UltraCap als Stromversorgung

[Trinnov]

Die Zukunft gehört meiner Meinung nach zumindest bei Kleinverbrauchern den UltraCap-Netzteilen mit 2 UltraCap-Bänken.

Das Uptone Audio LPS-1 ist eines der ersten seiner Art. Eine Bank wird geladen und die andere versorgt potentialfrei, also wie ein Akku den Verbraucher / die Audioschaltung. Das Laden muss balanced erfolgen, aber dafür gibt es entprechende Platinen. Aktuell insbesonders günstig aus China.

Hier eines der ersten kompletten Audiogeräte mit UltraCap Netzteilen.

http://www.digitalaudioreview.net/2015/ ... tor-power/

https://www.stereophile.com/content/vin ... -amplifier

Der Verbraucher bleibt vor Oberwellen aus dem 230V Stromnetz verschont und es gibt auch keine Ausgleichsströme zwischen einem potentialfreien Gerät und der Peripherie. Sobald ein weiteres nicht potentialfreies Gerät vor dem isolierten dazukommt ist natürlich ein Teil des Vorteils dahin.

Das ganze Thema steht gerade am Anfang, ist aber hochinteressant.

Die UltraCaps können bis zu 1 Million mal aufgeladen werden und haben Innenwiderstände je nach Kapazität bis zu unglaublichen 0,12 MilliOhm (3200F / 2,7V). Die UltraCaps verschleißen insbesondere wenn eine hohe Arbeitstemperatur auftritt. Die Lebensdauer wird dann z.B. in Stunden bei 65 °C angegeben. 10 Jahre Lebensdauer bei moderater Temperatur können sich dann auf nur 1500h reduzieren bei hoher thermischer Belastung. Man muss so ein Netzteil also mit Verstand planen.

Die Schwierigkeit sehe ich aktuell insbesondere im unterbrechnungsfreien Umschalten der Bänke, also ohne das die Last neu bootet.

Die besten UltraCaps sind aktuell die SkelCaps, aber auch sehr teuer:

https://cdn2.hubspot.net/hubfs/1188159/ ... et-SCA.pdf

Man sollte vor den Teilen aber auch richtig Respekt haben. Sie erzeugen im ersten Moment im Fall eines ungewollten Kurzschlusses je nach Kapazität und Ri Ströme bis 3200A (SkelCap SCA3200).


Viele Grüße,
Horst

[Fujak]

Hallo Horst,

ich teile Deine Auffassung, wonach den UltraCaps bei audiophilen Kleinverbrauchern die Zukunft gehört. Neben den von Dir erwähnten Vorteilen sind sie auch schneller als jeder herkömmliche Akku geladen.

Aber wie Du schon richtig schreibst: Die UltraCaps sind nichts für schwache Nerven, was ihre Gefahr bei Kurzschlüssen anbelangt. Was bereits bei hochstromfähigen Akkus sinnvoll ist, nämlich eine schnell reagierende Sicherung, ist bei den UltraCaps ein absolutes Muss.

Was die Preise anbelangt, so muss man die meiner Meinung nach immer im Vergleich zu einem hochwertigen Ultralownoise-Netzteil sehen. Wenn die SkelCaps bei nominalen 3456 Farad mit 2.85V etwa 70€ (inkl. Versand) kosten, man also 2 Stück braucht, um eine der üblichen 5V zu erzeugen, die Peripherie-Elektronik plus Gehäuse dazu nimmt, landet man summa summarum je nach Aufwand bei ca. 200,- €. Ein Netzteil, welches an diese Werte heranzukommen beansprucht, wird man für diesen Preis weder bauen noch kaufen können.

Wie Du schon anmerkst, besteht die größte Herausforderung in der Konstuktion einer intelligenten Lade-/Entladeautomatik. Das ist m.E. auch das teuerste am LPS-1 von Uptone.

Grüße
Fujak

[Trinnov]

Hier mal etwas Lesestoff.

http://www.diyaudio.com/forums/power-su ... upply.html

https://www.head-fi.org/f/threads/r2r-da-m1-ultracap-powered-build.839007/

Und hier noch einer:

http://www.powerstream.com/supercap.htm

Ist der UltraCap der "bessere Akku", also die reinere Spannungsversorgung?
Ich befürchte ja.

Gruß,
Horst

[dietert]

Hallo miteinander,

ein handelsüblicher Zweikammer-Netztrafo für 20 bis 30 VA - also ausreichend für Kleingeräte wie DAC oder Vorverstärker - hat eine Koppelkapazität von etwa 20 bis 50 pF zwischen Primär- und Sekundärwicklung. Netzstörungen kommen über diese kleine Kapazität auf die Sekundärseite und erzeugen dort störende Ausgleichsströme.

Wenn die Umschaltung bei Supercaps mit Mosfet-Relays implementiert ist, liegt man auch bei 20 bis 50 pF. So bekommt man also keine wesentlich bessere Netztrennung. Wenn man die Umschaltung mit mechanischen Relays macht, liegt man eher bei 2 pF, aber dann hat man eben ein regelmäßiges Relay-Klacken.

Viele - auch hochwertige - Audiogeräte sind mit Ringkerntrafos bestückt, mit Koppelkapazitäten von 300 bis 1000 pF. Also sind 20 bis 50 pF schon ein recht guter Wert und 2 pF bei üblichen Störpegeln vollkommen nutzlos.

Meiner Erfahrung nach erfordert die Beseitigung von Netzstörungen bei solchen Kleingeräten vor allem geerdete Metallgehäuse, die viele dieser Geräte nicht haben (zweiadriges Netzkabel). Und dann eben die räumlich getrennte Unterbringung des Zweikammer-Netztrafos in einem Netzadapter. Und als nächstes noch die Frage, wie man Signal- und Schutzerde voneinander trennen kann, ich meine wenn man solche Hobbygeräte mit asymmetrischen Audioverbindungen hat.

Grüße,
Dieter T.

[Hans-Martin]

Hallo,

das Auslagern des Netztrafos in ein schutzgeerdetes Metallgehäuse hat sich auch bei mir bewährt. Der Trafokern* ist damit ebenfalls geerdet und leitet Störungen** ab. Hat man hier auch Brückengleichrichter und die ersten Siebelkos, kann man mit Ferriten über den gleichstromführenden Versorgungsleitungen zum Gerät HF Gleichtakt stoppen, für DC bleibt das verlustfrei. Das Ergebnis konnte ich von Akkubetrieb am CD-Player nicht mehr unterscheiden.

Grüße Hans-Martin

*) gilt nicht für Ringkerntrafos
**) bei manchen Trafos kann das Ergebnis des Ausphasens wechseln, wenn der Trafo geerdet wird, kann die bessere Phasezuordnung abweichen.

[Trinnov]

Hallo Dieter,

ich finde meine aktuellen Gedanken genau in deinen soeben geschriebenen Zeilen.

FET-Schalter sind mir auch nicht gut genug um perfekt vom Ladeteil und somit vom 230V Netz zu entkoppeln. Relais sind nicht schnell genug und machen mehr oder weniger hörbare Geräusche. Für eine Schaltungsdimensionierung, die mangels Kapazität vorsieht sehr oft zwischen den Bänken hin und her zu schalten halte ich Relais sowieso für unbrauchbar. Dann wäre bei Relais noch das Problem die Spannung am Verbrauchereingang solange zu puffern, bis die Umschaltung von einer Bank auf die andere vollzogen ist.
Die Spannung könnte also trotzdem geringfügig einbrechen im Umschaltmoment. Es ist ein genügend großer Pufferelko erforderlich oder eine weitere UltraCap Bank, die immer am Verbraucher hängt.

Das alles klappt sowieso nur bei Kleinverbrauchern. Ich tendiere daher aktuell eher dazu die Umschaltung wegzulassen und sehr große UltraCaps zu verwenden in Reihenschaltung z.b. 2 Stück und eventuell zusätzliche Parallelschaltung. Auch wenn man deren abartige Peak Current Werte gar nicht benötigt.
Die Caps würden vor dem Musik hören einmal mit sehr hohem Strom schnell aufgeladen und dann das Netzteil abgetrennt und auch stromlos gemacht. Das kann man automatisieren. Alles andere würde mich auf Dauer nerven.

Ein 3000F UltraCap hat ungefähr 3Wh Energie gespeichert, wenn er voll aufgeladen ist. Das ist gar nicht so viel. Ihr könnt das gerne mal auf die mögliche Betriebszeit eines 300mA Verbrauchers runterrechnen. Bitte dabei nicht vergessen die Verlustleistung der Linearregler izu berücksichtigen.

Ich würde 2 UltraCaps per Reihenschaltung kombinieren und per Hochstromschnellladung auf genau die benötigte Spannung aufladen (5V oder 3,3V) oder einen Ultra Low Noise Regler hinter die UltraCaps hängen. Man kann mithilfe der Regler somit auch zwei Spannungen aus einem UltraCap Netzteil gewinnen und die zwei Schaltungsteile auch noch dabei etwas von einander entkoppeln.

Zudem macht ein Regler hinter den UltraCaps das Vorhaben etwas einfacher, da man den UltraCap beim Entladen in einem weiterem Spannungsbereich nutzen kann und somit die Kapazitätsausbeute beser ist.
Natürlich muss der ULNR (UltraLowNoiseRegulator) von exzellenter Qualität sein und auch in einem günstigen Verhältnis der Drop Voltage betrieben werden damit er den Performance-Gewinn des UltraCap nicht wieder zunichtemacht. Der TPS7A4700 ist übrigens mittlerweile nicht mehr die beste Lösung. Es gibt besseres. Dazu mache ich aktuell verschiedene Tests bezüglich Noise Spektrum Analyse, insbesondere bei Betrieb an dynamischer Last.

Dies ist für mich zwingend notwendig als Vorarbeit/Vorbereitung zu meinem aktuellen Projekt: DDC (SPDIF, AES sowie I2S Out) mit OCXOs bei völliger Vermeidung von DC/DC-Convertern in der Schaltung sowie wenn es klappt vermutlich einem UltraCap Hauptnetzteil als Eigenbau. Bei den OCXOs ist die Verwendung derer als Haupt-Clocks gemeint und nicht ein externes Reclocking mit OCXOs.

Bitte schreibt auch eure eigenen Ideen hier nieder. Dann können wir darüber diskutieren und alle davon profitieren.

Viele Grüße,
Horst

[phase_accurate]

Als Massnahme gegen Ausgleichsströmen gibt es noch die altmodische Schirmwicklung. Hat halt weniger Hightech Appeal als Superkondensatoren ...

Gruss

Charles

[Schöngeist]

Warum ist eigentlich eine gute Autobatterie, z.B. Exide, mit einer Elkobatterie, die mit Folien-C's gebrückt sind, alles parallel schlechter als Ultra-Cap's, wenn man ca. 12-14 V benötigt? Mit den Elko's und den Folien-C's wird die Batterie sehr "schnell".

Grüße Alfons

[Trinnov]

Als Massnahme gegen Ausgleichsströmen gibt es noch die altmodische Schirmwicklung. Hat halt weniger Hightech Appeal als Superkondensatoren ...

Die Schirmwicklung ist eine Maßnahme den Ausgleichsstrom zu reduzieren. Komplett eleminieren kann diese Maßnahme den Ausgleichsstrom nicht. Ich verwende in meinen Trafogeräten nach Möglichkeit immer Trafos mit Schirmwicklung idealerweise in R-Core Trafos, welche auch weniger koppeln als ein Ringkern, da die Primär-Wickungen nicht auf oder unter die Sekundär-Wicklungen gewickelt sind, also nicht übereinander gewickelt sind.

Sind Schirmwicklungen wirklich mittlerweile altmodisch? Wusste ich gar nicht. HighTech-Appeal interessiert mich übrigens gar nicht. Man sollte sich den neuen Techniken nur nicht verschließen und meinen früher war alles besser. Sollten die UltraCaps nicht das halten was sie versprechen, ist bei mir das Thema wieder sehr schnell vom Tisch.

@Alfons
Es soll angeblich so sein. Da ich selbst noch nicht mit UltraCaps experimentiert habe bzw. gerade erst damit beginne, steht der Vergleich noch an. Bei Akkus soll das unter Last dazukommende chemische Rauschen die ansonsten sehr guten Werte verschlechtern. Ob ein großer Akku und sehr geringe Last nenneswerte Probleme bezüglich Rauschen produziert, kann ich dir aktuell auch noch nicht sicher sagen. Ich will jedoch eine Messreihe (Noise Spektrum) erstellen mit verschiedenen Akkus, UltraCaps und "normalen Netzteilen um den Unterschied auch mal messtechnisch aufzuzeigen und mehr Verständnis dafür zu bekommen.

Hier steht auch etwas dazu geschrieben unter "Batterie oder Akku als Stromversorgung ?". Bestätigen kann ich es wie gesagt noch nicht.

http://www.aqvox.de/usb-power.html

Gruß,
Horst

[Schöngeist]

Ich will jedoch eine Messreihe (Noise Spektrum) erstellen mit verschiedenen Akkus, UltraCaps und "normalen Netzteilen um den Unterschied auch mal messtechnisch aufzuzeigen und mehr Verständnis dafür zu bekommen.

Da bin ich gespannt auf Deine Ergebnisse. In der Hifiszene waren oder sind nämlich die Kombination aus Batterie mit sehr hohen Ah und C's als Spannungsquelle sehr angesagt. So eine Batterie kostet aber mehrere 100 €, wofür man schon ein Topnetzteil bekommt. Der Preis der C's kommt ja dann noch dazu.

Gruß Alfons

[Schöngeist]

Ich habe mal etwas recherchiert, auch in der Carhifi-Szene.

Ganz oben an stehen Batterien von Northstar, blaue Serie, Kostenpunkt ca. 400 € je nach Kapazität. Innenwiderstand weniger als 2 mV. Sationär erweitern kann man das zu Hause mit einer Elkobatterie, 25V z.B. von Panasonic und jeder Elko gebrückt mit einem Wima MKP von einigen uF. Man liegt dann im Rohaufbau bei ca. 500 - 600 € und über 60 kg. Kann mir kaum vorstellen, dass bei 90 Ah ein Lastrauschen auftritt. Wäre aber mal zu ergründen, d.h. zu messen.

Gruß Alfons

[chriss0212]

Hallo Alfons....

eine blöde Frage: Elkobatterie: ist das ein Haufen Elkos oder eine spezielle Batterie? Das ist wirklich eine ernsthafte Frage

Danke und Gruß

Christian

[Trinnov]

Also ich würde sagen die meinen eine Zusammenschaltung von einigen Elkos.
Mit Batterien hat das nichts zu tun.

@Schöngeist
Du meinst bestimmt einen Innenwiderstand der Batterie von 2 Milliohm, nicht 2mV
Der Schwerpunkt in der Hifiszene ist übrigens ein ganz anderer. Es geht dort um eine perfekte Spannungsversorgung von leistungsstarken Endstufen im Auto. Thema ist vermutlich insbesondere ein extrem sauberer Bass bei Leistungen von mehreren hundert Watt.
Klar ist dort auch der Innenwiderstand ein Thema.
Für chemisches Rauschen, Jitter und perfekte Spannungsversorgung von Clocks interessieren die sich nicht.
Die Wima Kondensatoren eignen sich auch an Autoendstufen für das Puffern der Spannungsquelle bei schnellen / steilen Stromimpulsen. Mir war aber nicht klar dass auch die Carhifi-Szene mittlerweile so verrückt ist.

Gruß,
Horst

[Schöngeist]

Hallo,

...und sorry. Natürlich meinte ich Milliohm! Die Northstar NSB 450 Blue+ hat sogar nur 0,2 mOhm Innenwiderstand.

Mit Elkobatterie ist die Parallelschaltung mehrerer Elkos gemeint. Man kann hier mal probieren, z.B. 10 000 uF/25 V oder 100 000 uF/16 V in Parallelschaltung mit Folien-C's gebrückt. Da viel Geräte im Digitalbereich Gleichspannungen von 9 - 19 V vertragen, liegt man hier immer auf der sicheren Seite. Die Spannung sollte dann extrem stabil und schnell sein und ohne Artefakte.

Gruß Alfons

[mm2]

Hallo Horst,

sehr interessante Messreihe die da vorhast.
Bin gespannt auf das Ergebnis.

Insbesondere auch wie weit sich das chemische Rauschen der Akkus
durch parallel Kondensator reduziert?

Denkbar wäre auch eine Kombination von Akku und UltraCap.
Dann müsste man nicht nicht zwischen UltraCap Bänken hin und her schalten,
was vermutlich auch nicht ganz Ripple frei geht ?
Mit welcher Frequenz erfolgt die Umschaltung ?

Grüße
Maximilian