Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Stromspitzen glätten


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von Gerd K. (kitong-hi)


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Ich muss einen aktiven Sensor aus einer Spannungsquelle versorgen, 
welche nur einen begrenzten Maximalstrom zur Verfügung stellen kann. 
Dieser Maximalstrom reicht aus, um den durchschnittlichen Strombedarf 
des Sensors (blaue Kurve) zu decken. Das Problem ist, dass der Sensor 
periodisch hohe Stromspitzen abverlangt, welche den Maximalstrom der 
Spannungsquelle übersteigen.

Ich brauche jetzt eine Schaltung zur Platzierung zwischen 
Spannungsquelle und Sensor mit folgenden Vorgaben:
- am Eingang fließt ein annähernd kontinuierlicher Strom hinein, ohne 
Stromspitzen, den die Spannungsquelle auch liefern kann
- die Schaltung enthält Energiespeicher (z.B. Supercap)
- am Ausgang steht für die Stromspitzen ausreichend hoher Strom zur 
Verfügung, der aus dem Energiespeicher kommt und nicht den Eingang 
belastet.

Könnte mir jemand einen Ansatz für die Schaltung liefern?

Kenndaten Spannungsquelle:
- Spannung: 5V
- Strom: max. 100mA

Kenndaten Sensor:
- Spannung: 4V - 5,4V
- Spitze Breite: 20ms
- regulärer Strom: 50mA
- Spitzenstrom: 200mA
- Durchschnittsstrom: 62mA

von Ingo Less (Gast)


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Torsten K. schrieb:
> Könnte mir jemand einen Ansatz für die Schaltung liefern?
Ja, verbau einen Elko

von hinz (Gast)


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Torsten K. schrieb:
> Könnte mir jemand einen Ansatz für die Schaltung liefern?

LC-Filter.


> - Spitze Breite: 20ms

?? Soll das der Abstand der Spitzen sein?

von Gerd K. (kitong-hi)


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ja, 20ms ist die Impulsbreite

von Gerd K. (kitong-hi)


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Hab ich schon ausprobiert. Leider belasten die Stromspitzen dabei immer 
noch auch die Spannungsquelle

von Ach Du grüne Neune (Gast)


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Deswegen ein RC Glied davorschalten mit viel R und wenig C.

von Teo D. (teoderix)


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Gerd K. schrieb:
> Hab ich schon ausprobiert.

~2,5mF und Niederohmig am Verbraucher angebracht?!

von Udo S. (urschmitt)


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Gerd K. schrieb:
> Hab ich schon ausprobiert.

Was genau? Du hast verschiedene Tipps bekommen, benutze den "markierten 
Text zitieren" Button.

hinz schrieb:
> LC-Filter.

Die Spule im LC Filter sorgt bei passender Dimensionierung dafür, daß 
der Strom nicht zu hoch wird.

von Gerd K. (kitong-hi)


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Udo S. schrieb:
> Die Spule im LC Filter sorgt bei passender Dimensionierung dafür, daß
> der Strom nicht zu hoch wird.

Ich habe es auch mit LC-Filter noch nicht geschafft, die Spitzen von der 
Spannungsquelle fernzuhalten. Und ein größerer R in Reihe würde mir bei 
meinem begrenztem Strom nur unnötig Leistung verbrennen, die ich für den 
Sensor brauche

von Teo D. (teoderix)


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Udo S. schrieb:
> Die Spule im LC Filter sorgt bei passender Dimensionierung dafür, daß
> der Strom nicht zu hoch wird.

Jo. ohne L wird dir auch der C nicht viel bringen, da müsste die Quelle 
schon recht dünn angebunden sein (L u.R der Leitungen).

von hinz (Gast)


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Gerd K. schrieb:
> Ich habe es auch mit LC-Filter noch nicht geschafft, die Spitzen von der
> Spannungsquelle fernzuhalten.

10mH und 2200µF

von Harald W. (wilhelms)


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Gerd K. schrieb im Beitrag

>> - Spitze Breite: 20ms
>
> ?? Soll das der Abstand der Spitzen sein?

>> ja, 20ms ist die Impulsbreite

Was denn nun? Impulsbreite oder Abstand?

von Gerd K. (kitong-hi)


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Harald W. schrieb:
> Impulsbreite oder Abstand?

20ms ist die Impulsbreite

von Falk B. (falk)


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Torsten K. schrieb:

> Könnte mir jemand einen Ansatz für die Schaltung liefern?

Naja, man könnte einen klassischen LC-Filter nehmen, aber ich fürchte, 
daß der bei den relativ breiten, niederfrequenten Spitzen relativ groß 
wird, vor allem die Spule.

Wenn deine Quelle WIRKLICH nicht mit mehr als 100mA belastet werden 
kann/darf, würde ich eine aktive 90mA Stromquelle mit geringem 
Spannungsabfall nehmen, die muss auch nicht genau sein. Ein OPV + 
Transistor reichen, siehe Konstantstromquelle, allerdings muss man 
die schaltungstechnisch umdrehen und in V+ einschleifen. Dahinter ein 
großer Elko oder Supercap, man brauch um die 1000uF und mehr. Dann sieht 
deine Quelle sicher nicht mehr als 90mA Pulsstrom.

von hinz (Gast)


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Gerd K. schrieb:
> Harald W. schrieb:
>> Impulsbreite oder Abstand?
>
> 20ms ist die Impulsbreite

Und wie groß ist dann der Abstand der Impulse?

von Falk B. (falk)


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Gerd K. schrieb:
> Harald W. schrieb:
>> Impulsbreite oder Abstand?
>
> 20ms ist die Impulsbreite

Diagramme ohne Achsenbeschriftungen sind Schrott!

von Gerd K. (kitong-hi)


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hinz schrieb:
> Und wie groß ist dann der Abstand der Impulse?

Die Pausenzeit ist ca. 80ms, die gesamte Periode somit ca. 100ms

von hinz (Gast)


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Gerd K. schrieb:
> hinz schrieb:
>> Und wie groß ist dann der Abstand der Impulse?
>
> Die Pausenzeit ist ca. 80ms, die gesamte Periode somit ca. 100ms

Dann verfünffache die genannten Pi*Daumen Werte für L und C.

von Falk B. (falk)


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hinz schrieb:
> Gerd K. schrieb:
>> hinz schrieb:
>>> Und wie groß ist dann der Abstand der Impulse?
>>
>> Die Pausenzeit ist ca. 80ms, die gesamte Periode somit ca. 100ms
>
> Dann verfünffache die genannten Pi*Daumen Werte für L und C.

Schon mal die Eisen- und Kupferpreise am Weltmarkt angeschaut? ;-)

Siehe Anhang, so könnte es ohne L funktionieren. Eine großes C braucht 
man aber trotzdem.
1
C = I*t/dU = 200mA * 20ms / 0,5V = 8mF

Das ist auch bei 6,3V Nennspannung ein GROßER Elko.

von Eierlikör (Gast)


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Gerd K. schrieb:
> Ich muss einen aktiven Sensor aus einer Spannungsquelle versorgen,
> welche nur einen begrenzten Maximalstrom zur Verfügung stellen kann.
> Dieser Maximalstrom reicht aus, um den durchschnittlichen Strombedarf
> des Sensors (blaue Kurve) zu decken.

In dem Fall ist das Problem theoretisch unlösbar. Ein Filter hat immer 
eine endliche Dämpfung, egal welches Filter du nimmst.

Im Übrigen kannst du davon ausgehen, dass die Stromaufnahme des Sensors 
nicht immer gleich sein wird. Sie wird sowohl Temeraturabhängig als auch 
Exemplarabhängig sein. Die Messungen an deinem Laborexemplas sind also 
im Höchstfall nett, aber wenig aussagekräftig.

Will heißen: Wenn das so ist wie du schreibst (keine Reserve), kannst du 
dein Konzept in die Tonne treten.

Wenn du etwas Reserve beim Strom (!) hast, also die Quelle geringfügig 
mehr liefern kann als der Sensor braucht, kann ein LC-Filter abhelfen. 
welches natürlich immer nur eine endliche Dämpfung hast. Du brauchst 
eine Grenzfrequenz, die deutlich unter z.B. 5Hz liegt, da werden die 
Bauteile groß. Umso kleiner deine Reserve, umso deutlicher drunter muss 
die Grenzfrequenz liegen.
Simulier es. Beachte dabei auch, dass ein Filter mit Q>>1 in einer 
Stromversorgung nicht immer eine tolle Idee ist.

Wenn du eine Spannungsquelle hast, die eine deutlich höhere Spannung 
liefert als der Sensor benötigt, kannst du einen LDO verwenden, und VOR 
den LDO einen dicken Kondensator schalten. Der liefert dann den 
Peakstrom. Wenn deine Spannungsquelle nicht überlastet werden darf, wird 
es kompliziert.  Dann brauchst du obendrauf eine Strombegrenzung in 
Serie.

von Harald W. (wilhelms)


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Eierlikör schrieb:

> In dem Fall ist das Problem theoretisch unlösbar.

Praktisch funktioniert ein RC-Filter aber in jeder 
Infrarotfernbedienung.
Warum sollte es hier nicht funktionieren?

von Teo D. (teoderix)


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Harald W. schrieb:
> Warum sollte es hier nicht funktionieren?

Er müsste gefühlt über ca. 60-70ms, einen Stromanstieg unter 
100mA(?Was die Quell halt hergibt) halten. Das wird ein ziemlicher 
Klopper!

von Harald W. (wilhelms)


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Teo D. schrieb:

>> Warum sollte es hier nicht funktionieren?
>
> Er müsste gefühlt über ca. 60-70ms, einen Stromanstieg unter
> 100mA(?Was die Quell halt hergibt) halten. Das wird ein ziemlicher
> Klopper!

Da der Durchschnittsverbrauch bei ca. 60 mA liegt, sind da genug
Reserven. Ein gewisser Spannungseinbruch während der 200mA-Spitze
ist allerdings unvermeidbar und meist auch nicht störend.

von Falk B. (falk)


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Die Lösung mit der (einfachen) Konstantstromquelle (KSQ) hat noch ein 
kleines Problem. In den Pulspausen regelt die voll auf, weil der 
Ausgangsstrom unter 90mA liegt. Kommt dann der Strompuls, dauert es ein 
paar Dutzend us, um die Stromquelle wieder in den aktiven Bereich zu 
regeln. Das kann man in Grenzen mit C1 einstellen. Den kann man solange 
verkleinern, bis die KSQ nicht mehr stabil ist. Vielleich kann man ihn 
auch ganz weglassen, der TS912 ist relativ gutmütig frequenzkompensiert. 
Muss man testen. Trotzdem wird es einen kleinen Strompuls in Richtung 5V 
Quelle geben. Wie breit und hoch der ist, muss man messen, ich tippe mal 
auf <50us und <120mA. Kann das die 5V Quelle aushalten? Was für eine 
mimosenhafte Quelle ist das überhaupt? Sag jetzt bitte nicht 5V vom USB 
;-) Denn der verkraftet 200mA Pulse.

von Ebenso (Gast)


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Den Sensor erst aktiv schalten wenn das Filter genügend Energie 
gesammelt hat, um die Stromspitze zu füttern, d.h. das Messintervall 
vergrößern.

von Falk B. (falk)


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Harald W. schrieb:
> Da der Durchschnittsverbrauch bei ca. 60 mA liegt, sind da genug
> Reserven. Ein gewisser Spannungseinbruch während der 200mA-Spitze
> ist allerdings unvermeidbar und meist auch nicht störend.

Eben, der Sensor verkraftet 4-5,4V, da kann man sich schon 0,5V 
Spannungsabfall erlauben. Außerdem gibt es Superkondensatoren, da sind 
100mF eher die untere Grenze ;-)

10mF / 5,5V für 87 Cent, D11x5

https://de.rs-online.com/web/p/doppelschicht-kondensatoren/7897937/

100mF, 5,5V, für 1,48, D13x8,5

https://de.rs-online.com/web/p/doppelschicht-kondensatoren/7897961/

von hinz (Gast)


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Falk B. schrieb:
> Außerdem gibt es Superkondensatoren, da sind
> 100mF eher die untere Grenze ;-)

Aber aufpassen, der ESR ist da sehr unterschiedlich.

von Falk B. (falk)


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hinz schrieb:
> Falk B. schrieb:
>> Außerdem gibt es Superkondensatoren, da sind
>> 100mF eher die untere Grenze ;-)
>
> Aber aufpassen, der ESR ist da sehr unterschiedlich.

Uuups, stimmt. Die beiden Kandidaten in meinen Links sind die alten, 
hochohmigen Typen!!

Also eher sowas hier

https://de.rs-online.com/web/p/doppelschicht-kondensatoren/7637808/

von chris (Gast)


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Gerd K. schrieb:
> welche den Maximalstrom der
> Spannungsquelle übersteigen.

Dann ist die Spannnungsquelle ungeeignet!!
Wie hoch ist dann der Spitzenstrom wenn die Spannungsquelle den 
benötigten Stom liefern könnte ?

Um wieviel bricht die Spannung von 4,5V-5V zusammen
wenn I-Spitze = 200mA  oder >200mA ist ?

Mal bildlich gesprochen selbe Spannungsquelle 4,5V-5V die von 
schaltbaren Widerständen belastet wird, 10 und 100 Ohm.

10 Ohm = 450mA - 500mA
100 Ohm = 45mA - 50mA

Warum sollte man jetzt den Strom glätten der von den Widerständen 
benötigt wird ? Gut bei Widerständen vllt uninteressant bei Sensoren die 
zwischen Ruhestrom und Betriebströmen schalten würden LC/RC Kombos nur 
bis zu einem gewissen Grad helfen. Die eh überforderte Quelle muss dann 
nicht nur den Spitzenstrom des Sensors bereiststellen sondern auch des 
C...

Strom/Spannungsanstiege sind ebenfalls zu beachten bei Sensoren damit 
die Kisten auch verwertbare Ergebnisse liefern können.

von Teo D. (teoderix)


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Chris! Du würfelst da noch einiges durcheinander und stopfst zu viel in 
einen Topf...

von C:\> (Gast)


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chris schrieb:
> Gerd K. schrieb:
>> welche den Maximalstrom der
>> Spannungsquelle übersteigen.
>
> Dann ist die Spannnungsquelle ungeeignet!! (Und etc.)

Das alles/das meiste stimmt ganz einfach nicht. Mit Kapazitaet,
deren Ladestrom auf unterhalb der Stromlieferfaehigkeit der
Spannungsquelle begrenzt wird, kann_man_puffern - amen.

@Gerd: Du hast eine Menge allgemeingueltige Tipps bekommen. Sehr
schoen war auch die Idee, ueber einen Elko vor d. Spannungsregler,
der auf etwas hoehere Spannung geladen ist und somit mehr Energie
enthaelt, etwas zu gewinnen. Aber auch sonst kam viel nuetzliche
Information.

Theoretisch hast Du Deine Loesung also schon? Doch noch nicht?
Dann waere aber der vollst. Schaltplan und auch die Bedingungen:

Ebenso schrieb:
> Den Sensor erst aktiv schalten wenn das Filter genügend Energie
> gesammelt hat, um die Stromspitze zu füttern, d.h. das
> Messintervall vergrößern.

und alles drumherum interessant/noetig, um konkret(er) zu helfen.

von Wolfgang (Gast)


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Gerd K. schrieb:
> Könnte mir jemand einen Ansatz für die Schaltung liefern?

Für die Freunde der endlosen Eisenstufen ...

von C:\> (Gast)


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Wolfgang schrieb:
> Für die Freunde der endlosen Eisenstufen ...

:)

Großer Vorteil einer (moeglichst niederohmigen) Induktivitaet
vs. lineare KSQ ist die viel geringere Verlustleistung. Die L
gibt beim "Entladen" die gespeicherte Energie wieder ab, nur
im parasitaeren R (dem Drahtwiderstand) und auch durch die
Ummagnetisierung des Kernes (hier sicher materialunabhaengig
sehr gering - Frequenz minimal) entstehen geringe Verluste.
Bei einer Linear-KSQ sind aber die Verluste Spannungsfall*I.

Ich bin durchaus ein Freund der endlosen Eisenstufen...

von chris (Gast)


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C:\> schrieb:
> Das alles/das meiste stimmt ganz einfach nicht. Mit Kapazitaet,
> deren Ladestrom auf unterhalb der Stromlieferfaehigkeit der
> Spannungsquelle begrenzt wird, kann_man_puffern - amen.

Na dich will ich mal sehen wenn du in 20% der Zeit ca 85% mehr Arbeit 
leisten musst. Und in 80% der Zeit trotzdem noch 65% der Arbeit vor dir 
hast... ;)

Na egal gestern war 1ter April vllt meint er ja das er die Spannnung 
recht stabil halten will. Bei einem/r ominösen Spannusgregler/Quelle. 
Der Spitzenstrom fließt so oder so, nur wenn die Kiste in der 
Stromfähigkeit unterdimensioniert ist kann bestimmt ein pfiffiger Ing 
hier mal die Lebensdauer berechnen...

von C:\> (Gast)


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C:\> schrieb:
> Großer Vorteil einer Induktivitaet gegenueber linearer KSQ

(bei R-C statt Linear-KSQ-C ist die Effizienz noch schlechter)

> ist die viel geringere Verlustleistung. Die L
> gibt beim "Entladen" die gespeicherte Energie wieder ab.

chris schrieb:
> Na dich will ich mal sehen wenn du in 20% der Zeit ca 85%
> mehr Arbeit leisten musst. Und in 80% der Zeit trotzdem noch
> 65% der Arbeit vor dir hast... ;)

Du scheinst es auch nach Wolfgangs Post nicht zu verstehen.

> Der Spitzenstrom fließt so oder so,

Ja, aus dem Speicher-C fließt er. Du wolltest vielleicht (oder
auch nicht) sagen, daß der Durchschnittsstrom sowieso fließt.


Ist Dir das Prinzip Speicher/Filter(/Abblocken) echt unbekannt?
Wo doch praktisch jeder Schaltwandler gepulste Stroeme aufweist?


Ja, ein Schaltnetzteil an Pulslast wird im Allgemeinen nach dem
auftretenden Spitzenstrom dimensioniert (als dem spezifizierten
Dauerstrom, ein spezielles "Pulslast" SNT mueßte extra dafuer
ausgelegt sein - z.B. die Halbleiter fuer den Spitzenstrom, doch
dafuer die Kuehlung nach der Dauerlast, etc.).

[Kann je nach exaktem SNT eh auch problematisch sein - viele SNT
moegen es gar nicht, hart gepulst betrieben zu werden (#), manche
moegen alleine schon sehr geringe Last gar nicht all zu gern.]

Doch z.B. viele 50Hz-Trafos laufen an Pulslast, werden dabei
teils stark ueberlastet - kurzzeitig, es folgen jeweils Phasen
zum Abkuehlen.

Ich weiß ehrlich nicht, was Du hast: Da ist eine Induktivitaet,
die den Pulsstrom an der Versorgung auf <= deren Spezifikation
begrenzt - und dahinter ein C, der die geforderten Stromspitzen
liefern kann.

(#): So ein wohldimensioniertes LC-Filter ist auch hierfuer
(siehe oben) eine gute Loesung - statt harten Pulsen wird dem
SNT eine Last mit viel weicheren Flanken "uebermittelt". Also
auch bei ausreichend dimensioniertem SNT kann ein solches LC
Filter das SNT schonen. Es muß nur alles so dimensioniert sein,
daß nicht ungewollt/schaedlich der Laststrom zu sehr begrenzt
wird, also genau abgestimmt.

Das_funktioniert (ehrlich wahr) wirklich_bestens ...

(Oder anders gesagt - gegenteilig zu Deiner aktuellen Auffassung:
Er will die Versorgung eben nicht durch die Pulse ueberlasten.
Und genau das ist mit Wolfgangs Filter perfekt geloest. Bravo! :)

von Bügelglatt (Gast)


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Gerd K. schrieb:
> Das Problem ist, dass der Sensor periodisch hohe Stromspitzen abverlangt

Nein. Das Problem ist Inaktivität [Faulheit] oder Mitteilungsbedürfnis. 
Akku oder Goldcap, früher wurde das mit Elkos gelöst oder mit dem Arzt.

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