Pufferung von Leistungsspitzen mittels Supercap

[KondensatorKeule]

Ja stark! Vielen Dank schon mal für eure Antworten, da waren viele Sachen dabei, die mir gedanklich weitergeholfen haben und auf deren Grundlage ich mich weiter

Bei dir könnte die Schaltung so aussehen: Netzteil mit 24V, Supercap zwischen 24V und Masse und dann der Verbraucher.

Wenn ich meinen Kondensator parallel zum Verbraucher schalte, würden auf jeden Fall Lastspitzen beim Anlaufen gepuffert werden. Da habe ich viele Beispiele von Glättungs- oder Pufferkondensatoren gefunden, vor allem im Car-HiFi-Bereich zum Auffangen von "Bassattacken". Wenn mein Kondensator aber dann vollgeladen ist, "macht er nicht mehr". Es ist also doch nicht so einfach, wie ich mir das gewünscht hätte. Oder?

Was mich nämlich vor allem interessiert ist die Glättung der Leistung über den gesamten Betrieb, also ein Aufladen des Supercaps zu Zeiten von geringer Last und ein Entladen der gespeicherten Energie zu Zeiten von hohem Leistungsverbrauch, sodass der Verlauf der Leistung, die der gesamte Stromkreis benötigt, insgesamt geglättet wird. Dabei geht es mir primär darum, dass man den Effekt der Lastglättung zu Veranschaulichungszwecken sichtbar machen kann, wenn man einmal den Leistungsverlauf ohne Supercap aufzeichnet und ihm dem durch den Supercap geglätteten gegenüberstellt.

Könnt ihr mir weiterhelfen, wie ich das auf Schaltungsebene realisieren kann?
Bin ich auf dem richtigen Dampfer oder ist mein Gedankengang noch ganz löchrig vor Verständnislücken?

LG!

[Manf]

die Glättung der Leistung über den gesamten Betrieb

Wenn das Netz beliebig leistungsfähig ist dann ist der Kondensator stets voll und die Leistung kommt aus dem Netz.
Man könnte vor den Kondensator im einfachsten Fall eine Glühbirne schalten, dann sieht man wie die Leitung glüht wenn die Leistung entnommen wird und die Kondensatorspannung sinkt.

(Für den praktischen Fall wird man eine verlustarme Strombegrenzung einführen.)

[Klebwax]

Wenn ich meinen Kondensator parallel zum Verbraucher schalte, würden auf jeden Fall Lastspitzen beim Anlaufen gepuffert werden. Da habe ich viele Beispiele von Glättungs- oder Pufferkondensatoren gefunden, vor allem im Car-HiFi-Bereich zum Auffangen von "Bassattacken". Wenn mein Kondensator aber dann vollgeladen ist, "macht er nicht mehr". Es ist also doch nicht so einfach, wie ich mir das gewünscht hätte. Oder?

Dunkel ist deiner Rede Sinn.

Könnt ihr mir weiterhelfen, wie ich das auf Schaltungsebene realisieren kann?

Ich hab das doch beschrieben, aber hier mal aufgemalt:



Ich versuche auch mal eine Beschreibung der Abläufe, die Werte sind ausgedacht.

Der Verbraucher braucht typisch 1A, Spitzen können aber 10A sein, das Netzteil kann bis 2A liefern und begrenzt den Strom auf diesen Wert (wenn nicht, würde es einfach abbrennen oder die Sicherung des Netzteils kommt). Nach dem Einschalten lädt das Netzteil den Kondensator auf, das dauert etwas. Der Verbraucher sollte da nicht wirklich aktiv sein, sonst dauerts länger. Wenn jetzt der Verbraucher 1A zieht, liefert das das Netzteil den Strom. Man könnte aber auch sagen, der Kondensator liefert den und wird gleichzeitig mit 1A aufgeladen. Kommt auf das gleiche heraus. 1A rein, 1A raus macht in Summe 0, die Ladung auf dem Kondensator ändert sich nicht.

Steigt jetzt der Strom liefert das Netzteil bis 2A. Steigt der Strom weiter, muß der Kondensator liefern im Beispiel die fehlenden 8A. Dabei sinkt seine Spannung, das kann man mit den gängigen Formeln für die Kondensatorladung berechnen. Sinkt der Strom dann wieder auf 1A, liefert das Netzteil 2A, eins für den Verbraucher, das andere lädt den Kondensator auf bis er wieder die Netzteilspannung erreicht hat. Dann muß das Netzteil nur noch 1A liefern.

Wie tief die Spannung in der Hochstromphase sinken darf, hängt vom Verbraucher ab. Aus diesem Wert und der Dauer der Hochstromphase kann ein Mindestwert für die Kapazität des Kondensators bestimmt werden.

Thats's it

MfG Klebwax

[KondensatorKeule]

Salvete,
erstmal nochmals vielen Dank für eure Muße und Genauigkeit der Erklärungen in fortwährend freundlichem Ton, ich bin sehr positiv überrascht. In anderen Foren, die ich durchgelesen habe, ging es oft ein wenig rauer zu. Durch eure schicken Erklärungen, habe ich auch schon eine Menge lernen können. Danke auch dafür!

Ich glaube, dass ich mein Problem am Anfang noch nicht ausführlich genug beschrieben habe.

das Netzteil kann bis 2A liefern und begrenzt den Strom auf diesen Wert

Meine Maschine läuft einwandfrei in ihrer jetzigen Konstellation und das Netzteil ist noch lange nicht ausgelastet. Ich will vielmehr den Kondensator aufladen zu Zeiten, in denen die Maschine wenig verbraucht und ihn entladen und als Strom- und Energiequelle nutzen bei einer Leistungsspitze, damit der Verbrauch geglättet wird. Nicht, weil es technisch notwendig wäre, sondern damit ich zu Anschauungszwecken den geglätteten Lastgang dem ungeglätteten gegenüberstellen kann.
Noch vor dem Netzteil ist nämlich ein Energiemeter verbaut, das fortwährend über eine Spule die Stromstärke und damit auch von der Maschine bezogene Leistung aufzeichnet. Und diesen Wert, die Leistung, die vom Netz bezogen wird möchte ich verändern.

Und das gestaltet sich schaltungstechnisch, fürchte ich, etwas komplizierter. Nach weiterer Recherche kam ich jetzt auf die Idee, einen Transistor zu verwenden, der den parallel geschalteten Supercap in Mini-Intervallen ab- und zuschaltet, sodass die Maschine zu Zeiten hohen Verbrauchs aus ihm und dem Netz gespeist wird, was dann ja die in dem Zeitpunkt vom Netz bezogene Leistung verringert. Wie der Transistor aber erkennt, wann er zu handeln hat und wie das Ganze zu verschalten ist, geht weit über meinen jetzigen Wissenstand hinaus. Habt ihr dazu Ideen?

Mfg und einen schönen Start in den Tag!

[Manf]

Ich hab das doch beschrieben, aber hier mal aufgemalt:

Das geht schon so wie oben auch im Bild dargestellt.

Bei der anderen Lösung, wie von mir beschrieben, befindet sich der Kondensator vor dem Netzteil und der Verbraucher erhält damit eine konstante Spannung.

Wenn Schaltungstechnik das Problem ist dann ist die Glühbirne in der Leitung vielleicht doch eine einfache Lösung. Vor dem Netzteil hat man es allerdings mit entsprechend hohen Spannungen zu tun.

[Klebwax]

Meine Maschine läuft einwandfrei in ihrer jetzigen Konstellation und das Netzteil ist noch lange nicht ausgelastet.

Dann liefert immer das Netzteil. Wenn der Kondensator etwas liefert, sinkt seine Spannung. Das gleicht das Netzteil aber sofort aus, der Kondensator ist wirkungslos. Der Strom aus dem Netzteil muß schon begrenzt sein. Und alles was du dazu baust, um möglicherweise etwas zu schalten wird zusätzliche Verluste erzeugen. Dann stimmt die ganze Sache nicht mehr.

Ich will vielmehr den Kondensator aufladen zu Zeiten, in denen die Maschine wenig verbraucht und ihn entladen und als Strom- und Energiequelle nutzen bei einer Leistungsspitze, damit der Verbrauch geglättet wird. Nicht, weil es technisch notwendig wäre, sondern damit ich zu Anschauungszwecken den geglätteten Lastgang dem ungeglätteten gegenüberstellen kann.

Der Sinn erschließt sich mir nicht wirklich. Wenn deine Maschine im typischen Betrieb (ausgedachte Zahl) 1Wh verbraucht, dann tut sie das geglättet oder ungeglättet. Rechne aus dem Verbrauch einfach den Strom aus, dann ist das der mittlere Strom. Da braucht man nichts zu bauen.



Diese Messgerät z.B. kann dir die Wh anzeigen.

Bei der anderen Lösung, wie von mir beschrieben, befindet sich der Kondensator vor dem Netzteil und der Verbraucher erhält damit eine konstante Spannung.

Dann muß aber alles auf den Spitzenstrom ausgelegt sein, bei meinem Rechenbeispiel für 10A statt für 2A. Das macht schon einen Unterschied in Größe und Preis. Bei meinem Torantrieb mit Akku statt Supercap zieht der Motor 10A oder auch mal mehr, wenn es kalt und das Fett in den Lagern steif ist. Der normale Verbrauch sind einige zehn Milliampere für den µC. Das Netzteil dazu liefert ein gutes Ampere für die Ladeschaltung. Das müsste um ein vielfaches größer sein, wenn es den Spitzenstrom liefern sollte.

Auch der Wirkungsgrad dürfte schlechter sein. Ein 10A Netzteil, das die meisste Zeit mit 10% Leistung arbeitet (mein Rechenbeispiel), ist schlechter als ein 2A Netzteil mit 50% Auslastung.

MfG Klebwax

[hbquax]

Ich glaube als nachgeschaltete Lösung für ein fertiges Gleichstromnetzteil ist das Käse.
In klassischen Netzteilen ist ja ein Glättungskondensator verbaut. Der typische Aufbau ist so:
1. Trafo, liefert Wechselspannung ungefähr auf dem Niveau der benötigten Ausgangsspannung, evtl. wenige Volt mehr
2. Gleichrichter
3. Pufferkondensator
4. Spannungsregler

Wenn keine Leistung entnommen wird, wird der Kondensator bis zum Spitzenwert der Wechselspannung aufgeladen (minus Diodenverluste), und der Spannungsregler regelt dann von dort aus die Ausgangsspannung. Der Kondensator puffert ständig die Phasen, wo der aktuelle Wert der Wechselspannung kleiner ist als die Ausgangsspannung, und wenn er groß genug ist, könnte er sicher auch die Spannung stabilisiren, wenn über mehrere Wechselspannungs-Perioden hinweg der Trafo nicht genug nachliefert bzw. die Spannung infolge hohen Stromes einknickt.
Audio-Verstärker haben auch immer große Kondensatoren im Netzteil, um den Spitzenstrom für jeden einzelnden Bass-Schlag zu liefern. Das ist aber alles viel kürzer als deine 5 Sekunden, die Frequenzen sind im Bereich der Netzfrequenz und dem hörbaren Bereich, also oberhalb 50 Hz.

Um mit deinem Kondensator sinnvoll zwischenspeichern zu können, muss die Ladespannung höher als die gewünschte Abgabespannung liegen. Und wie oben schon gesagt, solange das Netzteil genug liefert, bleibt das wirkungslos. Wenn es um einen reinen Demo-Aufbau geht, nimm ein Labornetzteil, bei dem sich Spannung und Strom begrenzen lassen, dann hängst du den Kondensator dahinter. Wenn dein Verbraucher eine konstante Spannung benötigt, brauchst du abschließend noch einen Spannungsregler. Und dann kannst du dein Netzteil so einstellen, daß es gerade so den durchschnittlichen Strom liefert, nur für die Demo.

Frohes Basteln

Nils

[White_Fox]

Meines Erachtens ist ein Kondensator als ernsthafter Speicher nur mit einem Schaltregler zu gebrauchen. Alle audioendstufenartigen Ansätze kannst du schon mal vergessen da du mit deiner zeitlichen Forderung von 5s schon mal außerhalb dessen bist, was gemeinhin unter einem Impulsstrom verstanden wird.

Die Energie, die ein Kondensator enthält, ist mit E= C/2 U² definiert. Das bedeutet, das die audioendstufenartigen Ansätze allesamt das Problem haben daß sie einen Kompromiß aus Energieausbeute und Spannungsschwankungen finden müssen. Das wäre, als würdest du Wasser in einem 100l-Tank zwischenspeichern, könntest aber nur 5l entnehmen und müßtest danach wieder auffüllen. Eigentlich eine Scheißlösung.
Bei kleinen Leistungen kann man das oft machen, da die "Übergröße" des Speichers geringer ins Gewicht fällt als der Aufwand für seine vollständige Nutzung. Bei größeren Leistungen, und da würde ich 30W schon dazuzählen, sieht es dagegen anders aus.

Und wie schon angeklungen brauchst du auch so etwas wie eine Energieverteilung. Wenn dein Netzteil eine Strombegrenzung (nicht Überlastsicherung!) geht da was-andernfalls wird es etwas komplizierter. Dann wäre eine Konstantstromquelle (im einfachsten Fall aus 2 Transistoren),einem einfachen Schaltregler um den Kondensator leer zu ziehen und irgendwas um selbigen wieder aufzuladen nötig.

Supercap...klingt nach diesen 2-3V-Riesendingern. Eine Betriebsspannung von 24V mögen die Dinger nicht, also auch noch eine Spannungsüberwachung bzw. muß die Ladeschaltung etwas ausgefeilter sein um den Kondensator in angemessener Zeit wieder geladen zu haben (und das Netzteil dabei nicht zu überfordern, das beim Laden der Kondensatoren ja zwei Lasten versorgen muß).

Ich sage nicht daß es nicht geht-aber etwas mehr Informationen um zu finden wie es (am besten) geht zur Anwendung sind da schon notwendig.

[Manf]

Hier gibt es ein Beispiel für Maschinenbetrieb mit Kondenesator:
https://www.youtube.com/watch?v=5URPi7FtdNU
https://www.roboternetz.de/community...%E4t+schrauber