Hallo, ich steig bei den Effizienzangaben zu Ladungspumpen nicht wirklich durch. Vielleicht ist hier ja ein Experte, der das wirklich weiss. Zu den Fakten 1. Lädt man einen leeren(!) Kondensator mit einem vollen Kondensator auf, so halbiert sich die Energie. Logisch, da J=0.5C*U² und sich die Spannung auf beide Kondensatoren wegen der Ladungserhaltung aufteilt. 2. Cap A hat 3V, Cap B hat 1V. Nach dem Kurzschliessen haben beide Caps 2V. Es ist also rechnerisch nur noch 27% der Energie verloren gegangen. Schaltet man die Caps also sehr schnell, kann man die Effizienz scheinbar auf 99.9% steigern. Man muss ja nur dafür sorgen, dass der Spannungsunterschied zwischen den beiden Kondensatoren so gering wie möglich ist. Hier ist jetzt aber das, was mir Kopfschmerzen bereitet. Nehmen wir an, Cap A hat 1V und Cap B hat 0.98V. Nach dem Ausgleichen haben beide 0.99V. Es ist so gut wie keine Energie verloren gegangen. Jetzt kürzen wir die Spannungen zusammen (was mathematisch und auch physikalisch völlig legitim ist, da die Spannung zwischen den beiden Caps nunmal 0.02V beträgt) auf Cap A=0.02V und Cap B=0V. Nach dem Ausgleichen haben beide Caps 0.01V und damit ist die halbe Energie flöten. Und was jetzt? Ist eine Ladungspumpe nun nur eine verschleierte Form des ohmschen Ladens und verwandelt damit 50% der Energie in Wärme, oder ein Effizienzwunder? PS: Und jetzt bitte keine Sprüche wie "du verwechselst Energie mit Ladung". Für mich heisst Effizienz, wie viel % der eingetragenen Energie NICHT in Wärme umgewandelt wird.
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Hallo Christian Dir ist hoffentlich schon klar, dass Du durch parallelschalten von Kondensatoren die Kapazität in der Gleichung veränderst.
Christian S. schrieb: > Nehmen wir an, > Cap A hat 1V und Cap B hat 0.98V. Nach dem Ausgleichen haben beide > 0.99V. Es ist so gut wie keine Energie verloren gegangen. Jetzt kürzen > wir die Spannungen zusammen (was mathematisch und auch physikalisch > völlig legitim ist, da die Spannung zwischen den beiden Caps nunmal > 0.02V beträgt) auf Cap A=0.02V und Cap B=0V. Nach dem Ausgleichen haben > beide Caps 0.01V und damit ist die halbe Energie flöten. Wenn Du die verlorene Energie nachrechnest, kannst Du nicht mit der Gesamtspannung rechnen, sondern nur mit der Spannungsdifferenz. Dann kommen m.E. immer die von Dir berechneten 50% heraus. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Kondensatorparadoxon, weil diese 50% völlig unabhängig von der Grösse des Widerstands sind, über den die beiden Kondensatoren verbunden werden. Eine direkte Verbindung von zwei Kondensatoren ist auch theoretisch nicht möglich, weil dann ein unendlich hoher Strom fliessen würde. Will man diese 50% Verlust vermeiden, muss man statteines Widerstands eine Drossel verwenden.
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Hallo Christian, Hier mal eine Simulation mit LTspice zum Thema Ladungspumpe. Ein Kondensator wird immer wieder auf 10V aufgeladen und danach mit einem zweiten Kondensator verbunden (Umladung). Das 2. Fenster zeigt die Ausgangsspannung bei verschiedenen Lastwiderständen. Das 3. Fenster zeigt den Wirkungsgrad als Funktion des Lastwiderstandes. Das 4. Fenster zeigt den Wirkungsgrad als Funktion der lastabhängigen Ausgangsspannung. Ich habe den Eindruck bekommen, dass der Wirkungsgrad exakt proportional dem Verhältnis Ausgangsspannung/Eingangsspannung ist. Das kann man bestimmt auch mathematisch beweisen. Gruß Helmut
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Die Hersteller der Ladungspumpen geben 98% Leistungswirkungsgrad an. Die trauen sich hoffentlich nicht physikalischen Unsinn inn ihre Datenblätter zu schreiben.
Hermann schrieb: > Die Hersteller der Ladungspumpen geben 98% Leistungswirkungsgrad an. Also hast du Leistungsanpassung ?
O Mann, Hermann, mir rollte es gerade die Fußnägel auf, als ich gesehen habe, was das Intersil-Marketing da geschrieben hatte. :) Wie kann der Wirkungsgrad im Leerlauf 99,9% sein? Der Wirkungsgrad im Leerlauf ist 0%. Zum Glück ist dann der korrekte Zusammenhang auf Seite 5ff., erkennbar: http://www.intersil.com/content/dam/Intersil/documents/icl7/icl7660.pdf Das Maxim Datenblatt gibt das auch sauber wieder: http://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/ICL7660-MAX1044.pdf Seite 3, Efficiency.
Christian S. schrieb: > Und was jetzt? Ist eine Ladungspumpe nun nur eine verschleierte Form des > ohmschen Ladens und verwandelt damit 50% der Energie in Wärme Ja. > oder ein Effizienzwunder? Na ja, unbelastet erreicht er 100% :-) Was die Ladungspumpe kann, ist eine Spannung (verdoppeln, halbieren, verdreifachen). Von der transportierten Leistung frisst sie aber die Hälfte.
Die Ladungspumpe kann auch schon von der Leistung / Energie einen hohen Wirkungsgrad haben. Die Verluste die dabei auftreten sind einmal die Energie zum betätigen der Schalter und dann der Verlust durch das Absinken der Spannung bei Belastung. Eine Ladungspumpe zum halbieren der Spannung zieht abgesehen von Leckströmen am Eingang den halben Strom den der Ausgang liefert (es gehen im Idealfall halt keine Ladungen verloren) nur die Spannung sinkt halt bei Belastung ab.
>Hier ist jetzt aber das, was mir Kopfschmerzen bereitet. Nehmen wir an, >Cap A hat 1V und Cap B hat 0.98V. Nach dem Ausgleichen haben beide >0.99V. Es ist so gut wie keine Energie verloren gegangen. Jetzt kürzen >wir die Spannungen zusammen (was mathematisch und auch physikalisch >völlig legitim ist, da die Spannung zwischen den beiden Caps nunmal >0.02V beträgt) auf Cap A=0.02V und Cap B=0V. Nach dem Ausgleichen haben >beide Caps 0.01V und damit ist die halbe Energie flöten. >Und was jetzt? Ist eine Ladungspumpe nun nur eine verschleierte Form des >ohmschen Ladens und verwandelt damit 50% der Energie in Wärme, oder ein >Effizienzwunder? Diese 50% beziehen sich aber nur auf die Spaunnungsdifferenz zw. den Cs. Ist also ziemlich klein, je nach Belastung. Im grunde muß die Ladungspumpe nur niederohmig genug sein, da durch diese inneren Widerstände auch der Laststrom durch muß. Die durch das Kondensatorparadoxon verursachten Verluste sind dagegen eher klein, da es da nur um die Spannungsdifferenzen zwischen den Cs geht.
Du hast 50% Wirkungsgrad wenn Du einen leeren auf einen vollen Kondensator schaltet. Bei Ladungspumpen werden die Kondensatoren aber nur sehr gering entladen. Die Spannung über den Kondensatoren ist zu >90% DC. Dann hast Du hohe Wirkungsgrade
Halo Jens, schau dir doch mal die Simulation an. Der Wirkungsgrad ist fast identisch mit der prozentualen Spannung. Einzig und allein die Verluste der Schalter kommen dazu. Die Schalter hatetn 0,1Ohm(fast ideal). Wenn man also 5V nach -5V wandelt und wegen Belastung im Mittel nur -4,5V herauskommen, dann ist der Wirkungsgrad=4,5V/5V=90%.
@Helmut S. (helmuts) >Halo Jens, >schau dir doch mal die Simulation an. Warum. Deckt sich doch weitgehend mit meiner Aussage.
Wenn die Wärmeumwandlungsmenge der Energie bei ohmschen Transporten nie unter 50% wandern kann, sondern nur mit einer Drossel, warum sehe ich dann sowas nie in den Ersatzschaltbildern zu den Ladungspumpen? Und dennoch schreiben die was von 90+% Wirkungsgrad. Ohne Drossel.
Christian S. schrieb: > Wenn die Wärmeumwandlungsmenge der Energie bei ohmschen Transporten nie > unter 50% wandern kann, sondern nur mit einer Drossel, warum sehe ich > dann sowas nie in den Ersatzschaltbildern zu den Ladungspumpen? Und > dennoch schreiben die was von 90+% Wirkungsgrad. Ohne Drossel. Man kann doch mit Ladungspumpen ohne weiteres über 90% Wirkungsgrad erreichen. Siehe meine Simulation. Ich sehe da überhaupt keine Falschaussage wegen den 90+x% Wirkungsgrad. Wer Ladungspumpen einsetzt sollte sich bewusst sein, dass diese sehr hohe Stromspitzen am Eingang bewirken. Da ist es ratsam eine Spule als Filter davorzumachen und damit ist der Vorteil der Ladungspumpe ohne Spule auszukommen dahin. Deshalb ist es kein Wunder, dass Ladungspumpen nur bei Verbrauchern mit sehr kleiner Leistung (0,1W?) Verwendung finden.
Christian S. schrieb: > Wenn die Wärmeumwandlungsmenge der Energie bei ohmschen > Transporten nie > unter 50% wandern kann, sondern nur mit einer Drossel, warum sehe ich > dann sowas nie in den Ersatzschaltbildern zu den Ladungspumpen? Und > dennoch schreiben die was von 90+% Wirkungsgrad. Ohne Drossel. Das Kondensatorparadoxon bezieht sich auf den Fall von "zwei identischen Kondensatoren, einmal mit Klemmenspannung 0 V, einmal mit Klemmenspannung x V, wir schließen diese zusammen, [Ergebnis]". Ist diese Beschreibung bei einer Ladungspumpe zutreffend? [ ] ja [O] nein
Marcus H. schrieb: > O Mann, Hermann, mir rollte es gerade die Fußnägel auf > Wie kann der Wirkungsgrad im Leerlauf 99,9% sein? Hoffentlich kriegs du die wieder gerade gebügelt. Man muss schon genau hinsehen: die steht Voltage Efficency!! Ich wollte es ja nicht, aber nun muss ich doch was dazu sagen: Nach der Einschwingerei haben beide Kondensatoren die Energie E=1/2*C*U². Nach einem zusätzlichen Ladeimpuls hat das erste C die Energie E= 1/2*C*(U+dU)² Nach der Parallelschaltung haben beide E=1/2*C*(U+1/2dU)². Jetzt ein Beispiel zu Verdeutlichung: U=10V dU=0,1V Gesamt-Energie vor Parallelschaltung: Evor=1/2*C*(102,01+100) Gesamt-Energie nacher: Enach=1/2*2C*101,0025 Verlustleisung ist also die Differenz Edif=1/2*C*(202,01-2*101,0025) Macht also Everl=1/2*C*0,005 --> o,oo5/100=50ppM Jetzt kann man dU noch kleiner machen und man bekommt theoretisch fast 100% Ist doch nicht so schwer!
die 50ppm waren natürlich nichts. reingesteckt wurden im Beispiel 2,01 heraus kamen 2*1,0025 Wirkungsgrad ist also 2,005/2,01=0,9975
Gehen wir doch mal in die Praxis. Ich nehme 2 Supercaps mit 350F. Das ist so viel Kapazität, dass der Strombedarf irgendwelcher aktiver Komponenten nicht so ins Gewicht fällt. Jetzt lade ich den einen auf 2.7V auf, der andere ist in der Zeit kurzgeschlossen (Pseudomemory-Effekt). Wie bekomme ich jetzt am effizientesten die Energie von Cap A nach Cap B? Das Ergebnis lässt sich dann ja ohne weiteres durch eine Spannungsmessung verifizieren.
Hermann schrieb: > Marcus H. schrieb: >> Wie kann der Wirkungsgrad im Leerlauf 99,9% sein? > Man muss schon genau hinsehen: die steht Voltage Efficency!! Yep, ich hab die "voltage" überlesen. Nur noch 3 Tage, bis die neue Brille kommt... Danketier!
Christian S. schrieb: > Wenn die Wärmeumwandlungsmenge der Energie bei ohmschen Transporten nie > unter 50% wandern kann, sondern nur mit einer Drossel, warum sehe ich > dann sowas nie in den Ersatzschaltbildern zu den Ladungspumpen? Solche Netzteile nennt man Drosselwandler. :-) Da gibt es das 50% Problem nicht.
Helmut S. schrieb: > Man kann doch mit Ladungspumpen ohne weiteres über 90% Wirkungsgrad > erreichen. Siehe meine Simulation. Ich sehe da überhaupt keine > Falschaussage wegen den 90+x% Wirkungsgrad. Man kann ja auch normale Trafos als Spannungswandler bezeichnen. Wenn ich dann einen Spartrafo nehme, kann ich auch Wirkungsgrade nahe 100% erreichen. Nur wird dann verschwiegen, das die meiste Leistung "um den Trafo herum" übertragen wird. Ähnlich ist es bei den Spannungspumpen. Wenn man da Wirkungsgrade nahe 100% hat, hat man ein ganzzahliges Spannungsverhältnis und die meiste Leistung wird per Spannungsteilung übertragen.
Christian S. schrieb: > Gehen wir doch mal in die Praxis. > > Ich nehme 2 Supercaps mit 350F. Das ist so viel Kapazität, dass der > Strombedarf irgendwelcher aktiver Komponenten nicht so ins Gewicht > fällt. Jetzt lade ich den einen auf 2.7V auf, der andere ist in der Zeit > kurzgeschlossen (Pseudomemory-Effekt). > > Wie bekomme ich jetzt am effizientesten die Energie von Cap A nach Cap > B? > > Das Ergebnis lässt sich dann ja ohne weiteres durch eine > Spannungsmessung verifizieren. Niemand?
Ich glaube wir reden aneinander vorbei, oder ich kapier es nicht. Erst heisst es, ohmsches Laden = 50% Verlust. Dann heisst es, nimm ne Drossel und es geht wesentlich besser. Dann sag ich ok, was genau soll ich machen, um zu testen, ob es wirklich besser geht. Dann sagst du, es geht nicht besser. Ich habe testweise mal einen Step-Up genommen und damit versucht die Energie der beiden Caps umzuladen. Ergebnis: Vorher: Cap A = 2.7V Cap B = 0V Nachher: Cap A = 0V Cap B = 1.7V Da wäre ich mit einem Draht aber besser dran gewesen?
Thema hat sich erledigt. Ich hab den Witz jetzt auch endlich verstanden.
Christian S. schrieb: > Schaltet man die Caps also sehr schnell, kann man die Effizienz > scheinbar auf 99.9% steigern. Man muss ja nur dafür sorgen, dass der > Spannungsunterschied zwischen den beiden Kondensatoren so gering wie > möglich ist. Das scheint nicht nur, das ist auch in der Praxis so. Hier mal ein Beispiel: TC7660 mit 2 * 10µF an 10V mit 10k Last: Eingang: 10V 4,11mA Ausgang: 19,85V 1,97mA Wirkungsgrad: 39,1mW / 41,1mW = 95%
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