Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Kann man zu Anschauungszwecken Energie aus dem Rauschen von passiven Bauelementen gewinnen?


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von Thorsten (Gast)


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Hallo,

kann man zu Anschauungszwecken Energie aus dem Rauschen von 
Widerständen, Zehnerdioden oder anderen passiven Bauelementen gewinnen?

Also z.B. so, dass man das Rauschen mit einer Ge- oder einer 
Schottky-Diode gleichrichtet, in einem Kondensator speichert und dann 
irgendetwas kleines damit betreibet (Lautsprecher zum Knacken bringen, 
LED an kaskadierten Cs leuchten lassen oder so).


Erhöht sich die Rauschamplitude von gleichen Widerständen, wenn man sie 
in Reihe schaltet?

von John D. (drake)


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Thorsten schrieb:
> Erhöht sich die Rauschamplitude von gleichen Widerständen, wenn man sie
> in Reihe schaltet?

Die Rauschleistung nicht. Die Rauschspannung schon - aber da kannst du 
auch gleich einen größeren Widerstandswert nehmen.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Falls du mit rauschenden Bauteilen so etwas wie Widerstände meist: Das 
sind keine Spannungsquellen. Die wandeln elektrische Energie im Wärme 
um, nicht umgekehrt. Also nein, mit Widerständen geht es nicht.

Mit Dioden, Transistoren und Kondensatoren ebenfalls nicht. Da kommt 
keine Energie raus.

Photodioden könnte man versuchen. Aber die Energiemenge ist sehr gering, 
und der Rauschanteil darin noch viel geringer. Es macht wenig Sinn, das 
Rauschen aus einem sehr viel größeren Gleichstrom heraus zu filtern um 
damit irgendwas zu vorsorgen. Da nimmt man logischerweise lieber den 
ganzen Gleichstrom.

Was soll das werden?

: Bearbeitet durch User
von just everything (Gast)


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Thorsten schrieb:
> kann man zu Anschauungszwecken Energie aus dem Rauschen von
> Widerständen, Zehnerdioden oder anderen passiven Bauelementen gewinnen?

Nein Maxwells Dämon, der aus Rauschen Energie macht, ist nur eine 
Sagengestalt.

https://de.wikipedia.org/wiki/Maxwellscher_D%C3%A4mon

von Thorsten (Gast)


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Vielen Dank für die Beiträge!

Stefan ⛄ F. schrieb:
> Falls du mit rauschenden Bauteilen so etwas wie Widerstände meist: Das
> sind keine Spannungsquellen. Die wandeln elektrische Energie im Wärme
> um, nicht umgekehrt. Also nein, mit Widerständen geht es nicht.

Ist das wirklich so?
Ich habe es so verstanden, dass Widerstände Wärme in elektrische Energie 
umwandeln: das thermische Rauschen also, das bei allen 
Widerstandsmaterialien gleich ist. *)

Das Stromrauschen entsteht dagegen erst, wenn eine Spannung am 
Widerstand anliegt (bzw. umgekehrt beim Spannungsrauschen). Das 
Stromrauschen ist in seiner Amplitude nach meinen (Hobby-) Kenntnissen 
stark materialabhängig (schlecht: Kohle; gut: Metallfilm).


*)hier hätte sich dann noch die Frage angeboten, ob ein 
kurzgeschlossener Widerstand eine andere Temperatur besitzt als ein 
gleicher, aber nicht angeschlossener Widerstand

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Thorsten schrieb:
> Ich habe es so verstanden, dass Widerstände Wärme
> in elektrische Energie umwandeln

Kann ich mir nicht vorstellen. Wie soll das gehen? Sogar unabhängig vom 
Material?

von Thorsten (Gast)


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https://de.wikipedia.org/wiki/W%C3%A4rmerauschen

Z:"Erscheinungsformen: Wärmerauschen äußert sich bei unbelasteten 
ohmschen Widerständen als thermisches Widerstandsrauschen, oft einfach 
Widerstandsrauschen genannt. Die thermische Bewegung der 
Leitungselektronen erzeugt an den Klemmen des Zweipols den Rauschstrom 
und die Rauschspannung. Die bei Kurzschluss oder Leerlauf vorliegenden 
Werte können als spektrale Rauschleistungsdichte allgemein angegeben 
werden. Sie sind proportional zur absoluten Temperatur. Beim 
unbelasteten Bauelement ist die Rauschleistung unabhängig vom elektrisch 
leitenden Medium, dagegen kann beim von Gleichstrom durchflossenen 
Bauelement Stromrauschen hinzu kommen, das beim Kohleschichtwiderstand 
weit über dem thermischen Rauschen liegen kann."

Das klingt für mich, als läge am unbelasteten Widerstand eine 
Rauschamplitude vor.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Thorsten schrieb:
> Das klingt für mich, als läge am unbelasteten Widerstand eine
> Rauschamplitude vor.

Ja, klingt so. Ob es richtig ist? Keine Ahnung.

von Peter R. (pnu)


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Das Dumme ist, in dem Bereich der Elektronenbewegng gibt es keine Leiter 
und getrennte Widerstände. Alles ist das gleiche.

Thorsten schrieb:
> Also z.B. so, dass man das Rauschen mit einer Ge- oder einer
> Schottky-Diode gleichrichtet,

Passiert als Thermospannung zwischen p- und n-Schicht bei Halbleitern, 
allerdings auch nicht höher als an der Grenze zwischen zwei Metallen.
Wegen des verschiedenen Elektronengehalts der Metalle entsteht ein 
"Druck" des Elektronengases, der in µV je K als Spannung messbar ist.

PN-Geschichten helfen da nicht viel, was an einer Seite an der 
PN-Spannung erzeugt wird, geht an den Grenzen der Kontakte 
Metall-Halbleiter wieder verloren, wie in einem Messkreis mit 
Thermoelementen.

Es gibt/gab Spannungsquellen in der Raumfahrt: Die durch eine 
radioaktive Probe erzeugt Wärme wurde mit Thermosäulen direkt in eine 
Spannung umgewandelt.
 Aber da werden-zig oder hunderte Thermoelemente in reihe geschaltet.

 Bei Grenzschichten zwischen P- und N-Halbleiter macht der hohe 
Widerstand der Sperrchicht die Ausnutzbarkeit zunichte.

von Dieter (Gast)


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Aus dem Rauschen ließe sich die enthaltene Energie gewinnen, wenn die 
Signale nicht zu klein zum Gleichrichten wären. Der Energiegehalt ist 
jedoch sehr gering, gegenüber der aufgewendeten Leistung.

Das ist wohl eine Frage die darauf abzielt im Hinblick auf 
Energie-Harvesting:
https://www.scinexx.de/news/energie/einbahnstrasse-fuer-elektronen/

von Jim M. (turboj)


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Thorsten schrieb:
> Also z.B. so, dass man das Rauschen mit einer Ge- oder einer
> Schottky-Diode gleichrichtet, in einem Kondensator speichert und dann
> irgendetwas kleines damit betreibet (Lautsprecher zum Knacken bringen

Wenn in der Gegen noch ein alter AM-Radiosender betrieben wird, plärrt 
der Lautsprecher direkt los. Siehe Wikipedia: Detektorempfänger

Hier in Berlin hatte man den "Berliner Rundfunk" drin. Und so viel 
Leistung das es keine ordentliche Antenne mit Schwingkreis brauchte. 
Der Sender ist aber längst abgestellt.

von Lurchi (Gast)


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So ohne weiteres geht geht das nicht. Der Maxwellsche Dämon ist da schon 
das richtige Stichwort.

Im Prinzip geht es, wenn der Widerstand deutlich wärmer ist (und damit 
mehr Rauscht) als der Gleichrichter. Allerdings ist die Leistung 
minimal.

von Der Zahn der Zeit (Gast)


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Nehmen wir an, dass du einen Widerstand auf einem hohen und einen 
gleichen auf einem niedrigen Temperaturniveau hast. Die Spannungen an 
beiden sind unterschiedlich, es entsteht ein Energiefluss vom wärmeren 
zum kälteren Widerstand, der eine wird kälter, der andere wärmer, aber 
Energie wird dabei nicht gewonnen.

Falls das exotisch klingt: Das selbe passiert, wenn man einen Draht hat, 
den man an einem Ende warm macht. Auch dann kühlt das eine Ende ab und 
das andere wird wärmer.

Bei einem kurzgeschlossenen Widerstand geht ja keine Leistung nach 
außen, denn bei 0V ist der Strom egal, ebenso bei einem offenen 
Widerstand, bei dem der Strom 0 ist.

Zwei parallel geschaltete Widerstände versorgen sich gegenseitig mit 
Energie - die Temperatur bleibt.

von Mario H. (rf-messkopf) Benutzerseite


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Der Zahn der Zeit schrieb:
> Nehmen wir an, dass du einen Widerstand auf einem hohen und einen
> gleichen auf einem niedrigen Temperaturniveau hast. Die Spannungen an
> beiden sind unterschiedlich, es entsteht ein Energiefluss vom wärmeren
> zum kälteren Widerstand, der eine wird kälter, der andere wärmer, aber
> Energie wird dabei nicht gewonnen.

Die Aussage ist richtig. Anders ausgedrückt: Wenn man (nutzbare) Energie 
zum Verrichten von Arbeit aus dem thermischen Rauschen eines 
Widerstandes gewinnen wollte, würde das erfordern, an diesen Widerstand 
eine Last anzuschließen. Diese Last stellt ebenfalls einen 
Wirkwiderstand dar, der nach Johnson-Nyquist rauscht. Wenn die beiden 
Widerstände die gleiche Temperatur aufweisen, erfolgt netto kein 
Energiefluss zwischen ihnen (auch wenn die Widerstände unterschiedlich 
groß sind).

Was dahinter steckt, ist der zweite Hauptsatz der Thermodynamik, den man 
z.B. so formulieren kann: Es existiert keine periodisch bzw. 
kontinuierlich arbeitende Wärmekraftmaschine, die nichts anderes macht, 
als ein Wärmereservoir abzukühlen und dabei Arbeit zu verrichten.

Ergo: Man kann einem Widerstand keine Rauschenergie zum Leisten von 
Arbeit unter Abkühlung der Umgebung entnehmen.

von Hp M. (nachtmix)


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Thorsten schrieb:
> Also z.B. so, dass man das Rauschen mit einer Ge- oder einer
> Schottky-Diode gleichrichtet, in einem Kondensator speichert und dann
> irgendetwas kleines damit betreibet (Lautsprecher zum Knacken bringen,
> LED an kaskadierten Cs leuchten lassen oder so).

Nein, die verfügbare Rauschleistung ist bei handhabbaren Temperaturen 
und Frequenzbandbreiten dafür viiiiiiiiiel zu gering.
Selbst mit Verstärkern gelingt der Nachweis des temperaturabhängigen 
Widerstandsrauschens nur mit einiger Mühe.

von Elektron (Gast)


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Eine handelsübliche Diode 1n4148 im Glasgehäuse wirkt bei Tageslicht als 
Solarzelle. Keine Ahnung, warum man Dioden überhaupt in transparente 
Gehäuse packt. Da verändert doch je nach Licht die Kennlinie.

von Hp M. (nachtmix)


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Elektron schrieb:
> Eine handelsübliche Diode 1n4148 im Glasgehäuse wirkt bei Tageslicht als
> Solarzelle. Keine Ahnung, warum man Dioden überhaupt in transparente
> Gehäuse packt. Da verändert doch je nach Licht die Kennlinie.

Die 1N4148 und ähnliche werden als Schaltdioden verkauft, finden sich 
also hauptsächlich in logischen Funktionen, als Freilaufdioden und zur 
Gleichrichtung kleiner Leistungen.
Also dort, wo es auf ein paar nA Sperrstrom nicht ankommt.
Gewöhnlich befindet sich bei einem fertigen Gerät die Schaltung ja auch 
noch in einem Gehäuse, welches das meiste Umgebungslicht abschirmt.

Dioden, bei denen Störungen durch Umgebungslicht zu erwarten sind, etwa 
Detektordioden für sehr kleine Signale, oder Kapazitätsdioden, bei denen 
die Sperrspannung hochohmig eingespeist wird, werden  aber tatsächlich 
in lichtdichten Gehäusen geliefert.
Im Übrigen ist die Lichtempfindlichkeit der erwähnten Schalt- oder 
"Universal"-dioden wegen ihrer Konstruktion als Druckkontaktdioden sehr 
viel geringer als bei den alten Spitzenkontaktdioden, bei denen eine 
große Fläche des Kristalls dem Lichteinfall offen ausgesetzt war. 
Letztere wurden deshalb i.d.R. auch in geschwärzte Glasrohren geliefert.
Bei den Druckkontaktdioden hingegen wird praktisch die gesamte Fläche 
des Kristalls von den metallischen Anschlüssen verdeckt, und ein 
Lichteinfall ist nur noch von den Kanten her möglich.

von just everything (Gast)


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Das mit der Diode kann nicht funktionieren, das ist doch jetzt oft genug 
gesagt worden (2. Hauptsatz der Thermodynamik).

Was dagegen funktioniert ist ein thermoelektrischer Generator:
https://en.wikipedia.org/wiki/Thermoelectric_generator

Und da man Temperatur als Rauschen versteht, ist das in etwa das 
Gesuchte.
Im Prinzip ist ein pt100 schon so ein Rauschbetriebener 
Elektrogenerator.

In der Physik ist dergleichen als Seebeck Effekt bekannt, siehe 
https://de.wikipedia.org/wiki/Thermoelektrizit%C3%A4t .

MfG,

von Klaus R. (klara)


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Hallo,
das Stichwort "Antenne" ist ja schon einmal hier gefallen. Klar, das 
kosmische Rauschen kann mit jeder alten, analogen Fernsehantenne 
empfangen werden und auch auf dem Bildschirm wiedergegeben werden. 
Damals gab es noch abends den Sendeschluß und dann war nur noch rauschen 
zu sehen. (Wie erhohlsam!)

Zwei Physiker arbeiteten mir einer sehr großen 6-Meter-Hornantenne. Aber 
selbst damit wäre die resultierende Leistung zu klein um damit eine LED 
leuchten zu lassen. Also "sich anschauen können" wird man nur Messwerte, 
aber "hören" kann auch ein Rauschen aus einem alten analogen MW-Radio.

https://news.astronomie.info/sky201306/thema.html
...
1
 Der Mikrowellenhintergrund wurde 1964 von Robert Wilson und Arno Penzias zufällig entdeckt. Die beiden Physiker arbeiteten damals bei den Bell Laboratories, der einzigen industriellen Forschungseinrichtung zur dieser Zeit in Amerika, und wollten eigentlich Radioquellen in der Milchstraße erforschen. Dazu verwendeten sie eine 6-Meter-Hornantenne am Standort Holmdel im US-Bundesstaat New Jersey, die ursprünglich für die Kommunikation mit dem Echo-Satelliten aufgebaut worden war.
mfg Klaus

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