12V DC möglichst effizient in ca. 8V wandeln

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  1. #1 Markus30, 11.08.2014
    Markus30

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    Hi,

    ich bin Anfänger bei der Entwicklung von Schaltungen.
    Bisher habe ich immer auf fertige Lösungen zurückgegriffen und bin damit gut klargekommen.

    Jetzt habe ich aber ein kleines Problem, da ich räumlich stark begrenzt bin und eine effiziente Lösung suche.

    Die Ausgangslage ist die:

    Ich habe eine 12V und eine 5V Quelle (beides Gleichstrom) und brauche (zum Imitieren eines Akkus) ca. 8V.

    Der Akku ist Li-Ion, hat 2 Zellen und diese Werte:

    Nennspannung 7,4V
    Spannung (komplett geladen) 8,4V
    Spannung (leer) 6,6V

    Ich denke, dass es optimal wäre, wenn ich statt des Akkus konstant zwischen 7,4 und 8,4V einspeisen würde.

    Es ist nur die Frage wie.

    Ich habe etwas gesucht und 2 Lösungen gefunden:

    1. Step-Up Schaltregler (könnte ich an der 5V Quelle betreiben)
    http://www.pollin.de/shop/dt/NTY1ODQ2OT ... AjIN8P8HAQ

    2. Step-down Schaltregler (an der 12V Quelle)
    http://www.pollin.de/shop/dt/Mzc1ODQ2OT ... Ahpv8P8HAQ


    Leider sind da SMD Bauteile verlötet. Ich muss diesen Regler in eine Platine integrieren und kann keine SMD Bauteile löten.

    Gibts dafür noch eine andere Lösung?
    Es soll möglichst effizient bleiben!

    Ein Spanungsteiler, bei dem ich über einen Widerstand ca. 4V abafallen lasse und so aus 12V 8 mache, kommt nicht in Frage.


    Hat jemand Ideen für mich?

    Viele Grüße,
    Markus
     
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  3. Sparky

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    Bastele dir doch einfach einen Längsregler, etwa sowas:


    [​IMG]
     
  4. patois

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    :!: Da sehe ich vorab die Notwendigkeit, dass du "Akku imitieren" und "räumlich stark begrenzt" etwas ausführlicher erklärst.

    Ferner: die angedachte (oder vorhandene :?: ) Spannungsquellen 12VDC und 5VDC sollen wie mit dem Gerät, in welchem der Li-Ion Akku ersetzt werden soll, verbunden werden? Steckerle oder anlöten?

    Ein Foto der "Baustelle" wäre unter Umständen auch hilfreich.

    Ein Innenschaltbild des Geräts wäre eine perfekte Ergänzung zu den bisherigen spärlichen Informationen.

    Patois

    PS.: Statt Spannungsteiler wäre vorerst ein LM317 zu empfehlen, oder eine einfache ZENER-Dioden Schaltung, wobei man dann den vom Gerät aufgenommenen Strom kennen müsste (also wieder Innenschaltbild anschauen!)
     
  5. #4 HansKuch, 11.08.2014
    HansKuch

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    Eine weitere Alternative (max 1A):
    http://www.circuitdiagram.org/12v-8v-co ... lator.html

    Je nach Stromaufnahme muss der Spannungsregler entsprechend mit einem Kühlkörper versehen werden.
    Es muss auch noch geprüft werden, ob dein Netzteil ausreichende Leistung für deinen "Verbraucher" liefern kann. Also 12 V mit max. ?? A aus dem Netzteil.
    Stromaufnahme des Verbrauchers bei 8 V ??A.
     
  6. #5 Markus30, 11.08.2014
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    @ Sparky: was hat diese Schaltung in etwa für einen Wirkungsgrad?

    Meinst du, dass die Bauteile (sehr) warm werden, wenn ich rechts maximal 0,4A bei 8V entnehme?


    @ patois: ich erkläre das gerne genauer. Oben habe ich versucht, es kurz zu fassen, da ich niemanden mit einem Roman abschrecken wollte.

    Ich habe vor, mehrere elektrische Bauteile zu kombinieren.
    Ein Bauteil hat einen 12 und 5V Ausgang.

    Ein anderes Bauteil hat einen Li-Ion Akku.


    Ich möchte nicht ständig den Li-Ion Akku laden, wenn ich den Strom (der eigentlich vom Li-Ion Akku zur Verfügung gestellt wird) auch "einfach" mit der 5 oder 12V Quelle liefern kann.

    Meine Idee ist es, den Akku (die beiden Zellen) zu entfernen und statt dessen ca. 8V einzuspeisen.
    Der Akku hat nicht immer eine konstante Spannumg, deshalb schreibe ich von ca. 8V.

    Mit räumlich stark begrenzt meien ich, dass diese Schaltung auf eine Platine (würde ich fertigen lassen) passen muss, die maximal 22x22mm groß sein darf.

    Wenn ich einen 8V Ausgang habe, würde ich diesen mit 2 Kabeln mit den Anschlüssen, an denen eigentlich der Akku hängt, verbinden. An einer Seite gelötet, an der anderen gesteckt.

    Ein Schaltbild des Gerätes kann ich nicht liefern. Es ist alles SMD und da ist ein System integriert, das mit Canbus läuft. Davon gibt der Hersteller keine Schaltpläne raus.

    Bisher habe ich "nur" 4 Kabel:

    12V+
    12V ground

    5V+
    5V ground


    Und da wo der Akku angeschlossen ist 2 Eingänge:

    8,4V+
    8,4V ground

    dazwischen brauche ich eine Verbindung, die die Spannung reduziert.


    Was meinst du, was eine LM317 oder Zener-Dioden für einen Wirkungsgrad haben?

    Das Ldegerät vom Akku hat 400mA, das Gerät habe ich im Betrieb noch nicht gemessen, weil meine Multimeter verliehen ist. Das kann ich morgen nahcholen.
    Mit dem vollen Akku (540mA) läuft es aber ca. 8 Stunden. Also sind es im Schnitt etwas unter 70mA.


    Ich danke euch!


    EDIT: meine Antwort hat sich mit HansKuch überschnitten.

    Das Netzteil liefert ausreichend Strom. An 5 und 12V stehen je 1A zur Verfügung. In Kombination aber maximal 16W.
     
  7. patois

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    :lol:

    Ja, der Vorschlag von "HansKuch" und mein LM317 sind gleichwertig.

    Ob du dies auf 22 x 22mm unterbringst, ist eine Frage deiner Geschicklichkeit beim Entwurf der Platine! :wink:

    Die Frage nach dem Wirkungsgrad ist kaum ehrlich zu beantworten,
    aber vielleicht willst du damit nachfragen, welche Verlustleistung auftritt, oder?

    Patois
     
  8. #7 Markus30, 11.08.2014
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    Eine Angabe zur Verlustleistung würde mir auch reichen, klar.

    Was sind denn die Unterschiede zu den Schaltungne, die ich oben verlinkt habe? Die sehen komplizierter aus.
     
  9. patois

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    Salopp gesagt sind diese Schaltungen ein "Overkill" für dein Vorhaben.

    Patois
     
  10. #9 Markus30, 11.08.2014
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    Kannst du das noch etwas erläutern?

    Bei den Bauteilen oben sind wesentlich höhere Strme nötig, als ich brauche.

    Das ist mir schon klar.
    Aber ich hab lieber Teile die 10fahc überdimensioniert sind und dnan sicher halten, als etwas, das ständig an der Leistungsgrenze betrieben wird.

    Mich interessiert noch die Verlustleistung.

    Wie gesagt habe ich eine Spannungsquelle, die 16W liefern kann.
    Alle Verbraucher, die ich anschliesse, verbrauchen 5,9W (minimal weniger).

    Aber das sind nur die Leistungsaufnahmen der Verbraucher, dessen Nutzen ich letztendlich haben möchte.

    Ich muss noch kalkulieren, was ich bei diesem Spannungswandler und dem Einsatz von KSQs (für LEDs) noch verliere.
     
  11. bigdie

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  12. Sparky

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    Ich weiß zwar nicht warum du nach dem Wirkungsgrad fragst, aber prinzipiell kann man folgendes sagen:

    Längsregler, dazu gehören die Bauteile 78... und LM...,
    haben einen denkbar schlechten Wirkungsgrad.

    In unserem Beispiel von 12V auf 8V bleiben immer 4V am Spannungsregler hängen/werden verbraten.
    Das heisst, wenn du 500mA Stromfluss auf der Ausgangsseite entnimmst, dann fliessen auch diese 500mA auf der Eingangsseite in den Längsregler.
    Du entnimmst aber nur 8V*0,5A= 4W
    Eingangsseitig hast du 12V*0,5A=6W
    Das wäre ein Wirkungsgrad von gerademal ~66,6%
    Soweit zu den Längsreglern.

    Ganz anders sieht es aus bei den step up oder step down Wandlern.
    Diese "transformieren" den Strom auf die gewünschte Grösse und erreichen dadurch Wirkungsgrade bis zu 95%

    Gruß
     
  13. #12 Markus30, 11.08.2014
    Markus30

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    Danke Sparky!

    Ich hole mal etwas weiter aus. Das macht den Hintergrund klarer, die ganze Sache wird aber auch komplizierter.

    Meine Spannungsquelle mit 5 bzw. 12V funktioniert auf 2 Möglichkeiten:

    Zum einen habe ich die Möglichkeit, Strom als Abfallprodukt zu erhalten, während ein Motor läuft.

    Wenn der Motor aber aus ist, erhalte ich da keinen Strom mehr. Weil ich die Verbaucher auch in Standphasen weiter betreiben mlchte, habe ich einen Akku eingebaut, der vom Motor geladen wird, wenn der Motor läuft.

    Wenn mein Wandler eine möglichst geringe Verlustleistung hat, bleibt mehr Strom übrig, um den Akku zu laden.

    Außerdem wird (wenn der Motor aus ist) weniger Strom aus dem Akku entnommen, wenn der Wandler effizient ist.
    Ein guter Wirkungsgrad lohnt sich schon alleine deswegen doppelt.

    Außerdem ist das System auf engem Raum verbaut und hat eine Schutzschaltung. Die löst aus, wenns zu heiß wird.
    Je mehr Energie ich nun mit dem Wandler verbrate, desto wärmer wird es in der Kiste, in der die Elektronik ist und desto schneller schaltet die Schutzschaltung aus.

    Als letztes sind ein paar Highpower LEDs in der Kiste verbaut. Je heißer die werden, desto kürzer leben sie.


    Ich kenne mich mit den Möglichkeiten, auf die gewünschte Spannung zu kommen, zu schlecht aus. Deshalb habe ich hier gefragt.

    Step-up bzw, step-down ist da wohl deutlich überlegen und platzmäßig kein wirkliches Problem.


    Was ist denn effizienzmäßig am besten?

    Step-up von 5 auf 8V
    oder Step-down von 12 auf 8V?

    Wenn das eure Optimallösung ist, dann bin ich sehr zufrieden.

    Die Umsetzung auf meiner Platine dürfte kein Problem sein.
     
  14. bigdie

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    Der von mir verlinkte Bausatz mir dem MC34063
    https://www.sparkfun.com/datasheets/IC/MC34063A.pdf
    könnte evtl. auch auf 22x22mm platz finden.
    Auf dieser Seite gibt es auch einen Rechner mit Schaltplan zum dimensionieren der Bauteile. Der Wandler geht sowohl step Up als auch Step down
    http://www.a-z-e.de/index.php?file=mc34063.php
    Noch einfacher wäre wahrscheinlich so ein Teil
    http://www.reichelt.de/TMR-0510/3/index ... ARCH=traco
    Das macht aus 5V 3,3V galvanisch getrennt. Das heißt, du kannst die 3,3V zu den 5V der Ausgangsspannung in Reihe schalten und erhältst 8,3V
     
  15. #14 Markus30, 11.08.2014
    Markus30

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    @ bigdie: den Bausatz bekomme ich unter, da ich die Klemmen teilweise nicht brauche (Eingangsspannung ist schon auf der Platine und Ausgangsspannung kommt woanders hin).

    Die einfachere Lösung scheint (neben der galvanischen Trennung) die Differenzspannung (1.7V) zu verheizen.

    3,3V out bei 5,0V ein und 64% Wirkungsgrad klingt stark danach.

    Auf 8,3V ist der Wirkungsgrad dann doch etwas besser (83%).

    Kann ich die 5V Spannung dann noch unabhängig verwenden?
     
  16. bigdie

    bigdie

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    Du kannst die 5V natürlich weiter verwenden. Musst es natürlich Masserichtig aufbauen.
    Wenn also bei den 5V - = Masse ist und bei den 8V auch, dann musst du die -3,3V an +5V schließen und der + 3,3V Ausgang liefert dann praktisch + 8,3V
    Ich gehe mal davon aus, das alle deine Spannungen mit dem - auf Masse liegen, sonst wird das auch mit den anderen Spannungswandlern nicht gehen.
     
  17. #16 Markus30, 11.08.2014
    Markus30

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    Ja alle - sind zusammen gelegt.

    Also so:

    +5V ist ein einzelner Ausgang
    +12V ist ein anderer Ausgang

    Die - Ausgänge sind auf der Platine verbunden (Masse).

    Zwischen +5V und Masse habe ich dann 5V Spannung und zwischen 12V und Masse 12V Spannung.

    Mit +5V und Masse gehe ich in das Traco Teil rein.

    Da kommen dann raus:

    +3,3V
    Masse*

    Jetzt schalte ich in Reihe:

    +5V
    Masse
    Masse*
    +3,3V

    Von +5V und +3,3V ann ich dann 8,3V Differenz abgreifen.

    Stimmt das so?
     
  18. bigdie

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    es kommen 3,3V + und - ohne Masseverbindung aus dem Traco Teil heraus. Den - 3,3V anschluss verbindest du mit +5V und am + 3,3V Anschluss hast du dann gegen Masse 8,3V
     
  19. #18 Markus30, 11.08.2014
    Markus30

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    Ok, danke!
     
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  21. patois

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    .
    Ziemliche windige Geschichte, die du da mit der Addition von zwei unterschiedlichen Spannungen zusammenstrickst.

    Eine saubere (vernünftige) Lösung wäre die von "HansKuch" vorgeschlagene Version gewesen,
    oder auch der von mir vorgeschlagene Einsatz des LM317.

    Naja, kannst du nachher immer noch nehmen, wenn die Bastellösung streikt ... :(

    Patois
     
  22. bigdie

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    Ein Linearregler in Bateriebetrieb ist da wohl eher die windige Lösung. Und 1,6W vernichten auf 2x2cm ist wohl schlicht nicht möglich.
     
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12V DC möglichst effizient in ca. 8V wandeln

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