Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Einweggleichrichter mit N-FET und Verbesserungsbedarf


von David H. (tuxpilot)


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Hi,

ich habe Anfang dieses Jahres diesen "Einweggleichrichter" entdeckt und 
auf N-FET gespiegelt.
http://robotics.ong.id.au/2014/07/30/raspberry-pi-b-power-protection-circuit/
Jetzt bin ich mal wieder daran. Ich habe meinen Schaltplan und Messungen 
(wieder mit Nabendynamo, Last ist 100μF und ein paar kΩ) angehängt.
Blau: Eingangsspannung [in Volt]
Grün: Ausgangsspannung [wieder Volt]
Gelb: Gate-Source-Spannung [auch Volt]
(Zenerdiode war bei der Messung 5,1V, wegen Bauteilsalat.)
Nabendynamo läuft bei etwa 12Hz.
(T3 war ursprünglich BUK9M53-60E, macht aber keinen Unterschied.)

Warum das ganze? Um den Spannungsabfall an einer Diode zu sparen (habe 
ich damals schon erklärt, hat aber kaum jemand verstanden). 
Spannungsabfall ist im Bild demonstriert, indem ich T3 durch zwei Dioden 
1N4148 ersetzt habe.

Was mich stört, ist der recht hohe Ruhestrom, wenn der Eingang 
offen/kurzgeschlossen ist, aber am Ausgang noch Ladung ist. Über R1 und 
R3 beträgt der Ruhestrom etwa 200μA, womit der Akku, der geladen werden 
soll, nach 2 Wochen wieder leer wäre.

Lösungsansatz: Bei R1 oder R3 hätte ich gerne auch 1MΩ. In dieser Form 
schaltet dann aber T3 zu langsam ab / T2 zu langsam ein. Da muss ich 
noch überlegen. Vielleicht einen IRLML2244 für T2, denn durch dessen 
Gate fließt kein Strom.

Gute Nacht noch.

: Bearbeitet durch User
von Dieter (Gast)


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Genau um den Spannungsabfall an den Dioden bei niedrigen 
Geschwindigkeiten zu sparen. Aber das gibt es nicht umsonst, dh einen 
anderen Nachteil, wie Du schon herausgefunden hast.

von Keine Ahnung (Gast)


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keine Ahnung aber wie wärs mit nem Brückengleichrichter aus SM74611?

von montag,24.12. (Gast)


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David H. schrieb:

> Was mich stört, ist der recht hohe Ruhestrom, wenn der Eingang
> offen/kurzgeschlossen ist, aber am Ausgang noch Ladung ist. Über R1 und
> R3 beträgt der Ruhestrom etwa 200μA, womit der Akku, der geladen werden
> soll, nach 2 Wochen wieder leer wäre.

Einfach eine Diode zwischen deinem Spezialgleichrichter und den Akku 
einfügen!:-)))

Im Ernst, wenn schon ein grottiger Einweggleichrichter verwendet wird, 
dann lohnt sich das optimieren nicht. Für signifikant bessere Ergebnisse 
lieber auf Vollwellen/ Brückengleichrichter umsteigen.

von Der Zahn der Zeit (Gast)


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Ich will mal versuchen, auf deine Frage einzugehen und nicht die Sinn 
deines Vorhabens in Zweifel zu ziehen.

R1 ist viel kleiner als R2, weil sich dadurch die B/E-Schwellspannungen 
von T1 und T2 deutlich unterscheiden. Das ist erforderlich, damit noch 
eine definierte, minimale Dioden-Schwellspannung bleibt, andernfalls 
könnte der Ausgang den Eingang rückspeisen. Wenn R1 größer gemacht wird, 
kann das Ganze immer noch funktionieren, aber es wäre prinzipiell keine 
gute Idee. Aber mit einem zusätzlichen Spannungsteiler an der Basis T1 
ließe sich das wieder zurecht rücken. R3 bleibt dabei am Kollektor von 
T1.

Das langsame Schalten, von dem du schreibst, könnte eine falsche 
Beschreibung des bereits erwähnten und zu erwartenden Effekts der zu 
geringen Dioden-Schwellspannung sein, es könnte aber auch ein Problem 
mit dem dynamischen Verhalten der Schaltung sein. Ein ausreichender 
Kondensator C -> E (T1) sollte das beheben. Auch wegen des recht 
hochohmigen R2 würde T3 relativ langsam einschalten, aber relativ heißt: 
Wenn's reicht, ist's ok. Diese ganze Schaltstufe kann man noch deutlich 
beschleunigen, ohne mehr Stromaufnahme zu bekommen.

SM74611: Datenblatt lesen, verstehen und dann einsehen, dass die SM74611 
ungeeignet sind.

Brückengleichrichter: Ja, auf jeden Fall sinnvoll. Wie ist das mit 
Sättigung eines Dynamos (oder Trafos) wenn er DC-belastet wird? Wenn 
meine Änderungsvorschläge funktionieren, könnte man über eine 
Vollwellen-Version der Schaltung nachdenken.

von Dieter (Gast)


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Anzumerken sei noch, dass Dynomostrom viele Oberwellen enthält und vor 
allem bei niedrigen Drehzahlen dieser Anteil höher ist. Das führt dazu, 
dass bereits bei geringen Geschwindigkeiten, ca. ab 3km/h bereits LED 
mit vorgeschalteten Widerstand ab 1,7V (Rote LED) zu leuchten beginnen.

Hinter den Gleichrichter müßte man zustzlich noch eine zweite Schaltung 
setzen, die nach einer bestimmten Zeitkonstante die Last, bzw. den Akku 
komplett trennt (Also noch ein weiterer MOSFET als Schalter.). Eine 
andere Lösung sehe ich hier eigentlich nicht.

von Harald W. (wilhelms)


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David H. schrieb:

> Warum das ganze? Um den Spannungsabfall an einer Diode zu sparen (habe
> ich damals schon erklärt, hat aber kaum jemand verstanden).

Das macht aber keinen grossen Sinn, weil ein Fahrraddynamo als
Stromquelle diesen "Abfall" problemlos ausgleicht. Und an seinen
Waden wird man die paar Milliwatt wohl auch nicht merken.

von Tuxpilot (Gast)


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Dieter schrieb:
> Hinter den Gleichrichter...

Hat mit dem Gleichrichter nicht viel zu tun, aber nagut.

Der Dynamo ist übrigens ein DH-3N20-A von Shinamo, ein typischer 
Billig-Dynamo. Liefert im Leerlauf (mit 11kΩ und ohne TVS gemessen) 
locker 160V Scheitelspannung. (Ihr dürft an meinen Messungen zweifeln, 
aber nur ein bisschen.)

Zur Vollständigkeit habe ich Spannungskurven [und wieder in Volt] für 
zwei ohmsche Lasten (versucht anzuhängen). Dynamo läuft bei grob 8Hz.

von Dieter (Gast)


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Bei 30kmh hat meiner im Leerlauf ca. 25V eff 120...150Hz, ein alter 
Seitenlaufer die vierfache Frequenz.

Bei deinen 60 kmh sind die Scheitelwerte etwas zu hoch.

von David H. (tuxpilot)


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Der Zahn der Zeit schrieb:
> Wenn meine Änderungsvorschläge funktionieren

Entweder sie funktionieren nicht so gut oder ich habe sie nicht richtig 
verstanden. Das beste Ergebnis habe ich jetzt mit anderen 
Widerstandswerten erreicht:
R1 = 500kΩ
R2 = 1MΩ
R3 = 1kΩ

Mit zufälligen Versuchen habe ich festgestellt, dass ein 100nF parralel 
zu R2 schnelleres An- und Abschalten bei hohen Frequenzen bewirken 
könnte, aber sonst noch langsamer macht (logisch...).

Die Gatespannung ist jetzt abhängig vom Strom über T3, erst bei 1A 
schaltet er voll durch. Daraus schließe ich, dass diese Schaltung mehr 
Spannungsabfall fordert, etwa 0,2V.

Bilder anhängen geht leider immer noch nicht: Failed loading page

von David H. (tuxpilot)


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Um das ganze albern zu machen, habe ich jetzt die ganzen Transistoren 
und so durch einen OpAmp ersetzt, durch einen TS272.

OpAmp wird über Out+ und Out- versorgt, aber mit Widerstand und 
Zenerdiode.
Dynamo- und Out- über Spannungsteiler an negativen und positiven 
Eingang.
Halt: Out- ist Out-, also kommt an den positiven Eingang einfach Out- 
plus den gewünschten Spannungsabfall. Habe einfach trotzdem Out- 
angeschlossen, also Spannungsabfall = 0V.
Spannungsteiler für negativen Eingang ist 10kΩ:1MΩ, damit bleibt man 
sogar im erlaubten Spannungsbereich.
Ausgang direkt ans Gate.

Der Ausgang steuert das Gate so, dass der gewünschte Spannungsabfall 
abfällt. Mit den 0V funktioniert das ziemlich gut.

Der OpAmp wird als Komparator genutzt. Mit dem digitalen Ausgang eines 
Analog-Komparator in einem AVR probiere ich es später auch noch aus. 
Dann ist das ganze gleich programmierbar, aber der Spannungsteiler muss 
eine niedrigere Impedanz haben -> Stromverbrauch?

Einmal auslachen bitte.

von Dieter (Gast)


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Einmal muss man alle moeglichen Varianten ausprobieren. Und das ist ok. 
Vor allem lernt man viel dabei.

von Der Zahn der Zeit (Gast)


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Dieter schrieb:
> Einmal muss man alle moeglichen Varianten ausprobieren. Und das
> ist ok. Vor allem lernt man viel dabei.
Das möchte ich einmal ganz dick und fett unterstreichen und allen denen 
hinter die Ohren schreiben, die als "Antworten" nicht mehr wissen oder 
können, als das Vorhaben des Fragestellers (oder gleich seinen 
Geisteszustand) in Frage zu stellen.

R1 = 500kΩ
R2 = 1MΩ
R3 = 1kΩ
Das müsste immer noch für die geringe erforderliche Schwellspannung 
reichen, die dafür gebraucht wird, damit der FET nicht noch bei geringen 
Rückwärtsströmen leitet. R3 ist offensichtlich nur ein Schutz, wenn die 
Spannung über die beiden Emitter zu hoch wird und einer zu "zenern" 
beginnt (das passiert bei etwa 10 V).

100n parallel R2 -> schneller? Meinst du wirklich schneller? Oder 
früher? Da ist doch was faul. Oberfaul. Halt - ein Teil der AC-Spannung 
ist dann ja der Gate-Spannung überlagert - irgendwas passiert dann. 
Klingt ungesund.

Deutlich schneller bekämst du die Schaltung mit einem Emitterfolger 
zwischen T2 C und T3 G. PNP oder NPN - das müsste weitgehend egal sein. 
1 - 10k als Emitterwiderstand würde ich mal vorsehen. Es gibt noch eine 
trickreichere Schaltung mit Emitterfolger: NPN-Transistor, kein 
Emitterwiderstand, statt dessen eine Diode zwischen seine Basis (Anode) 
und den Emitter (Kathode). Dann wird die Gate-Spannung nicht über einen 
relativ hochohmigen Widerstand abgebaut, sondern über T2, der 
wahrscheinlich beim Low-Ziehen deutlich kräftiger ist. (Wenn nicht: noch 
ein PNP-Transistor statt der Diode. Dann haben wir eine 
Gegentakt-Endstufe.)

Mit OP-Amp: Die 2-Transistorschaltung ist im Prinzip auch einem Op-Amp 
ähnlich. Natürlich sollte es auch mit einem Op-Amp gehen. Meine größte 
Sorge dabei wäre, dass das Verhalten des Op-Amps bei geringer 
Betriebsspannung undefiniert wäre, andererseits würde der FET bei 
geringer Betriebsspannung ohnehin nicht schalten - also eigentlich egal. 
So oder so ist diese Schaltung nur ab bestimmten Mindest-Spannungen 
funktionsfähig.

DZDZ

von Harald W. (wilhelms)


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Dieter schrieb:

> Vor allem lernt man viel dabei.

Mit etwas Glück lernt man sogar, das ein solcher Gleichrichter
an einem Fahrraddynamo keinen Sinn macht. :-)

von Eberhard H. (sepic) Benutzerseite


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David H. schrieb:
> Hi,
>
> ich habe Anfang dieses Jahres diesen "Einweggleichrichter" entdeckt ...

Wie bereits empfohlen, bringt ein Brückengleichrichter (insbesondere mit 
etwas überdimensionierten Schottky-Dioden, dabei auf kleinen 
Rückwärtsstrom achten) bei gleicher Siebung bestimmt ein besseres 
Ergebnis als eine Einweggleichrichtung (und sei sie noch so ideal).

Wenn bei deiner Anwendung auch bei sehr kleinen Geschwindigkeiten 
ausreichend Ladespannung nötig ist, könntest du über eine 
Spannungsverdopplung (Delon-Schaltung) nachdenken, die allerdings den 
maximal möglichen Ladestrom halbiert und ggf. zwei größere Elkos 
benötigt (statt nur einem).

Deine Frequenzangaben von 8 Hz bzw. 12 Hz erscheinen mir für den DH-3N20 
sehr klein.

Bei einer angenommenen Polpaarzahl von 14 und einem 28"-Rad wäre das bei 
8 Hz Dynamofrequenz nur etwa Schrittgeschwindigkeit.

Für einen vergleichbaren Nabendynamo DH-3N80 gibt es hier einige 
Messwerte bis 50 km/h: 
http://www.led-treiber.de/html/quellen.html#3N80-Messwerte

Falls sowohl sehr geringe als auch hohe Geschwindigkeiten/Drehzahlen 
vorkommen, könnte man mit relativ wenig Zusatzaufwand die 
Spannungsverdopplung (= halbe Brücke) geschwindigkeitsabhängig in eine 
Brücke umschalten.

Auch die Spannungsverdopplung und die Brücke ließen sich "ideal" 
realisieren. Es wird den Aufwand aber kaum wert sein.

Vielleicht zeigst du uns noch deine ganze Schaltung statt nur die 
Gleichrichtung ...

von Tuxpilot (Gast)


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Hier jetzt die Bilder zu meinen vergangenen Beiträgen und relativ 
erfolglosen Folgeversuchen. Das mit dem Analogkomparator im AVR ist noch 
nicht dabei.

Schematic2.png ist der Schaltplan hieraus:
David H. schrieb im Beitrag #5672542 am 2018-12-26:
> [...] mit anderen Widerstandswerten erreicht:
> R1 = 500kΩ
> R2 = 1MΩ
> R3 = 1kΩ

Einen Plot gibt es auch, sieht langweilig aus.
(Braun ist der Strom am Eingang in 100mA)

Schematic3.png ist das mit dem TS272. Einfache Schaltung. Plots  gibts 
auch, Gatespannung geht nicht höher als sie muss (habe ich bereits 
beschrieben).
(Die Unterstrichkolonnen bedeuten: 20Ω, 4,7mF)
(Die Zenerdiode ist 8V, da war mein Mauszeiger im Bild)

Schematic4.png ist das gleiche mit einem billigeren MCP6231U, den ich 
noch rumliegen habe. Zwei weitere Widerstände waren nötig, 
wahrscheinlich um den passenden Spannungsabfall einzustellen oder die 
Eingangsspannung ausreichend hoch zu halten. Ohne diese Widerstände 
schaltet er nicht ein oder zu spät ab. Meine Vermutung ist, dass ich 
beim TS272 mehr Glück mit den Toleranzen an den Eingängen hatte.

Wegen Stromverbrauch ist Schematic3 theoretisch gut, allerdings habe ich 
hier nicht die Stromsparversion des TS272 zum testen.

Ich werde das mit dem Analogkomparator fortsetzen. AVR wäre stromsparend 
genug, ausserdem kann ich bei Bedarf mit Software übernehmen.

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