Stromimpuls auswerten, ohne eigene Energieversorgung

[grumpf]

Hallo Mitstreiter,

ich habe folgende Problemstellung (in LTSpice modelliert) :)

- Ich habe einen Rechteck Stromimpuls. Der kann eine Hoehe von 5-6A und
eine Laenge zwischen 20ms und 100ms annehmen. Die Impedanz der
Stromquelle ist unbekannt, ebenso die Spannung des Signals, liegt aber
zwischen 8V und 30V.

- ein zweiter Impuls variabler Hoehe und Laenge kommt kurz darauf.

- sobald der erste Stromimpuls kommt, muss eine LED (https://www.mikrocontroller.net/articles/LED) fuer 15-20 Sekunden
leuchten/blinken, irgendwas.

- nach Ende des ersten Impulses darf die Schaltung fuer mindestens 10
Stunden auf keine weiteren Strompulse reagieren, sondern muss hochohmig
sein. Die LED (https://www.mikrocontroller.net/articles/LED) darf nicht reagieren.

- um das Problem abzurunden, steht mir nur die Energie des ersten
Stromimpulses als Energieversorgung fuer die Schaltung zur Verfuegung.
Wenn die Energie nicht reicht, darf die LED (https://www.mikrocontroller.net/articles/LED) notfalls auch kuerzer
leuchten.

Meiner Meinung nach ist das nur mit FETs als Schaltelemente
realisierbar.
Die LED (https://www.mikrocontroller.net/articles/LED) bekomme ich versorgt.

Die Blockierung des zweiten Impulses bekomme ich auch hin. Problem ist,
das geht eigentlich nicht ueber ein RC-Glied (in meiner Schaltung R1/C2),
da ich ja die Laenge des ersten Stromimpulses nicht kenne, die Energie
aber moeglichst vollstaendig brauche und speichern muss.

Ich muss also auf die fallende Flanke reagieren und dann die Schaltung
von der Quelle trennen.
Die geringe Energiemenge macht mir hierbei das grosse Kopfzerbrechen.

Die angehaengt Schaltung funktioniert, angepasst auf den 20ms
Stromimpuls. Habe ich einen anderen Stromipuls, passt es nicht mehr.

Wie kann eine generische Schaltung aussehen, der die Impulslaenge und
Hoehe egal ist und trotzdem die gestellten Bedingungen erfuellt?

Ich hoffe, ich konnte mein Problem gut erklaeren und jemand hat eine
Idee. Arbeite normalerweise eher mit Digitaltechnik, da ist das analoge
Denken etwas eingeschraenkt ;)

Gruss
grumpf

[Holomino]

Das ist entweder ziemlich sportlich oder ich hab's völlig missverstanden!?

5A/8V für 20 ms sind 220µWh, mit denen Du eine Schaltung 10h (wegen der Sperrzeit) am Leben erhalten willst?

[avr_racer]

Naja bei 8V*5A = 40W * 0,02s = 0,8Ws Impulsleistung die der Speicher aufnimmt. 10h = 36000s, 0,8Ws/36000s = 22µW (*10h=220µWh) die erstmal zur Verfügung steht/stehen muss/ nicht überschritten werden darf.
Im Umkehrschluss heist dies wenn deine LED 2mA bei 2,2V hat sind das 0,04W * 20s = 0,88Ws heißt bei dieser Zeit, 20s, werden deine 220µWh in 20s wegschnabbuliert nur durch die LED.
Bei 2,5s und 0,04W werden nur 0,1Ws benötigt und es bleiben noch 0,7Ws bei 36000s(10h) = 19,44µW also 194µWh

Daraus ergeben sich weitere Fragen bei welcher Spannung soll die Schaltung betrieben werden wobei dies damit umgegangen werden kann in dem die Energie eh weniger wird, wird der Eingang quasi wieder zugeschaltet wenn eben 0,0xWs unterschritten werden.(Quick&Dirty-Lösung)

Die LED würde ich über eine Transistor, eine Diode, Spule, Kondensator+Widerstand betreiben R+C sind für ca 2,5s ausgelegt eine Art Minischaltwandler
Die Bedingung ist das die LED für weitere 10h nicht reagieren soll das heißt aber nicht das die Steuerschaltung für die LED kein Strom von Folgeimpulsen beziehen darf.
Eine Art Monoflop für den LED-Schaltwandler wäre da so die Richtung...
In welchen Abständen kommen denn die nächsten Impulse ? Somit wäre dann das Energieproblem nicht mehr ganz so drastisch.

[Holomino]

- um das Problem abzurunden, steht mir nur die Energie des ersten
Stromimpulses als Energieversorgung fuer die Schaltung zur Verfuegung.



Die Bedingung ist das die LED für weitere 10h nicht reagieren soll das heißt aber nicht das die Steuerschaltung für die LED kein Strom von Folgeimpulsen beziehen darf.


Hmmm.
Nächstes Problem, was ich sehe: Die Verwendung eines Elko als Speicher für 10h. Ich mag mich irren, aber wenn ich nen Elko auf 5V auflade und abklemme, hat der doch nicht nach 10h noch 5V.
Der hat doch intern nen Verlust und ist nach 2min wieder leer.

[avr_racer]

Elko oder Spule da hat man eben mit 5Tau zu tun. Zumindest würde es sich einfacher machen, erstmal, wenn man davon ausgeht das der Impuls immer genutzt werden kann um nur die Steuerschaltung mit Energie zu versorgen.
Siehe 1Wire bei gewissen Sensoren. Wann der C leer wird hängt vom Stromfluß ab und damit vom Widerstand der Schaltung.

https://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0205301.htm

Nächste Frage schieben da auch wirklich 5A in die gefordertete Schaltung rein? Welcher Laststrom fließt dann da wirklich 30A ?

[Holomino]

Ah, gerade noch gefunden: https://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=Kondensator#-_Selbstentladung

Im Grunde genommen könnte man jetzt noch einen Kondensator durch den Puls (schnell) laden und den gepufferten Strom danach langsam in einen Li-Akku mit niedrigerer Selbstentladung umtanken.

Einfacherer wäre dann aber wahrscheinlich eine Knopfzelle zur Versorgung der Sperrschaltung. Die LED kann ja immer noch aus dem impulsgeladenenen Kondensator betrieben werden.

Wobei ja die Funktion der obigen Sperrschaltung über FET und RC ja dann auch nicht mehr gegeben ist, weil mit realen Elkos Selbstenladungszeiten von 10h quasi nicht erreichbar sind?!?

[wkrug]

Ich würde versuchen, das mit einem Microcontroller zu lösen, weil man sehr lange T Zeiten mit R/C Lösungen nur sehr schwer hinkriegt.
Man könnte auch versuchen das mit einem C-MOS Teiler / Oszillator z.B. 4060 zu lösen.

Man könnte ja mit den Stromimpulsen einen Elko laden.
Nach diesem Elko könnte man einen Spannungsregler einbauen, der aus des Energie 3,3V macht.
Der Controller könnte die Stromimpulse galvanisch getrennt über einen Optokoppler empfangen.

Der Controller wird wohl die meiste Zeit im SLEEP Modus verbringen und nur immer kurz für einen Timer Interrupt ( Zeitmessung ) oder einen Interrupt durch den Stromimuls aufgeweckt. Man kann da auf sehr niedrige Verbräuche kommen.
Die LED - Low Current Type - könnte bei Betrieb für 20s mit kurzen Impulsen z.B. 2ms 1x /s angesteuert werden, was natürlich auch Energie spart.

Ob die Energie dann im Worst Case Fall ( 8V, 5A, 20ms ) reicht müsste man ausrechnen, aber das wirst Du sicher schon selber machen.

Das grösste Problem seh Ich hier beim Spannungsregler und der Speicherschaltung, der einen sehr geringen Eigenverbrauch und einen guten Wirkungsgrad braucht.

[Moppi]

Was Holomino bei RN-Wissen gefunden hat, beschreibt diesen Sachverhalt der Selbstentaldung so, ca. 6 Stunden vergehen, bis ein Kondensator leer ist, aber Elkos eine deutlich niedrigere Selbstentladung haben.

Die ganze Schaltung funktioniert wohl auch:


...
20ms
Stromimpuls. Habe ich einen anderen Stromipuls, passt es nicht mehr.

Daher, definiere: "anderen Stromimpuls" !

Offenbar müssen die 20ms erreicht werden, sonst würde der Elko nicht voll und die Entladezeit nicht ausreichend sein.

Da kommt also für ein paar Millisekunden eine Spannung irgendwo bis zu 30V. Die Schaltung könnte bis zu 6A ziehen, um irgendwas in 20ms aufzuladen. Da bleiben nur Elkos, denke ich - und zwar große Elkos. Einer muss zumindest so viel Ladung speichern, dass man daran eine LED für einige Sekunden oder Minuten betreiben kann. Aber es müsste noch ein anderer Elko her und zwar ganz am Anfang/Eingang, ohne dass noch was davor hängt, damit der Elko "schlagartig" voll wird, der lädt sich auch nur auf die Spannung auf, die anliegt.

Damit der dicke Elko am Eingang die Ladung nur an die Schaltung abgibt, müsste der Eingangsimpuls aber mind. wohl über eine Diode an den Kondensator gelangen. Ansonsten noch ein Widerstand, der den Ladestrom begrenzt, damit der Elko nicht leidet.

Nur mal ein paar Gedanken...

MfG:Weihnacht

[avr_racer]

Datenblätter der verwendeten Bauteile müssen studiert werden.


Was Holomino bei RN-Wissen gefunden hat, beschreibt diesen Sachverhalt der Selbstentaldung so, ca. 6 Stunden vergehen, bis ein Kondensator leer ist, aber Elkos eine deutlich niedrigere Selbstentladung haben.

Die ganze Schaltung funktioniert wohl auch:


Naja die Selbstentladung mit den angegebenen Werten ist sehr allgemein deshlab relae Bauelemente und deren Datenblätter.



Daher, definiere: "anderen Stromimpuls" !

Offenbar müssen die 20ms erreicht werden, sonst würde der Elko nicht voll und die Entladezeit nicht ausreichend sein.

Da kommt also für ein paar Millisekunden eine Spannung irgendwo bis zu 30V. Die Schaltung könnte bis zu 6A ziehen, um irgendwas in 20ms aufzuladen. Da bleiben nur Elkos, denke ich - und zwar große Elkos. Einer muss zumindest so viel Ladung speichern, dass man daran eine LED für einige Sekunden oder Minuten betreiben kann. Aber es müsste noch ein anderer Elko her und zwar ganz am Anfang/Eingang, ohne dass noch was davor hängt, damit der Elko "schlagartig" voll wird, der lädt sich auch nur auf die Spannung auf, die anliegt.

Damit der dicke Elko am Eingang die Ladung nur an die Schaltung abgibt, müsste der Eingangsimpuls aber mind. wohl über eine Diode an den Kondensator gelangen. Ansonsten noch ein Widerstand, der den Ladestrom begrenzt, damit der Elko nicht leidet.

Nur mal ein paar Gedanken...

MfG
:Weihnacht



Der Stromimpuls ist doch eindeutig definiert und Post 2 und 3 haben auch die Energie unter den schlechtesten Werten ermittelt. Sogar wie lange die LED max leuchten darf.
Bei der Entladezeit ist der Innenwiderstand der Schaltung eben wichtig woraus dann das Tau, R*C, berechnet werden kann pauschal aber ca 0,1F oder 100000µF würden benötigt.. gaaanz grobe Schätzung....

Beim FET ist das Problem er kann und wird die benötigte Ugs nicht erreichen um beim 2ten Impuls recht niederohmig zu werden damit C vernünftig geladen werden kann.

Ich hoffe die Schaltung ist nicht nur "US eyes only" um weitere Faktoren kennen im Einsatzgebiet...

Eine Stützbatterie wurde auch schon angesprochen....

[Moppi]

Der Stromimpuls ist doch eindeutig definiert...


Habe ich einen anderen Stromipuls, passt es nicht mehr.

"Andere" kann alles sein. Kann zwischen 20ms und 100ms sein, kann drüber sein, kann drunter sein; selbst, wenn es nur zwischen 20ms und 100ms sein sollten.


Eine Stützbatterie wurde auch schon angesprochen....

Wenn da meinetwegen 10 Pulse / Stunde ankommen, wie soll man damit eine Batterie laden? - Technisch überhaupt sinnvoll möglich?


MfG
:Weihnacht

[Holomino]

Auf der Suche nach ähnlichen Systemen habe ich jetzt zumindest mal die 10-stündig nachzutankenden 220µWh mit 2,4 * 365 multipliziert, um so auf's Jahr hochzurechnen. Das sind dann 192mWh/Jahr.
Z.B. auf eine Silberoxid-Knopfzelle mit 1,55V projiziert sind das etwa 124mAh. Zumindest nominal ließe sich mit dieser Energie locker eine Armbanduhr betreiben. Theoretisch lässt sich das Problem also lösen.

Nun müsste man wissen, wie Logik und Energiemanagement in modernen Armbanduhren aussehen (da gab es auch mal Modelle mit integrierter Solar- statt Knopfzelle. Die müssten ja auch zumindest das Problem mit der Selbstentladung im Pufferspeicher gelöst haben).

[grumpf]

Hallo Leute,

erstmal danke für eure rege Beteiligung an der Problemlösung. Hätte nicht erwartet, dass sich so viele mit diesem Problem beschäftigen.

Zurück zum Thema.
Die 5A/20ms liegen wirklich an und können vollständig genutzt werden.

Meine Überlegungen im Vorfeld waren.
- 5A/20ms ergeben 100mAs
- Die Spannung liegt mit min. 7-8V auf jeden Fall über einer LED-Spannung von 2-3V
- Eine Low-current LED nimmt 2-3V / 2-3mA
- ergibt eine theoretische Leuchtdauer (wenn ich die gesamte Energie nutzen könnte von 30-50s
- ich brauche nur 20s (~50mAs)-> bleibt mir noch "einiges" an Energie für die Sperrschaltung.
- Klar, ein Elko entlädt sich auch selbst über die Zeit, aber wenn als einzige Last der Innenwiderstand und ein FET dranhängen, sollte das doch einige Stunden reichen.
- Ich denke auch, Theoretisch lässt sich das Problem lösen. Wie gesagt, ich denke lieber digital und mit ausreichend Energie, daher fällt mir die Lösung so schwer.

Mein Problem ist eigentlich "nur" wie ich auf das Ende des Strompulses reagieren kann, da ich seine Länge ja nicht vorhersagen kann. Hätte ich genug Energie, würde ich einen Tiny oder, einfacher, ein Flip-Flop nehmen, auf die fallende Flanke reagieren und fertig ist der Lack. Hab versucht ein Flip-Flop mit FETs aufzubauen, aber das hat nicht so richtig hingehauen. Da hat der Sperr-FET schon frühzeitig den Puls abgeschnürt und ich konnte nicht die gesamte Energie des Pulses speichern.

Ich würde über die angegebenen Zeiten mit mir "reden lassen". Wenn es statt 10 Stunden nur 8 sind, ok. Wenn es statt 20s nur 15 sind, ok. Aber es sollte eben alles aus dem Strompuls versorgt werden. Möchte die Schaltung in einem Gehäuse verbauen, da sollte sie dann möglichst wartungsfrei für lange jahre vor sich hin tuckern. Und wann ist eine Batterie erfahrungsgemäß leer? Richtig, wenn man sie braucht.... ;))

[Holomino]

Im Datenblatt des ATTiny43U (https://www.microchip.com/wwwproducts/en/ATtiny43U) steht etwas von 5µA im Powerdown im DB (bei laufendem Boost Converter). Ich hab's allerdings nicht komplett gelesen (nicht meine Baustelle, vielleicht geht's, vielleicht auch nicht).
Mit Interrupt auf'm Controller wäre das dann ja auch keine große Geschichte mehr mit der fallenden Flanke.

[avr_racer]

Hallo Leute,

erstmal danke für eure rege Beteiligung an der Problemlösung. Hätte nicht erwartet, dass sich so viele mit diesem Problem beschäftigen.

Zurück zum Thema.
Die 5A/20ms liegen wirklich an und können vollständig genutzt werden.


Ampere fließt, Spannung liegt an!!! Mit der Bitte dies auch im Satz als Verständnis zum Ausdruck zu bringen!!!!



Meine Überlegungen im Vorfeld waren.
- 5A/20ms ergeben 100mAs
- Die Spannung liegt mit min. 7-8V auf jeden Fall über einer LED-Spannung von 2-3V
- Eine Low-current LED nimmt 2-3V / 2-3mA
- ergibt eine theoretische Leuchtdauer (wenn ich die gesamte Energie nutzen könnte von 30-50s
- ich brauche nur 20s (~50mAs)-> bleibt mir noch "einiges" an Energie für die Sperrschaltung.
- Klar, ein Elko entlädt sich auch selbst über die Zeit, aber wenn als einzige Last der Innenwiderstand und ein FET dranhängen, sollte das doch einige Stunden reichen.
- Ich denke auch, Theoretisch lässt sich das Problem lösen. Wie gesagt, ich denke lieber digital und mit ausreichend Energie, daher fällt mir die Lösung so schwer.


Die Impulsspannung ist hier auch nicht das Problem sondern die Schaltung aufgrund des Speicher an einer stabilen Spannung zu halten!!! Die LED kann ruhig aus dem Impuls versorgt werden aber bestimmt keine 20s wie schon durchgerechnet. Du vergisst das die Kondensatorspannung bei mehr Stromentnahme sinkt, stärker als bei einer Batterie. Damit mein ich nicht die Selbstentladung.



Mein Problem ist eigentlich "nur" wie ich auf das Ende des Strompulses reagieren kann, da ich seine Länge ja nicht vorhersagen kann. Hätte ich genug Energie, würde ich einen Tiny oder, einfacher, ein Flip-Flop nehmen, auf die fallende Flanke reagieren und fertig ist der Lack. Hab versucht ein Flip-Flop mit FETs aufzubauen, aber das hat nicht so richtig hingehauen. Da hat der Sperr-FET schon frühzeitig den Puls abgeschnürt und ich konnte nicht die gesamte Energie des Pulses speichern.

Ich würde über die angegebenen Zeiten mit mir "reden lassen". Wenn es statt 10 Stunden nur 8 sind, ok. Wenn es statt 20s nur 15 sind, ok. Aber es sollte eben alles aus dem Strompuls versorgt werden. Möchte die Schaltung in einem Gehäuse verbauen, da sollte sie dann möglichst wartungsfrei für lange jahre vor sich hin tuckern. Und wann ist eine Batterie erfahrungsgemäß leer? Richtig, wenn man sie braucht.... ;))

Wenn du den Zeitpunkt des Impules nicht vorhersagen kannst wie kommst du dann auf 10h ? 10h sind doch eine Vorhersage, grob, oder nicht ?
Kommt ein µC zum Einsatz musst dann aufjeden Fall eine stabile KONSTANTE Spannung haben von 2,7V-5,5V ist da alles möglich. Ne rote blitzende LED zur Anzeige einer leeren Batterie so wie Holomino angesprochene Sachen, dann wohl naja Kleinigkeiten...

Fakt ist legt dich fest WIE und dann wird sich eine Lösung aufzeigen, bisher nur Geplänkel ohne richtigen Lösungsansatz... Bring was zu Papier und prüfe es real dann kann man dir auch helfen.

[Moppi]

Und wann ist eine Batterie erfahrungsgemäß leer? ...

Die Sache wäre wohl, wie lange eine Batterie durchhält, ohne nachladen. 5 Jahre oder 10 Jahre?
Was ich noch nicht erkannt habe ist, wie das genutzt werden soll. Weiß nicht, ob andere hier das anders sehen.
Wenn eine Batterie schwächelt, kann man das auch anzeigen. Wenn der Impuls auftaucht, hast Du dann ca. 20s, wo Du oder irgendeine Elektronik die LED sehen musst. Das scheint kein Problem zu sein, schon aber eine LED, die anzeigt, dass die Batterie schwach ist (und das sinnvoll länger > 1 min)? Wobei mir schon klar ist, dass es ohne Batterie funktionieren soll, sonst hättest Du das von Anfang an anders konzipiert.

MfG
:Weihnacht