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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Thermostat / Sleep-Mode / Frostschutz


Autor: André Wippich (sefiroth)
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Hallo!

Ich würde mal wieder gerne auf Euren Erfahrungsschatz zurückgreifen ;-)

Ich möchte eine Schaltung bauen, die ein Outdoor-Pumpen-System gegen 
Frostschäden schützen soll. D.h. das System soll sich leerpumpen, sobald 
die Temperatur unter 2°C sinkt, damit das beim Gefrieren sich 
ausdehnende Wasser nicht die Leitungen/Pumpe beschädigt.

Das Problem: Es ist ein System, dass im "Stand-By" auf Batteriebetrieb 
läuft. Daher kann nicht ständig die komplette Hardware auf Full-Power 
laufen und die Temperatur mit 100mA Stromaufnahme überwachen. Und 
genausowenig möchte ich bei jedem Ausschalten der Schaltung das ganze 
System leepumpen (wäre in den meisten Fällen ja unnötiger Stromverbrauch 
und zudem nicht gut für das Gesamtsystem - ohne da zusehr ins Detail 
gehen zu wollen).

Der Idle-Sleep-Mode des Atmel AVR würde es ja ermöglichen, in 
regelmäßigen Abständen aufzuwachen, die Temperatur zu messen (irgendein 
Temp-Sensor) und sich wieder schlafen zu legen. Der Stromverbrauch in 
diesem Sleep Mode ist aber zu hoch...
Es muss also einer der Sleep-Modes werden, wo nur noch ein externer 
Interrupt in der Lage ist den µC zu wecken (wo alle CLKs aber still 
stehen), da dann der Stromverbrauch minimal ist.

Daher suche ich jetzt eine Lösung, für eine Schaltung mit Atmel 
Mikrocontroller, die bei einer festen Temperatur (so bei 1 bis 2°C) aus 
dem Sleep-Mode gerissen wird und insgesamt so gut wie keinen Strom 
verbraucht (1mA wäre schon recht viel...). Außerdem muss sie 
Temperaturen von -20° bis 50° aushalten können (ist halt Outdoor ^_^).

Jetzt habe ich drei Überlegungen, die ich aber noch nicht ins Detail 
durchplanen konnte:
1.) RC-Glied am Interrupt-Pin, dass sich langsam auflädt und so alle 10 
Minuten ein Wake-Up auslöst (zur Messung und danach wieder Sleep)
2.) Ein Bimetall Thermostat, dass bei 2° schaltet (z.B. Farnell Best.Nr. 
732631) und somit einen Interrupt auslöst oder einfach gleich die ganze 
Schaltung bestromt (die Idee ist mir grad erst gekommen ^_^).
3.) Eine IC Lösung, wie z.B. mit dem "DS 1620" (Reichelt). Da kann ich 
per µC einstellen, bei welchen Temperaturen die Ausgänge geschaltet 
werden sollen, das Teil auf "fortlaufende Messung" stellen und den 
Controller schlafen legen. Sind die 2°C erreicht, geht einer der Pins 
auf HIGH und weckt den AVR. Leider verbraucht das gute Stück auch wieder 
1mA.

Habt Ihr da evtl noch weitere Vorschläge oder könnt mir Tipps zu den von 
mir gemachten geben?

Wenn ich dann ne verbrauchsgünstige Lösung habe, wie ich den Controller 
wach bekomme, muss ich mir nur noch Gedanken machen, welchen 
Spannungsregler ich benutze stöhn Ich tendiere grad noch sehr stark 
zum Bimetall Thermostat, dass parallel zum Einschalter liegt und eine 
harte Stromtrennung ermöglicht. Im Betrieb muss die Schaltung nicht 
sonderlich stromsparend sein (geht im Vergleich zum Pumpenstrom unter), 
wobei weniger Verbauch natürlich immer gut ist.

Ich danke Euch schonmal für Eure Hilfe. Gerade bei der Auswahl und 
Anbindung von Sensoren oder Aktoren ist es immer gut, den Rat von 
Außenstehendem zu hören. Finde ich zumindest...

Gruß, André
____________________
http://www.Dark-Sun.de

Autor: Andreas K. (a-k)
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Spendiere dem AVR einen zweiten Takt am asynchronen Timer (Mega8 
aufwärts), der ihn in grösseren Abständen aus dem Tiefschlaf reisst. 
Darin braucht er extrem wenig Strom.

Manche Controller können für sowas auch den Watchdog-Oszillator 
missbrauchen, ich weiss nur grad nicht ob auch die neueren AVRs dazu 
gehören.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ André Wippich (sefiroth)

>läuft. Daher kann nicht ständig die komplette Hardware auf Full-Power
>laufen und die Temperatur mit 100mA Stromaufnahme überwachen. Und

Die Temperatur wird na nicht tierisch schnell sinken. Ein Messung alle 
5..10 min sollte reichen.

>Der Idle-Sleep-Mode des Atmel AVR würde es ja ermöglichen, in
>regelmäßigen Abständen aufzuwachen, die Temperatur zu messen (irgendein
>Temp-Sensor) und sich wieder schlafen zu legen. Der Stromverbrauch in
>diesem Sleep Mode ist aber zu hoch...

Genau. Deshalb nimmt man hier sinnvollerweise den Power-Save Mode und 
betriebt einen 32 kHz Quarz al asynchronen Timer. Der weckt den AVR alle 
2 Sekunden, der zählt für ein paar uS eine Variable hoch, prüft ob das 
Zeitfenster vergangen ist und legt sich wieder schlafen. Verbraucht Pi 
mal Dauem 10uA (MIKROampere).

>verbraucht (1mA wäre schon recht viel...). Außerdem muss sie

STARKSTROM!

>Temperaturen von -20° bis 50° aushalten können (ist halt Outdoor ^_^).

Kein Thema.

>Habt Ihr da evtl noch weitere Vorschläge oder könnt mir Tipps zu den von
>mir gemachten geben?

Siehe ebn.Plus einen Temperatursensor deiner Wahl.

>zum Bimetall Thermostat, dass parallel zum Einschalter liegt und eine

Aua. Das ist für ein Bügeleisen oder Kühlschrank OK, aber nicht hier.

MFg
Falk

Autor: André Wippich (sefiroth)
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Nen Timer an den asynchronen Timer hatte ich auch schon überlegt. aber 
in den Datenblättern von ein zwei Oszillatoren, die ich mir schnell 
rausgesucht hatte stand was von 20mA Stromaufnahme. Da brauche ich ja 
ein Kraftwerk für ;-)

Habt Ihr ein explizites Beispiel was man da nehmen könnte?

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ André Wippich (sefiroth)

>in den Datenblättern von ein zwei Oszillatoren, die ich mir schnell
>rausgesucht hatte stand was von 20mA Stromaufnahme.

Dann hast du dich wohl verlesen.

>Habt Ihr ein explizites Beispiel was man da nehmen könnte?

???
32kHz Uhrenquarz und gut. Dann brauchst du nichtmal einen Quarz für den 
Hauptoszillator, der interne RC-Taktgeber reicht dann.

MFG
Falk

P.S. Ist sicher einen Wiki-Artikel wert. AVR Sleep modes.

Autor: Andreas K. (a-k)
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André Wippich wrote:

> Nen Timer an den asynchronen Timer hatte ich auch schon überlegt. aber
> in den Datenblättern von ein zwei Oszillatoren, die ich mir schnell
> rausgesucht hatte stand was von 20mA Stromaufnahme. Da brauche ich ja
> ein Kraftwerk für ;-)

Du sollt da keine externen Oszillatoren dranhängen, sondern an die 
Oszillatoranschlüsse beispielsweise vom Mega8/Mega88 einen 32KHz 
Uhrenquarz. Den Controller dann so fusen, dass er seinen Haupttakt vom 
internen RC-Oszillator kriegt (das ist die Voreinstellung), und einer 
der Timer von diesem Quarz versorgt wird.

Dann kannst du den Controller in einen Stromsparmodus versetzen, in dem 
nur noch dieser 32KHz-Takt läuft, und mit dem daran angeschlossenen 
Timer den Controller bei Ablauf zu Messung oder weiterzählen aufweckt. 
Der mittlere Stromverbrauch liegt dann im unteren Microampere-Bereich.

EDIT: sind dann ca. 8µA während er im "power save mode" schläft 
(Mega88).

Autor: André Wippich (sefiroth)
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> Dann hast du dich wohl verlesen.

Ja, aber im Atmel Datenblatt ;-) Hatte übersehen, dass ein Quarz 
ausreicht. War irgendwie auf dem Trichter, dass ich ein Taktsignal 
einspeisen muss und daher einen eigenständigen Oszillator brauche (der 
10 bis 20 mA frisst).

Danke Euch! Dann ist mein problem ja (fast) gelöst. Ich werde einfach 
die ganze Peripherie über nen FET abschaltbar gestalten und dann 
zyklisch Messungen durchführen. Jetzt muss ich nur noch nen 
Spannungsregler finden, der mir aus 9 bis 14V (KFZ-Batterie) 5V macht 
ohne dabei selbst Unmengen an Strom zu verbrauchen. Bei nem 7805 helfen 
mir auch die schönsten Stromsparmodi nichts :-)

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ André Wippich (sefiroth)

>Spannungsregler finden, der mir aus 9 bis 14V (KFZ-Batterie) 5V macht
>ohne dabei selbst Unmengen an Strom zu verbrauchen. Bei nem 7805 helfen

Für Extremisten. TPS715 von TI.

MfG
Falk

Autor: André Wippich (sefiroth)
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Echt nettes Teil, schafft aber leider nur 80mA.

Ich glaube aber nicht, dass ich die Schaltung im Betrieb mit allen 
Sensoren/Aktoren und Anziegen auf unter 80mA dimensionieren kann. Die 
Lasten werde schon direkt über die Batteriespannung betrieben, aber es 
sind einfach zuviele Verbraucher da, die stabilisierte 5V brauchen. 
Werde bei Farnell mal schauen müssen, ob ich was mit 100 oder 150mA 
finde. Oder fällt Dir da sofort was für ein?

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ André Wippich (sefiroth)

>Echt nettes Teil, schafft aber leider nur 80mA.

Das reicht doch! Der versorggt nur den uC. Der Rest klassisch über 7805, 
welcher aber im Schlafzustand per FET abgeschaltet ist.

>finde. Oder fällt Dir da sofort was für ein?

LP2951.

MFg
Falk

Autor: André Wippich (sefiroth)
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Ich habe jetzt (endlich) mit dem Schaltplan anfangen können und habe 
jetzt einen besseren Überblick, was überhaupt alles in die Schaltung 
rein soll. 10µA - 20µA Stromaufnahme des AVRs wären sehr gut.

Wenn ich jetzt aber einen externen 32kHz Uhrenquarz für den Timer zum 
Aufwachen benutze, geht (wenn ich es richtig verstehe) die Stromaufnahme 
laut Datenblatt (AT90CAN128 - S.388 - Kap 28.2 - Fig. 28-10) sehr in die 
Höhe. Bei 5V Supply liege ich dann bei 100µA, und das ist ja ein recht 
krasser Wert... Vor allem wollte ich eigentlich (weit) unter 100µA 
bleiben.

Gibt es da eine Möglichkeit den Timer stromsparender anzusteuern? Sonst 
muss ich evtl. doch auf einen Thermoschalter zurückgreifen, der die 
Schaltung mittels Interrupt aus dem Sleep-Modus holt.

DB: http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/...

Autor: AVR und mehr (Gast)
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André Wippich schrieb:

> Bei 5V Supply liege ich dann bei 100µA, und das ist ja ein
> recht krasser Wert...

Ähm... Du hast geschrieben, daß du eine Autobatterie verwenden
möchtest. Deren Selbstentladung ist ERHEBLICH höher als diese
100µA. Die Selbstentladung liegt deutlich im mA-Bereich. Auch
mal etwas mehr Luftfeuchte bringt mehr Entladung zusätzlich als
die 100µA.

MfG:AVR und mehr

Autor: André Wippich (sefiroth)
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Stimmt schon, aber auch wenn die Selbstentalfung im mA Bereich liegt, 
wird die Schaltung die Batterie noch schneller leeren, wenn sie mehr 
Strom zieht. Und Mit der ganzen Peripherie liege ich dann vielleicht bei 
130µA, wobei mehr als die Hälfte nur auf den dusseligen Quarz 
zurückzuführen ist :-)

Gut wäre ein Temperatur Switch, der bei 4 bis 5°C einfach nur einen Pin 
auf HIGH/LOW legt (Open-Source/Drain ist natürlich genausogut), damit 
ich damit den Interrupt auslösen kann.

Oder eine Taktquelle, die mir in großen Abständen einen Impuls und 
Flankenwechsel genereirt, damit ich den Controller aufwachen lassen kann 
und eine Temperaturmessung mit einem seperaten IC durchführen kann (die 
brauchen so max 250µA). Die Zeitabstände können ruhig mehrere Minuten 
sein. Eine Messung alle 5 bis 10 Minuten wäre ideal. Und die Abstände 
müssen auch nicht auf die Sekunde genau sein. Es soll ja nur in 
regelmäßigen Abständen die Temperatur kontrolliert werden.

Wenn es da Applikationen mit Stromaufnahmen von unter 100µA gäbe wäre 
das super. Aber meine Suche hat mir bisher immer nur ICs mit 100µA bis 
1mA Stromaufnahme gebracht :-(

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ André Wippich (sefiroth)

>Stimmt schon, aber auch wenn die Selbstentalfung im mA Bereich liegt,
>wird die Schaltung die Batterie noch schneller leeren, wenn sie mehr
>Strom zieht.

Bitte?
Wenn die Selbstentladung bei angenommenen 1 mA liegt, und dein 
Controller + Gemüse 130uA zieht, sind das gerade mal 13% mehr. Und nun 
rechne mal aus, wie lange eine Batterei mit beispielsweise 10 Ah hält?

10Ah / 1,13mA = 7692 h, das ist fast ein Jahr

Ne grosse Autobatterie hat eher 40Ah und mehr.

>130µA, wobei mehr als die Hälfte nur auf den dusseligen Quarz
>zurückzuführen ist :-)

Bei 3,3V braucht der 32k Quarz nur 10uA. Siehe Sleep Mode.

>Gut wäre ein Temperatur Switch, der bei 4 bis 5°C einfach nur einen Pin
>auf HIGH/LOW legt (Open-Source/Drain ist natürlich genausogut), damit
>ich damit den Interrupt auslösen kann.

Gibt es Dutzenende. Siehe Temperatursensor.

>Oder eine Taktquelle, die mir in großen Abständen einen Impuls und
>Flankenwechsel genereirt, damit ich den Controller aufwachen lassen kann

Siehe Sleep Mode

>Wenn es da Applikationen mit Stromaufnahmen von unter 100µA gäbe wäre
>das super. Aber meine Suche hat mir bisher immer nur ICs mit 100µA bis
>1mA Stromaufnahme gebracht :-(

Bei DER Stromquelle kein Problem.

MFG
Falk

Autor: André Wippich (sefiroth)
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Hmm, ich glaube die 100µA habe ich da falsch herausgelesen... Beim 
IDLE-SleepMode ist aus dem Diagramm "Idle Supply Current vs. Vcc (32kHZ 
Watch Crystal)" ein Strom von 30µA angegeben. Bei "Power Save" sind es 
laut Diagramm nur noch 16µA - allerdings wird da nichts mehr vom 
Watch-Crystal erwähnt. Ich beziehe michjetzt auf die Diagramme in 
Kapitel 28.

Nebenbei noch was anderes:
Ich habe folgenden Oszillator gefunden: SG-3030JF
DB: http://www.farnell.com/datasheets/91189.pdf
Der braucht nur 2µA bei 5V Supply. Dann könnte ich doch den einfach an 
den TOSC1 Pin hängen und alles ist gut, oder?

Autor: André Wippich (sefiroth)
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Falk Brunner wrote:
> Bitte?
> Wenn die Selbstentladung bei angenommenen 1 mA liegt, und dein
> Controller + Gemüse 130uA zieht, sind das gerade mal 13% mehr. Und nun
> rechne mal aus, wie lange eine Batterei mit beispielsweise 10 Ah hält?
>
> 10Ah / 1,13mA = 7692 h, das ist fast ein Jahr
>
> Ne grosse Autobatterie hat eher 40Ah und mehr.

Ok, das hätte ich vielleicht wirklich mal ausrechnen sollen, bevor ich 
hier Panik schiebe :-)

Aber nur für die Theorie - würde der 2µA Uhrenquarz eine Stromersparnis 
bringen?

Autor: lontano (Gast)
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Ok, das hätte ich vielleicht wirklich mal ausrechnen sollen, bevor ich
hier Panik schiebe :-)

Aber nur für die Theorie - würde der 2µA Uhrenquarz eine Stromersparnis
bringen?

---stellen sie sich eine Frage ...schenken sie sich eine Antwort---

Autor: André Wippich (sefiroth)
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???

Autor: Jurij G. (jtr)
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Also eine Autobatterie hat sich nach einigen Monaten so oder so selbst 
entladen, deine paar µA weniger Stromaufnahme sind der Batterie 
vollkommen egal.
Beispiel: Gehen wir davon aus das die Batterie nach 6 Monaten komplett 
tiefentladen ist. Bei 50Ah ergibt das 50/(6*30*24) = 0,0115 also 11,5mA. 
Jetzt überlege mal wieviel du durch 10µA weniger sparen kannst...

Autor: André Wippich (sefiroth)
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Jurij G. wrote:
> Jetzt überlege mal wieviel du durch 10µA weniger sparen kannst...

Ja, das hab ich doch akzeptiert ;-)

Aber es interssiert mich dennoch:
Bringt ein 2µA 32,768 kHz Oszillator am Timer2 TOSC1 Eingang eine 
geringere Stromaufnahme im Vergleich zu einem 32,768 kHz Uhrenquarz an 
TOSC1 & TOSC2? Oder umformuliert, wiviel Strom wird benötigt um den 
Quarz zu nutzen.

Wäre sehr nett, wenn mir das noch jemand kurz beantworten könnte.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ André Wippich (sefiroth)

>Bringt ein 2µA 32,768 kHz Oszillator am Timer2 TOSC1 Eingang eine
>geringere Stromaufnahme im Vergleich zu einem 32,768 kHz Uhrenquarz an
>TOSC1 & TOSC2? Oder umformuliert, wiviel Strom wird benötigt um den
>Quarz zu nutzen.

Wenn du zur Abwechslung mal die geposteten Links lesen würdest, könntest 
du die Frage recht leicht beantworten.

Siehe Sleep Mode

>Wäre sehr nett, wenn mir das noch jemand kurz beantworten könnte.

Wäre nett wenn du mal lesen würdest.

MFG
Falk

Autor: André Wippich (sefiroth)
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Den Artikel habe ich mir durchgelesen. Allso bitte nicht gleich böse 
werden...

In dem Artikel wird aber doch nur beschrieben, wie man es mit einer RTC 
(übrigens ein sehr nettes Bauteil!) und dem tiefsten Power Down Mode 
extrem stromsparend realisieren kann. Meine Frage zielte aber mehr 
darauf welche Änderung sich ergeben würde, wenn ich im Power Save Modus 
eine andere Taktquelle verwende (auch wenn die Lösung mit der RTC besser 
ist).

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  André Wippich (sefiroth)

>Den Artikel habe ich mir durchgelesen. Allso bitte nicht gleich böse
>werden...

Glaub ich nicht. Dort gibts eine sehr grosse Tabelle, wo der 
Stromverbrauch im Power Save Modus mit 32 kHz Quarz drinsteht.

MFG
Falk

Autor: André Wippich (sefiroth)
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Jaaa, aber es steht da nicht drin wieviel Strom gezogen wird wenn ich 
KEINEN Quarz verwende, sondern ein externes Taktsignal.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  André Wippich (sefiroth)

>Jaaa, aber es steht da nicht drin wieviel Strom gezogen wird wenn ich
>KEINEN Quarz verwende, sondern ein externes Taktsignal.

Ach soooo. Hab ich wohl ein weing überlesen. :-0 Entschuldigung.
Offiziell wird das von Atmel nicht empfohlen, siehe Datenblatt. Besser 
ist das zyklische Aufwecken aus dem Power Down Modus. Siehe Artikel.

MFG
Falk

Autor: André Wippich (sefiroth)
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Jo kein Ding ;-)

Ich glaube ich versuche es gleich mit dem DS1371. Ist an sich nicht 
nötig, aber auf die 2 Euro kommts nicht drauf anund man will sich ja 
auch weiterbilden...

Autor: AVR und mehr (Gast)
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Falk Brunner schrieb:

> 10Ah / 1,13mA = 7692 h, das ist fast ein Jahr
>
> Ne grosse Autobatterie hat eher 40Ah und mehr.

Wollen wir ihm jetzt auch noch verraten, daß er sich seine Autobatterie
einfach kaputtsteht - egal, ob die Schaltung angeschlossen ist oder ob
die Batterie nur so rumsteht? ;-)

Gerade Autobatterien brauchen Ströme (und keine Stömlingchen), um eine
Sulfatierung der Platten zu verhindern. Eine Autobatterie braucht immer
mal wieder einen Entladestrom im A-Bereich und natürlich ebenso eine
Ladung im A-Bereich. Diese Reglung könnte der Microcontroller sicher
auch mit erledigen: 1x im Monat schaltet er zunächst z.B. eine KFZ-
Scheinwerfer-Glühlampe für 2h an, wieder ab, und anschließend aktiviert
er das Ladegerät, welches er bei erreichen der Ladeschlußspannung wieder
abschaltet. :-)

MfG:AVR und mehr

Autor: André Wippich (sefiroth)
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Ok, wird berücksichtigt :-)

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ AVR und mehr (Gast)

>Wollen wir ihm jetzt auch noch verraten, daß er sich seine Autobatterie
>einfach kaputtsteht - egal, ob die Schaltung angeschlossen ist oder ob
>die Batterie nur so rumsteht? ;-)

Psssst. Die Industrie braucht doch Umsatz ;-)

Aber wie ist das mit den Bleigel Akkus? Die sind doch auch für 
Alarmanlagen etc. geeignet, wo sie lange als Backup funktionieren 
müssen.

MFG
Falk

Autor: André Wippich (sefiroth)
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Muss ich mir eigentlich beim Pull-Up am Reset-Pin Gedanken machen? Gilt 
für den Reset auch das maximale Leakage von 1µA wie bei den IO Pins? 
Nicht dass mir da über denn Reset Pin Starkströme in den AVR fließen :-)

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ André Wippich (sefiroth)

>Muss ich mir eigentlich beim Pull-Up am Reset-Pin Gedanken machen?

Nicht kleiner als 10K. Braucht man allerdings nicht mehr wirklich, der 
eingebaute reicht meist.

>Nicht dass mir da über denn Reset Pin Starkströme in den AVR fließen :-)

Keine Bange, das passt schon.

MFG
Falk

Autor: AVR und mehr (Gast)
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Falk Brunner schrieb:

> Aber wie ist das mit den Bleigel Akkus? Die sind doch auch für
> Alarmanlagen etc. geeignet, wo sie lange als Backup funktionieren
> müssen.

Die Blei-/Bleigel-/...-Akkus für Alarmanlagen, Baustellenleuchten, USV
etc. sind für wesentliche geringere Ströme ausgelegt, haben somit einen
deutlich höheren Innenwiderstand. Die Selbstentladdung ist nicht ganz
so groß wie bei den Autobatterien, aber immer noch deutlich. Aber sie
werden ja ständig auf voller Ladung gehalten, sie entladen sich ja nur
bei Stromausfall, wenn sie die Zeit des Stromausfalls brücken. Und je
nach Auslegung ges Gerätes entladen sie gelegentlich den Akku und laden
ihn dann wieder.

Für den OP wäre darüber nachzudenken, ober er nicht lieber einen kleinen
Bleiakku nimmt, bei dem er für regelmäßiges Nachladen sorgt.

MfG:AVR und mehr

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