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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik 3,3V Versorgung bei Kälte mit einem LiPo-Akku


Autor: haribo (Gast)
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Hallo,

bei meinem Gerät habe ich folgende Komponenten:

GPS-Empfänger (Stromverbrauch ca 50mA, Vin 3V - 5,5V)
ATmega32 (Stromverbrauch ca 5mA, Vin 2,7V - 6V)
Display (Stromverbrauch ca 0,5mA Vin 3,3V)
SD-Karte(Stromverbrauch ca 70mA beim Schreiben sonst wesentlich weniger, 
Vin ziemlich exakt 3,3V soviel ich weiß...oder gibts da Spielraum?)

Das Gerät soll fast ausschließlich draußen und im Winter bei 
Temperaturen zwischen 0 und -20 Grad betrieben werden. -20 Grad dürften 
allerdings selten erreicht werden. Zu 95 Prozent liegt man zwischen 0 
und -10 Grad.

Da das ganze batteriebetreieben laufen muss ist das etwas problematisch:

Bei einem durchschnittlichem Stromverbrauch von ca 60-90mA soll das 
Gerät mindestens 10 Stunden zuverlässig laufen bevor die Akkus leer 
sind.
Die Abmessungen sollen eben so klein wie möglich sein...was die 
Systematik eben bedingt.
Benutzen wollte ich dazu gerne einen LiPo-Akku, die es ja bereits mit 
sehr grossen Kapazitäten gibt.

IST ES MÖGLICH DAS ZU REALISIEREN?

Mein Ansatz war/ist:
Mit einem LowDrop Spannungsregler LF33CV aus der LiPo-Spannung 3,3V 
generieren und die ganze Schaltung damit versorgen.
Problem: Mit dem LF33CV brauche ich eine DropSpannung von 0,2V bei einem 
Laststrom von 200mA. Der LiPo muss also Minumum 3,5V liefern damit der 
Linearregler noch einwandfrei funktioniert. Ist der Akku bei 3,5V 
allerdings bereits weitgehend leer? Oder verschenke ich da wertvolle 
Energie? Ein Blick auf "normale" Entladekurven bei 20 grad von LiPos 
verrät: Bei 3,5V ist der Akku weitestgehend leer. Doch wie verhält es 
sich bei -10 Grad oder kälter? Falle ich da bereits früpher unter die 
3,5V Grenze und kann so den Akku nicht ausnutzen? Entsprechende 
Entladekurven habe ich nicht gefunden. Ist der Ansatz mit dem 
Linearregler überhaupt sinnvoll?

Was für andere Herangehensweisen seht ihr?

Autor: Georg (Gast)
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>Entsprechende Entladekurven habe ich nicht gefunden.

Komisch, wie hast Du denn gesucht?

http://www.slowflyer.ch/downloads/temperaturtestpr...

>Ist der Ansatz mit dem Linearregler überhaupt sinnvoll?

Nein, alle Komponenten arbeiten zwischen 3 und 4V.
Und wenn Du Angst um die Karte hast, lädst Du den Akku eben nur auf
3,8V auf. Bei Temperaturen von 0 bis -10°C ist die Spannungslage des
LiPo sowieso niedriger.

Autor: Gustav (Gast)
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Man könnte auch einen 2 Zellen Lipo und einen RECOM Schaltregler auf 
3,3V verwenden (hoher Wirkungsgrad und kompakt).

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Sonst gibt's noch Buck-Boost, die koennen hoch- und 
runtertransformieren. Zb einen LTC3440

Autor: Warren Spector (jcdenton)
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lipo sind dafür denkbar ungeeignet. ein lifepo4 akku wäre dafür 
sicherlich besser geeignet.

http://www.a123systems.com/cms/product/pdf/1/ANR26...

man beachte die "low temperature discharge performance"

die lässt zwar schon deutlich nach, ist aber selbst bei -20 grad noch 
beeindruckend gut. das kannst du mit lipos meinen erfahrungen nach 
vergessen.

sofern du platz hast, dimensioniere stark über. zwei zellen 26650 mit 
zusammen 6,6V nennspannung und 2300mAh dürften problemlos ausreichen.

die haltbarkeit dürfte ebenso deutlich besser sein als bei lipos 
(generell)

Autor: GenKlon (Gast)
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Ich würde den Lipo zwischen 2 Peltierelemente packen. Dann kannst sie 
beheizen und der Akku macht das Problemlos mit...

Autor: Warren Spector (jcdenton)
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oh, ich lese gerade wenig platz. 2x18650 ? mAh könnten knapp werden.

die nötige leistung zum effektiven heißen ist viel zu hoch als das das 
praktikabel wäre. und wenn, heizen geht am effektivsten mit simplen 
heizspiralen die nahezu 100% wirkungsgrad haben. pelztiere sind 
blödsinn.

sofern das gerät in der hand gehalten wird, würde ich zu einem liion 
greifen, wie z.b. den ipod touch ersatzakku bei reichelt oder so. die 
körperwärme reicht um das gerät warm genug zu halten (in die hosentasche 
usw)

Autor: haribo (Gast)
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Hallo,

soviel ich weiß braucht die SD-Karte sehr strikt die 3,3V....ansonsten 
können Fehler auftreten. Ohne irgendeinen Regler wirds wohl nicht 
klappen. Das GPS Modul wird bei Versorgung unter 3V ebenfalls recht 
schnell seinen Dienst quittieren. Beheizen kann ich eher nicht...das 
Gerät soll handlich sein :)   Leider wird das Gerät die meiste Zeit 
nicht in der Hand gehalten sondern im Rucksack liegen....Ab u zu wird es 
in die Hand genommen. Man kann aber davon ausgehen dass es fast 
ausschließlich ungewärmt bleiben wird. Die einzige "Mini" Heizung dürfte 
das direkt verbaute GPS-Modul sein. Warm werden wird es aber nicht 
wirklich. Der lifepo4 hat super Werte...doch bei einer Temperatur von 
-20Grad liegt die Spannung sehr schnell unter 3,0V...Die SD-Karte und 
das GPS-Modul wird da nicht mehr funktionieren. Es muss also zusätzlich 
ein Regler verbaut werden.

Vielleicht nimmt man einen (oder 2 ) dieser lifepo4-Akkus n Kombination 
mit so einem Schaltregler. Wie hoch liegt den da der Wirkungsgrad..bzw 
was für ein Modul ist gut?

Autor: Georg (Gast)
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>soviel ich weiß braucht die SD-Karte sehr strikt die 3,3V

Nein. Die Karten arbeiten von 1,8V (ältere von 2,8) bis 3,6V (3,8V ist
auch kein Problem).

Autor: haribo (Gast)
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gibts da keine Probleme mit der Ansteuerung bzw Kommunikation?:) Bei 
4,1V Gehts die Karte aber gewiß den Bach runter? :) oder???? :)

Autor: Georg (Gast)
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4,1V sind auch nicht nötig. Siehe 1.Antwort.

Im übrigen geht die Karte nicht "den Bach runter" sondern verweigert 
schlicht die Initialisierung.

Autor: haribo (Gast)
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die erste antwort fand ich nicht praktikabel da ich den akku sonst nicht 
leicht laden kann und eine zugeschneiderte ladeeinrihctung bauen müßte. 
bei 3,8V ist der akku nicht voll. und laden tu ich das ding schon im 
warmen....

Autor: Dieter M. (Gast)
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Nur mal zum darüber nachdenken:

Bei Volllast hättest Du eine maximale Stromaufnahme von 125mA.
Das gibt bei 3,6V eine maximale Leistung von 0,45W.
Bei durchschnittlich 60-90mA ergeben sich durchschnittlich 0,21 bis 
0,32W.

Diese Leistung wird dann so oder so in Wärme umgesetzt. 
(Energieerhaltung)
Wie kalt wird das Gerät mit Akku, wenn Du es sehr gut isolierst?
Ich könnte mir vorstellen, dass die Temperatur dann sogar noch über 0°C 
ist.

Autor: Gustav (Gast)
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haribo schrieb:
> n Kombination
> mit so einem Schaltregler. Wie hoch liegt den da der Wirkungsgrad..bzw
> was für ein Modul ist gut?

Ich bin von diesen Modulen hier sehr angetan:
http://www.recom-international.de/pdf/Innoline/R-7...

Wirkungsgrad müsste so um die 90% liegen bei deinem Arbeitspunkt.

Autor: haribo (Gast)
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Das sich das Gerät geringfügig selbs erwärmt hab ich mir auch schon 
gedacht..aber wie sehr...ich weiß auch nicht.

Wie gefällt euch der Ansatz:

7,4V 2000mAh LiPo Akku.
RECOM DC/DC 783.3 
(http://www.recom-international.de/pdf/Innoline/R-7...)

Der Converter ist nicht zu groß und bietet mir 500mA und einen minimalen 
Wirkungsgrad von um die 90 Prozent.

Die Akkus können voll ausgenutzt werden.

Bei Durchschnittlich 100mA (eig sind es ja sowieso 
weniger...wahrscheinlich kommich auf etwa 70-80mA)

hätte ich eine Laufzeit von:    (2000mAh/(1+(1-0,9)*100mA)) = ~18Stunden

Bricht der Akku extrem ein....dann bietet er mir vielleicht gerade noch 
600mAh bei etwas niedriger Spannung.

Die niedrieger Spannung stellt aber kein Problem dar. bei 600mA kann ich 
mich glücklich schätzen wenn das Gerät noch 6-7 Stunden läuft.

hmm...ich könnte jetzt einfach einen 3000mAh Lipo nehmen dann würds scha 
gehen.

Aber gbits nicht bessere Akkus die mir eine Spannung von 5 bis 34V (das 
ist die Spezifikation des Converters) bieten?

Vielleicht 2 der oben genannten life4po? aber die sind wieder etwas 
groß...da wäre ein 3000mAh Standard LIPO wieder kleine dagegen ...


Was meint ihr?

Autor: haribo (Gast)
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Vor allem sollte auch das Laden des Geräts leicht möglich sein....as 
wäre mit nur einem LiPo leicht gewesen....

Bei 2 wirds scha schwieriger..aber es gibt ja auch so Fertigladegeräte 
mittlerweile....für 2 Zellen LiPos

Autor: X- Rocka (x-rocka)
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Ich nehme lieber 1-cell LiPos + 3,3V LDO
3,7V/3,3V => 89% Wirkungsgrad und wenig Platz.
Wenn's 95% sein sollen => kleinen Schaltregler

Für 1-cell LiPos gibt's auch gute Laderegler, die das ganze Ladehandling 
übernehmen, UND auch vor Tiefentladung schützen. Der MAX8606 (Farnell) 
macht zB bei Vbat = 3,5V dicht.

Wenn's nicht auf den cent ankommt, sind die Varta Easypacks ganz 
angenehm, die haben NTC und Sicherung eingebaut, gibt's bis 2000mAh.

Vielleicht kannst Du noch durch Sleep Modi Strom sparen? GPS an/aus 
etc...

Autor: haribo (Gast)
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Hallo,

wie gesagt...wenns richtig kalt wird geht ein 3,7V Lipo bereits unter 
die 3,5V wenn er noch nicht mal dreiviertelt leer ist....deshalb wird 
das nicht wirklich funktionieren....

Das GPS muss dauerhaft an sein :)

Mir wäre ja auch ein einzellner LIPO am liebsten(oder so ein 
life4po)...Nur mit welchem Bauteil bekomme ich aus 2,7 bis 4,1V 
Eingangsspannung 3,3V raus ohne dass der Wirkungsgrad zu niedrig (~90 
Prozent sollten es durchaus sein). Stromaufnahme maximal 150mA :) Normal 
aber bei so 80mA.

Autor: haribo (Gast)
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Der oben genannte LTC3440 kann das alles...ist der einigermaßen leicht 
aufzubauen? :)

Autor: haribo (Gast)
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Dieser akku:

Ebay-Artikel Nr. 370264348456

in Verbindung mit dem LTC3440 (Buck-Boost)

Ist doch normal die optimal Lösung oder?

Der Flachakku hat fast genau die Abmessungen des Gehäuses...könnte als 
optimalerweise am Boden des Gehäuses platziert werden.

Was haltet ihr davon?  Die 5200mAh glaub ich zwar nicht ganz.....aber 
3600mAh wird a ja wohl leicht packen...Bei einem Einbruch der Kapazität 
um 75 Prozent (das dürfte wohl bei -20 Grad der Fall sein) habe ich noch 
900mAh Restkapazität....bei 90mA Verbrauch wären das ca 10 Stunden 
Laufzeit.

Autor: haribo (Gast)
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im günstigsten Fall:

Sommer....30 Grad....5200mAh Akku...92 Prozent Wirkungsgrad des 
Reglers....70mA Stromaufnahme...

LAUFZEIT:   fast 67 Stunden.... :) :) :)

Das hört sich ja nicht schlecht an :P

Autor: Sven K. (svenk)
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Denke doch mal über das Abschalten der SDCard nach,
und nur nach einer gewissen Zeit an das Speichern.
Wenn Du zB. nur alle 5 Min die SDCard für 20 Sekunden aktivierst
kannst Du Dir ja ausrechnen wieviel Du einsparst.

Gruß Sven

Autor: haribo (Gast)
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Des funktioniert leider nicht...die SD-Karte protokolliert laufend mit 
weil die Datenmengen in 5Min zu groß sind um sie wo zwischenzuspeichern. 
Am Stromverbrauch läst sich nix mehr drehen... :(

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