DC-DC-Wandler mit Kondensatoren

[Helmut_Heck]

Ich bin Maschinenbauingenieur im Ruhestand, begeisterter Bastler und Hobby-Elektroniker und lebe im Sommer auf meinem Boot. Dort betreibe ich einen Spannungswandler 12/220 für die Versorgung von Kühlschrank und TV.
Leider ist dessen Leistung nicht ausreichend für die Kaffeemaschine (1200 Watt).
Da diese jedoch auch mit 220V Gleichstrom funktionieren sollte, begann ich mit der Suche nach einem DC-DC-Wandler 12V nach 220V.

Meine Frage ist nun:
Wenn man in schneller Folge mehrere Kondensatoren im Wechsel zwischen paralleler und serieller Anordnung schaltet, in der einen die Kondensatoren
auflädt und in der anderen entlädt, dann sollte doch eine DC-DC-Wandlung sehr effektiv möglich sein. Das Umschalten ist doch mit heute billig verfügbaren MOSFET’s kein Problem mehr.
Auch diese haben ja kaum noch Verluste.
Eine grobe Überschlagsrechnung hat gezeigt, daß es möglich sein sollte, mit einfachen Mitteln die 1200 Watt von 12V auf 220V zu wandeln : 20x2200uF, 6kHz, ca 30 MOSFET’s, alles billige Teile.

Warum wird dieses Prinzip in der Praxis nicht angewandt (zumindest habe ich kein Gerät nach diesem Prinzip entdeckt)?

Gruß
Helle

[Karsten_0a4bdb]

Warum wird dieses Prinzip in der Praxis nicht angewandt
(zumindest habe ich kein Gerät nach diesem Prinzip entdeckt)?

Weil so ein Sack voll Kondensatoren und Transistoren teurer als der Übertrager ist. Daneben dürfte die Ansteuerung eines solchen Konstruktes etwas kompliziert und fehleranfällig sein. Von den Spitzenströmen beim Aufladen der Kondensatoren mal ganz abgesehen. Der Wirkungsgrad und die Lebensdauer dürfte bescheiden sein.

Bei den Wechselrichtern wird im Zwischenkreis übrigens auch mit DC gearbeitet.

Die Ladungspumpen-Variante macht man eigentlich nur bei kleinen und mittleren Leistungen und, soweit ich weiß, nur bei Spannungsverdopplern. Bei Hochspannungskaskaden auch mehrstufig. Aber da fließen keine großen Ströme.

Wir haben übrigens 230 Volt Netzspannung.

[Matthias_Kattelmann_d2a1c6]

Hallo
Nimm doch für heißes Wasser Gas oder Spiritus. Gibts auch mit Petroleumlampen. Ist das billigste.
MfG

[Andy_XYZ_f43895]

Hallo Helmut,

hast Du mal überlegt, was Dich 20 so fette Elkos und die MOSFETs + Kühlkörper + die ganze Ansteuerungsschaltung und der ganze restliche Krempel kosten?

Da bist Du doch mit einem handelsüblichen Inverter (Wechselrichter) 12= auf 230V~/1,5 KW bei Preisen unter 200 Euro (und auch noch mit Garantie und ohne viel Ärger) wesentlich besser dran, oder ?

Gruss
ANDY

[Anonym]

Hallo,

Warum wird dieses Prinzip in der Praxis nicht angewandt

Weil man dann statt einer einzigen, winzigen, billigen Induktivität und einem Schalter, mit einem fast beliebigen Übertragungsfaktor, haufenweise teure, große Kondensatoren und Schalter benötigen würde.
Gruß
loderunner

[Helmut_Heck]

Hi,Danke schon mal für die Antworten,

@ANDY:
„hast Du mal überlegt, was Dich 20 so fette Elkos und die MOSFETs + Kühlkörper + die ganze Ansteuerungsschaltung und der ganze restliche Krempel kosten?“

natürlich : ca. 40€

„Da bist Du doch mit einem handelsüblichen Inverter (Wechselrichter) 12= auf 230V~/1,5 KW bei Preisen unter 200 Euro (und auch noch mit Garantie und ohne viel Ärger) wesentlich besser dran, oder ?“

1. siehe oben.
2. wo gibts den für

[Karsten_0a4bdb]

Bei 20
Kondensatoren aber nur 10A pro Kondensator.

Ich meinte die Spitzenströme, nicht die Durchschnittsströme. Bei den Strömen geht der ESR des Kondensators in die Berechnung des Wirkungsgrades ein. Um geeignete Kondensatoren für so einen Betrieb zu finden, wird die Luft dünn und der Etat knapp. Schau mal genauer in das Datenblatt des von Dir ausgesuchten Kondensators. Max. Effektivwert des Stromes vs. Schaltfrequenz vs. Lebensdauer oder so ähnlich. Bei so einem Betrieb geht die Lebensdauer der Kondensatoren böse in den Keller. Falls solche Daten nicht im Datenblatt stehen, kannst Du davon ausgehen, dass der Kondensator nicht schaltfest ist.

Ich weiß nicht, was für Dich einfach an der Ansteuerung ist. Die Schalter müssen alle potentialfrei angesteuert werden.

Es gibt nachvollziehbare Gründe, dass es solche Wechselrichter nicht gibt.

Wesentlich einfacher dürfte es sein, die Kaffeemaschine auf 12-Volt-Betrieb umzubauen. Oder ganz auf den Betrieb mit 12 V zu verzichten und den Kaffee mit Gas zu machen.

[Peter_TOO]

Hallo Helle,

@ANDY:
„hast Du mal überlegt, was Dich 20 so fette Elkos und die
MOSFETs + Kühlkörper + die ganze Ansteuerungsschaltung und der
ganze restliche Krempel kosten?“

natürlich : ca. 40€

Bei 6kHz und 10A ripple, kannst du keine Billig-Elkos nehmen. Schau dir mal die Datenblätter an.

MfG Peter(TOO)

[Helmut_Heck]

Bei 20 Kondensatoren aber nur 10A pro Kondensator.

Ich meinte die Spitzenströme, nicht die Durchschnittsströme.
Bei den Strömen geht der ESR des Kondensators in die
Berechnung des Wirkungsgrades ein. Um geeignete Kondensatoren
für so einen Betrieb zu finden, wird die Luft dünn und der
Etat knapp. Schau mal genauer in das Datenblatt des von Dir
ausgesuchten Kondensators. Max. Effektivwert des Stromes vs.
Schaltfrequenz vs. Lebensdauer oder so ähnlich. Bei so einem
Betrieb geht die Lebensdauer der Kondensatoren böse in den
Keller. Falls solche Daten nicht im Datenblatt stehen, kannst
Du davon ausgehen, dass der Kondensator nicht schaltfest ist.

Das ist sicher ein Argument,
andererseits arbeitet ein PC-Netzteil mit über 30kHz, liefert über 20A, und hat zur Glättung auch nur einfache Standard-Kondensatoren.

Ich weiß nicht, was für Dich einfach an der Ansteuerung ist.
Die Schalter müssen alle potentialfrei angesteuert werden.

Warum das?

Es gibt nachvollziehbare Gründe, dass es solche Wechselrichter
nicht gibt.

Glaub ich ja gerne, genau nach denen such ich doch.

Wesentlich einfacher dürfte es sein, die Kaffeemaschine auf
12-Volt-Betrieb umzubauen.

Upps, 100A-Steckdose in der Kombüse?

Oder ganz auf den Betrieb mit 12 V
zu verzichten und den Kaffee mit Gas zu machen.

Was denkst du, wie ich mir seit 10 Jahren den Kaffee koche, wenn ich keinen Landstrom habe?

Gruß
Helle

[Helmut_Heck]

Hi,
meinst du so’n Zerhacker?
Für 1200Watt? Das ist sicher auch keine „billige“ Induktivität.

Gruß
Helle

[Matthias_Kattelmann_d2a1c6]

Hallo

Das was Du Zerhacker nennst, geht heute mit Transistoren(am besten Fets) und Hochfrequenz. Also solche Induktivitäten sind auch bei hohen Leistungen relativ klein, z.B. 1/10 bis 1/100 statt normal bei 50 Hz.
Anstatt einer Wechselrichtung kommen auch andere Techniken in Betracht, bei denen ebenfalls Induktivitäten verwendet werden.
Die hochtransformierte Hochfrequenz(z.B. 50 - 100 kHz) wird dann gleichgerichtet und erneut mit 50 Hz wechselgerichtet.
Ein Problem wäre nur die benötigte Leistung.
So ein Gerät für max 100 Watt für die 12V Autosteckdose ist ultraklein, kostet nicht allzuviel. Funktioniert prima.

Jetzt gibts natürlich auch noch andere Geräte, die mehr Power haben, aber dann benötigen die einen großen Kühlkörper, kosten erheblich mehr, und Deine Batterie würde Dir das evtl. auch nicht verzeihen.
In anderen Worten, Dein Motor müßte am besten mitlaufen. Deswegen habe ich auch ein Brennergerät empfohlen. Da gibts spezielle Geräte, die ganz prima sind.

Die von Dir genannte Anwendung von Kondensatoren findet man z.B. zur Erzeugung von Hochspannung beim sogenannten Marx-Generator.
Es gibt auch noch die Möglichkeit der Spannungsverdopplung mittels, also heißt sie Greinacher Schaltung? Ich habs leider vergessen.
Hier benutzt man Wechselspannung, Dioden und Kondensatoren. Auch die Hochspannung im Bildröhren-Fernsehgerät wird so ähnlich hergestellt.
Mit Fet’s gibts zuviele Schwierigkeiten, das sag ich Dir gleich. Jeder Fet braucht zum Beispiel ein bestimmtes Gate-Potential(Gate-Drain Spannung glaub ich), und wie möchtest Du das bei über 20 Fets gewährleisten? Außerdem müssen die Fets einmal den hohen Strom der niedrigen Spannung und einmal die hohe Spannung der Netzspannung vertragen. Da relativiert sich die Kostenrechnung schnell.
Was anderes wär in diesem Zusammenhang jetzt mal eine mehrstufige Spannungverdopplung, aber das ist jetzt mal meine Erfindung und deren Wirtschaftlichkeit ist auch noch nicht erwiesen.

MfG
Matthias

[Helmut_Heck]

Das was Du Zerhacker nennst, geht heute mit Transistoren(am
besten Fets) und Hochfrequenz. Also solche Induktivitäten sind
auch bei hohen Leistungen relativ klein, z.B. 1/10 bis 1/100
statt normal bei 50 Hz.

Hallo Matthias
Ich weiß schon, der Begriff Zerhacker war eine, zugegeben etwas zynische, Bemerkung zum Beitrag von Loadrunner

Anstatt einer Wechselrichtung kommen auch andere Techniken in
Betracht, bei denen ebenfalls Induktivitäten verwendet werden.
Die hochtransformierte Hochfrequenz(z.B. 50 - 100 kHz) wird
dann gleichgerichtet und erneut mit 50 Hz wechselgerichtet.
Ein Problem wäre nur die benötigte Leistung.
So ein Gerät für max 100 Watt für die 12V Autosteckdose ist
ultraklein, kostet nicht allzuviel. Funktioniert prima.

Jetzt gibts natürlich auch noch andere Geräte, die mehr Power
haben, aber dann benötigen die einen großen Kühlkörper, kosten
erheblich mehr, und Deine Batterie würde Dir das evtl. auch
nicht verzeihen.

Ja, ich kenn die Dinge schon.
Was die Batterien angeht:
Ich habe 1000Ah an Bord, mein 12V Motor fürs Bugstrahlruder hat 3kW (250A), die Lichtmaschinen leisten 160A, Power ist also nicht das Problem.

In anderen Worten, Dein Motor müßte am besten mitlaufen.
Deswegen habe ich auch ein Brennergerät empfohlen. Da gibts
spezielle Geräte, die ganz prima sind.

Hab ich an anderer Stelle schon angedeutet: Seit 10 Jahren koche ich meinen Kaffee auf’m Gasherd, wenn ich keinen Landstrom habe. Das kann ich natürlich auch noch 10 Jahre machen. Das ist nicht das Thema.

Die von Dir genannte Anwendung von Kondensatoren findet man
z.B. zur Erzeugung von Hochspannung beim sogenannten
Marx-Generator.
Es gibt auch noch die Möglichkeit der Spannungsverdopplung
mittels, also heißt sie Greinacher Schaltung? Ich habs leider
vergessen.
Hier benutzt man Wechselspannung, Dioden und Kondensatoren.
Auch die Hochspannung im Bildröhren-Fernsehgerät wird so
ähnlich hergestellt.
Mit Fet’s gibts zuviele Schwierigkeiten, das sag ich Dir
gleich. Jeder Fet braucht zum Beispiel ein bestimmtes
Gate-Potential(Gate-Drain Spannung glaub ich), und wie
möchtest Du das bei über 20 Fets gewährleisten? Außerdem
müssen die Fets einmal den hohen Strom der niedrigen Spannung
und einmal die hohe Spannung der Netzspannung vertragen. Da
relativiert sich die Kostenrechnung schnell.
Was anderes wär in diesem Zusammenhang jetzt mal eine
mehrstufige Spannungverdopplung, aber das ist jetzt mal meine
Erfindung und deren Wirtschaftlichkeit ist auch noch nicht
erwiesen.

Matthias, diese Pauschalurteile sind zwar nachvollziehbar, aber helfen nicht wirklich.
Nein, die beschriebene Anordnung ist keine der von dir Erwähnten.
Am ehesten noch die Greinacher, aber mit mehreren Kondensatoren parallel.

Der Unterschied ist im Wesentlichen:

ALLE Kondensatoren werden GLEICHZEITIG mit 12V parallel aufgeladen.
(Damit „bearbeitet“ jeder Kondensator und jeder FET nur 1/20 der Gesamtleistung)

Dann werden alle Kondensatoren in Serie geschaltet.
Ihre Spannungen addieren sich.

Das ist, wie an anderer Stelle in diesem Trööt schon erwähnt,
KEINE Kaskade.

Gruß
Helle

[Anonym]

Hallo,

meinst du so’n Zerhacker?

Das musst Du sowieso.

Für 1200Watt? Das ist sicher auch keine „billige“
Induktivität.

Na, wenn Du meinst, kannst Du das ja mal mit Kondensatoren durchrechnen. Ich setze ein Schaltnetzteil für 180€ Endpreis dagegen (von Elpro). Eingangsbereich 10…15VDC, Ausgang 230VAC modifizierter Sinus (wie machst Du das eigentlich mit Deinen Kondensatoren?). Schonmal überlegt, dass Du für die 100A Eingangsstrom bei 50% Puls-Pausen-Verhältnis dann auf 200A kommst? Und wenn Du Dir jetzt noch überlegst, dass der Ladestrom der Kondensatoren von der Spannung abhängt, wird das ein Monster von Gerät, ein Massengrab von Elkos. Vom Wirkungsgrad ganz zu schweigen - jeder Schalter macht Verluste ohne Ende, je schneller Du schaltest.
Gruß
loderunner

[Matthias_Kattelmann_d2a1c6]

Hallo nochmal.

Nein, die beschriebene Anordnung ist keine der von dir
Erwähnten.

Ich hab Deine Anordnung tatsächlich nicht erwähnt. Ich habe eine Anordnung angenommen, bei der mechanische Schalter wie nach Deiner Beschreibung durch Fets ersetzt werden.
Bei der Marx-Kaskade, oder wie das Dingens heißt, gibt es übrigens Funkenstrecken als nichtlineare Elemente und die machen dasselbe wie Deine Schalter.(mit mehr Verlusten)

ALLE Kondensatoren werden GLEICHZEITIG mit 12V parallel
aufgeladen.
(Damit „bearbeitet“ jeder Kondensator und jeder FET nur 1/20
der Gesamtleistung)

Da ist ja schon das Problem. Die Fets dürfen nicht nur in Ihrer Leistung nicht überlastet werden, sie dürfen ebenfalls nicht in Ihrem Strom und in Ihrer Spannung überlastet werden.
Außerdem gibt es noch Impulsabhängige Daten, also manche Leistungshalbleiter vertragen hohe Stromstärken für eine kurze Zeit, aber das muß nicht immer der Fall sein. Über 7 A berechne ich aber auf jeden Fall für einen Fet. Da weiß ich nicht, obs die schon für Netzspannung gibt.
Beim Computernetzteil treten die hohen Ströme nur auf der Seite mit der niedrigen Spannung auf. Im Prinzip würde aber doch eines dieser moderneren Prinzipien zum Erfolg führen.

Dann werden alle Kondensatoren in Serie geschaltet.
Ihre Spannungen addieren sich.

Das Prinzip ist ja in Ordnung, aber der Teufel steckt im Detail.
Du brauchst für ca. 20 Kondensatoren schätzungsweise 60 Fets, damit Du jeden Kondensatorpol umschalten kannst.
2 Stück, um jeden Kondensator an beiden Seiten an die Batterie anzuschließen, und jeweils einen zwischen jedem Kondensator.
Die Kondensatoren müssen impulsfest sein, und die FETs unempfindlich für hohe Ströme und hohe Spannungen.
Die Gatespannung muß für jeden Fet, der die Kondensatoren in Reihe schaltet, separat eingestellt und geschaltet werden.

Ganz gleich, wie man das anstellt, zu teuer wird es in jedem Fall.

MfG
Matthias

[Peter_TOO]

Hallo Helle,

Das ist sicher ein Argument,
andererseits arbeitet ein PC-Netzteil mit über 30kHz, liefert
über 20A, und hat zur Glättung auch nur einfache
Standard-Kondensatoren.

Irrtum sprach der Igel und stieg von der Kleiderbürste.

Schau dir mal die verbauten Typen an und suche die Datenblätter.
Da sind alles Low ESR verbaut.

Dann solltest du dich auch mal mit der grundlegenden Physik von Kondensatoren und Induktivitäten vertraut machen. Der Stromverlauf ist ganz unterschiedlich.
Bei Schaltnetzteilen nutzt man die Induktivität auch zur Strombegrenzung durch die Elkos.

MfG peter(TOO)

[Helmut_Heck]

Du brauchst für ca. 20 Kondensatoren schätzungsweise 60 Fets,
damit Du jeden Kondensatorpol umschalten kannst.
2 Stück, um jeden Kondensator an beiden Seiten an die Batterie
anzuschließen, und jeweils einen zwischen jedem Kondensator.
Die Kondensatoren müssen impulsfest sein, und die FETs
unempfindlich für hohe Ströme und hohe Spannungen.
Die Gatespannung muß für jeden Fet, der die Kondensatoren in
Reihe schaltet, separat eingestellt und geschaltet werden.

So ist das.

Ganz gleich, wie man das anstellt, zu teuer wird es in jedem
Fall.

Ja, du hast das richtig verstanden!
Der letzte Satz ist allerdings wieder nur eine Vermutung:smile:
Ich will doch wissen, warum das niemand macht!

Gruß
Helle

[Karsten_0a4bdb]

Ich weiß nicht, was für Dich einfach an der Ansteuerung ist.
Die Schalter müssen alle potentialfrei angesteuert werden.

Warum das?

Gut, das muss nicht zwingend potentialfrei sein, aber für jeden Kondensator andere Gate-Potentiale der zugehörigen FETs.

Wenn Du nicht glaubst, dass das ein Schnapsidee ist, dann bau es doch auf. Vielleicht schaffst Du das noch bis Silvester und schalte um 00:00 ein.

Oder stricke Dir eine Simulation mit LTSpice zusammen.

[Karsten_0a4bdb]

Ganz gleich, wie man das anstellt, zu teuer wird es in jedem
Fall.

Der letzte Satz ist allerdings wieder nur eine Vermutung:smile:

Umgekehrt wird ein Schuh draus: Du vermutest, dass dem nicht so ist.

Ich will doch wissen, warum das niemand macht!

Was denn noch?!

Kompliziert, teuer, schlechter Wirkungsgrad. Wurde nun schon mehrfach behauptet und erklärt. Es wird sich allerdings kaum einer finden, der dafür auch einen Beweis erbringt. Wozu?

[offline]

mangels Markt
Hi,

Warum wird dieses Prinzip in der Praxis nicht angewandt
(zumindest habe ich kein Gerät nach diesem Prinzip entdeckt)?

Weil kaum wer 240V DC brauchen kann, und diejenigen die eine ohmsche Last betreiben
entweder den Verbraucher auf z.B. 24 Volt abstimmen oder einen preisgünstigen Rechteck- oder Trapezwandler verwenden.
Für sauberen Strom bietet sich ja zusätzlich ein kleiner Sinuswechselrichter an.

Also alle anderen Verbraucher außer solche wie Kochplatte und Kaffemaschine, benötigen entweder sauberen Sinus oder ohnehin Niedrigspannung, oder sind zumindest genauso, wenn nicht besser mit 12-24 Volt versorgt (z.B. Licht)
Die meisten die am Boot etc. kochen oder Kaffe machen verwenden eben lieber Brennstoffe als Alternative und ein Espressokocher funktioniert auf Gas ohnehin viel besser.
Das ist vermutlich der Grund warum es außer dir keiner macht.

OL

Gruß
Helle

[Helmut_Heck]

Hi,

Warum wird dieses Prinzip in der Praxis nicht angewandt
(zumindest habe ich kein Gerät nach diesem Prinzip entdeckt)?

Weil kaum wer 240V DC brauchen kann, und diejenigen die eine
ohmsche Last betreiben
entweder den Verbraucher auf z.B. 24 Volt abstimmen oder einen
preisgünstigen Rechteck- oder Trapezwandler verwenden.
Für sauberen Strom bietet sich ja zusätzlich ein kleiner
Sinuswechselrichter an.

Ja, nachvollziehbares Argument.

Also alle anderen Verbraucher außer solche wie Kochplatte und
Kaffemaschine, benötigen entweder sauberen Sinus oder ohnehin
Niedrigspannung, oder sind zumindest genauso, wenn nicht
besser mit 12-24 Volt versorgt (z.B. Licht)
Die meisten die am Boot etc. kochen oder Kaffe machen
verwenden eben lieber Brennstoffe als Alternative und ein
Espressokocher funktioniert auf Gas ohnehin viel besser.
Das ist vermutlich der Grund warum es außer dir keiner macht.

Ja, natürlich, so koch ich ja auch seit 10 Jahren meinen Kaffee, wenn ich keinen Landstrom habe. Ich wills ja auch garnicht machen, ich hab mich nur gewundert, daß das keiner anbietet. Ob Rechteckspannung oder getakteter Gleichstrom sollte doch egal sein.
Na ja, danke für deinen Beitrag.

Gruß
Helle