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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Superkondensator in < 1 Min laden


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von Alexander B. (bittneralexander)


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Gegeben ist folgendes: eine Handvoll neuer Li-Ion Akkus (eine kann bis 
30A belastet werden) und 2x 650F Kondesatoren in Reihe.
Diese zwei Kondensatoren würde ich gerne aus den Li-Ion-Akkus (kann ich 
als xPxS noch zusammenschalten) laden. Balancer zu entwerfen/einzusetzen 
ist jetzt nicht das Problem, sondern woher einen solch hohen Strom 
nehmen?
Um das schnell zu laden muss der Spannungswandler wohl 30-50A liefern.
Was wäre da als (günstiger) DC-DC-Wandler am besten geeignet?
Bisher hatte ich zwei Ideen:
1. einen Step-Down-Wandler auf Basis eines 
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm25116.pdf entwerfen.
2. Zwei von den hier https://hz.aliexpress.com/item/4000088983424.html 
einsetzen - dann kann man sich sogar die Balancer sparen.
Für die erste Idee spricht, dass man das für einige Dutzend Ampere 
entwerfen kann, es jedoch wirklich kompliziert wird.
Für das zweite Spricht die Größe und der Preis der Module, jedoch regeln 
die Module kein Strom und Supercaps verhalten sich am Anfang der Ladung 
bekanntlich wie ein Kurzschluss.

Gibt es weitere Ideen?

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von Maxim B. (max182)


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Alexander B. schrieb:
> Gibt es weitere Ideen?

3. Widerstand. Gleichzeitig wird deine Wohnung geheizt.

von MaWin (Gast)


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Alexander B. schrieb:
> woher einen solch hohen Strom nehmen

Du willst ihn offenbar aus den Akkus nehmen, mehr als die liefern 
kriegst du nicht.
Die Frage ist auch, wie niederohmig dein Superkondensator ist, ob der 
überhaupt mit 30A geladen werden kann.

Üblich zum Kondensatorladen (Blitzlichtelko) sind Sperrwandler. Step 
down nimmt man eher einen Widerstand.

von Alexander B. (bittneralexander)


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Ja, man könnte tatsächlich zwei von diesen billigen Modulen aus 
Aliexpress nehmen, jeweils einen 1-Ohm-Hochlastwiderstand und das wars. 
Gleichzeitig wird die Wohnung beheizt.
Maximalstrom ist nicht das Problem. Man kann die auch mit paar Hundert 
Ampere laden - es handelt sich um diese hier: 
https://www.tecategroup.com/products/data_sheet.php?i=TPLH-3R0%2F650SL60X51

Es müsste doch spezielle Wandler geben, oder nicht? Ich meine 
Superkondensatoren gibt es nicht seit gestern. Würde mich wundern wenn 
noch niemand etwas entwickelt hat (fertige Module?) um solche Supercaps 
mit paar Dutzend Ampere zu laden.

von Falk B. (falk)


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Alexander B. schrieb:

> Es müsste doch spezielle Wandler geben, oder nicht?

Hast du das nicht schon vor langer Zeit mal gemacht? Mit dem 
Schweißgerät?

So eine Ladung macht jeder Schaltregler mit Strombegrenzung, egal ob 
Step Up oder Down. Der Step Down ist dabei auch deutlich effizienter als 
ein einfacher Widerstand, denn der verheizt beim Laden genau soviel 
Energie wie im Kondensator landet, Wirkungsgrad 50%.

von Alexander B. (bittneralexander)


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Ja, stimmt genau. Nur damals war es ein ganz normaler Kondensator aus 
dem Auto-HiFi-Bereich (also ca. 16V 1-2 F). Hier 
Beitrag "1F-Kondensator laden & entladen"
Schweißgerät. Alles richtig. Habe damals das Schema von so einem Gerät 
Ebay-Artikel Nr. 253063970671 1:1 übernommen und war zufrieden. 
Der 2F-Kondensator wurde immer wieder nach jedem Schweißvorgang mit 5-8A 
(weiß nicht mehr) nachgeladen und das war mir schnell genug (man will ja 
nicht zu lange warten um den nächsten Schweißpunkt zu setzen). Nur 
damals waren es nur 2F - das kann man natürlich relativ schnell laden. 
Hier ein Bild von der Bauteilpositionierung von damals von dem fertigen 
Gerät (also das Teil habe ich oben auf den Kondensator aufgesetzt).

Heute ist es ein Supercap (bzw. zwei in Reihe). Wird ein mobiler 
Punktschweißgerät.

Habe einen 
https://www.mouser.de/datasheet/2/609/LTM8055-8055-1-1271874.pdf dafür 
probiert, aber der braucht echt ewig zum laden (wobei ich den LTM8055 
nicht an die Leistungsgrenze probiert habe).

Bin gerade auf dem hier stehen geblieben 
https://hz.aliexpress.com/item/4000088928562.html das scheint die 
günstigste Lösung zu sein.

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von ich3232322 (Gast)


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Alexander B. schrieb:
> Gleichzeitig wird die Wohnung beheizt.

Dann wäre aber ein  Lüfter auch noch sinvoll.

von MaWin (Gast)


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Alexander B. schrieb:
> Wird ein mobiler Punktschweißgerät.

Immer noch nicht gelernt, dass sich direkte Kondensatorentladungen dafür 
nicht eignen und man Trafos nimmt damit man auf der Eingangsseite 
kleinere Ströme bei höherer Spannung schaltet ?

http://www.dse-faq.elektronik-kompendium.de/dse-faq.htm#F.21.11

von Alexander B. (bittneralexander)


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Ich schalte schon lange hohe Ströme bei kleiner Spannung mit einer 
Handvoll MOSFETs. Die werden dabei nicht mal lauwarm. Gab nie Probleme.
Mit einem Trafo könnte man es auch machen.
Aber ich denke das ist reine Geschmackssache. Keine der beiden Varianten 
ist besser oder schlechter. Nur anders mit den jeweiligen Vor- und 
Nachteilen.

von Bernd K. (prof7bit)


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Maxim B. schrieb:
> Alexander B. schrieb:
>> Gibt es weitere Ideen?
>
> 3. Widerstand. Gleichzeitig wird deine Wohnung geheizt.

Die wird so oder so geheizt, egal welchen Widerstand er da einsetzt, 
notfalls übernehmen diesen Job die Innenwiderstände der Akkus und der 
Kondensatoren. Da kommt er nur drum herum wenn er einen Schaltwandler 
verwendet der die Spannung runtersetzt und den Strom regelt.

: Bearbeitet durch User
von Alexander B. (bittneralexander)


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Ja, das mit der Spannungsregelung sollte man unbedingt noch hinzufügen.

Klingt dieser hier 
https://power.murata.com/pub/data/power/okr-t30-w12.pdf nicht genau nach 
dem was ich suche? 30A Ausgang, aber Spannung kann mit einem Poti 
zwischen 0,5 und 6 Volt eingestellt werden. Also müsste man doch bloß 
irgendwas dazu bauen, was diesen Widerstand in Abhängigkeit vom Strom 
verändert.
Falls jemand einen Schaltungsvorschlag hat dann nur her damit.

von Martin S. (sirnails)


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MaWin schrieb:
> Alexander B. schrieb:
>> Wird ein mobiler Punktschweißgerät.
>
> Immer noch nicht gelernt, dass sich direkte Kondensatorentladungen dafür
> nicht eignen und man Trafos nimmt damit man auf der Eingangsseite
> kleinere Ströme bei höherer Spannung schaltet ?
>
> http://www.dse-faq.elektronik-kompendium.de/dse-faq.htm#F.21.11

Mal kurze Frage: Wieso bezieht sich die FAQ auf eine 
Thyristor-Schaltung? Ich meine: Wenn man wirklich leistung schalten 
will, dann nimmt man doch kein Schaltelement, bei dem irgendwas um die 
0,8V abfallen, oder?

Moderne Mosfet können locker 100A schalten, und haben einen RDSon von 
vielleicht 5mOhm. 10 Stück davon parallel kann theoretisch 1000A 
schalten bei nunmehr 5µOhm. Wenn das nicht reicht, halt nochmal x 
parallel...

von Dieter W. (dds5)


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Martin S. schrieb:
> Moderne Mosfet ... haben einen RDSon von vielleicht 5mOhm.

> 10 Stück davon parallel ... nunmehr 5µOhm.


Bitte noch mal nachrechnen.

von Martin S. (sirnails)


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*100

von Alexander B. (bittneralexander)


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Ich habe hier etwas weiter gesponnen. Wenn ich jetzt zwei Kondensatoren 
habe (die evtl. in Reihe geschaltet sind oder auch nicht) und eine 
Konstantstromquelle müsste es doch möglich sein die Kondensatoren 
abwechselnd zu laden. Also nehme ich meine Konstantstromquelle (die nur 
0,1V - 2,5V liefert) und schließe die zunächst an den einen Kondensator 
an, dann an den anderen und das möglichst schnell.
Also habe ich mir eine Elektronik überlegt, die genau das für mich macht 
(siehe Bild). Wenn ich also der einen Seite (auf dem Bild) sagen wir mal 
+10 Volt gebe und der anderen gleichzeitig -10 Volt und paar 
Millisekunden später (könnte man billig mit einem NE555 realisieren) 
genau andersherum müsste es doch gehen mit nur einer Stromquelle zwei 
Supercaps zu laden. Was denkt ihr über den Schaltungsvorschlag? Würde 
das funktionieren oder habe ich da einen Denkfehler drin?

von Stromberg B. (Gast)


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Dann kannst du auch gleich die beiden oberen P-MOSFET's in deiner 
H-Brücke weglassen und die Caps mit ihrer positiven Platte direkt an 
Plus schalten. In der Plusleitung befindet sich dann nur eine einzige 
Strombegrenzung.

von Alexander B. (bittneralexander)


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Ja, stimmt, wenn ich die später nicht in Reihe schalten will könnte ich 
die beiden P-Channel-Mosfets auch weglassen.

Ich glaube ich habe mich unglücklich ausgedrückt. Ich will die in Reihe 
schalten und dann doppelte Spannung abnehmen. Also mit/auf 2,5V jedes 
davon laden und 5V abnehmen (also 5V auf Knopfdruck abnehmen). Hier ein 
neuer Versuch. Würde das funktionieren?

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von Stromberg B. (Gast)


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Gut dass du noch den Schalter nachträglich eingezeichnet hast, sonst 
würde sich einer der beiden Caps am Ende des Ladevorgangs schlagartig 
über die MOSFET's entladen, je nach dem ob dann die oberen, oder die 
unteren eingeschaltet sind. Da nützen dann auch nicht anti-in-Serie 
geschaltete MOSFETS, wegen der Bodydiode. Und gar keine Ansteuerung 
bedeutet ein eventuelles Floaten.

Am besten nach dem Laden die Betriebsspannung komplett von der Brücke 
trennen und dann erst den Schalter umlegen!

von Alexander B. (bittneralexander)


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In der Version ohne Schalter: wohin "würde sich einer der beiden Caps am 
Ende des Ladevorgangs schlagartig über die MOSFET's entladen"?
Das blicke ich gerade nicht.

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von Stromberg B. (Gast)


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Die Gateanschlüsse dürfen in deiner Schaltung Ausnahmsweise einfach 
zusammengeschaltet werden, weil in der Plusleitung sowieso noch eine 
Strombegrenzung rein kommt. Damit entfällt schon mal die aufwändige 
Gateansteuerung mit Tastlücken.

von Stromberg B. (Gast)


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Alexander B. schrieb:
> In der Version ohne Schalter: wohin "würde sich einer der beiden
> Caps am Ende des Ladevorgangs schlagartig über die MOSFET's entladen"?
> Das blicke ich gerade nicht.

Im ersten Moment passiert da nix. Erst wenn am Ende der Ladung die 
beiden Steuereingänge gleichzeitig entweder high oder low sind, dann 
knallt es.

Vermeiden kannst du das, wenn sichergestellt ist, dass die Eingänge nie 
gleiches Potential haben können. Am einfachsten mit einem Inverter vor 
dem zweiten Eingang, der vom ersten Eingang unzertrennbar angesteuert 
wird. Dann hätte die ganze H-Brücke nur noch einen Steuereingang.

von Egon D. (egon_d)


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Martin S. schrieb:

> Mal kurze Frage: Wieso bezieht sich die FAQ auf eine
> Thyristor-Schaltung? Ich meine: Wenn man wirklich
> leistung schalten will, dann nimmt man doch kein
> Schaltelement, bei dem irgendwas um die 0,8V abfallen,
> oder?

Wieso denn nicht?

Wenn Du eine Elko-Batterie, die auf 400V geladen ist,
mittels Thyristor auf den Impulstrafo schaltest, dann
fallen bei 100A vielleicht 2V am Thyristor ab. Das
bedeutet: 398V * 100A = 39'800W werden vom Trafo
aufgenommen, 2V * 100A = 200W verheizt der Thyristor.

Wirkungsgrad: 99.5% (!!).

Den 100A-Puls schaltet ein einzelner Thyristor im
TO220.

Wenn der Trafo 200:1 untersetzt, hat man lastseitig
2V / 20'000A zur Verfügung.

Der Thyristor hat einen "Widerstand" von 0.02 Ohm;
Impedanzen werden mit dem Quadrat des Übersetzungs-
verhältnisses transformiert. Auf der Lastseite
wirken also 20'000µOhm / (200^2) = 0.5µOhm (!!).

[Für die ganz genauen: Ich weiss, dass der gezündete
Thyristor kein ohmscher Widerstand ist. Das ist aber
für diese Näherungsbetrachtung zur Abschätzung der
Verluste egal.]


> Moderne Mosfet können locker 100A schalten,

Sicher.
Um damit 20kA schalten zu können, brauchst Du 200 Stück.
Selbst 10kA und 200A-FETs sind noch 50 Stück.


> und haben einen RDSon von vielleicht 5mOhm.

Klar.
Um mit Thyristor+Trafo konkurrenzfähig zu sein, musst Du
10'000 Stück (!!) parallelschalten. Bei FETs mit 0.5mOhm
brauchst Du immer noch 1000 Stück.
Oder umgekehrt: Bei 50 FETs mit 0.5mOhm landest Du bei
10µOhm. Das ist zwanzigmal schlechter als die Thyristor-
Lösung.

: Bearbeitet durch User
von Alexander B. (bittneralexander)


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Ja, gut. Dass die beiden Steuereingänge nie gleichzeitig HIGH oder LOW 
sein dürfen - daran habe ich gedacht.
Wie wäre es mit zwei Mosfet-Treibern wie den MCP1407 und MCP1406? Den 
kenne ich mittlerweile ganz gut. Ab einer bestimmten Steuerspannung 
schaltet er seinen Output auf HIGH und unter einer bestimmten 
Steuerspannung auf LOW. Die Mosfets brauchen so nie einen 
Pull-Down-Widerstand, da der MCP1407 immer nur HiGH oder LOW kennt 
(vorausgesetzt der wird mit seiner Versorgungsspannung versogt).
Den MCP1406 habe ich widerrum nie benutzt, aber laut Datasheet macht er 
das gleiche wie der MCP1407, nur dass sein Ausgang invertiert ist.
Wo ich mir nur sorgen mache ist die Umschaltung: es wird doch so sein 
(wenn man die Schaltvorgänge in einer extremen Zeitlupe betrachtet), 
dass für ein paar Nanosekunden während der Umschaltung des gemeinsamen 
Inputs von HIGH auf LOW sich die Ausgänge doch überschneiden. Keine 
Ahnung wie kritisch das ist.
Würde die Schaltung so funktionieren? Fall ja: was kann optimiert 
werden? Es muss sowas wie die genannten beiden Mosfet-Treiber als ein 
Chip geben.

von Alexander B. (bittneralexander)


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Oder könnte man das evtl. ausschließlich mit N-Kanal-Mosfets 
realisieren? Vielleicht habe ich irgendwo wieder einen Denkfehler.

von Alexander B. (bittneralexander)


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So müsste die fertige Schaltung aussehen, falls ich kein Fehler gemacht 
habe.
Habe ich damit nicht eine Ladungspumpe und Spannungsverdoppler gebaut?
Irgendwie kann man seine Beiträge nur innerhalb 60 Minuten bearbeiten 
:-(

: Bearbeitet durch User
von Dieter (Gast)


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Brauchst dafuer eine Hilfsspannung von mindestens 4.5V. ICM7555 wegen 
der Offsets der Ausgaenge.

Die Schaltung kennt aber nicht den dritten Zustand, dass alle Mosfets 
geschlossen sind.

von Alexander B. (bittneralexander)


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Ich dachte meine Konstantstromquelle ist 0,1V - 2,5V während ich den 
MCP14E11 und NE555 mit 12V oder 15V (irgendwas in dem Dreh) versorge.
Meinst du das mit "Hilfsspannung von mindestens 4,5V"?

Wenn ich es richtig verstanden habe schlägst du vor den NE555 durch 
ICM7555 zu ersetzen. Warum? Was sind "Offsets der Ausgänge"?

Und das mit dem dritten Zustand, dass alles Mosfets geschlossen sind - 
der darf ja nie eintreten.

von Dieter (Gast)


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Alexander B. schrieb:
> Ich dachte meine Konstantstromquelle ist 0,1V - 2,5V während ich
> den MCP14E11 und NE555 mit 12V oder 15V (irgendwas in dem Dreh) versorge.
> Meinst du das mit "Hilfsspannung von mindestens 4,5V"?
Die Angabe fehlte mir, da ich dachte, das soll aus einer Li-Zelle direkt 
mitversorgt werden.

> Wenn ich es richtig verstanden habe schlägst du vor den NE555 durch
> ICM7555 zu ersetzen. Warum? Was sind "Offsets der Ausgänge"?
Bei 12...15V zwar jetzt weniger Probleme möglich, aber ...
Wenn der NE555 bei Low Level Output Voltage nach dem Datenblatt bei der 
Streuung gerade beim maximalen Wert liegen sollte, kann es knapp werden, 
vor allem wenn noch Störungen übers Layout einwirken sollten.

> Und das mit dem dritten Zustand, dass alles Mosfets geschlossen sind -
> der darf ja nie eintreten.
Dann darfst Du auch nie bei noch geladenen Elkos die Betriebsspannung 
von der Schaltung nehmen.
Mußt noch nachsehen, welcher von den Typen MCP14E von 3...11 beim 
Einschalten im unkritischen Zustand in Verbindung mit dem 555 ist.

von fuji cato (Gast)


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Was genau sollen die zuletzt diskutierten Schaltungen
überhaupt machen? SuperCaps gepulst hart an die Akkus
legen...?

Das Konzept hat (und macht evtl. künftig noch mehr...)
Löcher - oder nicht?

von Alexander B. (bittneralexander)


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Was die Schaltung machen soll? Habe ich weiter oben geschrieben. 
Punktschweißgerät will ich bauen. Den Schaltungsteil mit Arduino usw. 
habe ich hier jetzt nicht abgebildet.
Ich will zwei Supercaps abwechselnd mit 2,5V laden. Dann will ich die 
für paar Millisekunden in Reihe schalten und da wo im Bild 5V steht - da 
kommen die beiden Schweißelektroden hin.

Ja, ich weiß, dass man das normalerweise anders macht: Man nimmt zwei 
(oder drei) Supercaps, schaltet sie fest in Reihe und lädt sie einfach 
mit 5V (oder 7,5V) auf. An jeden davon kommt dann noch eine 
Balancerschaltung hin, die die überschüssige Energie in Wärme verwandelt 
falls einer der Supercaps anfängt sich auf über 2,5V aufzuladen. Und 
erst ganz unten an den untersten (an den Minuspol) kommen die Handvoll 
N-Kanal-Mosfets hin, die die paar Hundert Ampere für paar Millisekunden 
schalten. So habe ich das auch schon erfolgreich gebaut und das 
funktioniert ohne Probleme.

Mich würde aber interessieren, ob es auch anders geht. Ob man die 
Mosfets nicht auch zwischen den beiden Caps platzieren kann und ob es 
nicht gehen würde sie abwechselnd von nur einer Konstantstrоmquelle 
aufzuladen.
Bestimmt hat das Konzept Löcher. Daher frage ich hier ja auch im Forum 
was andere (klügere) Köpfe dazu sagen.

: Bearbeitet durch User

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