@jfu (Gast)

>2A ripple sollte so ziemlich jeder 1000uF Elko aushalten.

Hmm, kann ich nicht wirklich beurteilen.

> Kapazitäten lassen sich einfach weit idealer fertigen als Induktivitäten.

Superlative kann man nicht steigern ;-)

>Wir können den Test gern machen - 24V auf 48V, 50W, Wirkungsgrad bitte
>90 bis 95%. Ich behaupte ich schaffe das auf'm Steckbrett.

Dann mach mal. Ich bin gespannt. Aber miss bitte auch die Nebeneffekte, 
Stromspitzen am Eingang, Ausgang etc. Und dann lass das Ding mal 24h 
laufen. Bei 50°C Umgebungstemperatur.

Und vor allem will mir nicht in den Kopf, warum der Rest der Welt in der 
Leistungsklasse KEINE Ladungspumpen einsetzt? Sind die alle doof? Gerade 
im Geiz ist Geil Zeitalter werden doch alle Spartrricks ausgereizt.

MFG
Falk

Autor: Jens G. (jensig)
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daß es auch bis über 20A ohne Probleme geht (bis 10A auch gerne ohne 
KK), hatte ich auch schonmal in 
Beitrag "Re: Zeigt her Eure Kunstwerke !" dargestellt.
Bei sehr niederohmigem Aufbau gibt's schon z.T. recht beachtliche 
Stromspitzen, allerdings kann man die auch deutlich "wegstimmen", wenn 
mann mit der Frequenz relativ hochgeht (weniger Spannungsripple), und 
notfalls künstlich die Niederohmigkeit etwas wieder erhöht (natürlich im 
mOhm-Bereich nur). Bei 10A wurden die T's mir etwas zu warm, also hatte 
ich damals ein kleines Drahtstückchen in Reihe geschaltet zw. Endstufe 
und C-D-Netzwerk (nur 2cm Restanschlußdraht eines R's genommen). Über 
90% Wirkungsgrad waren aber trotzdem noch drin bei 10A. Bei 20A hatte 
ich 2V Abfall, wenn ich mich recht erinnere. Also immer noch deutlich in 
die 80% (für die Dauer hätten aber die Transis einen KK gebraucht, oder 
hätte mehr parallel schalten müssen (bei letzterem wäre der Wirkungsgrad 
wieder hochgegangen).
Den Schaltplan habe ich leider nicht mehr (war noch auf Papier), war 
aber ähnlich wie Jörgs Schaltungen aufgebaut - alles mit N-Kanal und 
diskreten Levelshiftern für die Highside-Mosis. Nicht mit Dioden, 
sondern ebenfalls mit geschalteten N-Kanal-Mosis (z.T. reverse).
Und der "Antrieb" war ein SG3525 (weil der auch eine Todzeit 
sicherstellen konnte, um keinerlei Querströme zu haben)

Autor: Jens G. (jensig)
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>Und vor allem will mir nicht in den Kopf, warum der Rest der Welt in der
>Leistungsklasse KEINE Ladungspumpen einsetzt? Sind die alle doof? Gerade
>im Geiz ist Geil Zeitalter werden doch alle Spartrricks ausgereizt.

Na nicht doch - die sind nicht doof. Nur will kaum jemand nur einfach 
mal eine Spannung verdoppeln oder negieren, sondern es sind ja meistens 
ganz andere Übersetzungsraten gefragt. Und regeln kann man da auch nicht 
viel - da geht der Bedarf an doch recht unflexiblen Ladungspumpen 
schonmal weit zurück.
Dort, wo man nur ganzzahlig umsetzen will, und keine Genauigkeit 
gefordert ist, sehe ich aber durchaus eine gewisse Daseinsberechtigung 
für Ladungspumpen höherer Leistungsklassen.

Autor: Andreas K. (derandi)
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Jens G. schrieb:
> Dort, wo man nur ganzzahlig umsetzen will, und keine Genauigkeit
> gefordert ist, sehe ich aber durchaus eine gewisse Daseinsberechtigung
> für Ladungspumpen höherer Leistungsklassen.

Das schränkt die Verwendbarkeit jetzt aber schon recht ein.
Mit einem Aufwärtswandler kann ich auch Schwankungen in der 
Eingangsspannungen gleich mit Ausregeln, sehr praktisch.

Autor: Jens G. (jensig)
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Tja, man muß eben wissen, was die Vor- und Nachteile sind. Für meinen 
Anwendungszweck damals überwogen deutlich die wenigen Vorteile, und 
würde es auch heute wieder bevorzugt auf diese Art lösen mit vielleicht 
besseren Teilen, schon allein wegen des Experimentierens (damals hatte 
ich für ein SNT keine geeigneten Kerne für 100-200W Dauer gefunden, 
Verluste waren relativ hoch, selbst im Leerlauf war der Ruhestrom nicht 
gerade niedrig (je nach Variante, die ich probiert hatte), usw.) - die 
Nachteile waren keine wirklichen Nachteile. Ich wollte einfach eine 
symmetrische Betriebsspannung +/-12V für'n Auto-Audioverstärker, die 
nicht 100%ig stabil sein musste - mehr nicht.
Und auserdem - ein SNT hat ja jeder - eine Ladungspumpe dieser 
Leistungsklasse dagegen hat nicht jeder ;-)

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