Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Spannungsvervielfacher-Schaltung mit CMOS-Umschaltern


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von Bernd B. (bernd_b)


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Hallo,

als Schaltungsidee um beispielsweise Altbatterien restlos "auszusaugen" 
war ich auf darauf gekommen, es mal mit einer 
Spannungsvervielfacherschaltung zu versuchen, die mit CMOS-Umschaltern 
arbeitet.

Der Gedanke war, ganz bodenständig (also ladungspumpenmäßig) 
Kondensatoren aufzuladen und die dann mittels Umschaltern so miteinander 
zu verschalten, dass ein nachfolgender Kondensator auf die doppelte 
Spannung geladen wird, so dass immer eine Verdoppelung der 
Ausgangsspannung des vorhergehenden Kaskadensegmentes stattfindet.

Nun ergibt sich aber ein Problem wegen der Stromstärken, die dabei 
wahrscheinlich auftreten.

Denn wegen der sukzessiven Spannungsverdopplung dürfte man einerseits 
sehr schnell im einstelligen Voltbereich landen. Da nun die 
CMOS-Schalter, die ich gefunden habe, Widerstandswerte im einstelligen 
Ohm-Bereich aufweisen (bspw Maxim DG419 hat wohl 3 Ohm wenn ich richtig 
gesehen habe), dabei aber keine sonderlich hohen Ströme vertragen, würde 
das wohl andererseits mit dem Auf- und Umladen der Kondensatoren nicht 
sonderlich gut gehen :(

Auch auf die Idee, Transmission-Gates diskret aufzubauen, war ich schon 
gekommen, aber MOSFETs mit separat herausgeführtem Substratanschluss wie 
der BSS83 scheinen auch keine höheren Ströme zu vertragen :( :( :(


Wisst ihr, ob es nicht sowas wie "CMOS-Leistungs(um)schalter" gibt? Oder 
MOSFETs mit separatem Substratanschluss, die vielleicht.... sagen wir 
500mA plus X aushalten?


mmmmmmmmmm

von Helge A. (besupreme)


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Nix, um 0,5A aus einer leeren Batterie zu saugen. Dafür gibts 
Schaltregler, z.B. hier 
http://para.maximintegrated.com/search.mvp?fam=stepup&tree=powersupplies 
nach min V(in) sortieren.

Eine leere Batterie hat bei diesem Strom kaum noch Spannung. Dadurch ist 
der Nutzen fraglich.

von Bernd B. (bernd_b)


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Helge A. schrieb:
> Nix, um 0,5A aus einer leeren Batterie zu saugen.

die 0,5A kommen ja auch nicht direkt aus der Batterie, sondern aus den 
Speicherkondensatoren (s. meine Beschreibung oben).
Du glaubst gar nicht, was aus 75mV wird, wenn man das in 5, 6 Stufen 
immer wieder verdoppelt..... und n 100µ oder 1000µF Elko auf diese 
Spannung aufgeladen, das ist dann schon was.


> Dafür gibts Schaltregler, z.B. hier
> http://para.maximintegrated.com/search.mvp?fam=stepup&tree=powersupplies
> nach min V(in) sortieren.

wenn ich das richtig bedient habe, ist die kleinste "hochpumpbare" 
Spannung 0,7 V.

Die Region die mir vorschwebt, ist aber eher so im Bereich 0,28 V, 
0,16V.... vllt sogar kleiner 100 mV


> Eine leere Batterie hat bei diesem Strom kaum noch Spannung. Dadurch ist
> der Nutzen fraglich.

"Nutzen" ist ja (insbesonere im Hobby- und Bastelbereich) immer auch ne 
recht persönliche Sache.

: Bearbeitet durch User
von Helmut L. (helmi1)


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Bernd Bruckert schrieb:
> die 0,5A kommen ja auch nicht direkt aus der Batterie, sondern aus den
> Speicherkondensatoren (s. meine Beschreibung oben).

Und wieviel Energie aus der Batterie landet dann im 1. 
Speicherkondensator zB.?

Genau die Haelfte die andere Haelfte geht in den Ohmischen Widerstaenden 
der Schalter weg.

von Helge A. (besupreme)


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Auch für sehr niedrige Spannungen gibt's mittlerweile Bausteine, die 
sind unter "energy harvesting" zu finden.

Die hohen Verluste machen die Ladungspumpen-Idee unattraktiv.

Fast leere Batterien lassen sich häufig noch mal aufladen. Reicht dann 
noch mal für 1 Jahr Wanduhr oder 1 Monat Multimeter. Für 1,5V Batterien 
hab ich einen Steckdosenlader umgebaut.

von Roland L. (roland2)


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Bernd Bruckert schrieb:
> wenn ich das richtig bedient habe, ist die kleinste "hochpumpbare"
> Spannung 0,7 V.
>
> Die Region die mir vorschwebt, ist aber eher so im Bereich 0,28 V,
> 0,16V.... vllt sogar kleiner 100 mV

hier wurde auch schon über sowas diskutiert:
Beitrag "DC-DC Wandler mit 100mV Eingangsspannung"
ansonsten such mal nach "Joule thief"

von Andrew T. (marsufant)


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Helge A. schrieb:
>  Für 1,5V Batterien
> hab ich einen Steckdosenlader umgebaut.

DAS nenne ich mal eine kreative Umbaumaßnahme.

Insbesondere die Wanduhr bzw. IR-Fernbedienung "füttere" ich mit derart 
"aufgefrischten" Batterien.

von Davis (Gast)


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Helmut Lenzen schrieb:
> Bernd Bruckert schrieb:
>> die 0,5A kommen ja auch nicht direkt aus der Batterie, sondern aus den
>> Speicherkondensatoren (s. meine Beschreibung oben).
>
> Und wieviel Energie aus der Batterie landet dann im 1.
> Speicherkondensator zB.?
>
> Genau die Haelfte die andere Haelfte geht in den Ohmischen Widerstaenden
> der Schalter weg.

Das stimmt nur bei vollständiger Entladung des Kondensators. Wenn der 
Kondensator nur zum Teil entladen wird, sinken auch die Verluste.

von Harald W. (wilhelms)


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Davis schrieb:

>> Genau die Haelfte die andere Haelfte geht in den Ohmischen Widerstaenden
>> der Schalter weg.
>
> Das stimmt nur bei vollständiger Entladung des Kondensators. Wenn der
> Kondensator nur zum Teil entladen wird, sinken auch die Verluste.

Genauer gesagt ist es genau die Hälfte der Leistung, die sich aus
der Spannungsdifferenz vor und nach dem Aufladen ergibt. Interessant
ist, das dieser Verlust völlig unabhängig von den Widerständen im
Stromkreis ist. Man muss also nicht unbedingt einen besonders
niederohmigen Schalter verwenden.
Gruss
Harald

von Bernd B. (bernd_b)


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boah soviel Input

"energy harvesting", Altbatterien aufladen, dann der ganze 
Thermoelektrizität-Thread......

da steckt so viel drin, da muss mich da erstmal durchwühlen

vielen vielen Dank für die ganzen Infos

von Bernd B. (bernd_b)


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P.S. sagt mal........

ICs gibts wohl fast nur noch in SMD-Bauform oder??

Hat sich dann das Thema "fliegender Aufbau & Steckplatinen" erledigt u 
man muss in Zukunft mit m SMD-Lötkolben unter der Lupe rumhantieren???

von Helmut L. (helmi1)


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Bernd Bruckert schrieb:
> ICs gibts wohl fast nur noch in SMD-Bauform oder??

Ja, da immer alles kleiner und billiger werden soll werden neue 
Entwicklungen fast nur noch in SMD gemacht.

von tommy (Gast)


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In der Elektor Oktober 2007 ist ein Batterieenergie-Resteverwerter.
Leider habe ich das Heft nicht mehr.

von Bernd B. (bernd_b)


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Helmut Lenzen schrieb:
> Bernd Bruckert schrieb:
>> ICs gibts wohl fast nur noch in SMD-Bauform oder??
>
> Ja, da immer alles kleiner und billiger werden soll werden neue
> Entwicklungen fast nur noch in SMD gemacht.


mh und wie experimentiert man damit?

von Bernd B. (bernd_b)


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tommy schrieb:
> In der Elektor Oktober 2007 ist ein Batterieenergie-Resteverwerter.
> Leider habe ich das Heft nicht mehr.


Ah Danke. Weißt Du zufällig ob die Schaltung vllt auch in einem der 
"Dreihundert-so-und-so-viel-Schaltungen"-Bücher drin ist?

von Harald W. (wilhelms)


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Bernd Bruckert schrieb:

> Ah Danke. Weißt Du zufällig ob die Schaltung vllt auch in einem der
> "Dreihundert-so-und-so-viel-Schaltungen"-Bücher drin ist?

Mit "Joule thief" findest Du mehr als genug Schaltungen bei google.
U.a. hat sich auch Bernd Kainka mit diesem Thema beschäftigt.
M.E. sind Wandler auf Spulenbasis da besser geeignet als welche
auf Kondensatorbasis.
Gruss
Harald

von Helmut L. (helmi1)


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Bernd Bruckert schrieb:
> mh und wie experimentiert man damit?

schnell mal eben eine Leiterkarte ätzen, wo ist das Problem. Kannst auch 
die toter Käfer Methode anwenden und die Bauteile an den Pins anlöten.

von Jens G. (jensig)


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@Harald Wilhelms (wilhelms)

>>> Genau die Haelfte die andere Haelfte geht in den Ohmischen Widerstaenden
>>> der Schalter weg.
>>
>> Das stimmt nur bei vollständiger Entladung des Kondensators. Wenn der
>> Kondensator nur zum Teil entladen wird, sinken auch die Verluste.
>
>Genauer gesagt ist es genau die Hälfte der Leistung, die sich aus
>der Spannungsdifferenz vor und nach dem Aufladen ergibt. Interessant
>ist, das dieser Verlust völlig unabhängig von den Widerständen im
>Stromkreis ist. Man muss also nicht unbedingt einen besonders
>niederohmigen Schalter verwenden.
>Gruss
>Harald

Wenn Du nur die Spannungsdifferenz betrachtest, dann stimmt das. Wenn Du 
aber niederohmigere Lasten treiben willst, muß Du die Ladungspumpe dann 
auch niederohmiger gestalten, wenn Du nicht zu viele Spannungsabfälle 
entsorgen willst.

von Harald W. (wilhelms)


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Jens G. schrieb:

> Wenn Du
> aber niederohmigere Lasten treiben willst, muß Du die Ladungspumpe dann
> auch niederohmiger gestalten,

Das ist klar. Mir gings nur darum, das eine Ladepumpe schon prinzip-
bedingt einen Verlust hat während bei induktiven Wandlern nur durch
die Bauelemente Verluste entstehen.
Gruss
Harald

von Bernd B. (bernd_b)


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Helmut Lenzen schrieb:
> Bernd Bruckert schrieb:
>> mh und wie experimentiert man damit?
>
> schnell mal eben eine Leiterkarte ätzen, wo ist das Problem. Kannst auch
> die toter Käfer Methode anwenden und die Bauteile an den Pins anlöten.

zu geil :D :D :D

Nee also, ich bin (wie Du sicher gemerkt hast) keiner von euch Profis. 
Noch nichtmal n Halb- oder Viertelprofi bin ich.

Ich hab noch nie ne Leiterplatte geätzt, wenn's hochkam hab ich nur mal 
auf ner Streifenrasterplatine was gelötet. Standardmäßig hab ich 
Schaltungen nur gesteckt und mich über das Ergebnis gefreut, wenn ne LED 
anging oder n Relais anzog.

NUR:

das ist jetzt schon fast 20 Jahre her - und da gabs mit Bauteilen noch 
keine Probleme.


Aber wenn ich das jetzt so sehe: erst die SOICs, aber die scheinen jetzt 
auch schon durch noch kleinere "shrink small outline package"- und "thin 
shrink small outline package"-ICs abgelöst zu werden??????????

uäh, da wird einem ja ganz schwindelig.


Wenn das so weitergeht, wird Hobbyist sich bald überlegen dürfen, wie er 
BGAs verlötet bekommt

Maaaaaaaaaaan

von Bernd B. (bernd_b)


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Harald Wilhelms schrieb:
> Jens G. schrieb:
>
>> Wenn Du
>> aber niederohmigere Lasten treiben willst, muß Du die Ladungspumpe dann
>> auch niederohmiger gestalten,
>
> Das ist klar. Mir gings nur darum, das eine Ladepumpe schon prinzip-
> bedingt einen Verlust hat


Versteh ich nich, wieso?

von Harald W. (wilhelms)


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Bernd Bruckert schrieb:

>> Das ist klar. Mir gings nur darum, das eine Ladepumpe schon prinzip-
>> bedingt einen Verlust hat
>
>
> Versteh ich nich, wieso?

Das hat Helmut doch schon vor vier Tagen geschrieben.

von Bernd B. (bernd_b)


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Harald Wilhelms schrieb:
> Bernd Bruckert schrieb:
>
>>> Das ist klar. Mir gings nur darum, das eine Ladepumpe schon prinzip-
>>> bedingt einen Verlust hat
>>
>>
>> Versteh ich nich, wieso?
>
> Das hat Helmut doch schon vor vier Tagen geschrieben.

ja da kamen sich teilweise widersprechende Aussagen:

- "Genau die Haelfte die andere Haelfte geht in den Ohmischen 
Widerstaenden der Schalter weg."

- "Wenn der Kondensator nur zum Teil entladen wird, sinken auch die 
Verluste, genauer gesagt ist es genau die Hälfte der Leistung, die sich 
aus der Spannungsdifferenz vor und nach dem Aufladen ergibt."

- "Interessant ist, das dieser Verlust völlig unabhängig von den 
Widerständen im Stromkreis ist. Man muss also nicht unbedingt einen 
besonders niederohmigen Schalter verwenden."


Versteh ich nich.

ein Widerstand der für die Zeit ∆t vom Strom I durchflossen wird, setzt 
immer ne Energie von RI²∆t in Wärme um.

Und n Kondensator hat ½CU² an Energie (wobei U in meinem Fall die 
Spannung der Altbatterie wär).

Wie kommt man denn da auf ne "Hälfte" an Energie?

Versteh ich nich

: Bearbeitet durch User
von KalterKaffee (Gast)


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Richtig ist, dass der Wirkungsgrad der Ladungspumpe steigt, je geringer 
die Entladung des Kondensator ist, da das Nachladen des Kondensators mit 
einem kleineren Strom erfolgt, der wiederum zu geringeren Verlusten 
führt.

von Bernd B. (bernd_b)


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KalterKaffee schrieb:
> Richtig ist, dass der Wirkungsgrad der Ladungspumpe steigt, je geringer
> die Entladung des Kondensator ist, da das Nachladen des Kondensators mit
> einem kleineren Strom erfolgt, der wiederum zu geringeren Verlusten
> führt.

OK das leuchtet mir ein, zumal der Strom in die Gleichung ja quadratisch 
eingeht......


Trotzdem versteh ich noch immer nicht die Feststellung, dass "eine 
Ladepumpe schon prinzip-bedingt einen Verlust hat während bei induktiven 
Wandlern nur durch die Bauelemente Verluste entstehen"

Und wieso wird genau die Hälfte der Leistung verbraten, die sich aus der 
Spannungsdifferenz vor und nach dem Aufladen ergibt?

Okay, die Spannungsdifferenz zwischen Kondensator und Spannungsquelle 
treibt den Strom I, der wiederum am Widerstand RI²∆t Wärme verheizt. 
Nach Ende des Aufladevorganges ist dann also ∫RI²dt = R∫I²dt im Wärme 
umgesetzt. Und nun?

Und warum ist der Verlust unabhängig von den Widerständen?


Ich geh mal davon aus, dass das stimmt wenn ihr das so sagt. Daher würd 
ich das halt auch gern verstehen, wie das kommt  :(

: Bearbeitet durch User
von Bernd K. (bmk)


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Bernd Bruckert schrieb:
> Und warum ist der Verlust unabhängig von den Widerständen?
>
> Ich geh mal davon aus, dass das stimmt wenn ihr das so sagt. Daher würd
> ich das halt auch gern verstehen, wie das kommt  :(

Dann lies dir mal aufmerksam folgende Seite durch:

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

von Bernd B. (bernd_b)


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Bernd K. schrieb:
> Bernd Bruckert schrieb:
>> Und warum ist der Verlust unabhängig von den Widerständen?
>>
>> Ich geh mal davon aus, dass das stimmt wenn ihr das so sagt. Daher würd
>> ich das halt auch gern verstehen, wie das kommt  :(
>
> Dann lies dir mal aufmerksam folgende Seite durch:
>
> http://www.hcrs.at/KOND.HTM


vielen Dank

man lernt echt nie aus ...

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