Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Spannungsversorgung mit begrenztem Eingangsstrom


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von Luky S. (luky)


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Ich habe eine Schaltung (läuft auf 3.3V) mit pulsförmiger Stromaufnahme 
(bis zu 1A für 5 ms und dann ca. 50mA für 80ms), habe aber nur eine 
Spannungsquelle (1.5 bis ca. 3.6V), die mit max. 3mA belastet werden 
sollte. Ich muss also irgendwie zwischenspeichern. Aufgrund des 
Temperaturbereichs, in dem die Schaltung laufen soll (-30 bis ca. 
70Grad) und weil die Elektronik über mehrere Jahre funktionieren soll, 
bin ich bei meiner ursprünglichen Idee mit einem kleinen LiFePo4 Akku 
als Buffer skeptisch und tendiere eher zu einem Supercap.
Bezüglich der Architektur: wie wurdet ihr den Supercap möglichst 
effizient strombegrenzt laden? Wäre es prinzipiell besser, einen 2.5V 
Cap zu verwenden und anschließend einen Boostconverter oder eher auf 
eine höhere Zwischenspannung (5,5V oder sogar noch mehr) zu gehen und 
den Mikrocontroller mit einem Stepdown zu versorgen?

: Verschoben durch Moderator
von Harald K. (kirnbichler)


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Luky S. schrieb:
> Ich habe eine Schaltung (läuft auf 3.3V) mit pulsförmiger Stromaufnahme
> (bis zu 1A für 5 ms und dann ca. 50mA für 80ms), habe aber nur eine
> Spannungsquelle (1.5 bis ca. 3.6V), die mit max. 3mA belastet werden
> sollte.

Die Rechnung geht nicht auf oder Du verschweigst ein wesentliches Detail 
- nämlich die Pause zwischen Deinen 85 msec langen "Pulsen".

von Michael B. (laberkopp)


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Bei Kondensatoren sinkt die Spannung mit dem Entladen.
Wenn die 3.3V nicht auf 1.65V zurückgehen dürfen, muss man also den 
Kondensator drastisch überdimensionieren.
Klüger wäre ein Kondensator VOR dem Spannungsregler, z.B. 16V der dann 
auf 4V entladen werden darf, und ein Schaltregler step down als 
Spannungsregler.

GoldCaps taugen nur für geringe Ströme, UltraCaps (Maxwell) sind 
niederohmig, Lebensdauer bei 65 GradC um 2000 Stunden.

Mit mehreren Jahren bei 70 GradC wird das also nichts.

Aufladen des C über step up führt von alleine zur Strombegrenzung. Es 
sollte halt ein Schaltregler mit geringem Eigenstromverbrauch wie 
MAX1724 sein. Da es aber bestimmt wieder um so einen Unsinn wir Solar 
geht, brauchst du einen MPPT.

Vermutlich ist eine Primärbatterie sinnvoller, macht der 
Heizungszähler/Wasserzähler ja auch nicht anders.

von Rainer W. (rawi)


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Harald K. schrieb:
> Die Rechnung geht nicht auf oder Du verschweigst ein wesentliches Detail
> - nämlich die Pause zwischen Deinen 85 msec langen "Pulsen".

Die ist doch völlig irrelevant, solange die Pause lang genug ist, um den 
Zwischenspeicher wieder aufzuladen. Da die Erfindung des Perpetuum 
Mobiles noch aussteht, gibt es dort halt eine Grenze für die 
Wiederholrate.

Michael B. schrieb:
> GoldCaps taugen nur für geringe Ströme

Deshalb auch "Supercap", auch wenn die Begrifflichkeiten nicht immer 
ganz scharf sind. Die zulässigen Ströme oder zumindest der 
Innenwiderstand sind i.d.R. im Datenblatt angegeben.

Luky S. schrieb:
> tendiere eher zu einem Supercap

: Bearbeitet durch User
von Irgend W. (Firma: egal) (irgendwer)


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Luky S. schrieb:
> bis zu 1A für 5 ms und dann ca. 50mA für 80ms
> habe aber nur eine Spannungsquelle (1.5 bis ca. 3.6V), die mit max. 3mA belastet 
werden sollte.
- Hast du mal ausgerechnet, was dir da an Energie fehlt und wo die 
herkommen soll?

Luky S. schrieb:
> einen 2.5V Cap zu verwenden und anschließend einen Boostconverter
- => 1A 2.5V->3.3V * 80% Wirkungsgrad = ca. 1,7A
- Hast du dir mal angeschaut, was die Supercaps so an Innenwiderstand 
haben und was dir dann noch an Spannung übrigbleibt, wenn du die so 
stark belastest?
- Hast du dir schonmal eine Entladekurve ausgerechnet wie schnell die 
"Ladespannung" absinkt, vorallem bei so einer hohen Belastung?
- Die beiden vorherigen Punkte führen dazu das dein Boostconverter eine 
viel größere Spannungsdifferenz als 2.5V/3.3V ausgleichen muss und damit 
der benötigte Strom nochmal deutlich höher wird.

Das erst beste Datenblatt:
- https://www.mouser.de/datasheet/2/447/KEM_S6020_HV-3316625.pdf

von Luky S. (luky)


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Die Ruhepausen zwischen den Messungen sind sehr lang (8h oder sogar 
24h), die Ladegeschwindigkeit ist daher fast völlig irrelevant, habe ich 
daher auch gar nicht extra erwähnt. Effizienz ist schon eher wichtig. 
Und die Schaltung wird auch nicht jahrelang bei 70Grad gekocht oder -30 
Grad ausgesetzt, aber das kann halt mal vorkommen, je nach 
Aufstellungsort und Umgebungsbedingungen. Genaue Temperaturverläufe habe 
ich natürlich nicht, das ist alles schöne Theorie, aber praktisch habe 
ich sowas noch nie vorliegen gehabt weil es eben niemand wirklich sagen 
kann. Minimum und Maximum wurden halt mal spezifiziert bzw. hier sogar 
gemessen (schwarzes Gehäuse unter freiem Himmel auf einem Berg) und 
gerundet.
Akkus, die solche Bedingungen und Zeiten ("10 Jahre minimum") aushalten 
habe ich eben keine gefunden, daher Gold- oder Supercaps.

von Bauform B. (bauformb)


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Irgend W. schrieb:
> Das erst beste Datenblatt:
> - https://www.mouser.de/datasheet/2/447/KEM_S6020_HV-3316625.pdf

Im zweitbesten Datenblatt steht: "Repeated short circuit current will 
permanently damage the leads" :) Und es gibt durchaus noch kräftigere.

Edit: wenn die 10 Jahre nicht wären. Die würde ich eher einem exotischen 
Akku zutrauen.

: Bearbeitet durch User
von Bruno V. (bruno_v)


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Beim C ist die Rechnung einfach: dU=I*t/C. Mit I*t=9mAs. Für z.B. <=0.1V 
brauchst Du 100mF.

von Luky S. (luky)


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Die EDCLs ("Supercapacitors") von Würth haben auf jeden Fall 
Entladeströme im 1- bis 2-stelligen A Bereich.

von Rüdiger B. (rbruns)


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Das sind in 10 Jahren bei einmal in 24H
4+5 mAs * 3650 / 3600 sind ca 10Ah bei 3,3 Volt, das mach eine Lithium 
Primärzelle.

: Bearbeitet durch User
von Michael B. (laberkopp)


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Luky S. schrieb:
> Die Ruhepausen zwischen den Messungen sind sehr lang (8h oder sogar
> 24h),

Jedes Senden kostet 9mAh.

Eine Lithium-Thionylchlorid-Mignon AA hat 2.7Ah, reicht also 9 Monate 
oder 3 Monate bei häufigem Senden, eine Baby C 7.7Ah, reicht 2.3 Jahre.

https://www.akkuteile.de/saft-ls-26500-3-6v-lithium-batterie_19001_1104

von Rüdiger B. (rbruns)


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von Luky S. (luky)


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Lithiumthionylchlorid hat zwar eine sehr hohe Kapazität und geringe 
Selbstentladung, reagiert aber auch sehr empfindlich auf hohe 
Entladeströme, da hätte ich also nicht viel gewonnen

von Frank K. (fchk)


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von Bauform B. (bauformb)


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Luky S. schrieb:
> Lithiumthionylchlorid hat zwar eine sehr hohe Kapazität und geringe
> Selbstentladung, reagiert aber auch sehr empfindlich auf hohe
> Entladeströme

Deshalb gibt es die komplett kombiniert mit einem Kondensator. RS hat 
die TLP-93311/A/SM, die ist etwas knapp (1A max.), die TLP-93111/A/SM 
verträgt 3A, aber wer verkauft die?

https://de.rs-online.com/web/p/batterien-sondergroessen/1946718

Eine "normale" Lithiumthionylchlorid zusammen mit einem normalen Al-Elko 
wäre fast genauso gut, wenn man einen Elko mit so geringem Leckstrom 
findet.

von Steve van de Grens (roehrmond)


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Luky S. schrieb:
> Die Ruhepausen zwischen den Messungen sind sehr lang (8h oder sogar
> 24h),

Dann ist ein NiMh Akku 2,4V mit einem simplen Lade-Widerstand die 
naheliegendste Lösung. 10 Jahre wird das wohl nicht halten, aber 5 
schon. Nimm AAA Zellen in einem Halter, dann kann man damit leben.

Es gibt auch 3V Lithium Akkus in Form von Knopfzellen. Mit denen habe 
ich allerdings keine Erfahrung.

: Bearbeitet durch User
von Steve van de Grens (roehrmond)


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Laa mich raten: Es geht um einen ESP32, richtig?

von Luky S. (luky)


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Die Lithiumthionylchloridzellen mit dem parallelen Kondensator klingen 
wirklich nach der Lösung für mein Problem, die Performance bei niedrigen 
Temperaturen muss ich mir halt noch genauer anschauen. Hat jemand Infos 
was mit dem "hybrid layer capacitor" gemeint sein könnte, das Ding muss 
ja eine ordentliche Kapazität in Verbindung mit sehr geringem 
Leckströmen haben - das wäre auch diskret in Verbindung mit einer Zelle 
einrs anderen Herstellers eine Lösung.

von Manfred P. (pruckelfred)


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Luky S. schrieb:
> Lithiumthionylchlorid hat zwar eine sehr hohe Kapazität und geringe
> Selbstentladung, reagiert aber auch sehr empfindlich auf hohe
> Entladeströme, da hätte ich also nicht viel gewonnen

Als erstes bringt Dich der Spannungssack um, in der Lastpause 
passivieren die Zellen. Da muß ein Elko parallel, der den abfängt, habe 
ich mehr als einmal so gemacht.

Der 1A-Impuls ist heftig, aber auch das lässt sich lösen, genug 
Kapazität und eine geeignete Batterie.

Schaue Dir die Broschüre von Tadiran an:
https://tadiranbatteries.de/wp-content/uploads/2021/10/technische-broschuere-ltc-batterien.pdf

Luky S. schrieb:
> ja eine ordentliche Kapazität in Verbindung mit sehr geringem
> Leckströmen haben

Das Thema Leckstrom haken wir mal als German-Angst ab, selbst 
Standardelkos bewegen sich nach ein paar Tagen bei einstelligen 
Mikroampere. Nimmst Du einen LiIon-Akku, ein Multimeter und einen Elko, 
lässt das ein paar Tage laufen und wunderst Dich.

von Bruno V. (bruno_v)


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Michael B. schrieb:
> Jedes Senden kostet 9mAh.

Faktor 3600 weniger:

Bruno V. schrieb:
> Mit I*t=9mAs

: Bearbeitet durch User
von Michael B. (laberkopp)


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Bruno V. schrieb:
> Faktor 3600 weniger:

Oh, stimmt, damit reicht die Batterie ja ewig.

Steve van de Grens schrieb:
> Laa mich raten: Es geht um einen ESP32, richtig?

Dann ist sie aber schon am selben Tag leer.

von Luky S. (luky)


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@pruckelfred hast du mehr brauchbaren Infos zu den Leckströmen bei 
Elkos? Unter welchen Bedingungen  Spannungen  Temperaturen werden die 
selbst für ein Ultra - low - power Projekt "vernachlässigbar" gering? 
Welche Typen sind besonders geeignet?

von Jörg R. (solar77)


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Manfred P. schrieb:
> Luky S. schrieb:
>> Lithiumthionylchlorid hat zwar eine sehr hohe Kapazität und geringe
>> Selbstentladung, reagiert aber auch sehr empfindlich auf hohe
>> Entladeströme, da hätte ich also nicht viel gewonnen

> Der 1A-Impuls ist heftig, aber auch das lässt sich lösen, genug
> Kapazität und eine geeignete Batterie.

Dem TO reicht rechnerisch eigentlich 1F (sogar weniger), aber bei diesen 
„kleinen“ Kapazitäten ist der ESR zu hoch. Die Spannung würde daher zu 
sehr einbrechen.

Hier mal ein Beispiel für einen Supercap mit einem ESR von 85mR. Der hat 
allerdings 5F.

https://www.reichelt.de/ch/de/superkondensator-5-0-f-6-v-10-5-x-21-x-31-mm-hy-cap-5-0f-6v-p195676.html?&trstct=pol_3&nbc=1

https://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/B300/VEC6R0505QG.pdf

> Das Thema Leckstrom haken wir mal als German-Angst ab, selbst
> Standardelkos bewegen sich nach ein paar Tagen bei einstelligen
> Mikroampere.

Der verlinkte hat lt. DB einen Leckstrom von 30uA, also so wie Du 
schreibst quasi vernachlässigbar.

2 interessante Links hast Du gepostet.


Luky S. schrieb:
> Ich habe eine Schaltung (läuft auf 3.3V) mit pulsförmiger
> Stromaufnahme (bis zu 1A für 5 ms und dann ca. 50mA für 80ms),

Welche Abweichung +/- darf die Spannung betragen!

> habe aber nur eine Spannungsquelle (1.5 bis ca. 3.6V),
> die mit max. 3mA belastet werden sollte.

Was ist das für eine Spannungsquelle?

: Bearbeitet durch User
von Alfred B. (alfred_b979)


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Rainer W. schrieb:
> Harald K. schrieb:
>> die Pause zwischen Deinen ... "Pulsen"
>
> Die ist doch völlig irrelevant, ...

Soso. :-)

> Michael B. schrieb:
>> GoldCaps taugen nur für geringe Ströme
>
> Deshalb auch "Supercap", auch wenn die Begrifflichkeiten nicht immer
> ganz scharf sind.
>
> Luky S. schrieb:
>> tendiere eher zu einem Supercap

Dürfte Michael übrigens an die vielen pot. Thread-Leser denkend
geschrieben haben. Die - obwohl explizit nach "Supercap" suchend
- trotzdem auch Goldcaps als Treffer präsentiert bekommen. Und
somit ein nützlicher Hinweis.

> Die zulässigen Ströme oder zumindest der
> Innenwiderstand sind i.d.R. im Datenblatt angegeben.

I.d.R. - leider gibt's nicht immer eines (Teile aus CN). Daher:
Immer besser Teile mit Datenblatt & dieses gründlich studieren.

: Bearbeitet durch User
von Luky S. (luky)


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Irgendwie scheinen die für hohe Ströme geeigneten EDLCs ("Supercaps") 
auch einen sehr hohen spezifizierten Leckstrom zu haben.
Was ich noch nicht ganz verstehe: wenn ganz gewöhnliche Elkos nach einer 
Weile einen so geringen Leckstrom haben, warum spezifiziert den dann 
kein Hersteller? Das wäre ja durchaus öfters relevant. Selbst gemessen 
habe ich ihn noch nie, das werde ich in nächster Zeit mal nachholen. 
Wäre ein eher für deutlich höhere Spannungen (zb.B. ein 100V Typ) dabei 
prinzipiell im Vorteil?

Meine bisherige Spannungsversorgung basiert übrigens auf einem Piezo- 
Harvester, hat der Herr Dr. Chef persönlich entwickelt, ich darf da nur 
nachweislich nicht mehr als 3mA rausziehen, sonst bin ich Schuld, wenn 
das System nicht funktioniert. Ansonsten auch, weil der Chef nie Schuld 
ist, aber das ist eine andere Geschichte 😉.
Die minimale Betriebsspannung liebt bei 3.3V, zumindest für den RF Teil. 
Experten werden da ev. einen nRF9160 dahinter erkkennen...

von Bauform B. (bauformb)


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Luky S. schrieb:
> wenn ganz gewöhnliche Elkos nach einer Weile einen so geringen
> Leckstrom haben, warum spezifiziert den dann kein Hersteller?

Weil man das schlecht testen kann. Das Diagramm stammt von einem kleinen 
low leakage Elko und sieht nicht so aus, als ob es sich lohnt, schon 
nach einer Stunde zu messen. Irgendwo stand auch mal 48 Stunden, wer hat 
so viel Zeit?

> Wäre ein eher für deutlich höhere Spannungen (zb.B. ein 100V Typ)
> dabei prinzipiell im Vorteil?

Sollte man meinen, jedenfalls bis 63V. Bei höheren Spannungen wird ein 
anderer Elektrolyt verwendet, die Typen kann man vergessen. Andererseits 
steigt der Leckstrom, wenn der Elko ohne Spannung im Lager liegt und 
wird nach Anlegen der Nennspannung wieder kleiner (->Formatierung). Also 
kann man vermuten, dass man das "deutlich" nicht übertreiben sollte. Das 
Optimum könnte bei 30% der Nennspannung liegen, aus dem Bauch über den 
ganz breiten Daumen. Bei höheren Spannungen steigt der Strom natürlich 
auch.

von Michael B. (laberkopp)


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Luky S. schrieb:
> Meine bisherige Spannungsversorgung basiert übrigens auf einem Piezo-
> Harvester

Alte Weisheit:
Wenn der Leistungsverbrauch so gering ist, dass er sich harvesten lässt, 
dann lebt die Schaltung auch Jahrzehnte aus Batteriestrom.

Und nach dem es hier nicht 9mAh sondern 2.5uAh sind, reicht dafur schon 
eine Knopfzelle.

Schmeiss den Harvester weg und kümmere dich nur um eine Schaltung, die 
die Sendeleistung puffert. z.B. Elko mit 3mA aufladen vor dem Senden.

von Manfred P. (pruckelfred)


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Jörg R. schrieb:
>> Das Thema Leckstrom haken wir mal als German-Angst ab, selbst
>> Standardelkos bewegen sich nach ein paar Tagen bei einstelligen
>> Mikroampere.
> Der verlinkte hat lt. DB einen Leckstrom von 30uA, also so wie Du
> schreibst quasi vernachlässigbar.

30µA ist für eine Primärzelle recht viel, mal 8760 ergibt das um 260mAh 
/ Jahr.

Bauform B. schrieb:
> Luky S. schrieb:
>> wenn ganz gewöhnliche Elkos nach einer Weile einen so geringen
>> Leckstrom haben, warum spezifiziert den dann kein Hersteller?

Weil er in der Masse aller Anwendungen nicht interessiert.

> Weil man das schlecht testen kann. Das Diagramm stammt von einem kleinen
> low leakage Elko und sieht nicht so aus, als ob es sich lohnt, schon
> nach einer Stunde zu messen. Irgendwo stand auch mal 48 Stunden, wer hat
> so viel Zeit?

Wen jucken ein paar Tage und warum wohl schrieb ich:
Manfred P. schrieb:
> Nimmst Du einen LiIon-Akku, ein Multimeter und einen Elko,
> lässt das ein paar Tage laufen und wunderst Dich.

Es wäre nicht mein erster Testaufbau, wo ich etwas über dreistellige 
Stunden beobachte. Man muß es einfach wollen anstatt Ausreden zu suchen. 
Wenn es nicht automatisierbar ist, schreibt man eben zweimal pro Tag den 
Meßwert manuell auf.

von Rainer W. (rawi)


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Michael B. schrieb:
> Dann ist sie aber schon am selben Tag leer.

Schlafen legen muss man ihn zwischen den Messungen schon.

von Jörg R. (solar77)


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Manfred P. schrieb:
> Jörg R. schrieb:
>>> Das Thema Leckstrom haken wir mal als German-Angst ab, selbst
>>> Standardelkos bewegen sich nach ein paar Tagen bei einstelligen
>>> Mikroampere.
>> Der verlinkte hat lt. DB einen Leckstrom von 30uA, also so wie Du
>> schreibst quasi vernachlässigbar.
>
> 30µA ist für eine Primärzelle recht viel, mal 8760 ergibt das um 260mAh
> / Jahr.

Ungefähr der Energieinhalt einer CR2032.

Das Problem ist dass bei „kleineren“ Kapazitäten der ESR zu hoch wird. 
Rechnerisch würden dem TO 0,47F reichen.

260mAh sind 2,6Ah in 10 Jahren.

Die von Rüdiger verlinkte Zelle hat 17Ah. Es gibt auch die Bauform C mit 
7,7Ah. Die würde rein rechnerisch für ca. 30 Jahre reichen, ohne die 
Schaltung des TO. Es gibt auch noch eine Bauform die etwas größer ist 
wie AA, mit 3,6Ah. Selbst die würde mehrere Jahre reichen.

Rüdiger B. schrieb:
> Und eine Monozelle 17 Ah:
> 
https://shop.a2-gmbh.de/saft-mono-d-ls33600-lithium-3-6v-17ah-17000mah-a7898586360193


Luky S. schrieb:
> Irgendwie scheinen die für hohe Ströme geeigneten EDLCs ("Supercaps")
> auch einen sehr hohen spezifizierten Leckstrom zu haben.

Hast Du gelesen was ich geschrieben bzw. verlinkt habe?

Jörg R. schrieb:
> Manfred P. schrieb:
>> Luky S. schrieb:
>>> Lithiumthionylchlorid hat zwar eine sehr hohe Kapazität und geringe
>>> Selbstentladung, reagiert aber auch sehr empfindlich auf hohe
>>> Entladeströme, da hätte ich also nicht viel gewonnen
>
>> Der 1A-Impuls ist heftig, aber auch das lässt sich lösen, genug
>> Kapazität und eine geeignete Batterie.
>
> Dem TO reicht rechnerisch eigentlich 1F (sogar weniger), aber bei diesen
> „kleinen“ Kapazitäten ist der ESR zu hoch. Die Spannung würde daher zu
> sehr einbrechen.
>
> Hier mal ein Beispiel für einen Supercap mit einem ESR von 85mR. Der hat
> allerdings 5F.
>
> 
https://www.reichelt.de/ch/de/superkondensator-5-0-f-6-v-10-5-x-21-x-31-mm-hy-cap-5-0f-6v-p195676.html?&trstct=pol_3&nbc=1
>
> https://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/B300/VEC6R0505QG.pdf


Thema noch aktuell?

: Bearbeitet durch User
von Michael B. (laberkopp)


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Rainer W. schrieb:
> Schlafen legen muss man ihn zwischen den Messungen schon.

Bloss kannst du einen ESP nicht aus dem Netz nehmen, und erwarten, dass 
er in 5ms sich wieder einbucht und die Übertragung abgeschlossen hat. Er 
braucht also wesentlich mehr Strom.

Glücklicherweise hat sich inzwischen aber in diesem thread geklärt, dass 
es nicht um den ESP geht.

von Luky S. (luky)


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Es wird höchstwahrscheinlich eine Lösung mit dem TI TPS63900 und 
dahinter einer ausreichend großen Kondensatorbank werden, ich muss nur 
noch die verschiedenen Kondensatoren auch bei niedrigen und höchsten 
temüperaturen mal eine längere Zeit vermessen, da muss ich aber noch 
warten bis der Temperaturschrank frei wird.

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