Habe ein paar freie Tage vor Jahresende genutzt, um mit rumliegenden Bauteilen zu prüfen, ob sich galvanisch getrennte Bedienelemente allein auf Basis einer billigst-Energieübertragung von-LED-zu-LED, ganz ohne Transformator, realisieren lassen, und die Antwort lautet: Ja, das funktioniert tatsächlich.
Die ausführliche Beschreibung habe ich auf einer Wiki-Seite gespeichert:
Hallo Lutz!
Sieht auf den ersten Blick gar nicht mal schlecht aus, finde ich.
Jetzt würde ich die mechanisch wacklige LED-zu-LED-Kombination noch durch einen echten "photovoltaic-output optocoupler" ersetzen. Der bringt eventuell noch etwas mehr photonische Ausbeute.
Hast du bereits darüber nachgedacht dich für einen Nobelpreis zu bewerben?
Diese revolutionäre Technik wird alles verändern und veraltete Technologien wie Optokoppler oder LEDs zusammen mit Phototransistoren / Photodioden überflüssig machen.
Jetzt würde ich die mechanisch wacklige LED-zu-LED-Kombination noch
durch einen echten "photovoltaic-output optocoupler" ersetzen. Der
bringt eventuell noch etwas mehr photonische Ausbeute.
Interessante Überlegung. EnOcean setzt für ähnliche Anwendung das Energy Harvesting ein, meist gepaart für die Übertragung von Funksignalen.
Als die Technologie aufkam, konnte man auf einer Fachmesse „Dummysender“ geschenkt erhalten, die die Erzeugung von winzigen Energiemengen durch Betätigung eines Tasters veranschaulichten: bei jeder Betätigung blitzte kurz eine LED auf.
Damals wurde das als Nische und Spielerei betrachtet, heute ist das Grundlage ganzer Hausautomationen.
der letztgenannte Optokoppler entspricht etwa dem, was ich meinte. Ganz billig sind die halt nicht.
Billige Schaltnetzteile gibt es auch, ja. Aber das ist dann schon so ein "Würfelchen", von der Baugröße her. Ich nehme an, dass bei deiner Schaltung der Einbau in eine UP-Dose vorgesehen ist. Da nimmt so ein "Würfelchen" schon arg viel Platz weg.
Deine Schaltung enthält ein Toggle-Flip-Flop. Wie reagiert es auf Tasterprellen? Wie verhält es sich, wenn nach Stromausfall das Netz zurückkehrt? An-Zustand, Aus-Zustand oder zufällig?
Mir persönlich gefällt die weiß-auf-schwarz Darstellung des Schaltbilds nicht so gut. Könntest du das eventuell invertieren? Außerdem sind die Junction-Punkte auch sehr klein, manchmal erkennt man nicht wie es gemeint ist.
Schon ein Aufbau auf normaler Lochrasterplatte unterschreitet ohne besondere Maßnahmen wie das Ablösen von Lötaugen schnell die notwendigen Kriechstrecken für 230V...
Hier aber auch noch eine Lochrasterplatine mit Kupferstegen zwischen den Lötaugen zu verwenden, ist für einen Aufbau an Netzspannung geradezu haarsträubend!
Wie wäre es, gleich eine richtige Fotodiode statt einer LED als Empfänger zu benutzen? Dürfte eine bessere Effizienz haben, denn darauf sind die ja getrimmt. Als LED dann vorrangig einen Infrarot-Typ nehmen.
kann es kosteneffizient sein, anstelle dafür ausgelegter Bauteile (wie photovoltaischer Zellen oder Photo-Dioden) einfach billige LEDs auch für den Empfang zu verwenden.
Oje, Du brauchst die LED <-> LED TV.Fernbedienung nicht neu zu erfinden. Da waren einige schneller und z.B. auch B.Kainka zeigte vor Jahrzehnten, wie es geht.
Was die Energie betrifft, der Suchbegriff ist Energy-Harvesting.
Hier es mit grüner 0815 Wald- und Wiesen-LED. Kann sich in 1s selbst mit Sonnenlicht versorgen ...
Wie wäre es, gleich eine richtige Fotodiode statt einer LED als
Empfänger zu benutzen?
Warum einfach wenns auch schräg geht)?
:)
Ich sehe durchaus an manchen Stellen Sinn, LEDs als Fotodiode zu missbrauchen. Beispielsweise kann man damit bei geschickter Schaltung gleich (in den Pausen, wenn sie nicht als LED genutzt wird) die Umgebungshelligkeit messen.
Aber in einer Schaltung, die dediziert nicht nur Signal sondern Energie übertragen soll, würde ich persönlich Bauteile benutzen, die dies möglichst effizient erledigen. Der Gesamtwirkungsgrad dürfte ohnehin unter aller Sau sein.
Der Gesamtwirkungsgrad dürfte ohnehin
unter aller Sau sein.
Er darf nicht nur, er muss, denn die fluoreszente Schicht ist ja dafür ausgelegt, hochenergetisches, hochfrequentes Licht in niederfrequentes umzuwandeln. Mit der Led zu Led Kombination macht man das gleich zweimal und einmal davon in die "falsche" Richtung.
Man könnte höchstens mal sehen, ob es LED komplett ohne diese fluoreszierende Schicht gibt.
Deine Schaltung enthält ein Toggle-Flip-Flop. Wie reagiert es auf
Tasterprellen?
An sich könnte das Toggle-Flipflop allein schon Tasterprellen absorbieren, allerdings habe ich die Zeitkonstanten durch C7 und C8 bewusst klein gewählt, damit die maximal 3ms langen aktiv-Zeiten des Optokopplers für eine Umschaltung ausreichen.
Der Monoflop auf der Sekundärseite bzw. das Zusammenbrechen der Spannung in C6 bevor die nächste Umschaltung ausgelöst werden kann ist daher auch relevant, um längerdauernde Prell-Ereignisse zu verhindern.
Wie verhält es sich, wenn nach Stromausfall das Netz
zurückkehrt? An-Zustand, Aus-Zustand oder zufällig?
Die 10kOhm Strecke vom Kollektor von Q1 an die Basis von Q3 sorgt für definierten Aus-Zustand nach Stromausfall. Hatte zuerst zusätzlich noch einen Kondensator dafür vorgesehen, erwies sich als irrelevant, aber ich habe noch nicht nachgerechnet, bis zu welchen Bauteiltoleranzen das so ist.
Mir persönlich gefällt die weiß-auf-schwarz Darstellung des Schaltbilds
nicht so gut. Könntest du das eventuell invertieren? Außerdem sind die
Junction-Punkte auch sehr klein, manchmal erkennt man nicht wie es
gemeint ist.
Einfach unter tinyurl .com /2o4hhfsd (ohne Leerzeichen, die Forumsoftware hält sonst alles für "SPAM"...) im "Options"-Menu "white background" wählen... da kann man dann auch rein-zoomen...
Ich versuche noch ein SVG anzuhängen, aber beim Wiki ging das schief.
Lochrasterplatine mit Kupferstegen zwischen den
Lötaugen zu verwenden, ist für einen Aufbau an Netzspannung geradezu
haarsträubend!
Zwischen primär- und sekundär-Seite liegen mehrere Millimeter Kriechstrecke, nur nicht an einem Stück, da mehrere Rasterlinien unbestückt (aber mit Heißkleber unten / Plastik oben überklebt) sind.
Aber wie ich auf der Wiki-Seite schon schrieb: Dieser Aufbau ist auch nicht als mechanisches Vorbild gedacht.
Wie wäre es, gleich eine richtige Fotodiode statt einer LED als
Empfänger zu benutzen? Dürfte eine bessere Effizienz haben, denn darauf
sind die ja getrimmt. Als LED dann vorrangig einen Infrarot-Typ nehmen.
Infrarot-Dioden würden eine so niedrige Spannung liefern, dass der Rückkanal (der dann ja auch mindestens eine Infrarot-Diode kurzzeitig zum Leuchten bringen muss) nicht mehr ohne Spannungshochsetzung auskommen würde.
Da bräuchte man schon wenigstens mehrere IR-Dioden in Serie Empfängerseitig, wie das in den (leider teuren) "photovoltaic-output opto-couplern" von TDK auch realisiert ist.
Wie wäre es, gleich eine richtige Fotodiode statt einer LED als
Empfänger zu benutzen?
Warum einfach wenns auch schräg geht)?
Wie oben bereits geschrieben liefern übliche Fotodioden von sich aus keine ausreichend hohe Spannung für die Aktivierung des "Rückkanals", außerdem sind Fotodioden teurer als gewöhnliche blaue LEDs.
die fluoreszente Schicht ist ja dafür
ausgelegt, hochenergetisches, hochfrequentes Licht in niederfrequentes
umzuwandeln.
Du beschreibst weiße LEDs. Ich beschrieb und verwendete UV-A und blaue LEDs, die keine floureszierende Schicht aufweisen, wie eigentlich alle farbigen LEDs.
ob sich galvanisch getrennte Bedienelemente allein
auf Basis einer billigst-Energieübertragung von-LED-zu-LED, ganz ohne
Transformator, realisieren lassen
Das einig interessante an deinem Aufbau UV-LED/blaue LED ist doch wieviel Energie der transportiert und welche Spannungen/Ströme man bekommt. Dazu gibt es leider nur vage Andeutungen, wie etwa 2,4V und 20µA, aber keine Strom-/Spannungs-Kennlinie. Man kann nicht einmal den Sendestrom zu den genannten Ausgangswerten erkennen.
Für gute Ideen, wie man die Idee sonst noch nutzen oder die Schaltung
verbessern könnte, bin ich natürlich dankbar.
An sich ist das eine bekannte Eigenschaft von Leds, die Du hier nur anders anwendest.
Über den Sinn kann man sich streiten.
Z.B. hätte die Verwendung eines simplen Druckschalters für 230V~ die komplette Schaltung hinfällig gemacht.
Energiesparend ist an dem Teil zumindest nix.
Das kapazitive Netzteil liefert konstant seine Leistung.
Ob in die Z-Diode oder die restliche Schaltung ist dem egal.
EnOcean setzt für ähnliche Anwendung das Energy
Harvesting ein
Tun sie nicht.
EnOcean benötigt eben KEINE Energiequelle ausser der kinetischen des Tasterdrucks. Das ist der große Vorteil davon und eröffnet interessante Möglichkeiten.
Das hier ist so ziemlich das Gegenteil von EnOcean.
Permanent wird vom kapazitiven Netzteil die Energie geliefert die ausreichen muss, um auch mehrere Tastendrücke hintereinandern auszuführen, auch während der Triac angesteuert wird.
Und das wird bei der grottigen Effizienz der LED Übertragung ein ganz ordentlicher Strom durch die UV-A LED sein, die dadurch schnell altert.
Wenn man eine schwache Stromversorgung mit PE Bezug braucht, geht das einfacher. Zulässiger Erdableitstrom über den Körper ist 0,5mA, über PE 3,5mA.
wieviel Energie der transportiert und welche Spannungen/Ströme man
bekommt.
Auf der "sendenden" Seite fließen ca. 18mA durch die UV-A LED, an der dabei eine Vorwärtsspannung von ca. 3,3V abfällt.
Auf der "empfangenden" Seite fließen ca. 20µA durch die blaue LED, wenn an dieser nur eine Ohm'sche Last von 1kOhm angeschlossen ist. Genauer wollte ich das nicht messen.
Es ging mir bei der Schaltung auch nie um eine besonders gute Effizienz bei der Energieübertragung von primär nach sekundär - selbst bei < 0,1% Effizienz werden auf der primären Seite, inklusiv LED-Vorwiderstand, nur ca. 70mW für die "Beleuchtung" aufgewendet, also deutlich weniger, als z.B. allein R1 verbrät, der nur Stromspitzen beim Einschalten vermeiden muss.
Die Schaltung insgesamt verbraucht (ohne Last, bei angeschaltetem TRIAC) ca. 750mW.
An sich ist das eine bekannte Eigenschaft von Leds, die Du hier nur
anders anwendest.
Ja, klar, was anderes habe ich nie behauptet.
Z.B. hätte die Verwendung eines simplen Druckschalters für 230V~ die
komplette Schaltung hinfällig gemacht.
Für 230V spezifizierte Taster fand ich bei deutschen Versendern erst so ab 9,- EUR, und deren Einsatz löst dann noch nicht das Problem, dass man u.U. sehr viel 230V-taugliches Kabel an den Ort verlegen muss, wo geschaltet werden soll.
Energiesparend ist an dem Teil zumindest nix.
Im Vergleich zu einem mechanischen Taster für 230V sicher nicht.
Ein "billiges" Schaltnetzteil oder gar ein mit 50Hz arbeitender Transformator könnten aber durchaus schlechter sein.
Das kapazitive Netzteil liefert konstant seine Leistung.
Ob in die Z-Diode oder die restliche Schaltung ist dem egal.
Ja, und ich fände es durchaus interessant zu überlegen, ob zwischen primitivem Kondensatornetzteil und aufwändig optimiertem Schaltnetzteil noch andere Arten von Netzteilen in Frage kämen, die effizienter als ersteres aber billiger als letzteres sind.
EnOcean setzt für ähnliche Anwendung das Energy
Harvesting ein
Tun sie nicht.
EnOcean benötigt eben KEINE Energiequelle ausser der kinetischen des
Tasterdrucks. Das ist der große Vorteil davon und eröffnet interessante
Möglichkeiten.
Die EnOcean-Taster sind mit > 40,- EUR teure "virtue-signaling"-Produkte, für deutlich weniger Geld könnte man Funktaster mit Lithium-Primärzelle bauen, die jahrzehntelang bis zum ersten Batteriewechsel funktionieren.
Und das wird bei der grottigen Effizienz der LED Übertragung ein ganz
ordentlicher Strom durch die UV-A LED sein, die dadurch schnell altert.
Die 18mA durch die UV-A LED lassen die nicht mal fühlbar warm werden, und liegen unter dem üblichen Vorwärtsstrom für die billigsten UV-A Dioden, deren Datenblätter ich fand.
Wenn man eine schwache Stromversorgung mit PE Bezug braucht, geht das
einfacher. Zulässiger Erdableitstrom über den Körper ist 0,5mA, über PE
3,5mA.
Lautet Dein Vorschlag, einfach nur einen entsprechend dimensionierten Widerstand zur Sekundärseite / zum Menschen hin zu verwenden, oder meinst Du damit etwas anderes?
Die EnOcean-Taster sind mit > 40,- EUR teure
"virtue-signaling"-Produkte, für deutlich weniger Geld könnte man
Funktaster mit Lithium-Primärzelle bauen, die jahrzehntelang bis zum
ersten Batteriewechsel funktionieren.
Die EnOcean Taster kosten vermutlich keine 3€ in der Herstellung.
Du könntest die Funktaster mit Primärzelle bauen, aber du könntest sie nicht für unter 40€ verkaufen.
Jahrzentelang mit Primärzelle für einen mehrmals am Tag betätigten Lichtschalter ist ein Märchen.
ich fände es durchaus interessant zu überlegen, ob zwischen
primitivem Kondensatornetzteil und ... Schaltnetzteil
noch andere Arten von Netzteilen in Frage kämen, die effizienter als
ersteres aber billiger als letzteres sind.
Minimalstanforderung dafür wäre ein Schalter für 230VAC
oder eben nach Gleichrichtung 325VDC.
(An diesem Punkt der Überlegung eines Entwicklers kommt
meist der (Speicher-)Trafo als nächster Schritt - meist.)
aufwändig optimiertem Schaltnetzteil
Was meinst Du? Ohne isolierenden Trafo? Gut, gibt's: Heißt
"Nonisolated Buck", z.B. werden rundum berührgeschütze LED-
Lampen so versorgt. Geht auch mit weniger P_aus, und CV
statt CC. (Spannungsteiler statt nur Strommeßshunt an FB.)
Bloß ist die Original-Schaltung eher ein gleichwertiger
Ersatz zum "großen C" (egal, ob blau, hauptsache X2) als
eine deutliche Verbesserung des Problems "P_tot=konstant".
Also statt Z-Diode mehr Hühnerfütter - zur Deaktivierung
des Fet bei best. U_aus(max) (incl. "on again" Hysterese).
Oder auch noch die orig. Schaltschwelle variieren, es ist
niemand gezwungen, hier auch nur 1 Z-Diode einzusetzen -
die Komplexität steigt zwar schon, aber da hauptsächlich
"Kleingetier" (Rs, Cs, TL431), vielleicht verschmerzbar.
Jahrzentelang mit Primärzelle für einen mehrmals am Tag betätigten
Lichtschalter ist ein Märchen.
Denke ich nicht. Meine Wetterstation sendet 5minütlich (wofür der Controller sekündlich aufwacht, um jeweils bis 300 zu zählen), die hält viele Jahre mit 2 x LR03. Hardware: ATmega128RFA1.
nice. Hatte ich auch mal gebaut, allerdings gabs da noch keine blauen LED. gelb -> superrot war gut(naja), gab aber zu wenig Spannung, daher das ganze 2x aufgebaut. War zum kontaktlos frisch halten einer 2,4V 50mAh DK-Zelle.
Habe zu dem Begriff mal diesen ausführlichen Artikel gelesen: https://www.ti.com/lit/an/slyt391/slyt391.pdf
Schon ein interessanter Ansatz, aber bis auf den nicht vorhandenen Transformator kaum weniger aufwändig als ein Schaltnetzteil. Scheint auch für höhere Ausgangsleistungen ausgelegt worden zu sein, während ich nur eine sehr kleine brauche.
Über einen Ansatz solcher Art hatte ich auch nachgedacht, und denke auch, dass man das Durchschalten des MOSFET T2 in jener Schaltung doch eigentlich davon abhängig machen möchte, ob an C1 die gewünschte Mindestspannung erreicht wurde - damit müsste sich doch eigentlich realisieren lassen, nur dann Leistung zu entnehmen, wenn diese auch abgerufen wird... werde mit sowas bei Gelegenheit mal experimentieren.
Der Gesamtwirkungsgrad dürfte ohnehin
unter aller Sau sein.
Er darf nicht nur, er muss, denn die fluoreszente Schicht ist ja dafür
ausgelegt, hochenergetisches, hochfrequentes Licht in niederfrequentes
umzuwandeln. Mit der Led zu Led Kombination macht man das gleich zweimal
und einmal davon in die "falsche" Richtung.
Man könnte höchstens mal sehen, ob es LED komplett ohne diese
fluoreszierende Schicht gibt.
echt rote led können das... und sind wegen der fehlenden wandlung auch raketenschnell, was hier aber egal ist..
Habe ein paar freie Tage vor Jahresende genutzt, um mit rumliegenden
Bauteilen zu prüfen, ob sich galvanisch getrennte Bedienelemente allein
auf Basis einer billigst-Energieübertragung von-LED-zu-LED, ganz ohne
Transformator, realisieren lassen, und die Antwort lautet: Ja, das
funktioniert tatsächlich.
Das funktionierte schon in den 80er Jahren des vorigen Jahrhunderts. Damals war die Alternative zu teuren Photodioden z.B. ein preisgünstiger BC107 im TO18 Gehäuse, dem man für die Funktion als Photoempfänger den Deckel entfernt hat ;-)
Habe ein paar freie Tage vor Jahresende genutzt, um mit rumliegenden
Bauteilen zu prüfen, ob sich galvanisch getrennte Bedienelemente allein
auf Basis einer billigst-Energieübertragung von-LED-zu-LED, ganz ohne
Transformator, realisieren lassen, und die Antwort lautet: Ja, das
funktioniert tatsächlich.
Das funktionierte schon in den 80er Jahren des vorigen Jahrhunderts.
Damals war die Alternative zu teuren Photodioden z.B. ein preisgünstiger
BC107 im TO18 Gehäuse, dem man für die Funktion als Photoempfänger den
Deckel entfernt hat ;-)
Du hast den Sinn des Beitrages nicht ganz verstanden. Es geht nicht um die SIGNAL-Übertragung, sondern um die ENERGIE-Übertragung.
Inwiefern das für das konkrete Anwendungsbeispiel notwendig wäre, steht auf einem ganz anderen Blatt.
Kannst die beiden LEDs ja mal in ein weißes Röhrchen o.ä. stecken, dass sollte die Effizienz erhöhen aufgrund von Mehrfachreflektionen. Am besten wäre ja was von innen verspiegeltes.
"Verspiegelt" werden Oberflächen i.d.R. durch Schichten aus Metall, die auch elektrisch leiten, was dem Zweck einer sicheren galvanischen Trennung zwischen den Seiten nicht förderlich wäre.
Kann man natürlich machen, aber die mir bekannten Laserdioden sind ca. Faktor 100 mal teurer als normale LEDs, wie ich sie verbaute. Für den Preis könnte man dann auch einen gut isolierenden Transformator oder gleich ein ganzes Schaltnetzteil kaufen...
Die Idee einer Energieübertragung von LED zu LED ergibt nur einen Sinn, wenn der Aufbau ausgesprochen billig sein soll.
opto-isolated-power-switch-circuit.png
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opto-isolated-power-switch-box.jpg
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