Condensator opladen

Op 29 oktober 2015 16:16:53 schreef blurp:
[...]

Eigenlijk ben je dus op zoek naar het circuit dat je C zo snel mogelijk oplaad binnen de grenzen van je 5V/1A voeding.

Dat zou kunnen met een buck-converter die je niet regelt op basis van het verschil tussen uitgangs en referentie-spanning, maar op basis van de ingangsstroom.

Maar je moet wel een gruwelijk grote capaciteit hebben, of gruwelijk snel willen laden wil dat effect hebben.

Inderdaad! Je begrijpt me volledig.

De opstelling die je daar noemt (een buck-converter die je...) is inderdaad de opstelling die in de Maxwell 'paper' ook beschreven staat (pag. 3 fig. 2).

Ik ben er nog niet volledig aan uit hoe deze opstelling zou moeten werken eerlijk gezegd..

Eric

Frederick E. Terman

Honourable Member

Intussen kunnen we wel alvast wat rekenen aan de tijdsbesparing.
Stel eens dat je een condensator van 1F zou willen laden tot 5V.

'Normaal' met 1A:
van 0 naar 5V met 1A duurt 5V*1F/1A = 5,0 seconden

In twee stappen:
van 0 naar 1V met 5A duurt 1V*1F/5A = 0,2 seconden
van 1 naar 5V met 1A duurt 4V*1F/1A = 4,0 seconden
Totaal 4,2 seconden

Besparing 0,8 seconden.

Bij andere condensatorwaarden gaat de besparing evenredig op en neer. Bij een condensatorwaarde van 10 000 uF bijvoorbeeld, zou de besparing 0,008 seconde bedragen.

--
Als je voor de eerste stap steeds andere spanningen invult, krijg je andere tijdsbesparingen. De grootste besparing, van 1,25 seconden, krijg je in ons voorbeeld met als eerste spanning 2,5V bij een laadstroom van 2A.

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org

Op 29 oktober 2015 17:30:48 schreef Frederick E. Terman:
Intussen kunnen we wel alvast wat rekenen aan de tijdsbesparing.

[...]

In twee stappen:
van 0 naar 1V met 5A duurt 1V*1F/5A = 0,2 seconden

Je kan het theoretisch maximale uitrekenen: 5V, 1A is maximaal 5W.
Een 1F condensator heeft bij 5V E = 1/2 C U2 = 12.5J aan energie. Met 5J/s doe je dat dus in 2.5s. Je kan in theorie met een 100% efficiente buck converter die condensator in de helft van de tijd opladen t.o.v. "de stroom begrenzen tot 1A"...

four NANDS do make a NOR . Kijk ook eens in onze shop: http://www.bitwizard.nl/shop/
Frederick E. Terman

Honourable Member

Klopt natuurlijk.
Het valt me nog hard mee dat je met een tweetraps systeem hiervan al de helft zou behalen. :)

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org

Op 29 oktober 2015 16:16:53 schreef blurp:
[...]
Dat zou kunnen met een buck-converter die je niet regelt op basis van het verschil tussen uitgangs en referentie-spanning, maar op basis van de ingangsstroom.
hebben.

Ik denk dat ik het begrijp:

Je moet dus zodanig 'buckken' dat je ten allen tijde (gemiddeld) 1Ampere van de ingang onttrekt.
Bijvoorbeeld in een eerste tijdsinterval heb je een kleine duty cycle, zodat gedurende Ton 5A wordt getrokken en gedurende een 5x langere Toff 0A => resulteert gemiddeld in 1A die je van je oorspronkelijke bron onttrekt.

In een tweede tijdsinterval is de duty cycle groter. De getrokken stroom tijdens Ton is nu lager, maar duurt langer, waardoor het gemiddeld gezien voor de bron '1 Ampere' blijft.

Zo onttrek je dus tijdens het volledige laadproces ongeveer de volledige 5Watt
Hiervoor neem je dan geen 2, maar meerdere tijdsintervallen natuurlijk, ideaal: hele kleine tijdsintervallen; de duty cycle wordt dus constant bijgeregeld zodat de ingangsstroom gemiddeld steeds 1A blijft.

Klopt mijn gedachtengang?

Soort van, maar aangenomen dat je het met analoge elektronica zou doen, en niet met een microcontroller of zo, zou een continue proces zelfs nog een stuk eenvoudiger zijn om te implementeren.

Dat hoeft m.i. niet eens heel ingewikkeld te zijn; als je een standaard buck converter neemt (ingekocht ding, iets opgebouwd rond een modern switcher IC, of zelfs rond een MC34063), en de feedback pin niet de uitgangsspanning geeft (via een deler), maar in plaats daarvan de ingangsstroom (meetweerstand in de Vin lijn voor de buffercondensator, opampje erbij, etc.), gaat het ding "vanzelf" de ingangsstroom regelen, en zodra het verschil tussen de in- en uitgangsspanning te klein wordt, zal hij vanzelf naar 100% pulsbreedte gaan, waarbij de uitgangsspanning nooit hoger kan worden dan de ingangsspanning.

Een manager is iemand die denkt dat negen vrouwen in één maand een kind kunnen maken

Wat me nog dwarszit is dat een buck converter voor mij een spanningsbron is...?

Neem het uitgerekend tweetrapsvoorbeeld van Frederick E. Terman. Hoe ben ik zeker dat er in elke trap met constante stroom geladen wordt met een buck???

In de 1e trap van zijn uitgewerkt voorbeeld moet er geladen worden met 5A, tot 1V. Dus ik zou denken: buck de oorspronkelijke voeding met een duty cycle van 20%, dan heb je op de uitgang van je buck 1 Volt, en KAN er 5A getrokken worden. Maar dit is toch een spanningsbron? Hoe ben je zeker dat er effectief 5A getrokken wordt?

Ik ben momenteel echt in de war... excuus

Kruimel

Golden Member

Dat zit dan in je hoofd denk ik... :) Wat een buck converter aan de uitgang levert is afhankelijk van het geïmplementeerde regelmechanisme. In een buck converter zit een PWM generator die op basis van terugkoppeling van een uitgangssignaal (die stroom en spanning kan zijn) hoe de schakelaar wordt aangestuurd. Die 20% die jij noemt is niet vast, maar ook afhankelijk van de belasting en de precieze ingangsspanning. Verreweg de meeste buck-converters werken met een vaste (maar veelal nog wel instelbare) uitgangsspanning omdat dit nu eenmaal handiger is in de echte wereld, maar dat is geen intrinsieke eigenschap van Buck converters.

Groet,
Kruimel

Frederick E. Terman

Honourable Member

Omdat we er hier van uitgaan dat we steeds een vast vermogen uit de converter willen halen, is het duidelijk dat we niet moeten regelen op spanning, en ook niet op stroom, maar op vermogen.
Zowel uitgangsstroom als -spanning moeten gemeten worden en met elkaar vermenigvuldigd, en dat product is dan de maat voor de terugkoppeling.

Je regelt dus niet op maximaal vermogen, maar op een vast, vooraf bepaald vermogen. In jouw voorbeeld dus 5W.
Als je dat zou vergeten, zou je kunnen uitkomen op een afstelling die de condensator sneller laadt, maar ook meer dan het afgesproken vermogen gaat opnemen. Dat zou flauw zijn; dan kun je net zo goed de condensator meteen op de eindspanning aansluiten.

Wat je eigenlijk zou willen is een ideale DC-DC transformator, waarvan de 'wikkelverhouding' wordt geregeld door een terugkoppeling op het afgegeven vermogen.
Zo'n ding zou óveral 5W aan willen leveren, dus ook aan je condensator.

Oh ja, en het spul moet natuurlijk ook nog stoppen bij een bepaalde spanning.

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org

Ik ben eerlijk gezegd compleet in de war.

Om een constant vermogen te leveren, regel ik dus de buck zodanig dat het vermogen (je sensed uitgangsspanning- en stroom en vermenigvuldigt), steeds constant blijft.
Dit zal dus bij aanvang een zeer kleine duty cycle inhouden -> kleine spanning, grote stroom
En na verloop een grotere duty cycle worden...
Om uiteindelijk te eindigen bij een 100% duty cycle, zodat de condensator op de spanning van de bron komt te staan, en nagenoeg geen stroom meer trekt (hier zakt dus het vermogen uiteraard in elkaar... als de C vol is, dan kan er moeilijk nog bijsteken. Maar gedurende het laden, is P wel constant.)

Oké, is dit niet "mindblowing"? Dat je, door je spanning te verlagen en geleidelijk op te voeren, een snellere oplaadtijd van je condensator behaalt?
Ik worstel er een beetje mee...

Als je aan het begin van hele situatie werkelijk een lagere spanning aanlegt, met een hogere beschikbare stroom... goed en wel, maar... wordt die stroom eigenlijk daadwerkelijk getrokken door de condensator?
Is die stroom niet bepaald door spanning/ESR? En aangezien je de spanning kleiner maakt in het begin, maak je dan ook de stroom niet kleiner???

Confused...

Frederick E. Terman

Honourable Member

Het snellere laden komt NIET door de lagere spanning, maar door de hogere stroom.
Of de spanning echt zo laag wordt, hangt van de ESR af. Normaal gesproken zou die klein moeten zijn.

--
Met enige moeite kun je in Spice een regelbare ideale trafo knutselen. Hier wordt die voorgesteld door blokken ARB1/2. ARB1 verzorgt de uitgangsspanning, ARB2 de ingangsstroom in dit model. Is verder niet zo belangrijk. 'n' is de ingang voor de 'wikkelverhouding'.

Blok ARB3 is de vermogensterugkoppeling. Hij meet uitgangsspanning en -stroom en vermenigvuldigt ze, en vergelijkt het product (het vermogen) met 'set' (in dit voorbeeld 5, hij regelt dus op 5W).
Verder heb ik in dit blok een stroombegrenzing gestopt (willekeurig op 10A gekozen) en een spanningsbegrenzer (hier dus 5V).
Het resultaat is vanzelfsprekend precies volgens de voorspelling van @rew: na 2,5 seconden is de 1F tot 5V geladen.

e: in ARB3 zit deze formule:
-100000*((v(meas)*i(meas)-v(set))-(if(i(meas)>10,i(meas)-10,0))-(if(V(meas)>5,V(meas)-5,0)))
De stroom- en spanningslimieten zijn dus even vlug 'ingebakken'. Dat had met 'set' ook gekund; is hier verder niet belangrijk.

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org
Kruimel

Golden Member

Op 30 oktober 2015 12:55:58 schreef Eric K.:
Confused...

Ik ook een beetje. Wat wil je bereiken? Aart heeft gelijk:

Op 28 oktober 2015 19:33:52 schreef Aart:
Je bent nu half theoretisch en half praktisch bezig, dat verward.
Want wanneer stopt een ideale stroombron met laden van een ideale C ?..

Ik raad aan of een praktische situatie te beschouwen, of een theoretische maar dan wel compleet.

Your choice. :)

Groet,
Kruimel

Op 30 oktober 2015 12:55:58 schreef Eric K.:

Om een constant vermogen te leveren, regel ik dus de buck zodanig dat het vermogen (je sensed uitgangsspanning- en stroom en vermenigvuldigt), steeds constant blijft.

Ten eerste: Een makkelijkere "sense" variabele is de ingangsstroom. Die moet voor deze oefening "1A" zijn.

Daarnaast moet je begrijpen dat een standaard spanningsgestuurde buck converter eigenlijk ook maar gewoon een stroom-pulsjes-ding is. Maar hij kijkt naar de terugkoppeling (feedback) en regelt de stroompulsjes zodanig dat de spanning aan de uitgang de gewenste waarde bereikt.

Standaard regelt een buck converter chipje de feedback naar bijvoorbeeld 0.65V. Zorg je daar voor "20% van de uitgangsspanning" wordt de uitgangsspanning dus 0.65V/20% =ongeveer= 3.3V.

In werkelijkheid regelt je buck converter in dit geval nog steeds "stroompulsjes om de uitgangscondensator op te laden, zodanig dat die steeds ongeveer 3.3V blijft". Een slimme buck converter zal trouwens ook een "soft start" hebben, zodat ie niet flipt als die uitgangscondensator aan de grote kant is, bij 0V begint en opgeladen moet worden naar die 3.3V.

Maar goed, zou je de ingangsstroom meten met een shuntweerstand, versterken met een opamp, en vervolgens aanbieden als feedback signaal aan je buck converter, dan zal die proberen die ingangsstroom constant te houden. Dat zal inderdaad met varierende puslbreedte gepaard gaan.

Zou je dit in werkelijkheid gaan bouwen moet je rekening houden dat zo'n opamp vertraging introduceert waar mogelijk de regeling in de buck converter last van heeft. Het gevolg zou dan zijn dat de boel gaat oscileren op een manier dat niet de bedoeling is.

Vraag blijft een beetje: Wil je inderdaad een dikke super-cap zo snel mogelijk opladen, of zit je alleen een beetje naar de theorie te vissen?

four NANDS do make a NOR . Kijk ook eens in onze shop: http://www.bitwizard.nl/shop/

Op 30 oktober 2015 13:41:30 schreef Kruimel:
[...]Ik ook een beetje. Wat wil je bereiken? Aart heeft gelijk:
[...]Your choice. :)

Ik wil dit graag praktisch realiseren volgens de opstelling uit de Maxwell paper (buck converter)

Ik neem dit weekend eens mijn toevlucht tot simulatie, want theoretisch raak ik er niet meer aan uit.

Frederick E. Terman

Honourable Member

Op 30 oktober 2015 13:43:16 schreef rew:
[...]
Ten eerste: Een makkelijkere "sense" variabele is de ingangsstroom. Die moet voor deze oefening "1A" zijn.

Oh ja... (stom). Nieuwe simulatie, werkt ook. :)
Maar ik moet evengoed de uitgangsstroom en -spanning monitoren.

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org
Kruimel

Golden Member

Op 30 oktober 2015 16:12:20 schreef Eric K.:
Ik wil dit graag praktisch realiseren volgens de opstelling uit de Maxwell paper (buck converter)

Ken ik niet. Eén van deze toevallig? Heb je een link of een stuk tekst waar deze opstelling in staat beschreven? Zo lang we deze niet kennen is het speculeren welke informatie je nodig hebt.

Groet,
Kruimel

Op 30 oktober 2015 17:58:14 schreef Kruimel:
Heb je een link of een stuk tekst waar deze opstelling in staat beschreven? Zo lang we deze niet kennen is het speculeren welke informatie je nodig hebt.

Groet,
Kruimel

Deze; op pagina 3 vind je de opstelling voor een 'constant power charge'

https://www.maxwell.com/images/documents/an-010_charging_ultracaps.pdf

Eric

Kruimel

Golden Member

Aha, dan wordt het duidelijker. Ik zat te denken aan de wetenschapper die in de 19e eeuw de belangrijkste elektromagnetische vergelijkingen heeft beschreven. Vet briljante kerel, maar waarschijnlijk niet in de positie om in buck-converters te voorzien. ;-)

Wel, wat betreft de paper van de Ultracondensatorfabrikant: dit is niet meer dan een opzetje wat ze daar hebben opgeschreven. Ik snap niet helemaal waarom ze dit zo hebben opgeschreven, want het is te weinig informatie voor de mensen die daadwerkelijk dit soort condensatoren aanschaffen of de bijbehorende systemen bouwen. Je hebt er niets aan zodra je reeds in staat bent om een tractie-inverter te ontwerpen. In elk geval is het precies wat hier al gezegd wordt: een systeem om zo veel mogelijk vermogen in de condensator te stoppen. Waar "Hall sensor" staat zit een stroommeter (die werkt met het Halleffect) en de schakelaar zou in werkelijkheid waarschijnlijk een MOSFET zijn.

De vraag die je hier zou stellen is dan wat de grenzen zijn waar je tegenaan loopt bij het daadwerkelijk bouwen van het systeem. Dat is denk ik voornamelijk de uitgangsstroom. Als je begint met laden is een zo groot mogelijke stroom wenselijk, maar de spoel in de converter moet deze stroom ook aankunnen. In tegenstelling tot (bijvoorbeeld) een weerstand kan je de spoel niet dimensioneren op de gemiddelde stroom. Als er ooit maar een halve µs 100A door moet, dan moet het dus een 100A spoel zijn. Je kunt je voorstellen dat dit een belemmerend grote spoel zou kunnen gaan worden. Een ander probleem is dat als de uitgangsspanning laag is de duty cycle heel klein zal zijn. Het grootste deel van de tijd zal de schakelaar dus open zijn en zal er ongeveer 100A door je diode stromen, en die moet dat dan ook nog eens aankunnen. Dan hebben we het natuurlijk nog niet gehad over de korte naaldpulsen van 100A die uit de enrgiebron worden getrokken die voor storingen en dergelijke gaan zorgen, maar tegen de tijd dat we daar zijn hebben we de grootste hordes al genomen... ;-)

Als het om een kleine versie gaat (als in: minder dan de 100F/50V uit het document) is het waarschijnlijk best goed te doen om een buck converter te kiezen die ingebouwde stroombegrenzing heeft. Die zal de stroom door de inwendige schakelaar proberen te beheersen om niet defect te raken en zo het maximaal haalbare vermogen leveren tot de ingestelde uitgangsspanning is bereikt. De meeste schakelende regelaars zijn sowieso beveiligd tegen overstroom, dus dat kan je dan gewoon gebruiken. Mocht je echt het maximale uit je systeem willen persen en alles optimaliseren voor een maximaal dynamisch bereik dan staat je nog een taak voor de boeg. Het wordt niettemin wel gedaan, want de aangegeven toepassingen in de tractie zijn in werkelijkheid wel toegepast.

Groet,
Kruimel

edit: Ok, ik zie dat je hier eerder naar linkte. Whoops! Niet gezien.

Op 31 oktober 2015 23:24:27 schreef Kruimel:
Het grootste deel van de tijd zal de schakelaar dus open zijn ...

Oké, dus... de bedoeling is dat de buck converter de bron 'converteert' naar
-in het begin: een bron met weinig spanning, maar die veel stroom toelaat
-na verloop van tijd: een bron die tot op het gewenste potentiaal komt tot waar we de condensator willen laden.

De duty cycle start dus heel klein, en wordt geleidelijk aan groter.

Toch 'mindblowing'? Dat je door het aanbieden van een 'kleinere' spanning, en die gestaag laat oplopen, de condensator sneller laad...?

Iemand enig idee hoe ik dit zou kunnen simuleren m.b.v. LT spice?
(ik ben hierin een beginner)

Voor latere (eventuele) realisatie.. is er een aan te bevelen buck-IC hiervoor?

Als Hall-sensor had ik reeds de ACS712 gevonden, die lijkt me wel bruikbaar hiervoor.

Wat ik me nog afvraag is waarom de spanning op de condensator ook word gesensed in het 'control circuit'. Ik neem aan: om het einde van het laadproces te detecteren (condensator heeft gewenste spanning bereikt). Kan dit kloppen, of heb je die ook nog ergens anders voor nodig?

Dank
Eric

Op 1 november 2015 19:10:31 schreef Eric K.:Toch 'mindblowing'? Dat je door het aanbieden van een 'kleinere' spanning, en die gestaag laat oplopen, de condensator sneller laad...?

Nee, helemaal niet, eigenlijk; als je zou proberen direct een hogere spanning aan te bieden, zou er een idioot grote stroom gaan lopen, die alleen nog beperkt wordt door de interne weerstand van de condensator.

Als je echt begrijpt wat "I = C * dU/dt" betekend, is het volstrekt logisch. Voor de rest van een switchmode converter is de vergelijking voor een spoel, "U = L * dI/dt" dan weer essentieel.

Wat het "control circuit" allemaal meet, is afhankelijk van jou, aangezien jij dat circuit moet ontwerpen. Over het algemeen wordt er maar 1 variabele gebruikt voor de feedback (meestal de uitgangsspanning); als jij er meerdere wilt gebruiken, zul je die signalen zelf op een of andere manier moeten "mengen".

Een manager is iemand die denkt dat negen vrouwen in één maand een kind kunnen maken

Op 1 november 2015 19:10:31 schreef Eric K.:
Toch 'mindblowing'? Dat je door het aanbieden van een 'kleinere' spanning, en die gestaag laat oplopen, de condensator sneller laad...?

Nee. Helmaal niet raar. Door de spanning omlaag te transformeren, gaat de stroom omhoog. En met een grotere stroom kan je natuurlijk sneller laden.

Zo duidelijk?

four NANDS do make a NOR . Kijk ook eens in onze shop: http://www.bitwizard.nl/shop/

Op 1 november 2015 20:02:54 schreef SparkyGSX:
[...]als je zou proberen direct een hogere spanning aan te bieden, zou er een idioot grote stroom gaan lopen

Ik volg je, maar, een buck converter (zoals in de gegeven opstelling) verlaagt enkel de spanning...

Oké, intussen heb ik met LT spice leren werken. Handig!
Ik heb even EEN gewone buck converter, met vaste δ gesimuleerd, namelijk deze:

Onderstaand simuleer ik de ingangsstroom (blauw) en je ziet ook de schakelpulsen (groen).
Dit allemaal in het overgangsgedrag, opstartgedrag, of hoe je het ook noemt. Want, dat is het gebied waar ik mijn buck zal inzetten. De condensator is immers 'leeg' bij aanvang, en dient gewoon opgeladen te worden. De regimetoestand die zich nadien instelt, interesseert ons niet voor deze situatie.

Zoals je kan zien stijgt (negatief wel) de ingangsstroom naar een maximumwaarde om nadien terug te vallen.

Het is dus deze stroom (ingangsstroom), die we constant wensen te gaan houden; d.m.v. een variërende δ:
Ton start => de stroom stijgt heel snel en bij het bereiken van bv. 1A wordt de schakelaar alweer geopend.

M.a.w. de current sensing (Hall sensor) moet dus wel heel erg snel kunnen sensen. Zodat bij het bereiken van die 1A in de 1e schakelpuls, hij meteen een signaal kan doorgeven aan het control circuit om de Ton te beïndigen.

Ben ik hier een beetje juist?
Ik maak asap meer simulaties van verschillende situaties.

Groet
Eric

Kruimel

Golden Member

Op 2 november 2015 11:28:36 schreef Eric K.:
Oké, intussen heb ik met LT spice leren werken. Handig!

Dat doe je snel... O_o

In elk geval zou ik de polariteit van de ingangsstroom even omdraaien, nu wekt het de indruk alsof er stroom geleverd wordt aan de bron... :)

Zo te zien heb je een beetje overshoot op de uitgang, er is kortstondig meer spanning dan op de ingang waardoor er stroom terug loopt de bron in. Wellicht is het inzichtelijk om ook eens de spanning op de uitgang te plotten, dat geeft wat meer inzicht in wat er in de schakeling allemaal gebeurt.

De resultaten lijken me wel redelijk representatief voor een real-life situatie met een vaste duty-cycle. Ik weet niets van LT Spice, dus ik kan je helaas niet zeggen hoe je de lengte van de schakelpulsen kan moduleren. Als je echt een 100F condensator wil gebruiken zou ik zeker ook eens simuleren als de laadtijd van je condensator daadwerkelijk vele ordegroottes groter is dan de pulslengtes. Wat voor resultaat krijg je met een 100F condensator? Ik vermoed dat er wel grotere stromen zullen gaan lopen dan 6A...

Groet,
Kruimel