Das Problem ist ja jedem bekannt. Man hat 'ne Batterie (oder halt viele), die am Anfang ja ganz nett Spannung liefern. Und dann altert das Ding und wird verbraucht, und die Spannung sinkt und sinkt. Gut, irgendwann nimmt man das Ding halt einfach als leer, aber bis dahin ändert sich die Spannung je Zelle um gut 0.3 bis 0.5V. Und das noch dazu je nachdem welche Sorte Batterie eingelegt wird. Sofern da nicht überhaupt versucht wird mit Akkus zu arbeiten, was noch 'n ganz anderes Spannungsprofil ergibt. Und das angesichts dessen dass µC und ihre Peripherie eigentlich durchaus gern halbwegs verlässliche Spannungen hätten. Wie macht ihr das?
Verbrauchte Batterien kommen hier in Verbraucher rein, die weniger zickig auf niedrige Spannungen reagieren. Wir haben zum Beispiel eine LED im Hasenstall, damit man im Dunkeln sieht, ob die Hasen drin sitzen oder nicht. Diese LED hat noch keine einzige frische Batterie gesehen, sondern immer die alten bekommen, die z.B. aus den Bergsteigerstirnlampen so anfallen. Da muss die Batterie voll sein und Verlass drauf sein, da kann man nicht mal eben ein Dutzend mitschleppen. Im Hasenstall sind die Teile so lang in Betrieb bis die LED nicht mehr geht. Das ist alle paar Wochen mal der Fall und dann werden neue aus der "Altbatteriekiste" gefischt und mit dem Voltmeter kurz gecheckt und wieder benutzt bis sie platt sind. Und die sind dann auch wirklich platt. Dann braucht man eben fünf Minuten mehr um Batterien zu finden die wieder laufen. Da geht das aber auch, auf dem Berg wird das schwieriger...
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Akku ist bei 1V pro Zelle entladen, Batterie auch fast. Voll sind sie bei 1,5V (Batterie) bzw. 1,4V (Akku). Die Schaltung muss also z.B. zwischen 2V und 3V arbeiten wenn man zwei Zellen nimmt, das schafft ein AVR locker wenn man ihn nicht bei maximalem Takt betreibt. Oder halt 3-4,5V mit drei Zellen, das schafft ein AVR bei 10 MHz. Die restliche Schaltung muss den ganzen Bereich auch können, was aber machbar ist. Ansonsten muss halt ein Spannungsregler her.
Heinz L. schrieb: > Das Problem ist ja jedem bekannt. Mir nicht. > Man hat 'ne Batterie, die am Anfang ja ganz nett Spannung liefern. > Und dann altert das Ding und wird verbraucht, und die Spannung sinkt > und sinkt. Gut, irgendwann nimmt man das Ding halt einfach als leer, > aber bis dahin ändert sich die Spannung je Zelle um gut 0.3 bis 0.5V. Damit muss die versorgte Schaltung eben zurecht kommen. Jedenfalls haben die meisten Schaltungen jahrzentelang so funktioniert, bis irgendeiner die integrierten Dreibeinregler erfunden hat. Die haben sich dann zu einer Art Goldmine entwickelt, weil jeder glaubte, das man sie braucht. > Sofern da nicht überhaupt versucht wird mit Akkus zu arbeiten, was > noch 'n ganz anderes Spannungsprofil ergibt. Ja, weniger Schwankungen der Spannung. > Und das angesichts dessen dass µC und ihre Peripherie eigentlich > durchaus gern halbwegs verlässliche Spannungen hätten. Meistens haben die durchaus eine gewisse Bandbreite der Spannung, in der sie problemlos funktionieren. Gruss Harald
Heinz L. schrieb: > Und das angesichts dessen dass µC und ihre Peripherie eigentlich > durchaus gern halbwegs verlässliche Spannungen hätten Es gibt viele µCs, die einen weiten Spannungsbereich haben. Zum Beispiel der MSP430 von TI funktioniert im Bereich von 1,8V bis 3,6V. Diese können direkt mit der/den Batterie(n) verbunden werden. Spontan fallen mir nur ADCs und DACs ein, die wirklich eine exakte Spannung benötigen. Diese können mit einer externen Referenz betrieben werden. Die Referenz hat dann eine geringe Spannung als die minimale Batteriespannung. Es gibt noch die Möglichkeit, mehrere Batterien in Reihe zu schalten um eine höhere Spannung zu erhalten. Diese Spannung wird dann per Step-Down auf eine geringere (aber stabile) Spannung runter geregelt. Falls man wirklich nur eine "normale" Batterie mit 1,5V verwenden möchten (wegen Platz oder ähnliches), kann man auch einen StepUp verwenden. Es gibt pfiffige Teile, die bis zu einer Eingangsspannung von 0,7V herunter funktionieren.
Ich designe meine Schaltungen vorzugsweise so, dass sie diesen Spannungsabfall tolerieren. Heist z.B.: Dass ich vier Akkus benötige, wenn ich blaue LED's einsetze. Sonst genügen drei Akkus. Und bei Mikrocontrollern nutze ich nicht die maximale Taktfrequenz, die 5V erfordern würde. Wo das nicht geht, verwende ich vier Akkus und einen LDO Spannungsregler auf 3,3 Volt.
Die moderne Technik oder die gute alte Zeit stellt eine Vielzahl an Möglichkeiten zur Verfügung, etwa die Gewinnung von Energie aus dem Vakuum oder der stromlose Genuss von Literatur auf Basis von Pflanzenfasern. Wenn es denn wirklich ein Mikrocontroller mit Batteriebetrieb sein muss, lässt sich ein Schaltregler einsetzen. Diese oft hochintegrierten Schaltungen kommen in vielerlei Topologien daher und können nicht nur als Hochsetz- (niedrige Spannung auf höhere) oder Tiefsetzsteller (hohe Spannung auf niedrigere), sondern sogar als kombinierter Hoch-Tiefsetz-Steller betrieben werden. Letzterer könnte folglich eine Spannung über 3,3V auf 3,3V mit einer Effizienz von >90% herabsetzen und eine Spannung unter 3,3V eben auf 3,3V hochsetzen. Ganz verrückte Hühner unter den Ingenieuren können sogar symmetrische Spannungen etwa zum vollaussteuernden Betrieb von Operationsverstärkern mit Schaltreglern bewerkstelligen. Wenn es kein komplexer Regler mit Unterspannungs- und Überstromabschaltung ist, kann weitere Peripherie wie der Spannungsmonitor vorgeschaltet werden. Das vermeidet eine Tiefentladung. Es spart darüber hinaus 1-2 Euro je Schaltregler. Für geringe Mengen an Platinen rate ich allerdings zum vollständigen Modell von Schaltregler. (Obacht, moderne Bauteile arbeiten mit Schaltfrequenzen >500MHz und kommen oft als TSOP oder noch kleinere Bauform.) Zum Einstieg empfehle ich fertige Module, bspw. die Schaltregler in Buck-Boost-Art von Pololu. Die notwendige Unterspannungsabschaltung kann man mit einem Mikrocontroller-Monitor bewerkstelligen. Dabei schaltet dieser nicht den Reset-Pin, sondern einen P-Kanal-MOSFET/ PNP-Transistor (in Emitterschaltung). Microchip Technology hat eine Serie in 200mV-Schritten (TCM8x), bei ON-Semi ist es die Serie NCP301 uva. Ich persönlich verbaue letztere, sogar als Kaskadierung, um präzise und stromsparende Fensterkomparatoren umzusetzen (Spannungsunterschied Akku/ Batterie, Schaltung mit verschiedenen Leistungsstufen).
Heinz L. schrieb: > Wie macht ihr das? Eine Möglichkeit: Step-Up-Converter verwenden. Es gibt welche, die noch mit 0.7V Eingangsspannung zurechtkommen. Damit lassen sich Primärzellen ganz gut leerlutschen, und man braucht auch nur eine Zelle. Ein Beispiel ist der TPS61220, der braucht als Beschaltung zwei Kondensatoren, eine Drossel und einen Spannungsteiler zum Einstellen der Spannung. Mit den 200 mA, die das Teil liefern kann, lässt sich schon einiges anstellen.
Als Beispiel nenne ich hier mal meine Vaillant Calormatic Heizungssteuerung. Wenn die Batterien langsam ausgehen wird die Heizung auf Vollast geschalten. Sprich wenn's warm wird ist es Zeit die Batterien zu wechseln. Ansonsten kann ich's auch mit dem PC und einem SDR Modul (Software defined Radio) ausschalten mit dem ich die Daten mitgeschnitten habe. Die Kommunikation ist denkbar einfach... schalte ein / schalte aus. Das war's.
Thomas schrieb: > Wenn die Batterien langsam ausgehen wird die Heizung auf Vollast > geschalten. Ja, manche Gerätehersteller gehen da wohl eine eigenartige Allianz mit den Batterieherstellern ein.
Danke für die sehr aufschlussreichen und hilfreichen Antworten! Für meine Applikation wird sich die Methode "Vollgas wenn der Saft ausgeht" eher nicht möglich, die Buck-boost Kombo klingt dafür allerdings sehr interessant. Allerdings ist mein Ziel da mehr das Verständnis als unbedingt gleich morgen eine funktionierende Lösung in der Hand zu haben. Ich bin da mehr jemand der Fraktion "Zünde ein Feuer an und Du wärmst den Menschen für einen Tag, zünde den Menschen an und Du wärmst ihn für den Rest seines Lebens"... oder so ähnlich. Der Weg ist das Ziel. Schließlich ist das hier nicht die Aussenringautobahn am Montag. Ich würd gern verstehen wie sowas funktioniert und wie man das baut. Entsprechend danke für den Hinweis auf die fertigen Module, mich würd allerdings brennend interessieren wie man so etwas selbst fertigt (oder zumindest würd ich gern verstehen WAS ich da dann einbau, ich bin kein Freund von Blackbox und Cargo-cult programming). Hat jemand zu solchen buck-boost Reglern weiterführende Informationen?
Heinz L. schrieb: > Für meine Applikation wird sich die Methode "Vollgas wenn der Saft > ausgeht" eher nicht möglich, die Buck-boost Kombo klingt dafür > allerdings sehr interessant. Nicht wirklich. Clevere Elektroniker wählen die Batterien/Akkus so, daß sie entweder nur runter wandeln müssen (die minimale Spannung aus der Batterie ist noch größer als die gewünschte Betriebsspannung). Oder so daß sie nur raufwandeln müssen. Buck-Boost, Sepic und Co. sind unnötig aufwendig und haben typischerweise einen schlechteren Wirkungsgrad. Ist alles schon mehrfach durchgekaut worden: Versorgung aus einer Zelle
Ja, die Methode mit einer Zelle und StepUp ist schon schön. Entfällt auch der Nachteil eines Akku-Packs (aus mehreren Zellen). Und man muss halt nur hochsetzen. Eventuell noch irgendeinen Überspannungsschutz implementieren, falls jemand auf lustige Ideen kommt. Vielleicht gibt es sowas aber auch als synchronen StepUp mit Überspannungsschutz, der dann im Überspannungsfall gar nicht mehr "nach hinten hin" durchschaltet.
Am Sparsamsten ist es jedoch oft, gar keinen Spannungsregler zu verwenden. Denn dann hast du an dieser Stelle auch keine Verluste. Um 3,3V mit LDO oder Schaltregler geregelt zu bekommen, brauche ich mindestens 3,6V Eingangsspannung. Eine einzelne Lithium Zelle reicht dazu (wenn sie leer ist) nicht aus und drei NiMh Akkus oder gar drei Alkaline Batterien auch nicht. Also brauche ich eine Zelle mehr, nur um die Verluste des Spannungsregler auszugleichen. Dazu kommt noch, dass ich gerne auf Ein/Aus Schalter verzichte. Die Schaltungen sollen sich bei Nichtgebrauch selbst abschalten. Entweder zeitweise oder dauerhaft, bis ich eine Taste drücke. Dazu haben die µC ja den Sleep Modus. Die Stromaufnahme eines Spannungsreglers würde mir dabei den Standby-Stromverbrauch unnötig erhöhen. Also verzichte ich ganz auf Spannungsregler, wenn möglich. Die Vorstellung, dass man immer eine stabilisierte Versorgungsspannung benötigt, stammt aus den 70er - 80er Jahren (TTL Zeit). Ich nutze Spannungsregler nur, wenn ich einen guten Grund dafür habe.
Stefan Us schrieb: > Die Stromaufnahme eines Spannungsreglers würde mir dabei den > Standby-Stromverbrauch unnötig erhöhen Nun, es gibt welche, die kommen mit 1,5µA aus. (Microchip, Maxim)
Das Problem ist halt der ADC. Und dass ich über die Lebensdauer der Batterie trotzdem gleiche Messergebnisse brauche. Hat da jemand Erfahrung wie man das löst? Weil wenn ich an der Spannung der Stromversorgung dreh kommt da sehr schnell mal ganz was anderes raus, was ich ja auch noch nachvollziehen kann. Aber es wär halt wichtig dass von der Batterierestnutzungsdauer unabhängige Werte rauskommen.
Kannst du nicht für den ADC die interne Referenz nehmen? Schwankt die so stark mit der Betriebsspannung?
Heinz L. schrieb: > Das Problem ist halt der ADC. Und dass ich über die Lebensdauer der > Batterie trotzdem gleiche Messergebnisse brauche. Hat da jemand > Erfahrung wie man das löst? Welcher "der ADC"? Für gewöhnlich bekommt ein ADC eine Referenzspannung. Die muß man natürlich stabilisieren. Es ist aber ein wesentlicher Unterschied, ob man nur eine Referenzspannung für einen Strom von i.d.R. ein paar µA stabilisieren muß oder gleich die Betriebsspannung für einige 10 bis 100mA.
Stefan Us schrieb: > Ich designe meine Schaltungen vorzugsweise so, dass sie diesen > Spannungsabfall tolerieren. Das ist absolut sinnvoll bei Betrieb aus Akkus oder Primärelementen, denn es spart den sinnlos verheizten Verlust in irgendeinem vorgeschalteten Spannungsregler. > Heist z.B.: Dass ich vier Akkus benötige, wenn ich blaue LED's einsetze. > Sonst genügen drei Akkus. Das allerdings ist völlig krank, jedenfalls in dieser pauschalisierten Darstellung. Ich kann auch an einem mit 1,8V betriebenen µC noch eine blaue LED zum Leuchten bringen, wenn's denn unbedingt eine blaue sein muss. Man kann es nur nicht ganz so effizient und ganz so einfach tun, als wenn genug Spannung da wäre. Die Frage ist einfach: Wie viele LEDs muß ich betreiben? Ist es wirklich nur diese eine verschissene LED, dann verhilft man eben nur dieser einen LED zu genug Spannung. Das kann der µC mit Hilfe weniger äußerer Bauelemente alleine tun. Das ist vor allem dann sinnvoll, wenn diese blöde blaue LED eigentlich nur dreimal am Tag für eine Sekunde leuchten muss. Steuert man hingegen 20 blaue LEDs an, die obendrein die meiste Zeit leuchten, stellt sich die Frage eigentlich erst garnicht, denn dann ist Betrieb aus chemischen Energiequellen von vornherein ökonomischer Schwachsinn und das ganze Projekt demgemäß eine völlige Fehlkonstruktion...
Boris Ohnsorg schrieb: > Schaltfrequenzen >500MHz kannst du bitte mal ein Beispiel für einen solchen Wandler geben?
Stefan Us schrieb: > Die Vorstellung, dass man immer eine stabilisierte Versorgungsspannung > benötigt, stammt aus den 70er - 80er Jahren (TTL Zeit). Selbst TTLs funktionierten von 4...6V, wenn man auf Normpegel keinen Wert legt. Nur >7V haben sie nicht vertragen.
Heinz L. schrieb: > Das Problem ist halt der ADC. Wieso? Da muss eigentlich nur die Referenzspannung genau stimmen. Und auch das nur, wenn man nicht ratiometrisch, sondern absolut messen will. Ich möchte jetzt behaupten, das in den meisten Multi- metern, die mit 9V-Batterien arbeiten, kein Spannungsregler für die Hauptschaltung verbaut ist.
Georg G. schrieb: >> Schaltfrequenzen >500MHz > > kannst du bitte mal ein Beispiel für einen solchen Wandler geben? Vielleicht meinte er ja >500mHz. Das wird in diesem Forum gern mal verwechselt. :-)
Heinz L. schrieb: > Und das angesichts dessen dass µC und ihre Peripherie eigentlich > durchaus gern halbwegs verlässliche Spannungen hätten. Nö, es gibt weitbreichs-MCs, z.B. der AVR kann an 1,8..5,5V laufen. 3 Zellen mit nominal 4,5V sind bei 1,8V garantiert leer. Und z.B. für konstante LED-Helligkeit oder Motorkraft kann der AVR seine eigene VCC messen und eine PWM entsprechend nachsteuern.
Angehängte Dateien:
Heinz L. schrieb: > Hat jemand zu solchen buck-boost Reglern weiterführende Informationen? Das Bild hatte ich schon mal in einem anderen Thread gepostet - Kosten fuer das Modul ca. 1€ http://www.ebay.com/itm/1pcs-DC-DC-Converter-Step-Up-Module-0-9-5V-5V-600mA-USB-Charger-/400361256193?pt=LH_DefaultDomain_0&hash=item5d3763f501 Laut Datenblatt kann das Modul bei 0.9V noch ca. 20mA liefern...mehr als genug fuer die abgebildete Schaltung...
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