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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Gibt es Spannungsregler (fast) ohne eigenen Stromverbrauch?


Autor: Peter (Gast)
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Hallo,
ich habe eine Problem, bei dem ich aktuell nicht weiterkomme. Ich habe
ein batteriebetriebenes Gerät mit einem ATMega8 und einem 3310 Display.
Spannungsversorgung über eine 3Volt Lithiumzelle mit 500mAh Kapazität.
Stromverbrauch:
Powerdown modus ca. 10-20 uA (kein Ein-Aus-Schalter, Prozessor wird
über Taster am Interrupt-Eingang geweckt)
Betrieb: ca. 20 mA
Benutzung: täglich ca. 1-2 Stunden
Soweit so gut. Aber lieber möchte ich eine 9Volt-Batterie einsetzen und
auf 3,3 Volt runterregeln (Standard, billiger, mehr Kapazität). Übliche
Spannungsregler fressen jedoch auch im Leerlauf 5mA Strom und das ist
zuviel - da ist die Batterie ja im Nu leer.

Daher die Frage: gibt es Spannungsregler, die nur ein paar Mikroampere
für sich selber abzwacken und auch im Power-Down Modus mit minimalsten
Stromverbrauch sicher die Ausgangsspannung halten.
Danke
Peter

Autor: Rufus T. Firefly (Gast)
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Du überschätzt die 9V-Batterien. Nimm lieber zwei
Mignon-Alkaline-Zellen, die in Reihe geschaltet werden.
Die liefern auch 3V, haben eine geringe Selbstentladung und eine
Kapazität von etwa 2 Ah (dies einem Primärzellenvergleichstest* in der
c't entnommen).
In diesem Test schnitten übrigens die Alkaline-Zellen von Ikea und Aldi
sehr gut ab (kein Wunder, die Ikea-Zellen sind ja auch von Varta),
obwohl sie die günstigsten sind.

Vom Volumen her dürften sich 1 9V-Block und zwei Mignon-Zellen nichts
nehmen.


*) Einwegstrom
27 Alkali-Mangan-Batterien LR6/Mignon im Vergleich
Prüfstand, Gerätebatterien, Primärzellen, Sekundärzellen, Akkus, LR6
c't 23/02, Seite 192

Autor: AxelR. (Gast)
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Zetex ZXCL300 macht, wie der Name erahnen lässt 3Volt und brauchkt kaum
was an Strom. MAX1615 sollte auch gehen...
AxelR.

Autor: DerMax (Gast)
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Ich weiß nich wies bei Batterien aussieht aber 9V Akkus haben max.
250mAh, denke ma Batterien dürften im gleichen Bereich liegen, wenn
nich sogar etwas weniger. Das wär dann 1/8 der Kapazität von 2 Mignons
:)

Außerdem würdest du 2/3 der Ladung der Batterie verheizen.

Es gibt aber übrigens trotzdem Low-Power-Spannungsregler die selbst nur
wenige µA verbrauchen.

Autor: Christian Zietz (Gast)
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@Rufus: Alkaline-Zellen sind erst bei 0,9V (hier 2*0,9V=1,8V) wirklich
leer. Benutzt man sie nur solange die Spannung noch annähernd 3V
beträgt, vergeudet man die meiste Energie.

@Peter: Es gibt: Stichworte wären "Micropower" oder "Low Quiescent
Current". Du musst halt mal die einschlägigen Halbleiter-Hersteller
und Deine Lieferanten abklappern. Ein Beispiel (nicht notwendigerweise
die beste Wahl für Dein Problem, aber ich habe das Datenblatt gerade
zur Hand): Der LM2936 braucht bei 100uA Last und 9V Eingangsspannung
knapp 10uA für sich.

Christian

Autor: Rufus T. Firefly (Gast)
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@Christian:
Um das genau beurteilen zu können, müsste man sich die Entladekennlinie
von Alkalinezellen genauer ansehen.

Um beim Gebrauch von 9V-Blöcken Spuren eines Wirkungsgrades zu
erhalten, scheint ein Abwärtswandler (Schaltregler) angesagt; ein
Linearregler wie der LM2936 oder MAX1615 wäre tödlich. Unter Last
(3V@100mA) würdest Du 6V@100mA, also immerhin 600 mW mit dem Teil
abfackeln (== in Wärme umsetzen).

Sieh' Dir mal den MAX653 an:
http://www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/1138/ln/

Autor: Malte (Gast)
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@Der Max:
Auch wenn du mit 250mA/h für 9V Block richtig liegst, in der 9V Block
sind 6 kleine 1,5V Zellen in Reihe geschaltet. Bei gleichem Volumen
einer 9V Block Batterie hätte dann eine Mignon Batterie eine
entsprechend größere Kapazität. Was ungefähr gleich sein müsste
(Idealfall) wären die W/h bei einem bestimmten Volumen der Batterie
(unabhägig ob nun viele kleine Zellen in Reihe oder eine Dicke).

Autor: Christian Zietz (Gast)
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@Rufus: Stimmt, ein Schaltregler wäre viel besser. Der von Dir genannte
MAX653 hat in der Tat einen äußerst kleinen Eigenverbrauch.
Stichwort Entladekennlinie: Nehmen wir z.B. mal eine Mignon-Zelle von
Duracell: http://www.duracell.com/oem/Pdf/new/1500_US_Ultra.pdf
Bei einer Entladung mit konstanten 250mA (kleinere Ströme sind leider
nicht aufgeführt), erreicht die Spannung bereits nach 1,5h 1,3V aber
erst nach 8,5h 0,9V. Schmeißt man die Batterien also schon mit 1,3V
weg, braucht man fast 6mal so viele.

Christian

Autor: Rufus T. Firefly (Gast)
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Danke für das Zitat der Entladekennlinie, ich hatte gerade keine zur
Hand.
Anzumerken sei noch, daß Alkaline-Primärzellen bei höheren
Entladeströmen eine besonders ineffiziente Entladecharakteristik haben
- das merkt man, wenn man beispielsweise eine Digitalkamera mit ihnen
füttert. Trotz der nominell geringeren Kapazität von 1500
mAh-NiMh-Akkus kann man mit denen mehr Bilder anfertigen als mit 2
Ah-Alkaline-Zellen.

Ich kenne Deine Anwendung nicht und weiß daher nicht, wieviel Platz Dir
zur Verfügung steht, aber ich würde vier AA-Zellen in Kombination mit
einem MAX653 den 9V-Blöcken gegenüber bevorzugen. Das mag an meiner
Abneigung diesen 9V-Blöcken gegenüber liegen und ist also nicht
wirklich sachlich fundiert.

Autor: Patric (Gast)
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Hier wurden ein paar ICs und Schaltungen für diesen Zweck genannt:
http://www.mikrocontroller.net/forum/read-1-140366.html

Autor: Benedikt (Gast)
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Was spricht gegen 3x 1,5V ? Hier kann man die Batterien wirklich
komplett leersaugen, ehe der mega8 den Betrieb einstellt.
Oder ist das zuviel für das LCD ?
Wenn ja dann einen Low Drop Spannungsregler wie den LP2950 verwenden,
der z.B. vom uC geschaltet wird und so keinen Ruhestrom im StandBy hat.

Autor: Peter (Gast)
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Erstmal vielen Dank für die Hilfe!
An normale Alkaline 2x1,5 Volt habe ich natürlich auch schon gedacht.
Das Problem ist, der ATMega8l will mind. 2,7 volt (ich weiß jetzt nicht
genau, wieviel das 3310 Display mind. braucht) und wie Christian ja
schon richtig sagt, sind die Batterien erst mit 0,8 Volt wirklich leer.
Dann läuft aber der ATMega schon lange nicht mehr.
Wenn ich mir den Chart von Duracell ansehe, sind die 1,35 Volt (2x1,35
= 2,7 Volt = Mindestspannung ATMega8L) recht schnell erreicht, dann hat
die Batterie jedoch noch 80% seiner Energie (bei wenig Last). Ich müsste
dann schon 3 von den Mignons nehmen - und Spannungsregler - aber 3
Mignons brauchen zuviel Platz.

Der Max653 sieht interessant aus, allerdings kostet der bei Reichelt >9
Euro und ausserdem habe ich so meine Befürchtung, dass der bei einem
Ruhestrom von lediglich 10 uA im PowerDown Modus nicht mehr arbeitet
und die 3 Volt Spannung nicht mehr liefert.

Von dem LM2936 gibt es bei Reichelt nur einen 5 Volt-Typen und der will
laut Datenblatt einen Strom von mind. 100 uA. Diese 100uA sind auch beim
LP2950 angegeben. Notfalls muss ich eben 80uA über einen Widerstand
"verbraten". Nur leider sind 100uA eben knapp 900mA/Jahr - das ist
schon ein Unterschied zu den 100 mA/Jahr, die ich jetzt im PowerDown
Modus habe. Aber ich probiere das mal aus - vielleicht sind das ja
lediglich garantierte Werte und mit 10uA klappts auch.

@Benedikt: Ja, die 4,5 Volt wären zu viel. Man könnte das Display zwar
über Widerstands-Spannungsteiler betreiben, aber dann wird es
vermutlich nicht mehr laufen, wenn die Batteriespannung auf 3 Volt
abgesunken ist.
Wg. Spannungsregler mit uC schalten. Das verstehe ich nicht ganz: Der
uC braucht ja permanent seine 3 Volt - auch im PowerDown-Modus, sonst
läuft er ja nicht mehr an, wenn der Taster den Interrupt auslösen soll.
Also muss doch die Spannung permanent vom Spannungsregler geliefert
werden - auch wenn lediglich 10uA gezogen werden. Da kann ich doch den
Spannungsregler nicht schlafen legen. Oder habe ich da etwas falsch
verstanden?

Ich habe dank Eurer Tipps auch mal selber suchen können: Der Max 663
oder 666 scheint mir durchaus geeignet. Er braucht gerade mal 10 uA
oder weniger, kommt mit einer Mindestlast von 1uA aus, kostet aber
leider auch 5 Euro.

Danke

Peter

Autor: DerMax (Gast)
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@Malte:
Ich bin mir der Zusammenhänge zwischen Kapazität und Spannung durchaus
bewusst... Aber wenn man einfach mal einen Taschenrechner zückt kommt
man bei einem 9V-Block mit 250mAh auf 2,25Wh, und bei 2x 1,5V mit
2000mAh auf 6Wh also knapp das 3 Fache...
Außerdem war ich noch von einem Linear-Spannungsregler ausgegangen, der
die überflüssige Spannung einfach verheizt. Bei einem Schaltregler sieht
das zwr schon etwas besser aus aber ich würde wohl auch die Variante mit
3 Zellen wählen.
Falls 3 Mignons zu groß sind könnte man auch Ladys verwenden, die ham
ja in NiMh mittlerweile auch schon 1000? mAh

Autor: Michael (ein anderer) (Gast)
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@Peter:

Ich glaube Du übersiehst da etwas: Du hast geschrieben dass Dein Gerät
täglich 1 bis 2 Stunden aktiv ist und dabei ca. 20mA benötigt. D.h. pro
Tag im Schnitt 1.5h * 20mA = 30mAh.

Das würde allerdings bedeuten, dass die 9-Volt-Batterie nach ca. 10
Tagen nur durch die Benutzung, ohne Standby, schon ziemlich leer ist!?

Autor: stift (Gast)
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Hallo,
ich würde ein bis zwei Zellen (Primär oder Akku) verwenden, in
Verbindung mit einem Step-Up-Regler.  Der lutscht die Zellen richtig
leer und liefert bei richtiger Auslegung im Bereich 20 bis 40 mA. Ich
habe für diesen Zweck RS5RM3027A mit einem Verbrauch von etwa 55 uA
ohne Last am Ausgang. Mit /CE nach high liegen sie nach Datenblatt bei
1 uA.

An den Preise kommt man leider nicht vorbei. Die Hersteller lassen sich
die Technologie mit dem niedrigen Stromverbrauch bezahlen. Alternativ
wäre der MC 34063 für etwa 70 Cent bei Reichelt zu nennen. Aber der
braucht mindestens 2,7 mA ! für sich.

Auf jeden Fall würde ich über eine Pufferung mit Gold-Cap oder besser
nachdenken. Dann muß der Schaltregler immer nur kurzzeitig arbeiten und
kann sonst im Power-Down-Modus gefahren werden.

Autor: Dirk (Gast)
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Hi,

ich wollte nun keine neue Spannungsvariante(Batterie) oder Schaltregler
vorschlagen.

Es gibt sogenannte Low Drop Regler diese kommen meist mit
Uin+100mV>Uout aus und brauchen nur ein paar µA.

Ich bevorzuge den NJU7200 dieser hat ein hohen Eingangsbereich (+12V)
und sein Stromverbrauch liegt bei 0.9µA. Diesen Low Drop Regler gibt es
in verschiednen Ausgangsspannungsvarianten(3,3V , 5V , 8V). Iout Max
liegt bei 500mA. Gehaueseform TO92 o. SOT-92.


Mfg
Dirk

Autor: Stefan May (Gast)
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Also ich experimentiere gerade mit Batteriebetriebenen Anwendungen. In
meiner Anwendung setze ich allerdings eine einzige Monozelle ein, aus
denen ich eine Spannung von 3 Volt generiere. Ich verwende als
Spannungsregler den LT1073 von Linea Technologies, der LT1610 ist für
die Anwendung ebenfalls geeignet. Ich bin noch am Testen, wieviel man
aus einer Monozelle saugen kann. Eine Testschaltung mit einem MSP430
und einer LED als "Hochstromverbraucher" läuft bei mir seit drei
Tagen im Test. Sie verbraucht etwa 15mA und wird alle 5 Minuten für ca.
30 Sekunden aktiv. Der Strom im Power-Down liegt bei etwa 30µA bei 3
Volt. Mal sehen, wie lange das noch so geht. Die Schaltung kann ich Dir
zur Verfügung stellen.

Die 9Volt Blöcke würde ich schnell wieder vergessen. Da ist einfach zu
wenig Saft drin. Die bieten zwar eine hohe Spannung, aber extrem wenig
Kapazität für das Volumen.

Die Pufferung mit dem Gold-Cap hat einen eklatanten Nachteil. Die
Ladeströme sind sehr sehr hoch, wenn sie mit einem  Widerstand begrenzt
werden, sind die Ladezeiten sehr lang. Für den Zweck der Pufferung sind
sie meiner Meinung nach schlecht geeignet. Eher für die Überbrückung
des Batteriewechsel.

Weiterhin empfinde ich die AVRs für den Batteriebetrieb als zu
stromhungrig. Die MSP430 von TI bieten etwa dieselbe Leistung bei
wesentlich geringerem Stromverbrauch. Außerdem gibt es wesentlich mehr
Möglichkeiten Energie zu sparen. Ich werde in meiner Anwendung von den
geliebten AVRs weggehen und mal die MSPs einsetzen. Mal sehen ob sie
halten, was sie versprechen.

ciao, Stefan.

Autor: m@u (Gast)
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Ich würde die Lösung mit 3 AA Zellen bevorzugen, dem Display einen
Low-Drop-Regler spendieren, und für den uC einen Schaltregler
verwenden. Die Standbyspannung würde ich ungeregelt aus den AA Zellen
beziehen, da der ATmega8L schliesslich auch mit 4,5V läuft.

Autor: Michael (Gast)
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Den ATMEGA 162 und andere der Baureihe arbeiten von 1,8V an. Überleg
mal, ob der MEGA 8 nicht fehl am Platz ist.
Michael

Autor: Peter (Gast)
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An einen Goldcap habe ich noch gar nicht gedacht, die Idee von Stift
klingt nicht schlecht. Ich habe gerade mal versucht, die mögliche
Kapazität bei 3 Volt in uA/Stunde auszurechnen (um festzustellen, wie
lange ein 1 Farad-Goldcap die Schaltung im Powerdown Modus - d.h. 20uA
- versorgen könnte) - aber irgendwie mache ich etwas falsch (die
ermittelten Werte erscheinen mir zu hoch). Kann mir evtl. jemand
aushelfen?

Anderer Prozessor: Ja, grundsätzlich nicht schlecht, nur dumm, dass
schon alles programmiert und fertig aufgebaut ist - da möchte ich nicht
nochmal ran.
Außerdem braucht die Hälfte des Stroms alleine das Display und da nutzt
es nicht viel, wenn ich statt 20mA nur 12 oder 15mA verbrauche.

Vermutlich werde ich wohl oder übel auf die Variante mit 3 Zellen
(=viel Platz) oder auf einen Step-up Regler ausweichen müssen - die
Variante mit der 9V Batterie ist gestorben - die Kapazität ist
tatsächlich einfach zu gering. Ich werde auch mal drüber nachdenken,
wie ich den Stromverbrauch nochmals senken kann - evtl. den Prozessor
langsamer laufen lassen (momentan 8 MHz) und evtl. das Display
schneller abschalten.
Danke
Peter

Autor: Stefan May (Gast)
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Wenn es nicht zu viel Platz sein darf, dann probiere die Variante mit
einer Zelle und einem Step-Up Regler. Du mußt ja nicht unbedingt eine
Mono-Zelle verwenden. Mignon oder Baby tuns auch. Eine Schaltung mit
dem LT1073 stelle ich demnächst ins Wiki, ich kann sie Dir aber auch
vorab schonmal schicken.

ciao, Stefan.

Autor: DerMax (Gast)
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Zur Kapazität eines GoldCap
1F = 1As = 1.000.000 µAs

Damit wäre der Kondensator also nach 50.000s bzw. knapp 14h leer (noch
etwas über 30% Spannung), allerdings müsstes du ja schon nen ganzes
Stück früher nachladen.
Wenn du aber nen Spannungsregler mit nem halbwegs guten Wirkungsgrad
bzw. gar keinen Regler verwendest, weiß ich nich ob sich das lohnt.

Autor: Peter (Gast)
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Ich habe nochmal nachgemessen - die oben genannten Verbrauchswerte
stimmen nicht mehr - die hatte ich im Kopf, waren vielleicht worst case
Annahmen. Bevor jemand nun denkt ein 3310 Display frisst so viel Strom
will ich hier lieber mal den korrekten Stromverbrauch nachreichen:
PowerDown (Display und Prozessor): 0,5 uA
Betrieb (Prozessor AtMega8L auf 8 MHz + 3310 Display): 4,7 mA
Betrieb wie oben zusätzlich noch Piezoalarmgeber aktiv (50% Pulse): 7,5
mA
Das macht den Goldcap ja vielleicht doch wieder interessant. Ich denke
mal drüber nach.
DANKE!
Peter

Autor: AxelR. (Gast)
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Hier ich auch...

Einen (Abwärts)schaltregler bei soo wenig strom macht keinen Sinn.
Aufwärts schon, geht ja nicht anders. aber hier kann man auch auf
Ladungspumpen umsteigen.
Ne im Ernst, die Abwärtswandler haben einen schlechten Wirkungsgrad bei
den kleinen Lastströmen. Einige lassen sich umschalten, erzeugen dann
aber mehr Störungen.
Ich verwende für kleine Spannungen, bis 5,5Votl einen LTC1878 als
Abwärtsregler, für 2,7-3.3Volt. bei -ebenso 1xLiPo- einen MAX1797 als
Stepup für stabile 5Volt.
VieleGrüße
AxelR.

Autor: Mario Schulze (Gast)
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Hi

ich arbeite gerade an einem Projekt mit dem MSP430F149 und einer
SD-Karte. Diese Karte braucht 3,3V aber ich will das Gerät auch so
klein wie möglich machen. Ich habe die Spannungsversorgung über
2xAA-Zellen mit einem MAX856 gelöst. Der liefert bis 1,8V
Eingangsspannung (bzw. sogar nur 1,5V Eingangsspannung - ich lasse die
Eingangsspannung noch über eine Diode als Verpolungsschutz laufen) bis
zu 100mA bei 3,3V am Ausgang. Ich hatte auch noch einen LT1073 getestet
aber der bricht bei 1,8V Eingangsspannung schon bei etwa 50mA mit der
Ausgangsspannung zusammen. Die 1,8V habe ich als niedrigste
Eingangsspannung gewählt, da das Gerät mit Akkus betrieben werden soll
und je Zelle 0,9V die Untergrenze sind, damit ich die Zellen nicht zu
tief entlade. Wenn ich volle Akkus einlege habe ich 2x1,2V also 2,4V
und wenn ich normale Batterien einlege habe ich 2x1,6V also 3,2V. Somit
habe ich mit der Lösung also immer 3,3V mit mind. 100mA. Solange wie ich
die 3,3V nicht brache kann ich dem MAX856 auch abschalten und er läßt
dann die Eingangsspannung direkt zum Ausgang durch.

Gruß
Mario

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