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Versorgung aus einer ZelleBei batteriebetriebenen Anwendungen stellt sich oft das Problem der Spannungsversorgung. Darauf soll hier näher eingegangen werden.
[Bearbeiten] Erste Ideen[Bearbeiten] 9V-Block mit LinearreglerDie erste Idee ist, einen 9V-Block mit dahintergehängtem Linearregler à la 7805 zu verwenden. Dieser Ansatz ist einfach, er hat aber einen sehr schlechten Wirkungsgrad. Bei Abwärtsregelung auf 5V verbrät der Regler immerhin 45% => 55% Wirkungsgrad, bei 3,3V verbrät er 64% => nur noch 36% Wirkungsgrad), und auch der Platzbedarf auf der Leiterplatte ist erheblich. Angesichts dessen kann man schon fast vernachlässigen, dass der klassische 7805 ca. 5mA für sich selber braucht. Das ist meist mehr als ein Mikrocontroller! Diesbezüglich besser sind Low Power Linearregler wie z. B. der LP2950 (ca. 75μA Eigenverbrauch) oder gar ein TPS715xx von Texas Instuments, der mit unglaublich geringen 3,2 μA auskommt. Statt des Linearreglers könnte man natürlich auch einen Step-Down-Schaltregler benutzen, dann hätte man zumindest einen besseren Wirkungsgrad von 80-90%. Last but not least ist die Energiedichte von 9V-Blocks im Verhältnis zu Mignonzellen eher gering. http://data.energizer.com/ (Auf Technical Info oben rechts klicken, dann die Batteriefamilie links auswählen, z. B. Alkaline)
[Bearbeiten] Vier Mignonzellen mit LowDrop-LinearreglerAls weitere Möglichkeit wären vier Mignonzellen (leer 3,6V, voll 6V) mit nachgeschaltetem LowDrop-Linearregler zu verwenden. Wenn die Schaltung mit 3,3V auskommt, dann ist man mit dieser Möglichkeit bestens bedient. Die Batterien können bis zum Ende ausgenutzt werden und der Wirkungsgrad liegt bei ca. 75%. Allerdings bleibt ein Nachteil wenn man 5V braucht: Die Batterien werden nicht einmal annähernd geleert, weil sie bereits bei 1,25V pro Zelle zusammen gerade noch 5V ergeben, der Regler aber auch gern noch seinen Teil abhaben will (Dropout Voltage). Zu bedenken sind hierbei die Entladekennlinien von Batterien oder noch schlimmer, die von Akkus.
[Bearbeiten] Drei Mignonzellen ohne SpannungsreglerDie meisten modernen Mikrocontroller haben einen sehr breiten Versorgungsspannungsbereich, teilweise von 1,8V bis 5,5V. Daher können sie direkt mit drei in Reihe geschalteten Zellen betrieben werden. Während der Entladung sinkt die Betriebsspannung (3×0,8V = 2,4V), was der Mikrocontroller aber verkraftet, sofern er nicht mit maximalem Takt läuft. Wenn man keine weiteren ICs in der Schaltung benötigt oder diese ebenso tolerant bezüglich einer veränderlichen Versorgungsspannung sind, ist diese Methode die einfachste und günstigste (100% Wirkungsgrad). Vor allem wird bei Low Power Anwendungen mit Sleep Mode kein Mikroampere für einen Spannungsregler verschwendet. [Bearbeiten] LithiumzelleLithiumzellen haben eine sehr geringe Selbstentladung und eine hohe Spannung von typisch 3V. Damit kann man einen sparsamen Mikrocontroller betreiben. Meist werden diese Zellen für Echtzeituhren und zum Datenerhalt von RAMs genutzt, da hier nur sehr geringe Ströme im Mikroamperebereich benötigt werden. Darauf sind diese Zellen ausgelegt. Aus den meisten kann man nur einige mA entnehmen, bei 10mA und mehr sinkt die verfügbare Kapazität rapide. Um ein Gerät nur im Notfall mit einer Lithiumzelle zu betreiben (Pufferbetrieb, Netzausfallsicherung), braucht man eine unterbrechungsfreie Umschaltung zwischen Netzteilbetrieb und Batteriebetrieb. Kritisch ist das vor allem für die Lithiumzelle (damit ist kein Lithiumakku gemeint!), da diese nicht aufgeladen werden darf. Sie wird dabei mit heftiger Reaktion zerstört! Eine einfache Schaltung ist die Nutzung von zwei Schottkydioden zur Entkopplung von Batterie und Netzteil, wie es im Artikel Speicher über EEPROM gezeigt wird. Der Nachteil dieser Lösung ist der relativ hohe Spannungsabfall von 300..400mV über den Dioden. Besser ist der Einsatz eines P-Kanal MOSFETs zum Schalten der Batteriespannung. Dadurch kann der Spannungsabfall auf wenige Millivolt gesenkt werden. Die Schaltung dazu ist im diesem Beitrag zu finden. [Bearbeiten] Bessere LösungsansätzeWie man sehen kann, sind oben dargestellte Methoden nur bedingt zufriedenstellend. Vor allem der Platzbedarf dürfte ein KO-Kriterium sein. Besser wäre es, nur eine oder zwei Zellen zu verwenden. [Bearbeiten] Step-Down SchaltreglerFalls die Batteriespannung auch am Ende der Entladung höher als die Versorgungsspannung ist, bieten sich Step-down Regler an.
[Bearbeiten] Step-Up-SchaltreglerStep-Up-Schaltregler bringen die Spannung, wie der Name schon sagt, 'einen Schritt nach oben'. Ideal also, um aus 1,5V oder 3V z. B. 5V zu erzeugen. Desweiteren sind sie auch geeignet, um höhere Ströme (bis 0,5A, je nach Aufbau und Spule) zu entnehmen. Das Arbeitsprinzip bei Step-Up-Schaltreglern ist immer gleich: Eine Spule wird ständig an- und abgeschaltet und durch Eigeninduktion eine höhere Spannung erzeugt. Um einen Step-Up-Schaltregler aufzubauen, gibt es verschiedene Möglichkeiten: [Bearbeiten] ICsVorteile
Nachteile
[Bearbeiten] Diskrete SchaltungenVorteile:
Nachteile:
Auflistung diskreter Step-Up-Schaltregler:
[Bearbeiten] LadungspumpenLadungspumpen erhöhen die Spannung, indem sie Kondensatoren zyklisch parallel laden, umpolen und in Reihe entladen. Vorteile:
Nachteile:
Auflistung von Ladungspumpen:
[Bearbeiten] Forumsbeiträge zum Thema
[Bearbeiten] Externe Links
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