Hallo zusammen, ich habe folgende Schaltung vorliegen, verstehe aber die Funktion nicht zu 100%. Die Schaltung findet ihr im Anhang. Im Eingang liegt an +Vin und -Vin eine Wechselspannung an, welche zunächst einmal gleichgerichtet wird. Die gleichgerichtete Wechselspannung wird anschließend dazu genutzt, den Kondensator zu laden. Nun verstehe ich aber die Funktion der rot markierten Bauteile nicht ganz und weiß auch nicht, wie diese wirken. Was ich weiß ist, dass bei Überschreitung einer Spannung X (5V in meinem Fall), der Kondensator beginnt, sich zu entladen. Durch den Buck-converter vor Vout wird die zwischen Vout und GND anliegende Spannung auf 2,1V reduziert. Zugleich wird am Anschluss Ready eine 5V Spannung als Signal geliefert, dass der Kondensator entladen wird. Der Kondensator entlädt sich dann immer weiter, bis die Spannung am Kondensator 2V erreicht. Bei unterschreiten der 2V im Kondensator liegt zwischen Vout und GND keine Spannung mehr an, bis der Kondensator wieder eine Spannung von 5V erreicht. Da ich die Funktionsweise dieses Moduls gerne verstehen würde, wäre eine Erklärung oder ein Tipp sehr hilfreich. Bei den rot markierten Bauteilen handelt es sich meiner Erkenntnis nach um eine Referenzspannung, einen Operationsverstärker und einen Kondensator(?). Danke für eure Hilfe, Jens
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Jens schrieb: > Referenzspannung, einen Operationsverstärker und einen Kondensator(?). Falsch. Das ist kein Kondensator, das ist ein MOSFET
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Super, dann habe ich den Teil auch schon einmal verstanden. Wenn also vom Gate (nach unten zeigend in dem Schaltkreis) eine Spannung anliegt bei der der MOSFET schaltet, wird der Stromkreis zwischen dem Kondensator und der Last also eingeschaltet wie ich auf der neuen Skizze markiert habe, richtig? Bleibt für mich nur noch die Frage nach der Funktion der beiden anderen Bauteile. Diese müssen ja in der Lage sein, die Spannung am Gate erst über den Schwellenwert zu schalten, wenn die Spannung am Kondensator bei 5V liegt und die Spannung am Gate wieder zu senken, wenn die Spannung des Kondensators unter 3V sinkt. Gruß, Jens
Gesteuert von V_C schaltet der Komparator auf HIGH und sperrt den P-MOSFET. REF = Referenzspannungsquelle
Wenn die Eingangsspannung höher als die Referenzspannung ist, wird der MOSFET aus geschaltet. Ich denke, das ist so nicht gewollt. Vermutlich sind bei dem Komparator die beiden Eingänge vertauscht. Google nach "Referenzspannungsquelle" und "Komparator".
Hallo Jens, um die Schaltung richtig erklären zu können, fehlt die Angabe zur Versorgung des Operationsverstärkers. Ich muss daher mal eine Annahme treffen, nämlich, dass er mit seiner positiven Versorgung an Uc liegt und mit der negativen an GND. Oben in Reihe zum Längsregler (Buck) liegt ein p-Kanal Depletion-MOSFET (auch das ist jetzt eine Annahme, weil der Pfeil nicht gerade deutlich ist und ich davon ausgehe, dass er nach oben zeigt). Das Zeichen ist nicht ganz normgerecht, eigentlich müsste das Rechteck voll (schwarz) ausgefüllt sein. Ein Depletion-MOSFET ist selbstleitend, das bedeutet, wenn die Spannung am Gate (unten) gegen Source (links) kleiner/gleich Null ist, leitet er. Die Gate-Spannung muss gegen Source positiv sein, damit er sperrt. Das heißt, der MOSFET leitet in dieser Schaltung, wenn die Kondensatorspannung die Referenzspannung REF unterschreitet, weil dann der Ausgang des OP auf GND geht und die Gate-Source-Spannung negativ ist. Er sperrt, bzw. hat seinen selbstleitenden Widerstand, wenn die Kondensatorspannung REF übersteigt, weil dann der Ausgang des OP auf Uc liegt (um richtig zu sperren, also hochohmig zu sein, bräuchte der OPV eine positive Versorgungsspannung/Ausgangsspannung, die größer ist, als die Kondensatorspannung). Ganz grob anschaulich: Sobald die Eingangsspannung den Wert REF überschreitet, wird der MOSFET als Längswiderstand wirksam und nimmt mit seinem Spannungsabfall dem Längsregler einen Teil der Arbeit ab. Die Wärmeverluste werden dann auf beide verteilt. Leider basiert diese Erklärung auf der Annahme eines nahezu idealen OPV. Um den Arbeitspunkt und das Regelverhalten der Schaltung analysieren zu können, müsste man jetzt noch den inneren Spannungsabfall des OPV kennen, also um wieviel kleiner seine Ausgangsspannung ist, als die Versorgung. Die Funktion des Ausgangssignal Ready kann ich nur raten: Es geht auf Uc, sobald die Kondensatorspannung REF überschreitet, ansonsten geht es auf GND. Wird es positiv interpretiert, so wird die Schaltung erst dann als betriebsbereit angesehen, wenn die Kondensatorspannung REF überschreitet. Wird es negativ interpretiert, dann ist die Schaltung nur solange betriebsbereit, bis die Kondensatorspannung den Wert REF überschreitet. Gegen letzteres spricht, dass es hier um eine Verkleinerung der Spannung geht (BUCK) und damit die Schaltung erst dann nutzbar ist, wenn die Eingangsspannung einen Mindestwert liefert.
Eine kleine Ergänzung: Es kommt da auch noch sehr auf den Typ des MOSFET an, also wie groß sein Widerstand bei U-Gate-Source = 0 ist. Hat der eine sehr steile Kennlinie, also einen geringen selbstleitenden Strom, so könnte man tatsächlich statt von einer Verteilung der Wärmeleistung von einem Abschaltvorgang sprechen. Obwohl man da wahrscheinlich mit einem Enhancement-MOSFET (selbstsperrend) besser fahren würde, ich wüsste keinen Grund, für einen Abschaltvorgang einen selbstleitenden FET einzusetzen. Eventuell wegen der geringen Spannungen, dass für den selbstsperrenden MOSFET die Abschaltspannung nicht erreicht wird. Aber wir sind hier schon sehr in den Details, da wird die Interpretation ohne weitere Kenntnisse der Parameter zum Lesen im Kaffeesatz. Wenn es sich bei BUCK tatsächlich um ein Schaltnetzteil (Tiefsetzsteller) handelt, dann ist die Funktion der Schaltung leider nicht so einfach zu interpretieren, weil Schaltnetzteile solche Problemfälle selbst auffangen können. Man könnte dann vielleicht noch von einem Überspannungsschutz ausgehen, also dass dem SNT ab einer bestimmten Eingangsspannung ein Vorwiderstand spendiert wird. Obwohl ich dafür bei einem (richtigen) SNT keinen Grund erkennen kann.
Hallo Jens, das Dreieck ist ein Operationsverstärker. Ist die Spannung am +Eingang größer als am -Eingang wird der Ausgang positiver und umgekehrt. Ohne Begrenzungswiderstände (wie auch hier) genügen dazu ein paar uVolt Unterschied. Der p-MOSFET schaltet bei negativer GS-Spannung. Für mich sieht REF wie eine Referenzspannung aus. Berdeutet wird UC größer als REF wird V(GS)größer und der MOSFET macht zu. also OUT wird 0 und ready high. Bist Du Dir sicher, daß sich der Kondensator entlädt, denn ich sehe keinen Grund dafür. Das Konstrukt kann auch der Brumspannung entgegensetzen. allerdings ist das die Aufgabe vom Festspannungsregler. Spannung wird größer MOSFET wird hochohmiger und es fällt mehr ab., Spannung wird kleiner MOSFET wird niederohmiger etc. Hierzu müßte man allerdings die Referenzspannung wissen Kleiner Tip: Zeichne die Schaltung in ein Simulationsprogramm, die gibt es auch als Browser.
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> um die Schaltung richtig erklären zu können, fehlt die > Angabe zur Versorgung des Operationsverstärkers. Ohne konkrete Angabe solltest du davon ausgehen, dass der Komparator (nicht Operationsverstärker) seine Aufgabe erfüllt. Die Versorgungsspannung kann man bei diesem Grundschaltbild als irrelevant abtun. > Depletion-MOSFET auch das ist jetzt eine Annahme Warum gehst du von einem seltenen Sonderfall aus, ohne dass dies ausdrücklich erwähnt wird? Der MOSFET müsste in diesem Fall eine Spannungsversorgung haben, die deutlich höher ist als die Spannung "oben" am Kondensator/Gleichrichter. Das wäre möglich aber ziemlich ungewöhnlich.
@Stefan Ich gehe mal davon aus, dass das Schaltbild, insoweit es die einzelnen Bauteile betrifft, richtig ist. Diese Schaltung arbeitet, unabhängig von der jeweiligen Interpretation, nur mit einem p-Kanal MOSFET. Da liegt der Source-Anschluss links und der Drain-Anschluss rechts und das Problem der erforderlichen höheren Versorgung (Bootstrap etc.) stellt sich nicht.
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Danke, dass ihr euch so intensiv mit meiner Frage beschäftigt. Zunächst einmal muss ich dazu sagen, dass keine kontinuierliche Wechselspannung anliegt, sondern nur periodisch eine Spannungsversorgung erfolgt. Daher ist der Kondensator als Lösung zur Zwischenspeicherung gedacht. Anbei habe ich einen Screenshot vom vollständigen Datenblatt angefügt. Der Website von PiCeramik (Hersteller dieses Moduls) entnehme ich, dass Vc als Alternative für Vout dient, falls eine höhere Spannung als 5V am Ausgang benötigt wird. Vorübergehend kann Vc daher ignoriert werden, wenn ich mich vorerst mit Vout beschäftige. Das Schaltbild von PIceramik scheint mir leider nicht richtig, bzw. vollständig zu sein. Denn wenn ich alles richtig verstanden habe schaltet der MOSEFT aus, sobald die Spannung im Kondensator die Referenzspannung übersteigt. Angenommen ich möchte den Kondensator bei erreichen von 5V beginnen zu entladen und das Entladen bei 3V beenden. Wenn die Referenzspannung nun 5V beträgt, dann ist der MOSEFT so lange ANgeschaltet, bis die Spannung im Kondensator 5V erreicht? Dabei soll der MOSEFT ja erst beginnen durchzuschalten, wenn er 5V erreicht hat und das durchschalten beenden, wenn die Spannung 3V beträgt. Meine Idee (ohne Gewissheit ob es so etwas gibt). Die Anschlüsse des Operationsverstärkers werden getauscht und die Referenzspannung beträgt 5V. Nun ist der MOSEFT gesperrt, bis die Spannung im Kondensator 5V beträgt. Gibt es eine Referenzspannung, die den eigenen Referenzspannungswert bei erreichen der ersten Referenzspannung auf einen anderen Wert (in dem Fall 3V) senkt und ihn nach Errechen der unteren Spannung wieder erhöht? Grüße, Jens
Eine kleine Ergänzung: Hat der Operationsverstärker vielleicht noch eine zusätzliche Funktion? Auf dem Datenblatt steht geschrieben, dass die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 0V beträgt (Angabe der Ready-Leitung), wenn der Kondensator noch nicht bis zum höheren Schwellenwert aufgeladen ist und 9-12V, sobald die Entladung beginnt?
Hallo Jens, die Information über die Funktion (Energie-Harvesting) ist hier extrem wichtig und gibt den obigen Erläuterungen nachträglich einen anderen Sinn. Beim Energie-Ernten ist es tatsächlich so, dass man sehr geringe Energiemengen aufsammelt, bis man genug Energie hat, um eine Aufgabe zu erledigen. Die Menge der zur Verfügung stehenden Energie ist hier vom Kondensator und der darauf befindlichen Ladung abhängig, die über die Spannung Uc gekennzeichnet ist. Es ist Energie = 1/2 C Uc Uc Damit macht die READY-Leitung auch Sinn, sie geht auf einen positiven Wert, nämlich Vcc vom OPV minus innerem Spannungsabfall, sobald genug Energie gesammelt wurde. Das Schaltbild ist nicht vollständig, weil sich die Angaben aus dem Datenblatt ohne weitere Beschaltungen (z.B. Z-Diode an Vcc des OPV) nicht eindeutig einstellen lassen. Wenn also die Ready-Leitung auf den positiven Wert geht, ist die Kondensatorspannung auf REF gestiegen. Auch hier gehe ich davon aus, dass noch weitere Spannungsteiler zur Schaltung gehören, da Eingangsspannungen bis 40 V möglich sind und REF sicher im niedrigen Voltbereich liegt. Gehen wir mal davon aus, dass Uc mindestens 9 V haben soll (die Ausgangssannung des OPV = READY muss ja irgendwoher kommen), dann würde jetzt das Gate des MOSFET auf 9 V liegen, der Source auch, damit wäre ein selbstleitender (Depletion-) MOSFET (noch) stromdurchlässig und man kann einen Verbraucher anschließen. Da muss jetzt allerdings noch eine Hysterese eingebaut sein (in der Prinzipschaltung nicht erkennbar), weil sonst der Komparator (OPV) mit der Belastung gleich wieder zurückschalten würde. Ich muss allerdings einräumen, dass die Verwendung eines Depletion-MOSFET, der im Nennbetrieb (wenn der Verbraucher angeschlossen ist und die Gate-Source-Spannung 0 ist) einen Strombegrenzer darstellt, ziemlich viel Wärme erzeugt (I*I*Rds) und damit den Wirkungsgrad kaputt macht. Ich bin mir also gar nicht sicher, ob die Schaltung korrekt ist, kann auch sein, dass bewusst nicht genug Information enthalten ist, um sie einfach nachzubauen. Versuche doch einmal, den Typ des MOSFET herauszubekommen, dann kann ich mir mal das Datenblatt ansehen und Genaueres zu seiner Aufgabe sagen.
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Robert P. schrieb: > Versuche doch einmal, den Typ des MOSFET herauszubekommen, dann kann ich > mir mal das Datenblatt ansehen und Genaueres zu seiner Aufgabe sagen. leider werde ich wohl keine Antwort bekommen. Wir sind zwar Kunde von Piceramic, aber über die genau Arbeitsweise des Moduls wollte man uns keine Auskunft geben. Wir haben nur Informationen über die Einstellung unterschiedlicher Ausgangswerte bekommen. Bezüglich der Hysterese habe ich mich ein wenig weiter erkundigt. Dabei bin ich nun auf einen nicht-invertierenden Schmitt-Trigger gestoßen. Wenn ich die Funktionsweise richtig verstanden habe, dann könnte dieser anstatt des einfachen Operationsverstärkers und des MOSFET eingesetzt werden?! Bei richtiger Auslegung der Widerstände würde der Schmitt-Trigger dann ab einer Spannung von 5V am Kondensator einschalten und ab einer Spannung von 3V wieder ausschalten, bis die Spannung wieder auf 5V gestiegen ist. Allerdings kommt es bei einer solchen Schaltung zu recht hohen Verlusten aufgrund der Widerstände, oder? Eine andere Idee habe ich im Anhang beigefügt. Der erste Operationsverstärker schaltet bei einer Spannung am Kondensator von 5V auf High. Dabei wird die Spannung zwischen Gate und Source am unteren normal sperrenden MOSFET=0 und die Spannung wird durchgelassen. Dabei wird die Spannung am positiven Eingang des zweiten Operationsverstärkers=5V, weshalb auch dieser auf High schaltet (Referenz ist 3V). Dadurch wird der obere MOSFET auch geöffnet. Da die Spannung dann auf einen Wert von unter 5V sinkt, schaltet der erste Operationsverstärker wieder auf Low, da die Referenzspannung höher ist als die Eingangsspannung am positiven Eingang. Der zweite Operationsverstärker hingegen bleibt so lange auf High und hält den zweiten MOSFET geöffnet, bis die Spannung im Kondensator auf unter 3V sinkt. Wäre eine solche Lösung denkbar? Voraussetzung wäre sicher, dass der erste MOSFET schnell genug geöffnet wird, bevor die Spannung im Kondensator auf unter 5V sinkt und der erste Operationsverstärker auf Low schaltet. Grüße, Jens
Hallo Jens, leider habe ich diese Woche gar keine Zeit mehr. Aber die Sache interessiert mich. Schreib doch mal auf, welche Erwartung Du an die Schaltung hast. Also als Gesamtschaltung. Ich mache dann mal einen Schaltungsvorschlag, den simuliere ich auch (mit LTSpice) und erkläre Dir die Funktion. (Ist für mich berufliche Weiterbildung.) Dann kannst Du das mal aufbauen und ausprobieren. Bis demnächst wieder. P.S.: In Deinem letzten Schaltbild hast Du n-Kanal-MOSFETS (selbstsperrende) eingesetzt. Da besteht dann das Problem, dass die Spannung am Gate zum Durchschalten größer sein muss, als am Source, der jetzt rechts liegt (Strom fließt nach rechts, bei n-Kanal vom Drain zum Source). Das ist so nicht möglich, weil im Fall des Sperrens das Potenzial am Source nicht definiert ist und im Fall des Durchschaltens (Drain=Source) die Gatespannung größer sein müsste, als die Eingangsspannung.
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Jens schrieb: > Das Schaltbild von PIceramik scheint mir leider nicht richtig, bzw. > vollständig zu sein. Das ist kein richtiger Schaltplan. Man kann versuchen, den Schaltplan zu rekonstruieren (Reverse Engineering), vorausgesetzt, man hat das Modul dinghaft.
Robert P. schrieb: > Schreib doch mal auf, welche Erwartung Du an die Schaltung hast. > Also als Gesamtschaltung. > Ich mache dann mal einen Schaltungsvorschlag, den simuliere ich auch > (mit LTSpice) und erkläre Dir die Funktion. (Ist für mich berufliche > Weiterbildung.) > Dann kannst Du das mal aufbauen und ausprobieren. Hallo Robert, es freut mich, dass auch du dich für dieses Thema begeistern kannst. Wie gerne würde ich dieses Angebot direkt annehmen. Aber das beschriebene Board ist Teil (wenn auch nur ein kleiner) meiner Abschlussarbeit. Da ich (auch wenn es vermutlich niemand merken würde) nicht in den Verdacht eines Plagiats kommen möchte, würde ich Tipps zur Auslegung bevorzugen und eine konkrete Auslegung dann selbst gestalten. Aber ich verstehe auch, wenn dir dafür die weitere Zeit fehlt. Was ich nun machen würde ist, einen Schmitt-Trigger zu entwerfen, welcher genau bei den Schwellwerten schaltet. Nach dem was ich in letzter Zeit über solche Schalter gelesen habe, erfüllt dieser doch genau die Funktion, wie ich sie benötige?! Gruß, Jens
Ein kleiner Nachtrag, ich vermute stark, dass das gesamte Energiemanagement in dem IC des Energy Harvesting Boards stattfindet. Solche ICs gibt es bereits in einer Vielzahl am Markt etwa von Linear Technology oder Texas Instruments, siehe: Titel http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/35881fc.pdf Titel http://www.ti.com/lit/ds/symlink/bq25505.pdf Ich werde für meine weiteren Arbeiten also einen solchen IC verwenden. Die energetische Effizienz eines solchen ICs (>90%) würde ich vermutlich mit einem eigenen Aufbau nicht hinbekommen. Gruß, Jens
Hallo Jens, nun bin ich auch wieder im Lande. Ja, da hast Du Recht, das kann man nicht diskret mit der gleichen Qualität (schon gar nicht auf kleinem Raum) aufbauen. Allerdings sollte man solche Dinge schon verstehen. Kommt allerdings auf Dein Ausbildungsziel an. Von einem angehenden Ingenieur würde ich erwarten, dass er solche Schaltungen versteht und sie selbst bauen könnte, wenn sie nicht verfügbar wären. Es würde ja keine Konkurrenz mehr in der Industrie geben, wenn das Know-how nur bei einer Firma läge. Schönes Wochenende.
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