ich habe mir in den Kopf gesetzt meine Elektro- und Steuerungstechnikkenntnisse aufzufrischen Dafür habe ich mir das Arduino Mega 2560 Starter Kit gekauft (genialer Kasten). Nun möchte ich eine 4-fach Ladungspumpe bauen, welche die Spannung des Mikrocontrollers von 5V auf 20V erhöht.
Das Prinzip der Ladungspumpe sieht vor, Kondensatoren im Wechsel parallel aufzuladen und im Anschluss in reihe zu entladen. Die Ladungspumpe besteht aus 6 Kondensatoren. Mit Hilfe einer Transistorenschaltung, welche über den Arduino angesteuert wird, werden zeitgleich 3 Kondensatoren (C1) parallel geladen, während die anderen drei Kondensatoren (C2) sich in Reihe entladen. Während der Entladung addieren sich die Spannungen der Quellspannung und der Kondensatoren C2 (5V (Quellspannung) + 5V + 5V +5V) der Reihenschaltung, wodurch eine Spannung von 20V entsteht.
In der angehängten Schaltung sind die NPN und PNP Transistoren vom Ardino über die blaue Leitung angesteuert. Dabei sind die NPN (blaue Transistoren) geschlossen und die PNP (schwarze Transistoren geöffnet). Dadurch laden sich die Kondensatoren C2 parallel (grüne Markierung) auf und die Kondensatoren C1 entladen sich in Reihe (gelbe Markierung).
Nun hätte ich folgende Fragen an euch:
Ich möcht die Ladezeit für das vollständige Aufladen der drei C2 Kondensatoren berechnen, um die Ansteuerungsfrequenz des Arduinos auslegen zu können.
Die Formel für die Ladezeit eines Kondensators lautet wie folgt:
−τ ⋅ ln (1 − U/U0) = t
Die Formel enthält die Variable τ (Tau). Tau kann wie folgt berechnet werden.
τ = RC ⋅ C
Alle Kondensatoren haben eine jeweilige Kapazität (C) von 0,68 µF.
Was muss für das RC eingesetzt werden
"1.1. Der Widerstand vom zu ladenden Kondensator? -> Dieser erhöht sich jedoch während dem Laden bis ins unendliche."
"1.2. Der Widerstand aller Verbraucher?"
Muss etwas bei der der Berechnung von Tau in Bezug auf die Parallelschaltung zum Laden der drei Kondensatoren und dem gleichzeitigen Entladen in der Reihenschaltung berücksichtigt werden. Es handelt sich ja um eine große Schaltung, innerhalb welcher eventuell die Einzelschaltungen (Parallel und Reihenschaltung) die Formeln beeinflussen könnten.
Bitte weist mich auf Denkfehler sowohl in den Formeln als auch in der Schaltung hin. Ich bin nicht so sattelfest, daher würde ich mich über jegliche Vorschlag bzw. Anmerkung freuen.
a) Zuerst mal NPN und PNP Transistoren KANNST Du nicht OHNE Basiswiderstände verwenden.
b) Ein Transistor leitet wenn NPN: Die Basis eine Spannung anliegt die ca 0,7V höher als die Emittorspannung ist; PNP: Die Basis eine Spannung anliegt die ca 0,7V tiefer als die Emittorspannung ist; Schreib mal die Spannungen auf alle Emittoren und schau dann ob die Transistoren mit einer Basisspannung von 0V oder 5V sperren / leiten.
c) wiso sind im Schaltbild einmal NPN und dann PNP Transistoren in der beiden Schaltungshälften die das gleiche machen sollen?
Zu Deinen Fragen.
R ist der Gesamtwiderstand zwischen Spannungsquelle und Kondensator wobei Innenwiderstand der Spannungsquelle und des Kondensators ( Zuleitung zu den Platten ) inbegriffen sein muß.
Paralellschalten und in serie schalten ändert die Kapazität. paralell C tot = c+c+c serie: Ctot = 1/((1/c)+(1/c)+(1/c)) Bei 3 gleichen Kondensatoren ist das Ctot = 1/3 C
Die Schaltung funktioniert so nicht!!!
Du bekommst keinesfalls 4x Vin heraus sondern weniger wegen der Spannungsabfälle an den Transistoren Falls Du die Schaltun richtig planen würdest.
zum einlesen empfehle ich www.elektronik-kompendium.de da wird praxisnahe über Ladungspumpen geschrieben.
Dort habe ich mich öfters belesen, da ich bei einem meiner Projekte eine negative Spannung für einen Messverstärker brauchte. Allerdings habe ich einen 555 Timer genommen, um 2x -Ub zu erzeugen, also 4 Kondensatoren, 4 Dioden, und hinten dran eine Siebung und Stabilisierung. Aber ich brauchte halt nur ein paar mA.
Ich habe keine großartigen Formeln bemüht, sondern einfach geschaut was andere für Größen bei den Kondensatoren verwenden, und mir die Herleitung der Faustformel angeschaut, nach der 4mF für 1A bei 100Hz und einer Restwelligkeit von 2Vpp genommen werden, und über die Faktoren runtergerechnet.
Einen Kondensator voll aufladen? Das ist eine Definitionsfrage, ob Du den bei 5 Tau oder erst bei 10 Tau als voll betrachtest, und für eine Ladungspumpe völlig irrelevant. Es geht doch nur darum den benötigten Strom schnell genug und im ausreichenden Maße wieder nachzuladen, damit die Ripplespannung nicht zwischen fast Null und maximum, sondern eben nur ein paar zehn oder hundert Millivolt ist.
Vielen Dank Uwe Deine Aussagen sind sehr hilfreich. Ich habe zu deinen Fragen unten meine Antworten bzw. Gegenfragen hinzugefügt.
a) Zuerst mal NPN und PNP Transistoren KANNST Du nicht OHNE Basiswiderstände verwenden.
Für was benötigt man den Basiswiderstand?
b) Ein Transistor leitet wenn NPN: Die Basis eine Spannung anliegt die ca 0,7V höher als die Emittorspannung ist; PNP: Die Basis eine Spannung anliegt die ca 0,7V tiefer als die Emittorspannung ist; Schreib mal die Spannungen auf alle Emittoren und schau dann ob die Transistoren mit einer Basisspannung von 0V oder 5V sperren / leiten.
Im Anhand findest du die Stomverläufe zu den Zuständen 1) Transistoren nicht angesteuert (PNP schalten) (0V) und 2) Transistoren angesteuert (NPN schalten) (20,8V). Meines Erachtens könnte die Schaltung so funktionieren (Basiswiderstände müssen noch hinzugefügt werden). Ich habe eine irrwitzigen Basisspannung zur Ansteuerung von 20,8V gewählt, damit die Basisspannung beim NPN um min. 0,7V höher ist als am Emitter (schaltet) und auf jeden Fall die Basisspannung beim PNP höher ist als beim Emitter (schaltet nicht). Sinn und Zweck eines Transistors ist es eine geringe Ansteuerungsspannung zu habe. D.h. man kann mit einer geringen Spannung eine Schaltung mit höherer Spannung beschalten. Das wäre bei Steuerspannung (Ansteuerung, Basisspannung von 20,8) nicht der Fall, aber ich erfülle die Voraussetzungen von einem 0,7 V geringer bzw. höheren Basisspannung. Ist dies richtig?
c) wiso sind im Schaltbild einmal NPN und dann PNP Transistoren in der beiden Schaltungshälften die das gleiche machen sollen?
Die Transistortypen sollen entgegengesetzt schalten. Wenn angesteuert wird sollen die NPN schließen, wenn nicht angesteuert wird sollen die PNP schließen (siehe neue Darstellung)
Damit der Arduino nicht kaputtgeht weil der Transistor zuviel Strom verlangt.
Bei Dieser Frage antworte ich Dir aber auch daß Du nicht den blassesten Schimmer hast wie ein Transistor funktioniert und darum nie eine Schaltung entwerfen kannst.
Deine Aussage:"Sinn und Zweck eines Transistors ist es eine geringe Ansteuerungsspannung zu habe. D.h. man kann mit einer geringen Spannung eine Schaltung mit höherer Spannung beschalten." ist vollkommen falsch. NPN und PNP Transistroen funktionieren mit Strom.
Du hast vollkommen Recht bzw. ist mir die Komplexität der Schaltung erst im Laufe diesem Forum-Austausch sowie zusätzlicher Recherche bewusst geworden.
Die einen oder anderen Behauptungen von meiner Seite haben meinem Verständnis eines Transistors zu diesem Zeitpunkt dargestellt.
Deine darauffolgenden Antworten haben mir Gedankenanstöße geliefert mich in gewisse Richtungen zu informieren.
Da die gesamte Ladungspumpe doch eine Stufe zu komplex für mich ist, wollte ich mir nun erst einmal Wissen bezüglich Transistoren und Kondensatoren aneignen. Dabei habe ich folgende Fragen bezüglich der Verbauten NPN Transistoren und deren Auslegung, welche ich anhand der angehängten Schaltung erläutern möchte.
Der NPN Transistoren soll schließen und den Verbraucher R3 versorgen, sobald dieser vom MC angesteuert wird. Folgende Daten haben die verbauten Komponenten.
Transistor = BC546
Leistung vom Verbraucher R3 = 80 W
R2(Basiswiderstand Rb) = 76 Ohm
MCV (Microcontrollerspannung) = 5V
Quelle = 48 V
Nun habe ich folgen Fragen:
Auf dem angehängten Schaltplan sind zwei Schaltung vorzufinden. In der „Falsch?“ Schaltung ist der Verbraucher hinter dem Emitter angebracht, während bei der „Richtig?“ Schaltung der Verbraucher vor dem Kollektor angebracht ist. Dazu möchte ich folgendes erfragen:
1.1 Wenn der NPN Transistor als Schalter funktionieren soll, muss der Verbraucher immer vor dem Kollektor geschaltet sein?
1.2 Somit ist die Schaltung „Richtig?“ richtig?
1.3 Somit würde die ursprüngliche Schaltung „4 Fache Ladungspumpe“ unteranderem nicht funktionieren, da der vermeintliche Verbraucher auf Seite des Emitters geschaltet war?
Kann die Berechnung für den Basiswiderstand stimmen?
Ic=P/U
Ic=80W/48V
Ic=1,67A
Ich habe mir die LTSpice Software heruntergeladen und die „Richtig“ Schaltung simuliert. Bei dieser Schaltung konnte ich leider nicht die Ic, Ib bzw. die 76 Ohm herausmessen. Auch konnte zwischen Basiswiderstand und Transistor merkwürdige Spannungswerte gemessen werden. Meines Erachtens müsste dort lediglich 0,7V+0,5V gemessen werden, da bereits 3,8V am Baiswiderstand abgefallen sind und die übrigen 0,7V+0,5V am Transistor abfallen müssten, oder?
Da ist gleich beim "Kapitel" <Schalten einer Last mit dem NPN - Transistor als Schalter> Dein Fall gezeigt.
Und der Rest ist sicher auch interessant für Dich.
Wichtig: Deine Spannung von 48 V kommt nur an die Last, GND wird zusammengeschaltet mit dem GND vom arduino; und letzterer wird mit 5 V versorgt (kannste aus den 48 V generieren, vorteilhaft ist hier ein Schaltregler wegen des Wirkungsgrads).
Nach kurzer Ansicht der Schaltung auch eine kurze Info:
Die Bezeichnung "vor oder nach" Kollektor oder Emitter ist schlecht und irreführend.
Du solltest schreiben "zwischen Emitter und GND" oder "zwischen Kollektor und +5Volt".
Auch deine Schaltung ist für mich fehlerhaft. 48 Volt am Controller kann nicht gut gehen.
Und 80 Watt am BC546 kann nicht gut gehen.
Falsch ist sehr falsch und richtig ist auch falsch.
Um als Schalter zu funktionieren muß der Emitter auf Masse geschaltet sein. In der Schaltung des Verbrauchers zwischen Emitter und Masse bekommt der Transistor eine riesige Verlustleistung ab und die Last fast keine Spannung.
Aus 80W bei 48V ergibt sich 1,67A (und 28,8Ohm). Das ist schon mal zuviel für den BC546 der max 100mA verträgt (bei max 500mW Verlustleistung).
50mA für einen Arduinoausgang sind auch zuviel.
Da der Arduino 5V gibt und die Basis-Emitterspannung ca 0,7V ist kann nur Strom in die Basis fließen solange die Spannung am Emittor und damit an der Last 4,3V ist. Bei 4,3V fließen durch die Last ca 149mA. Am Transistor fallen die restlichen ca 44V ab und das sind ca 6W Verlustleistung
Also linke Schaltung schon mal ganz falsch.
Wieso teilst du die Gleichspannungsverstärkung des Transistors durch 3,3?
Woher kommen die 10%verlust bei der Berechnung des Basiswiderstandes?
Rechte Schaltung:
Zwischen Minus-Pol der 48V Spannungsquelle und GND Arduino darf kein Widerstand R1 sein.
Der Transistor ist immernoch falsch weil zu schwach
Der Basiswiderstand R2 ist zu klein weil Arduino nicht soviel Strom geben kann.
Arduino verträgt NIEMALS 48V.
Wie schon gesagt:
Bei 1,6A ist es besser einen MOSFET zu nehmen. Am besten einen für 20-30A oder noch mehr und einen Logic Level Typen, der Schaltet mit 5V voll durch.
Dafür habe ich mir das Arduino Mega 2560 Starter Kit gekauft (genialer Kasten). Nun möchte ich eine 4-fach Ladungspumpe bauen, welche die Spannung des Mikrocontrollers von 5V auf 20V erhöht.
