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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Leistung sparen mit Diode?


Autor: hasnwurst (Gast)
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Hallo,
ich glaube es ist Schwachsinn, aber ich komm nicht drauf warum. Folgende 
Hypothese:

Vcc = 5V  und nicht veränderbar.

Jetzt schließe ich z.B. einen ATmega an den ich mit 1Mhz takte.
Der µC kann aber auch noch bei sagen wir 3V sauber arbeiten und 
verbraucht dort weniger Strom. Wenn ich jetzt eine Diode in Reihe 
schalte, um die Spannung zu verringern (Vf=2V), dann fällt ja 
Verlust-Strom von
2V/3V * Iatmega an der Diode an..

Das heißt die Leistung, die an der Diode abfällt ist proportional zur 
Leistung, die am ATmega abfällt. Im Datenblatt vom ATmega8A s. 255 Abb. 
26-7. ist eindeutig zu sehen, dass der Strombedarf vom Controller nicht 
linear zur Spannung ist. Das würde doch heißen, dass, wenn ich eine 
Diode zwischenschalte um die Spannung am µC zu verringern, gleichzeitig 
den Strom 'mehr als linear' reduziere, sodass auch der Anteil des 
Stroms, der an der Diode in Wärme umgewandelt wird, kleiner ist - denn 
er steht ja in direktem Verhältnis zu dem Strom der den ATmega versorgt. 
Das heißt doch, dass ich so zwar an der Diode einen Verlust habe; dieser 
Verlust wird allerdings durch den geringeren Strombedarf des ATmega bei 
geringer Spannung mehr als ausgeglichen. Ist das so richtig? ich kann 
also durch den Einsatz einer Diode, die selbst Leistung vernichtet 
insgesamt Leistung gewinnen, dadurch, dass der Stromverbrauch anderer 
Bauteile durch die forward voltage der Diode verringert wird? Das wäre 
ja mal ein echter Trick für Batteriebetriebene Anwendungen...
Aber ich vermute, dass ich falsch liege bitte klärt mich auf.

Autor: Matthias (Gast)
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Normalerweise ist Leistung U mal I
und der MC hat ja eine gewisse Leistungsaufnahme,also U  sinkt, dann 
muss I steigen, damit die gleiche Leistung umgesetzt wird.
So klingt die Behauptung eigentlich logisch

Gruß
Matthias

Autor: Philipp (Gast)
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Wenn die spannung am µC sink, sink der strom, auch der durch die diode.
die schaltng verbraucht dann insgesamt weniger.

Autor: hasnwurst (Gast)
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Wenn ich mir besagte Abbildung aus dem ATmega8A Datenblatt hernehme, 
dann hat der µC bei 5V eine Leistungsaufnahme von ~315 µW und bei 3,5V 
sind es 182µW.

Dann fließt doch durch die Diode bei der 3,5V Variante, also Vf = 1,5V, 
der gleiche Strom von 182µW.

182µW * 1,5V = 273µW + 182µW = 455µW also 140µW mehr als ohne Diode?

Also ist es quatsch.

Autor: hasnwurst (Gast)
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jetzt bin ich total verwirrt.

Autor: Andreas Ferber (aferber)
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Matthias schrieb:
> Normalerweise ist Leistung U mal I
> und der MC hat ja eine gewisse Leistungsaufnahme,also U  sinkt, dann
> muss I steigen, damit die gleiche Leistung umgesetzt wird.
> So klingt die Behauptung eigentlich logisch

Ein Mikrocontroller hat aber nunmal keine konstante Leistungsaufnahme, 
und damit ist deine Rechnung für die Katz.

Die Verlustleistung eines digitalen ICs ist im wesentlichen (von 
Leckströmen abgesehen) proportional zu f*U^2. Damit sinkt die 
Verlustleistung bei konstantem Takt um ca. 64%, wenn die Spannung von 5V 
auf 3V (also um 40%) gesenkt wird. Der Stromverbrauch nimmt proportional 
zur Spannung ab.

Andreas

Autor: Hc Zimmerer (mizch)
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hasnwurst schrieb:
> Dann fließt doch durch die Diode bei der 3,5V Variante, also Vf = 1,5V,
> der gleiche Strom von 182µW.

Ein Strom von 182µW, aha.  Und:

> 182µW * 1,5V = 273µW + 182µW = 455µW

µW * V gibt µW.

Später:

> jetzt bin ich total verwirrt.

Keine Sorge, das warst Du einen Artikel vorher auch schon, s.o.

Tatsächlich sinken mit sinkender Spannung die Umladungsverluste. 
Solange der µC bei kleinerer Spannung die Frequenz noch kann, arbeitet 
er dort effektiver, selbst wenn die kleinere Spannung verlustbehaftet 
aus der ursprünglichen erzeugt wird.

Autor: hasnwurst (Gast)
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ok, jetzt nochmal richtig:

5V * 63µA = 315µW

(3,5V + 1,5V) * 52µA = 260µW

entspricht einer ersparnis von 55µW oder 17,5%.

Autor: Andreas Ferber (aferber)
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hasnwurst schrieb:
> Wenn ich mir besagte Abbildung aus dem ATmega8A Datenblatt hernehme,
> dann hat der µC bei 5V eine Leistungsaufnahme von ~315 µW und bei 3,5V
> sind es 182µW.

Häh? Ich sehe da ca. 1,69mA bei 5V und 25℃, macht nach Adam Riese 
8,45mW. Auch im Idle-Zustand wären es 0,38mA und 1,9mW.

> Dann fließt doch durch die Diode bei der 3,5V Variante, also Vf = 1,5V,
> der gleiche Strom von 182µW.

Seit wann wird Strom in Watt gemessen?

Bei 3,5V und 25℃ sind's ca. 1,47mA, macht 5,145mW. Dazu kommen 2,205mW 
an den Dioden. Insgesamt also 7,35mW, unterm Strich also eine Ersparnis 
von ca. 1,1mW oder 13%.

Auch aufgrund des "Knicks" in der Kurve bei ca. 3V (der wohl von 
parasitären Effekten herrühren dürfte) wären 3 Dioden noch besser. Damit 
kommt man dann auf ca. 6,8mW Gesamtverbrauch, also ca. 20% Ersparnis.

Alle Werte gelten für den aktiven Zustand. Je nach Anwendung können da 
die Ersparnisse durch Anwendung der Sleep-Modi so hoch sein, dass die 
durch den "Dioden-Trick" Peanuts dagegen sind! Insgesamt halte ich das 
daher für eine eher akademische Überlegung...

Andreas

Autor: Michael S. (fandjango)
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Was der TO doch wissen will, ist ob er evtl. Glück hat und der mc bei 
Reduzierung der Spannung von 5V auf 3V so viel weniger Strom verbaucht 
(oder eben so viel weniger Leistung benötigt) daß die verbratene 
Leistung in der Diode (bei dem bei 3.5V im mc fliessenden Strom) dies 
nicht wieder wettmacht, im negativen Sinne.

mc bei 5V: 315uW, bei 3.5V: 182uW.

I5 = 63uA, I3.5 = 36,4uA

Id5 = NA, Id3.5 = 36.4uA  (keine Diode bei 5V)

Pd5 = 0uW, Pd3.5 = 54.6uW (5V: Keine Diode, bei 3.5V Vfd = 1.5V)

Summen für 5V und 3.5V:

Pg5 = 315uW, Pg3.5 = 238.4uW

Also nach meiner Rechnung, falls die Durchschnittswerte aus dem 
zitiertem Datenblatt stimmen verbrät die Diode 54.6uW um aber (315-182uW 
= 133uW) zu sparen.

Diese Bilanz ist ok. Das liegt daran, dass der Strom des mc bei 
steigender Spannung ÜBERPROPORTIONAL zunimmt.

Aber vielleicht stimmt ja entweder die obige Rechnung nicht oder die 
Werte aus dem Datenblatt, dann muss man aber einfach neu Rechnen mit den 
richtigen Werten...

Grüße,
Mike

Autor: hasnwurst (Gast)
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Es ging ja auch nicht darum genaue Werte zu berechnen. Es macht sowieso 
wenig Sinn nur den µC in die Rechnung einzubeziehen, weil Die Schaltung 
sicher noch mehr Bauteile beinhaltet. Es ging lediglich um das Prinzip. 
Ich habe übrigens die Abbildung hergenommen, die sich auf den 32Khz 
Oszillator-Betrieb bezieht, weil diese am unlinearsten aussah.

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Die Rechnung ist doch ganz einfach:

Die Gesamtleistung ist

  P = U · I

U ist immer 5V, I fließt der Reihe nach durch die Diode und den µC, ist
also gleich dem µC-Strom. Sinkt dieser, weil durch die Diode die
µC-Spannung abgesenkt wird, sinkt natürlich in entsprechendem Maße auch
die Gesamtleistung. Das ist alles :)

Dabei ist völlig unerheblich, ob die I(U)-Kennlinie des µC gerade oder
krumm verläuft. Die eingesparte Leistung hängt lediglich von der
mittleren Steigung der Kennlinie (also dem differentiellen Leitwert) im
interessierenden Bereich ab. Ist diese Steigung positiv, was bei den
meisten Bauteilen der Fall ist (z.B. auch bei gewöhnlichen Widerstän-
den), spart man mit der Diode Strom und Leistung.

Autor: Andreas Ferber (aferber)
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Yalu X. schrieb:
> Die Rechnung ist doch ganz einfach:

Warum einfach, wenn's auch kompliziert geht ;-)

SCNR,
Andreas

Autor: Kevin K. (nemon) Benutzerseite
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Bei Prozessoren steigt die Leistungsaufnahme in ganz brauchbarer 
Näherung quadratisch zur Versorgungsspannung und linear zum Takt. Dazu 
gibt es natürlich noch eine Temperaturabhängigkeit, die zu beachten 
führt jetzt aber zu weit. Wenn also dein µC an 2V weniger läuft, braucht 
er weniger Leistung, selbst, wenn du den Vorwiderstand mit einbeziehst.

Autor: Axel (Gast)
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Wieso so kompliziert ?

Aus den Datenblatt ergibt sich eine Stromaufnahme von 2,7mA bei 5V und 
1,7mA bei 3V.

Mehr gibt es doch dazu nicht zu sagen.

Die Leistung interessiert doch nur, wenn man einen Schaltregler 
einsetzt.

Gruss
Axel

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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Ich versteh den sinn nicht so ganz? ;) Klar kann man Leistung am 
Controller "sparen", wenn man den mit einer kleineren Spannung versorgt. 
Ist bei Digitalschaltungen ja auch (wie oben gesagt) üblich, dass die 
heute sogar nur mit 1V CoreSpannung laufen (Computer).

Aber im Falle der AVRs darf dann halt die Taktgeschwindigkeit nicht so 
hoch sein. Also ist die Rechenleistung auch nicht so groß. Also hat man 
im Prinzip so gut wie nix gespart, weil die Rechenleistung (angenähert) 
proportional mit der elektrischen Leistung am Controller geht.

Durch welche Maßnahmen man jetzt die Spannung verringert (Diode oder 
Widerstand) ist dabei eigentlich unerheblich. Okay, die beiden genannten 
Bauteile erzeugen natürlich auch noch Verlustleistung, die man bei einem 
Schaltwandler nicht hätte. Aber das sollte ja wohl klar sein.

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