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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Sensor autark betreiben mit einem Thermogenerator


Autor: Jürgen Schäfer (Gast)
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Hallo Allerseits,

Ich habe ein Problem und zwar versuche ich über einen Thermogenerator
der ungefähr max 100mV rausgibt eine Schaltung zu basteln die einen
Elektroniktauglichen Pegel von 3.3V bzw. 5V erreicht.
Das Problem ist jetzt eben nur das sämtliche Bauteile die in der Lage
sind Spannung hochzusetzen eben erst ab 0,7V anfangen.
Ich habe mich schon mit Oszillatoren auseinander gesetzt aber komm auf
keinen grünen Zweig, zumindest Simulationstechnisch nicht (mit PSpice).
Mein Ansatz war Gleichspannung zu zerhacken und einen mit einer Spule
das ganze dann ein bisschen hochzusetzen um den Kondensator zu laden
(stichwort Meißner oder LC-Oszillator) aber es funktioniert einfach gar
nichts.
Bin jetzt schon 2 Wochen intensiv am Probieren und Simulieren.
Also wenn irgendjemand ein tipp hat wie ich aus 100mV meinetwegen auch
nur auf 0,7V komme wäre mir sehr geholfen.
Ich danke euch recht herzlich im Vorraus.

Gruß Jürgen

Autor: Benedikt (Gast)
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Irgendwo hab ich mal eine Schaltung gesehen, die 5V aus einer einzelnen
Solarzelle (also max 450mV) erzeugt hat.
Zwei MOSFETs wird die Spannung auf einen Übertrager gegeben, der die 5V
erzeugt, mit der auch der Oszillator versorgt wird der die MOSFETs
ansteuert. Einziger Hacken an der Sache: Man benötigt erstmal eine
Hilfsspannung um die Schaltung zu starten.

Autor: Marko B. (Gast)
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Die "Joule Thief" Schaltung [1] läuft ab ca. 450mV an und funktioniert
(wenn sie erstmal schwingt) bis hinunter zu 350mV.

Wenn man den Transistor durch einen Germaniumtypen ersetzt müßte die
Schaltung eigentlich bei einer noch kleineren Spannung anlaufen.

Der Joule Thief ist in dieser Hinsicht schon optimal, da sich hier die
Spulenspannung zur Betriebsspannung hinzuaddiert. Was besseres wird man
kaum finden. Die untere Grenze ist eben die Schaltschwelle des
Schaltelements.

[1] http://www.emanator.demon.co.uk/bigclive/joule.htm

Autor: alfsch (Gast)
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das einzige bauteil, das mir einfällt, und mit <0,5v aktiv sein kann:
ein j-fet !!! der is auch bei 0v teilweise on, damit könntest du dann
nen oszillator ala Joule Thief bauen, der auch bei 0,1v geht.

Autor: alpha (Gast)
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Germaniumtransistor probieren.

Autor: Jürgen (Gast)
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Hey,
Joule Thief ist ein guter Ansatz zusammen mit dem J-Fet kann ich
zumindest mal neue Hoffnung schöpfen und das ganze mal neu
ausprobieren.

Vielen Dank Vorerst für eure Hilfe!

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (Gast)
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Die pinch-off-Spannung ( so heißt das soweit ich weiß) von J-FETs
beträgt nomalerweise mehrere Volt, ob es Spezialtypen mit wesentlich
kleinerer Spannung gibt, ist mir nicht bekannt. Der JFET leitet
vielleicht bei 0 V aber er schaltet mit der kleinen Spannung nicht ab.
Das einfachste wäre, mehrer Thermogeneratoren hintereinanderzuschalten.

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (Gast)
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Die einzige Möglichkeit ist, kurzzeitig eine höhere Spannung zu
erzeugen, mit einer Drossel / Trafo , deren Stromfluß plötzlich
abgeschaltet wird, sodaß eine ausreichend hohe Spannung entsteht, um
eine Transistorschaltung zu betreiben, die sich anschließend selbst
versorgt. Wegen des geringen Spannungsabfalls wäre ein Leistungs-MOSFET
mit ein paar Milliohm Durchlaßwiderstand ideal, aber der braucht bis zu
10 V Schaltspannung am Gate.

Autor: Jörg S. (Gast)
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Was für einen Innenwiderstand hat der Thermogenerator? Wenn man den
belastet, bricht der doch bestimt noch ein wenig (oder viel?) ein,
oder?

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (Gast)
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Die Thermogeneratoren in Gasherden, zum Schutz vor einem Verlöschen der
Flamme, und anschließend ausströmenem Gas, betreiben einen
Elektromagneten, der das Ventil offenhält.
Ohm hat das Ohmsche Gesetz mit Thermoelementen nachgewiesen, weil es
die stabilste Spannung mit dem niedrigsten Innewiderstand war, die man
damals erzeugen konnte.

Autor: Jürgen (Gast)
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Hey Cristoph,

das problem ist dass das ganze eben klein bleiben soll also 1cm² fläche
für den Thermogenerator mehr ist nicht drin, mehrere Thermogeneratoren
fallen flach.

Was das mit den Germanium Transitoren angeht, habe ich überall nach
Spice modellen gesucht aber keinen einzigen gefunden.

Autor: Jürgen (Gast)
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Das mit dem Trafo / Drossel ist auch mein Ansatz, wie gesagt LC
Oszillator und das mit den selbstleitenden MosFETS versuch ich auch
schon eine Weile aber es kommt maximal zu einer gedämpften schwingung
über 10 Sekunden und die hat grade mal in der ersten Periode ein Peak
von 400mV. Jetzt kommt der Germanium Transistor ins Spiel. Wenn ich ein
Spice Modell hätte könnte ich jetzt versuchen eine Verstärkerschaltung
aufzubauen die sich dann selbst versorgt. Aber so Lange das nicht
funktioniert werde ich andere Möglichkeiten suchen. Das Problem ist
einfach die extrem niedrige Spannung die man gar nicht erst in
Brauchbare Höhen Zerhacken oder Osszillieren lassen kann.

Der Innenwiederstand ist ca. 8 Ohm und er geht eigentlich nur
unmerklich zurück.

Gruß

Autor: Jürgen (Gast)
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Hallo nochmal also die Joule Thief Schaltung ist ein guter Ansatz aber
die Simulation funktioniert einfach nicht.
Hat irgendjemand vielleicht ein PSpice oder Simplorer file in dem nur
ansatzweise die Spannungsverstärkung funktioniert.
Vielleicht mach ich gänzlich was falsch.

Dankechön

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (Gast)
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Ein Schlüsselwort für Google ist "Bootstrap"
Damit findet man beispielsweise einen step-up-converter von ST.com
http://www.st.com/stonline/press/news/year1999/p024c.htm
...once the device starts, a bootstrap effect allows the input voltage
to drop as low as 0.6 V at a 1 mA output current...

Autor: Marko B. (Gast)
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Ich habe den Joule Thief in LTspice simuliert, siehe Anhang.

Autor: Jürgen (Gast)
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Dankeschön Marco,

ich denke ich steige auf LTspice um.
bis 500mV gehts ja ganz ordentlich.
Mal sehen was passiert wenn ich nen Oszilator davor schalt.

Autor: Marko B. (Gast)
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So, ich habe einen Germaniumtransistor aufgetrieben. Ein 2SB492 aus
einer alten Kamera; ich schätze irgendwann aus den 1960ern. Damit habe
ich einen Joule Thief aufgebaut. Ergebnis: die weiße LED leuchtet
bereits ab 240mV! Ein Foto ist im Anhang. Bereits ab 230mV kann man ein
fahles Schimmern sehen. Das dürfte kaum noch zu toppen sein.

Jürgen:

> Mal sehen was passiert wenn ich nen Oszilator davor schalt.

Wie meinen? Der Joule Thief ist doch schon ein Oszillator ...

Autor: Jürgen (Gast)
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Hey,

ich hatte einen Meißneroszillator mal aufgebaut der mit 200mV
Eingangsspannung, schon bis zu 420mV Amplitude geschwungen hat.

Aber das mit dem Germanium Transistor ist schon echt genial.
Das Problem ist das ich es in SMD-Bauform haben will und germanium
transistoren gibts ja leider nicht in SMD Bauform?!
Oder hat sich da was verändert?

Gruß

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (Gast)
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Datenblätter zu Germaniumtransistoren gibt es noch hier:
http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/13...
SMD war damals nicht üblich, aber für Hörgeräte, Wanzen u.ä. gab es
Miniaturgehäuse.
Wobei Germanium ziemlich hitzeempfindlich ist, ich meine ab 90 Grad
Celsius kann es schon degenerieren, während Silizium erst ab 250 Grad
bleibende Veränderungen erleidet.
Es gibt heute auch Si-Ge Mischkristall-Transistoren wie den BFP620, wo
die mit ihrer Schaltschwelle liegen weiß ich nicht. Wo liegt eigentlich
GaAs? Daraus werden aber nur FET hergestellt.

Autor: Marko B. (Gast)
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Ich habe noch etwas experimentiert und den Basiswiderstand auf 100 Ohm
verringert. Jetzt leuchtet die LED tatsächlich bei 105mV
Eingangsspannung! Allerdings nur bis ca. 600mV, dann hört die Schaltung
wieder auf zu schwingen ...

Autor: Jürgen (Gast)
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Hey nochmal an alle,

Ich habe nun eine Frage die Ihr mir vielleicht aus dem Stehgreif
beantworten könnt und sagt man ist der blöd!
Aber wer weiß:
Also , ist es möglich aus 2 Schottky Dioden oder irgendeiner
Kombination einer schottky Diode mit einer anderen Diode einen
"Transistor" zu Bauen der eine Schaltschwelle von 0,3 V
unterschreitet bei einem Strom unter 100mA?
Da würde es nähmlich massig SMD bauteile dafür geben und ich Simulier
gerade fleißig kriegs aber momentan nicht hin.

Vielleicht ist es auch nicht möglich, hab da echt zu wenig ahnung?
Ich hab die Schaltung wie sie nicht funktioniert mal angehängt.
Gruß jürgen

Autor: Klaus (Gast)
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In der Zeitschrift "EDN" gab es kürzlich den Artikel

"JFET-based dc/dc converter operates from 300-mV supply"

http://www.edn.com/article/CA6335301.html?industryid=2816
http://www.edn.com/contents/images/6335301.pdf

Autor: Jürgen (Gast)
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Ist zwar eine geniale schaltung aber doch verdammt aufwändig.
Der Ansatz mit den Dioden gefällt mir da besser, aber ich weiß eben
nicht ob das überhaupt machbar ist.

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (Gast)
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Ein Transistor sind nicht einfach zwei Dioden, da fehlt das
Verstärkungsverhalten.
In der Elektor war mal eine Selbstbauanleitung für einen Transistor aus
den 50ern abgedruckt, in eine Spitzendiode wurde mit dünnem Glimmer
isoliert eine zweite Drahtspitze eingeschweißt ( man nehme...Elko
auf...Volt aufgeladen und entlade ihn über die Verbindungsstelle...)
Mit etwas Glück macht der entstandenen Transistor mehr als 1fache
Verstärkung.

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (Gast)
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Es gibt übrigens noch "Zero-Bias-Dioden" z.B. von www.avagotech.com ,
früher Agilent und Hewlett-Packard. Die haben eine Schwelle etwa bei
Null Volt, und werden für HF-Detektoren benutzt.

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (Gast)
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http://www.avagotech.com/assets/downloadDocument.do?id=2475
Die zero-bias Schottkydiodenfamilie HSMS 285x

Autor: alpha (Gast)
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Nuetzt hier aber nix. Wenn es ein Joulethief mit Germanium nicht tut tut
es gar nichts. 1 cm2 Thermogen mit 8 Ohm Innenwiderstand? Sicher? Und
den hast Du nicht einfach mit dem Multimeter als Widerstandsmessgeraet
gemessen?

Autor: Jürgen (Gast)
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Nein aus den Datenblättern rausgelesen bzw. berechnet ich kann ca. je
nach Temperaturunterschied 300 bis 400µW rausholen.

Autor: alpha (Gast)
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400µW

100 mV --> 5 V
~80 uA.

Viel Spass.

Autor: Jürgen (Gast)
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Habs jetzt nochmal so grob über den Daumen gepeilt nachgerechnet (ist
blöd weil ich keine Datenblätter hab und es nur anahnd der einzelnen
Thermoelemente hochgerechnet ist.
Und Ihr habt ungefähr schon recht es kommen 300µA raus :-(.
Da geht nicht viel. Aber andererseits kommt es ja auf die den Strom an
der direkt am Thermowandler rauskommt um erstmal die Spannung
hochzukriegen. Das mit dem Sensor ist jetzt mal nicht wichtig.

http://www.edn.com/contents/images/6335301.pdf

Er schaffts auch bei sehr geringem Strom schon einen Hochsetzsteller zu
basteln.
Die Joule-Thief mit einem selbsleitendem FET habe ich schon probiert
muss aber noch rummmachen aber es müsste doch irgendwie möglich sein
einen Brauchbaren Pegel zu bekommen.
Übrigens Miniatur Germanium Transistoren find ich nirgends.

Autor: Jürgen (Gast)
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Hallo nochmal,

ich will jetzt das Problem anders angehen und will zuerst mal verstehen
warum denn die Oszillatoren schwingen bzw. die Spanung zerhacken und
würde gern ein paar Formeln erfahren mit den ich z.b. die Joule thief
schaltung Bauteilmäßig parametriern kann und die Schaltung verstehen.

Könnte mir jemand helfen?

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (Gast)
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Der "Joule thief" ist offenbar ein "Armstrong Oszillator":
http://en.wikipedia.org/wiki/Armstrong_oscillator
http://www.electronixandmore.com/articles/oscillators.html
da er mit einem Trafo in der Rückkopplung arbeitet, ein sehr altes
Prinzip.
Sperrwandlerschaltungen besonders für höhere Spannungen wie
Fotoblitzgeräte, arbeiten mit einem Trafo mit drei Wicklungen. Conrad
hat so einen kleinen Trafo im Programm (Für Stroboskopblitzröhren),
laut Datenblatt arbeitet er bei 15 kHz optimal.

Autor: jürgen (Gast)
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Hey,

kann von euch jemand eigentlich erklären warum die Joule Thief
Schaltung schwingt?
Bzw. warum öffnet sich der Transistor und schließt wieder?
Ich meine wo ist da der Schwingkreis für die Anregung ist doch nur ein
Trafo.
Was hat die Gegeninduktivität für einen einfluss??
Ich hab kein plan was da vor sich geht bzw. warum das teil schwingt.

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (christoph_kessler)
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Ich hatte das schon mal irgendwo gepostet, jetzt halt nochmal, Info über
Sperrwandler und Datenblattauszug vom Conrad Sperrwandler-Trafo mit
Schaltplan. Da ist auch kein Schwingkreiskondensator drin. Der
Oszillator hat irgendeine Resonanzfrequenz, die sich vermutlich aus den
Schaltzeiten des Transistors ergeben.

Autor: Peter (Gast)
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Kann man nicht ein mechanischen Spannungsverstärker bauen? Also der
Termogenerator bringt ja reltiv viel Strom mit sich. Da könnte man doch
eine Spule wickeln und in Reihe einen Reedkontakt.

Das ganze funzt in etwa so Strom fließt duch die Spule -> Manetfeld
baut sich auf -> Reedkontakt öffnet -> Spannungsspitze entsteht.

Eventuell kannst aber auch einen Solarmotor nutzen es steht zwar immer
da das diese nur ab 0,3V gehen aber sie werden sich wo auch schon etwas
eher losdrehen.

Autor: Barti (Gast)
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Naja die Idee mit dem Reed-Kontakt wird bei den kleinen Spannungen
wahrscheinlich nicht funktionieren. Zumal Du da einen Haufen an Energie
verheizen wirst. Ich denke der Ansatz mit dem Germaniumtransistor ist
nicht schlecht.

Autor: Jörg S. (Gast)
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In der aktuellen "Elektronik" (17/2006) ist ein Bericht über
Energiegewinnung am Körper drin. Da geht es um Energiegewinnung durch
Wärme und Bewegung.
Die haben es ich aber leicht gemacht und die Thermogeneratoren in Reihe
geschaltet ;)

Autor: Profi (Gast)
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@Jörg:
gerade wollte ich es auch sagen: es gibt doch Armbanduhren, die mit der
Körpertemperatur arbeiten.
Oder welche, die mit einem radioaktiven Element arbeiten, dessen Wärme
einen Thermogenerator treibt, sozusagen ein µAKW
(Mikro-Atomkraftwerk).

Es muss solche Elemente mit ausreichender Spannung schon fertig geben.
Lasst uns mal auf die Suche gehen...

Autor: Profi (Gast)
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thermogenerator radioaktiv

thermogenerator armbanduhr

sind schon mal gute Ansätze.

Im Prinzip müsste doch ein Peltier-Element auch als Thermogenerator
funktionieren. Gibt es so kleine Peltier?

Autor: Hauke Radtki (Gast)
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Klar gibt es so kleine Peltier, ein großes ist ja auch nur aus ganz
vielen kleinen elementen zusammengesetzt. um genau zu sein kann man
Peltier elemente nahezu beliebig klein herstellen.

Autor: Hendi (dg3hda) (Gast)
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Am Rande ist vielleicht auch

http://en.wikipedia.org/wiki/Radioisotope_thermoel...

interessant !

Grüße,
Hendi

Autor: Jörg S. (Gast)
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Wie ist das denn eigentlich bei den RFID Tags. Die versorgen sich doch
aus einem HF-Feld. So große Spannungen können da doch auch nicht
auftreten?

Autor: ??? (Gast)
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Die Thermogeneratoren sind ja nur Thermoelemente... Also bauen wir eine
Batterie. Einfach mehrere in Reihe und gut. Die gelieferten Spannungen
der einzelelemente liegen ja durch die Physik fest. (Seebeck-Effekt)
sowas kann man kaufen oder selber bauen.


           Warm
------o  o  o  o  o  o------
       \ |\ |\ |\ |\ |
        \| \| \| \| \|
         o  o  o  o  o
           Kalt

immer jeweils ein Thermoelement (o) z.B. Eisen / Konstantan das ist
billig und gur selber zu machen. Auf die Genauigkeit kommts dabei ja
nicht an.

Autor: Jürgen (Gast)
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"JFET-based dc/dc converter operates from 300-mV supply"

Die Schaltung funktioniert aber leider zieht die mal kurz ca. 30 mA bis
sie los läuft :-(.
Was kann man da nochmachen um den Strom kurz zu liefern wenn man ca nur
100µA hat?
Ich habe es mi einem Goldcap probiert ca. 220mF und auch 100mF.
Das ding läd sich zwar gut auf aber die Schaltung schwingt trotzdem
nicht an.

Autor: Alpha (Gast)
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Ganz einfach nimm eine leistungsfaehigere Stromquelle. Mit deinem
Miniteil knn man nunmal keine Spruenge machen...

Autor: Berti (Gast)
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Spannendes Thema, ich möchte einen MSP430 im Power down Mode nur durch
"Energy harvesting" zu betreiben.

Ansätze hatte ich schon: Seebeckeffekt; ausnutzung der EM Wellen von
handy masten, radio usw

Leider noch nicht wirklich weit gekommen...
Der Suchbegriff "Energy harvestig" bringt ganz interresante Links...

Autor: Jürgen (Gast)
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Seebeck effekt hab ich an den Thermogenerator, aber das mit den EM
Wellen hört sich auch interessant an. Aber ist eben das Problem steht
das einfach zu wenig strom oder zu wenig spannung rauskommt um
irgendwas zu betreiben.

Autor: Berti (Gast)
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Naja, der Power Down Mode von einem MSP müsste drin sein...

Autor: Bertram S. (bschall)
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Mein Problem bei dem Meißner Oszillator ist die hohe Stromaufnahme...
Wenn ich statt der LED einen Widerstand mit 350k bei der Simulation 
verwende steigt der Eingangsstrom auf 12mA... Da geht es natürlich nicht 
die Energie aus einem Thermogenerator zu beziehen...

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (christoph_kessler)
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Aus aktuellem Anlaß muß ich den Thread nochmal ausgraben...

Fraunhofer widmet sich dem Thema:
http://www.eetimes.eu/201802671

"Researchers use body heat to power electronics"
"...This opens up the prospect of mobile phones powered by body heat or 
medical electronics and sensor systems"

Autor: Mike (Gast)
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@Christoph: Hast du so ein Thermoelement aus nem Gasherd einmal 
Standalone probiert? Viele Spannung/Strom werden da ca. erzeugt? 
Versuche zur Zeit mit Peltier-elementen aber die sind relativ teuer

Autor: Markus (Gast)
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Falls noch Bedarf an einer Lösung für das ursprüngliche Problem besteht:
Linear bietet mit dem LTC3108 einen Boost-Wandler an, der 20 mV auf 5 V 
hochpusten kann. Kann bei Farnell über den hbe-shop für ca. 12 Euro 
bestellt werden.

Gruß,
Markus

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