Kondensator verlustfrei laden

Schaltregler zählt nicht :-)

> gibt es eigentlich eine Möglichkeit einen Kondensator verlustfrei zu
> laden?

Verlustfrei gibts nur in der idealisierten Theorie, aber nie in der 
Realität.

> Oder gibt es keinen Weg an 0,5 [∗] C [∗] u^2 vorbei?

Warum willst Du an der Realität "vorbei"?

Einen idealen Kondensator kannst Du über eine ideale Induktivät 
verlustfrei laden. Du mußt lediglich unendlich lange warten, bis die 
ungedämpfte Resonanzschwingung abgeklungen ist.

AIX schrieb:
> Hallo,
>
> gibt es eigentlich eine Möglichkeit einen Kondensator verlustfrei zu
> laden? D.h. irgendwie mit einem Schwingkreis, oder ähnlich. Oder gibt es
> keinen Weg an 0,5  C  u^2 vorbei?

Das ist die Energie, die im Kondensator gespeichert ist. Was sagt die 
Gleichung deiner Meinung nach aus? Zu den Verlusten beim Laden macht Sie 
nämlich ganz sicher keine Angabe.

AIX schrieb:
> Schaltregler zählt nicht :-)

"Ich hätte gerne eine Lösung für mein Problem, aber nicht die, die alle 
nehmen und die sicher funktioniert".

Wenn du über eine Induktivität ladest und genau dann, wenn der Ladestrom 
Null wird, die Verbindungs trennst, hast du kaum Verluste. Schalten im 
Nulldurchgang ist ein üblicher Lösungsweg im Umgang mit Induktivitäten.

Nimm eine Stromquelle (z.B. Nabendynamo), richte ggf. gleich und lade 
damit den Kondensator. Das ist Verlustfrei.

Stromquellen laden Induktivitäten Verlustfrei.

Ziehe doch einfach die Platten auseinander.

Da bei verrichtet er aber arbeit gegen das E-Feld zack da ist der 
"Verlust"

Danke für die Antworten.

Wenn ich einen Kondensator über einen Widerstandlade, sollte 0,5*C*u^2 
in wärme umgesetzt werden. Schaltregler geht in meiner Anwendung nicht 
wirklich, ich muss einen Kondensator wenige kV vorladen. Da wird mir 
dann der Schalter und die Induktivität zu groß/teuer. Ich dachte, wenn 
man ein bisschen rumspielt, kommt man vielleicht auf eine andere Idee. 
Die Verluste interessieren mich nur weil sie abgeführt werden möchten...

Und was spricht dagegen, statt R ein L zu nehmen?

Oder sage dich einfach, was du machen willst.

AIX schrieb:
> Da wird mir
> dann der Schalter und die Induktivität zu groß/teuer.

Die eigentliche Frage war also: Wiemöglichst effizient und mit 
vertretbarem Aufwand. Sag das doch gleich.

Leider braucht es für eine konkrete Anwort noch ein paar Informationen:
Maximalspannung am Kondensator,
Minimale Spannung auf die entladen wird,
Kapazität
Ladezeit
Entladezeit
Häufigkeit/Frequenz

Ein Wandler scheint Dir zu aufwändig?
Stell Dir vor es gibt Leute denen mach sowas Spass, denen hüpft das Herz 
bei solchen Fragen.

Die elektromagnetische Induktion mit der wir noch heute den Strom 
erzeugen kennen wir seit 1831,die Batterie als Voltasche Säule seit 1800 
und die ersten Vorläufer der Influenzmaschinen seit etwa 1775.
Die ersten elektrischen Experimente waren folglich der Elektrostatik und 
Hochspannung gewidmet. Es entspricht gutem bastlerischen 
Traditionbewusstsein diese Themengebiete auch heute nicht zu 
vernachlässigen.

hauspapa

Benedikt S. schrieb:
> Ziehe doch einfach die Platten auseinander.
>
> Da bei verrichtet er aber arbeit gegen das E-Feld zack da ist der
> "Verlust"

Warum? Die Arbeit, die er verrichtet, ist ja nachher im Kondensator 
gespeichert.

Wie kommst du denn zu der irrigen Annahme, dass Induktivität und 
Schalter gross und teuer sein müssen. Deine Strategie ist 
kontraproduktiv. Mit "herumspielen" wird das nichts. Setz dich hin und 
studiere die gängigen Lösungen eingehend. Da waren schon gescheitere als 
du vor dir am Werk. Die Induktivitäten sind klein, und die Schalter sind 
Halbleiterdioden. Richtig eingesetzt - in der üblichen Schaltung  - sind 
auch die Dioden klein und kostengünstig.

Und: Nein, vorkauen werde ich dir das nicht. Nachdem du dir nicht mal 
die Mühe machst, eine Problembeschreibung mit Beschreibung der 
Randbedingungen zu erstellen, will ich deine Faulheit nicht weiter 
unterstützen. Finde selbst die üblichen und guten Lösungen, die es 
bereits fertig gibt.

Hm, nettes Umfeld hier :-)

E. S. schrieb:
> Die obige Formel stellt den
> Energieinhalt eines Kondensators dar.

die gleich den verlusten sein sollte, wenn ohmisch geladen wird.

Achim S. schrieb:
> Und was spricht dagegen, statt R ein L zu nehmen?

ungedämpfter Schwingkreis -> doppelte spannung, L muss relativ groß und 
stormbelastbar sein.

hauspapa schrieb:
> Ein Wandler scheint Dir zu aufwändig?

zu groß und zu teuer.

Helmut S. schrieb:
> Ja es gibt noch rein kapazitive Spannungsinverter und Verdoppler. Die
> haben halt die Verluste  die du nicht haben willst.

das wäre noch was zum knobeln. danke.

Lader schrieb:
> Wie kommst du denn zu der irrigen Annahme, dass Induktivität und
> Schalter gross und teuer sein müssen.

habe ich berechnet. bei z.B. 2kV hast du bei billigen igbts (wenig Id) 
endliche anstiegs/abfallzeiten + eventuell noch die minimale pulslänge. 
verwurstet man das wird mir die Induktivität zu groß und zu teuer für 
meinen einsatzzweck (da die spannungsdifferenz bei leeren Kondensator so 
groß ist). Kann nur am L oder dt schrauben, da ich das ding in endlicher 
zeit laden möchte. -> fällt für mich höchstwahrscheinlich raus.

Lader schrieb:
> Und: Nein, vorkauen werde ich dir das nicht. Nachdem du dir nicht mal
> die Mühe machst, eine Problembeschreibung mit Beschreibung der
> Randbedingungen zu erstellen, will ich deine Faulheit nicht weiter
> unterstützen. Finde selbst die üblichen und guten Lösungen, die es
> bereits fertig gibt.

ich kenne zwei lösungen. Resistives Element oder SNT. Beide haben große 
Nachteile (Pulsbelastbarkeit des R/PTC/NTC und spannungsfestigkeit oder 
halt größe und kosten des Schalters/L. Vielleicht kennt jemand noch eine 
andere.

Jetzt wollte ich halt mal plaudern und spielen was es sonst noch so gibt 
:-) Mache ich immer so ... sorry :-)

Randbedingungen: Kondensator (paar hundert µ) auf paar kV aufladen aus 
DC Quelle (genauere Spezifikatione habe ich auch noch nicht). Ding ist 
am Anfang leer.

Ich verstehe immer noch nicht, warum die Induktivität groß und teuer 
werden soll.

Die Existenz von Zündspulen ist dir im Groben und Ganzen bewusst?

Es gibt ja sogar schnelle Dioden für 2kV. Ich würd mir jetzt nen 
Sperrwandler bauen.

Hallo thor, danke für deine Antwort
ich hatte als erstes an einen buck converter gedacht. Nimmt man als 
Beispiel einen Igbt mit rise und fall time von 3µ und maximalen Strom 
von 10 Ampere, muss die Speicherdrossel bei angenommen 2kV schon 600µH 
haben (bin gerade unterwegs und im Kopfrechnen nicht der beste :-D). 
600µH und 10 Ampere plus Spannungsfestigkeit ist schon ein kleiner 
Brummer.
Bin mir nicht sicher, aber das müsste doch dann auch für den Flyback 
gelten, oder?

Und sag, wie deine Lösung mit R aussehen würde. Wenn es die gibt, geht 
es mit L genau so einfach. Wenn nicht, kennen wir Deine Aufgabe gar 
nicht (und du vielleicht auch noch nicht. Anscheinend ist nicht mal 
klar, ob die DC-Quelle viel höher oder niedriger ist)

Dass das mit einem Schaltregler im Endeffekt "Verlustlos" geht ist ja 
bekannt. Um einen Kondensator ohne brutale Ströme (hohe Verluste) zu 
laden, empfiehlt sich ein PWM-Controller mit einstellbarem Softstart. 
Der kann eine einstellbare Spannungsrampe fahren, und deinen Kondensator 
dadurch mit Konstantstrom laden.
Die Rampe kann man so auslegen, dass die Strombegrenzung des Reglers 
nicht triggert.

Was die Topologie angeht, die wählt man Anhand Ein- und Ausgangsspannung 
sowie Ströme und sontige Anforderungen aus. Die hast du nicht genannt.

Ich würde mal sagen, für 2kV muss man aus dem Stromnetz hochsetzen, also 
würde sich ZUNÄCHST ein Boost anbieten. Schön am Boost ist auch, dass 
man Potentialmässig auf der Lowside sitzt, ein unschätzbarer Vorteil bei 
2kV.

Problem beim Boost: Bis 315V (Gleichrichtspannung Netz) ist der im 
Normalfall nicht kurzschlussfest, und das Laden damit ungesund, 
zumindest bei Netzspannung/Impedanz :-)
Da müsste man also was tun.
SEPIC und Flyback haben dieses Problem wiederrum nicht. Vielleicht sind 
deshalb dise günstiger? Wir wissen es nicht.
Man kann auch den Boost so aufbauen, dass das geht. Aber bei 2kV einen 
Hig-Side-FET ansteuern will man nicht ohne Not.

Es fehlen Details...

Jede Spule hat Verluste.

Die Verlustleistung einer Induktivität ergibt sich aus dem ohmschen 
Widerstand R der Kupferdrähte nach RI².

Nach dieser Formel hast du nur zwei Möglichkeiten, den Verlust in einer 
Spule auf 0 zu senken:

R=0 via Supraleiter. (Allerdings sinkt die Sprungtemperatur mit 
steigenden Strom. Was auch nur logisch ist.)

I=0 via Such dir ein anderes Hobby.

Okay, vielleicht habe ich mich unklar ausgedrückt, aber der Ton ist echt 
angespannt hier.

Falk B. schrieb:
> Wie immer verweise ich auf die Netiquette.
> Sag was INSGESAMT rauskommen soll!!!

Ich möchte aus einer DC Quelle (konstant, z.B. 2kV) einen leeren 
Kondensator laden. Ich suche eine Vorladeschaltung. Die Ladezeit ist mir 
relativ egal (nicht im µs Bereich), die Verluste auch, solange ich sie 
händeln kann.
Wird mir einem Widerstand vorgeladen, ist die Belastung doch beachtlich.

Netiquette gelesen. "Es beschreibt allgemein den guten Umgangston im 
Internet." :-D


Falk B. schrieb:
> Hä?? Ein IGBT ist KEIN Relais! Moderne IGBTs haben Schaltzeit, die fast
> an die von MOSFETs rankommen. Das habe ich vor Kurzem live erfahren.
> 10ns Anstiegszeit bei einer 400V Halbbrücke. Das ist IRRE schnell und
> macht eher mehr Probleme mit EMV als es löst!

Das gilt vielleicht für Leistungs IGBTs in der niedrigen 
Spannungsklasse.

Falk B. schrieb:
>> und maximalen Strom
>>von 10 Ampere, muss die Speicherdrossel bei angenommen 2kV schon 600µH
>>haben (bin gerade unterwegs und im Kopfrechnen nicht der beste :-D).
>
> Keine Ahnung was du da rechnest, aber ich würde mal sagen es ist Unsinn.

ist UL = L di/dt mit den angenommen rise und fall Zeiten. Ul ist halt am 
Anfang riesig und es darf der maximale Schalterstrom nicht überschritten 
werden.

Achim S. schrieb:
> Und sag, wie deine Lösung mit R aussehen würde. Wenn es die gibt, geht
> es mit L genau so einfach. Wenn nicht, kennen wir Deine Aufgabe gar
> nicht (und du vielleicht auch noch nicht. Anscheinend ist nicht mal
> klar, ob die DC-Quelle viel höher oder niedriger ist)

Spannungsquelle - R - C. Das hatte ich wohl missverständlich 
ausgedrückt. DC-Quelle ist fix und Kondensator muss aufs gleiche 
Potential.

AIX schrieb:
> Die Ladezeit ist mir
> relativ egal (nicht im µs Bereich), die Verluste auch, solange ich sie
> händeln kann.
> Wird mir einem Widerstand vorgeladen, ist die Belastung doch beachtlich.

Dein Gelaber ohne konkrete Zahlen und Werte ist noch beachtlicher.
Und dann wunderst du dich über den Ton?

Manfred K. schrieb:
> Verwendet man dafür elektronische Vorladeeinrichtungen, verliert man an
> Zuverlässigkeit, denn jedes zusätzliche Bauteil kann und wird auch
> ausfallen.

Das Problem hat die Automobilindustrie auch, die lösen das mit Redundanz 
und Ausfallerkennung. Aber die müssen ja auch Flottenverbräuche 
erreichen.

AIX schrieb:
> Achim S. schrieb:
>> Und sag, wie deine Lösung mit R aussehen würde. Wenn es die gibt, geht
>> es mit L genau so einfach. Wenn nicht, kennen wir Deine Aufgabe gar
>> nicht (und du vielleicht auch noch nicht. Anscheinend ist nicht mal
>> klar, ob die DC-Quelle viel höher oder niedriger ist)
>
> Spannungsquelle - R - C. Das hatte ich wohl missverständlich
> ausgedrückt. DC-Quelle ist fix und Kondensator muss aufs gleiche
> Potential.

Und wie schnell muss der aufs gleiche Potential? Warum muss deine Spule 
10A aushalten?

Wenn ich nen Sperrwandler mit 1:1 Windungszahlenverhältnis nehme, komme 
ich auf einigermaßen entspannte Werte. Abgesehen vom Schalttransistor 
der natürlich sehr große Spannungen abkönnen muss.
Aber die Ströme sind alle beherrschbar.

Hab mal ein bischen gesucht und den IXBF12N300 gefunden. tf ist ein 
bischen lahm, aber damit sollten so 100kHz möglich sein. Die Spule kann 
dann so im 100er-µ Bereich sein.

Falk B. schrieb:
> Warum suchst du dann nach einer verlustfreien Ladeschaltung?

Weil ich die Verluste nicht handeln konnte. Habe ich einfach einen 
Vorladewiderstand kommen da Spitzenleistungen raus, die ich nicht 
händeln kann. Bsp. Vdc = 2kV, Rlade = 1kOhm, C = 500µ, dann komme ich 
auf 4kW Spitzenleistung am Widerstand. Gibt es vielleicht, ich konnte 
jedoch keinen finden, der das auch spezifiziert.

Falk B. schrieb:
> Welche Belastung? Wie groß ist denn dein Kondensator? 1nF? 1uF? 1mF?
> Welche maximale Ladezeit ist akzeptabel?

Belastung des Vorladewiderstands. Ich versuche mich da gerade allgemein 
einzuarbeiten. Im Bereich von einigen 100µF (wahrscheinlich kleiner 
500µF).

Falk B. schrieb:
> Was heißt hier niedrig? Ich rede von 600-1200V IGBTs. OP, damit kann man
> so ohne weiteres keinen 2kV Tiefsetzsteller bauen, aber das macht man so
> oder so nicht so einfach.

Die kleineren IGBTs (10 Ampere / 2kV) die ich mir angeschaut habe, 
hatten relativ langsamme Schaltzeiten. Somit liegt auch über der 
Induktivität relativ lange eine Spannung an -> Induktivität muss groß 
sein, damit der Strom klein ist.

Falk B. schrieb:
> Wenn die Ladezeit und die Verluste egal sind reicht ein simpler
> Ladewiderstand.

Ladezeiten bis eine Sekunde sind überhaupt kein Problem. Kannst du mir 
Widerstände empfehlen, welche ich mir mal anschauen könnte? Das Problem 
ist die doch recht hohe Peakleistung, wenn die Ladezeit nicht unendlich 
werden soll.

Der Andere schrieb:
> Dein Gelaber ohne konkrete Zahlen und Werte ist noch beachtlicher.
> Und dann wunderst du dich über den Ton?

Ist nur eine Machbarkeitsstudie und Kostenabschätzung für ein 
Hochschulprojekt. Deswegen sind die Zahlen etwas wage. Zum Frustabbau 
allgemein kann ich dir Sport empfehlen.

Manfred K. schrieb:
> Wir haben in unseren DC-Lokomotiven auch Zwischenkreise vorzuladen bis
> 4,5kV. Dafür verwenden wir bis heute entsprechende Leistungswiderstände.

Kannst du da mal einen Hersteller nennen? Oder Eventuell einen Typ. Die 
müssten dann ja auch extrem Pulsfest sein (und das ist häufig nicht 
spezifiziert).

THOR schrieb:
> Wenn ich nen Sperrwandler mit 1:1 Windungszahlenverhältnis nehme, komme
> ich auf einigermaßen entspannte Werte. Abgesehen vom Schalttransistor
> der natürlich sehr große Spannungen abkönnen muss.
> Aber die Ströme sind alle beherrschbar.

Wenn die Schaltzeiten klein bleiben, stimme ich dir zu. Was ist der 
Vorteil vom Sperrwandler? eine galvanische Trennung brauche ich nicht, 
ich brauche aber einen Trafo, welcher funktionsisoliert sein muss. Wird 
das so normalerweise gebaut? Kannst du erklären warum?

THOR schrieb:
> Hab mal ein bischen gesucht und den IXBF12N300 gefunden. tf ist ein
> bischen lahm, aber damit sollten so 100kHz möglich sein. Die Spule kann
> dann so im 100er-µ Bereich sein.
FETs sind relativ teuer im vergleich zu IGBTs. Wäre aber auch noch eine 
Möglichkeit um schneller zu schalten und so den Strom zu verringern. Ein 
paar 100 µH für die Spule hatte ich auch berechnet.

Nen FET mit 2500V Sperrspannung wirst du vermutlich nicht finden. Nen 
BJT vielleicht, aber keinen FET.

Im 1700V Bereich findet man die BJTs für die Ablenkung bei CRT 
Monitoren.

Der Sperrwandler hat den Vorteil, dass man über das 
Windungszahlenverhältnis bestimmen kann, welche Spannung bei welchem 
Dutycycle rauskommt.

Er hat allerdings den starken Nachteil, dass der Lasttransistor eine 
induktive Last treiben muss.
In dem Zusammenhang wäre ggf. eine Topologie vorteilhaft, wo der Strom 
von allein zum Erliegen kommt.
Gegentakt Flusswandler, SEPIC, sowas.

Ich hab für den 1A Sperrwandler eben mal überschlagen dass man da so mit 
50W Schaltverlust bei 100kHz rechnen muss. Das ist jetzt gegenüber dem 
Lastwiderstand schon fast wenig.

Andere Frage: Wäre es auch eine Option, den Kondensator aus 230V zu 
laden? Das würde die Konstruktion deutlich vereinfachen.

Falk B. schrieb:
> OMG!
>
> Ich würde meinen, daß das Grundkonzept schon falsch ist. Denn bei
> 500uF/2kV verbrät man bei ohmscher Ladung IMMER satte 1000J im
> VOrwiderstand. Ein Kondensatorlader als Schaltregler mit 230V Speisung
> verheizt nicht mal 10% davon.

Nein, muss leider aus der DC-Quelle geladen werden.

Falk B. schrieb:
> D.h. bei 4kW Peak reicht
> ein Widerstand mit 400W Dauerleistung. 2kV sind ja nicht wirklich viel,
> da kann man einfach mehrere Zementwiderstände in Reihe schalten, z.B.
> die 17W Zementwiderstände von Conrad & Co.

Das wären dann über 20 Stück, unter der Annahme sie sind spannungsfest.
Aber Danke da schaue ich noch mal, ob ich wirklich eine Angabe im 
Datenblatt finde, dass man die Dinger um Faktor 10 überlasten darf (wird 
wahrscheinlich auch temperaturabhänig sein).

Falk B. schrieb:
> Einfacher Aufbau.

im Vergleich zum Buck-Converter? Könntest du das näher erläutern?

Falk B. schrieb:
> Naja, für einen Experimentalaufbau KAUFT man sich eine passende
> HV-Quelle, das ist 10x billiger, schneller und im Ergebnis besser, als
> wenn übermotivierte Bastelstudenten meinen, mal fix sowas selber zu
> bauen.

Verstehe ich nicht. Quellen sind vorhanden und selbst bauen wollte ich 
diesbezüglich nichts. Wenn wäre das SNT um aus der DC-Quelle den 
Kondensator zu laden, um den Vorladewiderstand zu ersetzten.

AIX schrieb:
> Spannungsquelle - R - C. Das hatte ich wohl missverständlich
> ausgedrückt. DC-Quelle ist fix und Kondensator muss aufs gleiche
> Potential.

Hallo AIX,

jetzt geh doch bitte mal darauf ein, warum Du

Spannungsquelle - L - C

nicht genauso verwenden kannst? Mache L so groß, dass der Strom klein 
genug bleibt.

... wenn's glücklich macht ...

Leistungswiderstände gibt es, sie wurden bereits erfunden.
Manche Firmen verkaufen sie sogar.

http://www.metallux.de/uploads/media/Leistungswiderstaende-Metallux.pdf

http://de.rs-online.com/web/p/leistungswiderstande-im-alugehause/7014021/

Gruss

Falk B. schrieb:
> Schon mal simuliert, wie groß man L machen müßte und wie groß das dann
> real ist

Nein. Irgendwie habe ich das C und die Zeit noch immer nicht 
herausgefunden (ja, ich weiss, irgendwo sind die bestimmt mal vom TO 
angegeben, ich finds aber nicht!)
Genauso ist es mit der erlaubten Größe. Von der selbsgewickelten Spule 
in Bleistiftgröße bis zur Zündspule aus dem Auto habe ich keine Ahnung, 
wo er hin will.

Falk B. schrieb:
> Außerdem muss man diesen Schwingkreis absichtlich schlecht
> (verlustreich) machen

selbst dazu habe ich keine Vorgabe gefunden, also wieviel Verlust er 
toleriert, oder Überschwingen. Oder welchen Wirkungsgrad er mit 
Buck-Boost erreichen wollte.