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Batteriewächter

2022-07-13T20:10:04Z

An ja: Temperaturkompensation mit NTC

''von Anja''

{{Wettbewerb Header}}

[[Bild:BMON_1048_3_IMG0982w.JPG|thumb|300px|Batteriewächter]]
'''Eigenschaften'''
* Schaltausgang zum Abschalten der Last bei Unterspannung
* Mikroprozessordesign mit PIC18F2520
* Geringer Stromverbrauch typ. 10µA
* Geringe Mindestspannung typ. 2.5V
* Optional bestückbares Ladeteil mit L200
* Breiter Einsatzbereich von 4-12 NiMH Zellen oder 6-12V Bleiakkus
* Leiterplatte angepasst für Frontplatte eines EG2-Aluminiumgehäuses (ProMa)

'''Anwendungen'''
* Batteriemanagement
* Aus Messwert gespeistes Panelmeter

== Vorgeschichte ==

Eigentlich wollte ich nur eine einfache Anzeige für meine, per Akku gespeisten Referenzen: wann müssen die 9V-Blocks wieder ans Ladegerät. Ein einfaches Drehspulinstrument hätte es getan. Allerdings brauchen diese relativ viel Strom im Verhältnis zu einer ISL21009. Und bei einer Empfindlichkeit von 100µA sind sie auch nicht ganz billig.

Die nächste Idee: Eine low power Referenz und ein Komparator (oder gleich einen ICL7665). Nur: Was dann als Anzeige nehmen? Selbst eine low current LED braucht einige 100µA für die Anzeige.

Alternative Anzeigen wären eine einfache LCD Balkenanzeige wie im Handy. Diese sind allerdings nicht im DIP 8 Gehäuse erhältlich. Als Alternative bleiben eigentlich nur passive LC-Anzeigen mit 2-4 Digits.

Das Ganze zu takten war die nächste Idee. Also wie beim Rauchmelder nur kurze Mess- und Anzeigephasen um Strom zu sparen.

In der Zwischenzeit waren auch Referenzen im Programm, die eine Mindestspannung von 9V oder 14V benötigen. Die Anzahl der Zellen (8-12) ist also so gewachsen, dass die 16V des ICL7665 oder gängiger CMOS Logik nicht mehr ausreichen.

Schön wäre auch eine "richtige" Spannungsanzeige - also muss ein Prozessor her. Nachdem auch die ersten 9V-Blocks Schwächen wegen Tiefentladung zeigten, sollte das Ganze auch einen Unterspannungsschutz haben.

Zum damaligen Zeitpunkt gab es nur wenige Spannungsregler mit Eingangsspannungen bis 20 oder 25V und Eigenstromverbrauch unter 20µA. Und die auch nur von Farnell, also für Privat quasi unobtanium.

Eine Idee hatte ich schon länger um z.B. Uhrenchips im 12V-System zu betreiben: Ein normaler Sperrschicht-FET hat eine negative UGS-Spannung. Wenn man das Gate also an Masse anschließt müsste am Source eine halbwegs stabile Backup-Spannung übrig bleiben. Und das auch noch ohne dass der Spannungsregler einen nennenswerten Strom braucht.

Der Ehrgeiz war geweckt, es müsste doch möglich sein einen prozessorgesteuerten Komparator mit Spannungsanzeige bei unter 20µA Stromverbrauch und mit Versorgung direkt aus der Batterie im Bereich 5-20V zu entwickeln...

== Blockschaltbild ==

[[Bild:BMON_1048_BLOCK.PNG|thumb|right|350px|BMON148 - Blockschaltbild]]

Die Schaltung auf der Leiterplatte umfasst ein einfaches Ladeteil mit L200. Die Speisung erfolgt mit einem externen 24V Steckernetzteil. Ein Low-Power Spannungsregler erzeugt die VCC-Versorgung für den Prozessorteil. Der Prozessor misst die Akkuspannung sowie den Ladestrom und erzeugt das Steuersignal für die Endstufe. Auf dem Display werden die Akkuspannung sowie der Ladestrom angezeigt. Der Taster dient zum Ein-/Ausschalten der Last. Da der Leistungsteil je nach Last sehr unterschiedlich sein kann (z.B. BTS555 für Hochstromanwendungen), ist er außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Als Schaltungsbeispiel wird eine Endstufe mit LT1763 gezeigt.

=== Ladeteil ===

[[Bild:BMON_1048_L200.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Ladeteil]]

Das Ladeteil ist eine Standardapplikation mit L200, ergänzt um einen Spannungsausgang für die Strommessung.
Die maximale Ladespannung wird mittels Spannungsteiler R12 zu R11 eingestellt. R13 ist parallel zu R12 und wird für den Feinabgleich der Ausgangsspannung verwendet. Auf der Leiterplatte sind die Widerstände wahlweise als SMD (R11..R13) oder bedrahtet (R11A..R13A) bestückbar. R11A ist mit 820 Ohm bestückt. R12A mit 4K7 parallel zu R13A mit 130k ergibt 4K54. Die Ausgangsspannung von 18.1 V ergibt sich aus der Referenzspannung von 2.77V des L200 * (1 + 4540R/820R). R14 begrenzt den Strom auf ca. 200 mA (0.45V / 2R2).
Diode D2 verhindert ein Entladen des Akkus wenn das Steckernetzteil nicht angeschlossen ist. D3 dient als Verpolschutz.
Die Schaltung um U3 verstärkt die Spannung über dem Strombegrenzungswiderstand. Es muss zwingend ein OP verwendet werden dessen common mode input range an die positive Versorgung reicht. Bei einem TL062 ist dies bei normalen Raumtemperaturen gegeben. Die Spannung über R14 wird im Verhältnis R16/R15 = 2.32 fach verstärkt. Bei 200mA, also 450mV am Strombegrenzungswiderstand, ergibt sich für den ADC-Eingang eine Spannung von 1.04V über R16.
L1, L2 sowie C15-C19 bilden ein optional bestückbares EMV-Filter. C18+C19 filtern hierbei die Störungen über einen M3 Distanzbolzen auf das Aluminiumgehäuse.

=== Spannungsregler ===

[[Bild:BMON_1048_VCC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Spannungsregler BF245C]]

Es gibt 3 alternative Bestückungsvarianten:

U5 ist ein low power Spannungsregler XC6216 von Torex. An Ein- und Ausgang werden 1µF Kondensatoren benötigt. Der Ruhestromverbrauch ist mit 5µA im Datenblatt angegeben.

Da mir das vieeel zu hoch ist, habe ich einen Sperrschicht-FET als Spannungsregler verwendet. Ein BF245C hat bei kleinen Strömen je nach Exemplarstreuung eine Gate/Source Spannung von -3.2 .. -7.5 V zwischen Gate und Source.
Wenn man jetzt das Gate auf Masse legt, und an Drain die ungeregelte Eingangsspannung, bleibt am Source eine Ausgangsspannung von +3.2 bis 7.5V.
Da der nachgeschaltete Prozessor maximal 5.5V Spannung verträgt müssen die FETs selektiert werden. Bei der maximalen Eingangsspannung und minimaler Last (also nur die 10 Meg-Ohm des Messinstrumentes) dürfen die 5.5V nicht überschritten werden. Bei der typischen Last von 10µA, entsprechend 330K, sollten mindestens ca. 3.8V als minimale Spannung übrig bleiben.

Beim Austesten auf dem Steckbrett habe ich herausgefunden, dass der FET relativ empfindlich auf Störimpulse reagiert und teilweise hierdurch auch hohe Spannungen an den Ausgang durchlässt. Abhilfe schaffen Abblockkondensatoren an Ein- und Ausgang. Im Gegensatz zum XC6216 reichen für den FET normale 100nF Abblockkondensatoren. Die Diode D1 dient als Verpolschutz. R2 begrenzt beim FET schnelle Spannungsanstiege sowie den Maximalstrom. Das Austesten auf dem Steckbrett sollte mit den Abblock-Cs und der Schutzbeschaltung erfolgen.

Von 10 getesteten FETs hatten alle eine maximale Spannung im Bereich 4.57 bis 4.80 V bei 25V Eingangsspannung. Bei Belastung mit 1K-Ohm und 9V Eingangsspannung habe ich 2.61V bis 2.77V gemessen. Der Regler hat also ausreichend Reserven. Die Mühe des Selektierens wird belohnt durch einen Stromverbrauch von nicht messbaren wenigen nA für den Spannungsregler.

R2 sollte bei Verwendung des XC6216 durch einen 0 Ohm Widerstand ersetzt werden. Allerdings habe ich diese Schaltungsvariante noch nicht getestet.

Eine weitere Möglichkeit ist die Bestückung eines BF545C (= SMD-Version des BF245C im SOT-23 Gehäuse) an der Position des Spannungsreglers U5. In diesem Fall ist Source und Drain des FETs vertauscht. Da der Chip des FET jedoch symmetrisch aufgebaut ist funktioniert er unabhängig von der Polarität von Source und Drain. Siehe auch Abschnitt Nachtrag.

=== Prozessorteil ===

[[Bild:BMON_1048_PIC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Prozessorteil]]

Als Prozessor wird ein PIC18F2520 verwendet. Es ist quasi der low power Nachfolger eines PIC16F876. Der Strom mit internem Oszillator beträgt ca. 1mA. Um den Stromverbrauch zu reduzieren, ist der Prozessor hauptsächlich im sleep mode und wird nur alle 16ms aufgeweckt, um die Flanken für die Wechselspannung von 30Hz für die passive LC-Anzeige zu generieren, die auch die meisten Pins benötigt. C4 mit 10µF puffert kurze Stromspitzen in der Aufwachphase. C7 mindert EMV-Störungen.

Die Batteriespannung wird über Spannungsteiler R4/R5 an Pin RA2 gemessen. U2 sorgt mit R3 für eine stabile Referenz von 1.235V auch bei schwankenden Versorgungsspannungen. Kurzzeitig werden für den Referenzeingang bis zu 150µA und für die Referenzdiode bis zu 20µA benötigt. Da kein Abblockkondensator an der Referenz verwendet wird, ist R3 relativ niederohmig dimensioniert.

Die Stromsparfunktionen werden alle mit PIN RA1 gesteuert. Die Auswertung der Eingänge erfolgt nur ein Mal je Sekunde. Dies betrifft R3 als Versorgung für die Referenzdiode sowie R6 als pull up Widerstand für den Taster. Über T2 wird der Spannungsteiler für die Batteriespannung stromlos geschaltet. Der BSS138 ist ein FET mit geringer UGS threshold voltage von max. 1.5V. Er begrenzt also am Source die Drain-Spannung auf VCC-1.5V. Da die Referenzspannung 1.2V beträgt, ergibt sich durch den FET bei einer Versorgungsspannung bis herab zu 2.7V noch keine Begrenzung des Messbereichs für die Batteriespannung von bis zu 25.5V.

Der Ladestrom wird über Analogeingang RA0 gemessen.

Mit der gewählten Dimensionierung für R4/R5 ergibt sich ein Messbereich von 25.5V für die Batteriespannung. Der Strombereich ist für ca. 240mA ausgelegt.

An Pin RB6 wird schließlich das Schaltsignal für die Endstufe erzeugt.

=== Bedienteil ===

[[Bild:BMON_1048_HMI.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Bedienteil]]

Aus Platzgründen (Frontplatte des EG2-Gehäuses von ProMa) konnte leider nur ein 2-stelliges LC-Display verwendet werden. Um dennoch Spannungen größer 9.9V darstellen zu können, wird der führende Dezimalpunkt als Zehner-Stelle verwendet. Ab 20.0V fängt dann der Dezimalpunkt an zu blinken. Bei Verwendung eines 3 oder 4-stelligen Displays würde man anstelle des führenden Dezimalpunktes beide Segmente für die führende "1" anschließen.
Der Kondensator C5 hält Gleichspannungssignale vom Display fern. Dies ist insbesonders nützlich beim Flashen bzw. in der Debugging Phase.

J1 ist die Verbindung zur Mutterplatine. Dort kann noch ein zweiter Taster parallel zum Taster auf der Frontplatte angeschlossen werden. R7 dient als Kurzschlußschutz bzw. zur Stromreduzierung des Schaltsignals.

=== Endstufe ===

[[Bild:BMON_1048_POWER.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Endstufe LT1763]]

Die Endstufe ist außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Damit ergibt sich maximale Flexibilität von wenigen mA bis zu mehreren Ampere über einen BSS138 Treiber mit BTS555 Endstufe. Der Anschluss an die BMON1048 Leiterplatte erfolgt über Buchsenleisten auf der Leiterplatte mit der Endstufe. Die Stecker für den Ladeteil und den Prozessorteil sind getrennt ausgeführt. Damit können die Messleitungen direkt am Batteriepack angeschlossen werden (4-Leiter Anschluss). Übergangswiderstände am Stecker und der Leitungen haben dann weniger Einfluss auf die Messung.

Hier ist ein Beispiel für eine Endstufe mit LT1763 für maximal 20V Ladeendspannung gezeigt. Im ausgeschalteten Zustand verbraucht der Spannungsregler weniger als 1µA zusätzlich. Der Ruhestrom mit 30µA ist ebenfalls ein guter Wert. C10 ist vorzugsweise ein Folienkondensator (geringer Mikrofonieeffekt) zur Rauschunterdrückung. Die Ausgangsspannung wird mit R11+R12 auf 14.0 V eingestellt.

== Software ==

Die Software hat folgende Funktionen:

* Messen der Spannung und des Stroms linksbündig als 10 Bit Wert
* Verrechnung eines Korrekturfaktors aus EEPROM für Feinabgleich
* Anzeige der Spannung auf Display
* Als Timer dient der Watchdog mit 16ms Periode
* Die 30 Hz Wechselspannung für das Display wird hieraus abgeleitet
* Im Ladebetrieb erfolgt die Anzeige des Stroms im Wechsel mit der Spannung
* Unterhalb 1.15V/Zelle abschalten der Last (Spannungsanzeige blinkt)
* Oberhalb 1.25V/Zelle wiedereinschalten der Last
* Bei Tastendruck länger als 5 Sekunden wird die Last manuell ein-/ausgeschaltet
* Bei Spannungseinbruch > 0.6V/Minute wird ebenfalls abgeschaltet
* Alle Parameter wie Zellenzahl + Hysterese sind im Header konfigurierbar

<syntaxhighlight lang="c">
#define Cells 12 ; # number of cells
#define mV * 256 * 51/1051/1235 ; 25,6V * 5K1/(100K+5K1)/VRef
#define VOn Cells * 1250 mV ; high hysteresis
#define VOff Cells * 1150 mV ; low hysteresis
#define VOLT_SEC 10 ; check every 10 seconds
#define VDIFF 600 mV ; voltage drop / minute
#define mA * 1 ; 1 mA / count
#define CURR_MIN 10 mA ; min current to display
</syntaxhighlight>

Die Software ist mit MPASM 5.40 (MPLAB 8.70) erstellt. Die Bit-Schubsereien für das Display werden mit Tabellen in Page 0 für alle 3 Ports A-C und die Digits 1-2 abgehandelt.

Bei der Initialisierung wird erst die Hardware initialisiert und danach alle Variablen einschließlich der Kalibrierparameter die aus dem EEPROM gelesen werden. Die Kalibrierfaktoren sind im 2er Komplement als 16 Bit signed Wert gespeichert. Ein Abgleich von +/- 50% entspricht +/-32768 als Wert.

Die meiste Zeit verbringt der Prozessor im sleep mode. Alle 16 ms weckt der Watchdog den Prozessor auf, um die Pins für die Anzeige zu invertieren. Jede Sekunde finden zusätzlich noch Messfunktionen, einschließlich update der Anzeige sowie die Tastenabfrage statt.
Um Zeit (und damit Strom) zu sparen, wird die Wartezeit aufs ADC-Ergebnis genutzt, um eine Tastenentprellung bzw. die Vorverarbeitung der Spannungsmessung während der Strommessung durchzuführen.
Alle 10 Sekunden wird das High-Byte des Spannungswertes in einen Ringpuffer mit 6 Einträgen für die vergangene Minute eingetragen. Dies dient unterhalb der Einschaltschwelle zum Detektieren eines plötzlichen Spannungsabfalls falls eine Zelle schneller entladen ist, als die übrigen im Pack.

== Aufbau ==

<gallery>
Bild:Loetseite_IMG0964W.JPG|BMON1048 - Lötseite
Bild:BMON1048_BS_IMG0968W.JPG|Bestückungsseite
Bild:BMON1048_BST_LS.PNG|Position LS
Bild:BMON1048_BST_BS.PNG|Position BS
</gallery>

=== Lötseite ===

Die Leiterplatte ist doppelseitig. Die meisten Durchkontaktierungen liegen auf bedrahteten Bauelementen so dass eine durchkontaktierte Leiterplatte nicht zwingend nötig ist. Die drei Durchkontaktierungen im Bereich des Programmiersteckers können auch mit Kupferhohlnieten oder einer Drahtbrücke bestückt werden.

Am besten beginnt man nach Durchkontaktieren mit der Bestückung auf der Lötseite. C18, C19 sowie U5 sind im Muster nicht bestückt.

=== Bestückungsseite ===

Auf der Bestückungsseite werden zuerst die Bauteile unter dem Display, sowie die Widerstände unter dem L200 bestückt. Einige bedrahtete Bauteile müssen auf beiden Seiten der Platine verlötet werden, falls keine durchkontaktierte Leiterplatte verwendet wird.

Die Ladebuchse ist auf die Leiterplatte aufgesetzt. Die Anschlüsse werden mit Silberdraht verlängert. Mit dem Verlöten des Silberdrahtes sollte man, wie beim L200, so lange warten, bis die Frontplatte montiert ist.
In den Layoutdaten ist auch ein Layer für die Frontplatte enthalten, der als Bohrhilfe verwendet werden kann.

Der L200 ist über Kopf bestückt, die Anschlussdrähte also gegenüber dem stehenden Einbau auf die andere Seite abgewinkelt. Bei Verwendung von 10mm Distanzbolzen muss als Isolierung mindestens eine 1.5 mm Aluminiumoxidscheibe verwendet werden, damit sich die Pins des L200 im montierten Zustand verlöten lassen. Die Frontplatte des EG2-Gehäuses dient hiermit gleichzeitig als Kühlfläche.

C12 muss liegend montiert werden.

Für das Display verwende ich eine 18-polige Präzisionsfassung, die mit dem Seitenschneider auseinander geschnitten wird. Verlöten geht am einfachsten wenn das Display bereits in die Fassung gesteckt ist. Die beiden Pins 1 + 18 für die Backplane sind auf der Leiterplattenoberseite verbunden (Lötung unter der Fassung nicht vergessen).

Der Taster ist eine Ausführung mit langem Stößel, wenn die Bedienung ohne Hilfswerkzeug möglich sein soll.

=== Montagedetail L200 ===

[[Bild:BMON1048_L200_IMG0981W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - L200 Montage]]

Montagedetail L200:

* M3 Schraube
* Frontplatte
* Aluminiumoxidscheibe (AOS220 - 1.5mm)
* L200
* Isolierbuchse
* Unterlegscheibe (fehlt im Bild)
* M3 Mutter

=== Frontansichten ===

* Ansicht montiert mit Spannungsanzeige 16.7V
* Ansicht Ladebetrieb mit Stromanzeige 188mA

<gallery>
Bild:BMON1048_Spannung_IMG0965W.JPG|Spannungsanzeige
Bild:BMON1048_Strom_IMG0966W.JPG|Stromanzeige
</gallery>

== Inbetriebnahme und Abgleich ==

Der Ladeteil und der Batteriewächter können, auf Grund der getrennten Steckverbinder, unabhängig voneinander in Betrieb genommen werden.

=== Ladeteil ===

An einem strombegrenzten Netzteil (ca. 20-100mA) wird die Spannung an der Ladebuchse langsam von 0V an erhöht und die Stromaufnahme gemessen. Der Eigenverbrauch des L200 liegt bei ca. 10mA. Dieser Wert darf nicht wesentlich überschritten werden. Ist alles in Ordnung dreht man die Spannung langsam auf 24V. Die Ausgangsspannung des L200 sollte vor der Verpolschutzdiode D2 gemessen ca. 18.1V sein. Falls nicht, kann man durch Feinabgleich des Widerstandes R13 noch etwas korrigieren.
Danach einen Akkusatz anschließen und die Strombegrenzung des Netzteils langsam auf ca. 250mA-300mA drehen. Der Strom in den Akku sollte durch den L200 auf ca. 200 mA begrenzt werden.
Bei vollgeladenem Akku sollte der Strom unter C/50 besser C/100 (also 20-40 mA) zurückgehen. Gegebenenfalls ist die Ladeendspannung etwas zu reduzieren.

=== Prozessorteil ===

Zunächst wird der Prozessor mit einem Programmiergerät geflasht. Bei Verwendung des FET-Spannungsreglers darauf achten, dass die Spannungsversorgung für den Prozessor vom Programmiergerät (z.B. PICKIT3) zur Verfügung gestellt wird.
Hierbei darauf achten, dass die nominalen Kalibrierwerte im EEPROM nicht zu weit von den Defaultwerten abweichen.
Bei der Spannung ist der Defaultwert = 0x00, 0x00 (= Faktor 1.0 bzw. 0% Korrektur)
Beim Strom ist die Verstärkung nicht ganz auf einen Strom-Endwert von 255mA ausgelegt, sondern etwa 5 Prozent tiefer. Der nominale Kalibrierwert für den Strom beträgt daher 0xF3, 0x1B (= Faktor 0.94963 bzw. -5.04%).

Nach dem Flashen wird an die beiden mittleren Pins von J1 eine Spannung von ca. 5V angeschlossen. Ist alles ok, sollte das Display die Spannung blinkend anzeigen. Der Ausgang J1 PIN 1 weist hierbei Low-Pegel auf. Die Spannung wird langsam auf ca. 20V (max. 25V) erhöht und die prozentuale Abweichung zwischen Sollwert und Anzeige berechnet. Ab ca. 15.0 V verschwindet das Blinken und der Ausgang wechselt auf High-Pegel (>2.4V). Unterhalb ca. 13.8V wird die Last wieder abgeschaltet und das Display blinkt wieder.
Danach wird ein Akku (15-17V) an Prozessorteil und Ladeteil angeschlossen. Über ein strombegrenztes Netzteil werden ca. 180mA Ladestrom in den Akku eingestellt. Die Anzeige zeigt jetzt im Wechsel die Akkuspannung und den Ladestrom an. Wiederum wird die prozentuale Abweichung vom tatsächlichen Ladestrom berechnet.
Die prozentualen Abweichungen werden auf die existierenden Kalibrierwerte multipliziert und dann nach einem MPASM-Lauf ins EEPROM geschrieben. Bei Verwendung von MPLAB darauf achten dass im "Release" Modus und nicht im "Debug" Modus gearbeitet wird.

Danach ist der Batteriewächter einsatzbereit.

== Praxis und Ideen ==

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|BMON1035 Stromverbrauch 9.7µA bei 9.3V]]

Anbei ein Aufbau einer Vorgängerversion ohne Ladestrommessung (BMON1035) mit einem Stromverbrauch um 9.7 µA (schwankend) bei einem frisch aufgeladenen Akku mit 9.3V. An einem BMON1048 mit Strommessung habe ich 10-12µA gemessen. Wobei der Stromverbrauch auch von der tatsächlichen Versorgungsspannung des Prozessors abhängt.

Ich habe zwei Schaltungen mit ca. 30 mA Last seit 2.5 Jahren im Dauerbetrieb mit je 12 AA-Zellen und täglichem Ladebetrieb. Der erste Akkusatz zeigt seit letztem Sommer (bis zu 32 Grad Raumtemperatur während dem Laden) einen erhöhten Innenwiderstand. Der Ladestrom bei vollem Akku lag hierbei bei erhöhter Temperatur bei 60-70mA.

Die Spannungsdifferenz beim Einstecken / Entfernen des Ladegerätes ist bei diesem Akkusatz ca. 1V. Bei niedrigen Spannungen unter 15V und kurzem Ladebetrieb wird hierdurch die Last ungewollt abgeworfen. Das Kriterium 0.6V Abfall innerhalb einer Minute wird überschritten.
Der andere Akkusatz liegt immer noch bei 0.2V Differenz zwischen Normal und Ladebetrieb.

Ganz oben auf der Wunschliste steht der vereinfachte Abgleich der Kalibrierwerte im EEPROM. Denkbar wäre irgendein Morsecode über den Taster oder ein Jumper an einem freien Pin, um den Abgleich bei angelegten Referenzwerten zu starten.

Freier Speicherplatz ist jedenfalls genügend vorhanden. Wobei Sonderfunktionen nur selten gerechnet werden sollten, um den Stromverbrauch nicht zu stark zu erhöhen.

Die führende "1" wird derzeit wegen des 2-stelligen Displays als Dezimalpunkt angezeigt. Bei einem 3-stelligen Display würde man anstelle des Dezimalpunktes die beiden Segmente "b" und "c" für die "1" parallel ansteuern.

Ideen:
* Temperaturkompensation der End-Ladespannung mittels NTC / Dioden
* Alternativ: Abschaltung des Ladezweigs per Prozessor-Pin, wenn der Ladestrom bei der Endspannung eingeschwungen ist
* Lernfunktion Berücksichtigung Spannungsdifferenz bei Ladebetrieb für Abschaltkriterium
* Automatisiertes Speichern der Abgleichwerte im EEPROM

Anpassung an andere Zellenzahlen:

:{| class="wikitable"
|+ '''Ladeteil L200'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R13 || UE,min || UE,nom
|-
| 4 || 6.5 || 2K2 || 2K2 || 10.2V || 12V
|-
| 5 || 7.95 || 2K2 || 5K1 || 11.7V || 13V
|-
| 6 || 9.4 || 2K2 || 18K || 13.1V || 15V
|-
| 7 || 10.85 || 2K4 || --- || 14.6V || 16V
|-
| 8 || 12.3 || 3K0 || 47K || 16.0V || 18V
|-
| 10 || 15.2 || 3K9 || 68K || 18.9V || 20V
|-
| 12 || 18.1 || 4K7 || 130K || 21.8V || 24V
|}

Die minimale Netzteilspannung UE,min gilt für den worst case. In der Praxis hat man hierbei ca 0.5V Reserve.

:{| class="wikitable"
|+ '''Lastregler LT1763 (Ausserhalb Leiterplatte)'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R11
|-
| 5 || 5.1 || 4K7 || 15K
|-
| 6 || 6.0 || 10K || 39K
|-
| 7 || 8.0 || 2K7 || 15K
|-
| 8 || 9.35 || 3K3 || 22K
|-
| 10 || 11.5 || 3K9 || 33K
|-
| 12 || 12.0 || 2K7 || 24K
|-
| 12 || 14.0 || 6K49 || 68K
|}

== Nachtrag ==

[[Bild:BMON1048_BF545C.JPG|thumb|300px|BMON1035 Bestückungsvariante mit BF545C]]

Da der BF245C in der Zwischenzeit nicht mehr hergestellt wird und nur noch in Restbeständen im Handel ist, wird hier eine Bestückungsvariante mit der SMD-Version des BF245C gezeigt. Die SMD-Version heißt BF545C und ist z.B. bei Reichelt, DigiKey, RS-Components oder Farnell erhältlich. Im Bild ist die Bestückung an der Position von U5 gezeigt.
Der FET sitzt rechts in der Mitte und trägt die Markierung 22W.
Hierbei ist gegenüber dem Schaltplan Source und Drain vertauscht was allerdings keine Auswirkung auf die Funktion hat. Der größte Nachteil ist daß eine vorherige Selektion der FETs auf Spannung mittels Breadboard nicht möglich ist. Der Musteraufbau mit einem willkürlich ausgewählten BF545C hatte ohne Prozessor gemessen folgende Spannungswerte:
* 4,54V @ 27,3 V und 10 MOhm Last (nur Multimeter)
* 3,95V @ 9,1 V und 100K Last
* 2,58V @ 9,1 V und 1K Last

Also auch hier ausreichend Abstand zu kritischen Werten.

Falls keine durchkontaktierte Leiterplatte verwendet wird, darf die Durchkontaktierung am BF245 Pin nicht vergessen werden.

== Nachtrag2: Strommessung mit dem Oszi ==

[[Datei:20160511 BMON current 1K 20bits peak overview.png|miniatur]]
[[Datei:20160511 BMON current 1K 20bits peak rising.png|miniatur]]
[[Datei:20160511 BMON current 1K 20bits display refresh.png|miniatur]]

Eine genauere mittlere Strommessung ist mit dem Oszi möglich.
Die Schaltung wacht alle 16 ms für die AC-Erzeugung der Anzeige auf.
Alle 500ms werden die Blinkfunktionen berechnet.
Alle 1000ms erfolgt die ADC-Erfassung von Spannung und Strom sowie die Berechnung neuer Anzeigenwerte.

Die Messung erfolgt dabei am sowieso vorhandenen 1K Strombegrenzungswiderstand der hierbei als Shunt verwendet wird. Zusammen mit den nachgeschalteten Abblockkondensatoren ergibt sich eine erste Bandbreitenlimitierung. Eine Weitere Filterung wird durch die Auflösungserhöhung von 16 auf 20 Bit (Oversampling) erreicht.
Der gemessene Effektivwert am 1K Widerstand beträgt 8.3 uA.
Der gemessene gefilterte Spitzenwert 83uA. Ohne Filterung wären es in der Größenordnung von ca 1mA.
Beim Display Refresh alle 16 ms ist der Effektivwert bei nur 6.9 uA.

== Nachtrag3: Temperaturkompensation mit NTC ==

In der Zwischenzeit habe ich bei den meisten meiner Referenzen in der 12 Zellen-Variante einen 100K NTC anstelle des 130K Widerstandes R13 bestückt. Damit ergibt sich eine Temperaturkompensation von etwa -3mV/Zelle wodurch der Ladestrom am Ladeende zuverlässig auf < 40 mA zurückgeht.

== Downloads ==

* [[Media:BMON1048_MPASM.ZIP| Source code für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_Schaltbild.pdf| Schaltplan für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_gcprevue.zip| Layout (Gerber) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_PDF.zip| Layout (PDF) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_STK.txt| Stückliste Batteriewächter BMON1048]]

== Weblinks ==

* [http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00000053.pdf L200_Datasheet]
* [https://assets.nexperia.com/documents/data-sheet/BSS84.pdf BSS84P_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF245A-B-C.pdf BF245C_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF545A_BF545B_BF545C.pdf BF545C_Datasheet]
* [http://www.torex.co.jp/english/products/voltage_regulators/data/XC6216_XE6216.pdf XC6216_Datasheet]
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39631e.pdf PIC18F2520_Datasheet]
* [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm285-1.2-n.pdf LM385Z-1.2_Datasheet]
* [https://www.onsemi.com/pub/Collateral/BSS138-D.PDF BSS138_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Hintergrund-gruen/LCD-2-0-13/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=3005&ARTICLE=10179&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& LCD-2-13]
* [https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/1763fh.pdf LT1763_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Proma-Gehaeuse/GEH-EG-2/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=5199&ARTICLE=50424&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& Gehäuse_EG2]
* [http://www.graphicode.com/ GC-Prevue Gerber viewer]

== Siehe auch ==

* [http://www.mikrocontroller.net/topic/288063 Forum: Diskussion zu diesem Projekt]

[[Kategorie:Wettbewerb]]
[[Kategorie:PIC-Projekte]]
[[Kategorie:Spannungsversorgung_und_Energiequellen]]
[[Kategorie:Messtechnik]]
[[Kategorie:Projekte]]

Korad 3005

2019-10-25T20:37:57Z

An ja: /* Korad KA3005D/P */

== Korad KA3005D/P ==

Bekannt wurde das Gerät durch eine Besprechung des Elektronikblogger Dave Jones im "eevblog". Das Gerät zeichnet sich durch ein hervorragendes Preis/Leistungsverhältnis bei mittelmäßigen Regeleigenschaften aus. Die innenliegende aktive Kühlung, bei der als Kühler anfangs nur eine Aluplatte als Kühlkörper fungierte, inspirierte zahlreiche Bastler zu Modifikationen. Dazu zählt z.B. der Einbau eines echten gerippten Kühlkörpers und der Einbau einer anderen Lüfterregelung oder eines Thermostaten.

[[Datei:Korad KA3005D Front.jpg|miniatur]]

[[Datei:Korad KA3005D Offen Seite.jpg|miniatur]]

=== Varianten ===

==== Korad KA3005D ====

==== Korad KA3005P ====

=== Interner Aufbau ===

=== Kritik ===

Das Korad KA3005D / KA3005P verfügt über einen minderwertigen Drehgeber, der bei Ausfall das Labornetzteil unbedienbar macht. Dieser kann Internetdarstellungen zufolge geöffnet und repariert werden, aber auch gegen ein neues Exemplar vom Markenhersteller ausgetauscht werden.

Das Netzteil wird unter verschiedenen Markenlabeln verkauft. Es existieren Varianten, bei denen der Kühlkörper sich auf eine Aluplatte beschränkt, bessere Exemplare verfügen über einen massereicheren echten Kühlkörper mit Rippen und daher größerer Oberfläche und niedrigerem TK, was die Drehzahl des eingebauten Lüfters reduziert.

Mittels mehrerer Sekundärabgriffe reduziert dieses Linearnetzteil die maximal umzusetzende Verlustleistung.
Bei Spannungsschaltschwellen von 6,9/7,2 - 13,8/14,1 - 20,9 / 21,8, maximaler Ausgangsspannung von 31V und 5A maximalem Ausgangsstrom kann sich eine Verlustleistung von (31V-21,8)*5A=9,2V*5A=46W ergeben.

Diese Abwärme muss durch den Lüfter aus dem Gerät herausgeführt werden, da der Kühler innenliegend verbaut ist.
Es erscheint fraglich, ob 46W dauerhaft ohne Netzteilabschaltung oder Stromreduzierung abgeführt werden können.

Wie viele Netzteile seiner Preisklasse verfügt das Gerät über eine relativ hohe Kapazität am Ausgang von etwa 310µF (gemessen mit einem LCR-Messgerät Typ DE-5000 bei ausgeschaltetem Gerät), die die Geschwindigkeit der Regelung reduziert. Beim Test von stromlimitierten Bauteilen wie z.B. LEDs entlädt sich dieser Kondensator ungebremst über die angeschlossenen Bauteile.
Zur Heilung dieses Problems sollte ein Vorwiderstand mit angeschlossen werden oder der Ausgang auf eine Spannung unterhalb der Flussspannung der LED gebracht werden und dann vom Bediener unter Nutzung der einstellbaren Strombegrenzung erhöht werden.

Der Testaufbau unter http://www.afug-info.de/Testberichte/Korad-RND-3005P/ mit dem das Regelverhalten des Geräts geprüft wurde, verdeckt aufgrund der niedrigen Lastwechselfrequenz und der entsprechenden Einstellung des Oszilloskops das langsame Regelverhalten des Netzteils und zeigt stattdessen mustergültige Graphen.

Andere Tests mit einer elektronischen Last von 2,5A, die im Spannungsregelbetrieb 2ms eingeschaltet und 4ms ausgeschaltet wurde
https://www.mikrocontroller.net/topic/481509#5982112
zeigen deutliche Abweichnungen vom Verlauf einer idealen Regelung, was bei anderen Linearnetzteilen in dieser Preisklasse trotz ähnlich hoher Ausgangskapazität zu geringeren Unter- und Überschwingern als auch einer kürzeren Ausregelzeit führte.
Auch im Test der Stromregelung mit 200ms Einschaltzeit und 400ms Auszeit zeigen sich die Grenzen der Regelung dieses Geräts.
Andere Labornetzteile zeigen sich von Lastwechseln weniger beeindruckt und verhalten sich auch im Strombegrenzungsbetrieb neutraler:
https://ctlabforum.thoralt.de/phpbb/viewtopic.php?f=3&t=911

Die Messsung mit einer elektronischen Last wird allerdings aufgrund ihrer Regelkomponente kritisch gesehen, man vermutet, sie könnte in Wechselwirkung mit der Netzteilregelung treten. Weitere Messungen mit kleineren Lastströmen seien auch erforderlich um die Regelung bewerten zu können.

=== Optimierungen ===

==== Netzteilumbauten ====
Wer keine Scheu davor hat, das Netzteil zu öffnen, sollte zu allererst überprüfen, ob der Lüfter die Luft von außen ansaugt und nach innen bläst oder ob der Lüfter die Luft von innen nach außen bläst. Ersteres Verhalten wäre durchaus üblich, da so kalte Luft auf den sich erwärmenden Kühlkörper geblasen wird. Letzteres ist doch nicht nur unüblich sondern auch unvorteilhaft, da so die Kühleffizienz stark beeinträchtigt ist. Der Lüfter sollte also stets so montiert sein, dass er kalte Luft von außen auf den Kühlkörper bläst.

Im Zuge dessen kann man auch einen leiseren Lüfter verbauen und ggf. überlegen die Lüftersteuerung zu überarbeiten. Der Lüfter wird mittels PWM von der Verlustleistung gesteuert. Sinnvoller ist aber eine Temperaturregelung. Dazu montiert man auf dem Kühlkörper, elektrisch isoliert, einen Temperatursensor und lässt den Lüfter über eine geeignete Schaltung darüber regeln. Oberhalb des Lüfteranschlusses finden sich zwei Leistungswiderstände (R1 und R3), an diesen Widerständen liegt eine gleichgerichtete, unstabilisierte Spannung von ca 15V an. Der Minuspol dieser Spannung liegt an R1 an, am Beinchen oberhalb von C29, der Pluspol ist an R3 zu finden, am Beinchen oberhalb von D5.

==== Betriebshinweise ====

Laden von 12V-Bleiakkus

Nutzern, die 12V-Akkus mit ihrem linear geregelten Labornetzteil laden wollen - das gilt für alle Labornetzteile gleichermaßen - sollten die Schaltschwellen ihres Geräts kennen.
Diese lassen sich durch das Klickgeräusch der Relais für die Umschaltung der Sekundärabgriffe geräteindividuell bestimmen. Bei mir liegen die Schaltschwellungen folgendermaßen (Angaben in Volt):
6,9/7,2 - 13,8/14,1 - 20,9 / 21,8

Wer z.B. an meinem Gerät 14,1V einstellt, zwingt das Gerät dazu 21,8V-14,1V=7,7V ungenutzt in Wärme zu verwandeln. Liefert das Netzteil zufälligerweise Maximalstrom, so werden 7,7V*5A=38,5W verblasen.
Sollte z.B. mit 14,4V geladen werden, empfiehlt es sich, 14V einzustellen und auf den Rückgang der Stromabgabe an den Akku zu warten und erst zum Schluss die Spannung von 14V auf 14,4V zu erhöhen.
Wenn die vorhandene Zeit ausreicht und keine Gewaltladung notwendig ist, wird mit dieser Strategie das Netzteil weniger belastet.

=== Anleitungen ===

==== Justierung ====

Benötigte Hilfsmittel:

# Digital-Multimeter (die Qualität der Kalibration ist direkt von der des DMM abhängig)

Durchführung beim Korad KA3005D:

# Gerät ausschalten
# M4 Taste gedrückt halten und Gerät einschalten => die Spannungsanzeige blinkt
# Multimeter auf niedrigen V-Messbereich einstellen und am Ausgang des Netzteils anschließen.
# Am Drehregler des Netzteils die Spannung so nahe wie möglich auf 0.00 V am Multimeter stellen
# Zum beenden und speichern der Einstellung die Taste M1 drücken und Multimeter vom Netzteil abstecken
# Taste "Voltage/Current" am Netzteil drücken => Stromanzeige blinkt
# Multimeter auf niedrigen mA-Messbereich einstellen und anstecken
# Wieder am Regler des Netzteils drehen bis Stromanzeige so nahe wie möglich an 0.00 mA liegt
# Dann wieder M1 zum speichern drücken und Multimeter abstecken
# M4 drücken um die Maximalwerte zu trimmen. Es blinkt wieder die Spannungsanzeige am Netzteil.
# Multimeter auf Spannungsmessung (Bereich > 30 V) einstellen und anschließen
# Spannung über Drehrad auf 30.01 V am Multimeter einstellen und M1 drücken. Multimeter abstecken.
# Multimeter auf Ampere (Messabereich > 5 A) einstellen
# Taste "Voltage/Current" drücken
# Multimeter anstecken und am Stellrad auf 5.00 A am Multimeter trimmen. Dann wieder M1 drücken.
# '''Die Kalibration ist abgeschlossen!''' - Nun das Netzteil ausschalten um den Kalibrationmodus wieder zu verlassen. Danach kann es wieder normal benutzt werden.

Bemerkung vom Autor: ''Mein Mulimeter verkraftet 20 A bis zu 30 Sekunden und ist nichts besonderes. Eine Elektronische Last, wie vielerorts gefordert ist m.E. nicht notwendig.''

Videos zum Thema Kalibration:

* [https://youtu.be/562U6G0XTDE Youtube Video]

=== Dokumente ===

* [https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=4&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwi5qqzgq5LlAhVLiqQKHZt7AyMQFjADegQIARAC&url=https%3A%2F%2Fcdn-reichelt.de%2Fdocuments%2Fdatenblatt%2FD400%2F2013-07-31_KA3005D_P_BDA.pdf&usg=AOvVaw0Tz5F8fAggf-F0ihz5xq3rHandbuch Handbuch KA3005D]
* [https://www.eevblog.com/forum/repair/korad-ka3005p-power-supply-calibration/msg370823/#msg370823 Schaltplan (reverse engineered)]

=== Bezugsquellen ===

* Reichelt (Verkaufsbezeichnung "RND 320-KA3005P", Stand: Oktober 2019)

=== Ersatzteile ===

* Drehimpulsgeber für Korad KA3005 Teilenr. Conrad 700701
* Drehimpulsgeber für Korad KA3005 Teilenr. Reichelt STEC12E07
* Drehzahlgeregelter Lüfter für Korad KA3005 Teilenr. Reichelt AC FAN F8TC

=== Links ===
* [http://www.afug-info.de/Testberichte/Korad-RND-3005P/ Test der elektrischen Eigenschaften (Restwelligkeit, überschwingen, etc.)]
* [http://www.sprut.de/electronic/soft/korad/index.htm Steuersoftware für das Korad KA3005P]
* [https://www.youtube.com/watch?v=g94mpom2Ahs EEVblog #314 - Korad KA3005P PSU Teardown]
* [https://www.youtube.com/watch?v=Fya-4mjV4N4 EEVblog #315 - Korad KA3005P Review/FAIL (Old Version)]
* [https://www.youtube.com/watch?v=_HrvuHSywms EEVblog #404 - Korad PSU Followup (Compare Old/New Version)]

Korad 3005

2019-10-25T20:26:53Z

An ja: /* Dokumente */

== Korad KA3005D/P ==

Bekannt wurde das Gerät durch eine Besprechung des Elektronikblogger Dave Jones im "eevblog". Das Gerät zeichnet sich durch ein hervorragendes Preis/Leistungsverhältnis bei mittelmäßigen Regeleigenschaften aus. Die innenliegende aktive Kühlung, bei der als Kühler anfangs nur eine Aluplatte als Kühlkörper fungierte, inspirierte zahlreiche Bastler zu Modifikationen. Dazu zählt z.B. der Einbau eines echten gerippten Kühlkörpers und der Einbau einer anderen Lüfterregelung oder eines Thermostaten.

[[Datei:Korad KA3005D Front.jpg|miniatur]]

[[Datei:Korad KA3005D Offen Seite.jpg|miniatur]]

=== Varianten ===

==== Korad KA3005D ====

==== Korad KA3005P ====

=== Interner Aufbau ===

=== Kritik ===

Das Korad KA3005D / KA3005P verfügt über einen minderwertigen Drehgeber, der bei Ausfall das Labornetzteil unbedienbar macht. Dieser kann Internetdarstellungen zufolge geöffnet und repariert werden, aber auch gegen ein neues Exemplar vom Markenhersteller ausgetauscht werden.

Das Netzteil wird unter verschiedenen Markenlabeln verkauft. Es existieren Varianten, bei denen der Kühlkörper sich auf eine Aluplatte beschränkt, bessere Exemplare verfügen über einen massereicheren echten Kühlkörper mit Rippen und daher größerer Oberfläche und niedrigerem TK, was die Drehzahl des eingebauten Lüfters reduziert.

Mittels mehrerer Sekundärabgriffe reduziert dieses Linearnetzteil die maximal umzusetzende Verlustleistung.
Bei Spannungsschaltschwellen von 6,9/7,2 - 13,8/14,1 - 20,9 / 21,8, maximaler Ausgangsspannung von 31V und 5A maximalem Ausgangsstrom kann sich eine Verlustleistung von (31V-21,8)*5A=9,2V*5A=46W ergeben.

Diese Abwärme muss durch den Lüfter aus dem Gerät herausgeführt werden, da der Kühler innenliegend verbaut ist.
Es erscheint fraglich, ob 46W dauerhaft ohne Netzteilabschaltung oder Stromreduzierung abgeführt werden können.

Wie viele Netzteile seiner Preisklasse verfügt das Gerät über eine relativ hohe Kapazität am Ausgang von etwa 310µF (gemessen mit einem LCR-Messgerät Typ DE-5000 bei ausgeschaltetem Gerät), die die Geschwindigkeit der Regelung reduziert. Beim Test von stromlimitierten Bauteilen wie z.B. LEDs entlädt sich dieser Kondensator ungebremst über die angeschlossenen Bauteile.
Zur Heilung dieses Problems sollte ein Vorwiderstand mit angeschlossen werden oder der Ausgang auf eine Spannung unterhalb der Flussspannung der LED gebracht werden und dann vom Bediener unter Nutzung der einstellbaren Strombegrenzung erhöht werden.

Der Testaufbau unter http://www.afug-info.de/Testberichte/Korad-RND-3005P/ mit dem das Regelverhalten des Geräts geprüft wurde, verdeckt aufgrund der niedrigen Lastwechselfrequenz und der entsprechenden Einstellung des Oszilloskops das langsame Regelverhalten des Netzteils und zeigt stattdessen mustergültige Graphen.

Andere Tests mit einer elektronischen Last von 2,5A, die im Spannungsregelbetrieb 2ms eingeschaltet und 4ms ausgeschaltet wurde
https://www.mikrocontroller.net/topic/481509#5982112
zeigen deutliche Abweichnungen vom Verlauf einer idealen Regelung, was bei anderen Linearnetzteilen in dieser Preisklasse trotz ähnlich hoher Ausgangskapazität zu geringeren Unter- und Überschwingern als auch einer kürzeren Ausregelzeit führte.
Auch im Test der Stromregelung mit 200ms Einschaltzeit und 400ms Auszeit zeigen sich die Grenzen der Regelung dieses Geräts.
Andere Labornetzteile zeigen sich von Lastwechseln weniger beeindruckt und verhalten sich auch im Strombegrenzungsbetrieb neutraler:
https://ctlabforum.thoralt.de/phpbb/viewtopic.php?f=3&t=911

Die Messsung mit einer elektronischen Last wird allerdings aufgrund ihrer Regelkomponente kritisch gesehen, man vermutet, sie könnte in Wechselwirkung mit der Netzteilregelung treten. Weitere Messungen mit kleineren Lastströmen seien auch erforderlich um die Regelung bewerten zu können.

=== Optimierungen ===

==== Netzteilumbauten ====
Wer keine Scheu davor hat, das Netzteil zu öffnen, sollte zu allererst überprüfen, ob der Lüfter die Luft von außen ansaugt und nach innen bläst oder ob der Lüfter die Luft von innen nach außen bläst. Ersteres Verhalten wäre durchaus üblich, da so kalte Luft auf den sich erwärmenden Kühlkörper geblasen wird. Letzteres ist doch nicht nur unüblich sondern auch unvorteilhaft, da so die Kühleffizienz stark beeinträchtigt ist. Der Lüfter sollte also stets so montiert sein, dass er kalte Luft von außen auf den Kühlkörper bläst.

Im Zuge dessen kann man auch einen leiseren Lüfter verbauen und ggf. überlegen die Lüftersteuerung zu überarbeiten. Der Lüfter wird mittels PWM von der Verlustleistung gesteuert. Sinnvoller ist aber eine Temperaturregelung. Dazu montiert man auf dem Kühlkörper, elektrisch isoliert, einen Temperatursensor und lässt den Lüfter über eine geeignete Schaltung darüber regeln. Oberhalb des Lüfteranschlusses finden sich zwei Leistungswiderstände (R1 und R3), an diesen Widerständen liegt eine gleichgerichtete, unstabilisierte Spannung von ca 15V an. Der Minuspol dieser Spannung liegt an R1 an, am Beinchen oberhalb von C29, der Pluspol ist an R3 zu finden, am Beinchen oberhalb von D5.

==== Betriebshinweise ====

Laden von 12V-Bleiakkus

Nutzern, die 12V-Akkus mit ihrem linear geregelten Labornetzteil laden wollen - das gilt für alle Labornetzteile gleichermaßen - sollten die Schaltschwellen ihres Geräts kennen.
Diese lassen sich durch das Klickgeräusch der Relais für die Umschaltung der Sekundärabgriffe geräteindividuell bestimmen. Bei mir liegen die Schaltschwellungen folgendermaßen (Angaben in Volt):
6,9/7,2 - 13,8/14,1 - 20,9 / 21,8

Wer z.B. an meinem Gerät 14,1V einstellt, zwingt das Gerät dazu 21,8V-14,1V=7,7V ungenutzt in Wärme zu verwandeln. Liefert das Netzteil zufälligerweise Maximalstrom, so werden 7,7V*5A=38,5W verblasen.
Sollte z.B. mit 14,4V geladen werden, empfiehlt es sich, 14V einzustellen und auf den Rückgang der Stromabgabe an den Akku zu warten und erst zum Schluss die Spannung von 14V auf 14,4V zu erhöhen.
Wenn die vorhandene Zeit ausreicht und keine Gewaltladung notwendig ist, wird mit dieser Strategie das Netzteil weniger belastet.

=== Anleitungen ===

==== Justierung ====

Benötigte Hilfsmittel:

# Digital-Multimeter (die Qualität der Kalibration ist direkt von der des DMM abhängig)

Durchführung beim Korad KA3005D:

# Gerät ausschalten
# M4 Taste gedrückt halten und Gerät einschalten => die Spannungsanzeige blinkt
# Multimeter auf niedrigen V-Messbereich einstellen und am Ausgang des Netzteils anschließen.
# Am Drehregler des Netzteils die Spannung so nahe wie möglich auf 0.00 V am Multimeter stellen
# Zum beenden und speichern der Einstellung die Taste M1 drücken und Multimeter vom Netzteil abstecken
# Taste "Voltage/Current" am Netzteil drücken => Stromanzeige blinkt
# Multimeter auf niedrigen mA-Messbereich einstellen und anstecken
# Wieder am Regler des Netzteils drehen bis Stromanzeige so nahe wie möglich an 0.00 mA liegt
# Dann wieder M1 zum speichern drücken und Multimeter abstecken
# M4 drücken um die Maximalwerte zu trimmen. Es blinkt wieder die Spannungsanzeige am Netzteil.
# Multimeter auf Spannungsmessung (Bereich > 30 V) einstellen und anschließen
# Spannung über Drehrad auf 30.01 V am Multimeter einstellen und M1 drücken. Multimeter abstecken.
# Multimeter auf Ampere (Messabereich > 5 A) einstellen
# Taste "Voltage/Current" drücken
# Multimeter anstecken und am Stellrad auf 5.00 A am Multimeter trimmen. Dann wieder M1 drücken.
# '''Die Kalibration ist abgeschlossen!''' - Nun das Netzteil ausschalten um den Kalibrationmodus wieder zu verlassen. Danach kann es wieder normal benutzt werden.

Bemerkung vom Autor: ''Mein Mulimeter verkraftet 20 A bis zu 30 Sekunden und ist nichts besonderes. Eine Elektronische Last, wie vielerorts gefordert ist m.E. nicht notwendig.''

Videos zum Thema Kalibration:

* [https://youtu.be/562U6G0XTDE Youtube Video]

=== Dokumente ===

* [https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=4&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwi5qqzgq5LlAhVLiqQKHZt7AyMQFjADegQIARAC&url=https%3A%2F%2Fcdn-reichelt.de%2Fdocuments%2Fdatenblatt%2FD400%2F2013-07-31_KA3005D_P_BDA.pdf&usg=AOvVaw0Tz5F8fAggf-F0ihz5xq3rHandbuch Handbuch KA3005D]
* [https://www.eevblog.com/forum/repair/korad-ka3005p-power-supply-calibration/msg370823/#msg370823 Schaltplan (reverse engineered)]

=== Bezugsquellen ===

* Reichelt (Verkaufsbezeichnung "RND 320-KA3005P", Stand: Oktober 2019)

=== Links ===
* [http://www.afug-info.de/Testberichte/Korad-RND-3005P/ Test der elektrischen Eigenschaften (Restwelligkeit, überschwingen, etc.)]
* [http://www.sprut.de/electronic/soft/korad/index.htm Steuersoftware für das Korad KA3005P]
* [https://www.youtube.com/watch?v=g94mpom2Ahs EEVblog #314 - Korad KA3005P PSU Teardown]
* [https://www.youtube.com/watch?v=Fya-4mjV4N4 EEVblog #315 - Korad KA3005P Review/FAIL (Old Version)]
* [https://www.youtube.com/watch?v=_HrvuHSywms EEVblog #404 - Korad PSU Followup (Compare Old/New Version)]

Batteriewächter

2019-03-09T05:39:43Z

An ja: /* Weblinks */

''von Anja''

{{Wettbewerb Header}}

[[Bild:BMON_1048_3_IMG0982w.JPG|thumb|300px|Batteriewächter]]
'''Eigenschaften'''
* Schaltausgang zum Abschalten der Last bei Unterspannung
* Mikroprozessordesign mit PIC18F2520
* Geringer Stromverbrauch typ. 10µA
* Geringe Mindestspannung typ. 2.5V
* Optional bestückbares Ladeteil mit L200
* Breiter Einsatzbereich von 4-12 NiMH Zellen oder 6-12V Bleiakkus
* Leiterplatte angepasst für Frontplatte eines EG2-Aluminiumgehäuses (ProMa)

'''Anwendungen'''
* Batteriemanagement
* Aus Messwert gespeistes Panelmeter

== Vorgeschichte ==

Eigentlich wollte ich nur eine einfache Anzeige für meine, per Akku gespeisten Referenzen: wann müssen die 9V-Blocks wieder ans Ladegerät. Ein einfaches Drehspulinstrument hätte es getan. Allerdings brauchen diese relativ viel Strom im Verhältnis zu einer ISL21009. Und bei einer Empfindlichkeit von 100µA sind sie auch nicht ganz billig.

Die nächste Idee: Eine low power Referenz und ein Komparator (oder gleich einen ICL7665). Nur: Was dann als Anzeige nehmen? Selbst eine low current LED braucht einige 100µA für die Anzeige.

Alternative Anzeigen wären eine einfache LCD Balkenanzeige wie im Handy. Diese sind allerdings nicht im DIP 8 Gehäuse erhältlich. Als Alternative bleiben eigentlich nur passive LC-Anzeigen mit 2-4 Digits.

Das Ganze zu takten war die nächste Idee. Also wie beim Rauchmelder nur kurze Mess- und Anzeigephasen um Strom zu sparen.

In der Zwischenzeit waren auch Referenzen im Programm, die eine Mindestspannung von 9V oder 14V benötigen. Die Anzahl der Zellen (8-12) ist also so gewachsen, dass die 16V des ICL7665 oder gängiger CMOS Logik nicht mehr ausreichen.

Schön wäre auch eine "richtige" Spannungsanzeige - also muss ein Prozessor her. Nachdem auch die ersten 9V-Blocks Schwächen wegen Tiefentladung zeigten, sollte das Ganze auch einen Unterspannungsschutz haben.

Zum damaligen Zeitpunkt gab es nur wenige Spannungsregler mit Eingangsspannungen bis 20 oder 25V und Eigenstromverbrauch unter 20µA. Und die auch nur von Farnell, also für Privat quasi unobtanium.

Eine Idee hatte ich schon länger um z.B. Uhrenchips im 12V-System zu betreiben: Ein normaler Sperrschicht-FET hat eine negative UGS-Spannung. Wenn man das Gate also an Masse anschließt müsste am Source eine halbwegs stabile Backup-Spannung übrig bleiben. Und das auch noch ohne dass der Spannungsregler einen nennenswerten Strom braucht.

Der Ehrgeiz war geweckt, es müsste doch möglich sein einen prozessorgesteuerten Komparator mit Spannungsanzeige bei unter 20µA Stromverbrauch und mit Versorgung direkt aus der Batterie im Bereich 5-20V zu entwickeln...

== Blockschaltbild ==

[[Bild:BMON_1048_BLOCK.PNG|thumb|right|350px|BMON148 - Blockschaltbild]]

Die Schaltung auf der Leiterplatte umfasst ein einfaches Ladeteil mit L200. Die Speisung erfolgt mit einem externen 24V Steckernetzteil. Ein Low-Power Spannungsregler erzeugt die VCC-Versorgung für den Prozessorteil. Der Prozessor misst die Akkuspannung sowie den Ladestrom und erzeugt das Steuersignal für die Endstufe. Auf dem Display werden die Akkuspannung sowie der Ladestrom angezeigt. Der Taster dient zum Ein-/Ausschalten der Last. Da der Leistungsteil je nach Last sehr unterschiedlich sein kann (z.B. BTS555 für Hochstromanwendungen), ist er außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Als Schaltungsbeispiel wird eine Endstufe mit LT1763 gezeigt.

=== Ladeteil ===

[[Bild:BMON_1048_L200.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Ladeteil]]

Das Ladeteil ist eine Standardapplikation mit L200, ergänzt um einen Spannungsausgang für die Strommessung.
Die maximale Ladespannung wird mittels Spannungsteiler R12 zu R11 eingestellt. R13 ist parallel zu R12 und wird für den Feinabgleich der Ausgangsspannung verwendet. Auf der Leiterplatte sind die Widerstände wahlweise als SMD (R11..R13) oder bedrahtet (R11A..R13A) bestückbar. R11A ist mit 820 Ohm bestückt. R12A mit 4K7 parallel zu R13A mit 130k ergibt 4K54. Die Ausgangsspannung von 18.1 V ergibt sich aus der Referenzspannung von 2.77V des L200 * (1 + 4540R/820R). R14 begrenzt den Strom auf ca. 200 mA (0.45V / 2R2).
Diode D2 verhindert ein Entladen des Akkus wenn das Steckernetzteil nicht angeschlossen ist. D3 dient als Verpolschutz.
Die Schaltung um U3 verstärkt die Spannung über dem Strombegrenzungswiderstand. Es muss zwingend ein OP verwendet werden dessen common mode input range an die positive Versorgung reicht. Bei einem TL062 ist dies bei normalen Raumtemperaturen gegeben. Die Spannung über R14 wird im Verhältnis R16/R15 = 2.32 fach verstärkt. Bei 200mA, also 450mV am Strombegrenzungswiderstand, ergibt sich für den ADC-Eingang eine Spannung von 1.04V über R16.
L1, L2 sowie C15-C19 bilden ein optional bestückbares EMV-Filter. C18+C19 filtern hierbei die Störungen über einen M3 Distanzbolzen auf das Aluminiumgehäuse.

=== Spannungsregler ===

[[Bild:BMON_1048_VCC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Spannungsregler BF245C]]

Es gibt 3 alternative Bestückungsvarianten:

U5 ist ein low power Spannungsregler XC6216 von Torex. An Ein- und Ausgang werden 1µF Kondensatoren benötigt. Der Ruhestromverbrauch ist mit 5µA im Datenblatt angegeben.

Da mir das vieeel zu hoch ist, habe ich einen Sperrschicht-FET als Spannungsregler verwendet. Ein BF245C hat bei kleinen Strömen je nach Exemplarstreuung eine Gate/Source Spannung von -3.2 .. -7.5 V zwischen Gate und Source.
Wenn man jetzt das Gate auf Masse legt, und an Drain die ungeregelte Eingangsspannung, bleibt am Source eine Ausgangsspannung von +3.2 bis 7.5V.
Da der nachgeschaltete Prozessor maximal 5.5V Spannung verträgt müssen die FETs selektiert werden. Bei der maximalen Eingangsspannung und minimaler Last (also nur die 10 Meg-Ohm des Messinstrumentes) dürfen die 5.5V nicht überschritten werden. Bei der typischen Last von 10µA, entsprechend 330K, sollten mindestens ca. 3.8V als minimale Spannung übrig bleiben.

Beim Austesten auf dem Steckbrett habe ich herausgefunden, dass der FET relativ empfindlich auf Störimpulse reagiert und teilweise hierdurch auch hohe Spannungen an den Ausgang durchlässt. Abhilfe schaffen Abblockkondensatoren an Ein- und Ausgang. Im Gegensatz zum XC6216 reichen für den FET normale 100nF Abblockkondensatoren. Die Diode D1 dient als Verpolschutz. R2 begrenzt beim FET schnelle Spannungsanstiege sowie den Maximalstrom. Das Austesten auf dem Steckbrett sollte mit den Abblock-Cs und der Schutzbeschaltung erfolgen.

Von 10 getesteten FETs hatten alle eine maximale Spannung im Bereich 4.57 bis 4.80 V bei 25V Eingangsspannung. Bei Belastung mit 1K-Ohm und 9V Eingangsspannung habe ich 2.61V bis 2.77V gemessen. Der Regler hat also ausreichend Reserven. Die Mühe des Selektierens wird belohnt durch einen Stromverbrauch von nicht messbaren wenigen nA für den Spannungsregler.

R2 sollte bei Verwendung des XC6216 durch einen 0 Ohm Widerstand ersetzt werden. Allerdings habe ich diese Schaltungsvariante noch nicht getestet.

Eine weitere Möglichkeit ist die Bestückung eines BF545C (= SMD-Version des BF245C im SOT-23 Gehäuse) an der Position des Spannungsreglers U5. In diesem Fall ist Source und Drain des FETs vertauscht. Da der Chip des FET jedoch symmetrisch aufgebaut ist funktioniert er unabhängig von der Polarität von Source und Drain. Siehe auch Abschnitt Nachtrag.

=== Prozessorteil ===

[[Bild:BMON_1048_PIC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Prozessorteil]]

Als Prozessor wird ein PIC18F2520 verwendet. Es ist quasi der low power Nachfolger eines PIC16F876. Der Strom mit internem Oszillator beträgt ca. 1mA. Um den Stromverbrauch zu reduzieren, ist der Prozessor hauptsächlich im sleep mode und wird nur alle 16ms aufgeweckt, um die Flanken für die Wechselspannung von 30Hz für die passive LC-Anzeige zu generieren, die auch die meisten Pins benötigt. C4 mit 10µF puffert kurze Stromspitzen in der Aufwachphase. C7 mindert EMV-Störungen.

Die Batteriespannung wird über Spannungsteiler R4/R5 an Pin RA2 gemessen. U2 sorgt mit R3 für eine stabile Referenz von 1.235V auch bei schwankenden Versorgungsspannungen. Kurzzeitig werden für den Referenzeingang bis zu 150µA und für die Referenzdiode bis zu 20µA benötigt. Da kein Abblockkondensator an der Referenz verwendet wird, ist R3 relativ niederohmig dimensioniert.

Die Stromsparfunktionen werden alle mit PIN RA1 gesteuert. Die Auswertung der Eingänge erfolgt nur ein Mal je Sekunde. Dies betrifft R3 als Versorgung für die Referenzdiode sowie R6 als pull up Widerstand für den Taster. Über T2 wird der Spannungsteiler für die Batteriespannung stromlos geschaltet. Der BSS138 ist ein FET mit geringer UGS threshold voltage von max. 1.5V. Er begrenzt also am Source die Drain-Spannung auf VCC-1.5V. Da die Referenzspannung 1.2V beträgt, ergibt sich durch den FET bei einer Versorgungsspannung bis herab zu 2.7V noch keine Begrenzung des Messbereichs für die Batteriespannung von bis zu 25.5V.

Der Ladestrom wird über Analogeingang RA0 gemessen.

Mit der gewählten Dimensionierung für R4/R5 ergibt sich ein Messbereich von 25.5V für die Batteriespannung. Der Strombereich ist für ca. 240mA ausgelegt.

An Pin RB6 wird schließlich das Schaltsignal für die Endstufe erzeugt.

=== Bedienteil ===

[[Bild:BMON_1048_HMI.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Bedienteil]]

Aus Platzgründen (Frontplatte des EG2-Gehäuses von ProMa) konnte leider nur ein 2-stelliges LC-Display verwendet werden. Um dennoch Spannungen größer 9.9V darstellen zu können, wird der führende Dezimalpunkt als Zehner-Stelle verwendet. Ab 20.0V fängt dann der Dezimalpunkt an zu blinken. Bei Verwendung eines 3 oder 4-stelligen Displays würde man anstelle des führenden Dezimalpunktes beide Segmente für die führende "1" anschließen.
Der Kondensator C5 hält Gleichspannungssignale vom Display fern. Dies ist insbesonders nützlich beim Flashen bzw. in der Debugging Phase.

J1 ist die Verbindung zur Mutterplatine. Dort kann noch ein zweiter Taster parallel zum Taster auf der Frontplatte angeschlossen werden. R7 dient als Kurzschlußschutz bzw. zur Stromreduzierung des Schaltsignals.

=== Endstufe ===

[[Bild:BMON_1048_POWER.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Endstufe LT1763]]

Die Endstufe ist außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Damit ergibt sich maximale Flexibilität von wenigen mA bis zu mehreren Ampere über einen BSS138 Treiber mit BTS555 Endstufe. Der Anschluss an die BMON1048 Leiterplatte erfolgt über Buchsenleisten auf der Leiterplatte mit der Endstufe. Die Stecker für den Ladeteil und den Prozessorteil sind getrennt ausgeführt. Damit können die Messleitungen direkt am Batteriepack angeschlossen werden (4-Leiter Anschluss). Übergangswiderstände am Stecker und der Leitungen haben dann weniger Einfluss auf die Messung.

Hier ist ein Beispiel für eine Endstufe mit LT1763 für maximal 20V Ladeendspannung gezeigt. Im ausgeschalteten Zustand verbraucht der Spannungsregler weniger als 1µA zusätzlich. Der Ruhestrom mit 30µA ist ebenfalls ein guter Wert. C10 ist vorzugsweise ein Folienkondensator (geringer Mikrofonieeffekt) zur Rauschunterdrückung. Die Ausgangsspannung wird mit R11+R12 auf 14.0 V eingestellt.

== Software ==

Die Software hat folgende Funktionen:

* Messen der Spannung und des Stroms linksbündig als 10 Bit Wert
* Verrechnung eines Korrekturfaktors aus EEPROM für Feinabgleich
* Anzeige der Spannung auf Display
* Als Timer dient der Watchdog mit 16ms Periode
* Die 30 Hz Wechselspannung für das Display wird hieraus abgeleitet
* Im Ladebetrieb erfolgt die Anzeige des Stroms im Wechsel mit der Spannung
* Unterhalb 1.15V/Zelle abschalten der Last (Spannungsanzeige blinkt)
* Oberhalb 1.25V/Zelle wiedereinschalten der Last
* Bei Tastendruck länger als 5 Sekunden wird die Last manuell ein-/ausgeschaltet
* Bei Spannungseinbruch > 0.6V/Minute wird ebenfalls abgeschaltet
* Alle Parameter wie Zellenzahl + Hysterese sind im Header konfigurierbar

<syntaxhighlight lang="c">
#define Cells 12 ; # number of cells
#define mV * 256 * 51/1051/1235 ; 25,6V * 5K1/(100K+5K1)/VRef
#define VOn Cells * 1250 mV ; high hysteresis
#define VOff Cells * 1150 mV ; low hysteresis
#define VOLT_SEC 10 ; check every 10 seconds
#define VDIFF 600 mV ; voltage drop / minute
#define mA * 1 ; 1 mA / count
#define CURR_MIN 10 mA ; min current to display
</syntaxhighlight>

Die Software ist mit MPASM 5.40 (MPLAB 8.70) erstellt. Die Bit-Schubsereien für das Display werden mit Tabellen in Page 0 für alle 3 Ports A-C und die Digits 1-2 abgehandelt.

Bei der Initialisierung wird erst die Hardware initialisiert und danach alle Variablen einschließlich der Kalibrierparameter die aus dem EEPROM gelesen werden. Die Kalibrierfaktoren sind im 2er Komplement als 16 Bit signed Wert gespeichert. Ein Abgleich von +/- 50% entspricht +/-32768 als Wert.

Die meiste Zeit verbringt der Prozessor im sleep mode. Alle 16 ms weckt der Watchdog den Prozessor auf, um die Pins für die Anzeige zu invertieren. Jede Sekunde finden zusätzlich noch Messfunktionen, einschließlich update der Anzeige sowie die Tastenabfrage statt.
Um Zeit (und damit Strom) zu sparen, wird die Wartezeit aufs ADC-Ergebnis genutzt, um eine Tastenentprellung bzw. die Vorverarbeitung der Spannungsmessung während der Strommessung durchzuführen.
Alle 10 Sekunden wird das High-Byte des Spannungswertes in einen Ringpuffer mit 6 Einträgen für die vergangene Minute eingetragen. Dies dient unterhalb der Einschaltschwelle zum Detektieren eines plötzlichen Spannungsabfalls falls eine Zelle schneller entladen ist, als die übrigen im Pack.

== Aufbau ==

<gallery>
Bild:Loetseite_IMG0964W.JPG|BMON1048 - Lötseite
Bild:BMON1048_BS_IMG0968W.JPG|Bestückungsseite
Bild:BMON1048_BST_LS.PNG|Position LS
Bild:BMON1048_BST_BS.PNG|Position BS
</gallery>

=== Lötseite ===

Die Leiterplatte ist doppelseitig. Die meisten Durchkontaktierungen liegen auf bedrahteten Bauelementen so dass eine durchkontaktierte Leiterplatte nicht zwingend nötig ist. Die drei Durchkontaktierungen im Bereich des Programmiersteckers können auch mit Kupferhohlnieten oder einer Drahtbrücke bestückt werden.

Am besten beginnt man nach Durchkontaktieren mit der Bestückung auf der Lötseite. C18, C19 sowie U5 sind im Muster nicht bestückt.

=== Bestückungsseite ===

Auf der Bestückungsseite werden zuerst die Bauteile unter dem Display, sowie die Widerstände unter dem L200 bestückt. Einige bedrahtete Bauteile müssen auf beiden Seiten der Platine verlötet werden, falls keine durchkontaktierte Leiterplatte verwendet wird.

Die Ladebuchse ist auf die Leiterplatte aufgesetzt. Die Anschlüsse werden mit Silberdraht verlängert. Mit dem Verlöten des Silberdrahtes sollte man, wie beim L200, so lange warten, bis die Frontplatte montiert ist.
In den Layoutdaten ist auch ein Layer für die Frontplatte enthalten, der als Bohrhilfe verwendet werden kann.

Der L200 ist über Kopf bestückt, die Anschlussdrähte also gegenüber dem stehenden Einbau auf die andere Seite abgewinkelt. Bei Verwendung von 10mm Distanzbolzen muss als Isolierung mindestens eine 1.5 mm Aluminiumoxidscheibe verwendet werden, damit sich die Pins des L200 im montierten Zustand verlöten lassen. Die Frontplatte des EG2-Gehäuses dient hiermit gleichzeitig als Kühlfläche.

C12 muss liegend montiert werden.

Für das Display verwende ich eine 18-polige Präzisionsfassung, die mit dem Seitenschneider auseinander geschnitten wird. Verlöten geht am einfachsten wenn das Display bereits in die Fassung gesteckt ist. Die beiden Pins 1 + 18 für die Backplane sind auf der Leiterplattenoberseite verbunden (Lötung unter der Fassung nicht vergessen).

Der Taster ist eine Ausführung mit langem Stößel, wenn die Bedienung ohne Hilfswerkzeug möglich sein soll.

=== Montagedetail L200 ===

[[Bild:BMON1048_L200_IMG0981W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - L200 Montage]]

Montagedetail L200:

* M3 Schraube
* Frontplatte
* Aluminiumoxidscheibe (AOS220 - 1.5mm)
* L200
* Isolierbuchse
* Unterlegscheibe (fehlt im Bild)
* M3 Mutter

=== Frontansichten ===

* Ansicht montiert mit Spannungsanzeige 16.7V
* Ansicht Ladebetrieb mit Stromanzeige 188mA

<gallery>
Bild:BMON1048_Spannung_IMG0965W.JPG|Spannungsanzeige
Bild:BMON1048_Strom_IMG0966W.JPG|Stromanzeige
</gallery>

== Inbetriebnahme und Abgleich ==

Der Ladeteil und der Batteriewächter können, auf Grund der getrennten Steckverbinder, unabhängig voneinander in Betrieb genommen werden.

=== Ladeteil ===

An einem strombegrenzten Netzteil (ca. 20-100mA) wird die Spannung an der Ladebuchse langsam von 0V an erhöht und die Stromaufnahme gemessen. Der Eigenverbrauch des L200 liegt bei ca. 10mA. Dieser Wert darf nicht wesentlich überschritten werden. Ist alles in Ordnung dreht man die Spannung langsam auf 24V. Die Ausgangsspannung des L200 sollte vor der Verpolschutzdiode D2 gemessen ca. 18.1V sein. Falls nicht, kann man durch Feinabgleich des Widerstandes R13 noch etwas korrigieren.
Danach einen Akkusatz anschließen und die Strombegrenzung des Netzteils langsam auf ca. 250mA-300mA drehen. Der Strom in den Akku sollte durch den L200 auf ca. 200 mA begrenzt werden.
Bei vollgeladenem Akku sollte der Strom unter C/50 besser C/100 (also 20-40 mA) zurückgehen. Gegebenenfalls ist die Ladeendspannung etwas zu reduzieren.

=== Prozessorteil ===

Zunächst wird der Prozessor mit einem Programmiergerät geflasht. Bei Verwendung des FET-Spannungsreglers darauf achten, dass die Spannungsversorgung für den Prozessor vom Programmiergerät (z.B. PICKIT3) zur Verfügung gestellt wird.
Hierbei darauf achten, dass die nominalen Kalibrierwerte im EEPROM nicht zu weit von den Defaultwerten abweichen.
Bei der Spannung ist der Defaultwert = 0x00, 0x00 (= Faktor 1.0 bzw. 0% Korrektur)
Beim Strom ist die Verstärkung nicht ganz auf einen Strom-Endwert von 255mA ausgelegt, sondern etwa 5 Prozent tiefer. Der nominale Kalibrierwert für den Strom beträgt daher 0xF3, 0x1B (= Faktor 0.94963 bzw. -5.04%).

Nach dem Flashen wird an die beiden mittleren Pins von J1 eine Spannung von ca. 5V angeschlossen. Ist alles ok, sollte das Display die Spannung blinkend anzeigen. Der Ausgang J1 PIN 1 weist hierbei Low-Pegel auf. Die Spannung wird langsam auf ca. 20V (max. 25V) erhöht und die prozentuale Abweichung zwischen Sollwert und Anzeige berechnet. Ab ca. 15.0 V verschwindet das Blinken und der Ausgang wechselt auf High-Pegel (>2.4V). Unterhalb ca. 13.8V wird die Last wieder abgeschaltet und das Display blinkt wieder.
Danach wird ein Akku (15-17V) an Prozessorteil und Ladeteil angeschlossen. Über ein strombegrenztes Netzteil werden ca. 180mA Ladestrom in den Akku eingestellt. Die Anzeige zeigt jetzt im Wechsel die Akkuspannung und den Ladestrom an. Wiederum wird die prozentuale Abweichung vom tatsächlichen Ladestrom berechnet.
Die prozentualen Abweichungen werden auf die existierenden Kalibrierwerte multipliziert und dann nach einem MPASM-Lauf ins EEPROM geschrieben. Bei Verwendung von MPLAB darauf achten dass im "Release" Modus und nicht im "Debug" Modus gearbeitet wird.

Danach ist der Batteriewächter einsatzbereit.

== Praxis und Ideen ==

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|BMON1035 Stromverbrauch 9.7µA bei 9.3V]]

Anbei ein Aufbau einer Vorgängerversion ohne Ladestrommessung (BMON1035) mit einem Stromverbrauch um 9.7 µA (schwankend) bei einem frisch aufgeladenen Akku mit 9.3V. An einem BMON1048 mit Strommessung habe ich 10-12µA gemessen. Wobei der Stromverbrauch auch von der tatsächlichen Versorgungsspannung des Prozessors abhängt.

Ich habe zwei Schaltungen mit ca. 30 mA Last seit 2.5 Jahren im Dauerbetrieb mit je 12 AA-Zellen und täglichem Ladebetrieb. Der erste Akkusatz zeigt seit letztem Sommer (bis zu 32 Grad Raumtemperatur während dem Laden) einen erhöhten Innenwiderstand. Der Ladestrom bei vollem Akku lag hierbei bei erhöhter Temperatur bei 60-70mA.

Die Spannungsdifferenz beim Einstecken / Entfernen des Ladegerätes ist bei diesem Akkusatz ca. 1V. Bei niedrigen Spannungen unter 15V und kurzem Ladebetrieb wird hierdurch die Last ungewollt abgeworfen. Das Kriterium 0.6V Abfall innerhalb einer Minute wird überschritten.
Der andere Akkusatz liegt immer noch bei 0.2V Differenz zwischen Normal und Ladebetrieb.

Ganz oben auf der Wunschliste steht der vereinfachte Abgleich der Kalibrierwerte im EEPROM. Denkbar wäre irgendein Morsecode über den Taster oder ein Jumper an einem freien Pin, um den Abgleich bei angelegten Referenzwerten zu starten.

Freier Speicherplatz ist jedenfalls genügend vorhanden. Wobei Sonderfunktionen nur selten gerechnet werden sollten, um den Stromverbrauch nicht zu stark zu erhöhen.

Die führende "1" wird derzeit wegen des 2-stelligen Displays als Dezimalpunkt angezeigt. Bei einem 3-stelligen Display würde man anstelle des Dezimalpunktes die beiden Segmente "b" und "c" für die "1" parallel ansteuern.

Ideen:
* Temperaturkompensation der End-Ladespannung mittels NTC / Dioden
* Alternativ: Abschaltung des Ladezweigs per Prozessor-Pin, wenn der Ladestrom bei der Endspannung eingeschwungen ist
* Lernfunktion Berücksichtigung Spannungsdifferenz bei Ladebetrieb für Abschaltkriterium
* Automatisiertes Speichern der Abgleichwerte im EEPROM

Anpassung an andere Zellenzahlen:

:{| class="wikitable"
|+ '''Ladeteil L200'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R13 || UE,min || UE,nom
|-
| 4 || 6.5 || 2K2 || 2K2 || 10.2V || 12V
|-
| 5 || 7.95 || 2K2 || 5K1 || 11.7V || 13V
|-
| 6 || 9.4 || 2K2 || 18K || 13.1V || 15V
|-
| 7 || 10.85 || 2K4 || --- || 14.6V || 16V
|-
| 8 || 12.3 || 3K0 || 47K || 16.0V || 18V
|-
| 10 || 15.2 || 3K9 || 68K || 18.9V || 20V
|-
| 12 || 18.1 || 4K7 || 130K || 21.8V || 24V
|}

Die minimale Netzteilspannung UE,min gilt für den worst case. In der Praxis hat man hierbei ca 0.5V Reserve.

:{| class="wikitable"
|+ '''Lastregler LT1763 (Ausserhalb Leiterplatte)'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R11
|-
| 5 || 5.1 || 4K7 || 15K
|-
| 6 || 6.0 || 10K || 39K
|-
| 7 || 8.0 || 2K7 || 15K
|-
| 8 || 9.35 || 3K3 || 22K
|-
| 10 || 11.5 || 3K9 || 33K
|-
| 12 || 12.0 || 2K7 || 24K
|-
| 12 || 14.0 || 6K49 || 68K
|}

== Nachtrag ==

[[Bild:BMON1048_BF545C.JPG|thumb|300px|BMON1035 Bestückungsvariante mit BF545C]]

Da der BF245C in der Zwischenzeit nicht mehr hergestellt wird und nur noch in Restbeständen im Handel ist, wird hier eine Bestückungsvariante mit der SMD-Version des BF245C gezeigt. Die SMD-Version heißt BF545C und ist z.B. bei Reichelt, DigiKey, RS-Components oder Farnell erhältlich. Im Bild ist die Bestückung an der Position von U5 gezeigt.
Der FET sitzt rechts in der Mitte und trägt die Markierung 22W.
Hierbei ist gegenüber dem Schaltplan Source und Drain vertauscht was allerdings keine Auswirkung auf die Funktion hat. Der größte Nachteil ist daß eine vorherige Selektion der FETs auf Spannung mittels Breadboard nicht möglich ist. Der Musteraufbau mit einem willkürlich ausgewählten BF545C hatte ohne Prozessor gemessen folgende Spannungswerte:
* 4,54V @ 27,3 V und 10 MOhm Last (nur Multimeter)
* 3,95V @ 9,1 V und 100K Last
* 2,58V @ 9,1 V und 1K Last

Also auch hier ausreichend Abstand zu kritischen Werten.

Falls keine durchkontaktierte Leiterplatte verwendet wird, darf die Durchkontaktierung am BF245 Pin nicht vergessen werden.

== Nachtrag2: Strommessung mit dem Oszi ==

[[Datei:20160511 BMON current 1K 20bits peak overview.png|miniatur]]
[[Datei:20160511 BMON current 1K 20bits peak rising.png|miniatur]]
[[Datei:20160511 BMON current 1K 20bits display refresh.png|miniatur]]

Eine genauere mittlere Strommessung ist mit dem Oszi möglich.
Die Schaltung wacht alle 16 ms für die AC-Erzeugung der Anzeige auf.
Alle 500ms werden die Blinkfunktionen berechnet.
Alle 1000ms erfolgt die ADC-Erfassung von Spannung und Strom sowie die Berechnung neuer Anzeigenwerte.

Die Messung erfolgt dabei am sowieso vorhandenen 1K Strombegrenzungswiderstand der hierbei als Shunt verwendet wird. Zusammen mit den nachgeschalteten Abblockkondensatoren ergibt sich eine erste Bandbreitenlimitierung. Eine Weitere Filterung wird durch die Auflösungserhöhung von 16 auf 20 Bit (Oversampling) erreicht.
Der gemessene Effektivwert am 1K Widerstand beträgt 8.3 uA.
Der gemessene gefilterte Spitzenwert 83uA. Ohne Filterung wären es in der Größenordnung von ca 1mA.
Beim Display Refresh alle 16 ms ist der Effektivwert bei nur 6.9 uA.

== Downloads ==

* [[Media:BMON1048_MPASM.ZIP| Source code für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_Schaltbild.pdf| Schaltplan für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_gcprevue.zip| Layout (Gerber) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_PDF.zip| Layout (PDF) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_STK.txt| Stückliste Batteriewächter BMON1048]]

== Weblinks ==

* [http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00000053.pdf L200_Datasheet]
* [https://assets.nexperia.com/documents/data-sheet/BSS84.pdf BSS84P_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF245A-B-C.pdf BF245C_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF545A_BF545B_BF545C.pdf BF545C_Datasheet]
* [http://www.torex.co.jp/english/products/voltage_regulators/data/XC6216_XE6216.pdf XC6216_Datasheet]
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39631e.pdf PIC18F2520_Datasheet]
* [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm285-1.2-n.pdf LM385Z-1.2_Datasheet]
* [https://www.onsemi.com/pub/Collateral/BSS138-D.PDF BSS138_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Hintergrund-gruen/LCD-2-0-13/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=3005&ARTICLE=10179&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& LCD-2-13]
* [https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/1763fh.pdf LT1763_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Proma-Gehaeuse/GEH-EG-2/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=5199&ARTICLE=50424&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& Gehäuse_EG2]
* [http://www.graphicode.com/ GC-Prevue Gerber viewer]

== Siehe auch ==

* [http://www.mikrocontroller.net/topic/288063 Forum: Diskussion zu diesem Projekt]

[[Kategorie:Wettbewerb]]
[[Kategorie:PIC-Projekte]]
[[Kategorie:Spannungsversorgung_und_Energiequellen]]
[[Kategorie:Messtechnik]]
[[Kategorie:Projekte]]

Batteriewächter

2017-06-11T16:17:58Z

An ja: Strommessung mit dem Oszi

''von Anja''

{{Wettbewerb Header}}

[[Bild:BMON_1048_3_IMG0982w.JPG|thumb|300px|Batteriewächter]]
'''Eigenschaften'''
* Schaltausgang zum Abschalten der Last bei Unterspannung
* Mikroprozessordesign mit PIC18F2520
* Geringer Stromverbrauch typ. 10µA
* Geringe Mindestspannung typ. 2.5V
* Optional bestückbares Ladeteil mit L200
* Breiter Einsatzbereich von 4-12 NiMH Zellen oder 6-12V Bleiakkus
* Leiterplatte angepasst für Frontplatte eines EG2-Aluminiumgehäuses (ProMa)

'''Anwendungen'''
* Batteriemanagement
* Aus Messwert gespeistes Panelmeter

== Vorgeschichte ==

Eigentlich wollte ich nur eine einfache Anzeige für meine, per Akku gespeisten Referenzen: wann müssen die 9V-Blocks wieder ans Ladegerät. Ein einfaches Drehspulinstrument hätte es getan. Allerdings brauchen diese relativ viel Strom im Verhältnis zu einer ISL21009. Und bei einer Empfindlichkeit von 100µA sind sie auch nicht ganz billig.

Die nächste Idee: Eine low power Referenz und ein Komparator (oder gleich einen ICL7665). Nur: Was dann als Anzeige nehmen? Selbst eine low current LED braucht einige 100µA für die Anzeige.

Alternative Anzeigen wären eine einfache LCD Balkenanzeige wie im Handy. Diese sind allerdings nicht im DIP 8 Gehäuse erhältlich. Als Alternative bleiben eigentlich nur passive LC-Anzeigen mit 2-4 Digits.

Das Ganze zu takten war die nächste Idee. Also wie beim Rauchmelder nur kurze Mess- und Anzeigephasen um Strom zu sparen.

In der Zwischenzeit waren auch Referenzen im Programm, die eine Mindestspannung von 9V oder 14V benötigen. Die Anzahl der Zellen (8-12) ist also so gewachsen, dass die 16V des ICL7665 oder gängiger CMOS Logik nicht mehr ausreichen.

Schön wäre auch eine "richtige" Spannungsanzeige - also muss ein Prozessor her. Nachdem auch die ersten 9V-Blocks Schwächen wegen Tiefentladung zeigten, sollte das Ganze auch einen Unterspannungsschutz haben.

Zum damaligen Zeitpunkt gab es nur wenige Spannungsregler mit Eingangsspannungen bis 20 oder 25V und Eigenstromverbrauch unter 20µA. Und die auch nur von Farnell, also für Privat quasi unobtanium.

Eine Idee hatte ich schon länger um z.B. Uhrenchips im 12V-System zu betreiben: Ein normaler Sperrschicht-FET hat eine negative UGS-Spannung. Wenn man das Gate also an Masse anschließt müsste am Source eine halbwegs stabile Backup-Spannung übrig bleiben. Und das auch noch ohne dass der Spannungsregler einen nennenswerten Strom braucht.

Der Ehrgeiz war geweckt, es müsste doch möglich sein einen prozessorgesteuerten Komparator mit Spannungsanzeige bei unter 20µA Stromverbrauch und mit Versorgung direkt aus der Batterie im Bereich 5-20V zu entwickeln...

== Blockschaltbild ==

[[Bild:BMON_1048_BLOCK.PNG|thumb|right|350px|BMON148 - Blockschaltbild]]

Die Schaltung auf der Leiterplatte umfasst ein einfaches Ladeteil mit L200. Die Speisung erfolgt mit einem externen 24V Steckernetzteil. Ein Low-Power Spannungsregler erzeugt die VCC-Versorgung für den Prozessorteil. Der Prozessor misst die Akkuspannung sowie den Ladestrom und erzeugt das Steuersignal für die Endstufe. Auf dem Display werden die Akkuspannung sowie der Ladestrom angezeigt. Der Taster dient zum Ein-/Ausschalten der Last. Da der Leistungsteil je nach Last sehr unterschiedlich sein kann (z.B. BTS555 für Hochstromanwendungen), ist er außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Als Schaltungsbeispiel wird eine Endstufe mit LT1763 gezeigt.

=== Ladeteil ===

[[Bild:BMON_1048_L200.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Ladeteil]]

Das Ladeteil ist eine Standardapplikation mit L200, ergänzt um einen Spannungsausgang für die Strommessung.
Die maximale Ladespannung wird mittels Spannungsteiler R12 zu R11 eingestellt. R13 ist parallel zu R12 und wird für den Feinabgleich der Ausgangsspannung verwendet. Auf der Leiterplatte sind die Widerstände wahlweise als SMD (R11..R13) oder bedrahtet (R11A..R13A) bestückbar. R11A ist mit 820 Ohm bestückt. R12A mit 4K7 parallel zu R13A mit 130k ergibt 4K54. Die Ausgangsspannung von 18.1 V ergibt sich aus der Referenzspannung von 2.77V des L200 * (1 + 4540R/820R). R14 begrenzt den Strom auf ca. 200 mA (0.45V / 2R2).
Diode D2 verhindert ein Entladen des Akkus wenn das Steckernetzteil nicht angeschlossen ist. D3 dient als Verpolschutz.
Die Schaltung um U3 verstärkt die Spannung über dem Strombegrenzungswiderstand. Es muss zwingend ein OP verwendet werden dessen common mode input range an die positive Versorgung reicht. Bei einem TL062 ist dies bei normalen Raumtemperaturen gegeben. Die Spannung über R14 wird im Verhältnis R16/R15 = 2.32 fach verstärkt. Bei 200mA, also 450mV am Strombegrenzungswiderstand, ergibt sich für den ADC-Eingang eine Spannung von 1.04V über R16.
L1, L2 sowie C15-C19 bilden ein optional bestückbares EMV-Filter. C18+C19 filtern hierbei die Störungen über einen M3 Distanzbolzen auf das Aluminiumgehäuse.

=== Spannungsregler ===

[[Bild:BMON_1048_VCC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Spannungsregler BF245C]]

Es gibt 3 alternative Bestückungsvarianten:

U5 ist ein low power Spannungsregler XC6216 von Torex. An Ein- und Ausgang werden 1µF Kondensatoren benötigt. Der Ruhestromverbrauch ist mit 5µA im Datenblatt angegeben.

Da mir das vieeel zu hoch ist, habe ich einen Sperrschicht-FET als Spannungsregler verwendet. Ein BF245C hat bei kleinen Strömen je nach Exemplarstreuung eine Gate/Source Spannung von -3.2 .. -7.5 V zwischen Gate und Source.
Wenn man jetzt das Gate auf Masse legt, und an Drain die ungeregelte Eingangsspannung, bleibt am Source eine Ausgangsspannung von +3.2 bis 7.5V.
Da der nachgeschaltete Prozessor maximal 5.5V Spannung verträgt müssen die FETs selektiert werden. Bei der maximalen Eingangsspannung und minimaler Last (also nur die 10 Meg-Ohm des Messinstrumentes) dürfen die 5.5V nicht überschritten werden. Bei der typischen Last von 10µA, entsprechend 330K, sollten mindestens ca. 3.8V als minimale Spannung übrig bleiben.

Beim Austesten auf dem Steckbrett habe ich herausgefunden, dass der FET relativ empfindlich auf Störimpulse reagiert und teilweise hierdurch auch hohe Spannungen an den Ausgang durchlässt. Abhilfe schaffen Abblockkondensatoren an Ein- und Ausgang. Im Gegensatz zum XC6216 reichen für den FET normale 100nF Abblockkondensatoren. Die Diode D1 dient als Verpolschutz. R2 begrenzt beim FET schnelle Spannungsanstiege sowie den Maximalstrom. Das Austesten auf dem Steckbrett sollte mit den Abblock-Cs und der Schutzbeschaltung erfolgen.

Von 10 getesteten FETs hatten alle eine maximale Spannung im Bereich 4.57 bis 4.80 V bei 25V Eingangsspannung. Bei Belastung mit 1K-Ohm und 9V Eingangsspannung habe ich 2.61V bis 2.77V gemessen. Der Regler hat also ausreichend Reserven. Die Mühe des Selektierens wird belohnt durch einen Stromverbrauch von nicht messbaren wenigen nA für den Spannungsregler.

R2 sollte bei Verwendung des XC6216 durch einen 0 Ohm Widerstand ersetzt werden. Allerdings habe ich diese Schaltungsvariante noch nicht getestet.

Eine weitere Möglichkeit ist die Bestückung eines BF545C (= SMD-Version des BF245C im SOT-23 Gehäuse) an der Position des Spannungsreglers U5. In diesem Fall ist Source und Drain des FETs vertauscht. Da der Chip des FET jedoch symmetrisch aufgebaut ist funktioniert er unabhängig von der Polarität von Source und Drain. Siehe auch Abschnitt Nachtrag.

=== Prozessorteil ===

[[Bild:BMON_1048_PIC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Prozessorteil]]

Als Prozessor wird ein PIC18F2520 verwendet. Es ist quasi der low power Nachfolger eines PIC16F876. Der Strom mit internem Oszillator beträgt ca. 1mA. Um den Stromverbrauch zu reduzieren, ist der Prozessor hauptsächlich im sleep mode und wird nur alle 16ms aufgeweckt, um die Flanken für die Wechselspannung von 30Hz für die passive LC-Anzeige zu generieren, die auch die meisten Pins benötigt. C4 mit 10µF puffert kurze Stromspitzen in der Aufwachphase. C7 mindert EMV-Störungen.

Die Batteriespannung wird über Spannungsteiler R4/R5 an Pin RA2 gemessen. U2 sorgt mit R3 für eine stabile Referenz von 1.235V auch bei schwankenden Versorgungsspannungen. Kurzzeitig werden für den Referenzeingang bis zu 150µA und für die Referenzdiode bis zu 20µA benötigt. Da kein Abblockkondensator an der Referenz verwendet wird, ist R3 relativ niederohmig dimensioniert.

Die Stromsparfunktionen werden alle mit PIN RA1 gesteuert. Die Auswertung der Eingänge erfolgt nur ein Mal je Sekunde. Dies betrifft R3 als Versorgung für die Referenzdiode sowie R6 als pull up Widerstand für den Taster. Über T2 wird der Spannungsteiler für die Batteriespannung stromlos geschaltet. Der BSS138 ist ein FET mit geringer UGS threshold voltage von max. 1.5V. Er begrenzt also am Source die Drain-Spannung auf VCC-1.5V. Da die Referenzspannung 1.2V beträgt, ergibt sich durch den FET bei einer Versorgungsspannung bis herab zu 2.7V noch keine Begrenzung des Messbereichs für die Batteriespannung von bis zu 25.5V.

Der Ladestrom wird über Analogeingang RA0 gemessen.

Mit der gewählten Dimensionierung für R4/R5 ergibt sich ein Messbereich von 25.5V für die Batteriespannung. Der Strombereich ist für ca. 240mA ausgelegt.

An Pin RB6 wird schließlich das Schaltsignal für die Endstufe erzeugt.

=== Bedienteil ===

[[Bild:BMON_1048_HMI.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Bedienteil]]

Aus Platzgründen (Frontplatte des EG2-Gehäuses von ProMa) konnte leider nur ein 2-stelliges LC-Display verwendet werden. Um dennoch Spannungen größer 9.9V darstellen zu können, wird der führende Dezimalpunkt als Zehner-Stelle verwendet. Ab 20.0V fängt dann der Dezimalpunkt an zu blinken. Bei Verwendung eines 3 oder 4-stelligen Displays würde man anstelle des führenden Dezimalpunktes beide Segmente für die führende "1" anschließen.
Der Kondensator C5 hält Gleichspannungssignale vom Display fern. Dies ist insbesonders nützlich beim Flashen bzw. in der Debugging Phase.

J1 ist die Verbindung zur Mutterplatine. Dort kann noch ein zweiter Taster parallel zum Taster auf der Frontplatte angeschlossen werden. R7 dient als Kurzschlußschutz bzw. zur Stromreduzierung des Schaltsignals.

=== Endstufe ===

[[Bild:BMON_1048_POWER.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Endstufe LT1763]]

Die Endstufe ist außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Damit ergibt sich maximale Flexibilität von wenigen mA bis zu mehreren Ampere über einen BSS138 Treiber mit BTS555 Endstufe. Der Anschluss an die BMON1048 Leiterplatte erfolgt über Buchsenleisten auf der Leiterplatte mit der Endstufe. Die Stecker für den Ladeteil und den Prozessorteil sind getrennt ausgeführt. Damit können die Messleitungen direkt am Batteriepack angeschlossen werden (4-Leiter Anschluss). Übergangswiderstände am Stecker und der Leitungen haben dann weniger Einfluss auf die Messung.

Hier ist ein Beispiel für eine Endstufe mit LT1763 für maximal 20V Ladeendspannung gezeigt. Im ausgeschalteten Zustand verbraucht der Spannungsregler weniger als 1µA zusätzlich. Der Ruhestrom mit 30µA ist ebenfalls ein guter Wert. C10 ist vorzugsweise ein Folienkondensator (geringer Mikrofonieeffekt) zur Rauschunterdrückung. Die Ausgangsspannung wird mit R11+R12 auf 14.0 V eingestellt.

== Software ==

Die Software hat folgende Funktionen:

* Messen der Spannung und des Stroms linksbündig als 10 Bit Wert
* Verrechnung eines Korrekturfaktors aus EEPROM für Feinabgleich
* Anzeige der Spannung auf Display
* Als Timer dient der Watchdog mit 16ms Periode
* Die 30 Hz Wechselspannung für das Display wird hieraus abgeleitet
* Im Ladebetrieb erfolgt die Anzeige des Stroms im Wechsel mit der Spannung
* Unterhalb 1.15V/Zelle abschalten der Last (Spannungsanzeige blinkt)
* Oberhalb 1.25V/Zelle wiedereinschalten der Last
* Bei Tastendruck länger als 5 Sekunden wird die Last manuell ein-/ausgeschaltet
* Bei Spannungseinbruch > 0.6V/Minute wird ebenfalls abgeschaltet
* Alle Parameter wie Zellenzahl + Hysterese sind im Header konfigurierbar

<syntaxhighlight lang="c">
#define Cells 12 ; # number of cells
#define mV * 256 * 51/1051/1235 ; 25,6V * 5K1/(100K+5K1)/VRef
#define VOn Cells * 1250 mV ; high hysteresis
#define VOff Cells * 1150 mV ; low hysteresis
#define VOLT_SEC 10 ; check every 10 seconds
#define VDIFF 600 mV ; voltage drop / minute
#define mA * 1 ; 1 mA / count
#define CURR_MIN 10 mA ; min current to display
</syntaxhighlight>

Die Software ist mit MPASM 5.40 (MPLAB 8.70) erstellt. Die Bit-Schubsereien für das Display werden mit Tabellen in Page 0 für alle 3 Ports A-C und die Digits 1-2 abgehandelt.

Bei der Initialisierung wird erst die Hardware initialisiert und danach alle Variablen einschließlich der Kalibrierparameter die aus dem EEPROM gelesen werden. Die Kalibrierfaktoren sind im 2er Komplement als 16 Bit signed Wert gespeichert. Ein Abgleich von +/- 50% entspricht +/-32768 als Wert.

Die meiste Zeit verbringt der Prozessor im sleep mode. Alle 16 ms weckt der Watchdog den Prozessor auf, um die Pins für die Anzeige zu invertieren. Jede Sekunde finden zusätzlich noch Messfunktionen, einschließlich update der Anzeige sowie die Tastenabfrage statt.
Um Zeit (und damit Strom) zu sparen, wird die Wartezeit aufs ADC-Ergebnis genutzt, um eine Tastenentprellung bzw. die Vorverarbeitung der Spannungsmessung während der Strommessung durchzuführen.
Alle 10 Sekunden wird das High-Byte des Spannungswertes in einen Ringpuffer mit 6 Einträgen für die vergangene Minute eingetragen. Dies dient unterhalb der Einschaltschwelle zum Detektieren eines plötzlichen Spannungsabfalls falls eine Zelle schneller entladen ist, als die übrigen im Pack.

== Aufbau ==

<gallery>
Bild:Loetseite_IMG0964W.JPG|BMON1048 - Lötseite
Bild:BMON1048_BS_IMG0968W.JPG|Bestückungsseite
Bild:BMON1048_BST_LS.PNG|Position LS
Bild:BMON1048_BST_BS.PNG|Position BS
</gallery>

=== Lötseite ===

Die Leiterplatte ist doppelseitig. Die meisten Durchkontaktierungen liegen auf bedrahteten Bauelementen so dass eine durchkontaktierte Leiterplatte nicht zwingend nötig ist. Die drei Durchkontaktierungen im Bereich des Programmiersteckers können auch mit Kupferhohlnieten oder einer Drahtbrücke bestückt werden.

Am besten beginnt man nach Durchkontaktieren mit der Bestückung auf der Lötseite. C18, C19 sowie U5 sind im Muster nicht bestückt.

=== Bestückungsseite ===

Auf der Bestückungsseite werden zuerst die Bauteile unter dem Display, sowie die Widerstände unter dem L200 bestückt. Einige bedrahtete Bauteile müssen auf beiden Seiten der Platine verlötet werden, falls keine durchkontaktierte Leiterplatte verwendet wird.

Die Ladebuchse ist auf die Leiterplatte aufgesetzt. Die Anschlüsse werden mit Silberdraht verlängert. Mit dem Verlöten des Silberdrahtes sollte man, wie beim L200, so lange warten, bis die Frontplatte montiert ist.
In den Layoutdaten ist auch ein Layer für die Frontplatte enthalten, der als Bohrhilfe verwendet werden kann.

Der L200 ist über Kopf bestückt, die Anschlussdrähte also gegenüber dem stehenden Einbau auf die andere Seite abgewinkelt. Bei Verwendung von 10mm Distanzbolzen muss als Isolierung mindestens eine 1.5 mm Aluminiumoxidscheibe verwendet werden, damit sich die Pins des L200 im montierten Zustand verlöten lassen. Die Frontplatte des EG2-Gehäuses dient hiermit gleichzeitig als Kühlfläche.

C12 muss liegend montiert werden.

Für das Display verwende ich eine 18-polige Präzisionsfassung, die mit dem Seitenschneider auseinander geschnitten wird. Verlöten geht am einfachsten wenn das Display bereits in die Fassung gesteckt ist. Die beiden Pins 1 + 18 für die Backplane sind auf der Leiterplattenoberseite verbunden (Lötung unter der Fassung nicht vergessen).

Der Taster ist eine Ausführung mit langem Stößel, wenn die Bedienung ohne Hilfswerkzeug möglich sein soll.

=== Montagedetail L200 ===

[[Bild:BMON1048_L200_IMG0981W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - L200 Montage]]

Montagedetail L200:

* M3 Schraube
* Frontplatte
* Aluminiumoxidscheibe (AOS220 - 1.5mm)
* L200
* Isolierbuchse
* Unterlegscheibe (fehlt im Bild)
* M3 Mutter

=== Frontansichten ===

* Ansicht montiert mit Spannungsanzeige 16.7V
* Ansicht Ladebetrieb mit Stromanzeige 188mA

<gallery>
Bild:BMON1048_Spannung_IMG0965W.JPG|Spannungsanzeige
Bild:BMON1048_Strom_IMG0966W.JPG|Stromanzeige
</gallery>

== Inbetriebnahme und Abgleich ==

Der Ladeteil und der Batteriewächter können, auf Grund der getrennten Steckverbinder, unabhängig voneinander in Betrieb genommen werden.

=== Ladeteil ===

An einem strombegrenzten Netzteil (ca. 20-100mA) wird die Spannung an der Ladebuchse langsam von 0V an erhöht und die Stromaufnahme gemessen. Der Eigenverbrauch des L200 liegt bei ca. 10mA. Dieser Wert darf nicht wesentlich überschritten werden. Ist alles in Ordnung dreht man die Spannung langsam auf 24V. Die Ausgangsspannung des L200 sollte vor der Verpolschutzdiode D2 gemessen ca. 18.1V sein. Falls nicht, kann man durch Feinabgleich des Widerstandes R13 noch etwas korrigieren.
Danach einen Akkusatz anschließen und die Strombegrenzung des Netzteils langsam auf ca. 250mA-300mA drehen. Der Strom in den Akku sollte durch den L200 auf ca. 200 mA begrenzt werden.
Bei vollgeladenem Akku sollte der Strom unter C/50 besser C/100 (also 20-40 mA) zurückgehen. Gegebenenfalls ist die Ladeendspannung etwas zu reduzieren.

=== Prozessorteil ===

Zunächst wird der Prozessor mit einem Programmiergerät geflasht. Bei Verwendung des FET-Spannungsreglers darauf achten, dass die Spannungsversorgung für den Prozessor vom Programmiergerät (z.B. PICKIT3) zur Verfügung gestellt wird.
Hierbei darauf achten, dass die nominalen Kalibrierwerte im EEPROM nicht zu weit von den Defaultwerten abweichen.
Bei der Spannung ist der Defaultwert = 0x00, 0x00 (= Faktor 1.0 bzw. 0% Korrektur)
Beim Strom ist die Verstärkung nicht ganz auf einen Strom-Endwert von 255mA ausgelegt, sondern etwa 5 Prozent tiefer. Der nominale Kalibrierwert für den Strom beträgt daher 0xF3, 0x1B (= Faktor 0.94963 bzw. -5.04%).

Nach dem Flashen wird an die beiden mittleren Pins von J1 eine Spannung von ca. 5V angeschlossen. Ist alles ok, sollte das Display die Spannung blinkend anzeigen. Der Ausgang J1 PIN 1 weist hierbei Low-Pegel auf. Die Spannung wird langsam auf ca. 20V (max. 25V) erhöht und die prozentuale Abweichung zwischen Sollwert und Anzeige berechnet. Ab ca. 15.0 V verschwindet das Blinken und der Ausgang wechselt auf High-Pegel (>2.4V). Unterhalb ca. 13.8V wird die Last wieder abgeschaltet und das Display blinkt wieder.
Danach wird ein Akku (15-17V) an Prozessorteil und Ladeteil angeschlossen. Über ein strombegrenztes Netzteil werden ca. 180mA Ladestrom in den Akku eingestellt. Die Anzeige zeigt jetzt im Wechsel die Akkuspannung und den Ladestrom an. Wiederum wird die prozentuale Abweichung vom tatsächlichen Ladestrom berechnet.
Die prozentualen Abweichungen werden auf die existierenden Kalibrierwerte multipliziert und dann nach einem MPASM-Lauf ins EEPROM geschrieben. Bei Verwendung von MPLAB darauf achten dass im "Release" Modus und nicht im "Debug" Modus gearbeitet wird.

Danach ist der Batteriewächter einsatzbereit.

== Praxis und Ideen ==

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|BMON1035 Stromverbrauch 9.7µA bei 9.3V]]

Anbei ein Aufbau einer Vorgängerversion ohne Ladestrommessung (BMON1035) mit einem Stromverbrauch um 9.7 µA (schwankend) bei einem frisch aufgeladenen Akku mit 9.3V. An einem BMON1048 mit Strommessung habe ich 10-12µA gemessen. Wobei der Stromverbrauch auch von der tatsächlichen Versorgungsspannung des Prozessors abhängt.

Ich habe zwei Schaltungen mit ca. 30 mA Last seit 2.5 Jahren im Dauerbetrieb mit je 12 AA-Zellen und täglichem Ladebetrieb. Der erste Akkusatz zeigt seit letztem Sommer (bis zu 32 Grad Raumtemperatur während dem Laden) einen erhöhten Innenwiderstand. Der Ladestrom bei vollem Akku lag hierbei bei erhöhter Temperatur bei 60-70mA.

Die Spannungsdifferenz beim Einstecken / Entfernen des Ladegerätes ist bei diesem Akkusatz ca. 1V. Bei niedrigen Spannungen unter 15V und kurzem Ladebetrieb wird hierdurch die Last ungewollt abgeworfen. Das Kriterium 0.6V Abfall innerhalb einer Minute wird überschritten.
Der andere Akkusatz liegt immer noch bei 0.2V Differenz zwischen Normal und Ladebetrieb.

Ganz oben auf der Wunschliste steht der vereinfachte Abgleich der Kalibrierwerte im EEPROM. Denkbar wäre irgendein Morsecode über den Taster oder ein Jumper an einem freien Pin, um den Abgleich bei angelegten Referenzwerten zu starten.

Freier Speicherplatz ist jedenfalls genügend vorhanden. Wobei Sonderfunktionen nur selten gerechnet werden sollten, um den Stromverbrauch nicht zu stark zu erhöhen.

Die führende "1" wird derzeit wegen des 2-stelligen Displays als Dezimalpunkt angezeigt. Bei einem 3-stelligen Display würde man anstelle des Dezimalpunktes die beiden Segmente "b" und "c" für die "1" parallel ansteuern.

Ideen:
* Temperaturkompensation der End-Ladespannung mittels NTC / Dioden
* Alternativ: Abschaltung des Ladezweigs per Prozessor-Pin, wenn der Ladestrom bei der Endspannung eingeschwungen ist
* Lernfunktion Berücksichtigung Spannungsdifferenz bei Ladebetrieb für Abschaltkriterium
* Automatisiertes Speichern der Abgleichwerte im EEPROM

Anpassung an andere Zellenzahlen:

:{| class="wikitable"
|+ '''Ladeteil L200'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R13 || UE,min || UE,nom
|-
| 4 || 6.5 || 2K2 || 2K2 || 10.2V || 12V
|-
| 5 || 7.95 || 2K2 || 5K1 || 11.7V || 13V
|-
| 6 || 9.4 || 2K2 || 18K || 13.1V || 15V
|-
| 7 || 10.85 || 2K4 || --- || 14.6V || 16V
|-
| 8 || 12.3 || 3K0 || 47K || 16.0V || 18V
|-
| 10 || 15.2 || 3K9 || 68K || 18.9V || 20V
|-
| 12 || 18.1 || 4K7 || 130K || 21.8V || 24V
|}

Die minimale Netzteilspannung UE,min gilt für den worst case. In der Praxis hat man hierbei ca 0.5V Reserve.

:{| class="wikitable"
|+ '''Lastregler LT1763 (Ausserhalb Leiterplatte)'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R11
|-
| 5 || 5.1 || 4K7 || 15K
|-
| 6 || 6.0 || 10K || 39K
|-
| 7 || 8.0 || 2K7 || 15K
|-
| 8 || 9.35 || 3K3 || 22K
|-
| 10 || 11.5 || 3K9 || 33K
|-
| 12 || 12.0 || 2K7 || 24K
|-
| 12 || 14.0 || 6K49 || 68K
|}

== Nachtrag ==

[[Bild:BMON1048_BF545C.JPG|thumb|300px|BMON1035 Bestückungsvariante mit BF545C]]

Da der BF245C in der Zwischenzeit nicht mehr hergestellt wird und nur noch in Restbeständen im Handel ist, wird hier eine Bestückungsvariante mit der SMD-Version des BF245C gezeigt. Die SMD-Version heißt BF545C und ist z.B. bei Reichelt, DigiKey, RS-Components oder Farnell erhältlich. Im Bild ist die Bestückung an der Position von U5 gezeigt.
Der FET sitzt rechts in der Mitte und trägt die Markierung 22W.
Hierbei ist gegenüber dem Schaltplan Source und Drain vertauscht was allerdings keine Auswirkung auf die Funktion hat. Der größte Nachteil ist daß eine vorherige Selektion der FETs auf Spannung mittels Breadboard nicht möglich ist. Der Musteraufbau mit einem willkürlich ausgewählten BF545C hatte ohne Prozessor gemessen folgende Spannungswerte:
* 4,54V @ 27,3 V und 10 MOhm Last (nur Multimeter)
* 3,95V @ 9,1 V und 100K Last
* 2,58V @ 9,1 V und 1K Last

Also auch hier ausreichend Abstand zu kritischen Werten.

Falls keine durchkontaktierte Leiterplatte verwendet wird, darf die Durchkontaktierung am BF245 Pin nicht vergessen werden.

== Nachtrag2: Strommessung mit dem Oszi ==

[[Datei:20160511 BMON current 1K 20bits peak overview.png|miniatur]]
[[Datei:20160511 BMON current 1K 20bits peak rising.png|miniatur]]
[[Datei:20160511 BMON current 1K 20bits display refresh.png|miniatur]]

Eine genauere mittlere Strommessung ist mit dem Oszi möglich.
Die Schaltung wacht alle 16 ms für die AC-Erzeugung der Anzeige auf.
Alle 500ms werden die Blinkfunktionen berechnet.
Alle 1000ms erfolgt die ADC-Erfassung von Spannung und Strom sowie die Berechnung neuer Anzeigenwerte.

Die Messung erfolgt dabei am sowieso vorhandenen 1K Strombegrenzungswiderstand der hierbei als Shunt verwendet wird. Zusammen mit den nachgeschalteten Abblockkondensatoren ergibt sich eine erste Bandbreitenlimitierung. Eine Weitere Filterung wird durch die Auflösungserhöhung von 16 auf 20 Bit (Oversampling) erreicht.
Der gemessene Effektivwert am 1K Widerstand beträgt 8.3 uA.
Der gemessene gefilterte Spitzenwert 83uA. Ohne Filterung wären es in der Größenordnung von ca 1mA.
Beim Display Refresh alle 16 ms ist der Effektivwert bei nur 6.9 uA.

== Downloads ==

* [[Media:BMON1048_MPASM.ZIP| Source code für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_Schaltbild.pdf| Schaltplan für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_gcprevue.zip| Layout (Gerber) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_PDF.zip| Layout (PDF) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_STK.txt| Stückliste Batteriewächter BMON1048]]

== Weblinks ==

* [http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00000053.pdf L200_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BSS84.pdf BSS84P_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF245A-B-C.pdf BF245C_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF545A_BF545B_BF545C.pdf BF545C_Datasheet]
* [http://www.torex.co.jp/english/products/voltage_regulators/data/XC6216_XE6216.pdf XC6216_Datasheet]
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39631e.pdf PIC18F2520_Datasheet]
* [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm285-1.2-n.pdf LM385Z-1.2_Datasheet]
* [http://www.fairchildsemi.com/ds/BS/BSS138.pdf BSS138_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Hintergrund-gruen/LCD-2-0-13/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=3005&ARTICLE=10179&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& LCD-2-13]
* [http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1763fh.pdf LT1763_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Proma-Gehaeuse/GEH-EG-2/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=5199&ARTICLE=50424&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& Gehäuse_EG2]
* [http://www.graphicode.com/ GC-Prevue Gerber viewer]

== Siehe auch ==

* [http://www.mikrocontroller.net/topic/288063 Forum: Diskussion zu diesem Projekt]

[[Kategorie:Wettbewerb]]
[[Kategorie:PIC-Projekte]]
[[Kategorie:Spannungsversorgung_und_Energiequellen]]
[[Kategorie:Messtechnik]]
[[Kategorie:Projekte]]

Datei:20160511 BMON current 1K 20bits display refresh.png

2017-06-11T15:58:30Z

An ja:

BMON1048: Zoom display refresh alle 16 ms

Datei:20160511 BMON current 1K 20bits peak rising.png

2017-06-11T15:57:12Z

An ja:

BMON1048: Strommessung Zoom Strompeak

Datei:20160511 BMON current 1K 20bits peak overview.png

2017-06-11T15:53:39Z

An ja:

BMON1048: Strommessung am 1K Eingangswiderstand mit Oszi

Batteriewächter

2015-08-26T08:53:05Z

An ja: /* Weblinks aktualisiert */

''von Anja''

{{Wettbewerb Header}}

[[Bild:BMON_1048_3_IMG0982w.JPG|thumb|300px|Batteriewächter]]
'''Eigenschaften'''
* Schaltausgang zum Abschalten der Last bei Unterspannung
* Mikroprozessordesign mit PIC18F2520
* Geringer Stromverbrauch typ. 10µA
* Geringe Mindestspannung typ. 2.5V
* Optional bestückbares Ladeteil mit L200
* Breiter Einsatzbereich von 4-12 NiMH Zellen oder 6-12V Bleiakkus
* Leiterplatte angepasst für Frontplatte eines EG2-Aluminiumgehäuses (ProMa)

'''Anwendungen'''
* Batteriemanagement
* Aus Messwert gespeistes Panelmeter

== Vorgeschichte ==

Eigentlich wollte ich nur eine einfache Anzeige für meine, per Akku gespeisten Referenzen: wann müssen die 9V-Blocks wieder ans Ladegerät. Ein einfaches Drehspulinstrument hätte es getan. Allerdings brauchen diese relativ viel Strom im Verhältnis zu einer ISL21009. Und bei einer Empfindlichkeit von 100µA sind sie auch nicht ganz billig.

Die nächste Idee: Eine low power Referenz und ein Komparator (oder gleich einen ICL7665). Nur: Was dann als Anzeige nehmen? Selbst eine low current LED braucht einige 100µA für die Anzeige.

Alternative Anzeigen wären eine einfache LCD Balkenanzeige wie im Handy. Diese sind allerdings nicht im DIP 8 Gehäuse erhältlich. Als Alternative bleiben eigentlich nur passive LC-Anzeigen mit 2-4 Digits.

Das Ganze zu takten war die nächste Idee. Also wie beim Rauchmelder nur kurze Mess- und Anzeigephasen um Strom zu sparen.

In der Zwischenzeit waren auch Referenzen im Programm, die eine Mindestspannung von 9V oder 14V benötigen. Die Anzahl der Zellen (8-12) ist also so gewachsen, dass die 16V des ICL7665 oder gängiger CMOS Logik nicht mehr ausreichen.

Schön wäre auch eine "richtige" Spannungsanzeige - also muss ein Prozessor her. Nachdem auch die ersten 9V-Blocks Schwächen wegen Tiefentladung zeigten, sollte das Ganze auch einen Unterspannungsschutz haben.

Zum damaligen Zeitpunkt gab es nur wenige Spannungsregler mit Eingangsspannungen bis 20 oder 25V und Eigenstromverbrauch unter 20µA. Und die auch nur von Farnell, also für Privat quasi unobtanium.

Eine Idee hatte ich schon länger um z.B. Uhrenchips im 12V-System zu betreiben: Ein normaler Sperrschicht-FET hat eine negative UGS-Spannung. Wenn man das Gate also an Masse anschließt müsste am Source eine halbwegs stabile Backup-Spannung übrig bleiben. Und das auch noch ohne dass der Spannungsregler einen nennenswerten Strom braucht.

Der Ehrgeiz war geweckt, es müsste doch möglich sein einen prozessorgesteuerten Komparator mit Spannungsanzeige bei unter 20µA Stromverbrauch und mit Versorgung direkt aus der Batterie im Bereich 5-20V zu entwickeln...

== Blockschaltbild ==

[[Bild:BMON_1048_BLOCK.PNG|thumb|right|350px|BMON148 - Blockschaltbild]]

Die Schaltung auf der Leiterplatte umfasst ein einfaches Ladeteil mit L200. Die Speisung erfolgt mit einem externen 24V Steckernetzteil. Ein Low-Power Spannungsregler erzeugt die VCC-Versorgung für den Prozessorteil. Der Prozessor misst die Akkuspannung sowie den Ladestrom und erzeugt das Steuersignal für die Endstufe. Auf dem Display werden die Akkuspannung sowie der Ladestrom angezeigt. Der Taster dient zum Ein-/Ausschalten der Last. Da der Leistungsteil je nach Last sehr unterschiedlich sein kann (z.B. BTS555 für Hochstromanwendungen), ist er außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Als Schaltungsbeispiel wird eine Endstufe mit LT1763 gezeigt.

=== Ladeteil ===

[[Bild:BMON_1048_L200.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Ladeteil]]

Das Ladeteil ist eine Standardapplikation mit L200, ergänzt um einen Spannungsausgang für die Strommessung.
Die maximale Ladespannung wird mittels Spannungsteiler R12 zu R11 eingestellt. R13 ist parallel zu R12 und wird für den Feinabgleich der Ausgangsspannung verwendet. Auf der Leiterplatte sind die Widerstände wahlweise als SMD (R11..R13) oder bedrahtet (R11A..R13A) bestückbar. R11A ist mit 820 Ohm bestückt. R12A mit 4K7 parallel zu R13A mit 130k ergibt 4K54. Die Ausgangsspannung von 18.1 V ergibt sich aus der Referenzspannung von 2.77V des L200 * (1 + 4540R/820R). R14 begrenzt den Strom auf ca. 200 mA (0.45V / 2R2).
Diode D2 verhindert ein Entladen des Akkus wenn das Steckernetzteil nicht angeschlossen ist. D3 dient als Verpolschutz.
Die Schaltung um U3 verstärkt die Spannung über dem Strombegrenzungswiderstand. Es muss zwingend ein OP verwendet werden dessen common mode input range an die positive Versorgung reicht. Bei einem TL062 ist dies bei normalen Raumtemperaturen gegeben. Die Spannung über R14 wird im Verhältnis R16/R15 = 2.32 fach verstärkt. Bei 200mA, also 450mV am Strombegrenzungswiderstand, ergibt sich für den ADC-Eingang eine Spannung von 1.04V über R16.
L1, L2 sowie C15-C19 bilden ein optional bestückbares EMV-Filter. C18+C19 filtern hierbei die Störungen über einen M3 Distanzbolzen auf das Aluminiumgehäuse.

=== Spannungsregler ===

[[Bild:BMON_1048_VCC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Spannungsregler BF245C]]

Es gibt 3 alternative Bestückungsvarianten:

U5 ist ein low power Spannungsregler XC6216 von Torex. An Ein- und Ausgang werden 1µF Kondensatoren benötigt. Der Ruhestromverbrauch ist mit 5µA im Datenblatt angegeben.

Da mir das vieeel zu hoch ist, habe ich einen Sperrschicht-FET als Spannungsregler verwendet. Ein BF245C hat bei kleinen Strömen je nach Exemplarstreuung eine Gate/Source Spannung von -3.2 .. -7.5 V zwischen Gate und Source.
Wenn man jetzt das Gate auf Masse legt, und an Drain die ungeregelte Eingangsspannung, bleibt am Source eine Ausgangsspannung von +3.2 bis 7.5V.
Da der nachgeschaltete Prozessor maximal 5.5V Spannung verträgt müssen die FETs selektiert werden. Bei der maximalen Eingangsspannung und minimaler Last (also nur die 10 Meg-Ohm des Messinstrumentes) dürfen die 5.5V nicht überschritten werden. Bei der typischen Last von 10µA, entsprechend 330K, sollten mindestens ca. 3.8V als minimale Spannung übrig bleiben.

Beim Austesten auf dem Steckbrett habe ich herausgefunden, dass der FET relativ empfindlich auf Störimpulse reagiert und teilweise hierdurch auch hohe Spannungen an den Ausgang durchlässt. Abhilfe schaffen Abblockkondensatoren an Ein- und Ausgang. Im Gegensatz zum XC6216 reichen für den FET normale 100nF Abblockkondensatoren. Die Diode D1 dient als Verpolschutz. R2 begrenzt beim FET schnelle Spannungsanstiege sowie den Maximalstrom. Das Austesten auf dem Steckbrett sollte mit den Abblock-Cs und der Schutzbeschaltung erfolgen.

Von 10 getesteten FETs hatten alle eine maximale Spannung im Bereich 4.57 bis 4.80 V bei 25V Eingangsspannung. Bei Belastung mit 1K-Ohm und 9V Eingangsspannung habe ich 2.61V bis 2.77V gemessen. Der Regler hat also ausreichend Reserven. Die Mühe des Selektierens wird belohnt durch einen Stromverbrauch von nicht messbaren wenigen nA für den Spannungsregler.

R2 sollte bei Verwendung des XC6216 durch einen 0 Ohm Widerstand ersetzt werden. Allerdings habe ich diese Schaltungsvariante noch nicht getestet.

Eine weitere Möglichkeit ist die Bestückung eines BF545C (= SMD-Version des BF245C im SOT-23 Gehäuse) an der Position des Spannungsreglers U5. In diesem Fall ist Source und Drain des FETs vertauscht. Da der Chip des FET jedoch symmetrisch aufgebaut ist funktioniert er unabhängig von der Polarität von Source und Drain. Siehe auch Abschnitt Nachtrag.

=== Prozessorteil ===

[[Bild:BMON_1048_PIC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Prozessorteil]]

Als Prozessor wird ein PIC18F2520 verwendet. Es ist quasi der low power Nachfolger eines PIC16F876. Der Strom mit internem Oszillator beträgt ca. 1mA. Um den Stromverbrauch zu reduzieren, ist der Prozessor hauptsächlich im sleep mode und wird nur alle 16ms aufgeweckt, um die Flanken für die Wechselspannung von 30Hz für die passive LC-Anzeige zu generieren, die auch die meisten Pins benötigt. C4 mit 10µF puffert kurze Stromspitzen in der Aufwachphase. C7 mindert EMV-Störungen.

Die Batteriespannung wird über Spannungsteiler R4/R5 an Pin RA2 gemessen. U2 sorgt mit R3 für eine stabile Referenz von 1.235V auch bei schwankenden Versorgungsspannungen. Kurzzeitig werden für den Referenzeingang bis zu 150µA und für die Referenzdiode bis zu 20µA benötigt. Da kein Abblockkondensator an der Referenz verwendet wird, ist R3 relativ niederohmig dimensioniert.

Die Stromsparfunktionen werden alle mit PIN RA1 gesteuert. Die Auswertung der Eingänge erfolgt nur ein Mal je Sekunde. Dies betrifft R3 als Versorgung für die Referenzdiode sowie R6 als pull up Widerstand für den Taster. Über T2 wird der Spannungsteiler für die Batteriespannung stromlos geschaltet. Der BSS138 ist ein FET mit geringer UGS threshold voltage von max. 1.5V. Er begrenzt also am Source die Drain-Spannung auf VCC-1.5V. Da die Referenzspannung 1.2V beträgt, ergibt sich durch den FET bei einer Versorgungsspannung bis herab zu 2.7V noch keine Begrenzung des Messbereichs für die Batteriespannung von bis zu 25.5V.

Der Ladestrom wird über Analogeingang RA0 gemessen.

Mit der gewählten Dimensionierung für R4/R5 ergibt sich ein Messbereich von 25.5V für die Batteriespannung. Der Strombereich ist für ca. 240mA ausgelegt.

An Pin RB6 wird schließlich das Schaltsignal für die Endstufe erzeugt.

=== Bedienteil ===

[[Bild:BMON_1048_HMI.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Bedienteil]]

Aus Platzgründen (Frontplatte des EG2-Gehäuses von ProMa) konnte leider nur ein 2-stelliges LC-Display verwendet werden. Um dennoch Spannungen größer 9.9V darstellen zu können, wird der führende Dezimalpunkt als Zehner-Stelle verwendet. Ab 20.0V fängt dann der Dezimalpunkt an zu blinken. Bei Verwendung eines 3 oder 4-stelligen Displays würde man anstelle des führenden Dezimalpunktes beide Segmente für die führende "1" anschließen.
Der Kondensator C5 hält Gleichspannungssignale vom Display fern. Dies ist insbesonders nützlich beim Flashen bzw. in der Debugging Phase.

J1 ist die Verbindung zur Mutterplatine. Dort kann noch ein zweiter Taster parallel zum Taster auf der Frontplatte angeschlossen werden. R7 dient als Kurzschlußschutz bzw. zur Stromreduzierung des Schaltsignals.

=== Endstufe ===

[[Bild:BMON_1048_POWER.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Endstufe LT1763]]

Die Endstufe ist außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Damit ergibt sich maximale Flexibilität von wenigen mA bis zu mehreren Ampere über einen BSS138 Treiber mit BTS555 Endstufe. Der Anschluss an die BMON1048 Leiterplatte erfolgt über Buchsenleisten auf der Leiterplatte mit der Endstufe. Die Stecker für den Ladeteil und den Prozessorteil sind getrennt ausgeführt. Damit können die Messleitungen direkt am Batteriepack angeschlossen werden (4-Leiter Anschluss). Übergangswiderstände am Stecker und der Leitungen haben dann weniger Einfluss auf die Messung.

Hier ist ein Beispiel für eine Endstufe mit LT1763 für maximal 20V Ladeendspannung gezeigt. Im ausgeschalteten Zustand verbraucht der Spannungsregler weniger als 1µA zusätzlich. Der Ruhestrom mit 30µA ist ebenfalls ein guter Wert. C10 ist vorzugsweise ein Folienkondensator (geringer Mikrofonieeffekt) zur Rauschunterdrückung. Die Ausgangsspannung wird mit R11+R12 auf 14.0 V eingestellt.

== Software ==

Die Software hat folgende Funktionen:

* Messen der Spannung und des Stroms linksbündig als 10 Bit Wert
* Verrechnung eines Korrekturfaktors aus EEPROM für Feinabgleich
* Anzeige der Spannung auf Display
* Als Timer dient der Watchdog mit 16ms Periode
* Die 30 Hz Wechselspannung für das Display wird hieraus abgeleitet
* Im Ladebetrieb erfolgt die Anzeige des Stroms im Wechsel mit der Spannung
* Unterhalb 1.15V/Zelle abschalten der Last (Spannungsanzeige blinkt)
* Oberhalb 1.25V/Zelle wiedereinschalten der Last
* Bei Tastendruck länger als 5 Sekunden wird die Last manuell ein-/ausgeschaltet
* Bei Spannungseinbruch > 0.6V/Minute wird ebenfalls abgeschaltet
* Alle Parameter wie Zellenzahl + Hysterese sind im Header konfigurierbar

<syntaxhighlight lang="c">
#define Cells 12 ; # number of cells
#define mV * 256 * 51/1051/1235 ; 25,6V * 5K1/(100K+5K1)/VRef
#define VOn Cells * 1250 mV ; high hysteresis
#define VOff Cells * 1150 mV ; low hysteresis
#define VOLT_SEC 10 ; check every 10 seconds
#define VDIFF 600 mV ; voltage drop / minute
#define mA * 1 ; 1 mA / count
#define CURR_MIN 10 mA ; min current to display
</syntaxhighlight>

Die Software ist mit MPASM 5.40 (MPLAB 8.70) erstellt. Die Bit-Schubsereien für das Display werden mit Tabellen in Page 0 für alle 3 Ports A-C und die Digits 1-2 abgehandelt.

Bei der Initialisierung wird erst die Hardware initialisiert und danach alle Variablen einschließlich der Kalibrierparameter die aus dem EEPROM gelesen werden. Die Kalibrierfaktoren sind im 2er Komplement als 16 Bit signed Wert gespeichert. Ein Abgleich von +/- 50% entspricht +/-32768 als Wert.

Die meiste Zeit verbringt der Prozessor im sleep mode. Alle 16 ms weckt der Watchdog den Prozessor auf, um die Pins für die Anzeige zu invertieren. Jede Sekunde finden zusätzlich noch Messfunktionen, einschließlich update der Anzeige sowie die Tastenabfrage statt.
Um Zeit (und damit Strom) zu sparen, wird die Wartezeit aufs ADC-Ergebnis genutzt, um eine Tastenentprellung bzw. die Vorverarbeitung der Spannungsmessung während der Strommessung durchzuführen.
Alle 10 Sekunden wird das High-Byte des Spannungswertes in einen Ringpuffer mit 6 Einträgen für die vergangene Minute eingetragen. Dies dient unterhalb der Einschaltschwelle zum Detektieren eines plötzlichen Spannungsabfalls falls eine Zelle schneller entladen ist, als die übrigen im Pack.

== Aufbau ==

<gallery>
Bild:Loetseite_IMG0964W.JPG|BMON1048 - Lötseite
Bild:BMON1048_BS_IMG0968W.JPG|Bestückungsseite
Bild:BMON1048_BST_LS.PNG|Position LS
Bild:BMON1048_BST_BS.PNG|Position BS
</gallery>

=== Lötseite ===

Die Leiterplatte ist doppelseitig. Die meisten Durchkontaktierungen liegen auf bedrahteten Bauelementen so dass eine durchkontaktierte Leiterplatte nicht zwingend nötig ist. Die drei Durchkontaktierungen im Bereich des Programmiersteckers können auch mit Kupferhohlnieten oder einer Drahtbrücke bestückt werden.

Am besten beginnt man nach Durchkontaktieren mit der Bestückung auf der Lötseite. C18, C19 sowie U5 sind im Muster nicht bestückt.

=== Bestückungsseite ===

Auf der Bestückungsseite werden zuerst die Bauteile unter dem Display, sowie die Widerstände unter dem L200 bestückt. Einige bedrahtete Bauteile müssen auf beiden Seiten der Platine verlötet werden, falls keine durchkontaktierte Leiterplatte verwendet wird.

Die Ladebuchse ist auf die Leiterplatte aufgesetzt. Die Anschlüsse werden mit Silberdraht verlängert. Mit dem Verlöten des Silberdrahtes sollte man, wie beim L200, so lange warten, bis die Frontplatte montiert ist.
In den Layoutdaten ist auch ein Layer für die Frontplatte enthalten, der als Bohrhilfe verwendet werden kann.

Der L200 ist über Kopf bestückt, die Anschlussdrähte also gegenüber dem stehenden Einbau auf die andere Seite abgewinkelt. Bei Verwendung von 10mm Distanzbolzen muss als Isolierung mindestens eine 1.5 mm Aluminiumoxidscheibe verwendet werden, damit sich die Pins des L200 im montierten Zustand verlöten lassen. Die Frontplatte des EG2-Gehäuses dient hiermit gleichzeitig als Kühlfläche.

C12 muss liegend montiert werden.

Für das Display verwende ich eine 18-polige Präzisionsfassung, die mit dem Seitenschneider auseinander geschnitten wird. Verlöten geht am einfachsten wenn das Display bereits in die Fassung gesteckt ist. Die beiden Pins 1 + 18 für die Backplane sind auf der Leiterplattenoberseite verbunden (Lötung unter der Fassung nicht vergessen).

Der Taster ist eine Ausführung mit langem Stößel, wenn die Bedienung ohne Hilfswerkzeug möglich sein soll.

=== Montagedetail L200 ===

[[Bild:BMON1048_L200_IMG0981W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - L200 Montage]]

Montagedetail L200:

* M3 Schraube
* Frontplatte
* Aluminiumoxidscheibe (AOS220 - 1.5mm)
* L200
* Isolierbuchse
* Unterlegscheibe (fehlt im Bild)
* M3 Mutter

=== Frontansichten ===

* Ansicht montiert mit Spannungsanzeige 16.7V
* Ansicht Ladebetrieb mit Stromanzeige 188mA

<gallery>
Bild:BMON1048_Spannung_IMG0965W.JPG|Spannungsanzeige
Bild:BMON1048_Strom_IMG0966W.JPG|Stromanzeige
</gallery>

== Inbetriebnahme und Abgleich ==

Der Ladeteil und der Batteriewächter können, auf Grund der getrennten Steckverbinder, unabhängig voneinander in Betrieb genommen werden.

=== Ladeteil ===

An einem strombegrenzten Netzteil (ca. 20-100mA) wird die Spannung an der Ladebuchse langsam von 0V an erhöht und die Stromaufnahme gemessen. Der Eigenverbrauch des L200 liegt bei ca. 10mA. Dieser Wert darf nicht wesentlich überschritten werden. Ist alles in Ordnung dreht man die Spannung langsam auf 24V. Die Ausgangsspannung des L200 sollte vor der Verpolschutzdiode D2 gemessen ca. 18.1V sein. Falls nicht, kann man durch Feinabgleich des Widerstandes R13 noch etwas korrigieren.
Danach einen Akkusatz anschließen und die Strombegrenzung des Netzteils langsam auf ca. 250mA-300mA drehen. Der Strom in den Akku sollte durch den L200 auf ca. 200 mA begrenzt werden.
Bei vollgeladenem Akku sollte der Strom unter C/50 besser C/100 (also 20-40 mA) zurückgehen. Gegebenenfalls ist die Ladeendspannung etwas zu reduzieren.

=== Prozessorteil ===

Zunächst wird der Prozessor mit einem Programmiergerät geflasht. Bei Verwendung des FET-Spannungsreglers darauf achten, dass die Spannungsversorgung für den Prozessor vom Programmiergerät (z.B. PICKIT3) zur Verfügung gestellt wird.
Hierbei darauf achten, dass die nominalen Kalibrierwerte im EEPROM nicht zu weit von den Defaultwerten abweichen.
Bei der Spannung ist der Defaultwert = 0x00, 0x00 (= Faktor 1.0 bzw. 0% Korrektur)
Beim Strom ist die Verstärkung nicht ganz auf einen Strom-Endwert von 255mA ausgelegt, sondern etwa 5 Prozent tiefer. Der nominale Kalibrierwert für den Strom beträgt daher 0xF3, 0x1B (= Faktor 0.94963 bzw. -5.04%).

Nach dem Flashen wird an die beiden mittleren Pins von J1 eine Spannung von ca. 5V angeschlossen. Ist alles ok, sollte das Display die Spannung blinkend anzeigen. Der Ausgang J1 PIN 1 weist hierbei Low-Pegel auf. Die Spannung wird langsam auf ca. 20V (max. 25V) erhöht und die prozentuale Abweichung zwischen Sollwert und Anzeige berechnet. Ab ca. 15.0 V verschwindet das Blinken und der Ausgang wechselt auf High-Pegel (>2.4V). Unterhalb ca. 13.8V wird die Last wieder abgeschaltet und das Display blinkt wieder.
Danach wird ein Akku (15-17V) an Prozessorteil und Ladeteil angeschlossen. Über ein strombegrenztes Netzteil werden ca. 180mA Ladestrom in den Akku eingestellt. Die Anzeige zeigt jetzt im Wechsel die Akkuspannung und den Ladestrom an. Wiederum wird die prozentuale Abweichung vom tatsächlichen Ladestrom berechnet.
Die prozentualen Abweichungen werden auf die existierenden Kalibrierwerte multipliziert und dann nach einem MPASM-Lauf ins EEPROM geschrieben. Bei Verwendung von MPLAB darauf achten dass im "Release" Modus und nicht im "Debug" Modus gearbeitet wird.

Danach ist der Batteriewächter einsatzbereit.

== Praxis und Ideen ==

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|BMON1035 Stromverbrauch 9.7µA bei 9.3V]]

Anbei ein Aufbau einer Vorgängerversion ohne Ladestrommessung (BMON1035) mit einem Stromverbrauch um 9.7 µA (schwankend) bei einem frisch aufgeladenen Akku mit 9.3V. An einem BMON1048 mit Strommessung habe ich 10-12µA gemessen. Wobei der Stromverbrauch auch von der tatsächlichen Versorgungsspannung des Prozessors abhängt.

Ich habe zwei Schaltungen mit ca. 30 mA Last seit 2.5 Jahren im Dauerbetrieb mit je 12 AA-Zellen und täglichem Ladebetrieb. Der erste Akkusatz zeigt seit letztem Sommer (bis zu 32 Grad Raumtemperatur während dem Laden) einen erhöhten Innenwiderstand. Der Ladestrom bei vollem Akku lag hierbei bei erhöhter Temperatur bei 60-70mA.

Die Spannungsdifferenz beim Einstecken / Entfernen des Ladegerätes ist bei diesem Akkusatz ca. 1V. Bei niedrigen Spannungen unter 15V und kurzem Ladebetrieb wird hierdurch die Last ungewollt abgeworfen. Das Kriterium 0.6V Abfall innerhalb einer Minute wird überschritten.
Der andere Akkusatz liegt immer noch bei 0.2V Differenz zwischen Normal und Ladebetrieb.

Ganz oben auf der Wunschliste steht der vereinfachte Abgleich der Kalibrierwerte im EEPROM. Denkbar wäre irgendein Morsecode über den Taster oder ein Jumper an einem freien Pin, um den Abgleich bei angelegten Referenzwerten zu starten.

Freier Speicherplatz ist jedenfalls genügend vorhanden. Wobei Sonderfunktionen nur selten gerechnet werden sollten, um den Stromverbrauch nicht zu stark zu erhöhen.

Die führende "1" wird derzeit wegen des 2-stelligen Displays als Dezimalpunkt angezeigt. Bei einem 3-stelligen Display würde man anstelle des Dezimalpunktes die beiden Segmente "b" und "c" für die "1" parallel ansteuern.

Ideen:
* Temperaturkompensation der End-Ladespannung mittels NTC / Dioden
* Alternativ: Abschaltung des Ladezweigs per Prozessor-Pin, wenn der Ladestrom bei der Endspannung eingeschwungen ist
* Lernfunktion Berücksichtigung Spannungsdifferenz bei Ladebetrieb für Abschaltkriterium
* Automatisiertes Speichern der Abgleichwerte im EEPROM

Anpassung an andere Zellenzahlen:

:{| class="wikitable"
|+ '''Ladeteil L200'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R13 || UE,min || UE,nom
|-
| 4 || 6.5 || 2K2 || 2K2 || 10.2V || 12V
|-
| 5 || 7.95 || 2K2 || 5K1 || 11.7V || 13V
|-
| 6 || 9.4 || 2K2 || 18K || 13.1V || 15V
|-
| 7 || 10.85 || 2K4 || --- || 14.6V || 16V
|-
| 8 || 12.3 || 3K0 || 47K || 16.0V || 18V
|-
| 10 || 15.2 || 3K9 || 68K || 18.9V || 20V
|-
| 12 || 18.1 || 4K7 || 130K || 21.8V || 24V
|}

Die minimale Netzteilspannung UE,min gilt für den worst case. In der Praxis hat man hierbei ca 0.5V Reserve.

:{| class="wikitable"
|+ '''Lastregler LT1763 (Ausserhalb Leiterplatte)'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R11
|-
| 5 || 5.1 || 4K7 || 15K
|-
| 6 || 6.0 || 10K || 39K
|-
| 7 || 8.0 || 2K7 || 15K
|-
| 8 || 9.35 || 3K3 || 22K
|-
| 10 || 11.5 || 3K9 || 33K
|-
| 12 || 12.0 || 2K7 || 24K
|-
| 12 || 14.0 || 6K49 || 68K
|}

== Nachtrag ==

[[Bild:BMON1048_BF545C.JPG|thumb|300px|BMON1035 Bestückungsvariante mit BF545C]]

Da der BF245C in der Zwischenzeit nicht mehr hergestellt wird und nur noch in Restbeständen im Handel ist, wird hier eine Bestückungsvariante mit der SMD-Version des BF245C gezeigt. Die SMD-Version heißt BF545C und ist z.B. bei Reichelt, DigiKey, RS-Components oder Farnell erhältlich. Im Bild ist die Bestückung an der Position von U5 gezeigt.
Der FET sitzt rechts in der Mitte und trägt die Markierung 22W.
Hierbei ist gegenüber dem Schaltplan Source und Drain vertauscht was allerdings keine Auswirkung auf die Funktion hat. Der größte Nachteil ist daß eine vorherige Selektion der FETs auf Spannung mittels Breadboard nicht möglich ist. Der Musteraufbau mit einem willkürlich ausgewählten BF545C hatte ohne Prozessor gemessen folgende Spannungswerte:
* 4,54V @ 27,3 V und 10 MOhm Last (nur Multimeter)
* 3,95V @ 9,1 V und 100K Last
* 2,58V @ 9,1 V und 1K Last

Also auch hier ausreichend Abstand zu kritischen Werten.

Falls keine durchkontaktierte Leiterplatte verwendet wird, darf die Durchkontaktierung am BF245 Pin nicht vergessen werden.

== Downloads ==

* [[Media:BMON1048_MPASM.ZIP| Source code für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_Schaltbild.pdf| Schaltplan für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_gcprevue.zip| Layout (Gerber) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_PDF.zip| Layout (PDF) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_STK.txt| Stückliste Batteriewächter BMON1048]]

== Weblinks ==

* [http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00000053.pdf L200_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BSS84.pdf BSS84P_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF245A-B-C.pdf BF245C_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF545A_BF545B_BF545C.pdf BF545C_Datasheet]
* [http://www.torex.co.jp/english/products/voltage_regulators/data/XC6216_XE6216.pdf XC6216_Datasheet]
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39631e.pdf PIC18F2520_Datasheet]
* [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm285-1.2-n.pdf LM385Z-1.2_Datasheet]
* [http://www.fairchildsemi.com/ds/BS/BSS138.pdf BSS138_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Hintergrund-gruen/LCD-2-0-13/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=3005&ARTICLE=10179&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& LCD-2-13]
* [http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1763fh.pdf LT1763_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Proma-Gehaeuse/GEH-EG-2/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=5199&ARTICLE=50424&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& Gehäuse_EG2]
* [http://www.graphicode.com/ GC-Prevue Gerber viewer]

== Siehe auch ==

* [http://www.mikrocontroller.net/topic/288063 Forum: Diskussion zu diesem Projekt]

[[Kategorie:Wettbewerb]]
[[Kategorie:PIC-Projekte]]
[[Kategorie:Spannungsversorgung_und_Energiequellen]]
[[Kategorie:Messtechnik]]
[[Kategorie:Projekte]]

Batteriewächter

2013-08-31T22:14:39Z

An ja: BF545C

''von Anja''

{{Wettbewerb Header}}

[[Bild:BMON_1048_3_IMG0982w.JPG|thumb|300px|Batteriewächter]]
'''Eigenschaften'''
* Schaltausgang zum Abschalten der Last bei Unterspannung
* Mikroprozessordesign mit PIC18F2520
* Geringer Stromverbrauch typ. 10µA
* Geringe Mindestspannung typ. 2.5V
* Optional bestückbares Ladeteil mit L200
* Breiter Einsatzbereich von 4-12 NiMH Zellen oder 6-12V Bleiakkus
* Leiterplatte angepasst für Frontplatte eines EG2-Aluminiumgehäuses (ProMa)

'''Anwendungen'''
* Batteriemanagement
* Aus Messwert gespeistes Panelmeter

== Vorgeschichte ==

Eigentlich wollte ich nur eine einfache Anzeige für meine, per Akku gespeisten Referenzen: wann müssen die 9V-Blocks wieder ans Ladegerät. Ein einfaches Drehspulinstrument hätte es getan. Allerdings brauchen diese relativ viel Strom im Verhältnis zu einer ISL21009. Und bei einer Empfindlichkeit von 100µA sind sie auch nicht ganz billig.

Die nächste Idee: Eine low power Referenz und ein Komparator (oder gleich einen ICL7665). Nur: Was dann als Anzeige nehmen? Selbst eine low current LED braucht einige 100µA für die Anzeige.

Alternative Anzeigen wären eine einfache LCD Balkenanzeige wie im Handy. Diese sind allerdings nicht im DIP 8 Gehäuse erhältlich. Als Alternative bleiben eigentlich nur passive LC-Anzeigen mit 2-4 Digits.

Das Ganze zu takten war die nächste Idee. Also wie beim Rauchmelder nur kurze Mess- und Anzeigephasen um Strom zu sparen.

In der Zwischenzeit waren auch Referenzen im Programm, die eine Mindestspannung von 9V oder 14V benötigen. Die Anzahl der Zellen (8-12) ist also so gewachsen, dass die 16V des ICL7665 oder gängiger CMOS Logik nicht mehr ausreichen.

Schön wäre auch eine "richtige" Spannungsanzeige - also muss ein Prozessor her. Nachdem auch die ersten 9V-Blocks Schwächen wegen Tiefentladung zeigten, sollte das Ganze auch einen Unterspannungsschutz haben.

Zum damaligen Zeitpunkt gab es nur wenige Spannungsregler mit Eingangsspannungen bis 20 oder 25V und Eigenstromverbrauch unter 20µA. Und die auch nur von Farnell, also für Privat quasi unobtanium.

Eine Idee hatte ich schon länger um z.B. Uhrenchips im 12V-System zu betreiben: Ein normaler Sperrschicht-FET hat eine negative UGS-Spannung. Wenn man das Gate also an Masse anschließt müsste am Source eine halbwegs stabile Backup-Spannung übrig bleiben. Und das auch noch ohne dass der Spannungsregler einen nennenswerten Strom braucht.

Der Ehrgeiz war geweckt, es müsste doch möglich sein einen prozessorgesteuerten Komparator mit Spannungsanzeige bei unter 20µA Stromverbrauch und mit Versorgung direkt aus der Batterie im Bereich 5-20V zu entwickeln...

== Blockschaltbild ==

[[Bild:BMON_1048_BLOCK.PNG|thumb|right|350px|BMON148 - Blockschaltbild]]

Die Schaltung auf der Leiterplatte umfasst ein einfaches Ladeteil mit L200. Die Speisung erfolgt mit einem externen 24V Steckernetzteil. Ein Low-Power Spannungsregler erzeugt die VCC-Versorgung für den Prozessorteil. Der Prozessor misst die Akkuspannung sowie den Ladestrom und erzeugt das Steuersignal für die Endstufe. Auf dem Display werden die Akkuspannung sowie der Ladestrom angezeigt. Der Taster dient zum Ein-/Ausschalten der Last. Da der Leistungsteil je nach Last sehr unterschiedlich sein kann (z.B. BTS555 für Hochstromanwendungen), ist er außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Als Schaltungsbeispiel wird eine Endstufe mit LT1763 gezeigt.

=== Ladeteil ===

[[Bild:BMON_1048_L200.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Ladeteil]]

Das Ladeteil ist eine Standardapplikation mit L200, ergänzt um einen Spannungsausgang für die Strommessung.
Die maximale Ladespannung wird mittels Spannungsteiler R12 zu R11 eingestellt. R13 ist parallel zu R12 und wird für den Feinabgleich der Ausgangsspannung verwendet. Auf der Leiterplatte sind die Widerstände wahlweise als SMD (R11..R13) oder bedrahtet (R11A..R13A) bestückbar. R11A ist mit 820 Ohm bestückt. R12A mit 4K7 parallel zu R13A mit 130k ergibt 4K54. Die Ausgangsspannung von 18.1 V ergibt sich aus der Referenzspannung von 2.77V des L200 * (1 + 4540R/820R). R14 begrenzt den Strom auf ca. 200 mA (0.45V / 2R2).
Diode D2 verhindert ein Entladen des Akkus wenn das Steckernetzteil nicht angeschlossen ist. D3 dient als Verpolschutz.
Die Schaltung um U3 verstärkt die Spannung über dem Strombegrenzungswiderstand. Es muss zwingend ein OP verwendet werden dessen common mode input range an die positive Versorgung reicht. Bei einem TL062 ist dies bei normalen Raumtemperaturen gegeben. Die Spannung über R14 wird im Verhältnis R16/R15 = 2.32 fach verstärkt. Bei 200mA, also 450mV am Strombegrenzungswiderstand, ergibt sich für den ADC-Eingang eine Spannung von 1.04V über R16.
L1, L2 sowie C15-C19 bilden ein optional bestückbares EMV-Filter. C18+C19 filtern hierbei die Störungen über einen M3 Distanzbolzen auf das Aluminiumgehäuse.

=== Spannungsregler ===

[[Bild:BMON_1048_VCC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Spannungsregler BF245C]]

Es gibt 3 alternative Bestückungsvarianten:

U5 ist ein low power Spannungsregler XC6216 von Torex. An Ein- und Ausgang werden 1µF Kondensatoren benötigt. Der Ruhestromverbrauch ist mit 5µA im Datenblatt angegeben.

Da mir das vieeel zu hoch ist, habe ich einen Sperrschicht-FET als Spannungsregler verwendet. Ein BF245C hat bei kleinen Strömen je nach Exemplarstreuung eine Gate/Source Spannung von -3.2 .. -7.5 V zwischen Gate und Source.
Wenn man jetzt das Gate auf Masse legt, und an Drain die ungeregelte Eingangsspannung, bleibt am Source eine Ausgangsspannung von +3.2 bis 7.5V.
Da der nachgeschaltete Prozessor maximal 5.5V Spannung verträgt müssen die FETs selektiert werden. Bei der maximalen Eingangsspannung und minimaler Last (also nur die 10 Meg-Ohm des Messinstrumentes) dürfen die 5.5V nicht überschritten werden. Bei der typischen Last von 10µA, entsprechend 330K, sollten mindestens ca. 3.8V als minimale Spannung übrig bleiben.

Beim Austesten auf dem Steckbrett habe ich herausgefunden, dass der FET relativ empfindlich auf Störimpulse reagiert und teilweise hierdurch auch hohe Spannungen an den Ausgang durchlässt. Abhilfe schaffen Abblockkondensatoren an Ein- und Ausgang. Im Gegensatz zum XC6216 reichen für den FET normale 100nF Abblockkondensatoren. Die Diode D1 dient als Verpolschutz. R2 begrenzt beim FET schnelle Spannungsanstiege sowie den Maximalstrom. Das Austesten auf dem Steckbrett sollte mit den Abblock-Cs und der Schutzbeschaltung erfolgen.

Von 10 getesteten FETs hatten alle eine maximale Spannung im Bereich 4.57 bis 4.80 V bei 25V Eingangsspannung. Bei Belastung mit 1K-Ohm und 9V Eingangsspannung habe ich 2.61V bis 2.77V gemessen. Der Regler hat also ausreichend Reserven. Die Mühe des Selektierens wird belohnt durch einen Stromverbrauch von nicht messbaren wenigen nA für den Spannungsregler.

R2 sollte bei Verwendung des XC6216 durch einen 0 Ohm Widerstand ersetzt werden. Allerdings habe ich diese Schaltungsvariante noch nicht getestet.

Eine weitere Möglichkeit ist die Bestückung eines BF545C (= SMD-Version des BF245C im SOT-23 Gehäuse) an der Position des Spannungsreglers U5. In diesem Fall ist Source und Drain des FETs vertauscht. Da der Chip des FET jedoch symmetrisch aufgebaut ist funktioniert er unabhängig von der Polarität von Source und Drain. Siehe auch Abschnitt Nachtrag.

=== Prozessorteil ===

[[Bild:BMON_1048_PIC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Prozessorteil]]

Als Prozessor wird ein PIC18F2520 verwendet. Es ist quasi der low power Nachfolger eines PIC16F876. Der Strom mit internem Oszillator beträgt ca. 1mA. Um den Stromverbrauch zu reduzieren, ist der Prozessor hauptsächlich im sleep mode und wird nur alle 16ms aufgeweckt, um die Flanken für die Wechselspannung von 30Hz für die passive LC-Anzeige zu generieren, die auch die meisten Pins benötigt. C4 mit 10µF puffert kurze Stromspitzen in der Aufwachphase. C7 mindert EMV-Störungen.

Die Batteriespannung wird über Spannungsteiler R4/R5 an Pin RA2 gemessen. U2 sorgt mit R3 für eine stabile Referenz von 1.235V auch bei schwankenden Versorgungsspannungen. Kurzzeitig werden für den Referenzeingang bis zu 150µA und für die Referenzdiode bis zu 20µA benötigt. Da kein Abblockkondensator an der Referenz verwendet wird, ist R3 relativ niederohmig dimensioniert.

Die Stromsparfunktionen werden alle mit PIN RA1 gesteuert. Die Auswertung der Eingänge erfolgt nur ein Mal je Sekunde. Dies betrifft R3 als Versorgung für die Referenzdiode sowie R6 als pull up Widerstand für den Taster. Über T2 wird der Spannungsteiler für die Batteriespannung stromlos geschaltet. Der BSS138 ist ein FET mit geringer UGS threshold voltage von max. 1.5V. Er begrenzt also am Source die Drain-Spannung auf VCC-1.5V. Da die Referenzspannung 1.2V beträgt, ergibt sich durch den FET bei einer Versorgungsspannung bis herab zu 2.7V noch keine Begrenzung des Messbereichs für die Batteriespannung von bis zu 25.5V.

Der Ladestrom wird über Analogeingang RA0 gemessen.

Mit der gewählten Dimensionierung für R4/R5 ergibt sich ein Messbereich von 25.5V für die Batteriespannung. Der Strombereich ist für ca. 240mA ausgelegt.

An Pin RB6 wird schließlich das Schaltsignal für die Endstufe erzeugt.

=== Bedienteil ===

[[Bild:BMON_1048_HMI.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Bedienteil]]

Aus Platzgründen (Frontplatte des EG2-Gehäuses von ProMa) konnte leider nur ein 2-stelliges LC-Display verwendet werden. Um dennoch Spannungen größer 9.9V darstellen zu können, wird der führende Dezimalpunkt als Zehner-Stelle verwendet. Ab 20.0V fängt dann der Dezimalpunkt an zu blinken. Bei Verwendung eines 3 oder 4-stelligen Displays würde man anstelle des führenden Dezimalpunktes beide Segmente für die führende "1" anschließen.
Der Kondensator C5 hält Gleichspannungssignale vom Display fern. Dies ist insbesonders nützlich beim Flashen bzw. in der Debugging Phase.

J1 ist die Verbindung zur Mutterplatine. Dort kann noch ein zweiter Taster parallel zum Taster auf der Frontplatte angeschlossen werden. R7 dient als Kurzschlußschutz bzw. zur Stromreduzierung des Schaltsignals.

=== Endstufe ===

[[Bild:BMON_1048_POWER.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Endstufe LT1763]]

Die Endstufe ist außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Damit ergibt sich maximale Flexibilität von wenigen mA bis zu mehreren Ampere über einen BSS138 Treiber mit BTS555 Endstufe. Der Anschluss an die BMON1048 Leiterplatte erfolgt über Buchsenleisten auf der Leiterplatte mit der Endstufe. Die Stecker für den Ladeteil und den Prozessorteil sind getrennt ausgeführt. Damit können die Messleitungen direkt am Batteriepack angeschlossen werden (4-Leiter Anschluss). Übergangswiderstände am Stecker und der Leitungen haben dann weniger Einfluss auf die Messung.

Hier ist ein Beispiel für eine Endstufe mit LT1763 für maximal 20V Ladeendspannung gezeigt. Im ausgeschalteten Zustand verbraucht der Spannungsregler weniger als 1µA zusätzlich. Der Ruhestrom mit 30µA ist ebenfalls ein guter Wert. C10 ist vorzugsweise ein Folienkondensator (geringer Mikrofonieeffekt) zur Rauschunterdrückung. Die Ausgangsspannung wird mit R11+R12 auf 14.0 V eingestellt.

== Software ==

Die Software hat folgende Funktionen:

* Messen der Spannung und des Stroms linksbündig als 10 Bit Wert
* Verrechnung eines Korrekturfaktors aus EEPROM für Feinabgleich
* Anzeige der Spannung auf Display
* Als Timer dient der Watchdog mit 16ms Periode
* Die 30 Hz Wechselspannung für das Display wird hieraus abgeleitet
* Im Ladebetrieb erfolgt die Anzeige des Stroms im Wechsel mit der Spannung
* Unterhalb 1.15V/Zelle abschalten der Last (Spannungsanzeige blinkt)
* Oberhalb 1.25V/Zelle wiedereinschalten der Last
* Bei Tastendruck länger als 5 Sekunden wird die Last manuell ein-/ausgeschaltet
* Bei Spannungseinbruch > 0.6V/Minute wird ebenfalls abgeschaltet
* Alle Parameter wie Zellenzahl + Hysterese sind im Header konfigurierbar

<syntaxhighlight lang="c">
#define Cells 12 ; # number of cells
#define mV * 256 * 51/1051/1235 ; 25,6V * 5K1/(100K+5K1)/VRef
#define VOn Cells * 1250 mV ; high hysteresis
#define VOff Cells * 1150 mV ; low hysteresis
#define VOLT_SEC 10 ; check every 10 seconds
#define VDIFF 600 mV ; voltage drop / minute
#define mA * 1 ; 1 mA / count
#define CURR_MIN 10 mA ; min current to display
</syntaxhighlight>

Die Software ist mit MPASM 5.40 (MPLAB 8.70) erstellt. Die Bit-Schubsereien für das Display werden mit Tabellen in Page 0 für alle 3 Ports A-C und die Digits 1-2 abgehandelt.

Bei der Initialisierung wird erst die Hardware initialisiert und danach alle Variablen einschließlich der Kalibrierparameter die aus dem EEPROM gelesen werden. Die Kalibrierfaktoren sind im 2er Komplement als 16 Bit signed Wert gespeichert. Ein Abgleich von +/- 50% entspricht +/-32768 als Wert.

Die meiste Zeit verbringt der Prozessor im sleep mode. Alle 16 ms weckt der Watchdog den Prozessor auf, um die Pins für die Anzeige zu invertieren. Jede Sekunde finden zusätzlich noch Messfunktionen, einschließlich update der Anzeige sowie die Tastenabfrage statt.
Um Zeit (und damit Strom) zu sparen, wird die Wartezeit aufs ADC-Ergebnis genutzt, um eine Tastenentprellung bzw. die Vorverarbeitung der Spannungsmessung während der Strommessung durchzuführen.
Alle 10 Sekunden wird das High-Byte des Spannungswertes in einen Ringpuffer mit 6 Einträgen für die vergangene Minute eingetragen. Dies dient unterhalb der Einschaltschwelle zum Detektieren eines plötzlichen Spannungsabfalls falls eine Zelle schneller entladen ist, als die übrigen im Pack.

== Aufbau ==

<gallery>
Bild:Loetseite_IMG0964W.JPG|BMON1048 - Lötseite
Bild:BMON1048_BS_IMG0968W.JPG|Bestückungsseite
Bild:BMON1048_BST_LS.PNG|Position LS
Bild:BMON1048_BST_BS.PNG|Position BS
</gallery>

=== Lötseite ===

Die Leiterplatte ist doppelseitig. Die meisten Durchkontaktierungen liegen auf bedrahteten Bauelementen so dass eine durchkontaktierte Leiterplatte nicht zwingend nötig ist. Die drei Durchkontaktierungen im Bereich des Programmiersteckers können auch mit Kupferhohlnieten oder einer Drahtbrücke bestückt werden.

Am besten beginnt man nach Durchkontaktieren mit der Bestückung auf der Lötseite. C18, C19 sowie U5 sind im Muster nicht bestückt.

=== Bestückungsseite ===

Auf der Bestückungsseite werden zuerst die Bauteile unter dem Display, sowie die Widerstände unter dem L200 bestückt. Einige bedrahtete Bauteile müssen auf beiden Seiten der Platine verlötet werden, falls keine durchkontaktierte Leiterplatte verwendet wird.

Die Ladebuchse ist auf die Leiterplatte aufgesetzt. Die Anschlüsse werden mit Silberdraht verlängert. Mit dem Verlöten des Silberdrahtes sollte man, wie beim L200, so lange warten, bis die Frontplatte montiert ist.
In den Layoutdaten ist auch ein Layer für die Frontplatte enthalten, der als Bohrhilfe verwendet werden kann.

Der L200 ist über Kopf bestückt, die Anschlussdrähte also gegenüber dem stehenden Einbau auf die andere Seite abgewinkelt. Bei Verwendung von 10mm Distanzbolzen muss als Isolierung mindestens eine 1.5 mm Aluminiumoxidscheibe verwendet werden, damit sich die Pins des L200 im montierten Zustand verlöten lassen. Die Frontplatte des EG2-Gehäuses dient hiermit gleichzeitig als Kühlfläche.

C12 muss liegend montiert werden.

Für das Display verwende ich eine 18-polige Präzisionsfassung, die mit dem Seitenschneider auseinander geschnitten wird. Verlöten geht am einfachsten wenn das Display bereits in die Fassung gesteckt ist. Die beiden Pins 1 + 18 für die Backplane sind auf der Leiterplattenoberseite verbunden (Lötung unter der Fassung nicht vergessen).

Der Taster ist eine Ausführung mit langem Stößel, wenn die Bedienung ohne Hilfswerkzeug möglich sein soll.

=== Montagedetail L200 ===

[[Bild:BMON1048_L200_IMG0981W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - L200 Montage]]

Montagedetail L200:

* M3 Schraube
* Frontplatte
* Aluminiumoxidscheibe (AOS220 - 1.5mm)
* L200
* Isolierbuchse
* Unterlegscheibe (fehlt im Bild)
* M3 Mutter

=== Frontansichten ===

* Ansicht montiert mit Spannungsanzeige 16.7V
* Ansicht Ladebetrieb mit Stromanzeige 188mA

<gallery>
Bild:BMON1048_Spannung_IMG0965W.JPG|Spannungsanzeige
Bild:BMON1048_Strom_IMG0966W.JPG|Stromanzeige
</gallery>

== Inbetriebnahme und Abgleich ==

Der Ladeteil und der Batteriewächter können, auf Grund der getrennten Steckverbinder, unabhängig voneinander in Betrieb genommen werden.

=== Ladeteil ===

An einem strombegrenzten Netzteil (ca. 20-100mA) wird die Spannung an der Ladebuchse langsam von 0V an erhöht und die Stromaufnahme gemessen. Der Eigenverbrauch des L200 liegt bei ca. 10mA. Dieser Wert darf nicht wesentlich überschritten werden. Ist alles in Ordnung dreht man die Spannung langsam auf 24V. Die Ausgangsspannung des L200 sollte vor der Verpolschutzdiode D2 gemessen ca. 18.1V sein. Falls nicht, kann man durch Feinabgleich des Widerstandes R13 noch etwas korrigieren.
Danach einen Akkusatz anschließen und die Strombegrenzung des Netzteils langsam auf ca. 250mA-300mA drehen. Der Strom in den Akku sollte durch den L200 auf ca. 200 mA begrenzt werden.
Bei vollgeladenem Akku sollte der Strom unter C/50 besser C/100 (also 20-40 mA) zurückgehen. Gegebenenfalls ist die Ladeendspannung etwas zu reduzieren.

=== Prozessorteil ===

Zunächst wird der Prozessor mit einem Programmiergerät geflasht. Bei Verwendung des FET-Spannungsreglers darauf achten, dass die Spannungsversorgung für den Prozessor vom Programmiergerät (z.B. PICKIT3) zur Verfügung gestellt wird.
Hierbei darauf achten, dass die nominalen Kalibrierwerte im EEPROM nicht zu weit von den Defaultwerten abweichen.
Bei der Spannung ist der Defaultwert = 0x00, 0x00 (= Faktor 1.0 bzw. 0% Korrektur)
Beim Strom ist die Verstärkung nicht ganz auf einen Strom-Endwert von 255mA ausgelegt, sondern etwa 5 Prozent tiefer. Der nominale Kalibrierwert für den Strom beträgt daher 0xF3, 0x1B (= Faktor 0.94963 bzw. -5.04%).

Nach dem Flashen wird an die beiden mittleren Pins von J1 eine Spannung von ca. 5V angeschlossen. Ist alles ok, sollte das Display die Spannung blinkend anzeigen. Der Ausgang J1 PIN 1 weist hierbei Low-Pegel auf. Die Spannung wird langsam auf ca. 20V (max. 25V) erhöht und die prozentuale Abweichung zwischen Sollwert und Anzeige berechnet. Ab ca. 15.0 V verschwindet das Blinken und der Ausgang wechselt auf High-Pegel (>2.4V). Unterhalb ca. 13.8V wird die Last wieder abgeschaltet und das Display blinkt wieder.
Danach wird ein Akku (15-17V) an Prozessorteil und Ladeteil angeschlossen. Über ein strombegrenztes Netzteil werden ca. 180mA Ladestrom in den Akku eingestellt. Die Anzeige zeigt jetzt im Wechsel die Akkuspannung und den Ladestrom an. Wiederum wird die prozentuale Abweichung vom tatsächlichen Ladestrom berechnet.
Die prozentualen Abweichungen werden auf die existierenden Kalibrierwerte multipliziert und dann nach einem MPASM-Lauf ins EEPROM geschrieben. Bei Verwendung von MPLAB darauf achten dass im "Release" Modus und nicht im "Debug" Modus gearbeitet wird.

Danach ist der Batteriewächter einsatzbereit.

== Praxis und Ideen ==

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|BMON1035 Stromverbrauch 9.7µA bei 9.3V]]

Anbei ein Aufbau einer Vorgängerversion ohne Ladestrommessung (BMON1035) mit einem Stromverbrauch um 9.7 µA (schwankend) bei einem frisch aufgeladenen Akku mit 9.3V. An einem BMON1048 mit Strommessung habe ich 10-12µA gemessen. Wobei der Stromverbrauch auch von der tatsächlichen Versorgungsspannung des Prozessors abhängt.

Ich habe zwei Schaltungen mit ca. 30 mA Last seit 2.5 Jahren im Dauerbetrieb mit je 12 AA-Zellen und täglichem Ladebetrieb. Der erste Akkusatz zeigt seit letztem Sommer (bis zu 32 Grad Raumtemperatur während dem Laden) einen erhöhten Innenwiderstand. Der Ladestrom bei vollem Akku lag hierbei bei erhöhter Temperatur bei 60-70mA.

Die Spannungsdifferenz beim Einstecken / Entfernen des Ladegerätes ist bei diesem Akkusatz ca. 1V. Bei niedrigen Spannungen unter 15V und kurzem Ladebetrieb wird hierdurch die Last ungewollt abgeworfen. Das Kriterium 0.6V Abfall innerhalb einer Minute wird überschritten.
Der andere Akkusatz liegt immer noch bei 0.2V Differenz zwischen Normal und Ladebetrieb.

Ganz oben auf der Wunschliste steht der vereinfachte Abgleich der Kalibrierwerte im EEPROM. Denkbar wäre irgendein Morsecode über den Taster oder ein Jumper an einem freien Pin, um den Abgleich bei angelegten Referenzwerten zu starten.

Freier Speicherplatz ist jedenfalls genügend vorhanden. Wobei Sonderfunktionen nur selten gerechnet werden sollten, um den Stromverbrauch nicht zu stark zu erhöhen.

Die führende "1" wird derzeit wegen des 2-stelligen Displays als Dezimalpunkt angezeigt. Bei einem 3-stelligen Display würde man anstelle des Dezimalpunktes die beiden Segmente "b" und "c" für die "1" parallel ansteuern.

Ideen:
* Temperaturkompensation der End-Ladespannung mittels NTC / Dioden
* Alternativ: Abschaltung des Ladezweigs per Prozessor-Pin, wenn der Ladestrom bei der Endspannung eingeschwungen ist
* Lernfunktion Berücksichtigung Spannungsdifferenz bei Ladebetrieb für Abschaltkriterium
* Automatisiertes Speichern der Abgleichwerte im EEPROM

Anpassung an andere Zellenzahlen:

:{| class="wikitable"
|+ '''Ladeteil L200'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R13 || UE,min || UE,nom
|-
| 4 || 6.5 || 2K2 || 2K2 || 10.2V || 12V
|-
| 5 || 7.95 || 2K2 || 5K1 || 11.7V || 13V
|-
| 6 || 9.4 || 2K2 || 18K || 13.1V || 15V
|-
| 7 || 10.85 || 2K4 || --- || 14.6V || 16V
|-
| 8 || 12.3 || 3K0 || 47K || 16.0V || 18V
|-
| 10 || 15.2 || 3K9 || 68K || 18.9V || 20V
|-
| 12 || 18.1 || 4K7 || 130K || 21.8V || 24V
|}

Die minimale Netzteilspannung UE,min gilt für den worst case. In der Praxis hat man hierbei ca 0.5V Reserve.

:{| class="wikitable"
|+ '''Lastregler LT1763 (Ausserhalb Leiterplatte)'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R11
|-
| 5 || 5.1 || 4K7 || 15K
|-
| 6 || 6.0 || 10K || 39K
|-
| 7 || 8.0 || 2K7 || 15K
|-
| 8 || 9.35 || 3K3 || 22K
|-
| 10 || 11.5 || 3K9 || 33K
|-
| 12 || 12.0 || 2K7 || 24K
|-
| 12 || 14.0 || 6K49 || 68K
|}

== Nachtrag ==

[[Bild:BMON1048_BF545C.JPG|thumb|300px|BMON1035 Bestückungsvariante mit BF545C]]

Da der BF245C in der Zwischenzeit nicht mehr hergestellt wird und nur noch in Restbeständen im Handel ist, wird hier eine Bestückungsvariante mit der SMD-Version des BF245C gezeigt. Die SMD-Version heißt BF545C und ist z.B. bei Reichelt, DigiKey, RS-Components oder Farnell erhältlich. Im Bild ist die Bestückung an der Position von U5 gezeigt.
Der FET sitzt rechts in der Mitte und trägt die Markierung 22W.
Hierbei ist gegenüber dem Schaltplan Source und Drain vertauscht was allerdings keine Auswirkung auf die Funktion hat. Der größte Nachteil ist daß eine vorherige Selektion der FETs auf Spannung mittels Breadboard nicht möglich ist. Der Musteraufbau mit einem willkürlich ausgewählten BF545C hatte ohne Prozessor gemessen folgende Spannungswerte:
* 4,54V @ 27,3 V und 10 MOhm Last (nur Multimeter)
* 3,95V @ 9,1 V und 100K Last
* 2,58V @ 9,1 V und 1K Last

Also auch hier ausreichend Abstand zu kritischen Werten.

Falls keine durchkontaktierte Leiterplatte verwendet wird, darf die Durchkontaktierung am BF245 Pin nicht vergessen werden.

== Downloads ==

* [[Media:BMON1048_MPASM.ZIP| Source code für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_Schaltbild.pdf| Schaltplan für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_gcprevue.zip| Layout (Gerber) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_PDF.zip| Layout (PDF) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_STK.txt| Stückliste Batteriewächter BMON1048]]

== Weblinks ==

* [http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00000053.pdf L200_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BSS84.pdf BSS84P_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF245A-B-C.pdf BF245C_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF545A_BF545B_BF545C.pdf BF545C_Datasheet]
* [http://www.torex.co.jp/english/products/voltage_regulators/data/XC6216_XE6216.pdf XC6216_Datasheet]
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39631e.pdf PIC18F2520_Datasheet]
* [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm285-1.2-n.pdf LM385Z-1.2_Datasheet]
* [http://www.fairchildsemi.com/ds/BS/BSS138.pdf BSS138_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Hintergrund-gruen/LCD-2-0-13/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=3005&ARTICLE=10179&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& LCD-2-13]
* [http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1763fg.pdf LT1763_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Proma-Gehaeuse/GEH-EG-2/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=5199&ARTICLE=50424&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& Gehäuse_EG2]
* [http://www.graphicode.com/ GC-Prevue Gerber viewer]

== Siehe auch ==

* [http://www.mikrocontroller.net/topic/288063 Forum: Diskussion zu diesem Projekt]

[[Kategorie:Wettbewerb]]
[[Kategorie:PIC-Projekte]]
[[Kategorie:Spannungsversorgung_und_Energiequellen]]
[[Kategorie:Messtechnik]]
[[Kategorie:Projekte]]

Batteriewächter

2013-08-31T22:11:23Z

An ja:

''von Anja''

{{Wettbewerb Header}}

[[Bild:BMON_1048_3_IMG0982w.JPG|thumb|300px|Batteriewächter]]
'''Eigenschaften'''
* Schaltausgang zum Abschalten der Last bei Unterspannung
* Mikroprozessordesign mit PIC18F2520
* Geringer Stromverbrauch typ. 10µA
* Geringe Mindestspannung typ. 2.5V
* Optional bestückbares Ladeteil mit L200
* Breiter Einsatzbereich von 4-12 NiMH Zellen oder 6-12V Bleiakkus
* Leiterplatte angepasst für Frontplatte eines EG2-Aluminiumgehäuses (ProMa)

'''Anwendungen'''
* Batteriemanagement
* Aus Messwert gespeistes Panelmeter

== Vorgeschichte ==

Eigentlich wollte ich nur eine einfache Anzeige für meine, per Akku gespeisten Referenzen: wann müssen die 9V-Blocks wieder ans Ladegerät. Ein einfaches Drehspulinstrument hätte es getan. Allerdings brauchen diese relativ viel Strom im Verhältnis zu einer ISL21009. Und bei einer Empfindlichkeit von 100µA sind sie auch nicht ganz billig.

Die nächste Idee: Eine low power Referenz und ein Komparator (oder gleich einen ICL7665). Nur: Was dann als Anzeige nehmen? Selbst eine low current LED braucht einige 100µA für die Anzeige.

Alternative Anzeigen wären eine einfache LCD Balkenanzeige wie im Handy. Diese sind allerdings nicht im DIP 8 Gehäuse erhältlich. Als Alternative bleiben eigentlich nur passive LC-Anzeigen mit 2-4 Digits.

Das Ganze zu takten war die nächste Idee. Also wie beim Rauchmelder nur kurze Mess- und Anzeigephasen um Strom zu sparen.

In der Zwischenzeit waren auch Referenzen im Programm, die eine Mindestspannung von 9V oder 14V benötigen. Die Anzahl der Zellen (8-12) ist also so gewachsen, dass die 16V des ICL7665 oder gängiger CMOS Logik nicht mehr ausreichen.

Schön wäre auch eine "richtige" Spannungsanzeige - also muss ein Prozessor her. Nachdem auch die ersten 9V-Blocks Schwächen wegen Tiefentladung zeigten, sollte das Ganze auch einen Unterspannungsschutz haben.

Zum damaligen Zeitpunkt gab es nur wenige Spannungsregler mit Eingangsspannungen bis 20 oder 25V und Eigenstromverbrauch unter 20µA. Und die auch nur von Farnell, also für Privat quasi unobtanium.

Eine Idee hatte ich schon länger um z.B. Uhrenchips im 12V-System zu betreiben: Ein normaler Sperrschicht-FET hat eine negative UGS-Spannung. Wenn man das Gate also an Masse anschließt müsste am Source eine halbwegs stabile Backup-Spannung übrig bleiben. Und das auch noch ohne dass der Spannungsregler einen nennenswerten Strom braucht.

Der Ehrgeiz war geweckt, es müsste doch möglich sein einen prozessorgesteuerten Komparator mit Spannungsanzeige bei unter 20µA Stromverbrauch und mit Versorgung direkt aus der Batterie im Bereich 5-20V zu entwickeln...

== Blockschaltbild ==

[[Bild:BMON_1048_BLOCK.PNG|thumb|right|350px|BMON148 - Blockschaltbild]]

Die Schaltung auf der Leiterplatte umfasst ein einfaches Ladeteil mit L200. Die Speisung erfolgt mit einem externen 24V Steckernetzteil. Ein Low-Power Spannungsregler erzeugt die VCC-Versorgung für den Prozessorteil. Der Prozessor misst die Akkuspannung sowie den Ladestrom und erzeugt das Steuersignal für die Endstufe. Auf dem Display werden die Akkuspannung sowie der Ladestrom angezeigt. Der Taster dient zum Ein-/Ausschalten der Last. Da der Leistungsteil je nach Last sehr unterschiedlich sein kann (z.B. BTS555 für Hochstromanwendungen), ist er außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Als Schaltungsbeispiel wird eine Endstufe mit LT1763 gezeigt.

=== Ladeteil ===

[[Bild:BMON_1048_L200.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Ladeteil]]

Das Ladeteil ist eine Standardapplikation mit L200, ergänzt um einen Spannungsausgang für die Strommessung.
Die maximale Ladespannung wird mittels Spannungsteiler R12 zu R11 eingestellt. R13 ist parallel zu R12 und wird für den Feinabgleich der Ausgangsspannung verwendet. Auf der Leiterplatte sind die Widerstände wahlweise als SMD (R11..R13) oder bedrahtet (R11A..R13A) bestückbar. R11A ist mit 820 Ohm bestückt. R12A mit 4K7 parallel zu R13A mit 130k ergibt 4K54. Die Ausgangsspannung von 18.1 V ergibt sich aus der Referenzspannung von 2.77V des L200 * (1 + 4540R/820R). R14 begrenzt den Strom auf ca. 200 mA (0.45V / 2R2).
Diode D2 verhindert ein Entladen des Akkus wenn das Steckernetzteil nicht angeschlossen ist. D3 dient als Verpolschutz.
Die Schaltung um U3 verstärkt die Spannung über dem Strombegrenzungswiderstand. Es muss zwingend ein OP verwendet werden dessen common mode input range an die positive Versorgung reicht. Bei einem TL062 ist dies bei normalen Raumtemperaturen gegeben. Die Spannung über R14 wird im Verhältnis R16/R15 = 2.32 fach verstärkt. Bei 200mA, also 450mV am Strombegrenzungswiderstand, ergibt sich für den ADC-Eingang eine Spannung von 1.04V über R16.
L1, L2 sowie C15-C19 bilden ein optional bestückbares EMV-Filter. C18+C19 filtern hierbei die Störungen über einen M3 Distanzbolzen auf das Aluminiumgehäuse.

=== Spannungsregler ===

[[Bild:BMON_1048_VCC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Spannungsregler BF245C]]

Es gibt 3 alternative Bestückungsvarianten:

U5 ist ein low power Spannungsregler XC6216 von Torex. An Ein- und Ausgang werden 1µF Kondensatoren benötigt. Der Ruhestromverbrauch ist mit 5µA im Datenblatt angegeben.

Da mir das vieeel zu hoch ist, habe ich einen Sperrschicht-FET als Spannungsregler verwendet. Ein BF245C hat bei kleinen Strömen je nach Exemplarstreuung eine Gate/Source Spannung von -3.2 .. -7.5 V zwischen Gate und Source.
Wenn man jetzt das Gate auf Masse legt, und an Drain die ungeregelte Eingangsspannung, bleibt am Source eine Ausgangsspannung von +3.2 bis 7.5V.
Da der nachgeschaltete Prozessor maximal 5.5V Spannung verträgt müssen die FETs selektiert werden. Bei der maximalen Eingangsspannung und minimaler Last (also nur die 10 Meg-Ohm des Messinstrumentes) dürfen die 5.5V nicht überschritten werden. Bei der typischen Last von 10µA, entsprechend 330K, sollten mindestens ca. 3.8V als minimale Spannung übrig bleiben.

Beim Austesten auf dem Steckbrett habe ich herausgefunden, dass der FET relativ empfindlich auf Störimpulse reagiert und teilweise hierdurch auch hohe Spannungen an den Ausgang durchlässt. Abhilfe schaffen Abblockkondensatoren an Ein- und Ausgang. Im Gegensatz zum XC6216 reichen für den FET normale 100nF Abblockkondensatoren. Die Diode D1 dient als Verpolschutz. R2 begrenzt beim FET schnelle Spannungsanstiege sowie den Maximalstrom. Das Austesten auf dem Steckbrett sollte mit den Abblock-Cs und der Schutzbeschaltung erfolgen.

Von 10 getesteten FETs hatten alle eine maximale Spannung im Bereich 4.57 bis 4.80 V bei 25V Eingangsspannung. Bei Belastung mit 1K-Ohm und 9V Eingangsspannung habe ich 2.61V bis 2.77V gemessen. Der Regler hat also ausreichend Reserven. Die Mühe des Selektierens wird belohnt durch einen Stromverbrauch von nicht messbaren wenigen nA für den Spannungsregler.

R2 sollte bei Verwendung des XC6216 durch einen 0 Ohm Widerstand ersetzt werden. Allerdings habe ich diese Schaltungsvariante noch nicht getestet.

Eine weitere Möglichkeit ist die Bestückung eines BF545C (= SMD-Version des BF245C im SOT-23 Gehäuse) an der Position des Spannungsreglers U5. In diesem Fall ist Source und Drain des FETs vertauscht. Da der Chip des FET jedoch symmetrisch aufgebaut ist funktioniert er unabhängig von der Polarität von Source und Drain. Siehe auch Abschnitt Nachtrag.

=== Prozessorteil ===

[[Bild:BMON_1048_PIC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Prozessorteil]]

Als Prozessor wird ein PIC18F2520 verwendet. Es ist quasi der low power Nachfolger eines PIC16F876. Der Strom mit internem Oszillator beträgt ca. 1mA. Um den Stromverbrauch zu reduzieren, ist der Prozessor hauptsächlich im sleep mode und wird nur alle 16ms aufgeweckt, um die Flanken für die Wechselspannung von 30Hz für die passive LC-Anzeige zu generieren, die auch die meisten Pins benötigt. C4 mit 10µF puffert kurze Stromspitzen in der Aufwachphase. C7 mindert EMV-Störungen.

Die Batteriespannung wird über Spannungsteiler R4/R5 an Pin RA2 gemessen. U2 sorgt mit R3 für eine stabile Referenz von 1.235V auch bei schwankenden Versorgungsspannungen. Kurzzeitig werden für den Referenzeingang bis zu 150µA und für die Referenzdiode bis zu 20µA benötigt. Da kein Abblockkondensator an der Referenz verwendet wird, ist R3 relativ niederohmig dimensioniert.

Die Stromsparfunktionen werden alle mit PIN RA1 gesteuert. Die Auswertung der Eingänge erfolgt nur ein Mal je Sekunde. Dies betrifft R3 als Versorgung für die Referenzdiode sowie R6 als pull up Widerstand für den Taster. Über T2 wird der Spannungsteiler für die Batteriespannung stromlos geschaltet. Der BSS138 ist ein FET mit geringer UGS threshold voltage von max. 1.5V. Er begrenzt also am Source die Drain-Spannung auf VCC-1.5V. Da die Referenzspannung 1.2V beträgt, ergibt sich durch den FET bei einer Versorgungsspannung bis herab zu 2.7V noch keine Begrenzung des Messbereichs für die Batteriespannung von bis zu 25.5V.

Der Ladestrom wird über Analogeingang RA0 gemessen.

Mit der gewählten Dimensionierung für R4/R5 ergibt sich ein Messbereich von 25.5V für die Batteriespannung. Der Strombereich ist für ca. 240mA ausgelegt.

An Pin RB6 wird schließlich das Schaltsignal für die Endstufe erzeugt.

=== Bedienteil ===

[[Bild:BMON_1048_HMI.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Bedienteil]]

Aus Platzgründen (Frontplatte des EG2-Gehäuses von ProMa) konnte leider nur ein 2-stelliges LC-Display verwendet werden. Um dennoch Spannungen größer 9.9V darstellen zu können, wird der führende Dezimalpunkt als Zehner-Stelle verwendet. Ab 20.0V fängt dann der Dezimalpunkt an zu blinken. Bei Verwendung eines 3 oder 4-stelligen Displays würde man anstelle des führenden Dezimalpunktes beide Segmente für die führende "1" anschließen.
Der Kondensator C5 hält Gleichspannungssignale vom Display fern. Dies ist insbesonders nützlich beim Flashen bzw. in der Debugging Phase.

J1 ist die Verbindung zur Mutterplatine. Dort kann noch ein zweiter Taster parallel zum Taster auf der Frontplatte angeschlossen werden. R7 dient als Kurzschlußschutz bzw. zur Stromreduzierung des Schaltsignals.

=== Endstufe ===

[[Bild:BMON_1048_POWER.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Endstufe LT1763]]

Die Endstufe ist außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Damit ergibt sich maximale Flexibilität von wenigen mA bis zu mehreren Ampere über einen BSS138 Treiber mit BTS555 Endstufe. Der Anschluss an die BMON1048 Leiterplatte erfolgt über Buchsenleisten auf der Leiterplatte mit der Endstufe. Die Stecker für den Ladeteil und den Prozessorteil sind getrennt ausgeführt. Damit können die Messleitungen direkt am Batteriepack angeschlossen werden (4-Leiter Anschluss). Übergangswiderstände am Stecker und der Leitungen haben dann weniger Einfluss auf die Messung.

Hier ist ein Beispiel für eine Endstufe mit LT1763 für maximal 20V Ladeendspannung gezeigt. Im ausgeschalteten Zustand verbraucht der Spannungsregler weniger als 1µA zusätzlich. Der Ruhestrom mit 30µA ist ebenfalls ein guter Wert. C10 ist vorzugsweise ein Folienkondensator (geringer Mikrofonieeffekt) zur Rauschunterdrückung. Die Ausgangsspannung wird mit R11+R12 auf 14.0 V eingestellt.

== Software ==

Die Software hat folgende Funktionen:

* Messen der Spannung und des Stroms linksbündig als 10 Bit Wert
* Verrechnung eines Korrekturfaktors aus EEPROM für Feinabgleich
* Anzeige der Spannung auf Display
* Als Timer dient der Watchdog mit 16ms Periode
* Die 30 Hz Wechselspannung für das Display wird hieraus abgeleitet
* Im Ladebetrieb erfolgt die Anzeige des Stroms im Wechsel mit der Spannung
* Unterhalb 1.15V/Zelle abschalten der Last (Spannungsanzeige blinkt)
* Oberhalb 1.25V/Zelle wiedereinschalten der Last
* Bei Tastendruck länger als 5 Sekunden wird die Last manuell ein-/ausgeschaltet
* Bei Spannungseinbruch > 0.6V/Minute wird ebenfalls abgeschaltet
* Alle Parameter wie Zellenzahl + Hysterese sind im Header konfigurierbar

<syntaxhighlight lang="c">
#define Cells 12 ; # number of cells
#define mV * 256 * 51/1051/1235 ; 25,6V * 5K1/(100K+5K1)/VRef
#define VOn Cells * 1250 mV ; high hysteresis
#define VOff Cells * 1150 mV ; low hysteresis
#define VOLT_SEC 10 ; check every 10 seconds
#define VDIFF 600 mV ; voltage drop / minute
#define mA * 1 ; 1 mA / count
#define CURR_MIN 10 mA ; min current to display
</syntaxhighlight>

Die Software ist mit MPASM 5.40 (MPLAB 8.70) erstellt. Die Bit-Schubsereien für das Display werden mit Tabellen in Page 0 für alle 3 Ports A-C und die Digits 1-2 abgehandelt.

Bei der Initialisierung wird erst die Hardware initialisiert und danach alle Variablen einschließlich der Kalibrierparameter die aus dem EEPROM gelesen werden. Die Kalibrierfaktoren sind im 2er Komplement als 16 Bit signed Wert gespeichert. Ein Abgleich von +/- 50% entspricht +/-32768 als Wert.

Die meiste Zeit verbringt der Prozessor im sleep mode. Alle 16 ms weckt der Watchdog den Prozessor auf, um die Pins für die Anzeige zu invertieren. Jede Sekunde finden zusätzlich noch Messfunktionen, einschließlich update der Anzeige sowie die Tastenabfrage statt.
Um Zeit (und damit Strom) zu sparen, wird die Wartezeit aufs ADC-Ergebnis genutzt, um eine Tastenentprellung bzw. die Vorverarbeitung der Spannungsmessung während der Strommessung durchzuführen.
Alle 10 Sekunden wird das High-Byte des Spannungswertes in einen Ringpuffer mit 6 Einträgen für die vergangene Minute eingetragen. Dies dient unterhalb der Einschaltschwelle zum Detektieren eines plötzlichen Spannungsabfalls falls eine Zelle schneller entladen ist, als die übrigen im Pack.

== Aufbau ==

<gallery>
Bild:Loetseite_IMG0964W.JPG|BMON1048 - Lötseite
Bild:BMON1048_BS_IMG0968W.JPG|Bestückungsseite
Bild:BMON1048_BST_LS.PNG|Position LS
Bild:BMON1048_BST_BS.PNG|Position BS
</gallery>

=== Lötseite ===

Die Leiterplatte ist doppelseitig. Die meisten Durchkontaktierungen liegen auf bedrahteten Bauelementen so dass eine durchkontaktierte Leiterplatte nicht zwingend nötig ist. Die drei Durchkontaktierungen im Bereich des Programmiersteckers können auch mit Kupferhohlnieten oder einer Drahtbrücke bestückt werden.

Am besten beginnt man nach Durchkontaktieren mit der Bestückung auf der Lötseite. C18, C19 sowie U5 sind im Muster nicht bestückt.

=== Bestückungsseite ===

Auf der Bestückungsseite werden zuerst die Bauteile unter dem Display, sowie die Widerstände unter dem L200 bestückt. Einige bedrahtete Bauteile müssen auf beiden Seiten der Platine verlötet werden, falls keine durchkontaktierte Leiterplatte verwendet wird.

Die Ladebuchse ist auf die Leiterplatte aufgesetzt. Die Anschlüsse werden mit Silberdraht verlängert. Mit dem Verlöten des Silberdrahtes sollte man, wie beim L200, so lange warten, bis die Frontplatte montiert ist.
In den Layoutdaten ist auch ein Layer für die Frontplatte enthalten, der als Bohrhilfe verwendet werden kann.

Der L200 ist über Kopf bestückt, die Anschlussdrähte also gegenüber dem stehenden Einbau auf die andere Seite abgewinkelt. Bei Verwendung von 10mm Distanzbolzen muss als Isolierung mindestens eine 1.5 mm Aluminiumoxidscheibe verwendet werden, damit sich die Pins des L200 im montierten Zustand verlöten lassen. Die Frontplatte des EG2-Gehäuses dient hiermit gleichzeitig als Kühlfläche.

C12 muss liegend montiert werden.

Für das Display verwende ich eine 18-polige Präzisionsfassung, die mit dem Seitenschneider auseinander geschnitten wird. Verlöten geht am einfachsten wenn das Display bereits in die Fassung gesteckt ist. Die beiden Pins 1 + 18 für die Backplane sind auf der Leiterplattenoberseite verbunden (Lötung unter der Fassung nicht vergessen).

Der Taster ist eine Ausführung mit langem Stößel, wenn die Bedienung ohne Hilfswerkzeug möglich sein soll.

=== Montagedetail L200 ===

[[Bild:BMON1048_L200_IMG0981W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - L200 Montage]]

Montagedetail L200:

* M3 Schraube
* Frontplatte
* Aluminiumoxidscheibe (AOS220 - 1.5mm)
* L200
* Isolierbuchse
* Unterlegscheibe (fehlt im Bild)
* M3 Mutter

=== Frontansichten ===

* Ansicht montiert mit Spannungsanzeige 16.7V
* Ansicht Ladebetrieb mit Stromanzeige 188mA

<gallery>
Bild:BMON1048_Spannung_IMG0965W.JPG|Spannungsanzeige
Bild:BMON1048_Strom_IMG0966W.JPG|Stromanzeige
</gallery>

== Inbetriebnahme und Abgleich ==

Der Ladeteil und der Batteriewächter können, auf Grund der getrennten Steckverbinder, unabhängig voneinander in Betrieb genommen werden.

=== Ladeteil ===

An einem strombegrenzten Netzteil (ca. 20-100mA) wird die Spannung an der Ladebuchse langsam von 0V an erhöht und die Stromaufnahme gemessen. Der Eigenverbrauch des L200 liegt bei ca. 10mA. Dieser Wert darf nicht wesentlich überschritten werden. Ist alles in Ordnung dreht man die Spannung langsam auf 24V. Die Ausgangsspannung des L200 sollte vor der Verpolschutzdiode D2 gemessen ca. 18.1V sein. Falls nicht, kann man durch Feinabgleich des Widerstandes R13 noch etwas korrigieren.
Danach einen Akkusatz anschließen und die Strombegrenzung des Netzteils langsam auf ca. 250mA-300mA drehen. Der Strom in den Akku sollte durch den L200 auf ca. 200 mA begrenzt werden.
Bei vollgeladenem Akku sollte der Strom unter C/50 besser C/100 (also 20-40 mA) zurückgehen. Gegebenenfalls ist die Ladeendspannung etwas zu reduzieren.

=== Prozessorteil ===

Zunächst wird der Prozessor mit einem Programmiergerät geflasht. Bei Verwendung des FET-Spannungsreglers darauf achten, dass die Spannungsversorgung für den Prozessor vom Programmiergerät (z.B. PICKIT3) zur Verfügung gestellt wird.
Hierbei darauf achten, dass die nominalen Kalibrierwerte im EEPROM nicht zu weit von den Defaultwerten abweichen.
Bei der Spannung ist der Defaultwert = 0x00, 0x00 (= Faktor 1.0 bzw. 0% Korrektur)
Beim Strom ist die Verstärkung nicht ganz auf einen Strom-Endwert von 255mA ausgelegt, sondern etwa 5 Prozent tiefer. Der nominale Kalibrierwert für den Strom beträgt daher 0xF3, 0x1B (= Faktor 0.94963 bzw. -5.04%).

Nach dem Flashen wird an die beiden mittleren Pins von J1 eine Spannung von ca. 5V angeschlossen. Ist alles ok, sollte das Display die Spannung blinkend anzeigen. Der Ausgang J1 PIN 1 weist hierbei Low-Pegel auf. Die Spannung wird langsam auf ca. 20V (max. 25V) erhöht und die prozentuale Abweichung zwischen Sollwert und Anzeige berechnet. Ab ca. 15.0 V verschwindet das Blinken und der Ausgang wechselt auf High-Pegel (>2.4V). Unterhalb ca. 13.8V wird die Last wieder abgeschaltet und das Display blinkt wieder.
Danach wird ein Akku (15-17V) an Prozessorteil und Ladeteil angeschlossen. Über ein strombegrenztes Netzteil werden ca. 180mA Ladestrom in den Akku eingestellt. Die Anzeige zeigt jetzt im Wechsel die Akkuspannung und den Ladestrom an. Wiederum wird die prozentuale Abweichung vom tatsächlichen Ladestrom berechnet.
Die prozentualen Abweichungen werden auf die existierenden Kalibrierwerte multipliziert und dann nach einem MPASM-Lauf ins EEPROM geschrieben. Bei Verwendung von MPLAB darauf achten dass im "Release" Modus und nicht im "Debug" Modus gearbeitet wird.

Danach ist der Batteriewächter einsatzbereit.

== Praxis und Ideen ==

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|BMON1035 Stromverbrauch 9.7µA bei 9.3V]]

Anbei ein Aufbau einer Vorgängerversion ohne Ladestrommessung (BMON1035) mit einem Stromverbrauch um 9.7 µA (schwankend) bei einem frisch aufgeladenen Akku mit 9.3V. An einem BMON1048 mit Strommessung habe ich 10-12µA gemessen. Wobei der Stromverbrauch auch von der tatsächlichen Versorgungsspannung des Prozessors abhängt.

Ich habe zwei Schaltungen mit ca. 30 mA Last seit 2.5 Jahren im Dauerbetrieb mit je 12 AA-Zellen und täglichem Ladebetrieb. Der erste Akkusatz zeigt seit letztem Sommer (bis zu 32 Grad Raumtemperatur während dem Laden) einen erhöhten Innenwiderstand. Der Ladestrom bei vollem Akku lag hierbei bei erhöhter Temperatur bei 60-70mA.

Die Spannungsdifferenz beim Einstecken / Entfernen des Ladegerätes ist bei diesem Akkusatz ca. 1V. Bei niedrigen Spannungen unter 15V und kurzem Ladebetrieb wird hierdurch die Last ungewollt abgeworfen. Das Kriterium 0.6V Abfall innerhalb einer Minute wird überschritten.
Der andere Akkusatz liegt immer noch bei 0.2V Differenz zwischen Normal und Ladebetrieb.

Ganz oben auf der Wunschliste steht der vereinfachte Abgleich der Kalibrierwerte im EEPROM. Denkbar wäre irgendein Morsecode über den Taster oder ein Jumper an einem freien Pin, um den Abgleich bei angelegten Referenzwerten zu starten.

Freier Speicherplatz ist jedenfalls genügend vorhanden. Wobei Sonderfunktionen nur selten gerechnet werden sollten, um den Stromverbrauch nicht zu stark zu erhöhen.

Die führende "1" wird derzeit wegen des 2-stelligen Displays als Dezimalpunkt angezeigt. Bei einem 3-stelligen Display würde man anstelle des Dezimalpunktes die beiden Segmente "b" und "c" für die "1" parallel ansteuern.

Ideen:
* Temperaturkompensation der End-Ladespannung mittels NTC / Dioden
* Alternativ: Abschaltung des Ladezweigs per Prozessor-Pin, wenn der Ladestrom bei der Endspannung eingeschwungen ist
* Lernfunktion Berücksichtigung Spannungsdifferenz bei Ladebetrieb für Abschaltkriterium
* Automatisiertes Speichern der Abgleichwerte im EEPROM

Anpassung an andere Zellenzahlen:

:{| class="wikitable"
|+ '''Ladeteil L200'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R13 || UE,min || UE,nom
|-
| 4 || 6.5 || 2K2 || 2K2 || 10.2V || 12V
|-
| 5 || 7.95 || 2K2 || 5K1 || 11.7V || 13V
|-
| 6 || 9.4 || 2K2 || 18K || 13.1V || 15V
|-
| 7 || 10.85 || 2K4 || --- || 14.6V || 16V
|-
| 8 || 12.3 || 3K0 || 47K || 16.0V || 18V
|-
| 10 || 15.2 || 3K9 || 68K || 18.9V || 20V
|-
| 12 || 18.1 || 4K7 || 130K || 21.8V || 24V
|}

Die minimale Netzteilspannung UE,min gilt für den worst case. In der Praxis hat man hierbei ca 0.5V Reserve.

:{| class="wikitable"
|+ '''Lastregler LT1763 (Ausserhalb Leiterplatte)'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R11
|-
| 5 || 5.1 || 4K7 || 15K
|-
| 6 || 6.0 || 10K || 39K
|-
| 7 || 8.0 || 2K7 || 15K
|-
| 8 || 9.35 || 3K3 || 22K
|-
| 10 || 11.5 || 3K9 || 33K
|-
| 12 || 12.0 || 2K7 || 24K
|-
| 12 || 14.0 || 6K49 || 68K
|}

== Nachtrag ==

[[Bild:BMON1048_BF545C.JPG|thumb|300px|BMON1035 Bestückungsvariante mit BF545C]]

Da der BF245C in der Zwischenzeit nicht mehr hergestellt wird und nur noch in Restbeständen im Handel ist, wird hier eine Bestückungsvariante mit der SMD-Version des BF245C gezeigt. Die SMD-Version heißt BF545C und ist z.B. bei Reichelt, DigiKey, RS-Components oder Farnell erhältlich. Im Bild ist die Bestückung an der Position von U5 gezeigt.
Der FET sitzt rechts in der Mitte und trägt die Markierung 22W.
Hierbei ist gegenüber dem Schaltplan Source und Drain vertauscht was allerdings keine Auswirkung auf die Funktion hat. Der größte Nachteil ist daß eine vorherige Selektion der FETs auf Spannung mittels Breadboard nicht möglich ist. Der Musteraufbau mit einem willkürlich ausgewählten BF545C hatte ohne Prozessor gemessen folgende Spannungswerte:
* 4,54V @ 27,3 V und 10 MOhm Last (nur Multimeter)
* 3,95V @ 9,1 V und 100K Last
* 2,58V @ 9,1 V und 1K Last

Also auch hier ausreichend Abstand zu kritischen Werten.

Falls keine durchkontaktierte Leiterplatte verwendet wird, darf die Durchkontaktierung am BF245 Pin nicht vergessen werden.

== Downloads ==

* [[Media:BMON1048_MPASM.ZIP| Source code für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_Schaltbild.pdf| Schaltplan für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_gcprevue.zip| Layout (Gerber) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_PDF.zip| Layout (PDF) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_STK.txt| Stückliste Batteriewächter BMON1048]]

== Weblinks ==

* [http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00000053.pdf L200_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BSS84.pdf BSS84P_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF245A-B-C.pdf BF245C_Datasheet]
* [http://www.torex.co.jp/english/products/voltage_regulators/data/XC6216_XE6216.pdf XC6216_Datasheet]
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39631e.pdf PIC18F2520_Datasheet]
* [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm285-1.2-n.pdf LM385Z-1.2_Datasheet]
* [http://www.fairchildsemi.com/ds/BS/BSS138.pdf BSS138_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Hintergrund-gruen/LCD-2-0-13/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=3005&ARTICLE=10179&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& LCD-2-13]
* [http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1763fg.pdf LT1763_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Proma-Gehaeuse/GEH-EG-2/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=5199&ARTICLE=50424&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& Gehäuse_EG2]
* [http://www.graphicode.com/ GC-Prevue Gerber viewer]

== Siehe auch ==

* [http://www.mikrocontroller.net/topic/288063 Forum: Diskussion zu diesem Projekt]

[[Kategorie:Wettbewerb]]
[[Kategorie:PIC-Projekte]]
[[Kategorie:Spannungsversorgung_und_Energiequellen]]
[[Kategorie:Messtechnik]]
[[Kategorie:Projekte]]

Batteriewächter

2013-08-31T22:07:48Z

An ja: /* Nachtrag */

''von Anja''

{{Wettbewerb Header}}

[[Bild:BMON_1048_3_IMG0982w.JPG|thumb|300px|Batteriewächter]]
'''Eigenschaften'''
* Schaltausgang zum Abschalten der Last bei Unterspannung
* Mikroprozessordesign mit PIC18F2520
* Geringer Stromverbrauch typ. 10µA
* Geringe Mindestspannung typ. 2.5V
* Optional bestückbares Ladeteil mit L200
* Breiter Einsatzbereich von 4-12 NiMH Zellen oder 6-12V Bleiakkus
* Leiterplatte angepasst für Frontplatte eines EG2-Aluminiumgehäuses (ProMa)

'''Anwendungen'''
* Batteriemanagement
* Aus Messwert gespeistes Panelmeter

== Vorgeschichte ==

Eigentlich wollte ich nur eine einfache Anzeige für meine, per Akku gespeisten Referenzen: wann müssen die 9V-Blocks wieder ans Ladegerät. Ein einfaches Drehspulinstrument hätte es getan. Allerdings brauchen diese relativ viel Strom im Verhältnis zu einer ISL21009. Und bei einer Empfindlichkeit von 100µA sind sie auch nicht ganz billig.

Die nächste Idee: Eine low power Referenz und ein Komparator (oder gleich einen ICL7665). Nur: Was dann als Anzeige nehmen? Selbst eine low current LED braucht einige 100µA für die Anzeige.

Alternative Anzeigen wären eine einfache LCD Balkenanzeige wie im Handy. Diese sind allerdings nicht im DIP 8 Gehäuse erhältlich. Als Alternative bleiben eigentlich nur passive LC-Anzeigen mit 2-4 Digits.

Das Ganze zu takten war die nächste Idee. Also wie beim Rauchmelder nur kurze Mess- und Anzeigephasen um Strom zu sparen.

In der Zwischenzeit waren auch Referenzen im Programm, die eine Mindestspannung von 9V oder 14V benötigen. Die Anzahl der Zellen (8-12) ist also so gewachsen, dass die 16V des ICL7665 oder gängiger CMOS Logik nicht mehr ausreichen.

Schön wäre auch eine "richtige" Spannungsanzeige - also muss ein Prozessor her. Nachdem auch die ersten 9V-Blocks Schwächen wegen Tiefentladung zeigten, sollte das Ganze auch einen Unterspannungsschutz haben.

Zum damaligen Zeitpunkt gab es nur wenige Spannungsregler mit Eingangsspannungen bis 20 oder 25V und Eigenstromverbrauch unter 20µA. Und die auch nur von Farnell, also für Privat quasi unobtanium.

Eine Idee hatte ich schon länger um z.B. Uhrenchips im 12V-System zu betreiben: Ein normaler Sperrschicht-FET hat eine negative UGS-Spannung. Wenn man das Gate also an Masse anschließt müsste am Source eine halbwegs stabile Backup-Spannung übrig bleiben. Und das auch noch ohne dass der Spannungsregler einen nennenswerten Strom braucht.

Der Ehrgeiz war geweckt, es müsste doch möglich sein einen prozessorgesteuerten Komparator mit Spannungsanzeige bei unter 20µA Stromverbrauch und mit Versorgung direkt aus der Batterie im Bereich 5-20V zu entwickeln...

== Blockschaltbild ==

[[Bild:BMON_1048_BLOCK.PNG|thumb|right|350px|BMON148 - Blockschaltbild]]

Die Schaltung auf der Leiterplatte umfasst ein einfaches Ladeteil mit L200. Die Speisung erfolgt mit einem externen 24V Steckernetzteil. Ein Low-Power Spannungsregler erzeugt die VCC-Versorgung für den Prozessorteil. Der Prozessor misst die Akkuspannung sowie den Ladestrom und erzeugt das Steuersignal für die Endstufe. Auf dem Display werden die Akkuspannung sowie der Ladestrom angezeigt. Der Taster dient zum Ein-/Ausschalten der Last. Da der Leistungsteil je nach Last sehr unterschiedlich sein kann (z.B. BTS555 für Hochstromanwendungen), ist er außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Als Schaltungsbeispiel wird eine Endstufe mit LT1763 gezeigt.

=== Ladeteil ===

[[Bild:BMON_1048_L200.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Ladeteil]]

Das Ladeteil ist eine Standardapplikation mit L200, ergänzt um einen Spannungsausgang für die Strommessung.
Die maximale Ladespannung wird mittels Spannungsteiler R12 zu R11 eingestellt. R13 ist parallel zu R12 und wird für den Feinabgleich der Ausgangsspannung verwendet. Auf der Leiterplatte sind die Widerstände wahlweise als SMD (R11..R13) oder bedrahtet (R11A..R13A) bestückbar. R11A ist mit 820 Ohm bestückt. R12A mit 4K7 parallel zu R13A mit 130k ergibt 4K54. Die Ausgangsspannung von 18.1 V ergibt sich aus der Referenzspannung von 2.77V des L200 * (1 + 4540R/820R). R14 begrenzt den Strom auf ca. 200 mA (0.45V / 2R2).
Diode D2 verhindert ein Entladen des Akkus wenn das Steckernetzteil nicht angeschlossen ist. D3 dient als Verpolschutz.
Die Schaltung um U3 verstärkt die Spannung über dem Strombegrenzungswiderstand. Es muss zwingend ein OP verwendet werden dessen common mode input range an die positive Versorgung reicht. Bei einem TL062 ist dies bei normalen Raumtemperaturen gegeben. Die Spannung über R14 wird im Verhältnis R16/R15 = 2.32 fach verstärkt. Bei 200mA, also 450mV am Strombegrenzungswiderstand, ergibt sich für den ADC-Eingang eine Spannung von 1.04V über R16.
L1, L2 sowie C15-C19 bilden ein optional bestückbares EMV-Filter. C18+C19 filtern hierbei die Störungen über einen M3 Distanzbolzen auf das Aluminiumgehäuse.

=== Spannungsregler ===

[[Bild:BMON_1048_VCC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Spannungsregler BF245C]]

Es gibt 3 alternative Bestückungsvarianten:

U5 ist ein low power Spannungsregler XC6216 von Torex. An Ein- und Ausgang werden 1µF Kondensatoren benötigt. Der Ruhestromverbrauch ist mit 5µA im Datenblatt angegeben.

Da mir das vieeel zu hoch ist, habe ich einen Sperrschicht-FET als Spannungsregler verwendet. Ein BF245C hat bei kleinen Strömen je nach Exemplarstreuung eine Gate/Source Spannung von -3.2 .. -7.5 V zwischen Gate und Source.
Wenn man jetzt das Gate auf Masse legt, und an Drain die ungeregelte Eingangsspannung, bleibt am Source eine Ausgangsspannung von +3.2 bis 7.5V.
Da der nachgeschaltete Prozessor maximal 5.5V Spannung verträgt müssen die FETs selektiert werden. Bei der maximalen Eingangsspannung und minimaler Last (also nur die 10 Meg-Ohm des Messinstrumentes) dürfen die 5.5V nicht überschritten werden. Bei der typischen Last von 10µA, entsprechend 330K, sollten mindestens ca. 3.8V als minimale Spannung übrig bleiben.

Beim Austesten auf dem Steckbrett habe ich herausgefunden, dass der FET relativ empfindlich auf Störimpulse reagiert und teilweise hierdurch auch hohe Spannungen an den Ausgang durchlässt. Abhilfe schaffen Abblockkondensatoren an Ein- und Ausgang. Im Gegensatz zum XC6216 reichen für den FET normale 100nF Abblockkondensatoren. Die Diode D1 dient als Verpolschutz. R2 begrenzt beim FET schnelle Spannungsanstiege sowie den Maximalstrom. Das Austesten auf dem Steckbrett sollte mit den Abblock-Cs und der Schutzbeschaltung erfolgen.

Von 10 getesteten FETs hatten alle eine maximale Spannung im Bereich 4.57 bis 4.80 V bei 25V Eingangsspannung. Bei Belastung mit 1K-Ohm und 9V Eingangsspannung habe ich 2.61V bis 2.77V gemessen. Der Regler hat also ausreichend Reserven. Die Mühe des Selektierens wird belohnt durch einen Stromverbrauch von nicht messbaren wenigen nA für den Spannungsregler.

R2 sollte bei Verwendung des XC6216 durch einen 0 Ohm Widerstand ersetzt werden. Allerdings habe ich diese Schaltungsvariante noch nicht getestet.

Eine weitere Möglichkeit ist die Bestückung eines BF545C (= SMD-Version des BF245C im SOT-23 Gehäuse) an der Position des Spannungsreglers U5. In diesem Fall ist Source und Drain des FETs vertauscht. Da der Chip des FET jedoch symmetrisch aufgebaut ist funktioniert er unabhängig von der Polarität von Source und Drain. Siehe auch Abschnitt Nachtrag.

=== Prozessorteil ===

[[Bild:BMON_1048_PIC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Prozessorteil]]

Als Prozessor wird ein PIC18F2520 verwendet. Es ist quasi der low power Nachfolger eines PIC16F876. Der Strom mit internem Oszillator beträgt ca. 1mA. Um den Stromverbrauch zu reduzieren, ist der Prozessor hauptsächlich im sleep mode und wird nur alle 16ms aufgeweckt, um die Flanken für die Wechselspannung von 30Hz für die passive LC-Anzeige zu generieren, die auch die meisten Pins benötigt. C4 mit 10µF puffert kurze Stromspitzen in der Aufwachphase. C7 mindert EMV-Störungen.

Die Batteriespannung wird über Spannungsteiler R4/R5 an Pin RA2 gemessen. U2 sorgt mit R3 für eine stabile Referenz von 1.235V auch bei schwankenden Versorgungsspannungen. Kurzzeitig werden für den Referenzeingang bis zu 150µA und für die Referenzdiode bis zu 20µA benötigt. Da kein Abblockkondensator an der Referenz verwendet wird, ist R3 relativ niederohmig dimensioniert.

Die Stromsparfunktionen werden alle mit PIN RA1 gesteuert. Die Auswertung der Eingänge erfolgt nur ein Mal je Sekunde. Dies betrifft R3 als Versorgung für die Referenzdiode sowie R6 als pull up Widerstand für den Taster. Über T2 wird der Spannungsteiler für die Batteriespannung stromlos geschaltet. Der BSS138 ist ein FET mit geringer UGS threshold voltage von max. 1.5V. Er begrenzt also am Source die Drain-Spannung auf VCC-1.5V. Da die Referenzspannung 1.2V beträgt, ergibt sich durch den FET bei einer Versorgungsspannung bis herab zu 2.7V noch keine Begrenzung des Messbereichs für die Batteriespannung von bis zu 25.5V.

Der Ladestrom wird über Analogeingang RA0 gemessen.

Mit der gewählten Dimensionierung für R4/R5 ergibt sich ein Messbereich von 25.5V für die Batteriespannung. Der Strombereich ist für ca. 240mA ausgelegt.

An Pin RB6 wird schließlich das Schaltsignal für die Endstufe erzeugt.

=== Bedienteil ===

[[Bild:BMON_1048_HMI.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Bedienteil]]

Aus Platzgründen (Frontplatte des EG2-Gehäuses von ProMa) konnte leider nur ein 2-stelliges LC-Display verwendet werden. Um dennoch Spannungen größer 9.9V darstellen zu können, wird der führende Dezimalpunkt als Zehner-Stelle verwendet. Ab 20.0V fängt dann der Dezimalpunkt an zu blinken. Bei Verwendung eines 3 oder 4-stelligen Displays würde man anstelle des führenden Dezimalpunktes beide Segmente für die führende "1" anschließen.
Der Kondensator C5 hält Gleichspannungssignale vom Display fern. Dies ist insbesonders nützlich beim Flashen bzw. in der Debugging Phase.

J1 ist die Verbindung zur Mutterplatine. Dort kann noch ein zweiter Taster parallel zum Taster auf der Frontplatte angeschlossen werden. R7 dient als Kurzschlußschutz bzw. zur Stromreduzierung des Schaltsignals.

=== Endstufe ===

[[Bild:BMON_1048_POWER.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Endstufe LT1763]]

Die Endstufe ist außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Damit ergibt sich maximale Flexibilität von wenigen mA bis zu mehreren Ampere über einen BSS138 Treiber mit BTS555 Endstufe. Der Anschluss an die BMON1048 Leiterplatte erfolgt über Buchsenleisten auf der Leiterplatte mit der Endstufe. Die Stecker für den Ladeteil und den Prozessorteil sind getrennt ausgeführt. Damit können die Messleitungen direkt am Batteriepack angeschlossen werden (4-Leiter Anschluss). Übergangswiderstände am Stecker und der Leitungen haben dann weniger Einfluss auf die Messung.

Hier ist ein Beispiel für eine Endstufe mit LT1763 für maximal 20V Ladeendspannung gezeigt. Im ausgeschalteten Zustand verbraucht der Spannungsregler weniger als 1µA zusätzlich. Der Ruhestrom mit 30µA ist ebenfalls ein guter Wert. C10 ist vorzugsweise ein Folienkondensator (geringer Mikrofonieeffekt) zur Rauschunterdrückung. Die Ausgangsspannung wird mit R11+R12 auf 14.0 V eingestellt.

== Software ==

Die Software hat folgende Funktionen:

* Messen der Spannung und des Stroms linksbündig als 10 Bit Wert
* Verrechnung eines Korrekturfaktors aus EEPROM für Feinabgleich
* Anzeige der Spannung auf Display
* Als Timer dient der Watchdog mit 16ms Periode
* Die 30 Hz Wechselspannung für das Display wird hieraus abgeleitet
* Im Ladebetrieb erfolgt die Anzeige des Stroms im Wechsel mit der Spannung
* Unterhalb 1.15V/Zelle abschalten der Last (Spannungsanzeige blinkt)
* Oberhalb 1.25V/Zelle wiedereinschalten der Last
* Bei Tastendruck länger als 5 Sekunden wird die Last manuell ein-/ausgeschaltet
* Bei Spannungseinbruch > 0.6V/Minute wird ebenfalls abgeschaltet
* Alle Parameter wie Zellenzahl + Hysterese sind im Header konfigurierbar

<syntaxhighlight lang="c">
#define Cells 12 ; # number of cells
#define mV * 256 * 51/1051/1235 ; 25,6V * 5K1/(100K+5K1)/VRef
#define VOn Cells * 1250 mV ; high hysteresis
#define VOff Cells * 1150 mV ; low hysteresis
#define VOLT_SEC 10 ; check every 10 seconds
#define VDIFF 600 mV ; voltage drop / minute
#define mA * 1 ; 1 mA / count
#define CURR_MIN 10 mA ; min current to display
</syntaxhighlight>

Die Software ist mit MPASM 5.40 (MPLAB 8.70) erstellt. Die Bit-Schubsereien für das Display werden mit Tabellen in Page 0 für alle 3 Ports A-C und die Digits 1-2 abgehandelt.

Bei der Initialisierung wird erst die Hardware initialisiert und danach alle Variablen einschließlich der Kalibrierparameter die aus dem EEPROM gelesen werden. Die Kalibrierfaktoren sind im 2er Komplement als 16 Bit signed Wert gespeichert. Ein Abgleich von +/- 50% entspricht +/-32768 als Wert.

Die meiste Zeit verbringt der Prozessor im sleep mode. Alle 16 ms weckt der Watchdog den Prozessor auf, um die Pins für die Anzeige zu invertieren. Jede Sekunde finden zusätzlich noch Messfunktionen, einschließlich update der Anzeige sowie die Tastenabfrage statt.
Um Zeit (und damit Strom) zu sparen, wird die Wartezeit aufs ADC-Ergebnis genutzt, um eine Tastenentprellung bzw. die Vorverarbeitung der Spannungsmessung während der Strommessung durchzuführen.
Alle 10 Sekunden wird das High-Byte des Spannungswertes in einen Ringpuffer mit 6 Einträgen für die vergangene Minute eingetragen. Dies dient unterhalb der Einschaltschwelle zum Detektieren eines plötzlichen Spannungsabfalls falls eine Zelle schneller entladen ist, als die übrigen im Pack.

== Aufbau ==

<gallery>
Bild:Loetseite_IMG0964W.JPG|BMON1048 - Lötseite
Bild:BMON1048_BS_IMG0968W.JPG|Bestückungsseite
Bild:BMON1048_BST_LS.PNG|Position LS
Bild:BMON1048_BST_BS.PNG|Position BS
</gallery>

=== Lötseite ===

Die Leiterplatte ist doppelseitig. Die meisten Durchkontaktierungen liegen auf bedrahteten Bauelementen so dass eine durchkontaktierte Leiterplatte nicht zwingend nötig ist. Die drei Durchkontaktierungen im Bereich des Programmiersteckers können auch mit Kupferhohlnieten oder einer Drahtbrücke bestückt werden.

Am besten beginnt man nach Durchkontaktieren mit der Bestückung auf der Lötseite. C18, C19 sowie U5 sind im Muster nicht bestückt.

=== Bestückungsseite ===

Auf der Bestückungsseite werden zuerst die Bauteile unter dem Display, sowie die Widerstände unter dem L200 bestückt. Einige bedrahtete Bauteile müssen auf beiden Seiten der Platine verlötet werden, falls keine durchkontaktierte Leiterplatte verwendet wird.

Die Ladebuchse ist auf die Leiterplatte aufgesetzt. Die Anschlüsse werden mit Silberdraht verlängert. Mit dem Verlöten des Silberdrahtes sollte man, wie beim L200, so lange warten, bis die Frontplatte montiert ist.
In den Layoutdaten ist auch ein Layer für die Frontplatte enthalten, der als Bohrhilfe verwendet werden kann.

Der L200 ist über Kopf bestückt, die Anschlussdrähte also gegenüber dem stehenden Einbau auf die andere Seite abgewinkelt. Bei Verwendung von 10mm Distanzbolzen muss als Isolierung mindestens eine 1.5 mm Aluminiumoxidscheibe verwendet werden, damit sich die Pins des L200 im montierten Zustand verlöten lassen. Die Frontplatte des EG2-Gehäuses dient hiermit gleichzeitig als Kühlfläche.

C12 muss liegend montiert werden.

Für das Display verwende ich eine 18-polige Präzisionsfassung, die mit dem Seitenschneider auseinander geschnitten wird. Verlöten geht am einfachsten wenn das Display bereits in die Fassung gesteckt ist. Die beiden Pins 1 + 18 für die Backplane sind auf der Leiterplattenoberseite verbunden (Lötung unter der Fassung nicht vergessen).

Der Taster ist eine Ausführung mit langem Stößel, wenn die Bedienung ohne Hilfswerkzeug möglich sein soll.

=== Montagedetail L200 ===

[[Bild:BMON1048_L200_IMG0981W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - L200 Montage]]

Montagedetail L200:

* M3 Schraube
* Frontplatte
* Aluminiumoxidscheibe (AOS220 - 1.5mm)
* L200
* Isolierbuchse
* Unterlegscheibe (fehlt im Bild)
* M3 Mutter

=== Frontansichten ===

* Ansicht montiert mit Spannungsanzeige 16.7V
* Ansicht Ladebetrieb mit Stromanzeige 188mA

<gallery>
Bild:BMON1048_Spannung_IMG0965W.JPG|Spannungsanzeige
Bild:BMON1048_Strom_IMG0966W.JPG|Stromanzeige
</gallery>

== Inbetriebnahme und Abgleich ==

Der Ladeteil und der Batteriewächter können, auf Grund der getrennten Steckverbinder, unabhängig voneinander in Betrieb genommen werden.

=== Ladeteil ===

An einem strombegrenzten Netzteil (ca. 20-100mA) wird die Spannung an der Ladebuchse langsam von 0V an erhöht und die Stromaufnahme gemessen. Der Eigenverbrauch des L200 liegt bei ca. 10mA. Dieser Wert darf nicht wesentlich überschritten werden. Ist alles in Ordnung dreht man die Spannung langsam auf 24V. Die Ausgangsspannung des L200 sollte vor der Verpolschutzdiode D2 gemessen ca. 18.1V sein. Falls nicht, kann man durch Feinabgleich des Widerstandes R13 noch etwas korrigieren.
Danach einen Akkusatz anschließen und die Strombegrenzung des Netzteils langsam auf ca. 250mA-300mA drehen. Der Strom in den Akku sollte durch den L200 auf ca. 200 mA begrenzt werden.
Bei vollgeladenem Akku sollte der Strom unter C/50 besser C/100 (also 20-40 mA) zurückgehen. Gegebenenfalls ist die Ladeendspannung etwas zu reduzieren.

=== Prozessorteil ===

Zunächst wird der Prozessor mit einem Programmiergerät geflasht. Bei Verwendung des FET-Spannungsreglers darauf achten, dass die Spannungsversorgung für den Prozessor vom Programmiergerät (z.B. PICKIT3) zur Verfügung gestellt wird.
Hierbei darauf achten, dass die nominalen Kalibrierwerte im EEPROM nicht zu weit von den Defaultwerten abweichen.
Bei der Spannung ist der Defaultwert = 0x00, 0x00 (= Faktor 1.0 bzw. 0% Korrektur)
Beim Strom ist die Verstärkung nicht ganz auf einen Strom-Endwert von 255mA ausgelegt, sondern etwa 5 Prozent tiefer. Der nominale Kalibrierwert für den Strom beträgt daher 0xF3, 0x1B (= Faktor 0.94963 bzw. -5.04%).

Nach dem Flashen wird an die beiden mittleren Pins von J1 eine Spannung von ca. 5V angeschlossen. Ist alles ok, sollte das Display die Spannung blinkend anzeigen. Der Ausgang J1 PIN 1 weist hierbei Low-Pegel auf. Die Spannung wird langsam auf ca. 20V (max. 25V) erhöht und die prozentuale Abweichung zwischen Sollwert und Anzeige berechnet. Ab ca. 15.0 V verschwindet das Blinken und der Ausgang wechselt auf High-Pegel (>2.4V). Unterhalb ca. 13.8V wird die Last wieder abgeschaltet und das Display blinkt wieder.
Danach wird ein Akku (15-17V) an Prozessorteil und Ladeteil angeschlossen. Über ein strombegrenztes Netzteil werden ca. 180mA Ladestrom in den Akku eingestellt. Die Anzeige zeigt jetzt im Wechsel die Akkuspannung und den Ladestrom an. Wiederum wird die prozentuale Abweichung vom tatsächlichen Ladestrom berechnet.
Die prozentualen Abweichungen werden auf die existierenden Kalibrierwerte multipliziert und dann nach einem MPASM-Lauf ins EEPROM geschrieben. Bei Verwendung von MPLAB darauf achten dass im "Release" Modus und nicht im "Debug" Modus gearbeitet wird.

Danach ist der Batteriewächter einsatzbereit.

== Praxis und Ideen ==

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|BMON1035 Stromverbrauch 9.7µA bei 9.3V]]

Anbei ein Aufbau einer Vorgängerversion ohne Ladestrommessung (BMON1035) mit einem Stromverbrauch um 9.7 µA (schwankend) bei einem frisch aufgeladenen Akku mit 9.3V. An einem BMON1048 mit Strommessung habe ich 10-12µA gemessen. Wobei der Stromverbrauch auch von der tatsächlichen Versorgungsspannung des Prozessors abhängt.

Ich habe zwei Schaltungen mit ca. 30 mA Last seit 2.5 Jahren im Dauerbetrieb mit je 12 AA-Zellen und täglichem Ladebetrieb. Der erste Akkusatz zeigt seit letztem Sommer (bis zu 32 Grad Raumtemperatur während dem Laden) einen erhöhten Innenwiderstand. Der Ladestrom bei vollem Akku lag hierbei bei erhöhter Temperatur bei 60-70mA.

Die Spannungsdifferenz beim Einstecken / Entfernen des Ladegerätes ist bei diesem Akkusatz ca. 1V. Bei niedrigen Spannungen unter 15V und kurzem Ladebetrieb wird hierdurch die Last ungewollt abgeworfen. Das Kriterium 0.6V Abfall innerhalb einer Minute wird überschritten.
Der andere Akkusatz liegt immer noch bei 0.2V Differenz zwischen Normal und Ladebetrieb.

Ganz oben auf der Wunschliste steht der vereinfachte Abgleich der Kalibrierwerte im EEPROM. Denkbar wäre irgendein Morsecode über den Taster oder ein Jumper an einem freien Pin, um den Abgleich bei angelegten Referenzwerten zu starten.

Freier Speicherplatz ist jedenfalls genügend vorhanden. Wobei Sonderfunktionen nur selten gerechnet werden sollten, um den Stromverbrauch nicht zu stark zu erhöhen.

Die führende "1" wird derzeit wegen des 2-stelligen Displays als Dezimalpunkt angezeigt. Bei einem 3-stelligen Display würde man anstelle des Dezimalpunktes die beiden Segmente "b" und "c" für die "1" parallel ansteuern.

Ideen:
* Temperaturkompensation der End-Ladespannung mittels NTC / Dioden
* Alternativ: Abschaltung des Ladezweigs per Prozessor-Pin, wenn der Ladestrom bei der Endspannung eingeschwungen ist
* Lernfunktion Berücksichtigung Spannungsdifferenz bei Ladebetrieb für Abschaltkriterium
* Automatisiertes Speichern der Abgleichwerte im EEPROM

Anpassung an andere Zellenzahlen:

:{| class="wikitable"
|+ '''Ladeteil L200'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R13 || UE,min || UE,nom
|-
| 4 || 6.5 || 2K2 || 2K2 || 10.2V || 12V
|-
| 5 || 7.95 || 2K2 || 5K1 || 11.7V || 13V
|-
| 6 || 9.4 || 2K2 || 18K || 13.1V || 15V
|-
| 7 || 10.85 || 2K4 || --- || 14.6V || 16V
|-
| 8 || 12.3 || 3K0 || 47K || 16.0V || 18V
|-
| 10 || 15.2 || 3K9 || 68K || 18.9V || 20V
|-
| 12 || 18.1 || 4K7 || 130K || 21.8V || 24V
|}

Die minimale Netzteilspannung UE,min gilt für den worst case. In der Praxis hat man hierbei ca 0.5V Reserve.

:{| class="wikitable"
|+ '''Lastregler LT1763 (Ausserhalb Leiterplatte)'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R11
|-
| 5 || 5.1 || 4K7 || 15K
|-
| 6 || 6.0 || 10K || 39K
|-
| 7 || 8.0 || 2K7 || 15K
|-
| 8 || 9.35 || 3K3 || 22K
|-
| 10 || 11.5 || 3K9 || 33K
|-
| 12 || 12.0 || 2K7 || 24K
|-
| 12 || 14.0 || 6K49 || 68K
|}

== Nachtrag ==

[[Bild:BMON1048_BF545C.JPG|thumb|300px|BMON1035 Bestückungsvariante mit BF545C]]

Da der BF245C in der Zwischenzeit nicht mehr hergestellt wird und nur noch in Restbeständen im Handel ist, wird hier eine Bestückungsvariante mit der SMD-Version des BF245C gezeigt. Die SMD-Version heißt BF545C und ist z.B. bei Reichelt, DigiKey, RS-Components oder Farnell erhältlich. Im Bild ist die Bestückung an der Position von U5 gezeigt.
Der FET sitzt rechts in der Mitte und trägt die Markierung 22W.
Hierbei ist gegenüber dem Schaltplan Source und Drain vertauscht was allerdings keine Auswirkung auf die Funktion hat. Der größte Nachteil ist daß eine vorherige Selektion der FETs auf Spannung mittels Breadboard nicht möglich ist. Der Musteraufbau mit einem willkürlich ausgewählten BF545C hatte ohne Prozessor gemessen folgende Spannungswerte:
* 4,54V @ 27,3 V und 10 MOhm Last (nur Multimeter)
* 3,95V @ 9,1 V und 100K Last
* 2,58V @ 9,1 V und 1K Last

Also auch hier ausreichend Abstand zu kritischen Werten.

== Downloads ==

* [[Media:BMON1048_MPASM.ZIP| Source code für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_Schaltbild.pdf| Schaltplan für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_gcprevue.zip| Layout (Gerber) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_PDF.zip| Layout (PDF) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_STK.txt| Stückliste Batteriewächter BMON1048]]

== Weblinks ==

* [http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00000053.pdf L200_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BSS84.pdf BSS84P_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF245A-B-C.pdf BF245C_Datasheet]
* [http://www.torex.co.jp/english/products/voltage_regulators/data/XC6216_XE6216.pdf XC6216_Datasheet]
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39631e.pdf PIC18F2520_Datasheet]
* [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm285-1.2-n.pdf LM385Z-1.2_Datasheet]
* [http://www.fairchildsemi.com/ds/BS/BSS138.pdf BSS138_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Hintergrund-gruen/LCD-2-0-13/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=3005&ARTICLE=10179&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& LCD-2-13]
* [http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1763fg.pdf LT1763_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Proma-Gehaeuse/GEH-EG-2/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=5199&ARTICLE=50424&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& Gehäuse_EG2]
* [http://www.graphicode.com/ GC-Prevue Gerber viewer]

== Siehe auch ==

* [http://www.mikrocontroller.net/topic/288063 Forum: Diskussion zu diesem Projekt]

[[Kategorie:Wettbewerb]]
[[Kategorie:PIC-Projekte]]
[[Kategorie:Spannungsversorgung_und_Energiequellen]]
[[Kategorie:Messtechnik]]
[[Kategorie:Projekte]]

Datei:BMON1048 BF545C.JPG

2013-08-31T21:42:51Z

An ja: Batteriewächter Bestückungsvariante mit BF545C (Marking 22W)

Batteriewächter Bestückungsvariante mit BF545C (Marking 22W)

Batteriewächter

2013-08-31T21:40:38Z

An ja: Nachtrag obsoletes Bauteil

''von Anja''

{{Wettbewerb Header}}

[[Bild:BMON_1048_3_IMG0982w.JPG|thumb|300px|Batteriewächter]]
'''Eigenschaften'''
* Schaltausgang zum Abschalten der Last bei Unterspannung
* Mikroprozessordesign mit PIC18F2520
* Geringer Stromverbrauch typ. 10µA
* Geringe Mindestspannung typ. 2.5V
* Optional bestückbares Ladeteil mit L200
* Breiter Einsatzbereich von 4-12 NiMH Zellen oder 6-12V Bleiakkus
* Leiterplatte angepasst für Frontplatte eines EG2-Aluminiumgehäuses (ProMa)

'''Anwendungen'''
* Batteriemanagement
* Aus Messwert gespeistes Panelmeter

== Vorgeschichte ==

Eigentlich wollte ich nur eine einfache Anzeige für meine, per Akku gespeisten Referenzen: wann müssen die 9V-Blocks wieder ans Ladegerät. Ein einfaches Drehspulinstrument hätte es getan. Allerdings brauchen diese relativ viel Strom im Verhältnis zu einer ISL21009. Und bei einer Empfindlichkeit von 100µA sind sie auch nicht ganz billig.

Die nächste Idee: Eine low power Referenz und ein Komparator (oder gleich einen ICL7665). Nur: Was dann als Anzeige nehmen? Selbst eine low current LED braucht einige 100µA für die Anzeige.

Alternative Anzeigen wären eine einfache LCD Balkenanzeige wie im Handy. Diese sind allerdings nicht im DIP 8 Gehäuse erhältlich. Als Alternative bleiben eigentlich nur passive LC-Anzeigen mit 2-4 Digits.

Das Ganze zu takten war die nächste Idee. Also wie beim Rauchmelder nur kurze Mess- und Anzeigephasen um Strom zu sparen.

In der Zwischenzeit waren auch Referenzen im Programm, die eine Mindestspannung von 9V oder 14V benötigen. Die Anzahl der Zellen (8-12) ist also so gewachsen, dass die 16V des ICL7665 oder gängiger CMOS Logik nicht mehr ausreichen.

Schön wäre auch eine "richtige" Spannungsanzeige - also muss ein Prozessor her. Nachdem auch die ersten 9V-Blocks Schwächen wegen Tiefentladung zeigten, sollte das Ganze auch einen Unterspannungsschutz haben.

Zum damaligen Zeitpunkt gab es nur wenige Spannungsregler mit Eingangsspannungen bis 20 oder 25V und Eigenstromverbrauch unter 20µA. Und die auch nur von Farnell, also für Privat quasi unobtanium.

Eine Idee hatte ich schon länger um z.B. Uhrenchips im 12V-System zu betreiben: Ein normaler Sperrschicht-FET hat eine negative UGS-Spannung. Wenn man das Gate also an Masse anschließt müsste am Source eine halbwegs stabile Backup-Spannung übrig bleiben. Und das auch noch ohne dass der Spannungsregler einen nennenswerten Strom braucht.

Der Ehrgeiz war geweckt, es müsste doch möglich sein einen prozessorgesteuerten Komparator mit Spannungsanzeige bei unter 20µA Stromverbrauch und mit Versorgung direkt aus der Batterie im Bereich 5-20V zu entwickeln...

== Blockschaltbild ==

[[Bild:BMON_1048_BLOCK.PNG|thumb|right|350px|BMON148 - Blockschaltbild]]

Die Schaltung auf der Leiterplatte umfasst ein einfaches Ladeteil mit L200. Die Speisung erfolgt mit einem externen 24V Steckernetzteil. Ein Low-Power Spannungsregler erzeugt die VCC-Versorgung für den Prozessorteil. Der Prozessor misst die Akkuspannung sowie den Ladestrom und erzeugt das Steuersignal für die Endstufe. Auf dem Display werden die Akkuspannung sowie der Ladestrom angezeigt. Der Taster dient zum Ein-/Ausschalten der Last. Da der Leistungsteil je nach Last sehr unterschiedlich sein kann (z.B. BTS555 für Hochstromanwendungen), ist er außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Als Schaltungsbeispiel wird eine Endstufe mit LT1763 gezeigt.

=== Ladeteil ===

[[Bild:BMON_1048_L200.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Ladeteil]]

Das Ladeteil ist eine Standardapplikation mit L200, ergänzt um einen Spannungsausgang für die Strommessung.
Die maximale Ladespannung wird mittels Spannungsteiler R12 zu R11 eingestellt. R13 ist parallel zu R12 und wird für den Feinabgleich der Ausgangsspannung verwendet. Auf der Leiterplatte sind die Widerstände wahlweise als SMD (R11..R13) oder bedrahtet (R11A..R13A) bestückbar. R11A ist mit 820 Ohm bestückt. R12A mit 4K7 parallel zu R13A mit 130k ergibt 4K54. Die Ausgangsspannung von 18.1 V ergibt sich aus der Referenzspannung von 2.77V des L200 * (1 + 4540R/820R). R14 begrenzt den Strom auf ca. 200 mA (0.45V / 2R2).
Diode D2 verhindert ein Entladen des Akkus wenn das Steckernetzteil nicht angeschlossen ist. D3 dient als Verpolschutz.
Die Schaltung um U3 verstärkt die Spannung über dem Strombegrenzungswiderstand. Es muss zwingend ein OP verwendet werden dessen common mode input range an die positive Versorgung reicht. Bei einem TL062 ist dies bei normalen Raumtemperaturen gegeben. Die Spannung über R14 wird im Verhältnis R16/R15 = 2.32 fach verstärkt. Bei 200mA, also 450mV am Strombegrenzungswiderstand, ergibt sich für den ADC-Eingang eine Spannung von 1.04V über R16.
L1, L2 sowie C15-C19 bilden ein optional bestückbares EMV-Filter. C18+C19 filtern hierbei die Störungen über einen M3 Distanzbolzen auf das Aluminiumgehäuse.

=== Spannungsregler ===

[[Bild:BMON_1048_VCC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Spannungsregler BF245C]]

Es gibt 3 alternative Bestückungsvarianten:

U5 ist ein low power Spannungsregler XC6216 von Torex. An Ein- und Ausgang werden 1µF Kondensatoren benötigt. Der Ruhestromverbrauch ist mit 5µA im Datenblatt angegeben.

Da mir das vieeel zu hoch ist, habe ich einen Sperrschicht-FET als Spannungsregler verwendet. Ein BF245C hat bei kleinen Strömen je nach Exemplarstreuung eine Gate/Source Spannung von -3.2 .. -7.5 V zwischen Gate und Source.
Wenn man jetzt das Gate auf Masse legt, und an Drain die ungeregelte Eingangsspannung, bleibt am Source eine Ausgangsspannung von +3.2 bis 7.5V.
Da der nachgeschaltete Prozessor maximal 5.5V Spannung verträgt müssen die FETs selektiert werden. Bei der maximalen Eingangsspannung und minimaler Last (also nur die 10 Meg-Ohm des Messinstrumentes) dürfen die 5.5V nicht überschritten werden. Bei der typischen Last von 10µA, entsprechend 330K, sollten mindestens ca. 3.8V als minimale Spannung übrig bleiben.

Beim Austesten auf dem Steckbrett habe ich herausgefunden, dass der FET relativ empfindlich auf Störimpulse reagiert und teilweise hierdurch auch hohe Spannungen an den Ausgang durchlässt. Abhilfe schaffen Abblockkondensatoren an Ein- und Ausgang. Im Gegensatz zum XC6216 reichen für den FET normale 100nF Abblockkondensatoren. Die Diode D1 dient als Verpolschutz. R2 begrenzt beim FET schnelle Spannungsanstiege sowie den Maximalstrom. Das Austesten auf dem Steckbrett sollte mit den Abblock-Cs und der Schutzbeschaltung erfolgen.

Von 10 getesteten FETs hatten alle eine maximale Spannung im Bereich 4.57 bis 4.80 V bei 25V Eingangsspannung. Bei Belastung mit 1K-Ohm und 9V Eingangsspannung habe ich 2.61V bis 2.77V gemessen. Der Regler hat also ausreichend Reserven. Die Mühe des Selektierens wird belohnt durch einen Stromverbrauch von nicht messbaren wenigen nA für den Spannungsregler.

R2 sollte bei Verwendung des XC6216 durch einen 0 Ohm Widerstand ersetzt werden. Allerdings habe ich diese Schaltungsvariante noch nicht getestet.

Eine weitere Möglichkeit ist die Bestückung eines BF545C (= SMD-Version des BF245C im SOT-23 Gehäuse) an der Position des Spannungsreglers U5. In diesem Fall ist Source und Drain des FETs vertauscht. Da der Chip des FET jedoch symmetrisch aufgebaut ist funktioniert er unabhängig von der Polarität von Source und Drain. Siehe auch Abschnitt Nachtrag.

=== Prozessorteil ===

[[Bild:BMON_1048_PIC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Prozessorteil]]

Als Prozessor wird ein PIC18F2520 verwendet. Es ist quasi der low power Nachfolger eines PIC16F876. Der Strom mit internem Oszillator beträgt ca. 1mA. Um den Stromverbrauch zu reduzieren, ist der Prozessor hauptsächlich im sleep mode und wird nur alle 16ms aufgeweckt, um die Flanken für die Wechselspannung von 30Hz für die passive LC-Anzeige zu generieren, die auch die meisten Pins benötigt. C4 mit 10µF puffert kurze Stromspitzen in der Aufwachphase. C7 mindert EMV-Störungen.

Die Batteriespannung wird über Spannungsteiler R4/R5 an Pin RA2 gemessen. U2 sorgt mit R3 für eine stabile Referenz von 1.235V auch bei schwankenden Versorgungsspannungen. Kurzzeitig werden für den Referenzeingang bis zu 150µA und für die Referenzdiode bis zu 20µA benötigt. Da kein Abblockkondensator an der Referenz verwendet wird, ist R3 relativ niederohmig dimensioniert.

Die Stromsparfunktionen werden alle mit PIN RA1 gesteuert. Die Auswertung der Eingänge erfolgt nur ein Mal je Sekunde. Dies betrifft R3 als Versorgung für die Referenzdiode sowie R6 als pull up Widerstand für den Taster. Über T2 wird der Spannungsteiler für die Batteriespannung stromlos geschaltet. Der BSS138 ist ein FET mit geringer UGS threshold voltage von max. 1.5V. Er begrenzt also am Source die Drain-Spannung auf VCC-1.5V. Da die Referenzspannung 1.2V beträgt, ergibt sich durch den FET bei einer Versorgungsspannung bis herab zu 2.7V noch keine Begrenzung des Messbereichs für die Batteriespannung von bis zu 25.5V.

Der Ladestrom wird über Analogeingang RA0 gemessen.

Mit der gewählten Dimensionierung für R4/R5 ergibt sich ein Messbereich von 25.5V für die Batteriespannung. Der Strombereich ist für ca. 240mA ausgelegt.

An Pin RB6 wird schließlich das Schaltsignal für die Endstufe erzeugt.

=== Bedienteil ===

[[Bild:BMON_1048_HMI.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Bedienteil]]

Aus Platzgründen (Frontplatte des EG2-Gehäuses von ProMa) konnte leider nur ein 2-stelliges LC-Display verwendet werden. Um dennoch Spannungen größer 9.9V darstellen zu können, wird der führende Dezimalpunkt als Zehner-Stelle verwendet. Ab 20.0V fängt dann der Dezimalpunkt an zu blinken. Bei Verwendung eines 3 oder 4-stelligen Displays würde man anstelle des führenden Dezimalpunktes beide Segmente für die führende "1" anschließen.
Der Kondensator C5 hält Gleichspannungssignale vom Display fern. Dies ist insbesonders nützlich beim Flashen bzw. in der Debugging Phase.

J1 ist die Verbindung zur Mutterplatine. Dort kann noch ein zweiter Taster parallel zum Taster auf der Frontplatte angeschlossen werden. R7 dient als Kurzschlußschutz bzw. zur Stromreduzierung des Schaltsignals.

=== Endstufe ===

[[Bild:BMON_1048_POWER.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Endstufe LT1763]]

Die Endstufe ist außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Damit ergibt sich maximale Flexibilität von wenigen mA bis zu mehreren Ampere über einen BSS138 Treiber mit BTS555 Endstufe. Der Anschluss an die BMON1048 Leiterplatte erfolgt über Buchsenleisten auf der Leiterplatte mit der Endstufe. Die Stecker für den Ladeteil und den Prozessorteil sind getrennt ausgeführt. Damit können die Messleitungen direkt am Batteriepack angeschlossen werden (4-Leiter Anschluss). Übergangswiderstände am Stecker und der Leitungen haben dann weniger Einfluss auf die Messung.

Hier ist ein Beispiel für eine Endstufe mit LT1763 für maximal 20V Ladeendspannung gezeigt. Im ausgeschalteten Zustand verbraucht der Spannungsregler weniger als 1µA zusätzlich. Der Ruhestrom mit 30µA ist ebenfalls ein guter Wert. C10 ist vorzugsweise ein Folienkondensator (geringer Mikrofonieeffekt) zur Rauschunterdrückung. Die Ausgangsspannung wird mit R11+R12 auf 14.0 V eingestellt.

== Software ==

Die Software hat folgende Funktionen:

* Messen der Spannung und des Stroms linksbündig als 10 Bit Wert
* Verrechnung eines Korrekturfaktors aus EEPROM für Feinabgleich
* Anzeige der Spannung auf Display
* Als Timer dient der Watchdog mit 16ms Periode
* Die 30 Hz Wechselspannung für das Display wird hieraus abgeleitet
* Im Ladebetrieb erfolgt die Anzeige des Stroms im Wechsel mit der Spannung
* Unterhalb 1.15V/Zelle abschalten der Last (Spannungsanzeige blinkt)
* Oberhalb 1.25V/Zelle wiedereinschalten der Last
* Bei Tastendruck länger als 5 Sekunden wird die Last manuell ein-/ausgeschaltet
* Bei Spannungseinbruch > 0.6V/Minute wird ebenfalls abgeschaltet
* Alle Parameter wie Zellenzahl + Hysterese sind im Header konfigurierbar

<syntaxhighlight lang="c">
#define Cells 12 ; # number of cells
#define mV * 256 * 51/1051/1235 ; 25,6V * 5K1/(100K+5K1)/VRef
#define VOn Cells * 1250 mV ; high hysteresis
#define VOff Cells * 1150 mV ; low hysteresis
#define VOLT_SEC 10 ; check every 10 seconds
#define VDIFF 600 mV ; voltage drop / minute
#define mA * 1 ; 1 mA / count
#define CURR_MIN 10 mA ; min current to display
</syntaxhighlight>

Die Software ist mit MPASM 5.40 (MPLAB 8.70) erstellt. Die Bit-Schubsereien für das Display werden mit Tabellen in Page 0 für alle 3 Ports A-C und die Digits 1-2 abgehandelt.

Bei der Initialisierung wird erst die Hardware initialisiert und danach alle Variablen einschließlich der Kalibrierparameter die aus dem EEPROM gelesen werden. Die Kalibrierfaktoren sind im 2er Komplement als 16 Bit signed Wert gespeichert. Ein Abgleich von +/- 50% entspricht +/-32768 als Wert.

Die meiste Zeit verbringt der Prozessor im sleep mode. Alle 16 ms weckt der Watchdog den Prozessor auf, um die Pins für die Anzeige zu invertieren. Jede Sekunde finden zusätzlich noch Messfunktionen, einschließlich update der Anzeige sowie die Tastenabfrage statt.
Um Zeit (und damit Strom) zu sparen, wird die Wartezeit aufs ADC-Ergebnis genutzt, um eine Tastenentprellung bzw. die Vorverarbeitung der Spannungsmessung während der Strommessung durchzuführen.
Alle 10 Sekunden wird das High-Byte des Spannungswertes in einen Ringpuffer mit 6 Einträgen für die vergangene Minute eingetragen. Dies dient unterhalb der Einschaltschwelle zum Detektieren eines plötzlichen Spannungsabfalls falls eine Zelle schneller entladen ist, als die übrigen im Pack.

== Aufbau ==

<gallery>
Bild:Loetseite_IMG0964W.JPG|BMON1048 - Lötseite
Bild:BMON1048_BS_IMG0968W.JPG|Bestückungsseite
Bild:BMON1048_BST_LS.PNG|Position LS
Bild:BMON1048_BST_BS.PNG|Position BS
</gallery>

=== Lötseite ===

Die Leiterplatte ist doppelseitig. Die meisten Durchkontaktierungen liegen auf bedrahteten Bauelementen so dass eine durchkontaktierte Leiterplatte nicht zwingend nötig ist. Die drei Durchkontaktierungen im Bereich des Programmiersteckers können auch mit Kupferhohlnieten oder einer Drahtbrücke bestückt werden.

Am besten beginnt man nach Durchkontaktieren mit der Bestückung auf der Lötseite. C18, C19 sowie U5 sind im Muster nicht bestückt.

=== Bestückungsseite ===

Auf der Bestückungsseite werden zuerst die Bauteile unter dem Display, sowie die Widerstände unter dem L200 bestückt. Einige bedrahtete Bauteile müssen auf beiden Seiten der Platine verlötet werden, falls keine durchkontaktierte Leiterplatte verwendet wird.

Die Ladebuchse ist auf die Leiterplatte aufgesetzt. Die Anschlüsse werden mit Silberdraht verlängert. Mit dem Verlöten des Silberdrahtes sollte man, wie beim L200, so lange warten, bis die Frontplatte montiert ist.
In den Layoutdaten ist auch ein Layer für die Frontplatte enthalten, der als Bohrhilfe verwendet werden kann.

Der L200 ist über Kopf bestückt, die Anschlussdrähte also gegenüber dem stehenden Einbau auf die andere Seite abgewinkelt. Bei Verwendung von 10mm Distanzbolzen muss als Isolierung mindestens eine 1.5 mm Aluminiumoxidscheibe verwendet werden, damit sich die Pins des L200 im montierten Zustand verlöten lassen. Die Frontplatte des EG2-Gehäuses dient hiermit gleichzeitig als Kühlfläche.

C12 muss liegend montiert werden.

Für das Display verwende ich eine 18-polige Präzisionsfassung, die mit dem Seitenschneider auseinander geschnitten wird. Verlöten geht am einfachsten wenn das Display bereits in die Fassung gesteckt ist. Die beiden Pins 1 + 18 für die Backplane sind auf der Leiterplattenoberseite verbunden (Lötung unter der Fassung nicht vergessen).

Der Taster ist eine Ausführung mit langem Stößel, wenn die Bedienung ohne Hilfswerkzeug möglich sein soll.

=== Montagedetail L200 ===

[[Bild:BMON1048_L200_IMG0981W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - L200 Montage]]

Montagedetail L200:

* M3 Schraube
* Frontplatte
* Aluminiumoxidscheibe (AOS220 - 1.5mm)
* L200
* Isolierbuchse
* Unterlegscheibe (fehlt im Bild)
* M3 Mutter

=== Frontansichten ===

* Ansicht montiert mit Spannungsanzeige 16.7V
* Ansicht Ladebetrieb mit Stromanzeige 188mA

<gallery>
Bild:BMON1048_Spannung_IMG0965W.JPG|Spannungsanzeige
Bild:BMON1048_Strom_IMG0966W.JPG|Stromanzeige
</gallery>

== Inbetriebnahme und Abgleich ==

Der Ladeteil und der Batteriewächter können, auf Grund der getrennten Steckverbinder, unabhängig voneinander in Betrieb genommen werden.

=== Ladeteil ===

An einem strombegrenzten Netzteil (ca. 20-100mA) wird die Spannung an der Ladebuchse langsam von 0V an erhöht und die Stromaufnahme gemessen. Der Eigenverbrauch des L200 liegt bei ca. 10mA. Dieser Wert darf nicht wesentlich überschritten werden. Ist alles in Ordnung dreht man die Spannung langsam auf 24V. Die Ausgangsspannung des L200 sollte vor der Verpolschutzdiode D2 gemessen ca. 18.1V sein. Falls nicht, kann man durch Feinabgleich des Widerstandes R13 noch etwas korrigieren.
Danach einen Akkusatz anschließen und die Strombegrenzung des Netzteils langsam auf ca. 250mA-300mA drehen. Der Strom in den Akku sollte durch den L200 auf ca. 200 mA begrenzt werden.
Bei vollgeladenem Akku sollte der Strom unter C/50 besser C/100 (also 20-40 mA) zurückgehen. Gegebenenfalls ist die Ladeendspannung etwas zu reduzieren.

=== Prozessorteil ===

Zunächst wird der Prozessor mit einem Programmiergerät geflasht. Bei Verwendung des FET-Spannungsreglers darauf achten, dass die Spannungsversorgung für den Prozessor vom Programmiergerät (z.B. PICKIT3) zur Verfügung gestellt wird.
Hierbei darauf achten, dass die nominalen Kalibrierwerte im EEPROM nicht zu weit von den Defaultwerten abweichen.
Bei der Spannung ist der Defaultwert = 0x00, 0x00 (= Faktor 1.0 bzw. 0% Korrektur)
Beim Strom ist die Verstärkung nicht ganz auf einen Strom-Endwert von 255mA ausgelegt, sondern etwa 5 Prozent tiefer. Der nominale Kalibrierwert für den Strom beträgt daher 0xF3, 0x1B (= Faktor 0.94963 bzw. -5.04%).

Nach dem Flashen wird an die beiden mittleren Pins von J1 eine Spannung von ca. 5V angeschlossen. Ist alles ok, sollte das Display die Spannung blinkend anzeigen. Der Ausgang J1 PIN 1 weist hierbei Low-Pegel auf. Die Spannung wird langsam auf ca. 20V (max. 25V) erhöht und die prozentuale Abweichung zwischen Sollwert und Anzeige berechnet. Ab ca. 15.0 V verschwindet das Blinken und der Ausgang wechselt auf High-Pegel (>2.4V). Unterhalb ca. 13.8V wird die Last wieder abgeschaltet und das Display blinkt wieder.
Danach wird ein Akku (15-17V) an Prozessorteil und Ladeteil angeschlossen. Über ein strombegrenztes Netzteil werden ca. 180mA Ladestrom in den Akku eingestellt. Die Anzeige zeigt jetzt im Wechsel die Akkuspannung und den Ladestrom an. Wiederum wird die prozentuale Abweichung vom tatsächlichen Ladestrom berechnet.
Die prozentualen Abweichungen werden auf die existierenden Kalibrierwerte multipliziert und dann nach einem MPASM-Lauf ins EEPROM geschrieben. Bei Verwendung von MPLAB darauf achten dass im "Release" Modus und nicht im "Debug" Modus gearbeitet wird.

Danach ist der Batteriewächter einsatzbereit.

== Praxis und Ideen ==

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|BMON1035 Stromverbrauch 9.7µA bei 9.3V]]

Anbei ein Aufbau einer Vorgängerversion ohne Ladestrommessung (BMON1035) mit einem Stromverbrauch um 9.7 µA (schwankend) bei einem frisch aufgeladenen Akku mit 9.3V. An einem BMON1048 mit Strommessung habe ich 10-12µA gemessen. Wobei der Stromverbrauch auch von der tatsächlichen Versorgungsspannung des Prozessors abhängt.

Ich habe zwei Schaltungen mit ca. 30 mA Last seit 2.5 Jahren im Dauerbetrieb mit je 12 AA-Zellen und täglichem Ladebetrieb. Der erste Akkusatz zeigt seit letztem Sommer (bis zu 32 Grad Raumtemperatur während dem Laden) einen erhöhten Innenwiderstand. Der Ladestrom bei vollem Akku lag hierbei bei erhöhter Temperatur bei 60-70mA.

Die Spannungsdifferenz beim Einstecken / Entfernen des Ladegerätes ist bei diesem Akkusatz ca. 1V. Bei niedrigen Spannungen unter 15V und kurzem Ladebetrieb wird hierdurch die Last ungewollt abgeworfen. Das Kriterium 0.6V Abfall innerhalb einer Minute wird überschritten.
Der andere Akkusatz liegt immer noch bei 0.2V Differenz zwischen Normal und Ladebetrieb.

Ganz oben auf der Wunschliste steht der vereinfachte Abgleich der Kalibrierwerte im EEPROM. Denkbar wäre irgendein Morsecode über den Taster oder ein Jumper an einem freien Pin, um den Abgleich bei angelegten Referenzwerten zu starten.

Freier Speicherplatz ist jedenfalls genügend vorhanden. Wobei Sonderfunktionen nur selten gerechnet werden sollten, um den Stromverbrauch nicht zu stark zu erhöhen.

Die führende "1" wird derzeit wegen des 2-stelligen Displays als Dezimalpunkt angezeigt. Bei einem 3-stelligen Display würde man anstelle des Dezimalpunktes die beiden Segmente "b" und "c" für die "1" parallel ansteuern.

Ideen:
* Temperaturkompensation der End-Ladespannung mittels NTC / Dioden
* Alternativ: Abschaltung des Ladezweigs per Prozessor-Pin, wenn der Ladestrom bei der Endspannung eingeschwungen ist
* Lernfunktion Berücksichtigung Spannungsdifferenz bei Ladebetrieb für Abschaltkriterium
* Automatisiertes Speichern der Abgleichwerte im EEPROM

Anpassung an andere Zellenzahlen:

:{| class="wikitable"
|+ '''Ladeteil L200'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R13 || UE,min || UE,nom
|-
| 4 || 6.5 || 2K2 || 2K2 || 10.2V || 12V
|-
| 5 || 7.95 || 2K2 || 5K1 || 11.7V || 13V
|-
| 6 || 9.4 || 2K2 || 18K || 13.1V || 15V
|-
| 7 || 10.85 || 2K4 || --- || 14.6V || 16V
|-
| 8 || 12.3 || 3K0 || 47K || 16.0V || 18V
|-
| 10 || 15.2 || 3K9 || 68K || 18.9V || 20V
|-
| 12 || 18.1 || 4K7 || 130K || 21.8V || 24V
|}

Die minimale Netzteilspannung UE,min gilt für den worst case. In der Praxis hat man hierbei ca 0.5V Reserve.

:{| class="wikitable"
|+ '''Lastregler LT1763 (Ausserhalb Leiterplatte)'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R11
|-
| 5 || 5.1 || 4K7 || 15K
|-
| 6 || 6.0 || 10K || 39K
|-
| 7 || 8.0 || 2K7 || 15K
|-
| 8 || 9.35 || 3K3 || 22K
|-
| 10 || 11.5 || 3K9 || 33K
|-
| 12 || 12.0 || 2K7 || 24K
|-
| 12 || 14.0 || 6K49 || 68K
|}

== Nachtrag ==

[[Bild:BMON1048_BF545C.JPG|thumb|300px|BMON1035 Bestückungsvariante mit BF545C]]

== Downloads ==

* [[Media:BMON1048_MPASM.ZIP| Source code für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_Schaltbild.pdf| Schaltplan für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_gcprevue.zip| Layout (Gerber) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_PDF.zip| Layout (PDF) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_STK.txt| Stückliste Batteriewächter BMON1048]]

== Weblinks ==

* [http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00000053.pdf L200_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BSS84.pdf BSS84P_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF245A-B-C.pdf BF245C_Datasheet]
* [http://www.torex.co.jp/english/products/voltage_regulators/data/XC6216_XE6216.pdf XC6216_Datasheet]
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39631e.pdf PIC18F2520_Datasheet]
* [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm285-1.2-n.pdf LM385Z-1.2_Datasheet]
* [http://www.fairchildsemi.com/ds/BS/BSS138.pdf BSS138_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Hintergrund-gruen/LCD-2-0-13/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=3005&ARTICLE=10179&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& LCD-2-13]
* [http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1763fg.pdf LT1763_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Proma-Gehaeuse/GEH-EG-2/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=5199&ARTICLE=50424&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& Gehäuse_EG2]
* [http://www.graphicode.com/ GC-Prevue Gerber viewer]

== Siehe auch ==

* [http://www.mikrocontroller.net/topic/288063 Forum: Diskussion zu diesem Projekt]

[[Kategorie:Wettbewerb]]
[[Kategorie:PIC-Projekte]]
[[Kategorie:Spannungsversorgung_und_Energiequellen]]
[[Kategorie:Messtechnik]]
[[Kategorie:Projekte]]

Batteriewächter

2013-08-31T21:36:43Z

An ja: /* Spannungsregler */

''von Anja''

{{Wettbewerb Header}}

[[Bild:BMON_1048_3_IMG0982w.JPG|thumb|300px|Batteriewächter]]
'''Eigenschaften'''
* Schaltausgang zum Abschalten der Last bei Unterspannung
* Mikroprozessordesign mit PIC18F2520
* Geringer Stromverbrauch typ. 10µA
* Geringe Mindestspannung typ. 2.5V
* Optional bestückbares Ladeteil mit L200
* Breiter Einsatzbereich von 4-12 NiMH Zellen oder 6-12V Bleiakkus
* Leiterplatte angepasst für Frontplatte eines EG2-Aluminiumgehäuses (ProMa)

'''Anwendungen'''
* Batteriemanagement
* Aus Messwert gespeistes Panelmeter

== Vorgeschichte ==

Eigentlich wollte ich nur eine einfache Anzeige für meine, per Akku gespeisten Referenzen: wann müssen die 9V-Blocks wieder ans Ladegerät. Ein einfaches Drehspulinstrument hätte es getan. Allerdings brauchen diese relativ viel Strom im Verhältnis zu einer ISL21009. Und bei einer Empfindlichkeit von 100µA sind sie auch nicht ganz billig.

Die nächste Idee: Eine low power Referenz und ein Komparator (oder gleich einen ICL7665). Nur: Was dann als Anzeige nehmen? Selbst eine low current LED braucht einige 100µA für die Anzeige.

Alternative Anzeigen wären eine einfache LCD Balkenanzeige wie im Handy. Diese sind allerdings nicht im DIP 8 Gehäuse erhältlich. Als Alternative bleiben eigentlich nur passive LC-Anzeigen mit 2-4 Digits.

Das Ganze zu takten war die nächste Idee. Also wie beim Rauchmelder nur kurze Mess- und Anzeigephasen um Strom zu sparen.

In der Zwischenzeit waren auch Referenzen im Programm, die eine Mindestspannung von 9V oder 14V benötigen. Die Anzahl der Zellen (8-12) ist also so gewachsen, dass die 16V des ICL7665 oder gängiger CMOS Logik nicht mehr ausreichen.

Schön wäre auch eine "richtige" Spannungsanzeige - also muss ein Prozessor her. Nachdem auch die ersten 9V-Blocks Schwächen wegen Tiefentladung zeigten, sollte das Ganze auch einen Unterspannungsschutz haben.

Zum damaligen Zeitpunkt gab es nur wenige Spannungsregler mit Eingangsspannungen bis 20 oder 25V und Eigenstromverbrauch unter 20µA. Und die auch nur von Farnell, also für Privat quasi unobtanium.

Eine Idee hatte ich schon länger um z.B. Uhrenchips im 12V-System zu betreiben: Ein normaler Sperrschicht-FET hat eine negative UGS-Spannung. Wenn man das Gate also an Masse anschließt müsste am Source eine halbwegs stabile Backup-Spannung übrig bleiben. Und das auch noch ohne dass der Spannungsregler einen nennenswerten Strom braucht.

Der Ehrgeiz war geweckt, es müsste doch möglich sein einen prozessorgesteuerten Komparator mit Spannungsanzeige bei unter 20µA Stromverbrauch und mit Versorgung direkt aus der Batterie im Bereich 5-20V zu entwickeln...

== Blockschaltbild ==

[[Bild:BMON_1048_BLOCK.PNG|thumb|right|350px|BMON148 - Blockschaltbild]]

Die Schaltung auf der Leiterplatte umfasst ein einfaches Ladeteil mit L200. Die Speisung erfolgt mit einem externen 24V Steckernetzteil. Ein Low-Power Spannungsregler erzeugt die VCC-Versorgung für den Prozessorteil. Der Prozessor misst die Akkuspannung sowie den Ladestrom und erzeugt das Steuersignal für die Endstufe. Auf dem Display werden die Akkuspannung sowie der Ladestrom angezeigt. Der Taster dient zum Ein-/Ausschalten der Last. Da der Leistungsteil je nach Last sehr unterschiedlich sein kann (z.B. BTS555 für Hochstromanwendungen), ist er außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Als Schaltungsbeispiel wird eine Endstufe mit LT1763 gezeigt.

=== Ladeteil ===

[[Bild:BMON_1048_L200.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Ladeteil]]

Das Ladeteil ist eine Standardapplikation mit L200, ergänzt um einen Spannungsausgang für die Strommessung.
Die maximale Ladespannung wird mittels Spannungsteiler R12 zu R11 eingestellt. R13 ist parallel zu R12 und wird für den Feinabgleich der Ausgangsspannung verwendet. Auf der Leiterplatte sind die Widerstände wahlweise als SMD (R11..R13) oder bedrahtet (R11A..R13A) bestückbar. R11A ist mit 820 Ohm bestückt. R12A mit 4K7 parallel zu R13A mit 130k ergibt 4K54. Die Ausgangsspannung von 18.1 V ergibt sich aus der Referenzspannung von 2.77V des L200 * (1 + 4540R/820R). R14 begrenzt den Strom auf ca. 200 mA (0.45V / 2R2).
Diode D2 verhindert ein Entladen des Akkus wenn das Steckernetzteil nicht angeschlossen ist. D3 dient als Verpolschutz.
Die Schaltung um U3 verstärkt die Spannung über dem Strombegrenzungswiderstand. Es muss zwingend ein OP verwendet werden dessen common mode input range an die positive Versorgung reicht. Bei einem TL062 ist dies bei normalen Raumtemperaturen gegeben. Die Spannung über R14 wird im Verhältnis R16/R15 = 2.32 fach verstärkt. Bei 200mA, also 450mV am Strombegrenzungswiderstand, ergibt sich für den ADC-Eingang eine Spannung von 1.04V über R16.
L1, L2 sowie C15-C19 bilden ein optional bestückbares EMV-Filter. C18+C19 filtern hierbei die Störungen über einen M3 Distanzbolzen auf das Aluminiumgehäuse.

=== Spannungsregler ===

[[Bild:BMON_1048_VCC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Spannungsregler BF245C]]

Es gibt 3 alternative Bestückungsvarianten:

U5 ist ein low power Spannungsregler XC6216 von Torex. An Ein- und Ausgang werden 1µF Kondensatoren benötigt. Der Ruhestromverbrauch ist mit 5µA im Datenblatt angegeben.

Da mir das vieeel zu hoch ist, habe ich einen Sperrschicht-FET als Spannungsregler verwendet. Ein BF245C hat bei kleinen Strömen je nach Exemplarstreuung eine Gate/Source Spannung von -3.2 .. -7.5 V zwischen Gate und Source.
Wenn man jetzt das Gate auf Masse legt, und an Drain die ungeregelte Eingangsspannung, bleibt am Source eine Ausgangsspannung von +3.2 bis 7.5V.
Da der nachgeschaltete Prozessor maximal 5.5V Spannung verträgt müssen die FETs selektiert werden. Bei der maximalen Eingangsspannung und minimaler Last (also nur die 10 Meg-Ohm des Messinstrumentes) dürfen die 5.5V nicht überschritten werden. Bei der typischen Last von 10µA, entsprechend 330K, sollten mindestens ca. 3.8V als minimale Spannung übrig bleiben.

Beim Austesten auf dem Steckbrett habe ich herausgefunden, dass der FET relativ empfindlich auf Störimpulse reagiert und teilweise hierdurch auch hohe Spannungen an den Ausgang durchlässt. Abhilfe schaffen Abblockkondensatoren an Ein- und Ausgang. Im Gegensatz zum XC6216 reichen für den FET normale 100nF Abblockkondensatoren. Die Diode D1 dient als Verpolschutz. R2 begrenzt beim FET schnelle Spannungsanstiege sowie den Maximalstrom. Das Austesten auf dem Steckbrett sollte mit den Abblock-Cs und der Schutzbeschaltung erfolgen.

Von 10 getesteten FETs hatten alle eine maximale Spannung im Bereich 4.57 bis 4.80 V bei 25V Eingangsspannung. Bei Belastung mit 1K-Ohm und 9V Eingangsspannung habe ich 2.61V bis 2.77V gemessen. Der Regler hat also ausreichend Reserven. Die Mühe des Selektierens wird belohnt durch einen Stromverbrauch von nicht messbaren wenigen nA für den Spannungsregler.

R2 sollte bei Verwendung des XC6216 durch einen 0 Ohm Widerstand ersetzt werden. Allerdings habe ich diese Schaltungsvariante noch nicht getestet.

Eine weitere Möglichkeit ist die Bestückung eines BF545C (= SMD-Version des BF245C im SOT-23 Gehäuse) an der Position des Spannungsreglers U5. In diesem Fall ist Source und Drain des FETs vertauscht. Da der Chip des FET jedoch symmetrisch aufgebaut ist funktioniert er unabhängig von der Polarität von Source und Drain. Siehe auch Abschnitt Nachtrag.

=== Prozessorteil ===

[[Bild:BMON_1048_PIC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Prozessorteil]]

Als Prozessor wird ein PIC18F2520 verwendet. Es ist quasi der low power Nachfolger eines PIC16F876. Der Strom mit internem Oszillator beträgt ca. 1mA. Um den Stromverbrauch zu reduzieren, ist der Prozessor hauptsächlich im sleep mode und wird nur alle 16ms aufgeweckt, um die Flanken für die Wechselspannung von 30Hz für die passive LC-Anzeige zu generieren, die auch die meisten Pins benötigt. C4 mit 10µF puffert kurze Stromspitzen in der Aufwachphase. C7 mindert EMV-Störungen.

Die Batteriespannung wird über Spannungsteiler R4/R5 an Pin RA2 gemessen. U2 sorgt mit R3 für eine stabile Referenz von 1.235V auch bei schwankenden Versorgungsspannungen. Kurzzeitig werden für den Referenzeingang bis zu 150µA und für die Referenzdiode bis zu 20µA benötigt. Da kein Abblockkondensator an der Referenz verwendet wird, ist R3 relativ niederohmig dimensioniert.

Die Stromsparfunktionen werden alle mit PIN RA1 gesteuert. Die Auswertung der Eingänge erfolgt nur ein Mal je Sekunde. Dies betrifft R3 als Versorgung für die Referenzdiode sowie R6 als pull up Widerstand für den Taster. Über T2 wird der Spannungsteiler für die Batteriespannung stromlos geschaltet. Der BSS138 ist ein FET mit geringer UGS threshold voltage von max. 1.5V. Er begrenzt also am Source die Drain-Spannung auf VCC-1.5V. Da die Referenzspannung 1.2V beträgt, ergibt sich durch den FET bei einer Versorgungsspannung bis herab zu 2.7V noch keine Begrenzung des Messbereichs für die Batteriespannung von bis zu 25.5V.

Der Ladestrom wird über Analogeingang RA0 gemessen.

Mit der gewählten Dimensionierung für R4/R5 ergibt sich ein Messbereich von 25.5V für die Batteriespannung. Der Strombereich ist für ca. 240mA ausgelegt.

An Pin RB6 wird schließlich das Schaltsignal für die Endstufe erzeugt.

=== Bedienteil ===

[[Bild:BMON_1048_HMI.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Bedienteil]]

Aus Platzgründen (Frontplatte des EG2-Gehäuses von ProMa) konnte leider nur ein 2-stelliges LC-Display verwendet werden. Um dennoch Spannungen größer 9.9V darstellen zu können, wird der führende Dezimalpunkt als Zehner-Stelle verwendet. Ab 20.0V fängt dann der Dezimalpunkt an zu blinken. Bei Verwendung eines 3 oder 4-stelligen Displays würde man anstelle des führenden Dezimalpunktes beide Segmente für die führende "1" anschließen.
Der Kondensator C5 hält Gleichspannungssignale vom Display fern. Dies ist insbesonders nützlich beim Flashen bzw. in der Debugging Phase.

J1 ist die Verbindung zur Mutterplatine. Dort kann noch ein zweiter Taster parallel zum Taster auf der Frontplatte angeschlossen werden. R7 dient als Kurzschlußschutz bzw. zur Stromreduzierung des Schaltsignals.

=== Endstufe ===

[[Bild:BMON_1048_POWER.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Endstufe LT1763]]

Die Endstufe ist außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Damit ergibt sich maximale Flexibilität von wenigen mA bis zu mehreren Ampere über einen BSS138 Treiber mit BTS555 Endstufe. Der Anschluss an die BMON1048 Leiterplatte erfolgt über Buchsenleisten auf der Leiterplatte mit der Endstufe. Die Stecker für den Ladeteil und den Prozessorteil sind getrennt ausgeführt. Damit können die Messleitungen direkt am Batteriepack angeschlossen werden (4-Leiter Anschluss). Übergangswiderstände am Stecker und der Leitungen haben dann weniger Einfluss auf die Messung.

Hier ist ein Beispiel für eine Endstufe mit LT1763 für maximal 20V Ladeendspannung gezeigt. Im ausgeschalteten Zustand verbraucht der Spannungsregler weniger als 1µA zusätzlich. Der Ruhestrom mit 30µA ist ebenfalls ein guter Wert. C10 ist vorzugsweise ein Folienkondensator (geringer Mikrofonieeffekt) zur Rauschunterdrückung. Die Ausgangsspannung wird mit R11+R12 auf 14.0 V eingestellt.

== Software ==

Die Software hat folgende Funktionen:

* Messen der Spannung und des Stroms linksbündig als 10 Bit Wert
* Verrechnung eines Korrekturfaktors aus EEPROM für Feinabgleich
* Anzeige der Spannung auf Display
* Als Timer dient der Watchdog mit 16ms Periode
* Die 30 Hz Wechselspannung für das Display wird hieraus abgeleitet
* Im Ladebetrieb erfolgt die Anzeige des Stroms im Wechsel mit der Spannung
* Unterhalb 1.15V/Zelle abschalten der Last (Spannungsanzeige blinkt)
* Oberhalb 1.25V/Zelle wiedereinschalten der Last
* Bei Tastendruck länger als 5 Sekunden wird die Last manuell ein-/ausgeschaltet
* Bei Spannungseinbruch > 0.6V/Minute wird ebenfalls abgeschaltet
* Alle Parameter wie Zellenzahl + Hysterese sind im Header konfigurierbar

<syntaxhighlight lang="c">
#define Cells 12 ; # number of cells
#define mV * 256 * 51/1051/1235 ; 25,6V * 5K1/(100K+5K1)/VRef
#define VOn Cells * 1250 mV ; high hysteresis
#define VOff Cells * 1150 mV ; low hysteresis
#define VOLT_SEC 10 ; check every 10 seconds
#define VDIFF 600 mV ; voltage drop / minute
#define mA * 1 ; 1 mA / count
#define CURR_MIN 10 mA ; min current to display
</syntaxhighlight>

Die Software ist mit MPASM 5.40 (MPLAB 8.70) erstellt. Die Bit-Schubsereien für das Display werden mit Tabellen in Page 0 für alle 3 Ports A-C und die Digits 1-2 abgehandelt.

Bei der Initialisierung wird erst die Hardware initialisiert und danach alle Variablen einschließlich der Kalibrierparameter die aus dem EEPROM gelesen werden. Die Kalibrierfaktoren sind im 2er Komplement als 16 Bit signed Wert gespeichert. Ein Abgleich von +/- 50% entspricht +/-32768 als Wert.

Die meiste Zeit verbringt der Prozessor im sleep mode. Alle 16 ms weckt der Watchdog den Prozessor auf, um die Pins für die Anzeige zu invertieren. Jede Sekunde finden zusätzlich noch Messfunktionen, einschließlich update der Anzeige sowie die Tastenabfrage statt.
Um Zeit (und damit Strom) zu sparen, wird die Wartezeit aufs ADC-Ergebnis genutzt, um eine Tastenentprellung bzw. die Vorverarbeitung der Spannungsmessung während der Strommessung durchzuführen.
Alle 10 Sekunden wird das High-Byte des Spannungswertes in einen Ringpuffer mit 6 Einträgen für die vergangene Minute eingetragen. Dies dient unterhalb der Einschaltschwelle zum Detektieren eines plötzlichen Spannungsabfalls falls eine Zelle schneller entladen ist, als die übrigen im Pack.

== Aufbau ==

<gallery>
Bild:Loetseite_IMG0964W.JPG|BMON1048 - Lötseite
Bild:BMON1048_BS_IMG0968W.JPG|Bestückungsseite
Bild:BMON1048_BST_LS.PNG|Position LS
Bild:BMON1048_BST_BS.PNG|Position BS
</gallery>

=== Lötseite ===

Die Leiterplatte ist doppelseitig. Die meisten Durchkontaktierungen liegen auf bedrahteten Bauelementen so dass eine durchkontaktierte Leiterplatte nicht zwingend nötig ist. Die drei Durchkontaktierungen im Bereich des Programmiersteckers können auch mit Kupferhohlnieten oder einer Drahtbrücke bestückt werden.

Am besten beginnt man nach Durchkontaktieren mit der Bestückung auf der Lötseite. C18, C19 sowie U5 sind im Muster nicht bestückt.

=== Bestückungsseite ===

Auf der Bestückungsseite werden zuerst die Bauteile unter dem Display, sowie die Widerstände unter dem L200 bestückt. Einige bedrahtete Bauteile müssen auf beiden Seiten der Platine verlötet werden, falls keine durchkontaktierte Leiterplatte verwendet wird.

Die Ladebuchse ist auf die Leiterplatte aufgesetzt. Die Anschlüsse werden mit Silberdraht verlängert. Mit dem Verlöten des Silberdrahtes sollte man, wie beim L200, so lange warten, bis die Frontplatte montiert ist.
In den Layoutdaten ist auch ein Layer für die Frontplatte enthalten, der als Bohrhilfe verwendet werden kann.

Der L200 ist über Kopf bestückt, die Anschlussdrähte also gegenüber dem stehenden Einbau auf die andere Seite abgewinkelt. Bei Verwendung von 10mm Distanzbolzen muss als Isolierung mindestens eine 1.5 mm Aluminiumoxidscheibe verwendet werden, damit sich die Pins des L200 im montierten Zustand verlöten lassen. Die Frontplatte des EG2-Gehäuses dient hiermit gleichzeitig als Kühlfläche.

C12 muss liegend montiert werden.

Für das Display verwende ich eine 18-polige Präzisionsfassung, die mit dem Seitenschneider auseinander geschnitten wird. Verlöten geht am einfachsten wenn das Display bereits in die Fassung gesteckt ist. Die beiden Pins 1 + 18 für die Backplane sind auf der Leiterplattenoberseite verbunden (Lötung unter der Fassung nicht vergessen).

Der Taster ist eine Ausführung mit langem Stößel, wenn die Bedienung ohne Hilfswerkzeug möglich sein soll.

=== Montagedetail L200 ===

[[Bild:BMON1048_L200_IMG0981W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - L200 Montage]]

Montagedetail L200:

* M3 Schraube
* Frontplatte
* Aluminiumoxidscheibe (AOS220 - 1.5mm)
* L200
* Isolierbuchse
* Unterlegscheibe (fehlt im Bild)
* M3 Mutter

=== Frontansichten ===

* Ansicht montiert mit Spannungsanzeige 16.7V
* Ansicht Ladebetrieb mit Stromanzeige 188mA

<gallery>
Bild:BMON1048_Spannung_IMG0965W.JPG|Spannungsanzeige
Bild:BMON1048_Strom_IMG0966W.JPG|Stromanzeige
</gallery>

== Inbetriebnahme und Abgleich ==

Der Ladeteil und der Batteriewächter können, auf Grund der getrennten Steckverbinder, unabhängig voneinander in Betrieb genommen werden.

=== Ladeteil ===

An einem strombegrenzten Netzteil (ca. 20-100mA) wird die Spannung an der Ladebuchse langsam von 0V an erhöht und die Stromaufnahme gemessen. Der Eigenverbrauch des L200 liegt bei ca. 10mA. Dieser Wert darf nicht wesentlich überschritten werden. Ist alles in Ordnung dreht man die Spannung langsam auf 24V. Die Ausgangsspannung des L200 sollte vor der Verpolschutzdiode D2 gemessen ca. 18.1V sein. Falls nicht, kann man durch Feinabgleich des Widerstandes R13 noch etwas korrigieren.
Danach einen Akkusatz anschließen und die Strombegrenzung des Netzteils langsam auf ca. 250mA-300mA drehen. Der Strom in den Akku sollte durch den L200 auf ca. 200 mA begrenzt werden.
Bei vollgeladenem Akku sollte der Strom unter C/50 besser C/100 (also 20-40 mA) zurückgehen. Gegebenenfalls ist die Ladeendspannung etwas zu reduzieren.

=== Prozessorteil ===

Zunächst wird der Prozessor mit einem Programmiergerät geflasht. Bei Verwendung des FET-Spannungsreglers darauf achten, dass die Spannungsversorgung für den Prozessor vom Programmiergerät (z.B. PICKIT3) zur Verfügung gestellt wird.
Hierbei darauf achten, dass die nominalen Kalibrierwerte im EEPROM nicht zu weit von den Defaultwerten abweichen.
Bei der Spannung ist der Defaultwert = 0x00, 0x00 (= Faktor 1.0 bzw. 0% Korrektur)
Beim Strom ist die Verstärkung nicht ganz auf einen Strom-Endwert von 255mA ausgelegt, sondern etwa 5 Prozent tiefer. Der nominale Kalibrierwert für den Strom beträgt daher 0xF3, 0x1B (= Faktor 0.94963 bzw. -5.04%).

Nach dem Flashen wird an die beiden mittleren Pins von J1 eine Spannung von ca. 5V angeschlossen. Ist alles ok, sollte das Display die Spannung blinkend anzeigen. Der Ausgang J1 PIN 1 weist hierbei Low-Pegel auf. Die Spannung wird langsam auf ca. 20V (max. 25V) erhöht und die prozentuale Abweichung zwischen Sollwert und Anzeige berechnet. Ab ca. 15.0 V verschwindet das Blinken und der Ausgang wechselt auf High-Pegel (>2.4V). Unterhalb ca. 13.8V wird die Last wieder abgeschaltet und das Display blinkt wieder.
Danach wird ein Akku (15-17V) an Prozessorteil und Ladeteil angeschlossen. Über ein strombegrenztes Netzteil werden ca. 180mA Ladestrom in den Akku eingestellt. Die Anzeige zeigt jetzt im Wechsel die Akkuspannung und den Ladestrom an. Wiederum wird die prozentuale Abweichung vom tatsächlichen Ladestrom berechnet.
Die prozentualen Abweichungen werden auf die existierenden Kalibrierwerte multipliziert und dann nach einem MPASM-Lauf ins EEPROM geschrieben. Bei Verwendung von MPLAB darauf achten dass im "Release" Modus und nicht im "Debug" Modus gearbeitet wird.

Danach ist der Batteriewächter einsatzbereit.

== Praxis und Ideen ==

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|BMON1035 Stromverbrauch 9.7µA bei 9.3V]]

Anbei ein Aufbau einer Vorgängerversion ohne Ladestrommessung (BMON1035) mit einem Stromverbrauch um 9.7 µA (schwankend) bei einem frisch aufgeladenen Akku mit 9.3V. An einem BMON1048 mit Strommessung habe ich 10-12µA gemessen. Wobei der Stromverbrauch auch von der tatsächlichen Versorgungsspannung des Prozessors abhängt.

Ich habe zwei Schaltungen mit ca. 30 mA Last seit 2.5 Jahren im Dauerbetrieb mit je 12 AA-Zellen und täglichem Ladebetrieb. Der erste Akkusatz zeigt seit letztem Sommer (bis zu 32 Grad Raumtemperatur während dem Laden) einen erhöhten Innenwiderstand. Der Ladestrom bei vollem Akku lag hierbei bei erhöhter Temperatur bei 60-70mA.

Die Spannungsdifferenz beim Einstecken / Entfernen des Ladegerätes ist bei diesem Akkusatz ca. 1V. Bei niedrigen Spannungen unter 15V und kurzem Ladebetrieb wird hierdurch die Last ungewollt abgeworfen. Das Kriterium 0.6V Abfall innerhalb einer Minute wird überschritten.
Der andere Akkusatz liegt immer noch bei 0.2V Differenz zwischen Normal und Ladebetrieb.

Ganz oben auf der Wunschliste steht der vereinfachte Abgleich der Kalibrierwerte im EEPROM. Denkbar wäre irgendein Morsecode über den Taster oder ein Jumper an einem freien Pin, um den Abgleich bei angelegten Referenzwerten zu starten.

Freier Speicherplatz ist jedenfalls genügend vorhanden. Wobei Sonderfunktionen nur selten gerechnet werden sollten, um den Stromverbrauch nicht zu stark zu erhöhen.

Die führende "1" wird derzeit wegen des 2-stelligen Displays als Dezimalpunkt angezeigt. Bei einem 3-stelligen Display würde man anstelle des Dezimalpunktes die beiden Segmente "b" und "c" für die "1" parallel ansteuern.

Ideen:
* Temperaturkompensation der End-Ladespannung mittels NTC / Dioden
* Alternativ: Abschaltung des Ladezweigs per Prozessor-Pin, wenn der Ladestrom bei der Endspannung eingeschwungen ist
* Lernfunktion Berücksichtigung Spannungsdifferenz bei Ladebetrieb für Abschaltkriterium
* Automatisiertes Speichern der Abgleichwerte im EEPROM

Anpassung an andere Zellenzahlen:

:{| class="wikitable"
|+ '''Ladeteil L200'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R13 || UE,min || UE,nom
|-
| 4 || 6.5 || 2K2 || 2K2 || 10.2V || 12V
|-
| 5 || 7.95 || 2K2 || 5K1 || 11.7V || 13V
|-
| 6 || 9.4 || 2K2 || 18K || 13.1V || 15V
|-
| 7 || 10.85 || 2K4 || --- || 14.6V || 16V
|-
| 8 || 12.3 || 3K0 || 47K || 16.0V || 18V
|-
| 10 || 15.2 || 3K9 || 68K || 18.9V || 20V
|-
| 12 || 18.1 || 4K7 || 130K || 21.8V || 24V
|}

Die minimale Netzteilspannung UE,min gilt für den worst case. In der Praxis hat man hierbei ca 0.5V Reserve.

:{| class="wikitable"
|+ '''Lastregler LT1763 (Ausserhalb Leiterplatte)'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R11
|-
| 5 || 5.1 || 4K7 || 15K
|-
| 6 || 6.0 || 10K || 39K
|-
| 7 || 8.0 || 2K7 || 15K
|-
| 8 || 9.35 || 3K3 || 22K
|-
| 10 || 11.5 || 3K9 || 33K
|-
| 12 || 12.0 || 2K7 || 24K
|-
| 12 || 14.0 || 6K49 || 68K
|}

== Downloads ==

* [[Media:BMON1048_MPASM.ZIP| Source code für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_Schaltbild.pdf| Schaltplan für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_gcprevue.zip| Layout (Gerber) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_PDF.zip| Layout (PDF) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_STK.txt| Stückliste Batteriewächter BMON1048]]

== Weblinks ==

* [http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00000053.pdf L200_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BSS84.pdf BSS84P_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF245A-B-C.pdf BF245C_Datasheet]
* [http://www.torex.co.jp/english/products/voltage_regulators/data/XC6216_XE6216.pdf XC6216_Datasheet]
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39631e.pdf PIC18F2520_Datasheet]
* [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm285-1.2-n.pdf LM385Z-1.2_Datasheet]
* [http://www.fairchildsemi.com/ds/BS/BSS138.pdf BSS138_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Hintergrund-gruen/LCD-2-0-13/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=3005&ARTICLE=10179&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& LCD-2-13]
* [http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1763fg.pdf LT1763_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Proma-Gehaeuse/GEH-EG-2/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=5199&ARTICLE=50424&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& Gehäuse_EG2]
* [http://www.graphicode.com/ GC-Prevue Gerber viewer]

== Siehe auch ==

* [http://www.mikrocontroller.net/topic/288063 Forum: Diskussion zu diesem Projekt]

[[Kategorie:Wettbewerb]]
[[Kategorie:PIC-Projekte]]
[[Kategorie:Spannungsversorgung_und_Energiequellen]]
[[Kategorie:Messtechnik]]
[[Kategorie:Projekte]]

Batteriewächter

2013-08-31T21:33:38Z

An ja: /* Spannungsregler */

''von Anja''

{{Wettbewerb Header}}

[[Bild:BMON_1048_3_IMG0982w.JPG|thumb|300px|Batteriewächter]]
'''Eigenschaften'''
* Schaltausgang zum Abschalten der Last bei Unterspannung
* Mikroprozessordesign mit PIC18F2520
* Geringer Stromverbrauch typ. 10µA
* Geringe Mindestspannung typ. 2.5V
* Optional bestückbares Ladeteil mit L200
* Breiter Einsatzbereich von 4-12 NiMH Zellen oder 6-12V Bleiakkus
* Leiterplatte angepasst für Frontplatte eines EG2-Aluminiumgehäuses (ProMa)

'''Anwendungen'''
* Batteriemanagement
* Aus Messwert gespeistes Panelmeter

== Vorgeschichte ==

Eigentlich wollte ich nur eine einfache Anzeige für meine, per Akku gespeisten Referenzen: wann müssen die 9V-Blocks wieder ans Ladegerät. Ein einfaches Drehspulinstrument hätte es getan. Allerdings brauchen diese relativ viel Strom im Verhältnis zu einer ISL21009. Und bei einer Empfindlichkeit von 100µA sind sie auch nicht ganz billig.

Die nächste Idee: Eine low power Referenz und ein Komparator (oder gleich einen ICL7665). Nur: Was dann als Anzeige nehmen? Selbst eine low current LED braucht einige 100µA für die Anzeige.

Alternative Anzeigen wären eine einfache LCD Balkenanzeige wie im Handy. Diese sind allerdings nicht im DIP 8 Gehäuse erhältlich. Als Alternative bleiben eigentlich nur passive LC-Anzeigen mit 2-4 Digits.

Das Ganze zu takten war die nächste Idee. Also wie beim Rauchmelder nur kurze Mess- und Anzeigephasen um Strom zu sparen.

In der Zwischenzeit waren auch Referenzen im Programm, die eine Mindestspannung von 9V oder 14V benötigen. Die Anzahl der Zellen (8-12) ist also so gewachsen, dass die 16V des ICL7665 oder gängiger CMOS Logik nicht mehr ausreichen.

Schön wäre auch eine "richtige" Spannungsanzeige - also muss ein Prozessor her. Nachdem auch die ersten 9V-Blocks Schwächen wegen Tiefentladung zeigten, sollte das Ganze auch einen Unterspannungsschutz haben.

Zum damaligen Zeitpunkt gab es nur wenige Spannungsregler mit Eingangsspannungen bis 20 oder 25V und Eigenstromverbrauch unter 20µA. Und die auch nur von Farnell, also für Privat quasi unobtanium.

Eine Idee hatte ich schon länger um z.B. Uhrenchips im 12V-System zu betreiben: Ein normaler Sperrschicht-FET hat eine negative UGS-Spannung. Wenn man das Gate also an Masse anschließt müsste am Source eine halbwegs stabile Backup-Spannung übrig bleiben. Und das auch noch ohne dass der Spannungsregler einen nennenswerten Strom braucht.

Der Ehrgeiz war geweckt, es müsste doch möglich sein einen prozessorgesteuerten Komparator mit Spannungsanzeige bei unter 20µA Stromverbrauch und mit Versorgung direkt aus der Batterie im Bereich 5-20V zu entwickeln...

== Blockschaltbild ==

[[Bild:BMON_1048_BLOCK.PNG|thumb|right|350px|BMON148 - Blockschaltbild]]

Die Schaltung auf der Leiterplatte umfasst ein einfaches Ladeteil mit L200. Die Speisung erfolgt mit einem externen 24V Steckernetzteil. Ein Low-Power Spannungsregler erzeugt die VCC-Versorgung für den Prozessorteil. Der Prozessor misst die Akkuspannung sowie den Ladestrom und erzeugt das Steuersignal für die Endstufe. Auf dem Display werden die Akkuspannung sowie der Ladestrom angezeigt. Der Taster dient zum Ein-/Ausschalten der Last. Da der Leistungsteil je nach Last sehr unterschiedlich sein kann (z.B. BTS555 für Hochstromanwendungen), ist er außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Als Schaltungsbeispiel wird eine Endstufe mit LT1763 gezeigt.

=== Ladeteil ===

[[Bild:BMON_1048_L200.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Ladeteil]]

Das Ladeteil ist eine Standardapplikation mit L200, ergänzt um einen Spannungsausgang für die Strommessung.
Die maximale Ladespannung wird mittels Spannungsteiler R12 zu R11 eingestellt. R13 ist parallel zu R12 und wird für den Feinabgleich der Ausgangsspannung verwendet. Auf der Leiterplatte sind die Widerstände wahlweise als SMD (R11..R13) oder bedrahtet (R11A..R13A) bestückbar. R11A ist mit 820 Ohm bestückt. R12A mit 4K7 parallel zu R13A mit 130k ergibt 4K54. Die Ausgangsspannung von 18.1 V ergibt sich aus der Referenzspannung von 2.77V des L200 * (1 + 4540R/820R). R14 begrenzt den Strom auf ca. 200 mA (0.45V / 2R2).
Diode D2 verhindert ein Entladen des Akkus wenn das Steckernetzteil nicht angeschlossen ist. D3 dient als Verpolschutz.
Die Schaltung um U3 verstärkt die Spannung über dem Strombegrenzungswiderstand. Es muss zwingend ein OP verwendet werden dessen common mode input range an die positive Versorgung reicht. Bei einem TL062 ist dies bei normalen Raumtemperaturen gegeben. Die Spannung über R14 wird im Verhältnis R16/R15 = 2.32 fach verstärkt. Bei 200mA, also 450mV am Strombegrenzungswiderstand, ergibt sich für den ADC-Eingang eine Spannung von 1.04V über R16.
L1, L2 sowie C15-C19 bilden ein optional bestückbares EMV-Filter. C18+C19 filtern hierbei die Störungen über einen M3 Distanzbolzen auf das Aluminiumgehäuse.

=== Spannungsregler ===

[[Bild:BMON_1048_VCC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Spannungsregler BF245C]]

Es gibt 2 alternative Bestückungsvarianten:

U5 ist ein low power Spannungsregler XC6216 von Torex. An Ein- und Ausgang werden 1µF Kondensatoren benötigt. Der Ruhestromverbrauch ist mit 5µA im Datenblatt angegeben.

Da mir das vieeel zu hoch ist, habe ich einen Sperrschicht-FET als Spannungsregler verwendet. Ein BF245C hat bei kleinen Strömen je nach Exemplarstreuung eine Gate/Source Spannung von -3.2 .. -7.5 V zwischen Gate und Source.
Wenn man jetzt das Gate auf Masse legt, und an Drain die ungeregelte Eingangsspannung, bleibt am Source eine Ausgangsspannung von +3.2 bis 7.5V.
Da der nachgeschaltete Prozessor maximal 5.5V Spannung verträgt müssen die FETs selektiert werden. Bei der maximalen Eingangsspannung und minimaler Last (also nur die 10 Meg-Ohm des Messinstrumentes) dürfen die 5.5V nicht überschritten werden. Bei der typischen Last von 10µA, entsprechend 330K, sollten mindestens ca. 3.8V als minimale Spannung übrig bleiben.

Beim Austesten auf dem Steckbrett habe ich herausgefunden, dass der FET relativ empfindlich auf Störimpulse reagiert und teilweise hierdurch auch hohe Spannungen an den Ausgang durchlässt. Abhilfe schaffen Abblockkondensatoren an Ein- und Ausgang. Im Gegensatz zum XC6216 reichen für den FET normale 100nF Abblockkondensatoren. Die Diode D1 dient als Verpolschutz. R2 begrenzt beim FET schnelle Spannungsanstiege sowie den Maximalstrom. Das Austesten auf dem Steckbrett sollte mit den Abblock-Cs und der Schutzbeschaltung erfolgen.

Von 10 getesteten FETs hatten alle eine maximale Spannung im Bereich 4.57 bis 4.80 V bei 25V Eingangsspannung. Bei Belastung mit 1K-Ohm und 9V Eingangsspannung habe ich 2.61V bis 2.77V gemessen. Der Regler hat also ausreichend Reserven. Die Mühe des Selektierens wird belohnt durch einen Stromverbrauch von nicht messbaren wenigen nA für den Spannungsregler.

R2 sollte bei Verwendung des XC6216 durch einen 0 Ohm Widerstand ersetzt werden. Allerdings habe ich diese Schaltungsvariante noch nicht getestet.

Eine weitere Möglichkeit ist die Bestückung eines BF545C (= SMD-Version des BF245C im SOT-23 Gehäuse) an der Position des Spannungsreglers U5. Siehe auch Abschnitt Nachtrag.

=== Prozessorteil ===

[[Bild:BMON_1048_PIC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Prozessorteil]]

Als Prozessor wird ein PIC18F2520 verwendet. Es ist quasi der low power Nachfolger eines PIC16F876. Der Strom mit internem Oszillator beträgt ca. 1mA. Um den Stromverbrauch zu reduzieren, ist der Prozessor hauptsächlich im sleep mode und wird nur alle 16ms aufgeweckt, um die Flanken für die Wechselspannung von 30Hz für die passive LC-Anzeige zu generieren, die auch die meisten Pins benötigt. C4 mit 10µF puffert kurze Stromspitzen in der Aufwachphase. C7 mindert EMV-Störungen.

Die Batteriespannung wird über Spannungsteiler R4/R5 an Pin RA2 gemessen. U2 sorgt mit R3 für eine stabile Referenz von 1.235V auch bei schwankenden Versorgungsspannungen. Kurzzeitig werden für den Referenzeingang bis zu 150µA und für die Referenzdiode bis zu 20µA benötigt. Da kein Abblockkondensator an der Referenz verwendet wird, ist R3 relativ niederohmig dimensioniert.

Die Stromsparfunktionen werden alle mit PIN RA1 gesteuert. Die Auswertung der Eingänge erfolgt nur ein Mal je Sekunde. Dies betrifft R3 als Versorgung für die Referenzdiode sowie R6 als pull up Widerstand für den Taster. Über T2 wird der Spannungsteiler für die Batteriespannung stromlos geschaltet. Der BSS138 ist ein FET mit geringer UGS threshold voltage von max. 1.5V. Er begrenzt also am Source die Drain-Spannung auf VCC-1.5V. Da die Referenzspannung 1.2V beträgt, ergibt sich durch den FET bei einer Versorgungsspannung bis herab zu 2.7V noch keine Begrenzung des Messbereichs für die Batteriespannung von bis zu 25.5V.

Der Ladestrom wird über Analogeingang RA0 gemessen.

Mit der gewählten Dimensionierung für R4/R5 ergibt sich ein Messbereich von 25.5V für die Batteriespannung. Der Strombereich ist für ca. 240mA ausgelegt.

An Pin RB6 wird schließlich das Schaltsignal für die Endstufe erzeugt.

=== Bedienteil ===

[[Bild:BMON_1048_HMI.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Bedienteil]]

Aus Platzgründen (Frontplatte des EG2-Gehäuses von ProMa) konnte leider nur ein 2-stelliges LC-Display verwendet werden. Um dennoch Spannungen größer 9.9V darstellen zu können, wird der führende Dezimalpunkt als Zehner-Stelle verwendet. Ab 20.0V fängt dann der Dezimalpunkt an zu blinken. Bei Verwendung eines 3 oder 4-stelligen Displays würde man anstelle des führenden Dezimalpunktes beide Segmente für die führende "1" anschließen.
Der Kondensator C5 hält Gleichspannungssignale vom Display fern. Dies ist insbesonders nützlich beim Flashen bzw. in der Debugging Phase.

J1 ist die Verbindung zur Mutterplatine. Dort kann noch ein zweiter Taster parallel zum Taster auf der Frontplatte angeschlossen werden. R7 dient als Kurzschlußschutz bzw. zur Stromreduzierung des Schaltsignals.

=== Endstufe ===

[[Bild:BMON_1048_POWER.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Endstufe LT1763]]

Die Endstufe ist außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Damit ergibt sich maximale Flexibilität von wenigen mA bis zu mehreren Ampere über einen BSS138 Treiber mit BTS555 Endstufe. Der Anschluss an die BMON1048 Leiterplatte erfolgt über Buchsenleisten auf der Leiterplatte mit der Endstufe. Die Stecker für den Ladeteil und den Prozessorteil sind getrennt ausgeführt. Damit können die Messleitungen direkt am Batteriepack angeschlossen werden (4-Leiter Anschluss). Übergangswiderstände am Stecker und der Leitungen haben dann weniger Einfluss auf die Messung.

Hier ist ein Beispiel für eine Endstufe mit LT1763 für maximal 20V Ladeendspannung gezeigt. Im ausgeschalteten Zustand verbraucht der Spannungsregler weniger als 1µA zusätzlich. Der Ruhestrom mit 30µA ist ebenfalls ein guter Wert. C10 ist vorzugsweise ein Folienkondensator (geringer Mikrofonieeffekt) zur Rauschunterdrückung. Die Ausgangsspannung wird mit R11+R12 auf 14.0 V eingestellt.

== Software ==

Die Software hat folgende Funktionen:

* Messen der Spannung und des Stroms linksbündig als 10 Bit Wert
* Verrechnung eines Korrekturfaktors aus EEPROM für Feinabgleich
* Anzeige der Spannung auf Display
* Als Timer dient der Watchdog mit 16ms Periode
* Die 30 Hz Wechselspannung für das Display wird hieraus abgeleitet
* Im Ladebetrieb erfolgt die Anzeige des Stroms im Wechsel mit der Spannung
* Unterhalb 1.15V/Zelle abschalten der Last (Spannungsanzeige blinkt)
* Oberhalb 1.25V/Zelle wiedereinschalten der Last
* Bei Tastendruck länger als 5 Sekunden wird die Last manuell ein-/ausgeschaltet
* Bei Spannungseinbruch > 0.6V/Minute wird ebenfalls abgeschaltet
* Alle Parameter wie Zellenzahl + Hysterese sind im Header konfigurierbar

<syntaxhighlight lang="c">
#define Cells 12 ; # number of cells
#define mV * 256 * 51/1051/1235 ; 25,6V * 5K1/(100K+5K1)/VRef
#define VOn Cells * 1250 mV ; high hysteresis
#define VOff Cells * 1150 mV ; low hysteresis
#define VOLT_SEC 10 ; check every 10 seconds
#define VDIFF 600 mV ; voltage drop / minute
#define mA * 1 ; 1 mA / count
#define CURR_MIN 10 mA ; min current to display
</syntaxhighlight>

Die Software ist mit MPASM 5.40 (MPLAB 8.70) erstellt. Die Bit-Schubsereien für das Display werden mit Tabellen in Page 0 für alle 3 Ports A-C und die Digits 1-2 abgehandelt.

Bei der Initialisierung wird erst die Hardware initialisiert und danach alle Variablen einschließlich der Kalibrierparameter die aus dem EEPROM gelesen werden. Die Kalibrierfaktoren sind im 2er Komplement als 16 Bit signed Wert gespeichert. Ein Abgleich von +/- 50% entspricht +/-32768 als Wert.

Die meiste Zeit verbringt der Prozessor im sleep mode. Alle 16 ms weckt der Watchdog den Prozessor auf, um die Pins für die Anzeige zu invertieren. Jede Sekunde finden zusätzlich noch Messfunktionen, einschließlich update der Anzeige sowie die Tastenabfrage statt.
Um Zeit (und damit Strom) zu sparen, wird die Wartezeit aufs ADC-Ergebnis genutzt, um eine Tastenentprellung bzw. die Vorverarbeitung der Spannungsmessung während der Strommessung durchzuführen.
Alle 10 Sekunden wird das High-Byte des Spannungswertes in einen Ringpuffer mit 6 Einträgen für die vergangene Minute eingetragen. Dies dient unterhalb der Einschaltschwelle zum Detektieren eines plötzlichen Spannungsabfalls falls eine Zelle schneller entladen ist, als die übrigen im Pack.

== Aufbau ==

<gallery>
Bild:Loetseite_IMG0964W.JPG|BMON1048 - Lötseite
Bild:BMON1048_BS_IMG0968W.JPG|Bestückungsseite
Bild:BMON1048_BST_LS.PNG|Position LS
Bild:BMON1048_BST_BS.PNG|Position BS
</gallery>

=== Lötseite ===

Die Leiterplatte ist doppelseitig. Die meisten Durchkontaktierungen liegen auf bedrahteten Bauelementen so dass eine durchkontaktierte Leiterplatte nicht zwingend nötig ist. Die drei Durchkontaktierungen im Bereich des Programmiersteckers können auch mit Kupferhohlnieten oder einer Drahtbrücke bestückt werden.

Am besten beginnt man nach Durchkontaktieren mit der Bestückung auf der Lötseite. C18, C19 sowie U5 sind im Muster nicht bestückt.

=== Bestückungsseite ===

Auf der Bestückungsseite werden zuerst die Bauteile unter dem Display, sowie die Widerstände unter dem L200 bestückt. Einige bedrahtete Bauteile müssen auf beiden Seiten der Platine verlötet werden, falls keine durchkontaktierte Leiterplatte verwendet wird.

Die Ladebuchse ist auf die Leiterplatte aufgesetzt. Die Anschlüsse werden mit Silberdraht verlängert. Mit dem Verlöten des Silberdrahtes sollte man, wie beim L200, so lange warten, bis die Frontplatte montiert ist.
In den Layoutdaten ist auch ein Layer für die Frontplatte enthalten, der als Bohrhilfe verwendet werden kann.

Der L200 ist über Kopf bestückt, die Anschlussdrähte also gegenüber dem stehenden Einbau auf die andere Seite abgewinkelt. Bei Verwendung von 10mm Distanzbolzen muss als Isolierung mindestens eine 1.5 mm Aluminiumoxidscheibe verwendet werden, damit sich die Pins des L200 im montierten Zustand verlöten lassen. Die Frontplatte des EG2-Gehäuses dient hiermit gleichzeitig als Kühlfläche.

C12 muss liegend montiert werden.

Für das Display verwende ich eine 18-polige Präzisionsfassung, die mit dem Seitenschneider auseinander geschnitten wird. Verlöten geht am einfachsten wenn das Display bereits in die Fassung gesteckt ist. Die beiden Pins 1 + 18 für die Backplane sind auf der Leiterplattenoberseite verbunden (Lötung unter der Fassung nicht vergessen).

Der Taster ist eine Ausführung mit langem Stößel, wenn die Bedienung ohne Hilfswerkzeug möglich sein soll.

=== Montagedetail L200 ===

[[Bild:BMON1048_L200_IMG0981W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - L200 Montage]]

Montagedetail L200:

* M3 Schraube
* Frontplatte
* Aluminiumoxidscheibe (AOS220 - 1.5mm)
* L200
* Isolierbuchse
* Unterlegscheibe (fehlt im Bild)
* M3 Mutter

=== Frontansichten ===

* Ansicht montiert mit Spannungsanzeige 16.7V
* Ansicht Ladebetrieb mit Stromanzeige 188mA

<gallery>
Bild:BMON1048_Spannung_IMG0965W.JPG|Spannungsanzeige
Bild:BMON1048_Strom_IMG0966W.JPG|Stromanzeige
</gallery>

== Inbetriebnahme und Abgleich ==

Der Ladeteil und der Batteriewächter können, auf Grund der getrennten Steckverbinder, unabhängig voneinander in Betrieb genommen werden.

=== Ladeteil ===

An einem strombegrenzten Netzteil (ca. 20-100mA) wird die Spannung an der Ladebuchse langsam von 0V an erhöht und die Stromaufnahme gemessen. Der Eigenverbrauch des L200 liegt bei ca. 10mA. Dieser Wert darf nicht wesentlich überschritten werden. Ist alles in Ordnung dreht man die Spannung langsam auf 24V. Die Ausgangsspannung des L200 sollte vor der Verpolschutzdiode D2 gemessen ca. 18.1V sein. Falls nicht, kann man durch Feinabgleich des Widerstandes R13 noch etwas korrigieren.
Danach einen Akkusatz anschließen und die Strombegrenzung des Netzteils langsam auf ca. 250mA-300mA drehen. Der Strom in den Akku sollte durch den L200 auf ca. 200 mA begrenzt werden.
Bei vollgeladenem Akku sollte der Strom unter C/50 besser C/100 (also 20-40 mA) zurückgehen. Gegebenenfalls ist die Ladeendspannung etwas zu reduzieren.

=== Prozessorteil ===

Zunächst wird der Prozessor mit einem Programmiergerät geflasht. Bei Verwendung des FET-Spannungsreglers darauf achten, dass die Spannungsversorgung für den Prozessor vom Programmiergerät (z.B. PICKIT3) zur Verfügung gestellt wird.
Hierbei darauf achten, dass die nominalen Kalibrierwerte im EEPROM nicht zu weit von den Defaultwerten abweichen.
Bei der Spannung ist der Defaultwert = 0x00, 0x00 (= Faktor 1.0 bzw. 0% Korrektur)
Beim Strom ist die Verstärkung nicht ganz auf einen Strom-Endwert von 255mA ausgelegt, sondern etwa 5 Prozent tiefer. Der nominale Kalibrierwert für den Strom beträgt daher 0xF3, 0x1B (= Faktor 0.94963 bzw. -5.04%).

Nach dem Flashen wird an die beiden mittleren Pins von J1 eine Spannung von ca. 5V angeschlossen. Ist alles ok, sollte das Display die Spannung blinkend anzeigen. Der Ausgang J1 PIN 1 weist hierbei Low-Pegel auf. Die Spannung wird langsam auf ca. 20V (max. 25V) erhöht und die prozentuale Abweichung zwischen Sollwert und Anzeige berechnet. Ab ca. 15.0 V verschwindet das Blinken und der Ausgang wechselt auf High-Pegel (>2.4V). Unterhalb ca. 13.8V wird die Last wieder abgeschaltet und das Display blinkt wieder.
Danach wird ein Akku (15-17V) an Prozessorteil und Ladeteil angeschlossen. Über ein strombegrenztes Netzteil werden ca. 180mA Ladestrom in den Akku eingestellt. Die Anzeige zeigt jetzt im Wechsel die Akkuspannung und den Ladestrom an. Wiederum wird die prozentuale Abweichung vom tatsächlichen Ladestrom berechnet.
Die prozentualen Abweichungen werden auf die existierenden Kalibrierwerte multipliziert und dann nach einem MPASM-Lauf ins EEPROM geschrieben. Bei Verwendung von MPLAB darauf achten dass im "Release" Modus und nicht im "Debug" Modus gearbeitet wird.

Danach ist der Batteriewächter einsatzbereit.

== Praxis und Ideen ==

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|BMON1035 Stromverbrauch 9.7µA bei 9.3V]]

Anbei ein Aufbau einer Vorgängerversion ohne Ladestrommessung (BMON1035) mit einem Stromverbrauch um 9.7 µA (schwankend) bei einem frisch aufgeladenen Akku mit 9.3V. An einem BMON1048 mit Strommessung habe ich 10-12µA gemessen. Wobei der Stromverbrauch auch von der tatsächlichen Versorgungsspannung des Prozessors abhängt.

Ich habe zwei Schaltungen mit ca. 30 mA Last seit 2.5 Jahren im Dauerbetrieb mit je 12 AA-Zellen und täglichem Ladebetrieb. Der erste Akkusatz zeigt seit letztem Sommer (bis zu 32 Grad Raumtemperatur während dem Laden) einen erhöhten Innenwiderstand. Der Ladestrom bei vollem Akku lag hierbei bei erhöhter Temperatur bei 60-70mA.

Die Spannungsdifferenz beim Einstecken / Entfernen des Ladegerätes ist bei diesem Akkusatz ca. 1V. Bei niedrigen Spannungen unter 15V und kurzem Ladebetrieb wird hierdurch die Last ungewollt abgeworfen. Das Kriterium 0.6V Abfall innerhalb einer Minute wird überschritten.
Der andere Akkusatz liegt immer noch bei 0.2V Differenz zwischen Normal und Ladebetrieb.

Ganz oben auf der Wunschliste steht der vereinfachte Abgleich der Kalibrierwerte im EEPROM. Denkbar wäre irgendein Morsecode über den Taster oder ein Jumper an einem freien Pin, um den Abgleich bei angelegten Referenzwerten zu starten.

Freier Speicherplatz ist jedenfalls genügend vorhanden. Wobei Sonderfunktionen nur selten gerechnet werden sollten, um den Stromverbrauch nicht zu stark zu erhöhen.

Die führende "1" wird derzeit wegen des 2-stelligen Displays als Dezimalpunkt angezeigt. Bei einem 3-stelligen Display würde man anstelle des Dezimalpunktes die beiden Segmente "b" und "c" für die "1" parallel ansteuern.

Ideen:
* Temperaturkompensation der End-Ladespannung mittels NTC / Dioden
* Alternativ: Abschaltung des Ladezweigs per Prozessor-Pin, wenn der Ladestrom bei der Endspannung eingeschwungen ist
* Lernfunktion Berücksichtigung Spannungsdifferenz bei Ladebetrieb für Abschaltkriterium
* Automatisiertes Speichern der Abgleichwerte im EEPROM

Anpassung an andere Zellenzahlen:

:{| class="wikitable"
|+ '''Ladeteil L200'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R13 || UE,min || UE,nom
|-
| 4 || 6.5 || 2K2 || 2K2 || 10.2V || 12V
|-
| 5 || 7.95 || 2K2 || 5K1 || 11.7V || 13V
|-
| 6 || 9.4 || 2K2 || 18K || 13.1V || 15V
|-
| 7 || 10.85 || 2K4 || --- || 14.6V || 16V
|-
| 8 || 12.3 || 3K0 || 47K || 16.0V || 18V
|-
| 10 || 15.2 || 3K9 || 68K || 18.9V || 20V
|-
| 12 || 18.1 || 4K7 || 130K || 21.8V || 24V
|}

Die minimale Netzteilspannung UE,min gilt für den worst case. In der Praxis hat man hierbei ca 0.5V Reserve.

:{| class="wikitable"
|+ '''Lastregler LT1763 (Ausserhalb Leiterplatte)'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R11
|-
| 5 || 5.1 || 4K7 || 15K
|-
| 6 || 6.0 || 10K || 39K
|-
| 7 || 8.0 || 2K7 || 15K
|-
| 8 || 9.35 || 3K3 || 22K
|-
| 10 || 11.5 || 3K9 || 33K
|-
| 12 || 12.0 || 2K7 || 24K
|-
| 12 || 14.0 || 6K49 || 68K
|}

== Downloads ==

* [[Media:BMON1048_MPASM.ZIP| Source code für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_Schaltbild.pdf| Schaltplan für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_gcprevue.zip| Layout (Gerber) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_PDF.zip| Layout (PDF) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_STK.txt| Stückliste Batteriewächter BMON1048]]

== Weblinks ==

* [http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00000053.pdf L200_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BSS84.pdf BSS84P_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF245A-B-C.pdf BF245C_Datasheet]
* [http://www.torex.co.jp/english/products/voltage_regulators/data/XC6216_XE6216.pdf XC6216_Datasheet]
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39631e.pdf PIC18F2520_Datasheet]
* [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm285-1.2-n.pdf LM385Z-1.2_Datasheet]
* [http://www.fairchildsemi.com/ds/BS/BSS138.pdf BSS138_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Hintergrund-gruen/LCD-2-0-13/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=3005&ARTICLE=10179&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& LCD-2-13]
* [http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1763fg.pdf LT1763_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Proma-Gehaeuse/GEH-EG-2/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=5199&ARTICLE=50424&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& Gehäuse_EG2]
* [http://www.graphicode.com/ GC-Prevue Gerber viewer]

== Siehe auch ==

* [http://www.mikrocontroller.net/topic/288063 Forum: Diskussion zu diesem Projekt]

[[Kategorie:Wettbewerb]]
[[Kategorie:PIC-Projekte]]
[[Kategorie:Spannungsversorgung_und_Energiequellen]]
[[Kategorie:Messtechnik]]
[[Kategorie:Projekte]]

Elektronikversender

2013-07-14T08:45:46Z

An ja:

Die Vor- und Nachteile von verschiedenen Elektronik-Versand-Händlern werden relativ häufig im Forum diskutiert. Diese Diskussionen führen nicht selten zu weitestgehend gleichen Ergebnissen. In diesem Artikel sollen daher die Argumente, die für oder gegen einen bestimmten Elektronik-Versender sprechen, zusammengetragen werden. Sobald diese Liste einigermaßen vollständig ist, würde dies sicher einige Diskussions-Threads und/oder Flame-Wars überflüssig machen.

Diese Liste erhebt keinerlei Anspruch auf Vollständigkeit, d.h. wenn ihr einen Versender kennt, der hier noch nicht aufgeführt ist, dann nennt wenigstens die URL und den Namen. Den Rest können auch andere besorgen, die den Versender ebenfalls kennen!

Bitte ergänzt nur allgemeine Sachen (z. B. "liefert immer vollständig", "günstig" oder "große Auswahl"), aber nicht Sachen wie "mein ATMega 128 hatte verbogene Beine"! Bitte auch die alphabetische Sortierung beibehalten!

'''Diese Seite kann nur von angemeldeten Benutzern bearbeitet werden!'''

__TOC__

== Liste der Versender ==

=== AATiS ===
Homepage: http://www.aatis.de

* Arbeitskreis Amateurfunk und Technik in der Schule e.V.
* Bausätze speziell auch für Elektronik-Anfänger, Schüler
* Literatur, Seminare für Lehrer

=== Actron ===
Homepage: http://www.actron.de

* '''kein''' Online-Shop!
* alphanumerische LCDs und Graphikdisplays in großer Auswahl, auch mit Touchscreens
* für gewerbliche Kunden: etwas verhandeln schadet nie
* bei kleinen Stückzahlen nicht ganz billig
* liefern sehr schnell und stets zuverlässig



=== AK Modul Bus Computer GmbH ===
Homepage: http://www.ak-modul-bus.com/stat/produkte.html

* Interfaces, Messmodule, Funktionsmodelle, Experimentiersysteme
* Entwicklungssysteme, Baugruppen, Elektor, Zubehör, Bauelemente
* Software, Lernpakete, Bücher, Sonderposten

=== Aliexpress ===
Homepage: http://www.aliexpress.com

* Allgeminer Market-Store aus China
* Günstige Arduinos, Adapterplatinen, Miniboards, etc.
* Vorsicht vor Fake-Transistoren und sehr günstigen Einzelbauteilen, die müssen nicht immer Original sein
* Zahlung: Per Kreditkarte, Absicherung über Aliexpress. Der Kaufpreis wird erst nach Bestätigung des Erhalts der Ware an den Lieferanten freigegeben
* Lieferzeit: Ca. 2-4 Wochen (kommt ja auch aus China oder Hongkong)
* Versandkosten: oft keine, wird im Angebot angegeben
* Zoll: normalerweise fällt für elektronische Bauteile kein Zoll an (alles bis 150€ ist zollfrei)
* Umsatzsteuer: ab 22€ (inkl. Versand) sind 19% Umsatzsteuer auf den Gesamtpreis beim Zoll zu zahlen (siehe www.zoll.de)

=== Allpax ===
Homepage: http://www.allpax.de

* Liefert auch an Privathaushalte
* Keine Elektronik an sich, aber ggf. nützliches Zubehör: Größeres, übersichtliches Sortiment an ESD-Beuteln und -Folien, offen und mit Zippverschluss, Pink Poly und Metallisiert (High Shield). Preislich über Farnell, dafür findet man sofort, was man sucht...
* außerdem Ultraschallreiniger, Waagen und Folienschweißgeräte, sowie viel Fachfremdes
* Versandkosten: 8,33€ nach Deutschland, diverse EU-Länder 17,85€, Schweiz 34,51€; Versandkostenfrei in D ab 178,50€
* Gewährt scheinbar auch Privatkunden die Zahlung per Rechnung; bei Bankeinzug 2% Rabatt, bei Vorkasse und Abholung 3%

=== AME-Engineering ===
Homepage: http://www.ame-engineering.de

* Hochfrequenz-Spezialitäten, Amateurfunk

=== Amidon ===
Homepage: http://www.amidon.de

* Sehr großes Sortiment, vorallem für seltene Bauteile, z. B. Dioden

=== Andy's Funkladen ===
Homepage: http://www.andyfunk.de

* Alles für Amateur- und CB-Funk
* Bauteile und Gehäuse

=== Anvilex ===
Homepage: http://shop.anvilex.com/index.html

* Liefert sehr günstige Break-Out Boards für diverse Packages
* Hat einige einfache und günstige Programmer auch für FPGAs etc

=== Atlantis Shop 24 ===
Homepage: http://www.atlantis-shop24.de

* Elektronik nur ein kleiner Teil des Angebotes. Ansonsten eher Drogerie bzw. Haushaltsbedarf

=== Atzert-Elektronik Versand ===
Homepage: http://www.atzert-elektronik.de

Früher ''EFB-Electronic Versand'', davor ''MEGAKICK Electronic Stores''.

* Mindestens schon der dritte Name und die dritte Webseite für den Endkunden-Versand von [[Elektronikversender#ETT|ETT]]. ETT liefert sonst nur an gewerbliche Kunden.
* Ladengeschäfte in Bielefeld, Braunschweig, Bremen, Hamburg und Berlin.
* Die Preise schwanken im Vergleich zu anderen Anbietern, welche ebenfalls ETT-importierte Produkte führen, mal nach oben, mal nach unten.

=== Bassenberg Elektronik ===
Homepage: http://www.bassenberg.de

* Ladengeschäfte in Braunschweig und Neumünster
* Beschafft auch nicht mehr gelistete und abgekündigte Bauteile
* Liefert auch an Privat

=== Batronix ===
Homepage: http://www.batronix.com
* Grosses Sortiment an Geräten
* Bausätze für Microcontroller-Applikationen
* Liefert auch an Privat

=== BAZ Spezialantennen ===
Homepage: http://www.spezialantennen.de

* Antennen für Amateurfunk, ISM, WLAN usw.

=== bed - elektronik ===
Homepage: http://www.bed-elektronik.de

* Restposten aktive und passive Bauelemente
* sehr günstige Preise
* alles ab Lager lieferbar
* Versand an Privat
* ab 60 EUR versandkostenfrei

=== Bfi-Optilas ===
Homepage: http://www.bfioptilas.de

* Kein Onlineshop
* spezialisierter Distributor für Hochfrequenzhalbleiter und Optik

=== BG-Electronics.de ===
Homepage: http://www.bg-electronics.de

* Online Shop für aktive und passive elektronische Bauelememte
* günstige Preise
* alle Artikel ab Lager lieferbar, daher kurze Wartezeiten
* weltweiter Versand
* zahlreiche Mengenrabatte
* viele Ersatzteile aus dem Audio-, CarHiFi und TV-Bereich



=== Box73 ===
Homepage: http://www.box73.de

Onlineshop des Funkamateur.

* Bauteile, Bausätze, Literatur aus dem Amateurfunkbereich
* Preise sind O.K.
* Bestellungen werden nur Di und Do bearbeitet
* Ab 50 EUR bei Bankeinzug portofrei.

=== Bürklin OHG ===
Homepage: http://www.buerklin.com

* große Auswahl, hohe Verfügbarkeit
* sehr schneller Versand
* Ladengeschäft in Oberhaching (südlicher Landkreis München)
* <s>nur an gewerbliche Abnehmer (lt. AGB), private Abnehmer können dennoch im Ladengeschäft einkaufen Angeblich versendet Bürklin seit November 2010 auch an Privatpersonen. Allerdings verlangt Bürklin weiterhin in Adressformularen die Eingabe eines Firmennamens Geben Sie einen Wert in das Feld "Firma" ein. Daher ist diese Information eher mit Vorsicht zu genießen.</s> Mittlerweile muss man auch keinen Firmennamen mehr eingeben. Die AGB wurde ebenfalls angepasst.

=== CBsoft, s.r.o. (ltd.) ===
*Homepage: http://www.jjtubes.eu/
* Firma in der Slowakei
* Verkauft Röhren der Firma JJ
* englischsprachig
* Zahlungsmöglichkeiten in € mit Paypal und Kreditkarte

=== chiptrade.com ===
siehe [[#SE Spezial-Electronic AG|SE Spezial-Electronic AG]]

=== ConeleK Electronic ===
Homepage: http://www.conelek.com

* Sehr kleines Bauteileangebot (Röhren, Röhrensockel)
* Elektronik-Laborbedarf, insbesondere Nachfüllpackungen mit Steckbrett-Drahtbrücken
* Werkzeug für Elektronik
* Stromversorgungen
* Versand an Privat
* Versandkosten bis 25kg, Vorkasse 5,90€ (Stand 04/2008)

=== Conrad ===
Homepage: http://www.conrad.de und http://www.business.conrad.de

* großes Angebot (für Bauteile den "Business"-Katalog beachten, der Hauptkatalog ist dahingehend etwas "dünn") (Anm.: Bauteile, die nur im Business-Katalog aufgeführt sind, sind in Ladengeschäften nur über Sonderbestellung zu bekommen, d.h. dort in aller Regel nicht vorrätig.)
* Positiv: Wirklich jedes Bauteil kann einzeln gekauft werden und wird nicht in dämlichen Verpackungseinheiten verkauft, so wie es bei den meisten anderen Elektronik-Lieferanten der Fall ist. Dies ist vor Allem für den Prototypenbau sehr hilfreich.
* relativ teuer jedoch bis zu 10% Rabatt für Schulen (bei genügend Umsatz)
* 21 Ladengeschäfte in Deutschland, fünf in Österreich
* positiv: Bei Business-Kunden wird der Rechnungsbetrag erst nach 14 Tagen abgebucht.
* haben einen (teuren) 24 Std. Lieferservice für Notfälle - Conrad garantiert aber nicht 100%ig für die Einhaltung der 24 Stunden. Bei Nichteinhaltung gibt es kein Geld zurück.
* Verfügbarkeit in Filialen kann Online überprüft werden.
* Verfügbarkeit in Filialen kann über zentale Rufnummer erfragt werden. Abholung bestellter Ware in Filialen möglich, aber trotzdem gleiche Versandkosten.


=== csd-electronics ===
Homepage: [http://www.csd-electronics.de csd-electronics.de]

* schnelle Lieferung, sofern die Artikel auf Lager sind, versandkostenfreie Nachlieferung, '''teilweise sehr lange Lieferzeiten bei Ware die nicht ab Lager lieferbar ist'''. Bitte selbst abwägen ob dies für einen selbst akzeptabel ist. (Diskussion siehe hier [http://www.mikrocontroller.net/topic/273508] und hier [http://www.mikrocontroller.net/topic/249395].)
* ATMEL, ICs, Passive und Mechanische Bauteile, Platinen- und Lötzubehör, u.a.
* ca. 4000 Bauteile lagernd
* günstig
* Mengenrabatte für fast jedes Produkt
* Versand innerhalb Deutschlands:
* DHL: 3,85€ (ab 60 EUR versandkostenfrei)
* Versand EU-weit ab 5,95 EUR
* kein Mindestbestellwert
* Bauelemente, die nicht im Shop angeboten werden, können auf Anfrage beschafft werden.
* Zahlung per Vorkasse (3% Skonto), PayPal, Nachnahme. 1 EUR Aufschlag bei PayPal-Zahlung
* Zahlung per Bankabbuchung, Kreditkarte oder Rechnung nur für Stammkunden (ab 4 bis 5 Bestellung), Für Institute/Firmen direkt auf Rechnung möglich
* Abholung von Ware in Bonn-Dransdorf nach Vereinbarung

=== dad24 ===
Homepage, Shop: http://dad24.eu
E-Bay Shop: http://stores.ebay.de/Shop-dad24

* Unterschiedliche Preise in den beiden Shops
* Kleiner, nicht sonderlich schöner Onlineshop (dad24.eu)
* Kleines Angebot. Lupenleuchten, Lötstationen, Labornetzgeräte, Messgeräte, etc. aus dem unteren Preissegment
* Jede Woche eine neue "Kategorie der Woche" auf dad24.eu. Produkte aus der Kategorie werden erst im Warenkorb mit einem Rabatt angezeigt, der auch gewährt wird.

=== Darisus ===
Homepage: http://www.darisus.de

* kompetente Beratung
* liefert sehr zuverlässig, in Notfällen auch Express
* Versand innerhalb Deutschlands ab 4,50 EUR
* Hat auch eine gute Auswahl an CPLDs und einige FPGAs diverser Hersteller

=== Daschke LTD ===
PDF-Katalog (Achtung, grosse Datei): http://www.daschke-ltd.de/Catalog/

* Prompte Antwort und Hilfe via info ät obige adresse
* Bezahlung per Paypal und Rechnung möglich. Ist auch Ebay-Händler.
* sehr faire Preise für Bauteile und Versand
* Führt eine Vielzahl an unüblichen Steckern und Buchsen
* Nicht verfügbare Bauteile wurden proaktiv nachbestellt, trotz geringer Bestellmenge. Prima!

=== DES - Der Elektroniker-Shop ===
Homepage: http://www.DerElektronikerShop.de

'''Hinweis:'''

Bei diesem Shop häufen sich in der letzten Zeit Beschwerden, dass Artikel mehrere Monate Lieferzeit haben, ohne dass dies den Kunden mitgeteilt wird. Emailanfragen diesbezüglich bleiben i.d.R unbeantwortet.

Siehe auch den [http://www.mikrocontroller.net/topic/286786#3042475 Thread im Forum]

* Bauteile
* Bauteilsätze der [http://www.DieElektronikerseite.de Elektronikerseite]
* Verkauf des BasicBeetle von [http://www.DieProjektseite.de der Projektseite]
* Ständig wachsendes Angebot
* Auch einige SMD-Bauteile verfügbar
* Kein Mindestbestellwert
* Versandkosten ab 3,60 EUR (Österreich/Europa ab 4,00 Eur)
* Versand auch nach Österreich (Europa auf Anfrage)
* Zahlung per Vorkasse
* Lieferzeit 1-3 Tage bei Verfügbarkeit
* PrePaid-Konto möglich
* Lieferungen auch an Privat

=== Digi-Key ===
(tlw.) deutsche Homepage: http://de.digikey.com

* optisch nicht besonders ansprechende, aber durchaus sehr funktionelle Website
* beheimatet in den USA, ein Logistikbüro gibt es in den Niederlanden
* kostenloser Versand ab 65€, darunter 18€ Versandkosten
* macht merkwürdige Plausibilitäts-Checks: wenn man privat über ihrem Dollar Limit (z.B. 400 Dollar bestellt) kommt sofort die Rückfrage nach Firmenname und Firmenadresse
* Rückfragen nach dem Verwendungszweck kommen ebenfalls schon bei der Bestellung bei bestimmten Bauteilen die der Exportkontrolle unterliegen
* Versand direkt aus den USA, dafür sehr flott mit UPS Express (in rund zwei bis drei Tagen da)
* riesiges Angebot, gewissermaßen ein Distributor der auch Kleinmengen an Privatpersonen liefert, entscheidend ist, dass der Hersteller des Produkts geführt wird
* kein anderer Anbieter, bietet so viele verschiedene passive Bauteile in kleinen Stückzahlen, z. B. SMD Widerstände in Bauform 01005 bis 2512 meist in verschiedenen Toleranzklassen und von verschiedenen Herstellern
* alle Bauteile mit Herstellerangabe, Digikey kauft ausschließlich direkt vom Hersteller
* Preise sind auf der deutschen Website in Euro inklusive etwaigem Zoll angegeben, allerdings ohne Mehrwertsteuer, die korrekt abgerechnet wird (d.h. man zahlt bei Versand nach Österreich 20% Mwst., nach Deutschland m.W.n. 19%)
* Meistens deutlich teurer als Reichelt, doch häufig die beste Anlaufstelle für Privatkunden wenn es um Spezialbauteile geht, und der Hersteller sich im Programm von Digikey befindet

=== Display Electronics ===

Homepage: http://www.distel.co.uk

* In England
* Webseite = Augenkrebs
* Online-Shop versteckt hinter dem Search-Button auf der Homepage
* Restposten aller Art
* Mindestbestellwert 10 GBP

=== eHaJo ===
Homepage: http://www.eHaJo.de

* Bausätze
* Lötübungen
* AVR-ISP-Stick

=== EIBTron.com ===
Homepage: http://www.eibtron.com

* Riesige Auswahl an Produkten (~300000)
* SMD-Bauteile bis 0402!
* auch spezielle Sachen wie Xilinx-Configuration PROMs, AD9740-DACs oder SMD-Quarze (z.B. Abracon ABM7) im Angebot
* Alternative zum HBE-Shop für Privatanwender!
* Versand direkt durch RS
* zuverlässiger und freundlicher Support

=== Eisch-Kafka-Electronic ===
Homepage: http://www.eisch-electronic.de

* Hochfrequenz Bausätze und Bauteile für Amateurfunk

=== EleConT ===
Homepage: http://www.elecont.de/shop/

* Carrierboards für gebräuchliche AVR

=== Electropuces ===
Homepage: http://perso.wanadoo.fr/electropuces/

* Gebrauchte Messgeräte aus Nantes, Frankreich (teilweise engl. Menü)

=== Electronic Search ===

Homepage: http://www.electronic-search.de

* Keine Mindestbestellmenge
* Verkauf auch an Privat/Bastler
* Fast alle Preise im Online-Shop nur "auf Anfrage", und nicht im Shop angegeben.

=== electronicpool Rheinstetten ===
Homepage: http://www.electronicpool.de

* abgekündigte oder schwer beschaffbare elektronische Bauteile

=== Elektronikladen ===
Homepage: http://www.elektronikladen.de

* Spezialist für Mikrokontroller
* Entwicklungssysteme, keine Einzelbauteile
* entsprechende Literatur und Software
* "Kein Verkauf an Endverbraucher i.S.d. §13 BGB"

=== Elektronik-Kompendium ===
Homepage: http://www.elektronik-kompendium.de

* Bausätze diverser Schaltungen (mit Anleitung und Funktionsbeschreibung)
* erspart lästiges Suchen in anderen Shops
* kurze Lieferzeiten
* günstiger Versand

=== Elk Tronic ===
Homepage: http://www.elk-tronic.de

* kleines Lieferprogramm Adapterplatinen (SMD -> 2,54mm-Raster) und Programmieradapter
* günstige Preise und Versandspesen

=== Elko-Verkauf ===
Homepage: http://www.elko-verkauf.de

* Nur Low-ESR-Elkos
* Elko-Sets für ein Gerät

=== Ellmitron ===
Homepage: http://www.ellmitron.de/
Katalog: http://www.ellmitron.de/katalog.pdf

Lehrmittel, Kleinbausätze vor allem für Schüler, Experimentierkästen

=== Elpro Darmstadt ===
Homepage: http://www.elpro.org

* Kein Mindestbestellwert, aber hohe Versandkosten für kleine Bestellungen. (Stand April 2013):
** Bis 15€: 9,95€ Versandkosten
** Von €15 bis €75: 5,95€ Versandkosten
** Von €75 bis €200: 4,49€ Versandkosten
** Ab €200: Versandkostenfrei
* Große Auswahl an Mikrocontrollern
* Sehr große Auswahl an Schaltnetzteilen von Meanwell (geschlossen, offen, auf PCB lötbar, DIN-Schiene)
* Merkwürdig zu bedienende Shopsoftware, ständig klappt was auf und zu und wird irgendwas nachgeladen. Braucht JavaScript
* Keine AGBs online. Da Preisangaben ohne MwSt. richtet sich das Angebot vermutlich nicht an Endverbraucher (werden aber beliefert)
* Bearbeitungszeit (bis Warenausgang) 2-3 Tage.
* Versand bisher mit DHL
* gute bis sehr gute Verpackung

=== Eltrix ===
Homepage: http://eltrix.de/Starteltrix.htm

* Verbrauchsmaterial, Tipps und Tricks fürs Leiterplattenherstellen und Löten

=== ELV ===
Homepage: http://www.elv.de

* nicht sehr große Auswahl an Einzelteilen
* riesiges Angebot an Zubehör für Hobbyisten
* viele z.T. pfiffige Eigenentwicklungen, Bausätze (auch zum Download auf der Website verfügbar)
* sonst Sortiment ähnlich Conrad, nicht billig
* im Allgemeinen nicht billig, merkwürdigerweise sind manche Artikel aber die günstigsten auf dem Markt
* mühsamer Onlinekatalog
* Immer mal wieder Fehllieferungen und Wartezeiten (zumindest in die Schweiz). Service erreichte in 3 Fällen nicht das inserierte Niveau.
* Versandkosten innerhalb Deutschland 4,5€, ab 150€ Bestellwert versandkostenfrei
* nicht abwählbare Versandversicherung, die 0,85% des Bestellwertes kostet



=== ETT - Electronic Toys Trading ===
Homepage: http://www.ett-online.de

* Großhandel nur für Gewerbekunden.
* Zweitshop [[Elektronikversender#Atzert-Elektronik_Versand|Atzert-Elektronik Versand]] (früher EFB-Electronic Versand, davor Megakick Electronic-Stores) für Endkunden.
* Ladengeschäft in Braunschweig für jedermann. Weitere Atzert Ladengeschäfte in Bielefeld, Bremen, Hamburg und Berlin.
* Eigentümer der Marken McCHECK®, McPower®, McVoice® und anderer, unter denen ETT importierte Messgeräte, Labornetzteile, usw. an Großkunden und Händler vertreibt. Diese sind unter oben genannten Marken dann in vielen Shops anderer Firmen für Endkunden zu finden, nicht nur bei Atzert. Preisvergleiche lohnen.

=== Ettinger GmbH ===
Homepage: http://www.ettinger.de

* Für gewerbliche Kunden
* Mechanische Komponenten (Gehäuse, Abstandshalter, Drehknöpfe, usw.)
* LEDs
* Gewöhnungsbedürftiger Online-Shop

=== Eurotronik GmbH ===
Homepage: http://www.eurotronik.com

* Für gewerbliche Kunden
* Mindestbestellwert 100.00 Euro
* Individuelle Suche für alle möglichen Bauelemente
* Abgekündigte und allokierte BE finden
* Besonders Stark mit Altera, Microchip, Texas Instruments

=== EVE ===
Homepage: http://www.eve.de

* Zitat aus den AGBs:
::''"Zu Bestellungen im Rahmen des Online-Handels sind nur durch uns autorisierte, d. h. zugelassene Käufer berechtigt. Wir gewähren nach erfolgreicher Zertifizierung – ohne hierzu verpflichtet zu sein – dem jeweiligen Käufer das nicht übertragbare, nicht exklusive Recht im Rahmen des Online-Handels Bestellungen uns gegenüber “auszubringen”."''

:Dies darf man wohl getrost als Hinweis ansehen, dass Endverbraucher als Kunden nicht gewünscht sind.
* Versandhaus für elektronische Artikel in Emsdetten
* machen auch Kabelkonfektion
* Pb-freie Artikel markiert

=== EXP-TECH ===
Homepage: http://www.exp-tech.de/
* liefert an privat
* vielfältiges Sortiment von vielen verschiedenen Händlern (Adafruit, Sparkfun, Arduino, Olimex, Embest, SeedStudio, CooCox, Digi, BeagleBone, IteadStudio, RaspberryPI, SecretLabs, CookingHacks, Axiris.pe, OpenPicus, RobotElectronics, RobotBase, AttenInstruments, Dagu, RF-Explorer, TexasInstruments, DangerousPrototypes...)
* Lieferung per DHL
* Zahlungsmöglichkeiten: Überweisung (Vorkasse), PayPal, Visa, MasterCard

=== Farnell ===
Homepage: http://de.farnell.com

* liefert nur an gewerbliche Abnehmer, Ausnahme sind Studenten und HTL-Schüler (Österreich, Farnell.at). Nachweis wird verlangt (Gewerbeschein oder Immatrikulation).
* Lieferungen an Privat:
:* Schweiz: Farnell Schweiz beliefert auch Privatkunden.
:* Deutschland: Über den Reseller [[#HBE_-_Heinz_B.C3.BCchner_Elektronik.2C_Messtechnik.2C_med._Elektronik_e.K.|HBE]] kann man Produkte aus dem Farnell-Sortiment zu bestellen.
:* Österreich: [[#Technik-Welt / Industrieshop.at|Technik-Welt / Industrieshop.at]]
* große Auswahl
* 12% Rabatt für Studenten und Lehreinrichtungen
* sehr schneller Versand, Ware ist in 99% aller Fälle am nächsten Tag da (UPS), fehlende Positionen werden relativ rasch versandkostenfrei nachgeliefert
* Versandkosten: Bestellung bis 49,99€: 7,95€; 50,- bis 149,99€: 5,95€; ab EUR 150,- versandkostenfrei
* hat nach eigenen Aussagen umfangreichstes Sortiment an RoHS-konformen Bauteilen mit Suchfunktion im WWW
* leistungsfähige parametrische Suchfunktion / teils aber völlig nutzlos, da den Artikeln massenweise Tags fehlen, weswegen die Suchergebnisse unnötig eingeschränkt werden
* Datenblätter für die meisten Bauteile online
* Internetpräsenz fällt nachts oft aus (Hinweis auf angebliche geplante Wartungsarbeiten)
* Sortierfunktion wird bei der Suche ständig zurückgesetzt, im Warenkorb ist überhaupt keine sinnvolle Sortierung möglich
* Eigenwillige Preispolitik: Einiges sehr günstig, Anderes total überteuert

=== Fibra-Brandt Zweibrücken ===
Homepage: http://www.fibra-brandt.com

* lagert tausende veraltete und schwer zu findende elektronische Bauteile
* Halbleiter, IC's, Transistoren, Spulen und Kondensatoren.
* Sonderbeschaffung von abgekündigten Halbleitern.

=== Fischer DK2FD ===
Homepage: http://www.dfe-online.de für das Ingenieurbüro,
Homepage: http://www.dk2fd.de für Amateurfunkprodukte

* Baugruppen für Hochfrequenzmesstechnik und Amateurfunk

=== Fuchs Shop ===
Homepage: http://www.fuchs-shop.com/

* 1-Wire- und iButton-Komponenten

=== Funkamateur Online-Shop ===

Siehe [[Elektronikversender#Box73]]

=== Futurelec ===
Homepage: http://www.futurlec.com

* günstiger Versender aus Übersee
* viele Stamp-Boards
* LED Matrix-Module

=== Future Electronics ===
Homepage: http://de.futureelectronics.com

* große Auswahl an Teilen
* Versand auch an Privatpersonen
* Preisangaben ohne MwSt.
* Zahlung nur mit Kreditkarte
* Versandkosten 7,14€ (Brutto)
* Versand aus den USA mit FedEx, Lieferzeit meist unter 5AT
* Verzollung usw. wird von FutureElectronics gemacht, keine Nachzahlungen etc.

=== Geist Electronic-Versand GmbH ===
Homepage: http://www.geist-electronic.de

* Liefern Bauteile für Elektor-Projekte
* D-78054 Villingen-Schwenningen
* Versandkosten: 5.40€

=== Giga-Tech ===
Homepage: http://www.giga-tech.de

* Spezialitäten für Hochfrequenz / Amateurfunk
* Scheinbar nur noch Abverkauf, da viele Artikel nicht mehr lieferbar
* Antworten auf Anfragen und Lieferungen dauern sehr lange
* 68542 Heddesheim

=== Grummes Elektronik ===
Homepage: http://www.grummes.de

* Elektronikversender /CNC-Fräsmaschinen / Schrittmotorsteuerungen / Bauteile
* Homepage nicht aufrufbar (10.12.2011)

=== Glyn (GLYNshop) ===
Homepage: https://www.glynshop.com/erp/welcome.do

* "B2B Shop" = nicht für Privatkunden
* Microcontroller, Evaluation Boards, TFT-Displays, LC-Displays, Memory Cards u.a.

=== guloshop.de ===
Homepage: http://guloshop.de

* kleiner Shop, konzentriert sich auf Standard-AVRs im DIP-Gehäuse, ist dabei aber meist der billigste Versender in Deutschland
* ATtiny, ATmega, Breakout-Boards, Programmer, Adapterkabel, IC-Fassungen
* AVR mit geflashtem Arduino-Bootloader
* äußerst niedrige Preise
* liefert schnell und zuverlässig, jedoch nur gegen Vorkasse
* kein Mindestbestellwert, Versandkosten für kleine Bestellungen: 2,40 EUR, darüber 4,40 EUR
* ansässig in 90489 Nürnberg

=== H-Tronic ===
Homepage: http://www.h-tronic.eu/index.php

* Online-Shop einer Entwicklungsfirma, in dem neben Baugruppen und Geräten auch einige Bauelemente und Elektronikzubehör angeboten werden
* kleines Angebot

=== Hallmanns Elektronik ===
Homepage: http://www.hallmanns.com 
Adresse: Bruno Hallmanns, Weierstraße 41, 52349 Düren

* Elektronikhändler mit Ladenlokal und Versand
* Ladentypisches Sortiment (Bauteile, Geräte, PC, Funk, Hifi...)

=== Hari Seligenstadt ===
Homepage: http://www.hari-ham.com

* Bausätze, Ringkerne, Geräte für Amateurfunk

=== HBE - Heinz Büchner Elektronik, Messtechnik, med. Elektronik e.K. ===
Homepage: http://www.hbe-shop.de/katalog/

* Bezeichnet sich als ''[[#Farnell|Farnell]] Fachhändler'', bei dem nichtgewerbliche Kunden aus dem Farnell-Sortiment bestellen können.
* Preise für Farnell-Produkte normalerweise Farnell Netto-Preis + MwSt.
* Mindestbestellwert 25,- € (netto), Mindermengenzuschlag 5,- € (Stand 06/2010)
* Versandkosten 4,75 € (netto), ab 75,- € (netto) versandkostenfrei (Stand 06/2010)

=== Heho-Elektronik ===
Homepage: http://www.heho-elektronik.de
* Halbleiter / Bauteile, Sortimente, Handy - Akkus, VELLEMAN - Bausätze
* Aktuelles Angebot, Ladegeräte / Akkuladegeräte, Blei - Akkus
* Spannungswandler, Audio / Video / USB - Kabel, Netzwerk - Kabel
* 1-2 Arbeitstage für Waren ab Lager
* Porto + Verpackung pauschal Euro 4,50
* Mindestbestellwert von € 10,00

=== Hinkel ===
Homepage: http://www.hinkel-elektronik.de

* Von der Webseite "Unser Angebot richtet sich an Schulen, Behörden, Handel, Handwerk und Industrie."
* Batterien
* Knopfzellen, spezielle KZH, die man sonst lang sucht, findet man hier
* Mindestbestellwert von 20€
* Standardversand innerhalb Deutschlands 5,80€

=== HN Electronic Components GmbH & Co. KG / Netzteilshop ===
Homepage gewerbliche Kunden: http://www.hn-electronic.de/
* Netzteile aller Art
* Es gibt keinen Onlineshop mehr, wahrscheinlich werden Endkunden nicht beliefert
** Homepage Endkunden: http://www.netzteilshop.com/hnshop.html
** Lieferung an Endkunden nur per UPS Nachnahme.
** Mindestbestellmenge für Endkunden 25 €

=== Home-Electronic24 ===
Homepage: http://www.home-electronic24.de/

=== HW-Electronics ===
Homepage: http://www.hw-electronics.de 
Homepage EU: http://hw-electronics.eu/

* Tauch- und Sprühätzanlagen
* Entwicklungsgeräte
* Belichtungsgeräte, Materialsätze zum Selbstbau von Belichtungsgeräten

=== ic-box24.de ===
Homepage: http://www.ic-box24.de

* NOS Bauelemente (ab Lager)
* kein Mindestauftragswert
* 3,00€ Versandkosten
* liefert auf Rechnung oder Paypal, MWSt. wird ausgewiesen

=== ID-Elektronik ===
Homepage: http://www.id-elektronik.de

* Amateurfunk-Baugruppen

=== IT-WNS ===
Homepage: http://www.it-wns.de

* "Bauteile, Platinen, Bausätze" insbesondere mit ATMEGA und ENC28J60
* Bausätze zu Projekten aus dem Forum, z. B. USBprog, ChipBasic, Mikro-Webserver, Transistortester u.v.a.m.
* Atmega32/644 Experimentiersystem als Bausatz mit vielen Zusatzmodul-Bausätzen
* SD-Slots, RFID, Bluetooth-Module, AVR Mikrocontroller uvam.
* Bauelemente, die nicht im Shop angeboten werden, können auf Anfrage (Kontaktformular) beschafft werden
* günstige Preise und Versandkosten ab 1,90EUR, kein Mindestbestellwert
* schneller Versand, sofern die Artikel auf Lager sind, versandkostenfreie Nachlieferung

=== Kabelscheune ===
Homepage: http://www.kabelscheune.de

* "Direktversand von Elektromaterial und Multimediaprodukten"

=== Kelemen ===
Homepage: http://www.kelemenantennen.de/Kelemen-Shop/

* Messgeräte, Antennen und Zubehör für den Amateurfunk

=== Kessler ===
Homepage: http://www.kessler-electronic.de

* im Preis-Leistungsverhältnis mit Reichelt zu vergleichen (sprich: günstig)
* Sortiment kleiner als Reichelt und mit gewissen Abweichungen (z. B. andere FPGA und RAMs)
* oft lange Lieferzeiten
* Versandkosten innerhalb Deutschlands 4€ (Brief), 5€ (DHL-Paket), 10€ (DHL-Express-Paket)

=== Klein-Electronic ===
Homepage: http://www.klein-electronic.de

* Baugruppen zur Video- und 2,4GHz-Sendetechnik

=== Konni-Antennen ===
Homepage: http://www.konni-antennen.de

* Antennen für TV, Amateurfunk
* Zubehör, Einzelteile
* sehr netter kompetenter Service

=== Köditz Nachrichtentechnik ===
Homepage: http://www.koeditz-nachrichtentechnik.de

* Baugruppen und Bauteile für Amateurfunk und TV-Satellitenempfang

=== Kuhne DB6NT ===
Homepage: http://www.kuhne-electronic.de

* Baugruppen und Bausätze für Mikrowellenamateure

=== LEDSEE Electronics ===
Homepage: http://www.ledsee.com

* LEDs, LCDs, diverses
* Lieferung direkt aus China, daher sehr günstig und lange Lieferzeiten

=== LED Microtechnics LTD ===
Homepage: http://www.ledmeile.de

* "LED Shop und Lampentechnik"

=== LED-Tech LED-Shop ===
Homepage: http://www.led-tech.de

* viele verschiedene LEDs zu sehr guten (meist den günstigsten) Preisen
* vor allem auf High-Power-LEDs spezialisiert
* viele verschiedene Treiber für High-Power-LEDs
* kostenloser Versand
* haben ein eigenes, sehr umfangreiches Forum

=== Lieske Elektronik ===
Homepage: http://www.lieske-elektronik.de

* liefert nur an Geschäftskunden

=== Lüdeke Elektronic ===
Homepage: http://www.luedeke-elektronic.de/

* großes Sortiment, bietet unter anderem auch viele selbst entwickelte Bausätze an

=== LUMITRONIX LEDs-Shop ===
Homepage: http://www.leds.de

* alles rund um LEDs (auch Zubehör und Lektüre)
* neben Standard-LEDs auch SMD- und SuperFlux-LEDs

=== Marsch Elektronik, M. Schlimper ===
Homepage: http://www.marsch-elektronik.de

* Online Shop für aktive und passive Bauelemente
* Versandkosten ab Euro 1,60
* kein Mindestbestellwert
* bietet auch Einsteigersortimente und Widerstandsortimente (auch SMD)
* liefert nur innerhalb Deutschlands
* nicht gelistete Artikel können angefragt werden und werden meist auch beschafft

=== Mauritz Communication & Electronics ===
Homepage: http://www.mauritz-shop.eu

* Online Shop für HF-Stecker und Kabel
* bietet HF-Stecker/Buchsen und Koaxkabel an
* große Auswahl, auch exotische Teile
* Kabelkonfektionierung nach Wunsch
* vernünftige Preise
* liefert nach Rücksprache auch weltweit
* Keine Mindestbestellwert, aber 5 € Aufschlag unter 15 €
* Versand bis 40 kg pauschal 5,95 € per GLS innerhalb DE
* schneller Versand
* Paypal oder Vorkasse

=== mechapro ===
Homepage: http://www.mechapro.de
* Online Shop für Schrittmotoren und Steuerungen
* Schrittmotorendstufen als Fertiggeräte oder Bausätze
* Eigene Entwicklung und Fertigung in Deutschland (außer Motoren)
* Versandkosten in DE ab 4 EUR
* liefert EU-weit

=== Mein-Daarle ===
Homepage: http://www.mein-st-arnual.de/shop/saarbruecken/artikellisteL.html

* Teileliste eines "Händlers aus Saarbrücken" (wahrscheinl.: Frank Skowronek ESS Elektronik Service), "bis sein Onlineshop ans Netz gehen kann"
* derzeit (4/2011) kein Onlineshop, Kontakt über Formular

=== Micromaus ===
Homepage: http://www.micromaus.de

* Sensoren
* Mikrokontroller
* kein Mindestbestellwert
* 22.7.2012: Totalausverkauf wegen Geschäftsaufgabe, 10% auf alle Artikel

=== Microcontroller-Starterkits ===
Homepage: http://www.microcontroller-starterkits.de

* 22.7.2012: Seite nicht erreichbar
* Bauteile: CAN, Ethernet, Mikrokontroller AVR und ARM, Linearregler 1,8V 3,3V 5V in SOT223
* Leerplatinen, Bausätze
* günstig
* Abholung in Hattingen möglich
* Versandkosten innerhalb Deutschlands ab 2,50€
* keine Kreditkartenzahlung möglich

=== Mikrocontroller.net ===
Homepage: http://shop.mikrocontroller.net

* Starterkits, Development Boards und Zubehör für AVR, AVR32, ARM und MSP430

=== Mira Nürnberg ===
Homepage: http://www.mira-electronic.de

* SMD-Bauteile, SMD-Sortimentboxen
* Verkauf und Preisangaben nur für Gewerbetreibende



=== Mouser ===
Homepage: http://de.mouser.com

* Liefert an Privat
* Zügige Lieferung mit FedEx aus den USA
* Keine Halbleiter von Linear, National und Analog
* "Versand ist kostenfrei bei den meisten Bestellungen über 65 €"
* Preise inkl. Zoll aber ohne Einfuhrumsatzsteuer (Einfuhr laut Berichten über Frankreich, also +19,6%)

=== MS-Elektronik ===
Homepage: http://www.ms-elektronik.info

* Liefert an Privat
* Zügige Lieferung
* Gute Qualität
* Viel in Richtung Audio
* Große Auswahl an Elkos -> kleine Preise
* kein allzu großes Sortiment

=== Mütron ===
Homepage: http://www.muetronshop.de

* Keine Privatkunden

=== myAVR Shop ===
Hompage http://shop.myavr.de

* Kleine Auswahl, aber die angebotene Ware ist sehr preiswert (meist preiswerter als bei Reichelt)
* Zügige Lieferung (1-2 Werktage)
* Diverse Zahlungsmöglichkeiten: Rechnung, Vorkasse, Lastschrift, Kreditkarte, PayPal
* Kein Mindestbestellwert
* Sehr günstige Versandkosten ab 1,95 Eur
* Mengenrabatt ab 10 gleichen Artikeln

=== Neuhold-Elektronik ===
Homepage: http://www.neuhold-elektronik.at 
Shop: http://www.neuhold-elektronik.at/catshop/default.php?language=de

* preiswerte Schnäppchen
* regelmäßig aktualisierte Angebotsliste herunterladbar
* Ab 60,- EUR versandkostenfrei in Österreich

=== Octamex ===
Homepage: http://www.octamex.de

* Leiterplattenchemie (Entwickler, Ätzmittel, CRC-Sprays)
* Chemisch Zinn
* Lötstopp-Laminat, Tentingresist, Bestückungsdruck
* Bungard Basismaterial in 0,5mm 1,0mm 1,5mm Dicke und 18µm, 35µm, 70µm Kupfer
* Bungard Alucorex für 19" Frontplatten
* Bungard Cotherm, Alukernbasismaterial
* Funkmodule 434MHz, 868MHz, 2.4GHz
* Löttechnik und Zubehör
* Gehäuse aller Art
* Messgeräte und Labornetzteile
* aktive, passive u. mechanische Bauelemente (Widerstände, Kondensatoren, Transistoren, Logik-ICs etc.)
* kein Mindestbestellwert
* Lieferung auch ins Ausland
* Versandkosten ab 4,50EUR
* Liefert nur gegen Vorkasse, ausser für Bestandskunden, die schon häufig bestellt haben
* Zahlung mit EC-Pay oder Kreditkarte nur gegen Aufschlag (bis zu 5%)

=== Online Batterien ===
Homepage: http://www.online-batterien.de

* Allerlei günstige Batterien & Akkus vieler Marken
* z. B. '''40 Stk.''' DURACELL PLUS LR6 AA 11,59€ (Jan 2010)
* Beleuchtungsartikel
* USV
* Versand ab 3,90€

=== Oppermann ===
Homepage: http://www.oppermann-electronic.de

* Restposten, auch HF Bauteile
* auch Privatkunden
* Lieferung nach üblicher Zeit

=== PCB-Soldering ===

Homepage, Online-Shop: http://www.pcb-soldering.co.uk
eBay: http://www.allendale-stores.co.uk
Firmen-Homepage: http://www.allendale-elec.co.uk

* [http://www.aoyue.com/en/products.asp Aoyue] Lötstationen und preiswertes Zubehör (Lötspitzen) für diese. Bei Aoyue-Zubehör bessere Preise (Stand 10/2008) als [[#WilTec_Wildanger_Technik_GmbH|WilTec]]
* Schnelle Lieferung
* Dank [http://www.zoll.de/b0_zoll_und_steuern/a0_zoelle/a1_grundlage_zollrecht/b0_zollgebiet/index.html EU Binnenmarkt] nur britische Mehrwertsteuer (VAT), kein Zoll, keine [http://www.zoll.de/b0_zoll_und_steuern/a3_einfuhrumsatzsteuer/index.html Einfuhrumsatzsteuer] fällig.
* Zwei von drei E-Mails wurden nicht beantwortet
* Versandart wurde eigenmächtig von "Standard" auf teureres "Signed for" (Einschreiben) geändert

=== Pollin Electronic ===
Homepage: http://www.pollin.de

* Günstige Restposten aller Art (z. B. "250 g verschiedene ICs" u.dgl.)
* Produktkategorien:
** Computer und Zubehör
** Telefone und Zubehör
** Antennentechnik
** HiFi/Car-HiFi/Video/TV
** Stromversorgung
** Lichttechnik
** Messtechnik / Uhren
** Haustechnik
** Werkstatt
** Bauelemente
** KFZ- und Zweirad
** Motoren
** Bausätze
** Fundgrube
* Produkte teils schnell ausverkauft
* Qualität schwankend. Man kann gute Schnäppchen machen aber auch reinfallen. Umtausch ist dann aber problemlos.
* Es wird öfters von sorgloser Verpackung berichtet (empfindliche und schwere Produkte besser nicht zusammen bestellen). Reklamationen bei Beschädigungen werden freundlich behandelt.
* Lieferzeit i.d.r. 2-3 Werktage / knappe Woche bei neuer Sonderliste
* Ladengeschäft in 85104 Pförring
* Versandkosten innerhalb Deutschlands 4,95€
* Zahlung per Nachnahme (+2,50 €), Bankeinzug, Vorkasse, ''SOFORT''-Überweisung oder PayPal

=== proma / Isel ===
Homepage: http://www.isel.com/en/proma_systro.php

The proMa systro GmbH has completed its business transactions since the 20th February 2009.
* Nachfolger: http://idimod.iselshop.de/
* Nachfolger für Prototypenzubehör: http://www.gie-tec.de/index.php
<s>
* fotobeschichtete Leiterplatten Platinenfrästechnik
* Chemikalien für die Platinenherstellung: Ätzmittel, Flussmittel für Lötanlagen, etc.
* Profilgehäuse, u.a. von Conrad und Reichelt vertrieben
</s>

=== QRP-project ===
Homepage: http://www.qrpshop.de/

* Bausätze vor allem einfache Kurzwellen-Funkgeräte

=== Reichelt ===
Homepage: http://www.reichelt.de

* relativ große Auswahl, aber nicht viele "brandaktuelle" Bauteile
* wenn man höflich fragt, liefern sie ganz selten auch Bauteile, die nicht im Katalog stehen zu "normalen" Preisen (vorausgesetzt der Hersteller ist im Sortiment), z. B. Xilinx XC2S50, aber meist erhält man die Antwort, dass der Artikel nicht im Sortiment ist, obwohl auf der Homepage unter Service extra ein Punkt angeführt ist: "Ich benötige einen Artikel, der nicht im Programm ist"
* reagiert aber teilweise auch auf Anregungen, neue Produkte in das Angebot aufzunehmen; siehe dazu auch den Artikel [[Reichelt-Wishlist]]
* liefert schnell und vollständig; wenn etwas ausnahmsweise nicht verfügbar ist, dann liefern sie es auf eigene Kosten nach, wenn der Artikel in absehbarer Zeit wieder vorrätig ist (selbst wenn er nur 0,20€ wert ist).
* lässt einen dennoch manchmal warten, wenn ein Artikel nicht lieferbar ist! Daher bei der Bestellung immer darauf hinweisen, dass man auch eine Teillieferung akzeptiert. (Laut Auskunft dauert das länger, besser nach der Inet-Bestellung anrufen und nicht lieferbare Teile aus der Bestellung streichen lassen)
* Lieferzeiten normalerweise 2 - 4 Arbeitstage
* niedrige Preise (aber unbedingt Qualität des Artikel checken)
* Versandkosten 5,60€ (Deutschland); 6,95€ Österreich; Schweiz 16€; EU 15 - 19€;
* 10€ Mindestbestellwert für alle Länder
* auch in die Schweiz sehr guter Service
* holt sich auch ohne Erlaubnis Bankauskünfte bei großen Bestellungen ein

=== RF Microwave ===
Homepage: http://http://www.rfmicrowave.it/

* Ausschliesslich HF Bauelemente
* riesige Auswahl an Bauteilen für den Mikrowellenbereich
* Bestellung nur nach Registrierung im Shop
* Schnelle Lieferung
* Firmensitz in Italien
* Teilweise englischer Shop

=== RFW Elektronik ===
Homepage: http://www.rfw-elektronik.de

* HF Bauelemente

=== Ribu ===
Homepage: http://www.ribu.at

* Sehr guter Elektronikversand in Österreich mit zahlreichen Entwicklungsboards und zahlreichen Elektroniklösungen.
* Liefert sehr schnell und hat eine ausgezeichnete Beratung.
* Online-Shop ist sehr übersichtlich und einfach zu bedienen.
* Lieferstatusanzeige für alle Artikel. Bei Auslaufartikeln ist sogar die noch verfügbare Stückzahl sichbar.
* Günstige Sonderangebote
* innerhalb Österreichs 4,90€ Versandkosten, ab 80,- keine Versandkosten
* ausserhalb Österreichs 13€ Versandkosten, ab 225€ versandkostenfrei
* liefert auch an Privatkunden
* Mindestbestellwert innerhalb Österreichs 10€, ausserhalb 30€

=== Richardson Electronic ===
Homepage: http://www.richardsonrfpd.com/

* Hochfrequenz-Halbleiter, HF-Röhren,

=== Riedl Elektronik ===
Homepage: http://www.riedl-electronic.at

* großes Angebot v.a. ICs und Trafos
* recht günstig
* Rabatt für Schüler/Student
* Versand nach AT: 3,95€ bis 1kg, ab 100€ frei Haus
* Versand AT über 1kg sowie Ausland: Nach Aufwand (wird nicht direkt angezeigt)

=== RLX COMPONENTS s.r.o. ===
Homepage: http://www.rlx.sk

* Man spricht Deutsch
* Messgeräte, Mikrocontroller-Boards, Bauelemente

=== RM Computertechnik GmbH ===
Homepage: http://www.rm-computertechnik.de

* Kerngeschäft ist PC-Technik, aber auch großes Sortiment an Kabeln, Litzen und Steckverbindern
* handelt auch mit einigen Bauelementen, wie LED's

=== Robotikhardware===
Homepage: http://www.robotikhardware.de

* Microcontroller
* Entwicklungsboards
* Sensoren
* Robotik-Zubehör
* günstige Angebote für Hobbyelektroniker
* auch einzelne Platinen

=== Robotik-Teile.de===
Homepage: http://www.robotik-teile.de

* Große Auswahl an Elektronik Produkten
* Microcontroller, Sensoren, Zubehör, u.v.m.
* Versandkosten betragen immer 4,90 €
* Zahlbar ber PayPal, Sofortüberweisung, Vorkasse und Nachnahme

=== Benno Rößle Elektronik ===
Homepage: http://www.roessle-elektronik.de

* Masten, Antennen, Befestigungsmat.,Zubehör, Geräte, Anpassteile, HF-Stecker

=== RS Components ===
Homepage: http://de.rs-online.com

* lt. AGB nur an gewerbliche Abnehmer und an Studenten. Bei Internetbestellungen wird per Mail nach Belegen gefragt.
* gute Auswahl insbesondere an "mechanischen Bauteilen"
* gute Verfügbarkeit
* sehr schneller Versand, Ware ist in 99% aller Fälle am nächsten Tag da (GP)
* Preise wurden angepasst, gute Preis/Leistung
* Preis im Onlineshop sind ohne MwSt angegeben
* Bei Onlinekauf ab 50 Euro ist der Versand kostenfrei, ohne Mindesbestellwert.
* Notify-Me Service für Produktabkündigung
* Auch größere Stückzahlen über Allied möglich
* Relativ große Auswahl an Sortimenten (Widerstände, Kondensatoren), Einzelteile können teilweise nachgekauft werden
* Verfügbarkeitsanzeige im Internet ist ziemlich hilfreich
* Nützliche Tipps zum Thema RoHS
* Macht anscheinend Abfragen bei SCHUFA & Co. ohne Einverständnis oder Hinweis in den AGB.

=== Sander Elektronik ===
Homepage: http://www.sander-electronic.de

* beliefert auch Privatkunden, Bankeinzug möglich
* ähnlich Segor ein Berliner Versender
* Hier findet man manche [[MSP430]], die es sonst nicht in kleinen Stückzahlen gibt
* Herr Sander ist sehr kompetent und selbst Autor von Fachartikeln
* selbst abgekündigte Halbleiter können noch beschafft werden
* Bezahlung auch mit Kreditkarte möglich
* Versandkosten innerhalb Deutschlands ab 3,35€, innerhalb Europas ab 6€

=== Sasco Holz ===
Homepage: http://www.sasco.de

* Wie Spoerle eine Tochter von Arrow.
* Distributor für Analog Devices...
* Liefert wie Spoerle und Arrow in Deutschland nicht an Privatkunden.

=== Sat-Schneider ===
Homepage: http://www.sat-schneider.de
* Bauteile, Ersatzteile Online-Shop
* Baugruppen zum Empfang des Digitalen Kurzwellenrundfunks DRM

=== Satistronics ===
Homepage: http://www.satistronics.com

* typischer "China-Versender", mit allen Vor- und Nachteilen
* Lieferzeit bei Standardversand sehr lange (etwa 1 Monat nach D), aber schnellere Lieferung gegen Aufpreis möglich
* tritt auch bei eBay in Erscheinung ([http://stores.ebay.de/satistronicsstore eBay-Shop]), die Preise dort sind in der Regel aber etwas höher als im Online-Shop

=== Otto Schubert GmbH ===
Homepage: http://www.schubert-gehaeuse.de

* Kein Online-Shop. Bestellungen nur per Telefon, Fax oder E-Mail
* Weissblechgehäuse, Gerätegehäuse, wetterfeste Gehäuse
* Drehkondensatoren
* Sonderanfertigungen
* ansässig in 90574 Roßtal

=== Schramm-Software ===
Homepage: http://www.schramm-software.de/bausatz/
* Online-Shop, bietet Elektronik-Bausätze mit Mikrocontrollern
* Bausätze als Lehrmaterial geeignet, da ausführliches Begleitheft mitgeliefert wird (Aufbauanleitung, Schaltung, Controllerprogramm, Experimente...)
* bisher nur ein relativ kleines Sortiment, soll ergänzt werden
* Versandkosten innerhalb Deutschlands 2,50 €, innerhalb der EU 3,50 €

=== Schukat elektronic ===
Homepage: http://www.schukat.de

* liefert nicht an privaten Endverbraucher
* einfache und passiver Bauteile oft nur in großen Mindeststückzahlen
* ICs teilweise recht preiswert (vor allem bei mehr als 1 Stück, z. B. auch AVR)
* LCDs sehr preiswert und auch als Einzelstücke
* aktuelle Preise und Verfügbarkeit im Internet (aber nur nach Anmeldung -jetzt nicht mehr bei kleinen Stückzahlen), ebenso Bilder von Gehäusefootprints u.dgl.
* Abholung in Monheim am Rhein nach Vereinbarung möglich
* Versandkosten innerhalb Deutschlands ab 5€ (bis 10kg!)

=== Schuricht ===
Homepage: http://www.schuricht.de

* deutscher Ableger der Distrelec- (Elektronik) und Disdata-Gruppe (Computertechnik)
* Liefert auch an Privatkunden (getrennte AGBs für gewerbliche und Privatkunden, Lieferung an Privat per Nachnahme: Versandkosten ab 6,54€ plus 4,76€ Nachnahmegebühr).
** Online-Bestellung von Privatkunde scheiterte daran, dass die Onlineshop-Bestellformulare nur für gewerbliche Kunden ausgelegt sind und der Onlineshop Bestellungen ohne Firmenangaben nicht annimmt oder gar mit einer internen Fehlermeldung quittierte.
**Online Bestellung mit "Privat" als Firmenangabe funktionierte einwandfrei.
**Telefonische Bestellung von Privat funktioniert. Nette, freundliche Behandlung am Telefon, kein Callcenter. Versprochener Rückruf erfolgte mit gewünschten Informationen. Neben Nachnahme wurde für einen relativ teuren Artikel persönliche Abholung angeboten. Angegebene Lieferfrist wurde leicht unterschritten.
* Papierkatalog über 2000 Seiten, durchgehend farbig, nur für Geschäftskunden erhältlich.
* Ziemlich teuer

=== SC-Shop ===
Homepage: http://www.sc-shop.de

* Verkauf ausschließlich an gewerbliche Kunden
* große Auswahl
* auf Anfrage spezielle Teilebeschaffung
* Bestellung auch als Gast
* schneller Versand

=== Schuro Elektronik GmbH ===
Homepage: http://www.schuro.de

* Elektronische Bauelemente und Bauteile für den Audio- und Lautsprecherbau (Kondensatoren, Spulen u.dgl.)
* kein Mindestbestellwert
* Versandkosten innerhalb Deutschlands gewichtsabhängig ab 5,75€

=== Segor-electronics ===
Homepage: http://www.segor.de

* Spezialist für Halbleiter, die ansonsten für nicht-gewerbliche Abnehmer nur schwer erhältlich sind (Preise dahingehend "angemessen")
* auch Privatkunden gerne gesehen
* Ladengeschäft in Berlin
* kein Mindestbestellwert bei Versand innerhalb der EU

=== SE Spezial-Electronic AG ===
Homepage: http://www.spezial.de

* Distributor
* Laut AGB auch Verkauf an Privat.
* Große Verpackungseinheiten/Mindestbestellmengen pro Bauteil
* Versandkosten pauschal 9,- € (Deutschland) (Stand 08/2008)

=== Small Control Shop ===
Homepage: http://www.small-control.de

* "Bernd Walter Computer Technology"
* kleines Lieferprogramm aber ein paar interessante Produkte

=== SMG Diffusion - F1GE ===
Homepage: http://www.smgdiffusion.com
( Seite nur französisch )

* Videotechnik,
* 1,2 GHz / 2,4GHz Module
* Gebraucht-Messgeräte HP, Tek, Philips u.a.
* GHz-Halbleiter
* Koax-Adapter
* Antennen

=== Spoerle ===
Homepage: http://www.spoerle.de

* Früher eine Tochterfirma von Arror. Mittlerweile komplett in Arrow aufgegangen, Webseite leitet auf Arrow um.
* Aus dem Webshop: "Unser Angebot richtet sich nur an Kaufleute und nicht an Verbraucher."
* Wenn es wirklich über Arrow sein muss, dann kann man es als Privatperson bei Arrow Electronics North American Components http://www.arrownac.com/ versuchen, die sich normalerweise nicht weigern ihre Produkte zu verkaufen. Allerdings muss man mit großen Mindestmengen (z. B. BC547 in Schritten von 2000 Stück) und hohen Kosten rechnen.
:Zu den Kosten gehören zum Beispiel ein mehrfacher Mindermengenzuschlag (''$10 handling charge will be added to each line item less than $30''), eine satte ''handling and energy fee of $10.22'' (mehr als 10x zu hoch wie die vergleichbare Gebühr für amerikanische Besteller), hohe Versandkosten (ab $20 nach Deutschland). Dazu kommen die üblichen Kosten für den Import aus dem Ausland (Einfuhrumsatzsteuer, Kreditkartengebühr, ...)

=== SR-Systems ===
Homepage: http://www.sr-systems.de

* Baugruppen für Digital-TV, Sende- und Empfangstechnik
* DVB-S, DVB-T

=== Strixner&Holzinger ===
Homepage: http://www.sh-halbleiter.de

* Ladengeschäft in München
* Versand
* riesiges Angebot an Halbleiter, auch schwer beschaffbare
* Online-Shop

=== TAUTEC-ELECTRONICS ===
Homepage: http://www.tautec-electronics.de

* Online Shop für aktive elektronische Bauelemente
* günstige Preise (Vorsicht, Preisangaben enthalten keine Mehrwertsteuer) aber Mindestbestellwert 100 Euro
* alle Artikel ab Lager lieferbar, daher kurze Wartezeiten
* weltweiter Versand
* zahlreiche Mengenrabatte
* viele Ersatzteile aus dem Audio-, Car-HiFi und TV-Bereich

=== TCB-Versand ===
Homepage: http://www.tcb-versand.de

* insbesondere für Modellbauer ein sehr interresantes Sortiment
* Stecker,Kabel etc. recht günstig und kleine Mengen abnehmbar
* Lieferung normal zwischen 1 und 3 Tage
* leider nur Online-Shop

=== TecHome.de Online-Shop ===
Hompage: http://www.techome.de/index.html

=== Tec-Shop (Wolfgang Rompel Elektronik) ===
Homepage: http://www.tec-shop.de

* Kleines, aber ausgesuchtes Sortiment
* Interessantes Angebot an Sensoren

=== Technik-Welt / Industrieshop.at ===
Homepage: http://www.industrieshop.at

* Laut Homepage richtet man sich "an den industriellen Kunden". Laut AGB sieht man das jedoch nicht so eng, Zitat:
:: ''TW schließt online Verträge nur mit Kunden ab, die natürliche oder juristischen Personen sind, die ihren Wohnsitz oder Sitz in Österreich, einem Mitgliedsstaat der Europäischen Union (EU25) oder der Schweiz haben.''
* [[#Farnell|Farnell]] Teile
* In Österreich
* Schnelle Lieferung (2 Tage)

=== Teske electronics ===
Homepage: http://www.teske-electronics.de

* Noch relativ übersichtliches Produktsortiment (Dez. 2012) aber schon einige interessante Teile
* Bisher überwiegend SMD Bauteile
* Kein Mindestbestellwert
* Versandkosten ab 2,85€
* Lieferung nur innerhalb Deutschlands
* Wunschliste für neue Produkte
* Beschaffung von Bauteilen möglich, die nicht im Shop angeboten werden
* Zahlung per Vorkasse, PayPal, Nachnahme oder Rechnung (für Stammkunden) möglich.

=== Thinkembedded.ch ===
Homepage: http://www.thinkembedded.ch

* in der Schweiz (auch Abholung möglich), Versand CH ab SFr 12.- (bis 5kg)
* keine Mindestbestellmenge, Bezahlung: Barbezahlung, Rechnung, PayPal
* Demoboarde von div. Herstellern (Olimex, ST, ARM-Keil, ETT, Conitex)
* Demoboarde mit ARM (Cortex M)uC von ST, NXP, Energy Micro
* Demoboarde mit ARM Cortex A uC von Olimex
* Keil Debugger/Programmer Ulink ME/2/Pro
* MSP4300 Demoboard
* PIC Demoboarde und Programmer
* AVR Demoboarde und Programmer
* Messgeräte (BMC Messsysteme, Intronix LogicPort)
* Learning Kits
* Mehrsprachig (E, D, F), Preise in SFR / Euro

=== TIGAL KG ===
Homepage: http://www.tigal.com

* Boards und Tools für Embedded-Elektronik
* In Österreich
* Versandkosten ab € 7,00 in Österreich, ab € 10,00 nach Deutschland.
* Preisangaben ohne MWSt. Für Privatkunden kommen 20% österreichische Mehrwertsteuer hinzu.
* U.a. ZeroLogic Logik-Analysatoren.

=== TME (Transfer Multisort Elektronik) ===
Homepage: http://www.tme.eu/de

*breites Sortiment
*parametrische Suche
*Verkauf über die deutsche Tochter (19 % statt 21 % polnische Umsatzsteuer)

=== Trade-Shop / AIR Electronics GmbH ===
Homepage: http://www.trade-shop.de

* Trotz knackiger Sprüche auf der englischen Version der Webseite ("Electronic Components Superstore") eher kleines Angebot elektronischer Bauteile
* 20 Euro Mindestbestellmenge (Stand Februar 2008)
* ab 6,90 Euro Versandkosten (Deutschland, bis 1kg) (Stand Februar 2008)

=== Trenkenchu & Stadler GbR ===
Homepage: http://www.ts-audio.de

* die meisten Artikel sind deutlich teurer als der Marktpreis, es sind jedoch auch Schnäppchen dabei, z.B. HDMI-Kabel

=== Trenz-electronic ===
Homepage: http://www.trenz-electronic.de

* FPGA-Boards mit Xilinx-FPGAs (Xilinx, Digilent, ...) und Zubehör
* Weitere teils sehr spezielle Produkte, auch Eigen-Entwicklungen
* Liefert auch an Privatkunden

=== TV-Ersatzteile ===
Homepage: http://www.tversatzteile.de

* TV-, Audio-, Video-Ersatzteile, Aktive / Passive Bauteile
* Fernbedienungen Haushaltstechnik

=== UKW-Berichte ===
Homepage: http://www.ukw-berichte.de

* Antennen, Bauteile, Bausätze, Literatur für Amateurfunk
* ansässig in 91081 Baiersdorf

=== Voelkner ===
Homepage: http://voelkner.de
* Großer Teil des Conrad-Programms, identische Nummern, identische Aufkleber auf der Ware, Preise weitgehend identisch oder nur ein paar Cent abweichend, bei bestimmten Artikelgruppen (z.B. Werkzeug) aber auch bis zu 25% billiger
* Versandkosten Deutschland: 4,95€; ab 25€ Warenwert und Sofortüberweisung.de versandkostenfrei / Versandkosten-Flatrate für 15€ pro Jahr
* Versandkosten EU: 9,95€
* Möglichkeit der Versandkostenflatrate (D): Einmalig 14,95€ / gültig für ein Jahr
* Legt jeder Bestellung gleich wieder einen Gutschein über 5€ bei MBW 25€ bei (Flat nur bei häufigen, kleinen Bestellungen sinnvoll); außerdem kommt etwa alle 2-3 Monate selbiger Gutschein + versandkostenfreie Lieferung per Mail, ebenfalls MBW 25€
* Verpackungsqualität wechselnd, mal brauchbar, mal eher Pollin-Niveau. Selbst kleine Bestellungen, die gefahrlos per Brief/Großbrief verschickt werden könnten werden in einem großen Paket versendet.

=== VOTI Webshop ===
Homepage: http://www.voti.nl/shop/catalog.html

* relativ kleines Lieferprogramm
* einige interessante Restposten (Surplus)

* Sitz in Amersfoort, Niederlande

=== Walter elektronik ===
Homepage: http://www.walter-elektronik.de

* Bauteile, Röhren

=== Waschbär Soft 2010 ===
Homepage: http://www.xn--waschbr-soft-2010-vqb.de

* Onlineversandhaus für Unterhaltungselektronik, "Haushaltselektronik", Computer und -zubehör
* keine elektronischen Bauteile

=== Watterott electronic GmbH===
Homepage: http://www.watterott.com

* Distributor für Adafruit, Arduino, BeagleBoard/PandaBoard, Embedded Artists, GHI, Olimex, Parallax, Pololu, Seeed Studio, Solarbotics, SparkFun...
* Entwicklungskits von Atmel, Cypress, Freescale, Microchip, NXP, STM, TI...
* Spezialbauteile von Davicom, FTDI, VLSI, WIZnet...
* Bungard Basismaterial + Chemie
* kein Mindestbestellwert
* Zahlung: Vorkasse, Sofortüberweisung, PayPal, Nachnahme, Kreditkarte (Visa/Mastercard), Rechnung (nur gewerbliche Kunden)
* Versandkosten Dtl. (DHL):
** bis 50 EUR Warenwert: 3,50 Euro
** bis 100 EUR Warenwert: 3,00 Euro
** bis 150 EUR Warenwert: 2,00 Euro
** ab 150 EUR Warenwert: versandkostenfrei
* Versandkosten EU (DHL):
** bis 150 EUR Warenwert: 10,00 Euro
** bis 250 EUR Warenwert: 8,90 Euro
** bis 500 EUR Warenwert: 5,95 Euro
** ab 500 EUR Warenwert: versandkostenfrei
* Schneller, entgegenkommender Service
* in der "c't Hardware Hacks" 01/2013 ist ein Artikel über Stefan Watterott und seinen Online-Shop



=== WilTec Wildanger Technik GmbH ===
Homepage: http://shop.wiltec.info

* Aoyue Lötgeräte (Heißluft, Löten, Entlöten), Netzteile, Werkzeuge
* Aoyue Zubehör (Lötspitzen, Heißluftdüsen), Ersatzteile
* Andere, nicht Elektronik-Angebote, wie KFZ-Tuningteile
* Versand. Bei Voranmeldung auch Lagerverkauf.

=== Wüstens frag-jan-zuerst ===
Homepage: http://www.die-wuestens.de/dindex.htm

* Röhrentechnik
* Hochspannungs-Spezialteile

=== WIMO ===
Homepage: http://www.wimo.de

* Große Auswahl an Amateurfunktechnik

=== Zech DG0VE ===
Homepage: http://www.dg0ve.de

* Baugruppen für Amateurfunk

=== Diverse ===
* http://www.chip-flip.com - Europäisches Bauelementesuchsystem, franchised Lieferantensuche, Datenblätter und viele nützliche Informationen
* http://www.ecomponents-store.com/ Elektronische Bauelemente kaufen - Hier finden Sie eine große Auswahl an elektronischen und elektromechanischen Bauelementen von über 40 Herstellern.
* http://www.franchised-distributors.eu/ - Finden Sie Vertragsdistributoren von über 800 Halbleiterherstellern für elektronische und elektromechanische Bauelemente.

TODO: elektronik-fundgrube

==Ebay-Shops==

===Ego-China===
http://stores.ebay.de/Ego-China-Electronics TFTs und LCDs Versand aus China (2-3 Wochen)

===Sure-Electronics===
http://stores.ebay.de/Sure-Electronics Highpower LEDs und Verstärker 
Hat auch einen eigenen Shop: http://www.sureelectronics.net/ 
Versand aus China

===Ether-Deal===
http://stores.ebay.de/ether-deal Unter sonstiges viele versch. Elektronik-teile Versand aus China

===NooElec===
http://stores.ebay.de/NooElec USB-AVR Boards (mega32u2) und rgbled-matrizen Versand aus Kanada

===Sine qua non surplus===
http://stores.ebay.de/Sinequanon-Surplus-Electronics Großbritannien

==Messgeräte ==
=== Neue Messgeräte ===

Viele der oben genannten Elektronikversender verkaufen auch Messgeräte. Darüber hinaus gibt es diverse Versender, die sich hauptsächlich oder ausschließlich auf Messgeräte spezialisiert haben. Allerdings verkaufen viele davon nicht an Privat.

==== CalPlus GmbH ====
Homepage: http://www.calplus.de 
Shop: http://www.scopeshop.de

==== Cosinus ComputerMesstechnik ====
Homepage: http://www.cosinus.de

* Nicht an Privat

==== dataTec ====
Homepage: http://www.datatec.de

* Große Auswahl
* <s>(Nicht an Privat)</s> Bestellung von Privat problemlos möglich, Privatpersonen werden laut ABG per Vorkasse beliefert
* Studenten bekommen Rabatt, je nach dem, was bestellt wird
* Umständlicher Bestellvorgang, seitens DataTec teilweise auf dem Postweg -> Es dauert teil sehr lange bis die Ware ankommt
* Sehr freundlicher und kompetenter Service, per eMail als auch telefonisch

==== Elektronik-Kontor Messtechnik GmbH ====
Homepage: http://www.ekomess.de

==== Meilhaus Electronic GmbH ====
Homepage: http://www.meilhaus.de

* Diverse Markenhersteller
* Eigenmarken

==== PinSonne-Elektronik ====
Homepage: http://www.pinsonne-elektronik.de

* Onlineshop
* Sehr kleines Sortiment
* UNI-T, RIGOL und andere asiatische Firmen

==== PK elektronik Poppe GmbH ====
Homepage: http://www.pk-elektronik.de

* U.a. Fluke Distributor.

====Präzitronic Hennig / Messgeräte Chemnitz====
Homepage: http://www.messgeraete-chemnitz.de

* Verkauft explizit auch an Privat.
* Owon
* Selbst übersetzte deutsche Owon-Handbücher
* Fluke
* Extech
* Zusätzlich kleines Angebot an Gebrauchtgeräten

==== ScopeShop Hamburg ====

* Von CalPlus übernommen, siehe [[#CalPlus_GmbH|CalPlus]]

==== SI Scientific Instruments GmbH ====
Homepage: http://www.si-scientific.de (Onlineshop) 
Homepage: http://www.si-gmbh.de (komplettes Programm)

* Onlineshop auf si-scientific.de
* Akzeptiert PayPal

==== SKY Messtechnik GmbH ====
Homepage: http://www.sky-messtechnik.de

* Kein Onlineshop (E-Mail oder Telefon)

==== TESTEC ====
Homepage: http://www.testec.info

* Tastköpfe-Hersteller
* Hameg Vertriebspartner
* B+K Precision Generalimporteur

==== Zeitech ====
Homepage: http://www.zeitech.de/shop/

* Diverses (Rigol, Owon, etc.)

=== Gebrauchte Messgeräte ===

Dieser Abschnitt enthält Anbieter bei denen gebrauchte Messgeräte erhältlich sind.

==== Astro Electronic ====
Homepage: http://www.astro-electronic.de

==== HTB-Elektronik ====
Homepage: http://www.htb-elektronik.com

* Gebrauchte Messgeräte

==== IX Instrumex ====
Homepage: http://www.instrumex.de/index.cgi?User:LANGUAGE=de

* Gebrauchte Messgeräte

==== Christoph Lüders MessTechnik ====
Homepage: http://www.CLMT.de 
Online-Shop: http://www.shop-016.de/shop-CLMT.html 
eBay: http://myworld.ebay.de/c_h_r/

* Hat 2010 die Restbestände von Förtig übernommen

==== mbmt Messtechnik ====
Homepage: http://www.mbmt.com

* Gebrauchte Messgeräte
* Verkauf nur an Gewerbetreibende

==== Rosenkranz Elektronik ====
Homepage: http://www.rosenkranz-elektronik.de 
eBay Shop: http://stores.ebay.de/Rosenkranz-Elektronik-GmbH-Shop

* Gebrauchte Messgeräte
* Auch auf eBay zu finden

==== Helmut-Singer-Elektronik ====
Homepage: http://www.helmut-singer.de

* Gebrauchte Messgeräte
* Verkauf auch an Privat
* An den meisten Samstagen im Jahr auch Lagerverkauf, sonst Versand

==== Sphere ====
Homepage: http://www.sphere.bc.ca 
Messgeräte und Ersatzteile: http://www.sphere.bc.ca/test/index.html

* Gebrauchte Messgeräte
* Ersatzteile
** Besonders bekannt für Tektronix-Ersatzteile

==== Tektronix TekSelect ====
Homepage: http://www.tek.com/Measurement/tekselect/

* Tektronix verkauft selber gebrauchte und überarbeitete Tektronix-Messgeräte unter dem Label ''TekSelect''.
* Original Tektronix-Garantie
* Der Bestellvorgang nervt, man muss Kontaktaufnahme durch einen "Representative" erbeten.

== Siehe auch ==
* [[Platinenhersteller]]
* [[Lokale Elektroniklieferanten]]
* [[Eisenwarenversender]]

== Links ==

* http://www.xs4all.nl/~ganswijk/chipdir/ Suche nach integrierten Schaltkreisen
* http://www.alldatasheet.com Datenblätter

[[Kategorie:Lieferanten]]

Elektronikversender

2013-07-14T08:44:11Z

An ja: Links erweitert

Die Vor- und Nachteile von verschiedenen Elektronik-Versand-Händlern werden relativ häufig im Forum diskutiert. Diese Diskussionen führen nicht selten zu weitestgehend gleichen Ergebnissen. In diesem Artikel sollen daher die Argumente, die für oder gegen einen bestimmten Elektronik-Versender sprechen, zusammengetragen werden. Sobald diese Liste einigermaßen vollständig ist, würde dies sicher einige Diskussions-Threads und/oder Flame-Wars überflüssig machen.

Diese Liste erhebt keinerlei Anspruch auf Vollständigkeit, d.h. wenn ihr einen Versender kennt, der hier noch nicht aufgeführt ist, dann nennt wenigstens die URL und den Namen. Den Rest können auch andere besorgen, die den Versender ebenfalls kennen!

Bitte ergänzt nur allgemeine Sachen (z. B. "liefert immer vollständig", "günstig" oder "große Auswahl"), aber nicht Sachen wie "mein ATMega 128 hatte verbogene Beine"! Bitte auch die alphabetische Sortierung beibehalten!

'''Diese Seite kann nur von angemeldeten Benutzern bearbeitet werden!'''

__TOC__

== Liste der Versender ==

=== AATiS ===
Homepage: http://www.aatis.de

* Arbeitskreis Amateurfunk und Technik in der Schule e.V.
* Bausätze speziell auch für Elektronik-Anfänger, Schüler
* Literatur, Seminare für Lehrer

=== Actron ===
Homepage: http://www.actron.de

* '''kein''' Online-Shop!
* alphanumerische LCDs und Graphikdisplays in großer Auswahl, auch mit Touchscreens
* für gewerbliche Kunden: etwas verhandeln schadet nie
* bei kleinen Stückzahlen nicht ganz billig
* liefern sehr schnell und stets zuverlässig



=== AK Modul Bus Computer GmbH ===
Homepage: http://www.ak-modul-bus.com/stat/produkte.html

* Interfaces, Messmodule, Funktionsmodelle, Experimentiersysteme
* Entwicklungssysteme, Baugruppen, Elektor, Zubehör, Bauelemente
* Software, Lernpakete, Bücher, Sonderposten

=== Aliexpress ===
Homepage: http://www.aliexpress.com

* Allgeminer Market-Store aus China
* Günstige Arduinos, Adapterplatinen, Miniboards, etc.
* Vorsicht vor Fake-Transistoren und sehr günstigen Einzelbauteilen, die müssen nicht immer Original sein
* Zahlung: Per Kreditkarte, Absicherung über Aliexpress. Der Kaufpreis wird erst nach Bestätigung des Erhalts der Ware an den Lieferanten freigegeben
* Lieferzeit: Ca. 2-4 Wochen (kommt ja auch aus China oder Hongkong)
* Versandkosten: oft keine, wird im Angebot angegeben
* Zoll: normalerweise fällt für elektronische Bauteile kein Zoll an (alles bis 150€ ist zollfrei)
* Umsatzsteuer: ab 22€ (inkl. Versand) sind 19% Umsatzsteuer auf den Gesamtpreis beim Zoll zu zahlen (siehe www.zoll.de)

=== Allpax ===
Homepage: http://www.allpax.de

* Liefert auch an Privathaushalte
* Keine Elektronik an sich, aber ggf. nützliches Zubehör: Größeres, übersichtliches Sortiment an ESD-Beuteln und -Folien, offen und mit Zippverschluss, Pink Poly und Metallisiert (High Shield). Preislich über Farnell, dafür findet man sofort, was man sucht...
* außerdem Ultraschallreiniger, Waagen und Folienschweißgeräte, sowie viel Fachfremdes
* Versandkosten: 8,33€ nach Deutschland, diverse EU-Länder 17,85€, Schweiz 34,51€; Versandkostenfrei in D ab 178,50€
* Gewährt scheinbar auch Privatkunden die Zahlung per Rechnung; bei Bankeinzug 2% Rabatt, bei Vorkasse und Abholung 3%

=== AME-Engineering ===
Homepage: http://www.ame-engineering.de

* Hochfrequenz-Spezialitäten, Amateurfunk

=== Amidon ===
Homepage: http://www.amidon.de

* Sehr großes Sortiment, vorallem für seltene Bauteile, z. B. Dioden

=== Andy's Funkladen ===
Homepage: http://www.andyfunk.de

* Alles für Amateur- und CB-Funk
* Bauteile und Gehäuse

=== Anvilex ===
Homepage: http://shop.anvilex.com/index.html

* Liefert sehr günstige Break-Out Boards für diverse Packages
* Hat einige einfache und günstige Programmer auch für FPGAs etc

=== Atlantis Shop 24 ===
Homepage: http://www.atlantis-shop24.de

* Elektronik nur ein kleiner Teil des Angebotes. Ansonsten eher Drogerie bzw. Haushaltsbedarf

=== Atzert-Elektronik Versand ===
Homepage: http://www.atzert-elektronik.de

Früher ''EFB-Electronic Versand'', davor ''MEGAKICK Electronic Stores''.

* Mindestens schon der dritte Name und die dritte Webseite für den Endkunden-Versand von [[Elektronikversender#ETT|ETT]]. ETT liefert sonst nur an gewerbliche Kunden.
* Ladengeschäfte in Bielefeld, Braunschweig, Bremen, Hamburg und Berlin.
* Die Preise schwanken im Vergleich zu anderen Anbietern, welche ebenfalls ETT-importierte Produkte führen, mal nach oben, mal nach unten.

=== Bassenberg Elektronik ===
Homepage: http://www.bassenberg.de

* Ladengeschäfte in Braunschweig und Neumünster
* Beschafft auch nicht mehr gelistete und abgekündigte Bauteile
* Liefert auch an Privat

=== Batronix ===
Homepage: http://www.batronix.com
* Grosses Sortiment an Geräten
* Bausätze für Microcontroller-Applikationen
* Liefert auch an Privat

=== BAZ Spezialantennen ===
Homepage: http://www.spezialantennen.de

* Antennen für Amateurfunk, ISM, WLAN usw.

=== bed - elektronik ===
Homepage: http://www.bed-elektronik.de

* Restposten aktive und passive Bauelemente
* sehr günstige Preise
* alles ab Lager lieferbar
* Versand an Privat
* ab 60 EUR versandkostenfrei

=== Bfi-Optilas ===
Homepage: http://www.bfioptilas.de

* Kein Onlineshop
* spezialisierter Distributor für Hochfrequenzhalbleiter und Optik

=== BG-Electronics.de ===
Homepage: http://www.bg-electronics.de

* Online Shop für aktive und passive elektronische Bauelememte
* günstige Preise
* alle Artikel ab Lager lieferbar, daher kurze Wartezeiten
* weltweiter Versand
* zahlreiche Mengenrabatte
* viele Ersatzteile aus dem Audio-, CarHiFi und TV-Bereich



=== Box73 ===
Homepage: http://www.box73.de

Onlineshop des Funkamateur.

* Bauteile, Bausätze, Literatur aus dem Amateurfunkbereich
* Preise sind O.K.
* Bestellungen werden nur Di und Do bearbeitet
* Ab 50 EUR bei Bankeinzug portofrei.

=== Bürklin OHG ===
Homepage: http://www.buerklin.com

* große Auswahl, hohe Verfügbarkeit
* sehr schneller Versand
* Ladengeschäft in Oberhaching (südlicher Landkreis München)
* <s>nur an gewerbliche Abnehmer (lt. AGB), private Abnehmer können dennoch im Ladengeschäft einkaufen Angeblich versendet Bürklin seit November 2010 auch an Privatpersonen. Allerdings verlangt Bürklin weiterhin in Adressformularen die Eingabe eines Firmennamens Geben Sie einen Wert in das Feld "Firma" ein. Daher ist diese Information eher mit Vorsicht zu genießen.</s> Mittlerweile muss man auch keinen Firmennamen mehr eingeben. Die AGB wurde ebenfalls angepasst.

=== CBsoft, s.r.o. (ltd.) ===
*Homepage: http://www.jjtubes.eu/
* Firma in der Slowakei
* Verkauft Röhren der Firma JJ
* englischsprachig
* Zahlungsmöglichkeiten in € mit Paypal und Kreditkarte

=== chiptrade.com ===
siehe [[#SE Spezial-Electronic AG|SE Spezial-Electronic AG]]

=== ConeleK Electronic ===
Homepage: http://www.conelek.com

* Sehr kleines Bauteileangebot (Röhren, Röhrensockel)
* Elektronik-Laborbedarf, insbesondere Nachfüllpackungen mit Steckbrett-Drahtbrücken
* Werkzeug für Elektronik
* Stromversorgungen
* Versand an Privat
* Versandkosten bis 25kg, Vorkasse 5,90€ (Stand 04/2008)

=== Conrad ===
Homepage: http://www.conrad.de und http://www.business.conrad.de

* großes Angebot (für Bauteile den "Business"-Katalog beachten, der Hauptkatalog ist dahingehend etwas "dünn") (Anm.: Bauteile, die nur im Business-Katalog aufgeführt sind, sind in Ladengeschäften nur über Sonderbestellung zu bekommen, d.h. dort in aller Regel nicht vorrätig.)
* Positiv: Wirklich jedes Bauteil kann einzeln gekauft werden und wird nicht in dämlichen Verpackungseinheiten verkauft, so wie es bei den meisten anderen Elektronik-Lieferanten der Fall ist. Dies ist vor Allem für den Prototypenbau sehr hilfreich.
* relativ teuer jedoch bis zu 10% Rabatt für Schulen (bei genügend Umsatz)
* 21 Ladengeschäfte in Deutschland, fünf in Österreich
* positiv: Bei Business-Kunden wird der Rechnungsbetrag erst nach 14 Tagen abgebucht.
* haben einen (teuren) 24 Std. Lieferservice für Notfälle - Conrad garantiert aber nicht 100%ig für die Einhaltung der 24 Stunden. Bei Nichteinhaltung gibt es kein Geld zurück.
* Verfügbarkeit in Filialen kann Online überprüft werden.
* Verfügbarkeit in Filialen kann über zentale Rufnummer erfragt werden. Abholung bestellter Ware in Filialen möglich, aber trotzdem gleiche Versandkosten.


=== csd-electronics ===
Homepage: [http://www.csd-electronics.de csd-electronics.de]

* schnelle Lieferung, sofern die Artikel auf Lager sind, versandkostenfreie Nachlieferung, '''teilweise sehr lange Lieferzeiten bei Ware die nicht ab Lager lieferbar ist'''. Bitte selbst abwägen ob dies für einen selbst akzeptabel ist. (Diskussion siehe hier [http://www.mikrocontroller.net/topic/273508] und hier [http://www.mikrocontroller.net/topic/249395].)
* ATMEL, ICs, Passive und Mechanische Bauteile, Platinen- und Lötzubehör, u.a.
* ca. 4000 Bauteile lagernd
* günstig
* Mengenrabatte für fast jedes Produkt
* Versand innerhalb Deutschlands:
* DHL: 3,85€ (ab 60 EUR versandkostenfrei)
* Versand EU-weit ab 5,95 EUR
* kein Mindestbestellwert
* Bauelemente, die nicht im Shop angeboten werden, können auf Anfrage beschafft werden.
* Zahlung per Vorkasse (3% Skonto), PayPal, Nachnahme. 1 EUR Aufschlag bei PayPal-Zahlung
* Zahlung per Bankabbuchung, Kreditkarte oder Rechnung nur für Stammkunden (ab 4 bis 5 Bestellung), Für Institute/Firmen direkt auf Rechnung möglich
* Abholung von Ware in Bonn-Dransdorf nach Vereinbarung

=== dad24 ===
Homepage, Shop: http://dad24.eu
E-Bay Shop: http://stores.ebay.de/Shop-dad24

* Unterschiedliche Preise in den beiden Shops
* Kleiner, nicht sonderlich schöner Onlineshop (dad24.eu)
* Kleines Angebot. Lupenleuchten, Lötstationen, Labornetzgeräte, Messgeräte, etc. aus dem unteren Preissegment
* Jede Woche eine neue "Kategorie der Woche" auf dad24.eu. Produkte aus der Kategorie werden erst im Warenkorb mit einem Rabatt angezeigt, der auch gewährt wird.

=== Darisus ===
Homepage: http://www.darisus.de

* kompetente Beratung
* liefert sehr zuverlässig, in Notfällen auch Express
* Versand innerhalb Deutschlands ab 4,50 EUR
* Hat auch eine gute Auswahl an CPLDs und einige FPGAs diverser Hersteller

=== Daschke LTD ===
PDF-Katalog (Achtung, grosse Datei): http://www.daschke-ltd.de/Catalog/

* Prompte Antwort und Hilfe via info ät obige adresse
* Bezahlung per Paypal und Rechnung möglich. Ist auch Ebay-Händler.
* sehr faire Preise für Bauteile und Versand
* Führt eine Vielzahl an unüblichen Steckern und Buchsen
* Nicht verfügbare Bauteile wurden proaktiv nachbestellt, trotz geringer Bestellmenge. Prima!

=== DES - Der Elektroniker-Shop ===
Homepage: http://www.DerElektronikerShop.de

'''Hinweis:'''

Bei diesem Shop häufen sich in der letzten Zeit Beschwerden, dass Artikel mehrere Monate Lieferzeit haben, ohne dass dies den Kunden mitgeteilt wird. Emailanfragen diesbezüglich bleiben i.d.R unbeantwortet.

Siehe auch den [http://www.mikrocontroller.net/topic/286786#3042475 Thread im Forum]

* Bauteile
* Bauteilsätze der [http://www.DieElektronikerseite.de Elektronikerseite]
* Verkauf des BasicBeetle von [http://www.DieProjektseite.de der Projektseite]
* Ständig wachsendes Angebot
* Auch einige SMD-Bauteile verfügbar
* Kein Mindestbestellwert
* Versandkosten ab 3,60 EUR (Österreich/Europa ab 4,00 Eur)
* Versand auch nach Österreich (Europa auf Anfrage)
* Zahlung per Vorkasse
* Lieferzeit 1-3 Tage bei Verfügbarkeit
* PrePaid-Konto möglich
* Lieferungen auch an Privat

=== Digi-Key ===
(tlw.) deutsche Homepage: http://de.digikey.com

* optisch nicht besonders ansprechende, aber durchaus sehr funktionelle Website
* beheimatet in den USA, ein Logistikbüro gibt es in den Niederlanden
* kostenloser Versand ab 65€, darunter 18€ Versandkosten
* macht merkwürdige Plausibilitäts-Checks: wenn man privat über ihrem Dollar Limit (z.B. 400 Dollar bestellt) kommt sofort die Rückfrage nach Firmenname und Firmenadresse
* Rückfragen nach dem Verwendungszweck kommen ebenfalls schon bei der Bestellung bei bestimmten Bauteilen die der Exportkontrolle unterliegen
* Versand direkt aus den USA, dafür sehr flott mit UPS Express (in rund zwei bis drei Tagen da)
* riesiges Angebot, gewissermaßen ein Distributor der auch Kleinmengen an Privatpersonen liefert, entscheidend ist, dass der Hersteller des Produkts geführt wird
* kein anderer Anbieter, bietet so viele verschiedene passive Bauteile in kleinen Stückzahlen, z. B. SMD Widerstände in Bauform 01005 bis 2512 meist in verschiedenen Toleranzklassen und von verschiedenen Herstellern
* alle Bauteile mit Herstellerangabe, Digikey kauft ausschließlich direkt vom Hersteller
* Preise sind auf der deutschen Website in Euro inklusive etwaigem Zoll angegeben, allerdings ohne Mehrwertsteuer, die korrekt abgerechnet wird (d.h. man zahlt bei Versand nach Österreich 20% Mwst., nach Deutschland m.W.n. 19%)
* Meistens deutlich teurer als Reichelt, doch häufig die beste Anlaufstelle für Privatkunden wenn es um Spezialbauteile geht, und der Hersteller sich im Programm von Digikey befindet

=== Display Electronics ===

Homepage: http://www.distel.co.uk

* In England
* Webseite = Augenkrebs
* Online-Shop versteckt hinter dem Search-Button auf der Homepage
* Restposten aller Art
* Mindestbestellwert 10 GBP

=== eHaJo ===
Homepage: http://www.eHaJo.de

* Bausätze
* Lötübungen
* AVR-ISP-Stick

=== EIBTron.com ===
Homepage: http://www.eibtron.com

* Riesige Auswahl an Produkten (~300000)
* SMD-Bauteile bis 0402!
* auch spezielle Sachen wie Xilinx-Configuration PROMs, AD9740-DACs oder SMD-Quarze (z.B. Abracon ABM7) im Angebot
* Alternative zum HBE-Shop für Privatanwender!
* Versand direkt durch RS
* zuverlässiger und freundlicher Support

=== Eisch-Kafka-Electronic ===
Homepage: http://www.eisch-electronic.de

* Hochfrequenz Bausätze und Bauteile für Amateurfunk

=== EleConT ===
Homepage: http://www.elecont.de/shop/

* Carrierboards für gebräuchliche AVR

=== Electropuces ===
Homepage: http://perso.wanadoo.fr/electropuces/

* Gebrauchte Messgeräte aus Nantes, Frankreich (teilweise engl. Menü)

=== Electronic Search ===

Homepage: http://www.electronic-search.de

* Keine Mindestbestellmenge
* Verkauf auch an Privat/Bastler
* Fast alle Preise im Online-Shop nur "auf Anfrage", und nicht im Shop angegeben.

=== electronicpool Rheinstetten ===
Homepage: http://www.electronicpool.de

* abgekündigte oder schwer beschaffbare elektronische Bauteile

=== Elektronikladen ===
Homepage: http://www.elektronikladen.de

* Spezialist für Mikrokontroller
* Entwicklungssysteme, keine Einzelbauteile
* entsprechende Literatur und Software
* "Kein Verkauf an Endverbraucher i.S.d. §13 BGB"

=== Elektronik-Kompendium ===
Homepage: http://www.elektronik-kompendium.de

* Bausätze diverser Schaltungen (mit Anleitung und Funktionsbeschreibung)
* erspart lästiges Suchen in anderen Shops
* kurze Lieferzeiten
* günstiger Versand

=== Elk Tronic ===
Homepage: http://www.elk-tronic.de

* kleines Lieferprogramm Adapterplatinen (SMD -> 2,54mm-Raster) und Programmieradapter
* günstige Preise und Versandspesen

=== Elko-Verkauf ===
Homepage: http://www.elko-verkauf.de

* Nur Low-ESR-Elkos
* Elko-Sets für ein Gerät

=== Ellmitron ===
Homepage: http://www.ellmitron.de/
Katalog: http://www.ellmitron.de/katalog.pdf

Lehrmittel, Kleinbausätze vor allem für Schüler, Experimentierkästen

=== Elpro Darmstadt ===
Homepage: http://www.elpro.org

* Kein Mindestbestellwert, aber hohe Versandkosten für kleine Bestellungen. (Stand April 2013):
** Bis 15€: 9,95€ Versandkosten
** Von €15 bis €75: 5,95€ Versandkosten
** Von €75 bis €200: 4,49€ Versandkosten
** Ab €200: Versandkostenfrei
* Große Auswahl an Mikrocontrollern
* Sehr große Auswahl an Schaltnetzteilen von Meanwell (geschlossen, offen, auf PCB lötbar, DIN-Schiene)
* Merkwürdig zu bedienende Shopsoftware, ständig klappt was auf und zu und wird irgendwas nachgeladen. Braucht JavaScript
* Keine AGBs online. Da Preisangaben ohne MwSt. richtet sich das Angebot vermutlich nicht an Endverbraucher (werden aber beliefert)
* Bearbeitungszeit (bis Warenausgang) 2-3 Tage.
* Versand bisher mit DHL
* gute bis sehr gute Verpackung

=== Eltrix ===
Homepage: http://eltrix.de/Starteltrix.htm

* Verbrauchsmaterial, Tipps und Tricks fürs Leiterplattenherstellen und Löten

=== ELV ===
Homepage: http://www.elv.de

* nicht sehr große Auswahl an Einzelteilen
* riesiges Angebot an Zubehör für Hobbyisten
* viele z.T. pfiffige Eigenentwicklungen, Bausätze (auch zum Download auf der Website verfügbar)
* sonst Sortiment ähnlich Conrad, nicht billig
* im Allgemeinen nicht billig, merkwürdigerweise sind manche Artikel aber die günstigsten auf dem Markt
* mühsamer Onlinekatalog
* Immer mal wieder Fehllieferungen und Wartezeiten (zumindest in die Schweiz). Service erreichte in 3 Fällen nicht das inserierte Niveau.
* Versandkosten innerhalb Deutschland 4,5€, ab 150€ Bestellwert versandkostenfrei
* nicht abwählbare Versandversicherung, die 0,85% des Bestellwertes kostet



=== ETT - Electronic Toys Trading ===
Homepage: http://www.ett-online.de

* Großhandel nur für Gewerbekunden.
* Zweitshop [[Elektronikversender#Atzert-Elektronik_Versand|Atzert-Elektronik Versand]] (früher EFB-Electronic Versand, davor Megakick Electronic-Stores) für Endkunden.
* Ladengeschäft in Braunschweig für jedermann. Weitere Atzert Ladengeschäfte in Bielefeld, Bremen, Hamburg und Berlin.
* Eigentümer der Marken McCHECK®, McPower®, McVoice® und anderer, unter denen ETT importierte Messgeräte, Labornetzteile, usw. an Großkunden und Händler vertreibt. Diese sind unter oben genannten Marken dann in vielen Shops anderer Firmen für Endkunden zu finden, nicht nur bei Atzert. Preisvergleiche lohnen.

=== Ettinger GmbH ===
Homepage: http://www.ettinger.de

* Für gewerbliche Kunden
* Mechanische Komponenten (Gehäuse, Abstandshalter, Drehknöpfe, usw.)
* LEDs
* Gewöhnungsbedürftiger Online-Shop

=== Eurotronik GmbH ===
Homepage: http://www.eurotronik.com

* Für gewerbliche Kunden
* Mindestbestellwert 100.00 Euro
* Individuelle Suche für alle möglichen Bauelemente
* Abgekündigte und allokierte BE finden
* Besonders Stark mit Altera, Microchip, Texas Instruments

=== EVE ===
Homepage: http://www.eve.de

* Zitat aus den AGBs:
::''"Zu Bestellungen im Rahmen des Online-Handels sind nur durch uns autorisierte, d. h. zugelassene Käufer berechtigt. Wir gewähren nach erfolgreicher Zertifizierung – ohne hierzu verpflichtet zu sein – dem jeweiligen Käufer das nicht übertragbare, nicht exklusive Recht im Rahmen des Online-Handels Bestellungen uns gegenüber “auszubringen”."''

:Dies darf man wohl getrost als Hinweis ansehen, dass Endverbraucher als Kunden nicht gewünscht sind.
* Versandhaus für elektronische Artikel in Emsdetten
* machen auch Kabelkonfektion
* Pb-freie Artikel markiert

=== EXP-TECH ===
Homepage: http://www.exp-tech.de/
* liefert an privat
* vielfältiges Sortiment von vielen verschiedenen Händlern (Adafruit, Sparkfun, Arduino, Olimex, Embest, SeedStudio, CooCox, Digi, BeagleBone, IteadStudio, RaspberryPI, SecretLabs, CookingHacks, Axiris.pe, OpenPicus, RobotElectronics, RobotBase, AttenInstruments, Dagu, RF-Explorer, TexasInstruments, DangerousPrototypes...)
* Lieferung per DHL
* Zahlungsmöglichkeiten: Überweisung (Vorkasse), PayPal, Visa, MasterCard

=== Farnell ===
Homepage: http://de.farnell.com

* liefert nur an gewerbliche Abnehmer, Ausnahme sind Studenten und HTL-Schüler (Österreich, Farnell.at). Nachweis wird verlangt (Gewerbeschein oder Immatrikulation).
* Lieferungen an Privat:
:* Schweiz: Farnell Schweiz beliefert auch Privatkunden.
:* Deutschland: Über den Reseller [[#HBE_-_Heinz_B.C3.BCchner_Elektronik.2C_Messtechnik.2C_med._Elektronik_e.K.|HBE]] kann man Produkte aus dem Farnell-Sortiment zu bestellen.
:* Österreich: [[#Technik-Welt / Industrieshop.at|Technik-Welt / Industrieshop.at]]
* große Auswahl
* 12% Rabatt für Studenten und Lehreinrichtungen
* sehr schneller Versand, Ware ist in 99% aller Fälle am nächsten Tag da (UPS), fehlende Positionen werden relativ rasch versandkostenfrei nachgeliefert
* Versandkosten: Bestellung bis 49,99€: 7,95€; 50,- bis 149,99€: 5,95€; ab EUR 150,- versandkostenfrei
* hat nach eigenen Aussagen umfangreichstes Sortiment an RoHS-konformen Bauteilen mit Suchfunktion im WWW
* leistungsfähige parametrische Suchfunktion / teils aber völlig nutzlos, da den Artikeln massenweise Tags fehlen, weswegen die Suchergebnisse unnötig eingeschränkt werden
* Datenblätter für die meisten Bauteile online
* Internetpräsenz fällt nachts oft aus (Hinweis auf angebliche geplante Wartungsarbeiten)
* Sortierfunktion wird bei der Suche ständig zurückgesetzt, im Warenkorb ist überhaupt keine sinnvolle Sortierung möglich
* Eigenwillige Preispolitik: Einiges sehr günstig, Anderes total überteuert

=== Fibra-Brandt Zweibrücken ===
Homepage: http://www.fibra-brandt.com

* lagert tausende veraltete und schwer zu findende elektronische Bauteile
* Halbleiter, IC's, Transistoren, Spulen und Kondensatoren.
* Sonderbeschaffung von abgekündigten Halbleitern.

=== Fischer DK2FD ===
Homepage: http://www.dfe-online.de für das Ingenieurbüro,
Homepage: http://www.dk2fd.de für Amateurfunkprodukte

* Baugruppen für Hochfrequenzmesstechnik und Amateurfunk

=== Fuchs Shop ===
Homepage: http://www.fuchs-shop.com/

* 1-Wire- und iButton-Komponenten

=== Funkamateur Online-Shop ===

Siehe [[Elektronikversender#Box73]]

=== Futurelec ===
Homepage: http://www.futurlec.com

* günstiger Versender aus Übersee
* viele Stamp-Boards
* LED Matrix-Module

=== Future Electronics ===
Homepage: http://de.futureelectronics.com

* große Auswahl an Teilen
* Versand auch an Privatpersonen
* Preisangaben ohne MwSt.
* Zahlung nur mit Kreditkarte
* Versandkosten 7,14€ (Brutto)
* Versand aus den USA mit FedEx, Lieferzeit meist unter 5AT
* Verzollung usw. wird von FutureElectronics gemacht, keine Nachzahlungen etc.

=== Geist Electronic-Versand GmbH ===
Homepage: http://www.geist-electronic.de

* Liefern Bauteile für Elektor-Projekte
* D-78054 Villingen-Schwenningen
* Versandkosten: 5.40€

=== Giga-Tech ===
Homepage: http://www.giga-tech.de

* Spezialitäten für Hochfrequenz / Amateurfunk
* Scheinbar nur noch Abverkauf, da viele Artikel nicht mehr lieferbar
* Antworten auf Anfragen und Lieferungen dauern sehr lange
* 68542 Heddesheim

=== Grummes Elektronik ===
Homepage: http://www.grummes.de

* Elektronikversender /CNC-Fräsmaschinen / Schrittmotorsteuerungen / Bauteile
* Homepage nicht aufrufbar (10.12.2011)

=== Glyn (GLYNshop) ===
Homepage: https://www.glynshop.com/erp/welcome.do

* "B2B Shop" = nicht für Privatkunden
* Microcontroller, Evaluation Boards, TFT-Displays, LC-Displays, Memory Cards u.a.

=== guloshop.de ===
Homepage: http://guloshop.de

* kleiner Shop, konzentriert sich auf Standard-AVRs im DIP-Gehäuse, ist dabei aber meist der billigste Versender in Deutschland
* ATtiny, ATmega, Breakout-Boards, Programmer, Adapterkabel, IC-Fassungen
* AVR mit geflashtem Arduino-Bootloader
* äußerst niedrige Preise
* liefert schnell und zuverlässig, jedoch nur gegen Vorkasse
* kein Mindestbestellwert, Versandkosten für kleine Bestellungen: 2,40 EUR, darüber 4,40 EUR
* ansässig in 90489 Nürnberg

=== H-Tronic ===
Homepage: http://www.h-tronic.eu/index.php

* Online-Shop einer Entwicklungsfirma, in dem neben Baugruppen und Geräten auch einige Bauelemente und Elektronikzubehör angeboten werden
* kleines Angebot

=== Hallmanns Elektronik ===
Homepage: http://www.hallmanns.com 
Adresse: Bruno Hallmanns, Weierstraße 41, 52349 Düren

* Elektronikhändler mit Ladenlokal und Versand
* Ladentypisches Sortiment (Bauteile, Geräte, PC, Funk, Hifi...)

=== Hari Seligenstadt ===
Homepage: http://www.hari-ham.com

* Bausätze, Ringkerne, Geräte für Amateurfunk

=== HBE - Heinz Büchner Elektronik, Messtechnik, med. Elektronik e.K. ===
Homepage: http://www.hbe-shop.de/katalog/

* Bezeichnet sich als ''[[#Farnell|Farnell]] Fachhändler'', bei dem nichtgewerbliche Kunden aus dem Farnell-Sortiment bestellen können.
* Preise für Farnell-Produkte normalerweise Farnell Netto-Preis + MwSt.
* Mindestbestellwert 25,- € (netto), Mindermengenzuschlag 5,- € (Stand 06/2010)
* Versandkosten 4,75 € (netto), ab 75,- € (netto) versandkostenfrei (Stand 06/2010)

=== Heho-Elektronik ===
Homepage: http://www.heho-elektronik.de
* Halbleiter / Bauteile, Sortimente, Handy - Akkus, VELLEMAN - Bausätze
* Aktuelles Angebot, Ladegeräte / Akkuladegeräte, Blei - Akkus
* Spannungswandler, Audio / Video / USB - Kabel, Netzwerk - Kabel
* 1-2 Arbeitstage für Waren ab Lager
* Porto + Verpackung pauschal Euro 4,50
* Mindestbestellwert von € 10,00

=== Hinkel ===
Homepage: http://www.hinkel-elektronik.de

* Von der Webseite "Unser Angebot richtet sich an Schulen, Behörden, Handel, Handwerk und Industrie."
* Batterien
* Knopfzellen, spezielle KZH, die man sonst lang sucht, findet man hier
* Mindestbestellwert von 20€
* Standardversand innerhalb Deutschlands 5,80€

=== HN Electronic Components GmbH & Co. KG / Netzteilshop ===
Homepage gewerbliche Kunden: http://www.hn-electronic.de/
* Netzteile aller Art
* Es gibt keinen Onlineshop mehr, wahrscheinlich werden Endkunden nicht beliefert
** Homepage Endkunden: http://www.netzteilshop.com/hnshop.html
** Lieferung an Endkunden nur per UPS Nachnahme.
** Mindestbestellmenge für Endkunden 25 €

=== Home-Electronic24 ===
Homepage: http://www.home-electronic24.de/

=== HW-Electronics ===
Homepage: http://www.hw-electronics.de 
Homepage EU: http://hw-electronics.eu/

* Tauch- und Sprühätzanlagen
* Entwicklungsgeräte
* Belichtungsgeräte, Materialsätze zum Selbstbau von Belichtungsgeräten

=== ic-box24.de ===
Homepage: http://www.ic-box24.de

* NOS Bauelemente (ab Lager)
* kein Mindestauftragswert
* 3,00€ Versandkosten
* liefert auf Rechnung oder Paypal, MWSt. wird ausgewiesen

=== ID-Elektronik ===
Homepage: http://www.id-elektronik.de

* Amateurfunk-Baugruppen

=== IT-WNS ===
Homepage: http://www.it-wns.de

* "Bauteile, Platinen, Bausätze" insbesondere mit ATMEGA und ENC28J60
* Bausätze zu Projekten aus dem Forum, z. B. USBprog, ChipBasic, Mikro-Webserver, Transistortester u.v.a.m.
* Atmega32/644 Experimentiersystem als Bausatz mit vielen Zusatzmodul-Bausätzen
* SD-Slots, RFID, Bluetooth-Module, AVR Mikrocontroller uvam.
* Bauelemente, die nicht im Shop angeboten werden, können auf Anfrage (Kontaktformular) beschafft werden
* günstige Preise und Versandkosten ab 1,90EUR, kein Mindestbestellwert
* schneller Versand, sofern die Artikel auf Lager sind, versandkostenfreie Nachlieferung

=== Kabelscheune ===
Homepage: http://www.kabelscheune.de

* "Direktversand von Elektromaterial und Multimediaprodukten"

=== Kelemen ===
Homepage: http://www.kelemenantennen.de/Kelemen-Shop/

* Messgeräte, Antennen und Zubehör für den Amateurfunk

=== Kessler ===
Homepage: http://www.kessler-electronic.de

* im Preis-Leistungsverhältnis mit Reichelt zu vergleichen (sprich: günstig)
* Sortiment kleiner als Reichelt und mit gewissen Abweichungen (z. B. andere FPGA und RAMs)
* oft lange Lieferzeiten
* Versandkosten innerhalb Deutschlands 4€ (Brief), 5€ (DHL-Paket), 10€ (DHL-Express-Paket)

=== Klein-Electronic ===
Homepage: http://www.klein-electronic.de

* Baugruppen zur Video- und 2,4GHz-Sendetechnik

=== Konni-Antennen ===
Homepage: http://www.konni-antennen.de

* Antennen für TV, Amateurfunk
* Zubehör, Einzelteile
* sehr netter kompetenter Service

=== Köditz Nachrichtentechnik ===
Homepage: http://www.koeditz-nachrichtentechnik.de

* Baugruppen und Bauteile für Amateurfunk und TV-Satellitenempfang

=== Kuhne DB6NT ===
Homepage: http://www.kuhne-electronic.de

* Baugruppen und Bausätze für Mikrowellenamateure

=== LEDSEE Electronics ===
Homepage: http://www.ledsee.com

* LEDs, LCDs, diverses
* Lieferung direkt aus China, daher sehr günstig und lange Lieferzeiten

=== LED Microtechnics LTD ===
Homepage: http://www.ledmeile.de

* "LED Shop und Lampentechnik"

=== LED-Tech LED-Shop ===
Homepage: http://www.led-tech.de

* viele verschiedene LEDs zu sehr guten (meist den günstigsten) Preisen
* vor allem auf High-Power-LEDs spezialisiert
* viele verschiedene Treiber für High-Power-LEDs
* kostenloser Versand
* haben ein eigenes, sehr umfangreiches Forum

=== Lieske Elektronik ===
Homepage: http://www.lieske-elektronik.de

* liefert nur an Geschäftskunden

=== Lüdeke Elektronic ===
Homepage: http://www.luedeke-elektronic.de/

* großes Sortiment, bietet unter anderem auch viele selbst entwickelte Bausätze an

=== LUMITRONIX LEDs-Shop ===
Homepage: http://www.leds.de

* alles rund um LEDs (auch Zubehör und Lektüre)
* neben Standard-LEDs auch SMD- und SuperFlux-LEDs

=== Marsch Elektronik, M. Schlimper ===
Homepage: http://www.marsch-elektronik.de

* Online Shop für aktive und passive Bauelemente
* Versandkosten ab Euro 1,60
* kein Mindestbestellwert
* bietet auch Einsteigersortimente und Widerstandsortimente (auch SMD)
* liefert nur innerhalb Deutschlands
* nicht gelistete Artikel können angefragt werden und werden meist auch beschafft

=== Mauritz Communication & Electronics ===
Homepage: http://www.mauritz-shop.eu

* Online Shop für HF-Stecker und Kabel
* bietet HF-Stecker/Buchsen und Koaxkabel an
* große Auswahl, auch exotische Teile
* Kabelkonfektionierung nach Wunsch
* vernünftige Preise
* liefert nach Rücksprache auch weltweit
* Keine Mindestbestellwert, aber 5 € Aufschlag unter 15 €
* Versand bis 40 kg pauschal 5,95 € per GLS innerhalb DE
* schneller Versand
* Paypal oder Vorkasse

=== mechapro ===
Homepage: http://www.mechapro.de
* Online Shop für Schrittmotoren und Steuerungen
* Schrittmotorendstufen als Fertiggeräte oder Bausätze
* Eigene Entwicklung und Fertigung in Deutschland (außer Motoren)
* Versandkosten in DE ab 4 EUR
* liefert EU-weit

=== Mein-Daarle ===
Homepage: http://www.mein-st-arnual.de/shop/saarbruecken/artikellisteL.html

* Teileliste eines "Händlers aus Saarbrücken" (wahrscheinl.: Frank Skowronek ESS Elektronik Service), "bis sein Onlineshop ans Netz gehen kann"
* derzeit (4/2011) kein Onlineshop, Kontakt über Formular

=== Micromaus ===
Homepage: http://www.micromaus.de

* Sensoren
* Mikrokontroller
* kein Mindestbestellwert
* 22.7.2012: Totalausverkauf wegen Geschäftsaufgabe, 10% auf alle Artikel

=== Microcontroller-Starterkits ===
Homepage: http://www.microcontroller-starterkits.de

* 22.7.2012: Seite nicht erreichbar
* Bauteile: CAN, Ethernet, Mikrokontroller AVR und ARM, Linearregler 1,8V 3,3V 5V in SOT223
* Leerplatinen, Bausätze
* günstig
* Abholung in Hattingen möglich
* Versandkosten innerhalb Deutschlands ab 2,50€
* keine Kreditkartenzahlung möglich

=== Mikrocontroller.net ===
Homepage: http://shop.mikrocontroller.net

* Starterkits, Development Boards und Zubehör für AVR, AVR32, ARM und MSP430

=== Mira Nürnberg ===
Homepage: http://www.mira-electronic.de

* SMD-Bauteile, SMD-Sortimentboxen
* Verkauf und Preisangaben nur für Gewerbetreibende



=== Mouser ===
Homepage: http://de.mouser.com

* Liefert an Privat
* Zügige Lieferung mit FedEx aus den USA
* Keine Halbleiter von Linear, National und Analog
* "Versand ist kostenfrei bei den meisten Bestellungen über 65 €"
* Preise inkl. Zoll aber ohne Einfuhrumsatzsteuer (Einfuhr laut Berichten über Frankreich, also +19,6%)

=== MS-Elektronik ===
Homepage: http://www.ms-elektronik.info

* Liefert an Privat
* Zügige Lieferung
* Gute Qualität
* Viel in Richtung Audio
* Große Auswahl an Elkos -> kleine Preise
* kein allzu großes Sortiment

=== Mütron ===
Homepage: http://www.muetronshop.de

* Keine Privatkunden

=== myAVR Shop ===
Hompage http://shop.myavr.de

* Kleine Auswahl, aber die angebotene Ware ist sehr preiswert (meist preiswerter als bei Reichelt)
* Zügige Lieferung (1-2 Werktage)
* Diverse Zahlungsmöglichkeiten: Rechnung, Vorkasse, Lastschrift, Kreditkarte, PayPal
* Kein Mindestbestellwert
* Sehr günstige Versandkosten ab 1,95 Eur
* Mengenrabatt ab 10 gleichen Artikeln

=== Neuhold-Elektronik ===
Homepage: http://www.neuhold-elektronik.at 
Shop: http://www.neuhold-elektronik.at/catshop/default.php?language=de

* preiswerte Schnäppchen
* regelmäßig aktualisierte Angebotsliste herunterladbar
* Ab 60,- EUR versandkostenfrei in Österreich

=== Octamex ===
Homepage: http://www.octamex.de

* Leiterplattenchemie (Entwickler, Ätzmittel, CRC-Sprays)
* Chemisch Zinn
* Lötstopp-Laminat, Tentingresist, Bestückungsdruck
* Bungard Basismaterial in 0,5mm 1,0mm 1,5mm Dicke und 18µm, 35µm, 70µm Kupfer
* Bungard Alucorex für 19" Frontplatten
* Bungard Cotherm, Alukernbasismaterial
* Funkmodule 434MHz, 868MHz, 2.4GHz
* Löttechnik und Zubehör
* Gehäuse aller Art
* Messgeräte und Labornetzteile
* aktive, passive u. mechanische Bauelemente (Widerstände, Kondensatoren, Transistoren, Logik-ICs etc.)
* kein Mindestbestellwert
* Lieferung auch ins Ausland
* Versandkosten ab 4,50EUR
* Liefert nur gegen Vorkasse, ausser für Bestandskunden, die schon häufig bestellt haben
* Zahlung mit EC-Pay oder Kreditkarte nur gegen Aufschlag (bis zu 5%)

=== Online Batterien ===
Homepage: http://www.online-batterien.de

* Allerlei günstige Batterien & Akkus vieler Marken
* z. B. '''40 Stk.''' DURACELL PLUS LR6 AA 11,59€ (Jan 2010)
* Beleuchtungsartikel
* USV
* Versand ab 3,90€

=== Oppermann ===
Homepage: http://www.oppermann-electronic.de

* Restposten, auch HF Bauteile
* auch Privatkunden
* Lieferung nach üblicher Zeit

=== PCB-Soldering ===

Homepage, Online-Shop: http://www.pcb-soldering.co.uk
eBay: http://www.allendale-stores.co.uk
Firmen-Homepage: http://www.allendale-elec.co.uk

* [http://www.aoyue.com/en/products.asp Aoyue] Lötstationen und preiswertes Zubehör (Lötspitzen) für diese. Bei Aoyue-Zubehör bessere Preise (Stand 10/2008) als [[#WilTec_Wildanger_Technik_GmbH|WilTec]]
* Schnelle Lieferung
* Dank [http://www.zoll.de/b0_zoll_und_steuern/a0_zoelle/a1_grundlage_zollrecht/b0_zollgebiet/index.html EU Binnenmarkt] nur britische Mehrwertsteuer (VAT), kein Zoll, keine [http://www.zoll.de/b0_zoll_und_steuern/a3_einfuhrumsatzsteuer/index.html Einfuhrumsatzsteuer] fällig.
* Zwei von drei E-Mails wurden nicht beantwortet
* Versandart wurde eigenmächtig von "Standard" auf teureres "Signed for" (Einschreiben) geändert

=== Pollin Electronic ===
Homepage: http://www.pollin.de

* Günstige Restposten aller Art (z. B. "250 g verschiedene ICs" u.dgl.)
* Produktkategorien:
** Computer und Zubehör
** Telefone und Zubehör
** Antennentechnik
** HiFi/Car-HiFi/Video/TV
** Stromversorgung
** Lichttechnik
** Messtechnik / Uhren
** Haustechnik
** Werkstatt
** Bauelemente
** KFZ- und Zweirad
** Motoren
** Bausätze
** Fundgrube
* Produkte teils schnell ausverkauft
* Qualität schwankend. Man kann gute Schnäppchen machen aber auch reinfallen. Umtausch ist dann aber problemlos.
* Es wird öfters von sorgloser Verpackung berichtet (empfindliche und schwere Produkte besser nicht zusammen bestellen). Reklamationen bei Beschädigungen werden freundlich behandelt.
* Lieferzeit i.d.r. 2-3 Werktage / knappe Woche bei neuer Sonderliste
* Ladengeschäft in 85104 Pförring
* Versandkosten innerhalb Deutschlands 4,95€
* Zahlung per Nachnahme (+2,50 €), Bankeinzug, Vorkasse, ''SOFORT''-Überweisung oder PayPal

=== proma / Isel ===
Homepage: http://www.isel.com/en/proma_systro.php

The proMa systro GmbH has completed its business transactions since the 20th February 2009.
Nachfolger: http://idimod.iselshop.de/
Nachfolger für Leiterplattenzubehör: http://www.gie-tec.de/index.php
<s>
* fotobeschichtete Leiterplatten Platinenfrästechnik
* Chemikalien für die Platinenherstellung: Ätzmittel, Flussmittel für Lötanlagen, etc.
* Profilgehäuse, u.a. von Conrad und Reichelt vertrieben
</s>

=== QRP-project ===
Homepage: http://www.qrpshop.de/

* Bausätze vor allem einfache Kurzwellen-Funkgeräte

=== Reichelt ===
Homepage: http://www.reichelt.de

* relativ große Auswahl, aber nicht viele "brandaktuelle" Bauteile
* wenn man höflich fragt, liefern sie ganz selten auch Bauteile, die nicht im Katalog stehen zu "normalen" Preisen (vorausgesetzt der Hersteller ist im Sortiment), z. B. Xilinx XC2S50, aber meist erhält man die Antwort, dass der Artikel nicht im Sortiment ist, obwohl auf der Homepage unter Service extra ein Punkt angeführt ist: "Ich benötige einen Artikel, der nicht im Programm ist"
* reagiert aber teilweise auch auf Anregungen, neue Produkte in das Angebot aufzunehmen; siehe dazu auch den Artikel [[Reichelt-Wishlist]]
* liefert schnell und vollständig; wenn etwas ausnahmsweise nicht verfügbar ist, dann liefern sie es auf eigene Kosten nach, wenn der Artikel in absehbarer Zeit wieder vorrätig ist (selbst wenn er nur 0,20€ wert ist).
* lässt einen dennoch manchmal warten, wenn ein Artikel nicht lieferbar ist! Daher bei der Bestellung immer darauf hinweisen, dass man auch eine Teillieferung akzeptiert. (Laut Auskunft dauert das länger, besser nach der Inet-Bestellung anrufen und nicht lieferbare Teile aus der Bestellung streichen lassen)
* Lieferzeiten normalerweise 2 - 4 Arbeitstage
* niedrige Preise (aber unbedingt Qualität des Artikel checken)
* Versandkosten 5,60€ (Deutschland); 6,95€ Österreich; Schweiz 16€; EU 15 - 19€;
* 10€ Mindestbestellwert für alle Länder
* auch in die Schweiz sehr guter Service
* holt sich auch ohne Erlaubnis Bankauskünfte bei großen Bestellungen ein

=== RF Microwave ===
Homepage: http://http://www.rfmicrowave.it/

* Ausschliesslich HF Bauelemente
* riesige Auswahl an Bauteilen für den Mikrowellenbereich
* Bestellung nur nach Registrierung im Shop
* Schnelle Lieferung
* Firmensitz in Italien
* Teilweise englischer Shop

=== RFW Elektronik ===
Homepage: http://www.rfw-elektronik.de

* HF Bauelemente

=== Ribu ===
Homepage: http://www.ribu.at

* Sehr guter Elektronikversand in Österreich mit zahlreichen Entwicklungsboards und zahlreichen Elektroniklösungen.
* Liefert sehr schnell und hat eine ausgezeichnete Beratung.
* Online-Shop ist sehr übersichtlich und einfach zu bedienen.
* Lieferstatusanzeige für alle Artikel. Bei Auslaufartikeln ist sogar die noch verfügbare Stückzahl sichbar.
* Günstige Sonderangebote
* innerhalb Österreichs 4,90€ Versandkosten, ab 80,- keine Versandkosten
* ausserhalb Österreichs 13€ Versandkosten, ab 225€ versandkostenfrei
* liefert auch an Privatkunden
* Mindestbestellwert innerhalb Österreichs 10€, ausserhalb 30€

=== Richardson Electronic ===
Homepage: http://www.richardsonrfpd.com/

* Hochfrequenz-Halbleiter, HF-Röhren,

=== Riedl Elektronik ===
Homepage: http://www.riedl-electronic.at

* großes Angebot v.a. ICs und Trafos
* recht günstig
* Rabatt für Schüler/Student
* Versand nach AT: 3,95€ bis 1kg, ab 100€ frei Haus
* Versand AT über 1kg sowie Ausland: Nach Aufwand (wird nicht direkt angezeigt)

=== RLX COMPONENTS s.r.o. ===
Homepage: http://www.rlx.sk

* Man spricht Deutsch
* Messgeräte, Mikrocontroller-Boards, Bauelemente

=== RM Computertechnik GmbH ===
Homepage: http://www.rm-computertechnik.de

* Kerngeschäft ist PC-Technik, aber auch großes Sortiment an Kabeln, Litzen und Steckverbindern
* handelt auch mit einigen Bauelementen, wie LED's

=== Robotikhardware===
Homepage: http://www.robotikhardware.de

* Microcontroller
* Entwicklungsboards
* Sensoren
* Robotik-Zubehör
* günstige Angebote für Hobbyelektroniker
* auch einzelne Platinen

=== Robotik-Teile.de===
Homepage: http://www.robotik-teile.de

* Große Auswahl an Elektronik Produkten
* Microcontroller, Sensoren, Zubehör, u.v.m.
* Versandkosten betragen immer 4,90 €
* Zahlbar ber PayPal, Sofortüberweisung, Vorkasse und Nachnahme

=== Benno Rößle Elektronik ===
Homepage: http://www.roessle-elektronik.de

* Masten, Antennen, Befestigungsmat.,Zubehör, Geräte, Anpassteile, HF-Stecker

=== RS Components ===
Homepage: http://de.rs-online.com

* lt. AGB nur an gewerbliche Abnehmer und an Studenten. Bei Internetbestellungen wird per Mail nach Belegen gefragt.
* gute Auswahl insbesondere an "mechanischen Bauteilen"
* gute Verfügbarkeit
* sehr schneller Versand, Ware ist in 99% aller Fälle am nächsten Tag da (GP)
* Preise wurden angepasst, gute Preis/Leistung
* Preis im Onlineshop sind ohne MwSt angegeben
* Bei Onlinekauf ab 50 Euro ist der Versand kostenfrei, ohne Mindesbestellwert.
* Notify-Me Service für Produktabkündigung
* Auch größere Stückzahlen über Allied möglich
* Relativ große Auswahl an Sortimenten (Widerstände, Kondensatoren), Einzelteile können teilweise nachgekauft werden
* Verfügbarkeitsanzeige im Internet ist ziemlich hilfreich
* Nützliche Tipps zum Thema RoHS
* Macht anscheinend Abfragen bei SCHUFA & Co. ohne Einverständnis oder Hinweis in den AGB.

=== Sander Elektronik ===
Homepage: http://www.sander-electronic.de

* beliefert auch Privatkunden, Bankeinzug möglich
* ähnlich Segor ein Berliner Versender
* Hier findet man manche [[MSP430]], die es sonst nicht in kleinen Stückzahlen gibt
* Herr Sander ist sehr kompetent und selbst Autor von Fachartikeln
* selbst abgekündigte Halbleiter können noch beschafft werden
* Bezahlung auch mit Kreditkarte möglich
* Versandkosten innerhalb Deutschlands ab 3,35€, innerhalb Europas ab 6€

=== Sasco Holz ===
Homepage: http://www.sasco.de

* Wie Spoerle eine Tochter von Arrow.
* Distributor für Analog Devices...
* Liefert wie Spoerle und Arrow in Deutschland nicht an Privatkunden.

=== Sat-Schneider ===
Homepage: http://www.sat-schneider.de
* Bauteile, Ersatzteile Online-Shop
* Baugruppen zum Empfang des Digitalen Kurzwellenrundfunks DRM

=== Satistronics ===
Homepage: http://www.satistronics.com

* typischer "China-Versender", mit allen Vor- und Nachteilen
* Lieferzeit bei Standardversand sehr lange (etwa 1 Monat nach D), aber schnellere Lieferung gegen Aufpreis möglich
* tritt auch bei eBay in Erscheinung ([http://stores.ebay.de/satistronicsstore eBay-Shop]), die Preise dort sind in der Regel aber etwas höher als im Online-Shop

=== Otto Schubert GmbH ===
Homepage: http://www.schubert-gehaeuse.de

* Kein Online-Shop. Bestellungen nur per Telefon, Fax oder E-Mail
* Weissblechgehäuse, Gerätegehäuse, wetterfeste Gehäuse
* Drehkondensatoren
* Sonderanfertigungen
* ansässig in 90574 Roßtal

=== Schramm-Software ===
Homepage: http://www.schramm-software.de/bausatz/
* Online-Shop, bietet Elektronik-Bausätze mit Mikrocontrollern
* Bausätze als Lehrmaterial geeignet, da ausführliches Begleitheft mitgeliefert wird (Aufbauanleitung, Schaltung, Controllerprogramm, Experimente...)
* bisher nur ein relativ kleines Sortiment, soll ergänzt werden
* Versandkosten innerhalb Deutschlands 2,50 €, innerhalb der EU 3,50 €

=== Schukat elektronic ===
Homepage: http://www.schukat.de

* liefert nicht an privaten Endverbraucher
* einfache und passiver Bauteile oft nur in großen Mindeststückzahlen
* ICs teilweise recht preiswert (vor allem bei mehr als 1 Stück, z. B. auch AVR)
* LCDs sehr preiswert und auch als Einzelstücke
* aktuelle Preise und Verfügbarkeit im Internet (aber nur nach Anmeldung -jetzt nicht mehr bei kleinen Stückzahlen), ebenso Bilder von Gehäusefootprints u.dgl.
* Abholung in Monheim am Rhein nach Vereinbarung möglich
* Versandkosten innerhalb Deutschlands ab 5€ (bis 10kg!)

=== Schuricht ===
Homepage: http://www.schuricht.de

* deutscher Ableger der Distrelec- (Elektronik) und Disdata-Gruppe (Computertechnik)
* Liefert auch an Privatkunden (getrennte AGBs für gewerbliche und Privatkunden, Lieferung an Privat per Nachnahme: Versandkosten ab 6,54€ plus 4,76€ Nachnahmegebühr).
** Online-Bestellung von Privatkunde scheiterte daran, dass die Onlineshop-Bestellformulare nur für gewerbliche Kunden ausgelegt sind und der Onlineshop Bestellungen ohne Firmenangaben nicht annimmt oder gar mit einer internen Fehlermeldung quittierte.
**Online Bestellung mit "Privat" als Firmenangabe funktionierte einwandfrei.
**Telefonische Bestellung von Privat funktioniert. Nette, freundliche Behandlung am Telefon, kein Callcenter. Versprochener Rückruf erfolgte mit gewünschten Informationen. Neben Nachnahme wurde für einen relativ teuren Artikel persönliche Abholung angeboten. Angegebene Lieferfrist wurde leicht unterschritten.
* Papierkatalog über 2000 Seiten, durchgehend farbig, nur für Geschäftskunden erhältlich.
* Ziemlich teuer

=== SC-Shop ===
Homepage: http://www.sc-shop.de

* Verkauf ausschließlich an gewerbliche Kunden
* große Auswahl
* auf Anfrage spezielle Teilebeschaffung
* Bestellung auch als Gast
* schneller Versand

=== Schuro Elektronik GmbH ===
Homepage: http://www.schuro.de

* Elektronische Bauelemente und Bauteile für den Audio- und Lautsprecherbau (Kondensatoren, Spulen u.dgl.)
* kein Mindestbestellwert
* Versandkosten innerhalb Deutschlands gewichtsabhängig ab 5,75€

=== Segor-electronics ===
Homepage: http://www.segor.de

* Spezialist für Halbleiter, die ansonsten für nicht-gewerbliche Abnehmer nur schwer erhältlich sind (Preise dahingehend "angemessen")
* auch Privatkunden gerne gesehen
* Ladengeschäft in Berlin
* kein Mindestbestellwert bei Versand innerhalb der EU

=== SE Spezial-Electronic AG ===
Homepage: http://www.spezial.de

* Distributor
* Laut AGB auch Verkauf an Privat.
* Große Verpackungseinheiten/Mindestbestellmengen pro Bauteil
* Versandkosten pauschal 9,- € (Deutschland) (Stand 08/2008)

=== Small Control Shop ===
Homepage: http://www.small-control.de

* "Bernd Walter Computer Technology"
* kleines Lieferprogramm aber ein paar interessante Produkte

=== SMG Diffusion - F1GE ===
Homepage: http://www.smgdiffusion.com
( Seite nur französisch )

* Videotechnik,
* 1,2 GHz / 2,4GHz Module
* Gebraucht-Messgeräte HP, Tek, Philips u.a.
* GHz-Halbleiter
* Koax-Adapter
* Antennen

=== Spoerle ===
Homepage: http://www.spoerle.de

* Früher eine Tochterfirma von Arror. Mittlerweile komplett in Arrow aufgegangen, Webseite leitet auf Arrow um.
* Aus dem Webshop: "Unser Angebot richtet sich nur an Kaufleute und nicht an Verbraucher."
* Wenn es wirklich über Arrow sein muss, dann kann man es als Privatperson bei Arrow Electronics North American Components http://www.arrownac.com/ versuchen, die sich normalerweise nicht weigern ihre Produkte zu verkaufen. Allerdings muss man mit großen Mindestmengen (z. B. BC547 in Schritten von 2000 Stück) und hohen Kosten rechnen.
:Zu den Kosten gehören zum Beispiel ein mehrfacher Mindermengenzuschlag (''$10 handling charge will be added to each line item less than $30''), eine satte ''handling and energy fee of $10.22'' (mehr als 10x zu hoch wie die vergleichbare Gebühr für amerikanische Besteller), hohe Versandkosten (ab $20 nach Deutschland). Dazu kommen die üblichen Kosten für den Import aus dem Ausland (Einfuhrumsatzsteuer, Kreditkartengebühr, ...)

=== SR-Systems ===
Homepage: http://www.sr-systems.de

* Baugruppen für Digital-TV, Sende- und Empfangstechnik
* DVB-S, DVB-T

=== Strixner&Holzinger ===
Homepage: http://www.sh-halbleiter.de

* Ladengeschäft in München
* Versand
* riesiges Angebot an Halbleiter, auch schwer beschaffbare
* Online-Shop

=== TAUTEC-ELECTRONICS ===
Homepage: http://www.tautec-electronics.de

* Online Shop für aktive elektronische Bauelemente
* günstige Preise (Vorsicht, Preisangaben enthalten keine Mehrwertsteuer) aber Mindestbestellwert 100 Euro
* alle Artikel ab Lager lieferbar, daher kurze Wartezeiten
* weltweiter Versand
* zahlreiche Mengenrabatte
* viele Ersatzteile aus dem Audio-, Car-HiFi und TV-Bereich

=== TCB-Versand ===
Homepage: http://www.tcb-versand.de

* insbesondere für Modellbauer ein sehr interresantes Sortiment
* Stecker,Kabel etc. recht günstig und kleine Mengen abnehmbar
* Lieferung normal zwischen 1 und 3 Tage
* leider nur Online-Shop

=== TecHome.de Online-Shop ===
Hompage: http://www.techome.de/index.html

=== Tec-Shop (Wolfgang Rompel Elektronik) ===
Homepage: http://www.tec-shop.de

* Kleines, aber ausgesuchtes Sortiment
* Interessantes Angebot an Sensoren

=== Technik-Welt / Industrieshop.at ===
Homepage: http://www.industrieshop.at

* Laut Homepage richtet man sich "an den industriellen Kunden". Laut AGB sieht man das jedoch nicht so eng, Zitat:
:: ''TW schließt online Verträge nur mit Kunden ab, die natürliche oder juristischen Personen sind, die ihren Wohnsitz oder Sitz in Österreich, einem Mitgliedsstaat der Europäischen Union (EU25) oder der Schweiz haben.''
* [[#Farnell|Farnell]] Teile
* In Österreich
* Schnelle Lieferung (2 Tage)

=== Teske electronics ===
Homepage: http://www.teske-electronics.de

* Noch relativ übersichtliches Produktsortiment (Dez. 2012) aber schon einige interessante Teile
* Bisher überwiegend SMD Bauteile
* Kein Mindestbestellwert
* Versandkosten ab 2,85€
* Lieferung nur innerhalb Deutschlands
* Wunschliste für neue Produkte
* Beschaffung von Bauteilen möglich, die nicht im Shop angeboten werden
* Zahlung per Vorkasse, PayPal, Nachnahme oder Rechnung (für Stammkunden) möglich.

=== Thinkembedded.ch ===
Homepage: http://www.thinkembedded.ch

* in der Schweiz (auch Abholung möglich), Versand CH ab SFr 12.- (bis 5kg)
* keine Mindestbestellmenge, Bezahlung: Barbezahlung, Rechnung, PayPal
* Demoboarde von div. Herstellern (Olimex, ST, ARM-Keil, ETT, Conitex)
* Demoboarde mit ARM (Cortex M)uC von ST, NXP, Energy Micro
* Demoboarde mit ARM Cortex A uC von Olimex
* Keil Debugger/Programmer Ulink ME/2/Pro
* MSP4300 Demoboard
* PIC Demoboarde und Programmer
* AVR Demoboarde und Programmer
* Messgeräte (BMC Messsysteme, Intronix LogicPort)
* Learning Kits
* Mehrsprachig (E, D, F), Preise in SFR / Euro

=== TIGAL KG ===
Homepage: http://www.tigal.com

* Boards und Tools für Embedded-Elektronik
* In Österreich
* Versandkosten ab € 7,00 in Österreich, ab € 10,00 nach Deutschland.
* Preisangaben ohne MWSt. Für Privatkunden kommen 20% österreichische Mehrwertsteuer hinzu.
* U.a. ZeroLogic Logik-Analysatoren.

=== TME (Transfer Multisort Elektronik) ===
Homepage: http://www.tme.eu/de

*breites Sortiment
*parametrische Suche
*Verkauf über die deutsche Tochter (19 % statt 21 % polnische Umsatzsteuer)

=== Trade-Shop / AIR Electronics GmbH ===
Homepage: http://www.trade-shop.de

* Trotz knackiger Sprüche auf der englischen Version der Webseite ("Electronic Components Superstore") eher kleines Angebot elektronischer Bauteile
* 20 Euro Mindestbestellmenge (Stand Februar 2008)
* ab 6,90 Euro Versandkosten (Deutschland, bis 1kg) (Stand Februar 2008)

=== Trenkenchu & Stadler GbR ===
Homepage: http://www.ts-audio.de

* die meisten Artikel sind deutlich teurer als der Marktpreis, es sind jedoch auch Schnäppchen dabei, z.B. HDMI-Kabel

=== Trenz-electronic ===
Homepage: http://www.trenz-electronic.de

* FPGA-Boards mit Xilinx-FPGAs (Xilinx, Digilent, ...) und Zubehör
* Weitere teils sehr spezielle Produkte, auch Eigen-Entwicklungen
* Liefert auch an Privatkunden

=== TV-Ersatzteile ===
Homepage: http://www.tversatzteile.de

* TV-, Audio-, Video-Ersatzteile, Aktive / Passive Bauteile
* Fernbedienungen Haushaltstechnik

=== UKW-Berichte ===
Homepage: http://www.ukw-berichte.de

* Antennen, Bauteile, Bausätze, Literatur für Amateurfunk
* ansässig in 91081 Baiersdorf

=== Voelkner ===
Homepage: http://voelkner.de
* Großer Teil des Conrad-Programms, identische Nummern, identische Aufkleber auf der Ware, Preise weitgehend identisch oder nur ein paar Cent abweichend, bei bestimmten Artikelgruppen (z.B. Werkzeug) aber auch bis zu 25% billiger
* Versandkosten Deutschland: 4,95€; ab 25€ Warenwert und Sofortüberweisung.de versandkostenfrei / Versandkosten-Flatrate für 15€ pro Jahr
* Versandkosten EU: 9,95€
* Möglichkeit der Versandkostenflatrate (D): Einmalig 14,95€ / gültig für ein Jahr
* Legt jeder Bestellung gleich wieder einen Gutschein über 5€ bei MBW 25€ bei (Flat nur bei häufigen, kleinen Bestellungen sinnvoll); außerdem kommt etwa alle 2-3 Monate selbiger Gutschein + versandkostenfreie Lieferung per Mail, ebenfalls MBW 25€
* Verpackungsqualität wechselnd, mal brauchbar, mal eher Pollin-Niveau. Selbst kleine Bestellungen, die gefahrlos per Brief/Großbrief verschickt werden könnten werden in einem großen Paket versendet.

=== VOTI Webshop ===
Homepage: http://www.voti.nl/shop/catalog.html

* relativ kleines Lieferprogramm
* einige interessante Restposten (Surplus)

* Sitz in Amersfoort, Niederlande

=== Walter elektronik ===
Homepage: http://www.walter-elektronik.de

* Bauteile, Röhren

=== Waschbär Soft 2010 ===
Homepage: http://www.xn--waschbr-soft-2010-vqb.de

* Onlineversandhaus für Unterhaltungselektronik, "Haushaltselektronik", Computer und -zubehör
* keine elektronischen Bauteile

=== Watterott electronic GmbH===
Homepage: http://www.watterott.com

* Distributor für Adafruit, Arduino, BeagleBoard/PandaBoard, Embedded Artists, GHI, Olimex, Parallax, Pololu, Seeed Studio, Solarbotics, SparkFun...
* Entwicklungskits von Atmel, Cypress, Freescale, Microchip, NXP, STM, TI...
* Spezialbauteile von Davicom, FTDI, VLSI, WIZnet...
* Bungard Basismaterial + Chemie
* kein Mindestbestellwert
* Zahlung: Vorkasse, Sofortüberweisung, PayPal, Nachnahme, Kreditkarte (Visa/Mastercard), Rechnung (nur gewerbliche Kunden)
* Versandkosten Dtl. (DHL):
** bis 50 EUR Warenwert: 3,50 Euro
** bis 100 EUR Warenwert: 3,00 Euro
** bis 150 EUR Warenwert: 2,00 Euro
** ab 150 EUR Warenwert: versandkostenfrei
* Versandkosten EU (DHL):
** bis 150 EUR Warenwert: 10,00 Euro
** bis 250 EUR Warenwert: 8,90 Euro
** bis 500 EUR Warenwert: 5,95 Euro
** ab 500 EUR Warenwert: versandkostenfrei
* Schneller, entgegenkommender Service
* in der "c't Hardware Hacks" 01/2013 ist ein Artikel über Stefan Watterott und seinen Online-Shop



=== WilTec Wildanger Technik GmbH ===
Homepage: http://shop.wiltec.info

* Aoyue Lötgeräte (Heißluft, Löten, Entlöten), Netzteile, Werkzeuge
* Aoyue Zubehör (Lötspitzen, Heißluftdüsen), Ersatzteile
* Andere, nicht Elektronik-Angebote, wie KFZ-Tuningteile
* Versand. Bei Voranmeldung auch Lagerverkauf.

=== Wüstens frag-jan-zuerst ===
Homepage: http://www.die-wuestens.de/dindex.htm

* Röhrentechnik
* Hochspannungs-Spezialteile

=== WIMO ===
Homepage: http://www.wimo.de

* Große Auswahl an Amateurfunktechnik

=== Zech DG0VE ===
Homepage: http://www.dg0ve.de

* Baugruppen für Amateurfunk

=== Diverse ===
* http://www.chip-flip.com - Europäisches Bauelementesuchsystem, franchised Lieferantensuche, Datenblätter und viele nützliche Informationen
* http://www.ecomponents-store.com/ Elektronische Bauelemente kaufen - Hier finden Sie eine große Auswahl an elektronischen und elektromechanischen Bauelementen von über 40 Herstellern.
* http://www.franchised-distributors.eu/ - Finden Sie Vertragsdistributoren von über 800 Halbleiterherstellern für elektronische und elektromechanische Bauelemente.

TODO: elektronik-fundgrube

==Ebay-Shops==

===Ego-China===
http://stores.ebay.de/Ego-China-Electronics TFTs und LCDs Versand aus China (2-3 Wochen)

===Sure-Electronics===
http://stores.ebay.de/Sure-Electronics Highpower LEDs und Verstärker 
Hat auch einen eigenen Shop: http://www.sureelectronics.net/ 
Versand aus China

===Ether-Deal===
http://stores.ebay.de/ether-deal Unter sonstiges viele versch. Elektronik-teile Versand aus China

===NooElec===
http://stores.ebay.de/NooElec USB-AVR Boards (mega32u2) und rgbled-matrizen Versand aus Kanada

===Sine qua non surplus===
http://stores.ebay.de/Sinequanon-Surplus-Electronics Großbritannien

==Messgeräte ==
=== Neue Messgeräte ===

Viele der oben genannten Elektronikversender verkaufen auch Messgeräte. Darüber hinaus gibt es diverse Versender, die sich hauptsächlich oder ausschließlich auf Messgeräte spezialisiert haben. Allerdings verkaufen viele davon nicht an Privat.

==== CalPlus GmbH ====
Homepage: http://www.calplus.de 
Shop: http://www.scopeshop.de

==== Cosinus ComputerMesstechnik ====
Homepage: http://www.cosinus.de

* Nicht an Privat

==== dataTec ====
Homepage: http://www.datatec.de

* Große Auswahl
* <s>(Nicht an Privat)</s> Bestellung von Privat problemlos möglich, Privatpersonen werden laut ABG per Vorkasse beliefert
* Studenten bekommen Rabatt, je nach dem, was bestellt wird
* Umständlicher Bestellvorgang, seitens DataTec teilweise auf dem Postweg -> Es dauert teil sehr lange bis die Ware ankommt
* Sehr freundlicher und kompetenter Service, per eMail als auch telefonisch

==== Elektronik-Kontor Messtechnik GmbH ====
Homepage: http://www.ekomess.de

==== Meilhaus Electronic GmbH ====
Homepage: http://www.meilhaus.de

* Diverse Markenhersteller
* Eigenmarken

==== PinSonne-Elektronik ====
Homepage: http://www.pinsonne-elektronik.de

* Onlineshop
* Sehr kleines Sortiment
* UNI-T, RIGOL und andere asiatische Firmen

==== PK elektronik Poppe GmbH ====
Homepage: http://www.pk-elektronik.de

* U.a. Fluke Distributor.

====Präzitronic Hennig / Messgeräte Chemnitz====
Homepage: http://www.messgeraete-chemnitz.de

* Verkauft explizit auch an Privat.
* Owon
* Selbst übersetzte deutsche Owon-Handbücher
* Fluke
* Extech
* Zusätzlich kleines Angebot an Gebrauchtgeräten

==== ScopeShop Hamburg ====

* Von CalPlus übernommen, siehe [[#CalPlus_GmbH|CalPlus]]

==== SI Scientific Instruments GmbH ====
Homepage: http://www.si-scientific.de (Onlineshop) 
Homepage: http://www.si-gmbh.de (komplettes Programm)

* Onlineshop auf si-scientific.de
* Akzeptiert PayPal

==== SKY Messtechnik GmbH ====
Homepage: http://www.sky-messtechnik.de

* Kein Onlineshop (E-Mail oder Telefon)

==== TESTEC ====
Homepage: http://www.testec.info

* Tastköpfe-Hersteller
* Hameg Vertriebspartner
* B+K Precision Generalimporteur

==== Zeitech ====
Homepage: http://www.zeitech.de/shop/

* Diverses (Rigol, Owon, etc.)

=== Gebrauchte Messgeräte ===

Dieser Abschnitt enthält Anbieter bei denen gebrauchte Messgeräte erhältlich sind.

==== Astro Electronic ====
Homepage: http://www.astro-electronic.de

==== HTB-Elektronik ====
Homepage: http://www.htb-elektronik.com

* Gebrauchte Messgeräte

==== IX Instrumex ====
Homepage: http://www.instrumex.de/index.cgi?User:LANGUAGE=de

* Gebrauchte Messgeräte

==== Christoph Lüders MessTechnik ====
Homepage: http://www.CLMT.de 
Online-Shop: http://www.shop-016.de/shop-CLMT.html 
eBay: http://myworld.ebay.de/c_h_r/

* Hat 2010 die Restbestände von Förtig übernommen

==== mbmt Messtechnik ====
Homepage: http://www.mbmt.com

* Gebrauchte Messgeräte
* Verkauf nur an Gewerbetreibende

==== Rosenkranz Elektronik ====
Homepage: http://www.rosenkranz-elektronik.de 
eBay Shop: http://stores.ebay.de/Rosenkranz-Elektronik-GmbH-Shop

* Gebrauchte Messgeräte
* Auch auf eBay zu finden

==== Helmut-Singer-Elektronik ====
Homepage: http://www.helmut-singer.de

* Gebrauchte Messgeräte
* Verkauf auch an Privat
* An den meisten Samstagen im Jahr auch Lagerverkauf, sonst Versand

==== Sphere ====
Homepage: http://www.sphere.bc.ca 
Messgeräte und Ersatzteile: http://www.sphere.bc.ca/test/index.html

* Gebrauchte Messgeräte
* Ersatzteile
** Besonders bekannt für Tektronix-Ersatzteile

==== Tektronix TekSelect ====
Homepage: http://www.tek.com/Measurement/tekselect/

* Tektronix verkauft selber gebrauchte und überarbeitete Tektronix-Messgeräte unter dem Label ''TekSelect''.
* Original Tektronix-Garantie
* Der Bestellvorgang nervt, man muss Kontaktaufnahme durch einen "Representative" erbeten.

== Siehe auch ==
* [[Platinenhersteller]]
* [[Lokale Elektroniklieferanten]]
* [[Eisenwarenversender]]

== Links ==

* http://www.xs4all.nl/~ganswijk/chipdir/ Suche nach integrierten Schaltkreisen
* http://www.alldatasheet.com Datenblätter

[[Kategorie:Lieferanten]]

Batteriewächter

2013-03-30T09:47:05Z

An ja: /* Praxis und Ideen */ L200 mit 5 Zellen hinzu

''von Anja''

{{Wettbewerb Header}}

[[Bild:BMON_1048_3_IMG0982w.JPG|thumb|300px|Batteriewächter]]
'''Eigenschaften'''
* Schaltausgang zum Abschalten der Last bei Unterspannung
* Mikroprozessordesign mit PIC18F2520
* Geringer Stromverbrauch typ. 10µA
* Geringe Mindestspannung typ. 2.5V
* Optional bestückbares Ladeteil mit L200
* Breiter Einsatzbereich von 4-12 NiMH Zellen oder 6-12V Bleiakkus
* Leiterplatte angepasst für Frontplatte eines EG2-Aluminiumgehäuses (ProMa)

'''Anwendungen'''
* Batteriemanagement
* Aus Messwert gespeistes Panelmeter

== Vorgeschichte ==

Eigentlich wollte ich nur eine einfache Anzeige für meine, per Akku gespeisten Referenzen: wann müssen die 9V-Blocks wieder ans Ladegerät. Ein einfaches Drehspulinstrument hätte es getan. Allerdings brauchen diese relativ viel Strom im Verhältnis zu einer ISL21009. Und bei einer Empfindlichkeit von 100µA sind sie auch nicht ganz billig.

Die nächste Idee: Eine low power Referenz und ein Komparator (oder gleich einen ICL7665). Nur: Was dann als Anzeige nehmen? Selbst eine low current LED braucht einige 100µA für die Anzeige.

Alternative Anzeigen wären eine einfache LCD Balkenanzeige wie im Handy. Diese sind allerdings nicht im DIP 8 Gehäuse erhältlich. Als Alternative bleiben eigentlich nur passive LC-Anzeigen mit 2-4 Digits.

Das Ganze zu takten war die nächste Idee. Also wie beim Rauchmelder nur kurze Mess- und Anzeigephasen um Strom zu sparen.

In der Zwischenzeit waren auch Referenzen im Programm, die eine Mindestspannung von 9V oder 14V benötigen. Die Anzahl der Zellen (8-12) ist also so gewachsen, dass die 16V des ICL7665 oder gängiger CMOS Logik nicht mehr ausreichen.

Schön wäre auch eine "richtige" Spannungsanzeige - also muss ein Prozessor her. Nachdem auch die ersten 9V-Blocks Schwächen wegen Tiefentladung zeigten, sollte das Ganze auch einen Unterspannungsschutz haben.

Zum damaligen Zeitpunkt gab es nur wenige Spannungsregler mit Eingangsspannungen bis 20 oder 25V und Eigenstromverbrauch unter 20µA. Und die auch nur von Farnell, also für Privat quasi unobtanium.

Eine Idee hatte ich schon länger um z.B. Uhrenchips im 12V-System zu betreiben: Ein normaler Sperrschicht-FET hat eine negative UGS-Spannung. Wenn man das Gate also an Masse anschließt müsste am Source eine halbwegs stabile Backup-Spannung übrig bleiben. Und das auch noch ohne dass der Spannungsregler einen nennenswerten Strom braucht.

Der Ehrgeiz war geweckt, es müsste doch möglich sein einen prozessorgesteuerten Komparator mit Spannungsanzeige bei unter 20µA Stromverbrauch und mit Versorgung direkt aus der Batterie im Bereich 5-20V zu entwickeln...

== Blockschaltbild ==

[[Bild:BMON_1048_BLOCK.PNG|thumb|right|350px|BMON148 - Blockschaltbild]]

Die Schaltung auf der Leiterplatte umfasst ein einfaches Ladeteil mit L200. Die Speisung erfolgt mit einem externen 24V Steckernetzteil. Ein Low-Power Spannungsregler erzeugt die VCC-Versorgung für den Prozessorteil. Der Prozessor misst die Akkuspannung sowie den Ladestrom und erzeugt das Steuersignal für die Endstufe. Auf dem Display werden die Akkuspannung sowie der Ladestrom angezeigt. Der Taster dient zum Ein-/Ausschalten der Last. Da der Leistungsteil je nach Last sehr unterschiedlich sein kann (z.B. BTS555 für Hochstromanwendungen), ist er außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Als Schaltungsbeispiel wird eine Endstufe mit LT1763 gezeigt.

=== Ladeteil ===

[[Bild:BMON_1048_L200.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Ladeteil]]

Das Ladeteil ist eine Standardapplikation mit L200, ergänzt um einen Spannungsausgang für die Strommessung.
Die maximale Ladespannung wird mittels Spannungsteiler R12 zu R11 eingestellt. R13 ist parallel zu R12 und wird für den Feinabgleich der Ausgangsspannung verwendet. Auf der Leiterplatte sind die Widerstände wahlweise als SMD (R11..R13) oder bedrahtet (R11A..R13A) bestückbar. R11A ist mit 820 Ohm bestückt. R12A mit 4K7 parallel zu R13A mit 130k ergibt 4K54. Die Ausgangsspannung von 18.1 V ergibt sich aus der Referenzspannung von 2.77V des L200 * (1 + 4540R/820R). R14 begrenzt den Strom auf ca. 200 mA (0.45V / 2R2).
Diode D2 verhindert ein Entladen des Akkus wenn das Steckernetzteil nicht angeschlossen ist. D3 dient als Verpolschutz.
Die Schaltung um U3 verstärkt die Spannung über dem Strombegrenzungswiderstand. Es muss zwingend ein OP verwendet werden dessen common mode input range an die positive Versorgung reicht. Bei einem TL062 ist dies bei normalen Raumtemperaturen gegeben. Die Spannung über R14 wird im Verhältnis R16/R15 = 2.32 fach verstärkt. Bei 200mA, also 450mV am Strombegrenzungswiderstand, ergibt sich für den ADC-Eingang eine Spannung von 1.04V über R16.
L1, L2 sowie C15-C19 bilden ein optional bestückbares EMV-Filter. C18+C19 filtern hierbei die Störungen über einen M3 Distanzbolzen auf das Aluminiumgehäuse.

=== Spannungsregler ===

[[Bild:BMON_1048_VCC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Spannungsregler BF245C]]

Es gibt 2 alternative Bestückungsvarianten:

U5 ist ein low power Spannungsregler XC6216 von Torex. An Ein- und Ausgang werden 1µF Kondensatoren benötigt. Der Ruhestromverbrauch ist mit 5µA im Datenblatt angegeben.

Da mir das vieeel zu hoch ist, habe ich einen Sperrschicht-FET als Spannungsregler verwendet. Ein BF245C hat bei kleinen Strömen je nach Exemplarstreuung eine Gate/Source Spannung von -3.2 .. -7.5 V zwischen Gate und Source.
Wenn man jetzt das Gate auf Masse legt, und an Drain die ungeregelte Eingangsspannung, bleibt am Source eine Ausgangsspannung von +3.2 bis 7.5V.
Da der nachgeschaltete Prozessor maximal 5.5V Spannung verträgt müssen die FETs selektiert werden. Bei der maximalen Eingangsspannung und minimaler Last (also nur die 10 Meg-Ohm des Messinstrumentes) dürfen die 5.5V nicht überschritten werden. Bei der typischen Last von 10µA, entsprechend 330K, sollten mindestens ca. 3.8V als minimale Spannung übrig bleiben.

Beim Austesten auf dem Steckbrett habe ich herausgefunden, dass der FET relativ empfindlich auf Störimpulse reagiert und teilweise hierdurch auch hohe Spannungen an den Ausgang durchlässt. Abhilfe schaffen Abblockkondensatoren an Ein- und Ausgang. Im Gegensatz zum XC6216 reichen für den FET normale 100nF Abblockkondensatoren. Die Diode D1 dient als Verpolschutz. R2 begrenzt beim FET schnelle Spannungsanstiege sowie den Maximalstrom. Das Austesten auf dem Steckbrett sollte mit den Abblock-Cs und der Schutzbeschaltung erfolgen.

Von 10 getesteten FETs hatten alle eine maximale Spannung im Bereich 4.57 bis 4.80 V bei 25V Eingangsspannung. Bei Belastung mit 1K-Ohm und 9V Eingangsspannung habe ich 2.61V bis 2.77V gemessen. Der Regler hat also ausreichend Reserven. Die Mühe des Selektierens wird belohnt durch einen Stromverbrauch von nicht messbaren wenigen nA für den Spannungsregler.

R2 sollte bei Verwendung des XC6216 durch einen 0 Ohm Widerstand ersetzt werden. Allerdings habe ich diese Schaltungsvariante noch nicht getestet.

=== Prozessorteil ===

[[Bild:BMON_1048_PIC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Prozessorteil]]

Als Prozessor wird ein PIC18F2520 verwendet. Es ist quasi der low power Nachfolger eines PIC16F876. Der Strom mit internem Oszillator beträgt ca. 1mA. Um den Stromverbrauch zu reduzieren, ist der Prozessor hauptsächlich im sleep mode und wird nur alle 16ms aufgeweckt, um die Flanken für die Wechselspannung von 30Hz für die passive LC-Anzeige zu generieren, die auch die meisten Pins benötigt. C4 mit 10µF puffert kurze Stromspitzen in der Aufwachphase. C7 mindert EMV-Störungen.

Die Batteriespannung wird über Spannungsteiler R4/R5 an Pin RA2 gemessen. U2 sorgt mit R3 für eine stabile Referenz von 1.235V auch bei schwankenden Versorgungsspannungen. Kurzzeitig werden für den Referenzeingang bis zu 150µA und für die Referenzdiode bis zu 20µA benötigt. Da kein Abblockkondensator an der Referenz verwendet wird, ist R3 relativ niederohmig dimensioniert.

Die Stromsparfunktionen werden alle mit PIN RA1 gesteuert. Die Auswertung der Eingänge erfolgt nur ein Mal je Sekunde. Dies betrifft R3 als Versorgung für die Referenzdiode sowie R6 als pull up Widerstand für den Taster. Über T2 wird der Spannungsteiler für die Batteriespannung stromlos geschaltet. Der BSS138 ist ein FET mit geringer UGS threshold voltage von max. 1.5V. Er begrenzt also am Source die Drain-Spannung auf VCC-1.5V. Da die Referenzspannung 1.2V beträgt, ergibt sich durch den FET bei einer Versorgungsspannung bis herab zu 2.7V noch keine Begrenzung des Messbereichs für die Batteriespannung von bis zu 25.5V.

Der Ladestrom wird über Analogeingang RA0 gemessen.

Mit der gewählten Dimensionierung für R4/R5 ergibt sich ein Messbereich von 25.5V für die Batteriespannung. Der Strombereich ist für ca. 240mA ausgelegt.

An Pin RB6 wird schließlich das Schaltsignal für die Endstufe erzeugt.

=== Bedienteil ===

[[Bild:BMON_1048_HMI.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Bedienteil]]

Aus Platzgründen (Frontplatte des EG2-Gehäuses von ProMa) konnte leider nur ein 2-stelliges LC-Display verwendet werden. Um dennoch Spannungen größer 9.9V darstellen zu können, wird der führende Dezimalpunkt als Zehner-Stelle verwendet. Ab 20.0V fängt dann der Dezimalpunkt an zu blinken. Bei Verwendung eines 3 oder 4-stelligen Displays würde man anstelle des führenden Dezimalpunktes beide Segmente für die führende "1" anschließen.
Der Kondensator C5 hält Gleichspannungssignale vom Display fern. Dies ist insbesonders nützlich beim Flashen bzw. in der Debugging Phase.

J1 ist die Verbindung zur Mutterplatine. Dort kann noch ein zweiter Taster parallel zum Taster auf der Frontplatte angeschlossen werden. R7 dient als Kurzschlußschutz bzw. zur Stromreduzierung des Schaltsignals.

=== Endstufe ===

[[Bild:BMON_1048_POWER.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Endstufe LT1763]]

Die Endstufe ist außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Damit ergibt sich maximale Flexibilität von wenigen mA bis zu mehreren Ampere über einen BSS138 Treiber mit BTS555 Endstufe. Der Anschluss an die BMON1048 Leiterplatte erfolgt über Buchsenleisten auf der Leiterplatte mit der Endstufe. Die Stecker für den Ladeteil und den Prozessorteil sind getrennt ausgeführt. Damit können die Messleitungen direkt am Batteriepack angeschlossen werden (4-Leiter Anschluss). Übergangswiderstände am Stecker und der Leitungen haben dann weniger Einfluss auf die Messung.

Hier ist ein Beispiel für eine Endstufe mit LT1763 für maximal 20V Ladeendspannung gezeigt. Im ausgeschalteten Zustand verbraucht der Spannungsregler weniger als 1µA zusätzlich. Der Ruhestrom mit 30µA ist ebenfalls ein guter Wert. C10 ist vorzugsweise ein Folienkondensator (geringer Mikrofonieeffekt) zur Rauschunterdrückung. Die Ausgangsspannung wird mit R11+R12 auf 14.0 V eingestellt.

== Software ==

Die Software hat folgende Funktionen:

* Messen der Spannung und des Stroms linksbündig als 10 Bit Wert
* Verrechnung eines Korrekturfaktors aus EEPROM für Feinabgleich
* Anzeige der Spannung auf Display
* Als Timer dient der Watchdog mit 16ms Periode
* Die 30 Hz Wechselspannung für das Display wird hieraus abgeleitet
* Im Ladebetrieb erfolgt die Anzeige des Stroms im Wechsel mit der Spannung
* Unterhalb 1.15V/Zelle abschalten der Last (Spannungsanzeige blinkt)
* Oberhalb 1.25V/Zelle wiedereinschalten der Last
* Bei Tastendruck länger als 5 Sekunden wird die Last manuell ein-/ausgeschaltet
* Bei Spannungseinbruch > 0.6V/Minute wird ebenfalls abgeschaltet
* Alle Parameter wie Zellenzahl + Hysterese sind im Header konfigurierbar

<c>
#define Cells 12 ; # number of cells
#define mV * 256 * 51/1051/1235 ; 25,6V * 5K1/(100K+5K1)/VRef
#define VOn Cells * 1250 mV ; high hysteresis
#define VOff Cells * 1150 mV ; low hysteresis
#define VOLT_SEC 10 ; check every 10 seconds
#define VDIFF 600 mV ; voltage drop / minute
#define mA * 1 ; 1 mA / count
#define CURR_MIN 10 mA ; min current to display
</c>

Die Software ist mit MPASM 5.40 (MPLAB 8.70) erstellt. Die Bit-Schubsereien für das Display werden mit Tabellen in Page 0 für alle 3 Ports A-C und die Digits 1-2 abgehandelt.

Bei der Initialisierung wird erst die Hardware initialisiert und danach alle Variablen einschließlich der Kalibrierparameter die aus dem EEPROM gelesen werden. Die Kalibrierfaktoren sind im 2er Komplement als 16 Bit signed Wert gespeichert. Ein Abgleich von +/- 50% entspricht +/-32768 als Wert.

Die meiste Zeit verbringt der Prozessor im sleep mode. Alle 16 ms weckt der Watchdog den Prozessor auf, um die Pins für die Anzeige zu invertieren. Jede Sekunde finden zusätzlich noch Messfunktionen, einschließlich update der Anzeige sowie die Tastenabfrage statt.
Um Zeit (und damit Strom) zu sparen, wird die Wartezeit aufs ADC-Ergebnis genutzt, um eine Tastenentprellung bzw. die Vorverarbeitung der Spannungsmessung während der Strommessung durchzuführen.
Alle 10 Sekunden wird das High-Byte des Spannungswertes in einen Ringpuffer mit 6 Einträgen für die vergangene Minute eingetragen. Dies dient unterhalb der Einschaltschwelle zum Detektieren eines plötzlichen Spannungsabfalls falls eine Zelle schneller entladen ist, als die übrigen im Pack.

== Aufbau ==

<gallery>
Bild:Loetseite_IMG0964W.JPG|BMON1048 - Lötseite
Bild:BMON1048_BS_IMG0968W.JPG|Bestückungsseite
Bild:BMON1048_BST_LS.PNG|Position LS
Bild:BMON1048_BST_BS.PNG|Position BS
</gallery>

=== Lötseite ===

Die Leiterplatte ist doppelseitig. Die meisten Durchkontaktierungen liegen auf bedrahteten Bauelementen so dass eine durchkontaktierte Leiterplatte nicht zwingend nötig ist. Die drei Durchkontaktierungen im Bereich des Programmiersteckers können auch mit Kupferhohlnieten oder einer Drahtbrücke bestückt werden.

Am besten beginnt man nach Durchkontaktieren mit der Bestückung auf der Lötseite. C18, C19 sowie U5 sind im Muster nicht bestückt.

=== Bestückungsseite ===

Auf der Bestückungsseite werden zuerst die Bauteile unter dem Display, sowie die Widerstände unter dem L200 bestückt. Einige bedrahtete Bauteile müssen auf beiden Seiten der Platine verlötet werden, falls keine durchkontaktierte Leiterplatte verwendet wird.

Die Ladebuchse ist auf die Leiterplatte aufgesetzt. Die Anschlüsse werden mit Silberdraht verlängert. Mit dem Verlöten des Silberdrahtes sollte man, wie beim L200, so lange warten, bis die Frontplatte montiert ist.
In den Layoutdaten ist auch ein Layer für die Frontplatte enthalten, der als Bohrhilfe verwendet werden kann.

Der L200 ist über Kopf bestückt, die Anschlussdrähte also gegenüber dem stehenden Einbau auf die andere Seite abgewinkelt. Bei Verwendung von 10mm Distanzbolzen muss als Isolierung mindestens eine 1.5 mm Aluminiumoxidscheibe verwendet werden, damit sich die Pins des L200 im montierten Zustand verlöten lassen. Die Frontplatte des EG2-Gehäuses dient hiermit gleichzeitig als Kühlfläche.

C12 muss liegend montiert werden.

Für das Display verwende ich eine 18-polige Präzisionsfassung, die mit dem Seitenschneider auseinander geschnitten wird. Verlöten geht am einfachsten wenn das Display bereits in die Fassung gesteckt ist. Die beiden Pins 1 + 18 für die Backplane sind auf der Leiterplattenoberseite verbunden (Lötung unter der Fassung nicht vergessen).

Der Taster ist eine Ausführung mit langem Stößel, wenn die Bedienung ohne Hilfswerkzeug möglich sein soll.

=== Montagedetail L200 ===

[[Bild:BMON1048_L200_IMG0981W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - L200 Montage]]

Montagedetail L200:

* M3 Schraube
* Frontplatte
* Aluminiumoxidscheibe (AOS220 - 1.5mm)
* L200
* Isolierbuchse
* Unterlegscheibe (fehlt im Bild)
* M3 Mutter

=== Frontansichten ===

* Ansicht montiert mit Spannungsanzeige 16.7V
* Ansicht Ladebetrieb mit Stromanzeige 188mA

<gallery>
Bild:BMON1048_Spannung_IMG0965W.JPG|Spannungsanzeige
Bild:BMON1048_Strom_IMG0966W.JPG|Stromanzeige
</gallery>

== Inbetriebnahme und Abgleich ==

Der Ladeteil und der Batteriewächter können, auf Grund der getrennten Steckverbinder, unabhängig voneinander in Betrieb genommen werden.

=== Ladeteil ===

An einem strombegrenzten Netzteil (ca. 20-100mA) wird die Spannung an der Ladebuchse langsam von 0V an erhöht und die Stromaufnahme gemessen. Der Eigenverbrauch des L200 liegt bei ca. 10mA. Dieser Wert darf nicht wesentlich überschritten werden. Ist alles in Ordnung dreht man die Spannung langsam auf 24V. Die Ausgangsspannung des L200 sollte vor der Verpolschutzdiode D2 gemessen ca. 18.1V sein. Falls nicht, kann man durch Feinabgleich des Widerstandes R13 noch etwas korrigieren.
Danach einen Akkusatz anschließen und die Strombegrenzung des Netzteils langsam auf ca. 250mA-300mA drehen. Der Strom in den Akku sollte durch den L200 auf ca. 200 mA begrenzt werden.
Bei vollgeladenem Akku sollte der Strom unter C/50 besser C/100 (also 20-40 mA) zurückgehen. Gegebenenfalls ist die Ladeendspannung etwas zu reduzieren.

=== Prozessorteil ===

Zunächst wird der Prozessor mit einem Programmiergerät geflasht. Bei Verwendung des FET-Spannungsreglers darauf achten, dass die Spannungsversorgung für den Prozessor vom Programmiergerät (z.B. PICKIT3) zur Verfügung gestellt wird.
Hierbei darauf achten, dass die nominalen Kalibrierwerte im EEPROM nicht zu weit von den Defaultwerten abweichen.
Bei der Spannung ist der Defaultwert = 0x00, 0x00 (= Faktor 1.0 bzw. 0% Korrektur)
Beim Strom ist die Verstärkung nicht ganz auf einen Strom-Endwert von 255mA ausgelegt, sondern etwa 5 Prozent tiefer. Der nominale Kalibrierwert für den Strom beträgt daher 0xF3, 0x1B (= Faktor 0.94963 bzw. -5.04%).

Nach dem Flashen wird an die beiden mittleren Pins von J1 eine Spannung von ca. 5V angeschlossen. Ist alles ok, sollte das Display die Spannung blinkend anzeigen. Der Ausgang J1 PIN 1 weist hierbei Low-Pegel auf. Die Spannung wird langsam auf ca. 20V (max. 25V) erhöht und die prozentuale Abweichung zwischen Sollwert und Anzeige berechnet. Ab ca. 15.0 V verschwindet das Blinken und der Ausgang wechselt auf High-Pegel (>2.4V). Unterhalb ca. 13.8V wird die Last wieder abgeschaltet und das Display blinkt wieder.
Danach wird ein Akku (15-17V) an Prozessorteil und Ladeteil angeschlossen. Über ein strombegrenztes Netzteil werden ca. 180mA Ladestrom in den Akku eingestellt. Die Anzeige zeigt jetzt im Wechsel die Akkuspannung und den Ladestrom an. Wiederum wird die prozentuale Abweichung vom tatsächlichen Ladestrom berechnet.
Die prozentualen Abweichungen werden auf die existierenden Kalibrierwerte multipliziert und dann nach einem MPASM-Lauf ins EEPROM geschrieben. Bei Verwendung von MPLAB darauf achten dass im "Release" Modus und nicht im "Debug" Modus gearbeitet wird.

Danach ist der Batteriewächter einsatzbereit.

== Praxis und Ideen ==

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|BMON1035 Stromverbrauch 9.7µA bei 9.3V]]

Anbei ein Aufbau einer Vorgängerversion ohne Ladestrommessung (BMON1035) mit einem Stromverbrauch um 9.7 µA (schwankend) bei einem frisch aufgeladenen Akku mit 9.3V. An einem BMON1048 mit Strommessung habe ich 10-12µA gemessen. Wobei der Stromverbrauch auch von der tatsächlichen Versorgungsspannung des Prozessors abhängt.

Ich habe zwei Schaltungen mit ca. 30 mA Last seit 2.5 Jahren im Dauerbetrieb mit je 12 AA-Zellen und täglichem Ladebetrieb. Der erste Akkusatz zeigt seit letztem Sommer (bis zu 32 Grad Raumtemperatur während dem Laden) einen erhöhten Innenwiderstand. Der Ladestrom bei vollem Akku lag hierbei bei erhöhter Temperatur bei 60-70mA.

Die Spannungsdifferenz beim Einstecken / Entfernen des Ladegerätes ist bei diesem Akkusatz ca. 1V. Bei niedrigen Spannungen unter 15V und kurzem Ladebetrieb wird hierdurch die Last ungewollt abgeworfen. Das Kriterium 0.6V Abfall innerhalb einer Minute wird überschritten.
Der andere Akkusatz liegt immer noch bei 0.2V Differenz zwischen Normal und Ladebetrieb.

Ganz oben auf der Wunschliste steht der vereinfachte Abgleich der Kalibrierwerte im EEPROM. Denkbar wäre irgendein Morsecode über den Taster oder ein Jumper an einem freien Pin, um den Abgleich bei angelegten Referenzwerten zu starten.

Freier Speicherplatz ist jedenfalls genügend vorhanden. Wobei Sonderfunktionen nur selten gerechnet werden sollten, um den Stromverbrauch nicht zu stark zu erhöhen.

Die führende "1" wird derzeit wegen des 2-stelligen Displays als Dezimalpunkt angezeigt. Bei einem 3-stelligen Display würde man anstelle des Dezimalpunktes die beiden Segmente "b" und "c" für die "1" parallel ansteuern.

Ideen:
* Temperaturkompensation der End-Ladespannung mittels NTC / Dioden
* Alternativ: Abschaltung des Ladezweigs per Prozessor-Pin, wenn der Ladestrom bei der Endspannung eingeschwungen ist
* Lernfunktion Berücksichtigung Spannungsdifferenz bei Ladebetrieb für Abschaltkriterium
* Automatisiertes Speichern der Abgleichwerte im EEPROM

Anpassung an andere Zellenzahlen:

:{| class="wikitable"
|+ '''Ladeteil L200'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R13 || UE,min || UE,nom
|-
| 4 || 6.5 || 2K2 || 2K2 || 10.2V || 12V
|-
| 5 || 7.95 || 2K2 || 5K1 || 11.7V || 13V
|-
| 6 || 9.4 || 2K2 || 18K || 13.1V || 15V
|-
| 7 || 10.85 || 2K4 || --- || 14.6V || 16V
|-
| 8 || 12.3 || 3K0 || 47K || 16.0V || 18V
|-
| 10 || 15.2 || 3K9 || 68K || 18.9V || 20V
|-
| 12 || 18.1 || 4K7 || 130K || 21.8V || 24V
|}

Die minimale Netzteilspannung UE,min gilt für den worst case. In der Praxis hat man hierbei ca 0.5V Reserve.

:{| class="wikitable"
|+ '''Lastregler LT1763 (Ausserhalb Leiterplatte)'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R11
|-
| 5 || 5.1 || 4K7 || 15K
|-
| 6 || 6.0 || 10K || 39K
|-
| 7 || 8.0 || 2K7 || 15K
|-
| 8 || 9.35 || 3K3 || 22K
|-
| 10 || 11.5 || 3K9 || 33K
|-
| 12 || 12.0 || 2K7 || 24K
|-
| 12 || 14.0 || 6K49 || 68K
|}

== Downloads ==

* [[Media:BMON1048_MPASM.ZIP| Source code für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_Schaltbild.pdf| Schaltplan für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_gcprevue.zip| Layout (Gerber) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_PDF.zip| Layout (PDF) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_STK.txt| Stückliste Batteriewächter BMON1048]]

== Weblinks ==

* [http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00000053.pdf L200_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BSS84.pdf BSS84P_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF245A-B-C.pdf BF245C_Datasheet]
* [http://www.torex.co.jp/english/products/voltage_regulators/data/XC6216_XE6216.pdf XC6216_Datasheet]
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39631e.pdf PIC18F2520_Datasheet]
* [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm285-1.2-n.pdf LM385Z-1.2_Datasheet]
* [http://www.fairchildsemi.com/ds/BS/BSS138.pdf BSS138_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Hintergrund-gruen/LCD-2-0-13/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=3005&ARTICLE=10179&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& LCD-2-13]
* [http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1763fg.pdf LT1763_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Proma-Gehaeuse/GEH-EG-2/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=5199&ARTICLE=50424&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& Gehäuse_EG2]
* [http://www.graphicode.com/ GC-Prevue Gerber viewer]

== Siehe auch ==

* [http://www.mikrocontroller.net/topic/288063 Forum: Diskussion zu diesem Projekt]

[[Kategorie:Wettbewerb]]
[[Kategorie:PIC-Projekte]]
[[Kategorie:Spannungsversorgung_und_Energiequellen]]
[[Kategorie:Messtechnik]]
[[Kategorie:Projekte]]

Batteriewächter

2013-03-27T20:35:08Z

An ja: /* Praxis und Ideen */ minimale Netzteilspannung

''von Anja''

{{Wettbewerb Header}}

[[Bild:BMON_1048_3_IMG0982w.JPG|thumb|300px|Batteriewächter]]
'''Eigenschaften'''
* Schaltausgang zum Abschalten der Last bei Unterspannung
* Mikroprozessordesign mit PIC18F2520
* Geringer Stromverbrauch typ. 10µA
* Geringe Mindestspannung typ. 2.5V
* Optional bestückbares Ladeteil mit L200
* Breiter Einsatzbereich von 4-12 NiMH Zellen oder 6-12V Bleiakkus
* Leiterplatte angepasst für Frontplatte eines EG2-Aluminiumgehäuses (ProMa)

'''Anwendungen'''
* Batteriemanagement
* Aus Messwert gespeistes Panelmeter

== Vorgeschichte ==

Eigentlich wollte ich nur eine einfache Anzeige für meine, per Akku gespeisten Referenzen: wann müssen die 9V-Blocks wieder ans Ladegerät. Ein einfaches Drehspulinstrument hätte es getan. Allerdings brauchen diese relativ viel Strom im Verhältnis zu einer ISL21009. Und bei einer Empfindlichkeit von 100µA sind sie auch nicht ganz billig.

Die nächste Idee: Eine low power Referenz und ein Komparator (oder gleich einen ICL7665). Nur: Was dann als Anzeige nehmen? Selbst eine low current LED braucht einige 100µA für die Anzeige.

Alternative Anzeigen wären eine einfache LCD Balkenanzeige wie im Handy. Diese sind allerdings nicht im DIP 8 Gehäuse erhältlich. Als Alternative bleiben eigentlich nur passive LC-Anzeigen mit 2-4 Digits.

Das Ganze zu takten war die nächste Idee. Also wie beim Rauchmelder nur kurze Mess- und Anzeigephasen um Strom zu sparen.

In der Zwischenzeit waren auch Referenzen im Programm, die eine Mindestspannung von 9V oder 14V benötigen. Die Anzahl der Zellen (8-12) ist also so gewachsen, dass die 16V des ICL7665 oder gängiger CMOS Logik nicht mehr ausreichen.

Schön wäre auch eine "richtige" Spannungsanzeige - also muss ein Prozessor her. Nachdem auch die ersten 9V-Blocks Schwächen wegen Tiefentladung zeigten, sollte das Ganze auch einen Unterspannungsschutz haben.

Zum damaligen Zeitpunkt gab es nur wenige Spannungsregler mit Eingangsspannungen bis 20 oder 25V und Eigenstromverbrauch unter 20µA. Und die auch nur von Farnell, also für Privat quasi unobtanium.

Eine Idee hatte ich schon länger um z.B. Uhrenchips im 12V-System zu betreiben: Ein normaler Sperrschicht-FET hat eine negative UGS-Spannung. Wenn man das Gate also an Masse anschließt müsste am Source eine halbwegs stabile Backup-Spannung übrig bleiben. Und das auch noch ohne dass der Spannungsregler einen nennenswerten Strom braucht.

Der Ehrgeiz war geweckt, es müsste doch möglich sein einen prozessorgesteuerten Komparator mit Spannungsanzeige bei unter 20µA Stromverbrauch und mit Versorgung direkt aus der Batterie im Bereich 5-20V zu entwickeln...

== Blockschaltbild ==

[[Bild:BMON_1048_BLOCK.PNG|thumb|right|350px|BMON148 - Blockschaltbild]]

Die Schaltung auf der Leiterplatte umfasst ein einfaches Ladeteil mit L200. Die Speisung erfolgt mit einem externen 24V Steckernetzteil. Ein Low-Power Spannungsregler erzeugt die VCC-Versorgung für den Prozessorteil. Der Prozessor misst die Akkuspannung sowie den Ladestrom und erzeugt das Steuersignal für die Endstufe. Auf dem Display werden die Akkuspannung sowie der Ladestrom angezeigt. Der Taster dient zum Ein-/Ausschalten der Last. Da der Leistungsteil je nach Last sehr unterschiedlich sein kann (z.B. BTS555 für Hochstromanwendungen), ist er außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Als Schaltungsbeispiel wird eine Endstufe mit LT1763 gezeigt.

=== Ladeteil ===

[[Bild:BMON_1048_L200.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Ladeteil]]

Das Ladeteil ist eine Standardapplikation mit L200, ergänzt um einen Spannungsausgang für die Strommessung.
Die maximale Ladespannung wird mittels Spannungsteiler R12 zu R11 eingestellt. R13 ist parallel zu R12 und wird für den Feinabgleich der Ausgangsspannung verwendet. Auf der Leiterplatte sind die Widerstände wahlweise als SMD (R11..R13) oder bedrahtet (R11A..R13A) bestückbar. R11A ist mit 820 Ohm bestückt. R12A mit 4K7 parallel zu R13A mit 130k ergibt 4K54. Die Ausgangsspannung von 18.1 V ergibt sich aus der Referenzspannung von 2.77V des L200 * (1 + 4540R/820R). R14 begrenzt den Strom auf ca. 200 mA (0.45V / 2R2).
Diode D2 verhindert ein Entladen des Akkus wenn das Steckernetzteil nicht angeschlossen ist. D3 dient als Verpolschutz.
Die Schaltung um U3 verstärkt die Spannung über dem Strombegrenzungswiderstand. Es muss zwingend ein OP verwendet werden dessen common mode input range an die positive Versorgung reicht. Bei einem TL062 ist dies bei normalen Raumtemperaturen gegeben. Die Spannung über R14 wird im Verhältnis R16/R15 = 2.32 fach verstärkt. Bei 200mA, also 450mV am Strombegrenzungswiderstand, ergibt sich für den ADC-Eingang eine Spannung von 1.04V über R16.
L1, L2 sowie C15-C19 bilden ein optional bestückbares EMV-Filter. C18+C19 filtern hierbei die Störungen über einen M3 Distanzbolzen auf das Aluminiumgehäuse.

=== Spannungsregler ===

[[Bild:BMON_1048_VCC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Spannungsregler BF245C]]

Es gibt 2 alternative Bestückungsvarianten:

U5 ist ein low power Spannungsregler XC6216 von Torex. An Ein- und Ausgang werden 1µF Kondensatoren benötigt. Der Ruhestromverbrauch ist mit 5µA im Datenblatt angegeben.

Da mir das vieeel zu hoch ist, habe ich einen Sperrschicht-FET als Spannungsregler verwendet. Ein BF245C hat bei kleinen Strömen je nach Exemplarstreuung eine Gate/Source Spannung von -3.2 .. -7.5 V zwischen Gate und Source.
Wenn man jetzt das Gate auf Masse legt, und an Drain die ungeregelte Eingangsspannung, bleibt am Source eine Ausgangsspannung von +3.2 bis 7.5V.
Da der nachgeschaltete Prozessor maximal 5.5V Spannung verträgt müssen die FETs selektiert werden. Bei der maximalen Eingangsspannung und minimaler Last (also nur die 10 Meg-Ohm des Messinstrumentes) dürfen die 5.5V nicht überschritten werden. Bei der typischen Last von 10µA, entsprechend 330K, sollten mindestens ca. 3.8V als minimale Spannung übrig bleiben.

Beim Austesten auf dem Steckbrett habe ich herausgefunden, dass der FET relativ empfindlich auf Störimpulse reagiert und teilweise hierdurch auch hohe Spannungen an den Ausgang durchlässt. Abhilfe schaffen Abblockkondensatoren an Ein- und Ausgang. Im Gegensatz zum XC6216 reichen für den FET normale 100nF Abblockkondensatoren. Die Diode D1 dient als Verpolschutz. R2 begrenzt beim FET schnelle Spannungsanstiege sowie den Maximalstrom. Das Austesten auf dem Steckbrett sollte mit den Abblock-Cs und der Schutzbeschaltung erfolgen.

Von 10 getesteten FETs hatten alle eine maximale Spannung im Bereich 4.57 bis 4.80 V bei 25V Eingangsspannung. Bei Belastung mit 1K-Ohm und 9V Eingangsspannung habe ich 2.61V bis 2.77V gemessen. Der Regler hat also ausreichend Reserven. Die Mühe des Selektierens wird belohnt durch einen Stromverbrauch von nicht messbaren wenigen nA für den Spannungsregler.

R2 sollte bei Verwendung des XC6216 durch einen 0 Ohm Widerstand ersetzt werden. Allerdings habe ich diese Schaltungsvariante noch nicht getestet.

=== Prozessorteil ===

[[Bild:BMON_1048_PIC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Prozessorteil]]

Als Prozessor wird ein PIC18F2520 verwendet. Es ist quasi der low power Nachfolger eines PIC16F876. Der Strom mit internem Oszillator beträgt ca. 1mA. Um den Stromverbrauch zu reduzieren, ist der Prozessor hauptsächlich im sleep mode und wird nur alle 16ms aufgeweckt, um die Flanken für die Wechselspannung von 30Hz für die passive LC-Anzeige zu generieren, die auch die meisten Pins benötigt. C4 mit 10µF puffert kurze Stromspitzen in der Aufwachphase. C7 mindert EMV-Störungen.

Die Batteriespannung wird über Spannungsteiler R4/R5 an Pin RA2 gemessen. U2 sorgt mit R3 für eine stabile Referenz von 1.235V auch bei schwankenden Versorgungsspannungen. Kurzzeitig werden für den Referenzeingang bis zu 150µA und für die Referenzdiode bis zu 20µA benötigt. Da kein Abblockkondensator an der Referenz verwendet wird, ist R3 relativ niederohmig dimensioniert.

Die Stromsparfunktionen werden alle mit PIN RA1 gesteuert. Die Auswertung der Eingänge erfolgt nur ein Mal je Sekunde. Dies betrifft R3 als Versorgung für die Referenzdiode sowie R6 als pull up Widerstand für den Taster. Über T2 wird der Spannungsteiler für die Batteriespannung stromlos geschaltet. Der BSS138 ist ein FET mit geringer UGS threshold voltage von max. 1.5V. Er begrenzt also am Source die Drain-Spannung auf VCC-1.5V. Da die Referenzspannung 1.2V beträgt, ergibt sich durch den FET bei einer Versorgungsspannung bis herab zu 2.7V noch keine Begrenzung des Messbereichs für die Batteriespannung von bis zu 25.5V.

Der Ladestrom wird über Analogeingang RA0 gemessen.

Mit der gewählten Dimensionierung für R4/R5 ergibt sich ein Messbereich von 25.5V für die Batteriespannung. Der Strombereich ist für ca. 240mA ausgelegt.

An Pin RB6 wird schließlich das Schaltsignal für die Endstufe erzeugt.

=== Bedienteil ===

[[Bild:BMON_1048_HMI.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Bedienteil]]

Aus Platzgründen (Frontplatte des EG2-Gehäuses von ProMa) konnte leider nur ein 2-stelliges LC-Display verwendet werden. Um dennoch Spannungen größer 9.9V darstellen zu können, wird der führende Dezimalpunkt als Zehner-Stelle verwendet. Ab 20.0V fängt dann der Dezimalpunkt an zu blinken. Bei Verwendung eines 3 oder 4-stelligen Displays würde man anstelle des führenden Dezimalpunktes beide Segmente für die führende "1" anschließen.
Der Kondensator C5 hält Gleichspannungssignale vom Display fern. Dies ist insbesonders nützlich beim Flashen bzw. in der Debugging Phase.

J1 ist die Verbindung zur Mutterplatine. Dort kann noch ein zweiter Taster parallel zum Taster auf der Frontplatte angeschlossen werden. R7 dient als Kurzschlußschutz bzw. zur Stromreduzierung des Schaltsignals.

=== Endstufe ===

[[Bild:BMON_1048_POWER.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Endstufe LT1763]]

Die Endstufe ist außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Damit ergibt sich maximale Flexibilität von wenigen mA bis zu mehreren Ampere über einen BSS138 Treiber mit BTS555 Endstufe. Der Anschluss an die BMON1048 Leiterplatte erfolgt über Buchsenleisten auf der Leiterplatte mit der Endstufe. Die Stecker für den Ladeteil und den Prozessorteil sind getrennt ausgeführt. Damit können die Messleitungen direkt am Batteriepack angeschlossen werden (4-Leiter Anschluss). Übergangswiderstände am Stecker und der Leitungen haben dann weniger Einfluss auf die Messung.

Hier ist ein Beispiel für eine Endstufe mit LT1763 für maximal 20V Ladeendspannung gezeigt. Im ausgeschalteten Zustand verbraucht der Spannungsregler weniger als 1µA zusätzlich. Der Ruhestrom mit 30µA ist ebenfalls ein guter Wert. C10 ist vorzugsweise ein Folienkondensator (geringer Mikrofonieeffekt) zur Rauschunterdrückung. Die Ausgangsspannung wird mit R11+R12 auf 14.0 V eingestellt.

== Software ==

Die Software hat folgende Funktionen:

* Messen der Spannung und des Stroms linksbündig als 10 Bit Wert
* Verrechnung eines Korrekturfaktors aus EEPROM für Feinabgleich
* Anzeige der Spannung auf Display
* Als Timer dient der Watchdog mit 16ms Periode
* Die 30 Hz Wechselspannung für das Display wird hieraus abgeleitet
* Im Ladebetrieb erfolgt die Anzeige des Stroms im Wechsel mit der Spannung
* Unterhalb 1.15V/Zelle abschalten der Last (Spannungsanzeige blinkt)
* Oberhalb 1.25V/Zelle wiedereinschalten der Last
* Bei Tastendruck länger als 5 Sekunden wird die Last manuell ein-/ausgeschaltet
* Bei Spannungseinbruch > 0.6V/Minute wird ebenfalls abgeschaltet
* Alle Parameter wie Zellenzahl + Hysterese sind im Header konfigurierbar

<c>
#define Cells 12 ; # number of cells
#define mV * 256 * 51/1051/1235 ; 25,6V * 5K1/(100K+5K1)/VRef
#define VOn Cells * 1250 mV ; high hysteresis
#define VOff Cells * 1150 mV ; low hysteresis
#define VOLT_SEC 10 ; check every 10 seconds
#define VDIFF 600 mV ; voltage drop / minute
#define mA * 1 ; 1 mA / count
#define CURR_MIN 10 mA ; min current to display
</c>

Die Software ist mit MPASM 5.40 (MPLAB 8.70) erstellt. Die Bit-Schubsereien für das Display werden mit Tabellen in Page 0 für alle 3 Ports A-C und die Digits 1-2 abgehandelt.

Bei der Initialisierung wird erst die Hardware initialisiert und danach alle Variablen einschließlich der Kalibrierparameter die aus dem EEPROM gelesen werden. Die Kalibrierfaktoren sind im 2er Komplement als 16 Bit signed Wert gespeichert. Ein Abgleich von +/- 50% entspricht +/-32768 als Wert.

Die meiste Zeit verbringt der Prozessor im sleep mode. Alle 16 ms weckt der Watchdog den Prozessor auf, um die Pins für die Anzeige zu invertieren. Jede Sekunde finden zusätzlich noch Messfunktionen, einschließlich update der Anzeige sowie die Tastenabfrage statt.
Um Zeit (und damit Strom) zu sparen, wird die Wartezeit aufs ADC-Ergebnis genutzt, um eine Tastenentprellung bzw. die Vorverarbeitung der Spannungsmessung während der Strommessung durchzuführen.
Alle 10 Sekunden wird das High-Byte des Spannungswertes in einen Ringpuffer mit 6 Einträgen für die vergangene Minute eingetragen. Dies dient unterhalb der Einschaltschwelle zum Detektieren eines plötzlichen Spannungsabfalls falls eine Zelle schneller entladen ist, als die übrigen im Pack.

== Aufbau ==

<gallery>
Bild:Loetseite_IMG0964W.JPG|BMON1048 - Lötseite
Bild:BMON1048_BS_IMG0968W.JPG|Bestückungsseite
Bild:BMON1048_BST_LS.PNG|Position LS
Bild:BMON1048_BST_BS.PNG|Position BS
</gallery>

=== Lötseite ===

Die Leiterplatte ist doppelseitig. Die meisten Durchkontaktierungen liegen auf bedrahteten Bauelementen so dass eine durchkontaktierte Leiterplatte nicht zwingend nötig ist. Die drei Durchkontaktierungen im Bereich des Programmiersteckers können auch mit Kupferhohlnieten oder einer Drahtbrücke bestückt werden.

Am besten beginnt man nach Durchkontaktieren mit der Bestückung auf der Lötseite. C18, C19 sowie U5 sind im Muster nicht bestückt.

=== Bestückungsseite ===

Auf der Bestückungsseite werden zuerst die Bauteile unter dem Display, sowie die Widerstände unter dem L200 bestückt. Einige bedrahtete Bauteile müssen auf beiden Seiten der Platine verlötet werden, falls keine durchkontaktierte Leiterplatte verwendet wird.

Die Ladebuchse ist auf die Leiterplatte aufgesetzt. Die Anschlüsse werden mit Silberdraht verlängert. Mit dem Verlöten des Silberdrahtes sollte man, wie beim L200, so lange warten, bis die Frontplatte montiert ist.
In den Layoutdaten ist auch ein Layer für die Frontplatte enthalten, der als Bohrhilfe verwendet werden kann.

Der L200 ist über Kopf bestückt, die Anschlussdrähte also gegenüber dem stehenden Einbau auf die andere Seite abgewinkelt. Bei Verwendung von 10mm Distanzbolzen muss als Isolierung mindestens eine 1.5 mm Aluminiumoxidscheibe verwendet werden, damit sich die Pins des L200 im montierten Zustand verlöten lassen. Die Frontplatte des EG2-Gehäuses dient hiermit gleichzeitig als Kühlfläche.

C12 muss liegend montiert werden.

Für das Display verwende ich eine 18-polige Präzisionsfassung, die mit dem Seitenschneider auseinander geschnitten wird. Verlöten geht am einfachsten wenn das Display bereits in die Fassung gesteckt ist. Die beiden Pins 1 + 18 für die Backplane sind auf der Leiterplattenoberseite verbunden (Lötung unter der Fassung nicht vergessen).

Der Taster ist eine Ausführung mit langem Stößel, wenn die Bedienung ohne Hilfswerkzeug möglich sein soll.

=== Montagedetail L200 ===

[[Bild:BMON1048_L200_IMG0981W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - L200 Montage]]

Montagedetail L200:

* M3 Schraube
* Frontplatte
* Aluminiumoxidscheibe (AOS220 - 1.5mm)
* L200
* Isolierbuchse
* Unterlegscheibe (fehlt im Bild)
* M3 Mutter

=== Frontansichten ===

* Ansicht montiert mit Spannungsanzeige 16.7V
* Ansicht Ladebetrieb mit Stromanzeige 188mA

<gallery>
Bild:BMON1048_Spannung_IMG0965W.JPG|Spannungsanzeige
Bild:BMON1048_Strom_IMG0966W.JPG|Stromanzeige
</gallery>

== Inbetriebnahme und Abgleich ==

Der Ladeteil und der Batteriewächter können, auf Grund der getrennten Steckverbinder, unabhängig voneinander in Betrieb genommen werden.

=== Ladeteil ===

An einem strombegrenzten Netzteil (ca. 20-100mA) wird die Spannung an der Ladebuchse langsam von 0V an erhöht und die Stromaufnahme gemessen. Der Eigenverbrauch des L200 liegt bei ca. 10mA. Dieser Wert darf nicht wesentlich überschritten werden. Ist alles in Ordnung dreht man die Spannung langsam auf 24V. Die Ausgangsspannung des L200 sollte vor der Verpolschutzdiode D2 gemessen ca. 18.1V sein. Falls nicht, kann man durch Feinabgleich des Widerstandes R13 noch etwas korrigieren.
Danach einen Akkusatz anschließen und die Strombegrenzung des Netzteils langsam auf ca. 250mA-300mA drehen. Der Strom in den Akku sollte durch den L200 auf ca. 200 mA begrenzt werden.
Bei vollgeladenem Akku sollte der Strom unter C/50 besser C/100 (also 20-40 mA) zurückgehen. Gegebenenfalls ist die Ladeendspannung etwas zu reduzieren.

=== Prozessorteil ===

Zunächst wird der Prozessor mit einem Programmiergerät geflasht. Bei Verwendung des FET-Spannungsreglers darauf achten, dass die Spannungsversorgung für den Prozessor vom Programmiergerät (z.B. PICKIT3) zur Verfügung gestellt wird.
Hierbei darauf achten, dass die nominalen Kalibrierwerte im EEPROM nicht zu weit von den Defaultwerten abweichen.
Bei der Spannung ist der Defaultwert = 0x00, 0x00 (= Faktor 1.0 bzw. 0% Korrektur)
Beim Strom ist die Verstärkung nicht ganz auf einen Strom-Endwert von 255mA ausgelegt, sondern etwa 5 Prozent tiefer. Der nominale Kalibrierwert für den Strom beträgt daher 0xF3, 0x1B (= Faktor 0.94963 bzw. -5.04%).

Nach dem Flashen wird an die beiden mittleren Pins von J1 eine Spannung von ca. 5V angeschlossen. Ist alles ok, sollte das Display die Spannung blinkend anzeigen. Der Ausgang J1 PIN 1 weist hierbei Low-Pegel auf. Die Spannung wird langsam auf ca. 20V (max. 25V) erhöht und die prozentuale Abweichung zwischen Sollwert und Anzeige berechnet. Ab ca. 15.0 V verschwindet das Blinken und der Ausgang wechselt auf High-Pegel (>2.4V). Unterhalb ca. 13.8V wird die Last wieder abgeschaltet und das Display blinkt wieder.
Danach wird ein Akku (15-17V) an Prozessorteil und Ladeteil angeschlossen. Über ein strombegrenztes Netzteil werden ca. 180mA Ladestrom in den Akku eingestellt. Die Anzeige zeigt jetzt im Wechsel die Akkuspannung und den Ladestrom an. Wiederum wird die prozentuale Abweichung vom tatsächlichen Ladestrom berechnet.
Die prozentualen Abweichungen werden auf die existierenden Kalibrierwerte multipliziert und dann nach einem MPASM-Lauf ins EEPROM geschrieben. Bei Verwendung von MPLAB darauf achten dass im "Release" Modus und nicht im "Debug" Modus gearbeitet wird.

Danach ist der Batteriewächter einsatzbereit.

== Praxis und Ideen ==

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|BMON1035 Stromverbrauch 9.7µA bei 9.3V]]

Anbei ein Aufbau einer Vorgängerversion ohne Ladestrommessung (BMON1035) mit einem Stromverbrauch um 9.7 µA (schwankend) bei einem frisch aufgeladenen Akku mit 9.3V. An einem BMON1048 mit Strommessung habe ich 10-12µA gemessen. Wobei der Stromverbrauch auch von der tatsächlichen Versorgungsspannung des Prozessors abhängt.

Ich habe zwei Schaltungen mit ca. 30 mA Last seit 2.5 Jahren im Dauerbetrieb mit je 12 AA-Zellen und täglichem Ladebetrieb. Der erste Akkusatz zeigt seit letztem Sommer (bis zu 32 Grad Raumtemperatur während dem Laden) einen erhöhten Innenwiderstand. Der Ladestrom bei vollem Akku lag hierbei bei erhöhter Temperatur bei 60-70mA.

Die Spannungsdifferenz beim Einstecken / Entfernen des Ladegerätes ist bei diesem Akkusatz ca. 1V. Bei niedrigen Spannungen unter 15V und kurzem Ladebetrieb wird hierdurch die Last ungewollt abgeworfen. Das Kriterium 0.6V Abfall innerhalb einer Minute wird überschritten.
Der andere Akkusatz liegt immer noch bei 0.2V Differenz zwischen Normal und Ladebetrieb.

Ganz oben auf der Wunschliste steht der vereinfachte Abgleich der Kalibrierwerte im EEPROM. Denkbar wäre irgendein Morsecode über den Taster oder ein Jumper an einem freien Pin, um den Abgleich bei angelegten Referenzwerten zu starten.

Freier Speicherplatz ist jedenfalls genügend vorhanden. Wobei Sonderfunktionen nur selten gerechnet werden sollten, um den Stromverbrauch nicht zu stark zu erhöhen.

Die führende "1" wird derzeit wegen des 2-stelligen Displays als Dezimalpunkt angezeigt. Bei einem 3-stelligen Display würde man anstelle des Dezimalpunktes die beiden Segmente "b" und "c" für die "1" parallel ansteuern.

Ideen:
* Temperaturkompensation der End-Ladespannung mittels NTC / Dioden
* Alternativ: Abschaltung des Ladezweigs per Prozessor-Pin, wenn der Ladestrom bei der Endspannung eingeschwungen ist
* Lernfunktion Berücksichtigung Spannungsdifferenz bei Ladebetrieb für Abschaltkriterium
* Automatisiertes Speichern der Abgleichwerte im EEPROM

Anpassung an andere Zellenzahlen:

:{| class="wikitable"
|+ '''Ladeteil L200'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R13 || UE,min || UE,nom
|-
| 4 || 6.5 || 2K2 || 2K2 || 10.2V || 12V
|-
| 6 || 9.4 || 2K2 || 18K || 13.1V || 15V
|-
| 7 || 10.85 || 2K4 || --- || 14.6V || 16V
|-
| 8 || 12.3 || 3K0 || 47K || 16.0V || 18V
|-
| 10 || 15.2 || 3K9 || 68K || 18.9V || 20V
|-
| 12 || 18.1 || 4K7 || 130K || 21.8V || 24V
|}

Die minimale Netzteilspannung UE,min gilt für den worst case. In der Praxis hat man hierbei ca 0.5V Reserve.

:{| class="wikitable"
|+ '''Lastregler LT1763 (Ausserhalb Leiterplatte)'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R11
|-
| 5 || 5.1 || 4K7 || 15K
|-
| 6 || 6.0 || 10K || 39K
|-
| 7 || 8.0 || 2K7 || 15K
|-
| 8 || 9.35 || 3K3 || 22K
|-
| 10 || 11.5 || 3K9 || 33K
|-
| 12 || 12.0 || 2K7 || 24K
|-
| 12 || 14.0 || 6K49 || 68K
|}

== Downloads ==

* [[Media:BMON1048_MPASM.ZIP| Source code für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_Schaltbild.pdf| Schaltplan für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_gcprevue.zip| Layout (Gerber) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_PDF.zip| Layout (PDF) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_STK.txt| Stückliste Batteriewächter BMON1048]]

== Weblinks ==

* [http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00000053.pdf L200_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BSS84.pdf BSS84P_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF245A-B-C.pdf BF245C_Datasheet]
* [http://www.torex.co.jp/english/products/voltage_regulators/data/XC6216_XE6216.pdf XC6216_Datasheet]
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39631e.pdf PIC18F2520_Datasheet]
* [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm285-1.2-n.pdf LM385Z-1.2_Datasheet]
* [http://www.fairchildsemi.com/ds/BS/BSS138.pdf BSS138_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Hintergrund-gruen/LCD-2-0-13/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=3005&ARTICLE=10179&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& LCD-2-13]
* [http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1763fg.pdf LT1763_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Proma-Gehaeuse/GEH-EG-2/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=5199&ARTICLE=50424&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& Gehäuse_EG2]
* [http://www.graphicode.com/ GC-Prevue Gerber viewer]

== Siehe auch ==

* [http://www.mikrocontroller.net/topic/288063 Forum: Diskussion zu diesem Projekt]

[[Kategorie:Wettbewerb]]
[[Kategorie:PIC-Projekte]]
[[Kategorie:Spannungsversorgung_und_Energiequellen]]
[[Kategorie:Messtechnik]]
[[Kategorie:Projekte]]

Batteriewächter

2013-03-07T06:58:35Z

An ja:

''von Anja''

{{Wettbewerb Header}}

[[Bild:BMON_1048_3_IMG0982w.JPG|thumb|300px|Batteriewächter]]
'''Eigenschaften'''
* Schaltausgang zum Abschalten der Last bei Unterspannung
* Mikroprozessordesign mit PIC18F2520
* Geringer Stromverbrauch typ. 10µA
* Geringe Mindestspannung typ. 2.5V
* Optional bestückbares Ladeteil mit L200
* Breiter Einsatzbereich von 4-12 NiMH Zellen oder 6-12V Bleiakkus
* Leiterplatte angepasst für Frontplatte eines EG2-Aluminiumgehäuses (ProMa)

'''Anwendungen'''
* Batteriemanagement
* Aus Messwert gespeistes Panelmeter

== Vorgeschichte ==

Eigentlich wollte ich nur eine einfache Anzeige für meine, per Akku gespeisten Referenzen: wann müssen die 9V-Blocks wieder ans Ladegerät. Ein einfaches Drehspulinstrument hätte es getan. Allerdings brauchen diese relativ viel Strom im Verhältnis zu einer ISL21009. Und bei einer Empfindlichkeit von 100µA sind sie auch nicht ganz billig.

Die nächste Idee: Eine low power Referenz und ein Komparator (oder gleich einen ICL7665). Nur: Was dann als Anzeige nehmen? Selbst eine low current LED braucht einige 100µA für die Anzeige.

Alternative Anzeigen wären eine einfache LCD Balkenanzeige wie im Handy. Diese sind allerdings nicht im DIP 8 Gehäuse erhältlich. Als Alternative bleiben eigentlich nur passive LC-Anzeigen mit 2-4 Digits.

Das Ganze zu takten war die nächste Idee. Also wie beim Rauchmelder nur kurze Mess- und Anzeigephasen um Strom zu sparen.

In der Zwischenzeit waren auch Referenzen im Programm, die eine Mindestspannung von 9V oder 14V benötigen. Die Anzahl der Zellen (8-12) ist also so gewachsen, dass die 16V des ICL7665 oder gängiger CMOS Logik nicht mehr ausreichen.

Schön wäre auch eine "richtige" Spannungsanzeige - also muss ein Prozessor her. Nachdem auch die ersten 9V-Blocks Schwächen wegen Tiefentladung zeigten, sollte das Ganze auch einen Unterspannungsschutz haben.

Zum damaligen Zeitpunkt gab es nur wenige Spannungsregler mit Eingangsspannungen bis 20 oder 25V und Eigenstromverbrauch unter 20µA. Und die auch nur von Farnell, also für Privat quasi unobtanium.

Eine Idee hatte ich schon länger um z.B. Uhrenchips im 12V-System zu betreiben: Ein normaler Sperrschicht-FET hat eine negative UGS-Spannung. Wenn man das Gate also an Masse anschließt müsste am Source eine halbwegs stabile Backup-Spannung übrig bleiben. Und das auch noch ohne dass der Spannungsregler einen nennenswerten Strom braucht.

Der Ehrgeiz war geweckt, es müsste doch möglich sein einen prozessorgesteuerten Komparator mit Spannungsanzeige bei unter 20µA Stromverbrauch und mit Versorgung direkt aus der Batterie im Bereich 5-20V zu entwickeln...

== Blockschaltbild ==

[[Bild:BMON_1048_BLOCK.PNG|thumb|right|350px|BMON148 - Blockschaltbild]]

Die Schaltung auf der Leiterplatte umfasst ein einfaches Ladeteil mit L200. Die Speisung erfolgt mit einem externen 24V Steckernetzteil. Ein Low-Power Spannungsregler erzeugt die VCC-Versorgung für den Prozessorteil. Der Prozessor misst die Akkuspannung sowie den Ladestrom und erzeugt das Steuersignal für die Endstufe. Auf dem Display werden die Akkuspannung sowie der Ladestrom angezeigt. Der Taster dient zum Ein-/Ausschalten der Last. Da der Leistungsteil je nach Last sehr unterschiedlich sein kann (z.B. BTS555 für Hochstromanwendungen), ist er außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Als Schaltungsbeispiel wird eine Endstufe mit LT1763 gezeigt.

=== Ladeteil ===

[[Bild:BMON_1048_L200.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Ladeteil]]

Das Ladeteil ist eine Standardapplikation mit L200, ergänzt um einen Spannungsausgang für die Strommessung.
Die maximale Ladespannung wird mittels Spannungsteiler R12 zu R11 eingestellt. R13 ist parallel zu R12 und wird für den Feinabgleich der Ausgangsspannung verwendet. Auf der Leiterplatte sind die Widerstände wahlweise als SMD (R11..R13) oder bedrahtet (R11A..R13A) bestückbar. R11A ist mit 820 Ohm bestückt. R12A mit 4K7 parallel zu R13A mit 130k ergibt 4K54. Die Ausgangsspannung von 18.1 V ergibt sich aus der Referenzspannung von 2.77V des L200 * (1 + 4540R/820R). R14 begrenzt den Strom auf ca. 200 mA (0.45V / 2R2).
Diode D2 verhindert ein Entladen des Akkus wenn das Steckernetzteil nicht angeschlossen ist. D3 dient als Verpolschutz.
Die Schaltung um U3 verstärkt die Spannung über dem Strombegrenzungswiderstand. Es muss zwingend ein OP verwendet werden dessen common mode input range an die positive Versorgung reicht. Bei einem TL062 ist dies bei normalen Raumtemperaturen gegeben. Die Spannung über R14 wird im Verhältnis R16/R15 = 2.32 fach verstärkt. Bei 200mA, also 450mV am Strombegrenzungswiderstand, ergibt sich für den ADC-Eingang eine Spannung von 1.04V über R16.
L1, L2 sowie C15-C19 bilden ein optional bestückbares EMV-Filter. C18+C19 filtern hierbei die Störungen über einen M3 Distanzbolzen auf das Aluminiumgehäuse.

=== Spannungsregler ===

[[Bild:BMON_1048_VCC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Spannungsregler BF245C]]

Es gibt 2 alternative Bestückungsvarianten:

U5 ist ein low power Spannungsregler XC6216 von Torex. An Ein- und Ausgang werden 1µF Kondensatoren benötigt. Der Ruhestromverbrauch ist mit 5µA im Datenblatt angegeben.

Da mir das vieeel zu hoch ist, habe ich einen Sperrschicht-FET als Spannungsregler verwendet. Ein BF245C hat bei kleinen Strömen je nach Exemplarstreuung eine Gate/Source Spannung von -3.2 .. -7.5 V zwischen Gate und Source.
Wenn man jetzt das Gate auf Masse legt, und an Drain die ungeregelte Eingangsspannung, bleibt am Source eine Ausgangsspannung von +3.2 bis 7.5V.
Da der nachgeschaltete Prozessor maximal 5.5V Spannung verträgt müssen die FETs selektiert werden. Bei der maximalen Eingangsspannung und minimaler Last (also nur die 10 Meg-Ohm des Messinstrumentes) dürfen die 5.5V nicht überschritten werden. Bei der typischen Last von 10µA, entsprechend 330K, sollten mindestens ca. 3.8V als minimale Spannung übrig bleiben.

Beim Austesten auf dem Steckbrett habe ich herausgefunden, dass der FET relativ empfindlich auf Störimpulse reagiert und teilweise hierdurch auch hohe Spannungen an den Ausgang durchlässt. Abhilfe schaffen Abblockkondensatoren an Ein- und Ausgang. Im Gegensatz zum XC6216 reichen für den FET normale 100nF Abblockkondensatoren. Die Diode D1 dient als Verpolschutz. R2 begrenzt beim FET schnelle Spannungsanstiege sowie den Maximalstrom. Das Austesten auf dem Steckbrett sollte mit den Abblock-Cs und der Schutzbeschaltung erfolgen.

Von 10 getesteten FETs hatten alle eine maximale Spannung im Bereich 4.57 bis 4.80 V bei 25V Eingangsspannung. Bei Belastung mit 1K-Ohm und 9V Eingangsspannung habe ich 2.61V bis 2.77V gemessen. Der Regler hat also ausreichend Reserven. Die Mühe des Selektierens wird belohnt durch einen Stromverbrauch von nicht messbaren wenigen nA für den Spannungsregler.

R2 sollte bei Verwendung des XC6216 durch einen 0 Ohm Widerstand ersetzt werden. Allerdings habe ich diese Schaltungsvariante noch nicht getestet.

=== Prozessorteil ===

[[Bild:BMON_1048_PIC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Prozessorteil]]

Als Prozessor wird ein PIC18F2520 verwendet. Es ist quasi der low power Nachfolger eines PIC16F876. Der Strom mit internem Oszillator beträgt ca. 1mA. Um den Stromverbrauch zu reduzieren, ist der Prozessor hauptsächlich im sleep mode und wird nur alle 16ms aufgeweckt, um die Flanken für die Wechselspannung von 30Hz für die passive LC-Anzeige zu generieren, die auch die meisten Pins benötigt. C4 mit 10µF puffert kurze Stromspitzen in der Aufwachphase. C7 mindert EMV-Störungen.

Die Batteriespannung wird über Spannungsteiler R4/R5 an Pin RA2 gemessen. U2 sorgt mit R3 für eine stabile Referenz von 1.235V auch bei schwankenden Versorgungsspannungen. Kurzzeitig werden für den Referenzeingang bis zu 150µA und für die Referenzdiode bis zu 20µA benötigt. Da kein Abblockkondensator an der Referenz verwendet wird, ist R3 relativ niederohmig dimensioniert.

Die Stromsparfunktionen werden alle mit PIN RA1 gesteuert. Die Auswertung der Eingänge erfolgt nur ein Mal je Sekunde. Dies betrifft R3 als Versorgung für die Referenzdiode sowie R6 als pull up Widerstand für den Taster. Über T2 wird der Spannungsteiler für die Batteriespannung stromlos geschaltet. Der BSS138 ist ein FET mit geringer UGS threshold voltage von max. 1.5V. Er begrenzt also am Source die Drain-Spannung auf VCC-1.5V. Da die Referenzspannung 1.2V beträgt, ergibt sich durch den FET bei einer Versorgungsspannung bis herab zu 2.7V noch keine Begrenzung des Messbereichs für die Batteriespannung von bis zu 25.5V.

Der Ladestrom wird über Analogeingang RA0 gemessen.

Mit der gewählten Dimensionierung für R4/R5 ergibt sich ein Messbereich von 25.5V für die Batteriespannung. Der Strombereich ist für ca. 240mA ausgelegt.

An Pin RB6 wird schließlich das Schaltsignal für die Endstufe erzeugt.

=== Bedienteil ===

[[Bild:BMON_1048_HMI.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Bedienteil]]

Aus Platzgründen (Frontplatte des EG2-Gehäuses von ProMa) konnte leider nur ein 2-stelliges LC-Display verwendet werden. Um dennoch Spannungen größer 9.9V darstellen zu können, wird der führende Dezimalpunkt als Zehner-Stelle verwendet. Ab 20.0V fängt dann der Dezimalpunkt an zu blinken. Bei Verwendung eines 3 oder 4-stelligen Displays würde man anstelle des führenden Dezimalpunktes beide Segmente für die führende "1" anschließen.
Der Kondensator C5 hält Gleichspannungssignale vom Display fern. Dies ist insbesonders nützlich beim Flashen bzw. in der Debugging Phase.

J1 ist die Verbindung zur Mutterplatine. Dort kann noch ein zweiter Taster parallel zum Taster auf der Frontplatte angeschlossen werden. R7 dient als Kurzschlußschutz bzw. zur Stromreduzierung des Schaltsignals.

=== Endstufe ===

[[Bild:BMON_1048_POWER.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Endstufe LT1763]]

Die Endstufe ist außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Damit ergibt sich maximale Flexibilität von wenigen mA bis zu mehreren Ampere über einen BSS138 Treiber mit BTS555 Endstufe. Der Anschluss an die BMON1048 Leiterplatte erfolgt über Buchsenleisten auf der Leiterplatte mit der Endstufe. Die Stecker für den Ladeteil und den Prozessorteil sind getrennt ausgeführt. Damit können die Messleitungen direkt am Batteriepack angeschlossen werden (4-Leiter Anschluss). Übergangswiderstände am Stecker und der Leitungen haben dann weniger Einfluss auf die Messung.

Hier ist ein Beispiel für eine Endstufe mit LT1763 für maximal 20V Ladeendspannung gezeigt. Im ausgeschalteten Zustand verbraucht der Spannungsregler weniger als 1µA zusätzlich. Der Ruhestrom mit 30µA ist ebenfalls ein guter Wert. C10 ist vorzugsweise ein Folienkondensator (geringer Mikrofonieeffekt) zur Rauschunterdrückung. Die Ausgangsspannung wird mit R11+R12 auf 14.0 V eingestellt.

== Software ==

Die Software hat folgende Funktionen:

* Messen der Spannung und des Stroms linksbündig als 10 Bit Wert
* Verrechnung eines Korrekturfaktors aus EEPROM für Feinabgleich
* Anzeige der Spannung auf Display
* Als Timer dient der Watchdog mit 16ms Periode
* Die 30 Hz Wechselspannung für das Display wird hieraus abgeleitet
* Im Ladebetrieb erfolgt die Anzeige des Stroms im Wechsel mit der Spannung
* Unterhalb 1.15V/Zelle abschalten der Last (Spannungsanzeige blinkt)
* Oberhalb 1.25V/Zelle wiedereinschalten der Last
* Bei Tastendruck länger als 5 Sekunden wird die Last manuell ein-/ausgeschaltet
* Bei Spannungseinbruch > 0.6V/Minute wird ebenfalls abgeschaltet
* Alle Parameter wie Zellenzahl + Hysterese sind im Header konfigurierbar

<c>
#define Cells 12 ; # number of cells
#define mV * 256 * 51/1051/1235 ; 25,6V * 5K1/(100K+5K1)/VRef
#define VOn Cells * 1250 mV ; high hysteresis
#define VOff Cells * 1150 mV ; low hysteresis
#define VOLT_SEC 10 ; check every 10 seconds
#define VDIFF 600 mV ; voltage drop / minute
#define mA * 1 ; 1 mA / count
#define CURR_MIN 10 mA ; min current to display
</c>

Die Software ist mit MPASM 5.40 (MPLAB 8.70) erstellt. Die Bit-Schubsereien für das Display werden mit Tabellen in Page 0 für alle 3 Ports A-C und die Digits 1-2 abgehandelt.

Bei der Initialisierung wird erst die Hardware initialisiert und danach alle Variablen einschließlich der Kalibrierparameter die aus dem EEPROM gelesen werden. Die Kalibrierfaktoren sind im 2er Komplement als 16 Bit signed Wert gespeichert. Ein Abgleich von +/- 50% entspricht +/-32768 als Wert.

Die meiste Zeit verbringt der Prozessor im sleep mode. Alle 16 ms weckt der Watchdog den Prozessor auf, um die Pins für die Anzeige zu invertieren. Jede Sekunde finden zusätzlich noch Messfunktionen, einschließlich update der Anzeige sowie die Tastenabfrage statt.
Um Zeit (und damit Strom) zu sparen, wird die Wartezeit aufs ADC-Ergebnis genutzt, um eine Tastenentprellung bzw. die Vorverarbeitung der Spannungsmessung während der Strommessung durchzuführen.
Alle 10 Sekunden wird das High-Byte des Spannungswertes in einen Ringpuffer mit 6 Einträgen für die vergangene Minute eingetragen. Dies dient unterhalb der Einschaltschwelle zum Detektieren eines plötzlichen Spannungsabfalls falls eine Zelle schneller entladen ist, als die übrigen im Pack.

== Aufbau ==

<gallery>
Bild:Loetseite_IMG0964W.JPG|BMON1048 - Lötseite
Bild:BMON1048_BS_IMG0968W.JPG|Bestückungsseite
Bild:BMON1048_BST_LS.PNG|Position LS
Bild:BMON1048_BST_BS.PNG|Position BS
</gallery>

=== Lötseite ===

Die Leiterplatte ist doppelseitig. Die meisten Durchkontaktierungen liegen auf bedrahteten Bauelementen so dass eine durchkontaktierte Leiterplatte nicht zwingend nötig ist. Die drei Durchkontaktierungen im Bereich des Programmiersteckers können auch mit Kupferhohlnieten oder einer Drahtbrücke bestückt werden.

Am besten beginnt man nach Durchkontaktieren mit der Bestückung auf der Lötseite. C18, C19 sowie U5 sind im Muster nicht bestückt.

=== Bestückungsseite ===

Auf der Bestückungsseite werden zuerst die Bauteile unter dem Display, sowie die Widerstände unter dem L200 bestückt. Einige bedrahtete Bauteile müssen auf beiden Seiten der Platine verlötet werden, falls keine durchkontaktierte Leiterplatte verwendet wird.

Die Ladebuchse ist auf die Leiterplatte aufgesetzt. Die Anschlüsse werden mit Silberdraht verlängert. Mit dem Verlöten des Silberdrahtes sollte man, wie beim L200, so lange warten, bis die Frontplatte montiert ist.
In den Layoutdaten ist auch ein Layer für die Frontplatte enthalten, der als Bohrhilfe verwendet werden kann.

Der L200 ist über Kopf bestückt, die Anschlussdrähte also gegenüber dem stehenden Einbau auf die andere Seite abgewinkelt. Bei Verwendung von 10mm Distanzbolzen muss als Isolierung mindestens eine 1.5 mm Aluminiumoxidscheibe verwendet werden, damit sich die Pins des L200 im montierten Zustand verlöten lassen. Die Frontplatte des EG2-Gehäuses dient hiermit gleichzeitig als Kühlfläche.

C12 muss liegend montiert werden.

Für das Display verwende ich eine 18-polige Präzisionsfassung, die mit dem Seitenschneider auseinander geschnitten wird. Verlöten geht am einfachsten wenn das Display bereits in die Fassung gesteckt ist. Die beiden Pins 1 + 18 für die Backplane sind auf der Leiterplattenoberseite verbunden (Lötung unter der Fassung nicht vergessen).

Der Taster ist eine Ausführung mit langem Stößel, wenn die Bedienung ohne Hilfswerkzeug möglich sein soll.

=== Montagedetail L200 ===

[[Bild:BMON1048_L200_IMG0981W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - L200 Montage]]

Montagedetail L200:

* M3 Schraube
* Frontplatte
* Aluminiumoxidscheibe (AOS220 - 1.5mm)
* L200
* Isolierbuchse
* Unterlegscheibe (fehlt im Bild)
* M3 Mutter

=== Frontansichten ===

* Ansicht montiert mit Spannungsanzeige 16.7V
* Ansicht Ladebetrieb mit Stromanzeige 188mA

<gallery>
Bild:BMON1048_Spannung_IMG0965W.JPG|Spannungsanzeige
Bild:BMON1048_Strom_IMG0966W.JPG|Stromanzeige
</gallery>

== Inbetriebnahme und Abgleich ==

Der Ladeteil und der Batteriewächter können, auf Grund der getrennten Steckverbinder, unabhängig voneinander in Betrieb genommen werden.

=== Ladeteil ===

An einem strombegrenzten Netzteil (ca. 20-100mA) wird die Spannung an der Ladebuchse langsam von 0V an erhöht und die Stromaufnahme gemessen. Der Eigenverbrauch des L200 liegt bei ca. 10mA. Dieser Wert darf nicht wesentlich überschritten werden. Ist alles in Ordnung dreht man die Spannung langsam auf 24V. Die Ausgangsspannung des L200 sollte vor der Verpolschutzdiode D2 gemessen ca. 18.1V sein. Falls nicht, kann man durch Feinabgleich des Widerstandes R13 noch etwas korrigieren.
Danach einen Akkusatz anschließen und die Strombegrenzung des Netzteils langsam auf ca. 250mA-300mA drehen. Der Strom in den Akku sollte durch den L200 auf ca. 200 mA begrenzt werden.
Bei vollgeladenem Akku sollte der Strom unter C/50 besser C/100 (also 20-40 mA) zurückgehen. Gegebenenfalls ist die Ladeendspannung etwas zu reduzieren.

=== Prozessorteil ===

Zunächst wird der Prozessor mit einem Programmiergerät geflasht. Bei Verwendung des FET-Spannungsreglers darauf achten, dass die Spannungsversorgung für den Prozessor vom Programmiergerät (z.B. PICKIT3) zur Verfügung gestellt wird.
Hierbei darauf achten, dass die nominalen Kalibrierwerte im EEPROM nicht zu weit von den Defaultwerten abweichen.
Bei der Spannung ist der Defaultwert = 0x00, 0x00 (= Faktor 1.0 bzw. 0% Korrektur)
Beim Strom ist die Verstärkung nicht ganz auf einen Strom-Endwert von 255mA ausgelegt, sondern etwa 5 Prozent tiefer. Der nominale Kalibrierwert für den Strom beträgt daher 0xF3, 0x1B (= Faktor 0.94963 bzw. -5.04%).

Nach dem Flashen wird an die beiden mittleren Pins von J1 eine Spannung von ca. 5V angeschlossen. Ist alles ok, sollte das Display die Spannung blinkend anzeigen. Der Ausgang J1 PIN 1 weist hierbei Low-Pegel auf. Die Spannung wird langsam auf ca. 20V (max. 25V) erhöht und die prozentuale Abweichung zwischen Sollwert und Anzeige berechnet. Ab ca. 15.0 V verschwindet das Blinken und der Ausgang wechselt auf High-Pegel (>2.4V). Unterhalb ca. 13.8V wird die Last wieder abgeschaltet und das Display blinkt wieder.
Danach wird ein Akku (15-17V) an Prozessorteil und Ladeteil angeschlossen. Über ein strombegrenztes Netzteil werden ca. 180mA Ladestrom in den Akku eingestellt. Die Anzeige zeigt jetzt im Wechsel die Akkuspannung und den Ladestrom an. Wiederum wird die prozentuale Abweichung vom tatsächlichen Ladestrom berechnet.
Die prozentualen Abweichungen werden auf die existierenden Kalibrierwerte multipliziert und dann nach einem MPASM-Lauf ins EEPROM geschrieben. Bei Verwendung von MPLAB darauf achten dass im "Release" Modus und nicht im "Debug" Modus gearbeitet wird.

Danach ist der Batteriewächter einsatzbereit.

== Praxis und Ideen ==

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|BMON1035 Stromverbrauch 9.7µA bei 9.3V]]

Anbei ein Aufbau einer Vorgängerversion ohne Ladestrommessung (BMON1035) mit einem Stromverbrauch um 9.7 µA (schwankend) bei einem frisch aufgeladenen Akku mit 9.3V. An einem BMON1048 mit Strommessung habe ich 10-12µA gemessen. Wobei der Stromverbrauch auch von der tatsächlichen Versorgungsspannung des Prozessors abhängt.

Ich habe zwei Schaltungen mit ca. 30 mA Last seit 2.5 Jahren im Dauerbetrieb mit je 12 AA-Zellen und täglichem Ladebetrieb. Der erste Akkusatz zeigt seit letztem Sommer (bis zu 32 Grad Raumtemperatur während dem Laden) einen erhöhten Innenwiderstand. Der Ladestrom bei vollem Akku lag hierbei bei erhöhter Temperatur bei 60-70mA.

Die Spannungsdifferenz beim Einstecken / Entfernen des Ladegerätes ist bei diesem Akkusatz ca. 1V. Bei niedrigen Spannungen unter 15V und kurzem Ladebetrieb wird hierdurch die Last ungewollt abgeworfen. Das Kriterium 0.6V Abfall innerhalb einer Minute wird überschritten.
Der andere Akkusatz liegt immer noch bei 0.2V Differenz zwischen Normal und Ladebetrieb.

Ganz oben auf der Wunschliste steht der vereinfachte Abgleich der Kalibrierwerte im EEPROM. Denkbar wäre irgendein Morsecode über den Taster oder ein Jumper an einem freien Pin, um den Abgleich bei angelegten Referenzwerten zu starten.

Freier Speicherplatz ist jedenfalls genügend vorhanden. Wobei Sonderfunktionen nur selten gerechnet werden sollten, um den Stromverbrauch nicht zu stark zu erhöhen.

Die führende "1" wird derzeit wegen des 2-stelligen Displays als Dezimalpunkt angezeigt. Bei einem 3-stelligen Display würde man anstelle des Dezimalpunktes die beiden Segmente "b" und "c" für die "1" parallel ansteuern.

Ideen:
* Temperaturkompensation der End-Ladespannung mittels NTC / Dioden
* Alternativ: Abschaltung des Ladezweigs per Prozessor-Pin, wenn der Ladestrom bei der Endspannung eingeschwungen ist
* Lernfunktion Berücksichtigung Spannungsdifferenz bei Ladebetrieb für Abschaltkriterium
* Automatisiertes Speichern der Abgleichwerte im EEPROM

Anpassung an andere Zellenzahlen:

:{| class="wikitable"
|+ '''Ladeteil L200'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R13
|-
| 4 || 6.5 || 2K2 || 2K2
|-
| 6 || 9.4 || 2K2 || 18K
|-
| 7 || 10.85 || 2K4 || ---
|-
| 8 || 12.3 || 3K0 || 47K
|-
| 10 || 15.2 || 3K9 || 68K
|-
| 12 || 18.1 || 4K7 || 130K
|}

:{| class="wikitable"
|+ '''Lastregler LT1763 (Ausserhalb Leiterplatte)'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R11
|-
| 5 || 5.1 || 4K7 || 15K
|-
| 6 || 6.0 || 10K || 39K
|-
| 7 || 8.0 || 2K7 || 15K
|-
| 8 || 9.35 || 3K3 || 22K
|-
| 10 || 11.5 || 3K9 || 33K
|-
| 12 || 12.0 || 2K7 || 24K
|-
| 12 || 14.0 || 6K49 || 68K
|}

== Downloads ==

* [[Media:BMON1048_MPASM.ZIP| Source code für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_Schaltbild.pdf| Schaltplan für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_gcprevue.zip| Layout (Gerber) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_PDF.zip| Layout (PDF) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_STK.txt| Stückliste Batteriewächter BMON1048]]

== Weblinks ==

* [http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00000053.pdf L200_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BSS84.pdf BSS84P_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF245A-B-C.pdf BF245C_Datasheet]
* [http://www.torex.co.jp/english/products/voltage_regulators/data/XC6216_XE6216.pdf XC6216_Datasheet]
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39631e.pdf PIC18F2520_Datasheet]
* [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm285-1.2-n.pdf LM385Z-1.2_Datasheet]
* [http://www.fairchildsemi.com/ds/BS/BSS138.pdf BSS138_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Hintergrund-gruen/LCD-2-0-13/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=3005&ARTICLE=10179&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& LCD-2-13]
* [http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1763fg.pdf LT1763_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Proma-Gehaeuse/GEH-EG-2/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=5199&ARTICLE=50424&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& Gehäuse_EG2]
* [http://www.graphicode.com/ GC-Prevue Gerber viewer]

== Siehe auch ==

* [http://www.mikrocontroller.net/topic/288063 Forum: Diskussion zu diesem Projekt]

[[Kategorie:Wettbewerb]]
[[Kategorie:PIC-Projekte]]
[[Kategorie:Spannungsversorgung_und_Energiequellen]]
[[Kategorie:Messtechnik]]
[[Kategorie:Projekte]]

Datei:BMON1048 PDF.zip

2013-03-03T19:27:01Z

An ja: hat eine neue Version von „Datei:BMON1048 PDF.zip“ hochgeladen: Bohrplan ergänzt

BMON1048 Layout (PDF) für Batteriewächter von Anja

Batteriewächter

2013-03-03T14:35:25Z

An ja: /* Praxis und Ideen */

''von Anja'' (in Arbeit)

{{Wettbewerb Header}}

[[Bild:BMON_1048_3_IMG0982w.JPG|thumb|300px|Batteriewächter]]
'''Eigenschaften'''
* Schaltausgang zum Abschalten der Last bei Unterspannung
* Mikroprozessordesign mit PIC18F2520
* Geringer Stromverbrauch typ. 10µA
* Geringe Mindestspannung typ. 2.5V
* Optional bestückbares Ladeteil mit L200
* Breiter Einsatzbereich von 4-12 NiMH Zellen oder 6-12V Bleiakkus
* Leiterplatte angepasst für Frontplatte eines EG2-Aluminiumgehäuses (ProMa)

'''Anwendungen'''
* Batteriemanagement
* Aus Messwert gespeistes Panelmeter

== Vorgeschichte ==

Eigentlich wollte ich nur eine einfache Anzeige für meine, per Akku gespeisten Referenzen: wann müssen die 9V-Blocks wieder ans Ladegerät. Ein einfaches Drehspulinstrument hätte es getan. Allerdings brauchen diese relativ viel Strom im Verhältnis zu einer ISL21009. Und bei einer Empfindlichkeit von 100µA sind sie auch nicht ganz billig.

Die nächste Idee: Eine low power Referenz und ein Komparator (oder gleich einen ICL7665). Nur: Was dann als Anzeige nehmen? Selbst eine low current LED braucht einige 100µA für die Anzeige.

Alternative Anzeigen wären eine einfache LCD Balkenanzeige wie im Handy. Diese sind allerdings nicht im DIP 8 Gehäuse erhältlich. Als Alternative bleiben eigentlich nur passive LC-Anzeigen mit 2-4 Digits.

Das Ganze zu takten war die nächste Idee. Also wie beim Rauchmelder nur kurze Mess- und Anzeigephasen um Strom zu sparen.

In der Zwischenzeit waren auch Referenzen im Programm, die eine Mindestspannung von 9V oder 14V benötigen. Die Anzahl der Zellen (8-12) ist also so gewachsen, dass die 16V des ICL7665 oder gängiger CMOS Logik nicht mehr ausreichen.

Schön wäre auch eine "richtige" Spannungsanzeige - also muss ein Prozessor her. Nachdem auch die ersten 9V-Blocks Schwächen wegen Tiefentladung zeigten, sollte das Ganze auch einen Unterspannungsschutz haben.

Zum damaligen Zeitpunkt gab es nur wenige Spannungsregler mit Eingangsspannungen bis 20 oder 25V und Eigenstromverbrauch unter 20µA. Und die auch nur von Farnell, also für Privat quasi unobtanium.

Eine Idee hatte ich schon länger um z.B. Uhrenchips im 12V-System zu betreiben: Ein normaler Sperrschicht-FET hat eine negative UGS-Spannung. Wenn man das Gate also an Masse anschließt müsste am Source eine halbwegs stabile Backup-Spannung übrig bleiben. Und das auch noch ohne dass der Spannungsregler einen nennenswerten Strom braucht.

Der Ehrgeiz war geweckt, es müsste doch möglich sein einen prozessorgesteuerten Komparator mit Spannungsanzeige bei unter 20µA Stromverbrauch und mit Versorgung direkt aus der Batterie im Bereich 5-20V zu entwickeln...

== Blockschaltbild ==

[[Bild:BMON_1048_BLOCK.PNG|thumb|right|350px|BMON148 - Blockschaltbild]]

Die Schaltung auf der Leiterplatte umfasst ein einfaches Ladeteil mit L200. Die Speisung erfolgt mit einem externen 24V Steckernetzteil. Ein Low-Power Spannungsregler erzeugt die VCC-Versorgung für den Prozessorteil. Der Prozessor misst die Akkuspannung sowie den Ladestrom und erzeugt das Steuersignal für die Endstufe. Auf dem Display werden die Akkuspannung sowie der Ladestrom angezeigt. Der Taster dient zum Ein-/Ausschalten der Last. Da der Leistungsteil je nach Last sehr unterschiedlich sein kann (z.B. BTS555 für Hochstromanwendungen), ist er außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Als Schaltungsbeispiel wird eine Endstufe mit LT1763 gezeigt.

=== Ladeteil ===

[[Bild:BMON_1048_L200.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Ladeteil]]

Das Ladeteil ist eine Standardapplikation mit L200, ergänzt um einen Spannungsausgang für die Strommessung.
Die maximale Ladespannung wird mittels Spannungsteiler R12 zu R11 eingestellt. R13 ist parallel zu R12 und wird für den Feinabgleich der Ausgangsspannung verwendet. Auf der Leiterplatte sind die Widerstände wahlweise als SMD (R11..R13) oder bedrahtet (R11A..R13A) bestückbar. R11A ist mit 820 Ohm bestückt. R12A mit 4K7 parallel zu R13A mit 130k ergibt 4K54. Die Ausgangsspannung von 18.1 V ergibt sich aus der Referenzspannung von 2.77V des L200 * (1 + 4540R/820R). R14 begrenzt den Strom auf ca. 200 mA (0.45V / 2R2).
Diode D2 verhindert ein Entladen des Akkus wenn das Steckernetzteil nicht angeschlossen ist. D3 dient als Verpolschutz.
Die Schaltung um U3 verstärkt die Spannung über dem Strombegrenzungswiderstand. Es muss zwingend ein OP verwendet werden dessen common mode input range an die positive Versorgung reicht. Bei einem TL062 ist dies bei normalen Raumtemperaturen gegeben. Die Spannung über R14 wird im Verhältnis R16/R15 = 2.32 fach verstärkt. Bei 200mA, also 450mV am Strombegrenzungswiderstand, ergibt sich für den ADC-Eingang eine Spannung von 1.04V über R16.
L1, L2 sowie C15-C19 bilden ein optional bestückbares EMV-Filter. C18+C19 filtern hierbei die Störungen über einen M3 Distanzbolzen auf das Aluminiumgehäuse.

=== Spannungsregler ===

[[Bild:BMON_1048_VCC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Spannungsregler BF245C]]

Es gibt 2 alternative Bestückungsvarianten:

U5 ist ein low power Spannungsregler XC6216 von Torex. An Ein- und Ausgang werden 1µF Kondensatoren benötigt. Der Ruhestromverbrauch ist mit 5µA im Datenblatt angegeben.

Da mir das vieeel zu hoch ist, habe ich einen Sperrschicht-FET als Spannungsregler verwendet. Ein BF245C hat bei kleinen Strömen je nach Exemplarstreuung eine Gate/Source Spannung von -3.2 .. -7.5 V zwischen Gate und Source.
Wenn man jetzt das Gate auf Masse legt, und an Drain die ungeregelte Eingangsspannung, bleibt am Source eine Ausgangsspannung von +3.2 bis 7.5V.
Da der nachgeschaltete Prozessor maximal 5.5V Spannung verträgt müssen die FETs selektiert werden. Bei der maximalen Eingangsspannung und minimaler Last (also nur die 10 Meg-Ohm des Messinstrumentes) dürfen die 5.5V nicht überschritten werden. Bei der typischen Last von 10µA, entsprechend 330K, sollten mindestens ca. 3.8V als minimale Spannung übrig bleiben.

Beim Austesten auf dem Steckbrett habe ich herausgefunden, dass der FET relativ empfindlich auf Störimpulse reagiert und teilweise hierdurch auch hohe Spannungen an den Ausgang durchlässt. Abhilfe schaffen Abblockkondensatoren an Ein- und Ausgang. Im Gegensatz zum XC6216 reichen für den FET normale 100nF Abblockkondensatoren. Die Diode D1 dient als Verpolschutz. R2 begrenzt beim FET schnelle Spannungsanstiege sowie den Maximalstrom. Das Austesten auf dem Steckbrett sollte mit den Abblock-Cs und der Schutzbeschaltung erfolgen.

Von 10 getesteten FETs hatten alle eine maximale Spannung im Bereich 4.57 bis 4.80 V bei 25V Eingangsspannung. Bei Belastung mit 1K-Ohm und 9V Eingangsspannung habe ich 2.61V bis 2.77V gemessen. Der Regler hat also ausreichend Reserven. Die Mühe des Selektierens wird belohnt durch einen Stromverbrauch von nicht messbaren wenigen nA für den Spannungsregler.

R2 sollte bei Verwendung des XC6216 durch einen 0 Ohm Widerstand ersetzt werden. Allerdings habe ich diese Schaltungsvariante noch nicht getestet.

=== Prozessorteil ===

[[Bild:BMON_1048_PIC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Prozessorteil]]

Als Prozessor wird ein PIC18F2520 verwendet. Es ist quasi der low power Nachfolger eines PIC16F876. Der Strom mit internem Oszillator beträgt ca. 1mA. Um den Stromverbrauch zu reduzieren, ist der Prozessor hauptsächlich im sleep mode und wird nur alle 16ms aufgeweckt, um die Flanken für die Wechselspannung von 30Hz für die passive LC-Anzeige zu generieren, die auch die meisten Pins benötigt. C4 mit 10µF puffert kurze Stromspitzen in der Aufwachphase. C7 mindert EMV-Störungen.

Die Batteriespannung wird über Spannungsteiler R4/R5 an Pin RA2 gemessen. U2 sorgt mit R3 für eine stabile Referenz von 1.235V auch bei schwankenden Versorgungsspannungen. Kurzzeitig werden für den Referenzeingang bis zu 150µA und für die Referenzdiode bis zu 20µA benötigt. Da kein Abblockkondensator an der Referenz verwendet wird, ist R3 relativ niederohmig dimensioniert.

Die Stromsparfunktionen werden alle mit PIN RA1 gesteuert. Die Auswertung der Eingänge erfolgt nur ein Mal je Sekunde. Dies betrifft R3 als Versorgung für die Referenzdiode sowie R6 als pull up Widerstand für den Taster. Über T2 wird der Spannungsteiler für die Batteriespannung stromlos geschaltet. Der BSS138 ist ein FET mit geringer UGS threshold voltage von max. 1.5V. Er begrenzt also am Source die Drain-Spannung auf VCC-1.5V. Da die Referenzspannung 1.2V beträgt, ergibt sich durch den FET bei einer Versorgungsspannung bis herab zu 2.7V noch keine Begrenzung des Messbereichs für die Batteriespannung von bis zu 25.5V.

Der Ladestrom wird über Analogeingang RA0 gemessen.

Mit der gewählten Dimensionierung für R4/R5 ergibt sich ein Messbereich von 25.5V für die Batteriespannung. Der Strombereich ist für ca. 240mA ausgelegt.

An Pin RB6 wird schließlich das Schaltsignal für die Endstufe erzeugt.

=== Bedienteil ===

[[Bild:BMON_1048_HMI.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Bedienteil]]

Aus Platzgründen (Frontplatte des EG2-Gehäuses von ProMa) konnte leider nur ein 2-stelliges LC-Display verwendet werden. Um dennoch Spannungen größer 9.9V darstellen zu können, wird der führende Dezimalpunkt als Zehner-Stelle verwendet. Ab 20.0V fängt dann der Dezimalpunkt an zu blinken. Bei Verwendung eines 3 oder 4-stelligen Displays würde man anstelle des führenden Dezimalpunktes beide Segmente für die führende "1" anschließen.
Der Kondensator C5 hält Gleichspannungssignale vom Display fern. Dies ist insbesonders nützlich beim Flashen bzw. in der Debugging Phase.

J1 ist die Verbindung zur Mutterplatine. Dort kann noch ein zweiter Taster parallel zum Taster auf der Frontplatte angeschlossen werden. R7 dient als Kurzschlußschutz bzw. zur Stromreduzierung des Schaltsignals.

=== Endstufe ===

[[Bild:BMON_1048_POWER.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Endstufe LT1763]]

Die Endstufe ist außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Damit ergibt sich maximale Flexibilität von wenigen mA bis zu mehreren Ampere über einen BSS138 Treiber mit BTS555 Endstufe. Der Anschluss an die BMON1048 Leiterplatte erfolgt über Buchsenleisten auf der Leiterplatte mit der Endstufe. Die Stecker für den Ladeteil und den Prozessorteil sind getrennt ausgeführt. Damit können die Messleitungen direkt am Batteriepack angeschlossen werden (4-Leiter Anschluss). Übergangswiderstände am Stecker und der Leitungen haben dann weniger Einfluss auf die Messung.

Hier ist ein Beispiel für eine Endstufe mit LT1763 für maximal 20V Ladeendspannung gezeigt. Im ausgeschalteten Zustand verbraucht der Spannungsregler weniger als 1µA zusätzlich. Der Ruhestrom mit 30µA ist ebenfalls ein guter Wert. C10 ist vorzugsweise ein Folienkondensator (geringer Mikrofonieeffekt) zur Rauschunterdrückung. Die Ausgangsspannung wird mit R11+R12 auf 14.0 V eingestellt.

== Software ==

Die Software hat folgende Funktionen:

* Messen der Spannung und des Stroms linksbündig als 10 Bit Wert
* Verrechnung eines Korrekturfaktors aus EEPROM für Feinabgleich
* Anzeige der Spannung auf Display
* Als Timer dient der Watchdog mit 16ms Periode
* Die 30 Hz Wechselspannung für das Display wird hieraus abgeleitet
* Im Ladebetrieb erfolgt die Anzeige des Stroms im Wechsel mit der Spannung
* Unterhalb 1.15V/Zelle abschalten der Last (Spannungsanzeige blinkt)
* Oberhalb 1.25V/Zelle wiedereinschalten der Last
* Bei Tastendruck länger als 5 Sekunden wird die Last manuell ein-/ausgeschaltet
* Bei Spannungseinbruch > 0.6V/Minute wird ebenfalls abgeschaltet
* Alle Parameter wie Zellenzahl + Hysterese sind im Header konfigurierbar

<c>
#define Cells 12 ; # number of cells
#define mV * 256 * 51/1051/1235 ; 25,6V * 5K1/(100K+5K1)/VRef
#define VOn Cells * 1250 mV ; high hysteresis
#define VOff Cells * 1150 mV ; low hysteresis
#define VOLT_SEC 10 ; check every 10 seconds
#define VDIFF 600 mV ; voltage drop / minute
#define mA * 1 ; 1 mA / count
#define CURR_MIN 10 mA ; min current to display
</c>

Die Software ist mit MPASM 5.40 (MPLAB 8.70) erstellt. Die Bit-Schubsereien für das Display werden mit Tabellen in Page 0 für alle 3 Ports A-C und die Digits 1-2 abgehandelt.

Bei der Initialisierung wird erst die Hardware initialisiert und danach alle Variablen einschließlich der Kalibrierparameter die aus dem EEPROM gelesen werden. Die Kalibrierfaktoren sind im 2er Komplement als 16 Bit signed Wert gespeichert. Ein Abgleich von +/- 50% entspricht +/-32768 als Wert.

Die meiste Zeit verbringt der Prozessor im sleep mode. Alle 16 ms weckt der Watchdog den Prozessor auf, um die Pins für die Anzeige zu invertieren. Jede Sekunde finden zusätzlich noch Messfunktionen, einschließlich update der Anzeige sowie die Tastenabfrage statt.
Um Zeit (und damit Strom) zu sparen, wird die Wartezeit aufs ADC-Ergebnis genutzt, um eine Tastenentprellung bzw. die Vorverarbeitung der Spannungsmessung während der Strommessung durchzuführen.
Alle 10 Sekunden wird das High-Byte des Spannungswertes in einen Ringpuffer mit 6 Einträgen für die vergangene Minute eingetragen. Dies dient unterhalb der Einschaltschwelle zum Detektieren eines plötzlichen Spannungsabfalls falls eine Zelle schneller entladen ist, als die übrigen im Pack.

== Aufbau ==

<gallery>
Bild:Loetseite_IMG0964W.JPG|BMON1048 - Lötseite
Bild:BMON1048_BS_IMG0968W.JPG|Bestückungsseite
Bild:BMON1048_BST_LS.PNG|Position LS
Bild:BMON1048_BST_BS.PNG|Position BS
</gallery>

=== Lötseite ===

Die Leiterplatte ist doppelseitig. Die meisten Durchkontaktierungen liegen auf bedrahteten Bauelementen so dass eine durchkontaktierte Leiterplatte nicht zwingend nötig ist. Die drei Durchkontaktierungen im Bereich des Programmiersteckers können auch mit Kupferhohlnieten oder einer Drahtbrücke bestückt werden.

Am besten beginnt man nach Durchkontaktieren mit der Bestückung auf der Lötseite. C18, C19 sowie U5 sind im Muster nicht bestückt.

=== Bestückungsseite ===

Auf der Bestückungsseite werden zuerst die Bauteile unter dem Display, sowie die Widerstände unter dem L200 bestückt. Einige bedrahtete Bauteile müssen auf beiden Seiten der Platine verlötet werden, falls keine durchkontaktierte Leiterplatte verwendet wird.

Die Ladebuchse ist auf die Leiterplatte aufgesetzt. Die Anschlüsse werden mit Silberdraht verlängert. Mit dem Verlöten des Silberdrahtes sollte man, wie beim L200, so lange warten, bis die Frontplatte montiert ist.
In den Layoutdaten ist auch ein Layer für die Frontplatte enthalten, der als Bohrhilfe verwendet werden kann.

Der L200 ist über Kopf bestückt, die Anschlussdrähte also gegenüber dem stehenden Einbau auf die andere Seite abgewinkelt. Bei Verwendung von 10mm Distanzbolzen muss als Isolierung mindestens eine 1.5 mm Aluminiumoxidscheibe verwendet werden, damit sich die Pins des L200 im montierten Zustand verlöten lassen. Die Frontplatte des EG2-Gehäuses dient hiermit gleichzeitig als Kühlfläche.

C12 muss liegend montiert werden.

Für das Display verwende ich eine 18-polige Präzisionsfassung, die mit dem Seitenschneider auseinander geschnitten wird. Verlöten geht am einfachsten wenn das Display bereits in die Fassung gesteckt ist. Die beiden Pins 1 + 18 für die Backplane sind auf der Leiterplattenoberseite verbunden (Lötung unter der Fassung nicht vergessen).

Der Taster ist eine Ausführung mit langem Stößel, wenn die Bedienung ohne Hilfswerkzeug möglich sein soll.

=== Montagedetail L200 ===

[[Bild:BMON1048_L200_IMG0981W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - L200 Montage]]

Montagedetail L200:

* M3 Schraube
* Frontplatte
* Aluminiumoxidscheibe (AOS220 - 1.5mm)
* L200
* Isolierbuchse
* Unterlegscheibe (fehlt im Bild)
* M3 Mutter

=== Frontansichten ===

* Ansicht montiert mit Spannungsanzeige 16.7V
* Ansicht Ladebetrieb mit Stromanzeige 188mA

<gallery>
Bild:BMON1048_Spannung_IMG0965W.JPG|Spannungsanzeige
Bild:BMON1048_Strom_IMG0966W.JPG|Stromanzeige
</gallery>

== Inbetriebnahme und Abgleich ==

Der Ladeteil und der Batteriewächter können, auf Grund der getrennten Steckverbinder, unabhängig voneinander in Betrieb genommen werden.

=== Ladeteil ===

An einem strombegrenzten Netzteil (ca. 20-100mA) wird die Spannung an der Ladebuchse langsam von 0V an erhöht und die Stromaufnahme gemessen. Der Eigenverbrauch des L200 liegt bei ca. 10mA. Dieser Wert darf nicht wesentlich überschritten werden. Ist alles in Ordnung dreht man die Spannung langsam auf 24V. Die Ausgangsspannung des L200 sollte vor der Verpolschutzdiode D2 gemessen ca. 18.1V sein. Falls nicht, kann man durch Feinabgleich des Widerstandes R13 noch etwas korrigieren.
Danach einen Akkusatz anschließen und die Strombegrenzung des Netzteils langsam auf ca. 250mA-300mA drehen. Der Strom in den Akku sollte durch den L200 auf ca. 200 mA begrenzt werden.
Bei vollgeladenem Akku sollte der Strom unter C/50 besser C/100 (also 20-40 mA) zurückgehen. Gegebenenfalls ist die Ladeendspannung etwas zu reduzieren.

=== Prozessorteil ===

Zunächst wird der Prozessor mit einem Programmiergerät geflasht. Bei Verwendung des FET-Spannungsreglers darauf achten, dass die Spannungsversorgung für den Prozessor vom Programmiergerät (z.B. PICKIT3) zur Verfügung gestellt wird.
Hierbei darauf achten, dass die nominalen Kalibrierwerte im EEPROM nicht zu weit von den Defaultwerten abweichen.
Bei der Spannung ist der Defaultwert = 0x00, 0x00 (= Faktor 1.0 bzw. 0% Korrektur)
Beim Strom ist die Verstärkung nicht ganz auf einen Strom-Endwert von 255mA ausgelegt, sondern etwa 5 Prozent tiefer. Der nominale Kalibrierwert für den Strom beträgt daher 0xF3, 0x1B (= Faktor 0.94963 bzw. -5.04%).

Nach dem Flashen wird an die beiden mittleren Pins von J1 eine Spannung von ca. 5V angeschlossen. Ist alles ok, sollte das Display die Spannung blinkend anzeigen. Der Ausgang J1 PIN 1 weist hierbei Low-Pegel auf. Die Spannung wird langsam auf ca. 20V (max. 25V) erhöht und die prozentuale Abweichung zwischen Sollwert und Anzeige berechnet. Ab ca. 15.0 V verschwindet das Blinken und der Ausgang wechselt auf High-Pegel (>2.4V). Unterhalb ca. 13.8V wird die Last wieder abgeschaltet und das Display blinkt wieder.
Danach wird ein Akku (15-17V) an Prozessorteil und Ladeteil angeschlossen. Über ein strombegrenztes Netzteil werden ca. 180mA Ladestrom in den Akku eingestellt. Die Anzeige zeigt jetzt im Wechsel die Akkuspannung und den Ladestrom an. Wiederum wird die prozentuale Abweichung vom tatsächlichen Ladestrom berechnet.
Die prozentualen Abweichungen werden auf die existierenden Kalibrierwerte multipliziert und dann nach einem MPASM-Lauf ins EEPROM geschrieben. Bei Verwendung von MPLAB darauf achten dass im "Release" Modus und nicht im "Debug" Modus gearbeitet wird.

Danach ist der Batteriewächter einsatzbereit.

== Praxis und Ideen ==

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|BMON1035 Stromverbrauch 9.7µA bei 9.3V]]

Anbei ein Aufbau einer Vorgängerversion ohne Ladestrommessung (BMON1035) mit einem Stromverbrauch um 9.7 µA (schwankend) bei einem frisch aufgeladenen Akku mit 9.3V. An einem BMON1048 mit Strommessung habe ich 10-12µA gemessen. Wobei der Stromverbrauch auch von der tatsächlichen Versorgungsspannung des Prozessors abhängt.

Ich habe zwei Schaltungen mit ca. 30 mA Last seit 2.5 Jahren im Dauerbetrieb mit je 12 AA-Zellen und täglichem Ladebetrieb. Der erste Akkusatz zeigt seit letztem Sommer (bis zu 32 Grad Raumtemperatur während dem Laden) einen erhöhten Innenwiderstand. Der Ladestrom bei vollem Akku lag hierbei bei erhöhter Temperatur bei 60-70mA.

Die Spannungsdifferenz beim Einstecken / Entfernen des Ladegerätes ist bei diesem Akkusatz ca. 1V. Bei niedrigen Spannungen unter 15V und kurzem Ladebetrieb wird hierdurch die Last ungewollt abgeworfen. Das Kriterium 0.6V Abfall innerhalb einer Minute wird überschritten.
Der andere Akkusatz liegt immer noch bei 0.2V Differenz zwischen Normal und Ladebetrieb.

Ganz oben auf der Wunschliste steht der vereinfachte Abgleich der Kalibrierwerte im EEPROM. Denkbar wäre irgendein Morsecode über den Taster oder ein Jumper an einem freien Pin, um den Abgleich bei angelegten Referenzwerten zu starten.

Freier Speicherplatz ist jedenfalls genügend vorhanden. Wobei Sonderfunktionen nur selten gerechnet werden sollten, um den Stromverbrauch nicht zu stark zu erhöhen.

Die führende "1" wird derzeit wegen des 2-stelligen Displays als Dezimalpunkt angezeigt. Bei einem 3-stelligen Display würde man anstelle des Dezimalpunktes die beiden Segmente "b" und "c" für die "1" parallel ansteuern.

Ideen:
* Temperaturkompensation der End-Ladespannung mittels NTC / Dioden
* Alternativ: Abschaltung des Ladezweigs per Prozessor-Pin, wenn der Ladestrom bei der Endspannung eingeschwungen ist
* Lernfunktion Berücksichtigung Spannungsdifferenz bei Ladebetrieb für Abschaltkriterium
* Automatisiertes Speichern der Abgleichwerte im EEPROM

Anpassung an andere Zellenzahlen:

:{| class="wikitable"
|+ '''Ladeteil L200'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R13
|-
| 4 || 6.5 || 2K2 || 2K2
|-
| 6 || 9.4 || 2K2 || 18K
|-
| 7 || 10.85 || 2K4 || ---
|-
| 8 || 12.3 || 3K0 || 47K
|-
| 10 || 15.2 || 3K9 || 68K
|-
| 12 || 18.1 || 4K7 || 130K
|}

:{| class="wikitable"
|+ '''Lastregler LT1763 (Ausserhalb Leiterplatte)'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R11
|-
| 5 || 5.1 || 4K7 || 15K
|-
| 6 || 6.0 || 10K || 39K
|-
| 7 || 8.0 || 2K7 || 15K
|-
| 8 || 9.35 || 3K3 || 22K
|-
| 10 || 11.5 || 3K9 || 33K
|-
| 12 || 12.0 || 2K7 || 24K
|-
| 12 || 14.0 || 6K49 || 68K
|}

== Downloads ==

* [[Media:BMON1048_MPASM.ZIP| Source code für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_Schaltbild.pdf| Schaltplan für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_gcprevue.zip| Layout (Gerber) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_PDF.zip| Layout (PDF) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_STK.txt| Stückliste Batteriewächter BMON1048]]

== Weblinks ==

* [http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00000053.pdf L200_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BSS84.pdf BSS84P_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF245A-B-C.pdf BF245C_Datasheet]
* [http://www.torex.co.jp/english/products/voltage_regulators/data/XC6216_XE6216.pdf XC6216_Datasheet]
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39631e.pdf PIC18F2520_Datasheet]
* [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm285-1.2-n.pdf LM385Z-1.2_Datasheet]
* [http://www.fairchildsemi.com/ds/BS/BSS138.pdf BSS138_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Hintergrund-gruen/LCD-2-0-13/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=3005&ARTICLE=10179&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& LCD-2-13]
* [http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1763fg.pdf LT1763_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Proma-Gehaeuse/GEH-EG-2/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=5199&ARTICLE=50424&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& Gehäuse_EG2]
* [http://www.graphicode.com/ GC-Prevue Gerber viewer]

== Siehe auch ==

* [http://www.mikrocontroller.net/topic/288063 Forum: Diskussion zu diesem Projekt]

[[Kategorie:Wettbewerb]]
[[Kategorie:PIC-Projekte]]
[[Kategorie:Spannungsversorgung_und_Energiequellen]]
[[Kategorie:Messtechnik]]
[[Kategorie:Projekte]]

Batteriewächter

2013-03-03T14:30:58Z

An ja: /* Inbetriebnahme und Abgleich */

''von Anja'' (in Arbeit)

{{Wettbewerb Header}}

[[Bild:BMON_1048_3_IMG0982w.JPG|thumb|300px|Batteriewächter]]
'''Eigenschaften'''
* Schaltausgang zum Abschalten der Last bei Unterspannung
* Mikroprozessordesign mit PIC18F2520
* Geringer Stromverbrauch typ. 10µA
* Geringe Mindestspannung typ. 2.5V
* Optional bestückbares Ladeteil mit L200
* Breiter Einsatzbereich von 4-12 NiMH Zellen oder 6-12V Bleiakkus
* Leiterplatte angepasst für Frontplatte eines EG2-Aluminiumgehäuses (ProMa)

'''Anwendungen'''
* Batteriemanagement
* Aus Messwert gespeistes Panelmeter

== Vorgeschichte ==

Eigentlich wollte ich nur eine einfache Anzeige für meine, per Akku gespeisten Referenzen: wann müssen die 9V-Blocks wieder ans Ladegerät. Ein einfaches Drehspulinstrument hätte es getan. Allerdings brauchen diese relativ viel Strom im Verhältnis zu einer ISL21009. Und bei einer Empfindlichkeit von 100µA sind sie auch nicht ganz billig.

Die nächste Idee: Eine low power Referenz und ein Komparator (oder gleich einen ICL7665). Nur: Was dann als Anzeige nehmen? Selbst eine low current LED braucht einige 100µA für die Anzeige.

Alternative Anzeigen wären eine einfache LCD Balkenanzeige wie im Handy. Diese sind allerdings nicht im DIP 8 Gehäuse erhältlich. Als Alternative bleiben eigentlich nur passive LC-Anzeigen mit 2-4 Digits.

Das Ganze zu takten war die nächste Idee. Also wie beim Rauchmelder nur kurze Mess- und Anzeigephasen um Strom zu sparen.

In der Zwischenzeit waren auch Referenzen im Programm, die eine Mindestspannung von 9V oder 14V benötigen. Die Anzahl der Zellen (8-12) ist also so gewachsen, dass die 16V des ICL7665 oder gängiger CMOS Logik nicht mehr ausreichen.

Schön wäre auch eine "richtige" Spannungsanzeige - also muss ein Prozessor her. Nachdem auch die ersten 9V-Blocks Schwächen wegen Tiefentladung zeigten, sollte das Ganze auch einen Unterspannungsschutz haben.

Zum damaligen Zeitpunkt gab es nur wenige Spannungsregler mit Eingangsspannungen bis 20 oder 25V und Eigenstromverbrauch unter 20µA. Und die auch nur von Farnell, also für Privat quasi unobtanium.

Eine Idee hatte ich schon länger um z.B. Uhrenchips im 12V-System zu betreiben: Ein normaler Sperrschicht-FET hat eine negative UGS-Spannung. Wenn man das Gate also an Masse anschließt müsste am Source eine halbwegs stabile Backup-Spannung übrig bleiben. Und das auch noch ohne dass der Spannungsregler einen nennenswerten Strom braucht.

Der Ehrgeiz war geweckt, es müsste doch möglich sein einen prozessorgesteuerten Komparator mit Spannungsanzeige bei unter 20µA Stromverbrauch und mit Versorgung direkt aus der Batterie im Bereich 5-20V zu entwickeln...

== Blockschaltbild ==

[[Bild:BMON_1048_BLOCK.PNG|thumb|right|350px|BMON148 - Blockschaltbild]]

Die Schaltung auf der Leiterplatte umfasst ein einfaches Ladeteil mit L200. Die Speisung erfolgt mit einem externen 24V Steckernetzteil. Ein Low-Power Spannungsregler erzeugt die VCC-Versorgung für den Prozessorteil. Der Prozessor misst die Akkuspannung sowie den Ladestrom und erzeugt das Steuersignal für die Endstufe. Auf dem Display werden die Akkuspannung sowie der Ladestrom angezeigt. Der Taster dient zum Ein-/Ausschalten der Last. Da der Leistungsteil je nach Last sehr unterschiedlich sein kann (z.B. BTS555 für Hochstromanwendungen), ist er außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Als Schaltungsbeispiel wird eine Endstufe mit LT1763 gezeigt.

=== Ladeteil ===

[[Bild:BMON_1048_L200.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Ladeteil]]

Das Ladeteil ist eine Standardapplikation mit L200, ergänzt um einen Spannungsausgang für die Strommessung.
Die maximale Ladespannung wird mittels Spannungsteiler R12 zu R11 eingestellt. R13 ist parallel zu R12 und wird für den Feinabgleich der Ausgangsspannung verwendet. Auf der Leiterplatte sind die Widerstände wahlweise als SMD (R11..R13) oder bedrahtet (R11A..R13A) bestückbar. R11A ist mit 820 Ohm bestückt. R12A mit 4K7 parallel zu R13A mit 130k ergibt 4K54. Die Ausgangsspannung von 18.1 V ergibt sich aus der Referenzspannung von 2.77V des L200 * (1 + 4540R/820R). R14 begrenzt den Strom auf ca. 200 mA (0.45V / 2R2).
Diode D2 verhindert ein Entladen des Akkus wenn das Steckernetzteil nicht angeschlossen ist. D3 dient als Verpolschutz.
Die Schaltung um U3 verstärkt die Spannung über dem Strombegrenzungswiderstand. Es muss zwingend ein OP verwendet werden dessen common mode input range an die positive Versorgung reicht. Bei einem TL062 ist dies bei normalen Raumtemperaturen gegeben. Die Spannung über R14 wird im Verhältnis R16/R15 = 2.32 fach verstärkt. Bei 200mA, also 450mV am Strombegrenzungswiderstand, ergibt sich für den ADC-Eingang eine Spannung von 1.04V über R16.
L1, L2 sowie C15-C19 bilden ein optional bestückbares EMV-Filter. C18+C19 filtern hierbei die Störungen über einen M3 Distanzbolzen auf das Aluminiumgehäuse.

=== Spannungsregler ===

[[Bild:BMON_1048_VCC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Spannungsregler BF245C]]

Es gibt 2 alternative Bestückungsvarianten:

U5 ist ein low power Spannungsregler XC6216 von Torex. An Ein- und Ausgang werden 1µF Kondensatoren benötigt. Der Ruhestromverbrauch ist mit 5µA im Datenblatt angegeben.

Da mir das vieeel zu hoch ist, habe ich einen Sperrschicht-FET als Spannungsregler verwendet. Ein BF245C hat bei kleinen Strömen je nach Exemplarstreuung eine Gate/Source Spannung von -3.2 .. -7.5 V zwischen Gate und Source.
Wenn man jetzt das Gate auf Masse legt, und an Drain die ungeregelte Eingangsspannung, bleibt am Source eine Ausgangsspannung von +3.2 bis 7.5V.
Da der nachgeschaltete Prozessor maximal 5.5V Spannung verträgt müssen die FETs selektiert werden. Bei der maximalen Eingangsspannung und minimaler Last (also nur die 10 Meg-Ohm des Messinstrumentes) dürfen die 5.5V nicht überschritten werden. Bei der typischen Last von 10µA, entsprechend 330K, sollten mindestens ca. 3.8V als minimale Spannung übrig bleiben.

Beim Austesten auf dem Steckbrett habe ich herausgefunden, dass der FET relativ empfindlich auf Störimpulse reagiert und teilweise hierdurch auch hohe Spannungen an den Ausgang durchlässt. Abhilfe schaffen Abblockkondensatoren an Ein- und Ausgang. Im Gegensatz zum XC6216 reichen für den FET normale 100nF Abblockkondensatoren. Die Diode D1 dient als Verpolschutz. R2 begrenzt beim FET schnelle Spannungsanstiege sowie den Maximalstrom. Das Austesten auf dem Steckbrett sollte mit den Abblock-Cs und der Schutzbeschaltung erfolgen.

Von 10 getesteten FETs hatten alle eine maximale Spannung im Bereich 4.57 bis 4.80 V bei 25V Eingangsspannung. Bei Belastung mit 1K-Ohm und 9V Eingangsspannung habe ich 2.61V bis 2.77V gemessen. Der Regler hat also ausreichend Reserven. Die Mühe des Selektierens wird belohnt durch einen Stromverbrauch von nicht messbaren wenigen nA für den Spannungsregler.

R2 sollte bei Verwendung des XC6216 durch einen 0 Ohm Widerstand ersetzt werden. Allerdings habe ich diese Schaltungsvariante noch nicht getestet.

=== Prozessorteil ===

[[Bild:BMON_1048_PIC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Prozessorteil]]

Als Prozessor wird ein PIC18F2520 verwendet. Es ist quasi der low power Nachfolger eines PIC16F876. Der Strom mit internem Oszillator beträgt ca. 1mA. Um den Stromverbrauch zu reduzieren, ist der Prozessor hauptsächlich im sleep mode und wird nur alle 16ms aufgeweckt, um die Flanken für die Wechselspannung von 30Hz für die passive LC-Anzeige zu generieren, die auch die meisten Pins benötigt. C4 mit 10µF puffert kurze Stromspitzen in der Aufwachphase. C7 mindert EMV-Störungen.

Die Batteriespannung wird über Spannungsteiler R4/R5 an Pin RA2 gemessen. U2 sorgt mit R3 für eine stabile Referenz von 1.235V auch bei schwankenden Versorgungsspannungen. Kurzzeitig werden für den Referenzeingang bis zu 150µA und für die Referenzdiode bis zu 20µA benötigt. Da kein Abblockkondensator an der Referenz verwendet wird, ist R3 relativ niederohmig dimensioniert.

Die Stromsparfunktionen werden alle mit PIN RA1 gesteuert. Die Auswertung der Eingänge erfolgt nur ein Mal je Sekunde. Dies betrifft R3 als Versorgung für die Referenzdiode sowie R6 als pull up Widerstand für den Taster. Über T2 wird der Spannungsteiler für die Batteriespannung stromlos geschaltet. Der BSS138 ist ein FET mit geringer UGS threshold voltage von max. 1.5V. Er begrenzt also am Source die Drain-Spannung auf VCC-1.5V. Da die Referenzspannung 1.2V beträgt, ergibt sich durch den FET bei einer Versorgungsspannung bis herab zu 2.7V noch keine Begrenzung des Messbereichs für die Batteriespannung von bis zu 25.5V.

Der Ladestrom wird über Analogeingang RA0 gemessen.

Mit der gewählten Dimensionierung für R4/R5 ergibt sich ein Messbereich von 25.5V für die Batteriespannung. Der Strombereich ist für ca. 240mA ausgelegt.

An Pin RB6 wird schließlich das Schaltsignal für die Endstufe erzeugt.

=== Bedienteil ===

[[Bild:BMON_1048_HMI.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Bedienteil]]

Aus Platzgründen (Frontplatte des EG2-Gehäuses von ProMa) konnte leider nur ein 2-stelliges LC-Display verwendet werden. Um dennoch Spannungen größer 9.9V darstellen zu können, wird der führende Dezimalpunkt als Zehner-Stelle verwendet. Ab 20.0V fängt dann der Dezimalpunkt an zu blinken. Bei Verwendung eines 3 oder 4-stelligen Displays würde man anstelle des führenden Dezimalpunktes beide Segmente für die führende "1" anschließen.
Der Kondensator C5 hält Gleichspannungssignale vom Display fern. Dies ist insbesonders nützlich beim Flashen bzw. in der Debugging Phase.

J1 ist die Verbindung zur Mutterplatine. Dort kann noch ein zweiter Taster parallel zum Taster auf der Frontplatte angeschlossen werden. R7 dient als Kurzschlußschutz bzw. zur Stromreduzierung des Schaltsignals.

=== Endstufe ===

[[Bild:BMON_1048_POWER.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Endstufe LT1763]]

Die Endstufe ist außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Damit ergibt sich maximale Flexibilität von wenigen mA bis zu mehreren Ampere über einen BSS138 Treiber mit BTS555 Endstufe. Der Anschluss an die BMON1048 Leiterplatte erfolgt über Buchsenleisten auf der Leiterplatte mit der Endstufe. Die Stecker für den Ladeteil und den Prozessorteil sind getrennt ausgeführt. Damit können die Messleitungen direkt am Batteriepack angeschlossen werden (4-Leiter Anschluss). Übergangswiderstände am Stecker und der Leitungen haben dann weniger Einfluss auf die Messung.

Hier ist ein Beispiel für eine Endstufe mit LT1763 für maximal 20V Ladeendspannung gezeigt. Im ausgeschalteten Zustand verbraucht der Spannungsregler weniger als 1µA zusätzlich. Der Ruhestrom mit 30µA ist ebenfalls ein guter Wert. C10 ist vorzugsweise ein Folienkondensator (geringer Mikrofonieeffekt) zur Rauschunterdrückung. Die Ausgangsspannung wird mit R11+R12 auf 14.0 V eingestellt.

== Software ==

Die Software hat folgende Funktionen:

* Messen der Spannung und des Stroms linksbündig als 10 Bit Wert
* Verrechnung eines Korrekturfaktors aus EEPROM für Feinabgleich
* Anzeige der Spannung auf Display
* Als Timer dient der Watchdog mit 16ms Periode
* Die 30 Hz Wechselspannung für das Display wird hieraus abgeleitet
* Im Ladebetrieb erfolgt die Anzeige des Stroms im Wechsel mit der Spannung
* Unterhalb 1.15V/Zelle abschalten der Last (Spannungsanzeige blinkt)
* Oberhalb 1.25V/Zelle wiedereinschalten der Last
* Bei Tastendruck länger als 5 Sekunden wird die Last manuell ein-/ausgeschaltet
* Bei Spannungseinbruch > 0.6V/Minute wird ebenfalls abgeschaltet
* Alle Parameter wie Zellenzahl + Hysterese sind im Header konfigurierbar

<c>
#define Cells 12 ; # number of cells
#define mV * 256 * 51/1051/1235 ; 25,6V * 5K1/(100K+5K1)/VRef
#define VOn Cells * 1250 mV ; high hysteresis
#define VOff Cells * 1150 mV ; low hysteresis
#define VOLT_SEC 10 ; check every 10 seconds
#define VDIFF 600 mV ; voltage drop / minute
#define mA * 1 ; 1 mA / count
#define CURR_MIN 10 mA ; min current to display
</c>

Die Software ist mit MPASM 5.40 (MPLAB 8.70) erstellt. Die Bit-Schubsereien für das Display werden mit Tabellen in Page 0 für alle 3 Ports A-C und die Digits 1-2 abgehandelt.

Bei der Initialisierung wird erst die Hardware initialisiert und danach alle Variablen einschließlich der Kalibrierparameter die aus dem EEPROM gelesen werden. Die Kalibrierfaktoren sind im 2er Komplement als 16 Bit signed Wert gespeichert. Ein Abgleich von +/- 50% entspricht +/-32768 als Wert.

Die meiste Zeit verbringt der Prozessor im sleep mode. Alle 16 ms weckt der Watchdog den Prozessor auf, um die Pins für die Anzeige zu invertieren. Jede Sekunde finden zusätzlich noch Messfunktionen, einschließlich update der Anzeige sowie die Tastenabfrage statt.
Um Zeit (und damit Strom) zu sparen, wird die Wartezeit aufs ADC-Ergebnis genutzt, um eine Tastenentprellung bzw. die Vorverarbeitung der Spannungsmessung während der Strommessung durchzuführen.
Alle 10 Sekunden wird das High-Byte des Spannungswertes in einen Ringpuffer mit 6 Einträgen für die vergangene Minute eingetragen. Dies dient unterhalb der Einschaltschwelle zum Detektieren eines plötzlichen Spannungsabfalls falls eine Zelle schneller entladen ist, als die übrigen im Pack.

== Aufbau ==

<gallery>
Bild:Loetseite_IMG0964W.JPG|BMON1048 - Lötseite
Bild:BMON1048_BS_IMG0968W.JPG|Bestückungsseite
Bild:BMON1048_BST_LS.PNG|Position LS
Bild:BMON1048_BST_BS.PNG|Position BS
</gallery>

=== Lötseite ===

Die Leiterplatte ist doppelseitig. Die meisten Durchkontaktierungen liegen auf bedrahteten Bauelementen so dass eine durchkontaktierte Leiterplatte nicht zwingend nötig ist. Die drei Durchkontaktierungen im Bereich des Programmiersteckers können auch mit Kupferhohlnieten oder einer Drahtbrücke bestückt werden.

Am besten beginnt man nach Durchkontaktieren mit der Bestückung auf der Lötseite. C18, C19 sowie U5 sind im Muster nicht bestückt.

=== Bestückungsseite ===

Auf der Bestückungsseite werden zuerst die Bauteile unter dem Display, sowie die Widerstände unter dem L200 bestückt. Einige bedrahtete Bauteile müssen auf beiden Seiten der Platine verlötet werden, falls keine durchkontaktierte Leiterplatte verwendet wird.

Die Ladebuchse ist auf die Leiterplatte aufgesetzt. Die Anschlüsse werden mit Silberdraht verlängert. Mit dem Verlöten des Silberdrahtes sollte man, wie beim L200, so lange warten, bis die Frontplatte montiert ist.
In den Layoutdaten ist auch ein Layer für die Frontplatte enthalten, der als Bohrhilfe verwendet werden kann.

Der L200 ist über Kopf bestückt, die Anschlussdrähte also gegenüber dem stehenden Einbau auf die andere Seite abgewinkelt. Bei Verwendung von 10mm Distanzbolzen muss als Isolierung mindestens eine 1.5 mm Aluminiumoxidscheibe verwendet werden, damit sich die Pins des L200 im montierten Zustand verlöten lassen. Die Frontplatte des EG2-Gehäuses dient hiermit gleichzeitig als Kühlfläche.

C12 muss liegend montiert werden.

Für das Display verwende ich eine 18-polige Präzisionsfassung, die mit dem Seitenschneider auseinander geschnitten wird. Verlöten geht am einfachsten wenn das Display bereits in die Fassung gesteckt ist. Die beiden Pins 1 + 18 für die Backplane sind auf der Leiterplattenoberseite verbunden (Lötung unter der Fassung nicht vergessen).

Der Taster ist eine Ausführung mit langem Stößel, wenn die Bedienung ohne Hilfswerkzeug möglich sein soll.

=== Montagedetail L200 ===

[[Bild:BMON1048_L200_IMG0981W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - L200 Montage]]

Montagedetail L200:

* M3 Schraube
* Frontplatte
* Aluminiumoxidscheibe (AOS220 - 1.5mm)
* L200
* Isolierbuchse
* Unterlegscheibe (fehlt im Bild)
* M3 Mutter

=== Frontansichten ===

* Ansicht montiert mit Spannungsanzeige 16.7V
* Ansicht Ladebetrieb mit Stromanzeige 188mA

<gallery>
Bild:BMON1048_Spannung_IMG0965W.JPG|Spannungsanzeige
Bild:BMON1048_Strom_IMG0966W.JPG|Stromanzeige
</gallery>

== Inbetriebnahme und Abgleich ==

Der Ladeteil und der Batteriewächter können, auf Grund der getrennten Steckverbinder, unabhängig voneinander in Betrieb genommen werden.

=== Ladeteil ===

An einem strombegrenzten Netzteil (ca. 20-100mA) wird die Spannung an der Ladebuchse langsam von 0V an erhöht und die Stromaufnahme gemessen. Der Eigenverbrauch des L200 liegt bei ca. 10mA. Dieser Wert darf nicht wesentlich überschritten werden. Ist alles in Ordnung dreht man die Spannung langsam auf 24V. Die Ausgangsspannung des L200 sollte vor der Verpolschutzdiode D2 gemessen ca. 18.1V sein. Falls nicht, kann man durch Feinabgleich des Widerstandes R13 noch etwas korrigieren.
Danach einen Akkusatz anschließen und die Strombegrenzung des Netzteils langsam auf ca. 250mA-300mA drehen. Der Strom in den Akku sollte durch den L200 auf ca. 200 mA begrenzt werden.
Bei vollgeladenem Akku sollte der Strom unter C/50 besser C/100 (also 20-40 mA) zurückgehen. Gegebenenfalls ist die Ladeendspannung etwas zu reduzieren.

=== Prozessorteil ===

Zunächst wird der Prozessor mit einem Programmiergerät geflasht. Bei Verwendung des FET-Spannungsreglers darauf achten, dass die Spannungsversorgung für den Prozessor vom Programmiergerät (z.B. PICKIT3) zur Verfügung gestellt wird.
Hierbei darauf achten, dass die nominalen Kalibrierwerte im EEPROM nicht zu weit von den Defaultwerten abweichen.
Bei der Spannung ist der Defaultwert = 0x00, 0x00 (= Faktor 1.0 bzw. 0% Korrektur)
Beim Strom ist die Verstärkung nicht ganz auf einen Strom-Endwert von 255mA ausgelegt, sondern etwa 5 Prozent tiefer. Der nominale Kalibrierwert für den Strom beträgt daher 0xF3, 0x1B (= Faktor 0.94963 bzw. -5.04%).

Nach dem Flashen wird an die beiden mittleren Pins von J1 eine Spannung von ca. 5V angeschlossen. Ist alles ok, sollte das Display die Spannung blinkend anzeigen. Der Ausgang J1 PIN 1 weist hierbei Low-Pegel auf. Die Spannung wird langsam auf ca. 20V (max. 25V) erhöht und die prozentuale Abweichung zwischen Sollwert und Anzeige berechnet. Ab ca. 15.0 V verschwindet das Blinken und der Ausgang wechselt auf High-Pegel (>2.4V). Unterhalb ca. 13.8V wird die Last wieder abgeschaltet und das Display blinkt wieder.
Danach wird ein Akku (15-17V) an Prozessorteil und Ladeteil angeschlossen. Über ein strombegrenztes Netzteil werden ca. 180mA Ladestrom in den Akku eingestellt. Die Anzeige zeigt jetzt im Wechsel die Akkuspannung und den Ladestrom an. Wiederum wird die prozentuale Abweichung vom tatsächlichen Ladestrom berechnet.
Die prozentualen Abweichungen werden auf die existierenden Kalibrierwerte multipliziert und dann nach einem MPASM-Lauf ins EEPROM geschrieben. Bei Verwendung von MPLAB darauf achten dass im "Release" Modus und nicht im "Debug" Modus gearbeitet wird.

Danach ist der Batteriewächter einsatzbereit.

== Praxis und Ideen ==

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|BMON1035 Stromverbrauch 9.7uA bei 9.3V]]

Anbei ein Aufbau einer Vorgängerversion ohne Ladestrommessung (BMON1035) mit einem Stromverbrauch um 9.7 uA (schwankend) bei einem frisch aufgeladenen Akku mit 9.3V. An einem BMON1048 mit Strommessung habe ich 10-12uA gemessen. Wobei der Stromverbrauch auch von der tatsächlichen Versorgungsspannung des Prozessors abhängt.

Ich habe 2 Schaltungen mit ca. 30 mA Last seit 2.5 Jahren im Dauerbetrieb mit je 12 AA-Zellen und täglichem Ladebetrieb. Der erste Akkusatz zeigt seit letztem Sommer (bis zu 32 Grad Raumtemperatur während dem Laden) einen erhöhten Innenwiderstand. Der Ladestrom bei vollem Akku lag hierbei bei erhöhter Temperatur bei 60-70mA.

Die Spannungsdifferenz beim Einstecken / Entfernen des Ladegerätes ist bei diesem Akkusatz ca. 1V. Bei niedrigen Spannungen unter 15V und kurzem Ladebetrieb wird hierdurch die Last ungewollt abgeworfen. Das Kriterium 0.6V Abfall innerhalb einer Minute wird überschritten.
Der andere Akkusatz liegt immer noch bei 0.2V Differenz zwischen Normal und Ladebetrieb.

Ganz oben auf der Wunschliste steht der vereinfachte Abgleich der Kalibrierwerte im EEPROM. Denkbar wäre irgendein Morsecode über den Taster oder ein Jumper an einem freien Pin um den Abgleich bei angelegten Referenzwerten zu starten.

Freier Speicherplatz ist jedenfalls genügend vorhanden. Wobei Sonderfunktionen nur selten gerechnet werden sollten um den Stromverbrauch nicht zu stark zu erhöhen.

Die führende "1" wird derzeit wegen des 2-stelligen Displays als Dezimalpunkt angezeigt. Bei einem 3-stelligen Display würde man anstelle des Dezimalpunktes die beiden Segmente "b" und "c" für die "1" parallel ansteuern.

Ideen:
* Temperaturkompensation der End-Ladespannung mittels NTC / Dioden
* Alternativ: Abschaltung des Ladezweigs per Prozessor-Pin wenn der Ladestrom bei der Endspannung eingeschwungen ist
* Lernfunktion Berücksichtigung Spannungsdifferenz bei Ladebetrieb für Abschaltkriterium
* Automatisiertes Speichern der Abgleichwerte im EEPROM

Anpassung an andere Zellenzahlen:

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|+ '''Ladeteil L200'''
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|+ '''Lastregler LT1763 (Ausserhalb Leiterplatte)'''
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== Downloads ==

* [[Media:BMON1048_MPASM.ZIP| Source code für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_Schaltbild.pdf| Schaltplan für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_gcprevue.zip| Layout (Gerber) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_PDF.zip| Layout (PDF) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_STK.txt| Stückliste Batteriewächter BMON1048]]

== Weblinks ==

* [http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00000053.pdf L200_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BSS84.pdf BSS84P_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF245A-B-C.pdf BF245C_Datasheet]
* [http://www.torex.co.jp/english/products/voltage_regulators/data/XC6216_XE6216.pdf XC6216_Datasheet]
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39631e.pdf PIC18F2520_Datasheet]
* [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm285-1.2-n.pdf LM385Z-1.2_Datasheet]
* [http://www.fairchildsemi.com/ds/BS/BSS138.pdf BSS138_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Hintergrund-gruen/LCD-2-0-13/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=3005&ARTICLE=10179&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& LCD-2-13]
* [http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1763fg.pdf LT1763_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Proma-Gehaeuse/GEH-EG-2/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=5199&ARTICLE=50424&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& Gehäuse_EG2]
* [http://www.graphicode.com/ GC-Prevue Gerber viewer]

== Siehe auch ==

* [http://www.mikrocontroller.net/topic/288063 Forum: Diskussion zu diesem Projekt]

[[Kategorie:Wettbewerb]]
[[Kategorie:PIC-Projekte]]
[[Kategorie:Spannungsversorgung_und_Energiequellen]]
[[Kategorie:Messtechnik]]
[[Kategorie:Projekte]]

Batteriewächter

2013-03-03T14:20:58Z

An ja: /* Aufbau */

''von Anja'' (in Arbeit)

{{Wettbewerb Header}}

[[Bild:BMON_1048_3_IMG0982w.JPG|thumb|300px|Batteriewächter]]
'''Eigenschaften'''
* Schaltausgang zum Abschalten der Last bei Unterspannung
* Mikroprozessordesign mit PIC18F2520
* Geringer Stromverbrauch typ. 10µA
* Geringe Mindestspannung typ. 2.5V
* Optional bestückbares Ladeteil mit L200
* Breiter Einsatzbereich von 4-12 NiMH Zellen oder 6-12V Bleiakkus
* Leiterplatte angepasst für Frontplatte eines EG2-Aluminiumgehäuses (ProMa)

'''Anwendungen'''
* Batteriemanagement
* Aus Messwert gespeistes Panelmeter

== Vorgeschichte ==

Eigentlich wollte ich nur eine einfache Anzeige für meine, per Akku gespeisten Referenzen: wann müssen die 9V-Blocks wieder ans Ladegerät. Ein einfaches Drehspulinstrument hätte es getan. Allerdings brauchen diese relativ viel Strom im Verhältnis zu einer ISL21009. Und bei einer Empfindlichkeit von 100µA sind sie auch nicht ganz billig.

Die nächste Idee: Eine low power Referenz und ein Komparator (oder gleich einen ICL7665). Nur: Was dann als Anzeige nehmen? Selbst eine low current LED braucht einige 100µA für die Anzeige.

Alternative Anzeigen wären eine einfache LCD Balkenanzeige wie im Handy. Diese sind allerdings nicht im DIP 8 Gehäuse erhältlich. Als Alternative bleiben eigentlich nur passive LC-Anzeigen mit 2-4 Digits.

Das Ganze zu takten war die nächste Idee. Also wie beim Rauchmelder nur kurze Mess- und Anzeigephasen um Strom zu sparen.

In der Zwischenzeit waren auch Referenzen im Programm, die eine Mindestspannung von 9V oder 14V benötigen. Die Anzahl der Zellen (8-12) ist also so gewachsen, dass die 16V des ICL7665 oder gängiger CMOS Logik nicht mehr ausreichen.

Schön wäre auch eine "richtige" Spannungsanzeige - also muss ein Prozessor her. Nachdem auch die ersten 9V-Blocks Schwächen wegen Tiefentladung zeigten, sollte das Ganze auch einen Unterspannungsschutz haben.

Zum damaligen Zeitpunkt gab es nur wenige Spannungsregler mit Eingangsspannungen bis 20 oder 25V und Eigenstromverbrauch unter 20µA. Und die auch nur von Farnell, also für Privat quasi unobtanium.

Eine Idee hatte ich schon länger um z.B. Uhrenchips im 12V-System zu betreiben: Ein normaler Sperrschicht-FET hat eine negative UGS-Spannung. Wenn man das Gate also an Masse anschließt müsste am Source eine halbwegs stabile Backup-Spannung übrig bleiben. Und das auch noch ohne dass der Spannungsregler einen nennenswerten Strom braucht.

Der Ehrgeiz war geweckt, es müsste doch möglich sein einen prozessorgesteuerten Komparator mit Spannungsanzeige bei unter 20µA Stromverbrauch und mit Versorgung direkt aus der Batterie im Bereich 5-20V zu entwickeln...

== Blockschaltbild ==

[[Bild:BMON_1048_BLOCK.PNG|thumb|right|350px|BMON148 - Blockschaltbild]]

Die Schaltung auf der Leiterplatte umfasst ein einfaches Ladeteil mit L200. Die Speisung erfolgt mit einem externen 24V Steckernetzteil. Ein Low-Power Spannungsregler erzeugt die VCC-Versorgung für den Prozessorteil. Der Prozessor misst die Akkuspannung sowie den Ladestrom und erzeugt das Steuersignal für die Endstufe. Auf dem Display werden die Akkuspannung sowie der Ladestrom angezeigt. Der Taster dient zum Ein-/Ausschalten der Last. Da der Leistungsteil je nach Last sehr unterschiedlich sein kann (z.B. BTS555 für Hochstromanwendungen), ist er außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Als Schaltungsbeispiel wird eine Endstufe mit LT1763 gezeigt.

=== Ladeteil ===

[[Bild:BMON_1048_L200.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Ladeteil]]

Das Ladeteil ist eine Standardapplikation mit L200, ergänzt um einen Spannungsausgang für die Strommessung.
Die maximale Ladespannung wird mittels Spannungsteiler R12 zu R11 eingestellt. R13 ist parallel zu R12 und wird für den Feinabgleich der Ausgangsspannung verwendet. Auf der Leiterplatte sind die Widerstände wahlweise als SMD (R11..R13) oder bedrahtet (R11A..R13A) bestückbar. R11A ist mit 820 Ohm bestückt. R12A mit 4K7 parallel zu R13A mit 130k ergibt 4K54. Die Ausgangsspannung von 18.1 V ergibt sich aus der Referenzspannung von 2.77V des L200 * (1 + 4540R/820R). R14 begrenzt den Strom auf ca. 200 mA (0.45V / 2R2).
Diode D2 verhindert ein Entladen des Akkus wenn das Steckernetzteil nicht angeschlossen ist. D3 dient als Verpolschutz.
Die Schaltung um U3 verstärkt die Spannung über dem Strombegrenzungswiderstand. Es muss zwingend ein OP verwendet werden dessen common mode input range an die positive Versorgung reicht. Bei einem TL062 ist dies bei normalen Raumtemperaturen gegeben. Die Spannung über R14 wird im Verhältnis R16/R15 = 2.32 fach verstärkt. Bei 200mA, also 450mV am Strombegrenzungswiderstand, ergibt sich für den ADC-Eingang eine Spannung von 1.04V über R16.
L1, L2 sowie C15-C19 bilden ein optional bestückbares EMV-Filter. C18+C19 filtern hierbei die Störungen über einen M3 Distanzbolzen auf das Aluminiumgehäuse.

=== Spannungsregler ===

[[Bild:BMON_1048_VCC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Spannungsregler BF245C]]

Es gibt 2 alternative Bestückungsvarianten:

U5 ist ein low power Spannungsregler XC6216 von Torex. An Ein- und Ausgang werden 1µF Kondensatoren benötigt. Der Ruhestromverbrauch ist mit 5µA im Datenblatt angegeben.

Da mir das vieeel zu hoch ist, habe ich einen Sperrschicht-FET als Spannungsregler verwendet. Ein BF245C hat bei kleinen Strömen je nach Exemplarstreuung eine Gate/Source Spannung von -3.2 .. -7.5 V zwischen Gate und Source.
Wenn man jetzt das Gate auf Masse legt, und an Drain die ungeregelte Eingangsspannung, bleibt am Source eine Ausgangsspannung von +3.2 bis 7.5V.
Da der nachgeschaltete Prozessor maximal 5.5V Spannung verträgt müssen die FETs selektiert werden. Bei der maximalen Eingangsspannung und minimaler Last (also nur die 10 Meg-Ohm des Messinstrumentes) dürfen die 5.5V nicht überschritten werden. Bei der typischen Last von 10µA, entsprechend 330K, sollten mindestens ca. 3.8V als minimale Spannung übrig bleiben.

Beim Austesten auf dem Steckbrett habe ich herausgefunden, dass der FET relativ empfindlich auf Störimpulse reagiert und teilweise hierdurch auch hohe Spannungen an den Ausgang durchlässt. Abhilfe schaffen Abblockkondensatoren an Ein- und Ausgang. Im Gegensatz zum XC6216 reichen für den FET normale 100nF Abblockkondensatoren. Die Diode D1 dient als Verpolschutz. R2 begrenzt beim FET schnelle Spannungsanstiege sowie den Maximalstrom. Das Austesten auf dem Steckbrett sollte mit den Abblock-Cs und der Schutzbeschaltung erfolgen.

Von 10 getesteten FETs hatten alle eine maximale Spannung im Bereich 4.57 bis 4.80 V bei 25V Eingangsspannung. Bei Belastung mit 1K-Ohm und 9V Eingangsspannung habe ich 2.61V bis 2.77V gemessen. Der Regler hat also ausreichend Reserven. Die Mühe des Selektierens wird belohnt durch einen Stromverbrauch von nicht messbaren wenigen nA für den Spannungsregler.

R2 sollte bei Verwendung des XC6216 durch einen 0 Ohm Widerstand ersetzt werden. Allerdings habe ich diese Schaltungsvariante noch nicht getestet.

=== Prozessorteil ===

[[Bild:BMON_1048_PIC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Prozessorteil]]

Als Prozessor wird ein PIC18F2520 verwendet. Es ist quasi der low power Nachfolger eines PIC16F876. Der Strom mit internem Oszillator beträgt ca. 1mA. Um den Stromverbrauch zu reduzieren, ist der Prozessor hauptsächlich im sleep mode und wird nur alle 16ms aufgeweckt, um die Flanken für die Wechselspannung von 30Hz für die passive LC-Anzeige zu generieren, die auch die meisten Pins benötigt. C4 mit 10µF puffert kurze Stromspitzen in der Aufwachphase. C7 mindert EMV-Störungen.

Die Batteriespannung wird über Spannungsteiler R4/R5 an Pin RA2 gemessen. U2 sorgt mit R3 für eine stabile Referenz von 1.235V auch bei schwankenden Versorgungsspannungen. Kurzzeitig werden für den Referenzeingang bis zu 150µA und für die Referenzdiode bis zu 20µA benötigt. Da kein Abblockkondensator an der Referenz verwendet wird, ist R3 relativ niederohmig dimensioniert.

Die Stromsparfunktionen werden alle mit PIN RA1 gesteuert. Die Auswertung der Eingänge erfolgt nur ein Mal je Sekunde. Dies betrifft R3 als Versorgung für die Referenzdiode sowie R6 als pull up Widerstand für den Taster. Über T2 wird der Spannungsteiler für die Batteriespannung stromlos geschaltet. Der BSS138 ist ein FET mit geringer UGS threshold voltage von max. 1.5V. Er begrenzt also am Source die Drain-Spannung auf VCC-1.5V. Da die Referenzspannung 1.2V beträgt, ergibt sich durch den FET bei einer Versorgungsspannung bis herab zu 2.7V noch keine Begrenzung des Messbereichs für die Batteriespannung von bis zu 25.5V.

Der Ladestrom wird über Analogeingang RA0 gemessen.

Mit der gewählten Dimensionierung für R4/R5 ergibt sich ein Messbereich von 25.5V für die Batteriespannung. Der Strombereich ist für ca. 240mA ausgelegt.

An Pin RB6 wird schließlich das Schaltsignal für die Endstufe erzeugt.

=== Bedienteil ===

[[Bild:BMON_1048_HMI.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Bedienteil]]

Aus Platzgründen (Frontplatte des EG2-Gehäuses von ProMa) konnte leider nur ein 2-stelliges LC-Display verwendet werden. Um dennoch Spannungen größer 9.9V darstellen zu können, wird der führende Dezimalpunkt als Zehner-Stelle verwendet. Ab 20.0V fängt dann der Dezimalpunkt an zu blinken. Bei Verwendung eines 3 oder 4-stelligen Displays würde man anstelle des führenden Dezimalpunktes beide Segmente für die führende "1" anschließen.
Der Kondensator C5 hält Gleichspannungssignale vom Display fern. Dies ist insbesonders nützlich beim Flashen bzw. in der Debugging Phase.

J1 ist die Verbindung zur Mutterplatine. Dort kann noch ein zweiter Taster parallel zum Taster auf der Frontplatte angeschlossen werden. R7 dient als Kurzschlußschutz bzw. zur Stromreduzierung des Schaltsignals.

=== Endstufe ===

[[Bild:BMON_1048_POWER.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Endstufe LT1763]]

Die Endstufe ist außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Damit ergibt sich maximale Flexibilität von wenigen mA bis zu mehreren Ampere über einen BSS138 Treiber mit BTS555 Endstufe. Der Anschluss an die BMON1048 Leiterplatte erfolgt über Buchsenleisten auf der Leiterplatte mit der Endstufe. Die Stecker für den Ladeteil und den Prozessorteil sind getrennt ausgeführt. Damit können die Messleitungen direkt am Batteriepack angeschlossen werden (4-Leiter Anschluss). Übergangswiderstände am Stecker und der Leitungen haben dann weniger Einfluss auf die Messung.

Hier ist ein Beispiel für eine Endstufe mit LT1763 für maximal 20V Ladeendspannung gezeigt. Im ausgeschalteten Zustand verbraucht der Spannungsregler weniger als 1µA zusätzlich. Der Ruhestrom mit 30µA ist ebenfalls ein guter Wert. C10 ist vorzugsweise ein Folienkondensator (geringer Mikrofonieeffekt) zur Rauschunterdrückung. Die Ausgangsspannung wird mit R11+R12 auf 14.0 V eingestellt.

== Software ==

Die Software hat folgende Funktionen:

* Messen der Spannung und des Stroms linksbündig als 10 Bit Wert
* Verrechnung eines Korrekturfaktors aus EEPROM für Feinabgleich
* Anzeige der Spannung auf Display
* Als Timer dient der Watchdog mit 16ms Periode
* Die 30 Hz Wechselspannung für das Display wird hieraus abgeleitet
* Im Ladebetrieb erfolgt die Anzeige des Stroms im Wechsel mit der Spannung
* Unterhalb 1.15V/Zelle abschalten der Last (Spannungsanzeige blinkt)
* Oberhalb 1.25V/Zelle wiedereinschalten der Last
* Bei Tastendruck länger als 5 Sekunden wird die Last manuell ein-/ausgeschaltet
* Bei Spannungseinbruch > 0.6V/Minute wird ebenfalls abgeschaltet
* Alle Parameter wie Zellenzahl + Hysterese sind im Header konfigurierbar

<c>
#define Cells 12 ; # number of cells
#define mV * 256 * 51/1051/1235 ; 25,6V * 5K1/(100K+5K1)/VRef
#define VOn Cells * 1250 mV ; high hysteresis
#define VOff Cells * 1150 mV ; low hysteresis
#define VOLT_SEC 10 ; check every 10 seconds
#define VDIFF 600 mV ; voltage drop / minute
#define mA * 1 ; 1 mA / count
#define CURR_MIN 10 mA ; min current to display
</c>

Die Software ist mit MPASM 5.40 (MPLAB 8.70) erstellt. Die Bit-Schubsereien für das Display werden mit Tabellen in Page 0 für alle 3 Ports A-C und die Digits 1-2 abgehandelt.

Bei der Initialisierung wird erst die Hardware initialisiert und danach alle Variablen einschließlich der Kalibrierparameter die aus dem EEPROM gelesen werden. Die Kalibrierfaktoren sind im 2er Komplement als 16 Bit signed Wert gespeichert. Ein Abgleich von +/- 50% entspricht +/-32768 als Wert.

Die meiste Zeit verbringt der Prozessor im sleep mode. Alle 16 ms weckt der Watchdog den Prozessor auf, um die Pins für die Anzeige zu invertieren. Jede Sekunde finden zusätzlich noch Messfunktionen, einschließlich update der Anzeige sowie die Tastenabfrage statt.
Um Zeit (und damit Strom) zu sparen, wird die Wartezeit aufs ADC-Ergebnis genutzt, um eine Tastenentprellung bzw. die Vorverarbeitung der Spannungsmessung während der Strommessung durchzuführen.
Alle 10 Sekunden wird das High-Byte des Spannungswertes in einen Ringpuffer mit 6 Einträgen für die vergangene Minute eingetragen. Dies dient unterhalb der Einschaltschwelle zum Detektieren eines plötzlichen Spannungsabfalls falls eine Zelle schneller entladen ist, als die übrigen im Pack.

== Aufbau ==

<gallery>
Bild:Loetseite_IMG0964W.JPG|BMON1048 - Lötseite
Bild:BMON1048_BS_IMG0968W.JPG|Bestückungsseite
Bild:BMON1048_BST_LS.PNG|Position LS
Bild:BMON1048_BST_BS.PNG|Position BS
</gallery>

=== Lötseite ===

Die Leiterplatte ist doppelseitig. Die meisten Durchkontaktierungen liegen auf bedrahteten Bauelementen so dass eine durchkontaktierte Leiterplatte nicht zwingend nötig ist. Die drei Durchkontaktierungen im Bereich des Programmiersteckers können auch mit Kupferhohlnieten oder einer Drahtbrücke bestückt werden.

Am besten beginnt man nach Durchkontaktieren mit der Bestückung auf der Lötseite. C18, C19 sowie U5 sind im Muster nicht bestückt.

=== Bestückungsseite ===

Auf der Bestückungsseite werden zuerst die Bauteile unter dem Display, sowie die Widerstände unter dem L200 bestückt. Einige bedrahtete Bauteile müssen auf beiden Seiten der Platine verlötet werden, falls keine durchkontaktierte Leiterplatte verwendet wird.

Die Ladebuchse ist auf die Leiterplatte aufgesetzt. Die Anschlüsse werden mit Silberdraht verlängert. Mit dem Verlöten des Silberdrahtes sollte man, wie beim L200, so lange warten, bis die Frontplatte montiert ist.
In den Layoutdaten ist auch ein Layer für die Frontplatte enthalten, der als Bohrhilfe verwendet werden kann.

Der L200 ist über Kopf bestückt, die Anschlussdrähte also gegenüber dem stehenden Einbau auf die andere Seite abgewinkelt. Bei Verwendung von 10mm Distanzbolzen muss als Isolierung mindestens eine 1.5 mm Aluminiumoxidscheibe verwendet werden, damit sich die Pins des L200 im montierten Zustand verlöten lassen. Die Frontplatte des EG2-Gehäuses dient hiermit gleichzeitig als Kühlfläche.

C12 muss liegend montiert werden.

Für das Display verwende ich eine 18-polige Präzisionsfassung, die mit dem Seitenschneider auseinander geschnitten wird. Verlöten geht am einfachsten wenn das Display bereits in die Fassung gesteckt ist. Die beiden Pins 1 + 18 für die Backplane sind auf der Leiterplattenoberseite verbunden (Lötung unter der Fassung nicht vergessen).

Der Taster ist eine Ausführung mit langem Stößel, wenn die Bedienung ohne Hilfswerkzeug möglich sein soll.

=== Montagedetail L200 ===

[[Bild:BMON1048_L200_IMG0981W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - L200 Montage]]

Montagedetail L200:

* M3 Schraube
* Frontplatte
* Aluminiumoxidscheibe (AOS220 - 1.5mm)
* L200
* Isolierbuchse
* Unterlegscheibe (fehlt im Bild)
* M3 Mutter

=== Frontansichten ===

* Ansicht montiert mit Spannungsanzeige 16.7V
* Ansicht Ladebetrieb mit Stromanzeige 188mA

<gallery>
Bild:BMON1048_Spannung_IMG0965W.JPG|Spannungsanzeige
Bild:BMON1048_Strom_IMG0966W.JPG|Stromanzeige
</gallery>

== Inbetriebnahme und Abgleich ==

Der Ladeteil und der Batteriewächter können auf Grund der getrennten Steckverbinder unabhängig voneinander in Betrieb genommen werden.

=== Ladeteil ===

An einem strombegrenzten Netzteil (ca. 20-100mA) wird die Spannung an der Ladebuchse langsam von 0V an erhöht und die Stromaufnahme gemessen. Der Eigenverbrauch des L200 liegt bei ca. 10mA. Dieser Wert darf nicht wesentlich überschritten werden. Ist alles in Ordnung dreht man die Spannung langsam auf 24V. Die Ausgangsspannung des L200 sollte vor der Verpolschutzdiode D2 gemessen ca. 18.1V sein. Falls nicht kann man durch Feinabgleich des Widerstandes R13 noch etwas korrigieren.
Danach einen Akkusatz anschließen und die Strombegrenzung des Netzteils langsam auf ca. 250mA-300mA drehen. Der Strom in den Akku sollte durch den L200 auf ca. 200 mA begrenzt werden.
Bei vollgeladenem Akku sollte der Strom unter C/50 besser C/100 (also 20-40 mA) zurückgehen. Gegebenenfalls ist die Ladeendspannung etwas zu reduzieren.

=== Prozessorteil ===

Zunächst wird der Prozessor mit einem Programmiergerät geflasht. Bei Verwendung des FET-Spannungsreglers darauf achten dass die Spannungsversorgung für den Prozessor vom Programmiergerät (z.B. PICKIT3) zur Verfügung gestellt wird.
Hierbei darauf achten dass die nominalen Kalibrierwerte im EEPROM nicht zu weit von den Defaultwerten abweichen.
Bei der Spannung ist der Defaultwert = 0x00, 0x00 (= Faktor 1.0)
Beim Strom ist die Verstärkung nicht ganz auf einen Strom-Endwert von 255mA ausgelegt sondern etwa 5 Prozent tiefer. Der nominale Kalibrierwert für den Strom beträgt daher 0xF3, 0x1B (= Faktor 0.94963).

Nach dem Flashen wird an die beiden mittleren Pins von J1 eine Spannung von ca. 5V angeschlossen. Ist alles ok sollte das Display die Spannung blinkend anzeigen. Der Ausgang J1 PIN 1 weist Low-Pegel auf. Die Spannung wird langsam auf ca. 20V (max. 25V) erhöht und die prozentuale Abweichung zwischen Sollwert und Anzeige berechnet. Ab ca. 15. V verschwindet das Blinken und der Ausgang wechselt auf High-Pegel (>2.4V). Unterhalb ca. 13.8V wird die Last wieder abgeschaltet und das Display blinkt wieder.
Danach wird ein Akku (15-17V) an Prozessorteil und Ladeteil angeschlossen. Über ein strombegrenztes Netzteil werden ca. 180mA Ladestrom in den Akku eingestellt. Die Anzeige zeigt jetzt im Wechsel die Akkuspannung und den Ladestrom an. Wiederum wird die prozentuale Abweichung vom tatsächlichen Ladestrom berechnet.
Die prozentualen Abweichungen werden auf die existierenden Kalibrierwerte multipliziert und dann nach einem MPASM-Lauf ins EEPROM geschrieben. Bei Verwendung von MPLAB darauf achten dass im "Release" Modus und nicht im "Debug" Modus gearbeitet wird.

Danach ist der Batteriewächter einsatzbereit.

== Praxis und Ideen ==

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|BMON1035 Stromverbrauch 9.7uA bei 9.3V]]

Anbei ein Aufbau einer Vorgängerversion ohne Ladestrommessung (BMON1035) mit einem Stromverbrauch um 9.7 uA (schwankend) bei einem frisch aufgeladenen Akku mit 9.3V. An einem BMON1048 mit Strommessung habe ich 10-12uA gemessen. Wobei der Stromverbrauch auch von der tatsächlichen Versorgungsspannung des Prozessors abhängt.

Ich habe 2 Schaltungen mit ca. 30 mA Last seit 2.5 Jahren im Dauerbetrieb mit je 12 AA-Zellen und täglichem Ladebetrieb. Der erste Akkusatz zeigt seit letztem Sommer (bis zu 32 Grad Raumtemperatur während dem Laden) einen erhöhten Innenwiderstand. Der Ladestrom bei vollem Akku lag hierbei bei erhöhter Temperatur bei 60-70mA.

Die Spannungsdifferenz beim Einstecken / Entfernen des Ladegerätes ist bei diesem Akkusatz ca. 1V. Bei niedrigen Spannungen unter 15V und kurzem Ladebetrieb wird hierdurch die Last ungewollt abgeworfen. Das Kriterium 0.6V Abfall innerhalb einer Minute wird überschritten.
Der andere Akkusatz liegt immer noch bei 0.2V Differenz zwischen Normal und Ladebetrieb.

Ganz oben auf der Wunschliste steht der vereinfachte Abgleich der Kalibrierwerte im EEPROM. Denkbar wäre irgendein Morsecode über den Taster oder ein Jumper an einem freien Pin um den Abgleich bei angelegten Referenzwerten zu starten.

Freier Speicherplatz ist jedenfalls genügend vorhanden. Wobei Sonderfunktionen nur selten gerechnet werden sollten um den Stromverbrauch nicht zu stark zu erhöhen.

Die führende "1" wird derzeit wegen des 2-stelligen Displays als Dezimalpunkt angezeigt. Bei einem 3-stelligen Display würde man anstelle des Dezimalpunktes die beiden Segmente "b" und "c" für die "1" parallel ansteuern.

Ideen:
* Temperaturkompensation der End-Ladespannung mittels NTC / Dioden
* Alternativ: Abschaltung des Ladezweigs per Prozessor-Pin wenn der Ladestrom bei der Endspannung eingeschwungen ist
* Lernfunktion Berücksichtigung Spannungsdifferenz bei Ladebetrieb für Abschaltkriterium
* Automatisiertes Speichern der Abgleichwerte im EEPROM

Anpassung an andere Zellenzahlen:

:{| class="wikitable"
|+ '''Ladeteil L200'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R13
|-
| 4 || 6.5 || 2K2 || 2K2
|-
| 6 || 9.4 || 2K2 || 18K
|-
| 7 || 10.85 || 2K4 || ---
|-
| 8 || 12.3 || 3K0 || 47K
|-
| 10 || 15.2 || 3K9 || 68K
|-
| 12 || 18.1 || 4K7 || 130K
|}

:{| class="wikitable"
|+ '''Lastregler LT1763 (Ausserhalb Leiterplatte)'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R11
|-
| 5 || 5.1 || 4K7 || 15K
|-
| 6 || 6.0 || 10K || 39K
|-
| 7 || 8.0 || 2K7 || 15K
|-
| 8 || 9.35 || 3K3 || 22K
|-
| 10 || 11.5 || 3K9 || 33K
|-
| 12 || 12.0 || 2K7 || 24K
|-
| 12 || 14.0 || 6K49 || 68K
|}

== Downloads ==

* [[Media:BMON1048_MPASM.ZIP| Source code für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_Schaltbild.pdf| Schaltplan für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_gcprevue.zip| Layout (Gerber) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_PDF.zip| Layout (PDF) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_STK.txt| Stückliste Batteriewächter BMON1048]]

== Weblinks ==

* [http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00000053.pdf L200_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BSS84.pdf BSS84P_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF245A-B-C.pdf BF245C_Datasheet]
* [http://www.torex.co.jp/english/products/voltage_regulators/data/XC6216_XE6216.pdf XC6216_Datasheet]
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39631e.pdf PIC18F2520_Datasheet]
* [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm285-1.2-n.pdf LM385Z-1.2_Datasheet]
* [http://www.fairchildsemi.com/ds/BS/BSS138.pdf BSS138_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Hintergrund-gruen/LCD-2-0-13/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=3005&ARTICLE=10179&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& LCD-2-13]
* [http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1763fg.pdf LT1763_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Proma-Gehaeuse/GEH-EG-2/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=5199&ARTICLE=50424&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& Gehäuse_EG2]
* [http://www.graphicode.com/ GC-Prevue Gerber viewer]

== Siehe auch ==

* [http://www.mikrocontroller.net/topic/288063 Forum: Diskussion zu diesem Projekt]

[[Kategorie:Wettbewerb]]
[[Kategorie:PIC-Projekte]]
[[Kategorie:Spannungsversorgung_und_Energiequellen]]
[[Kategorie:Messtechnik]]
[[Kategorie:Projekte]]

Batteriewächter

2013-03-03T14:12:43Z

An ja: /* Software */

''von Anja'' (in Arbeit)

{{Wettbewerb Header}}

[[Bild:BMON_1048_3_IMG0982w.JPG|thumb|300px|Batteriewächter]]
'''Eigenschaften'''
* Schaltausgang zum Abschalten der Last bei Unterspannung
* Mikroprozessordesign mit PIC18F2520
* Geringer Stromverbrauch typ. 10µA
* Geringe Mindestspannung typ. 2.5V
* Optional bestückbares Ladeteil mit L200
* Breiter Einsatzbereich von 4-12 NiMH Zellen oder 6-12V Bleiakkus
* Leiterplatte angepasst für Frontplatte eines EG2-Aluminiumgehäuses (ProMa)

'''Anwendungen'''
* Batteriemanagement
* Aus Messwert gespeistes Panelmeter

== Vorgeschichte ==

Eigentlich wollte ich nur eine einfache Anzeige für meine, per Akku gespeisten Referenzen: wann müssen die 9V-Blocks wieder ans Ladegerät. Ein einfaches Drehspulinstrument hätte es getan. Allerdings brauchen diese relativ viel Strom im Verhältnis zu einer ISL21009. Und bei einer Empfindlichkeit von 100µA sind sie auch nicht ganz billig.

Die nächste Idee: Eine low power Referenz und ein Komparator (oder gleich einen ICL7665). Nur: Was dann als Anzeige nehmen? Selbst eine low current LED braucht einige 100µA für die Anzeige.

Alternative Anzeigen wären eine einfache LCD Balkenanzeige wie im Handy. Diese sind allerdings nicht im DIP 8 Gehäuse erhältlich. Als Alternative bleiben eigentlich nur passive LC-Anzeigen mit 2-4 Digits.

Das Ganze zu takten war die nächste Idee. Also wie beim Rauchmelder nur kurze Mess- und Anzeigephasen um Strom zu sparen.

In der Zwischenzeit waren auch Referenzen im Programm, die eine Mindestspannung von 9V oder 14V benötigen. Die Anzahl der Zellen (8-12) ist also so gewachsen, dass die 16V des ICL7665 oder gängiger CMOS Logik nicht mehr ausreichen.

Schön wäre auch eine "richtige" Spannungsanzeige - also muss ein Prozessor her. Nachdem auch die ersten 9V-Blocks Schwächen wegen Tiefentladung zeigten, sollte das Ganze auch einen Unterspannungsschutz haben.

Zum damaligen Zeitpunkt gab es nur wenige Spannungsregler mit Eingangsspannungen bis 20 oder 25V und Eigenstromverbrauch unter 20µA. Und die auch nur von Farnell, also für Privat quasi unobtanium.

Eine Idee hatte ich schon länger um z.B. Uhrenchips im 12V-System zu betreiben: Ein normaler Sperrschicht-FET hat eine negative UGS-Spannung. Wenn man das Gate also an Masse anschließt müsste am Source eine halbwegs stabile Backup-Spannung übrig bleiben. Und das auch noch ohne dass der Spannungsregler einen nennenswerten Strom braucht.

Der Ehrgeiz war geweckt, es müsste doch möglich sein einen prozessorgesteuerten Komparator mit Spannungsanzeige bei unter 20µA Stromverbrauch und mit Versorgung direkt aus der Batterie im Bereich 5-20V zu entwickeln...

== Blockschaltbild ==

[[Bild:BMON_1048_BLOCK.PNG|thumb|right|350px|BMON148 - Blockschaltbild]]

Die Schaltung auf der Leiterplatte umfasst ein einfaches Ladeteil mit L200. Die Speisung erfolgt mit einem externen 24V Steckernetzteil. Ein Low-Power Spannungsregler erzeugt die VCC-Versorgung für den Prozessorteil. Der Prozessor misst die Akkuspannung sowie den Ladestrom und erzeugt das Steuersignal für die Endstufe. Auf dem Display werden die Akkuspannung sowie der Ladestrom angezeigt. Der Taster dient zum Ein-/Ausschalten der Last. Da der Leistungsteil je nach Last sehr unterschiedlich sein kann (z.B. BTS555 für Hochstromanwendungen), ist er außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Als Schaltungsbeispiel wird eine Endstufe mit LT1763 gezeigt.

=== Ladeteil ===

[[Bild:BMON_1048_L200.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Ladeteil]]

Das Ladeteil ist eine Standardapplikation mit L200, ergänzt um einen Spannungsausgang für die Strommessung.
Die maximale Ladespannung wird mittels Spannungsteiler R12 zu R11 eingestellt. R13 ist parallel zu R12 und wird für den Feinabgleich der Ausgangsspannung verwendet. Auf der Leiterplatte sind die Widerstände wahlweise als SMD (R11..R13) oder bedrahtet (R11A..R13A) bestückbar. R11A ist mit 820 Ohm bestückt. R12A mit 4K7 parallel zu R13A mit 130k ergibt 4K54. Die Ausgangsspannung von 18.1 V ergibt sich aus der Referenzspannung von 2.77V des L200 * (1 + 4540R/820R). R14 begrenzt den Strom auf ca. 200 mA (0.45V / 2R2).
Diode D2 verhindert ein Entladen des Akkus wenn das Steckernetzteil nicht angeschlossen ist. D3 dient als Verpolschutz.
Die Schaltung um U3 verstärkt die Spannung über dem Strombegrenzungswiderstand. Es muss zwingend ein OP verwendet werden dessen common mode input range an die positive Versorgung reicht. Bei einem TL062 ist dies bei normalen Raumtemperaturen gegeben. Die Spannung über R14 wird im Verhältnis R16/R15 = 2.32 fach verstärkt. Bei 200mA, also 450mV am Strombegrenzungswiderstand, ergibt sich für den ADC-Eingang eine Spannung von 1.04V über R16.
L1, L2 sowie C15-C19 bilden ein optional bestückbares EMV-Filter. C18+C19 filtern hierbei die Störungen über einen M3 Distanzbolzen auf das Aluminiumgehäuse.

=== Spannungsregler ===

[[Bild:BMON_1048_VCC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Spannungsregler BF245C]]

Es gibt 2 alternative Bestückungsvarianten:

U5 ist ein low power Spannungsregler XC6216 von Torex. An Ein- und Ausgang werden 1µF Kondensatoren benötigt. Der Ruhestromverbrauch ist mit 5µA im Datenblatt angegeben.

Da mir das vieeel zu hoch ist, habe ich einen Sperrschicht-FET als Spannungsregler verwendet. Ein BF245C hat bei kleinen Strömen je nach Exemplarstreuung eine Gate/Source Spannung von -3.2 .. -7.5 V zwischen Gate und Source.
Wenn man jetzt das Gate auf Masse legt, und an Drain die ungeregelte Eingangsspannung, bleibt am Source eine Ausgangsspannung von +3.2 bis 7.5V.
Da der nachgeschaltete Prozessor maximal 5.5V Spannung verträgt müssen die FETs selektiert werden. Bei der maximalen Eingangsspannung und minimaler Last (also nur die 10 Meg-Ohm des Messinstrumentes) dürfen die 5.5V nicht überschritten werden. Bei der typischen Last von 10µA, entsprechend 330K, sollten mindestens ca. 3.8V als minimale Spannung übrig bleiben.

Beim Austesten auf dem Steckbrett habe ich herausgefunden, dass der FET relativ empfindlich auf Störimpulse reagiert und teilweise hierdurch auch hohe Spannungen an den Ausgang durchlässt. Abhilfe schaffen Abblockkondensatoren an Ein- und Ausgang. Im Gegensatz zum XC6216 reichen für den FET normale 100nF Abblockkondensatoren. Die Diode D1 dient als Verpolschutz. R2 begrenzt beim FET schnelle Spannungsanstiege sowie den Maximalstrom. Das Austesten auf dem Steckbrett sollte mit den Abblock-Cs und der Schutzbeschaltung erfolgen.

Von 10 getesteten FETs hatten alle eine maximale Spannung im Bereich 4.57 bis 4.80 V bei 25V Eingangsspannung. Bei Belastung mit 1K-Ohm und 9V Eingangsspannung habe ich 2.61V bis 2.77V gemessen. Der Regler hat also ausreichend Reserven. Die Mühe des Selektierens wird belohnt durch einen Stromverbrauch von nicht messbaren wenigen nA für den Spannungsregler.

R2 sollte bei Verwendung des XC6216 durch einen 0 Ohm Widerstand ersetzt werden. Allerdings habe ich diese Schaltungsvariante noch nicht getestet.

=== Prozessorteil ===

[[Bild:BMON_1048_PIC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Prozessorteil]]

Als Prozessor wird ein PIC18F2520 verwendet. Es ist quasi der low power Nachfolger eines PIC16F876. Der Strom mit internem Oszillator beträgt ca. 1mA. Um den Stromverbrauch zu reduzieren, ist der Prozessor hauptsächlich im sleep mode und wird nur alle 16ms aufgeweckt, um die Flanken für die Wechselspannung von 30Hz für die passive LC-Anzeige zu generieren, die auch die meisten Pins benötigt. C4 mit 10µF puffert kurze Stromspitzen in der Aufwachphase. C7 mindert EMV-Störungen.

Die Batteriespannung wird über Spannungsteiler R4/R5 an Pin RA2 gemessen. U2 sorgt mit R3 für eine stabile Referenz von 1.235V auch bei schwankenden Versorgungsspannungen. Kurzzeitig werden für den Referenzeingang bis zu 150µA und für die Referenzdiode bis zu 20µA benötigt. Da kein Abblockkondensator an der Referenz verwendet wird, ist R3 relativ niederohmig dimensioniert.

Die Stromsparfunktionen werden alle mit PIN RA1 gesteuert. Die Auswertung der Eingänge erfolgt nur ein Mal je Sekunde. Dies betrifft R3 als Versorgung für die Referenzdiode sowie R6 als pull up Widerstand für den Taster. Über T2 wird der Spannungsteiler für die Batteriespannung stromlos geschaltet. Der BSS138 ist ein FET mit geringer UGS threshold voltage von max. 1.5V. Er begrenzt also am Source die Drain-Spannung auf VCC-1.5V. Da die Referenzspannung 1.2V beträgt, ergibt sich durch den FET bei einer Versorgungsspannung bis herab zu 2.7V noch keine Begrenzung des Messbereichs für die Batteriespannung von bis zu 25.5V.

Der Ladestrom wird über Analogeingang RA0 gemessen.

Mit der gewählten Dimensionierung für R4/R5 ergibt sich ein Messbereich von 25.5V für die Batteriespannung. Der Strombereich ist für ca. 240mA ausgelegt.

An Pin RB6 wird schließlich das Schaltsignal für die Endstufe erzeugt.

=== Bedienteil ===

[[Bild:BMON_1048_HMI.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Bedienteil]]

Aus Platzgründen (Frontplatte des EG2-Gehäuses von ProMa) konnte leider nur ein 2-stelliges LC-Display verwendet werden. Um dennoch Spannungen größer 9.9V darstellen zu können, wird der führende Dezimalpunkt als Zehner-Stelle verwendet. Ab 20.0V fängt dann der Dezimalpunkt an zu blinken. Bei Verwendung eines 3 oder 4-stelligen Displays würde man anstelle des führenden Dezimalpunktes beide Segmente für die führende "1" anschließen.
Der Kondensator C5 hält Gleichspannungssignale vom Display fern. Dies ist insbesonders nützlich beim Flashen bzw. in der Debugging Phase.

J1 ist die Verbindung zur Mutterplatine. Dort kann noch ein zweiter Taster parallel zum Taster auf der Frontplatte angeschlossen werden. R7 dient als Kurzschlußschutz bzw. zur Stromreduzierung des Schaltsignals.

=== Endstufe ===

[[Bild:BMON_1048_POWER.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Endstufe LT1763]]

Die Endstufe ist außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Damit ergibt sich maximale Flexibilität von wenigen mA bis zu mehreren Ampere über einen BSS138 Treiber mit BTS555 Endstufe. Der Anschluss an die BMON1048 Leiterplatte erfolgt über Buchsenleisten auf der Leiterplatte mit der Endstufe. Die Stecker für den Ladeteil und den Prozessorteil sind getrennt ausgeführt. Damit können die Messleitungen direkt am Batteriepack angeschlossen werden (4-Leiter Anschluss). Übergangswiderstände am Stecker und der Leitungen haben dann weniger Einfluss auf die Messung.

Hier ist ein Beispiel für eine Endstufe mit LT1763 für maximal 20V Ladeendspannung gezeigt. Im ausgeschalteten Zustand verbraucht der Spannungsregler weniger als 1µA zusätzlich. Der Ruhestrom mit 30µA ist ebenfalls ein guter Wert. C10 ist vorzugsweise ein Folienkondensator (geringer Mikrofonieeffekt) zur Rauschunterdrückung. Die Ausgangsspannung wird mit R11+R12 auf 14.0 V eingestellt.

== Software ==

Die Software hat folgende Funktionen:

* Messen der Spannung und des Stroms linksbündig als 10 Bit Wert
* Verrechnung eines Korrekturfaktors aus EEPROM für Feinabgleich
* Anzeige der Spannung auf Display
* Als Timer dient der Watchdog mit 16ms Periode
* Die 30 Hz Wechselspannung für das Display wird hieraus abgeleitet
* Im Ladebetrieb erfolgt die Anzeige des Stroms im Wechsel mit der Spannung
* Unterhalb 1.15V/Zelle abschalten der Last (Spannungsanzeige blinkt)
* Oberhalb 1.25V/Zelle wiedereinschalten der Last
* Bei Tastendruck länger als 5 Sekunden wird die Last manuell ein-/ausgeschaltet
* Bei Spannungseinbruch > 0.6V/Minute wird ebenfalls abgeschaltet
* Alle Parameter wie Zellenzahl + Hysterese sind im Header konfigurierbar

<c>
#define Cells 12 ; # number of cells
#define mV * 256 * 51/1051/1235 ; 25,6V * 5K1/(100K+5K1)/VRef
#define VOn Cells * 1250 mV ; high hysteresis
#define VOff Cells * 1150 mV ; low hysteresis
#define VOLT_SEC 10 ; check every 10 seconds
#define VDIFF 600 mV ; voltage drop / minute
#define mA * 1 ; 1 mA / count
#define CURR_MIN 10 mA ; min current to display
</c>

Die Software ist mit MPASM 5.40 (MPLAB 8.70) erstellt. Die Bit-Schubsereien für das Display werden mit Tabellen in Page 0 für alle 3 Ports A-C und die Digits 1-2 abgehandelt.

Bei der Initialisierung wird erst die Hardware initialisiert und danach alle Variablen einschließlich der Kalibrierparameter die aus dem EEPROM gelesen werden. Die Kalibrierfaktoren sind im 2er Komplement als 16 Bit signed Wert gespeichert. Ein Abgleich von +/- 50% entspricht +/-32768 als Wert.

Die meiste Zeit verbringt der Prozessor im sleep mode. Alle 16 ms weckt der Watchdog den Prozessor auf, um die Pins für die Anzeige zu invertieren. Jede Sekunde finden zusätzlich noch Messfunktionen, einschließlich update der Anzeige sowie die Tastenabfrage statt.
Um Zeit (und damit Strom) zu sparen, wird die Wartezeit aufs ADC-Ergebnis genutzt, um eine Tastenentprellung bzw. die Vorverarbeitung der Spannungsmessung während der Strommessung durchzuführen.
Alle 10 Sekunden wird das High-Byte des Spannungswertes in einen Ringpuffer mit 6 Einträgen für die vergangene Minute eingetragen. Dies dient unterhalb der Einschaltschwelle zum Detektieren eines plötzlichen Spannungsabfalls falls eine Zelle schneller entladen ist, als die übrigen im Pack.

== Aufbau ==

<gallery>
Bild:Loetseite_IMG0964W.JPG|BMON1048 - Lötseite
Bild:BMON1048_BS_IMG0968W.JPG|Bestückungsseite
Bild:BMON1048_BST_LS.PNG|Position LS
Bild:BMON1048_BST_BS.PNG|Position BS
</gallery>

=== Lötseite ===

Die Leiterplatte ist doppelseitig. Die meisten Durchkontaktierungen liegen auf bedrahteten Bauelementen so dass eine durchkontaktierte Leiterplatte nicht zwingend nötig ist. Die drei Durchkontaktierungen im Bereich des Programmiersteckers können auch mit Kupferhohlnieten oder einer Drahtbrücke bestückt werden.

Am besten beginnt man nach Durchkontaktieren mit der Bestückung auf der Lötseite. C18, C19 sowie U5 sind im Muster nicht bestückt.

=== Bestückungsseite ===

Auf der Bestückungsseite werden zuerst die Bauteile unter dem Display sowie die Widerstände unter dem L200 bestückt. Einige bedrahtete Bauteile müssen auf beiden Seiten der Platine verlötet werden, falls keine durchkontaktierte Leiterplatte verwendet wird.

Die Ladebuchse ist auf die Leiterplatte aufgesetzt und mit Silberdraht die Anschlüsse verlängert. Mit dem Verlöten sollte man wie beim L200 so lange warten bis die Frontplatte montiert ist.
In den Layoutdaten ist auch ein Layer für die Frontplatte enthalten der als Bohrhilfe verwendet werden kann.

Der L200 ist über Kopf bestückt, die Anschlussdrähte also gegenüber dem stehenden Einbau auf die andere Seite abgewinkelt. Bei Verwendung von 10mm Distanzbolzen muss als Isolierung mindestens eine 1.5 mm Aluminiumoxidscheibe verwendet werden damit sich die Pins des L200 im montierten Zustand verlöten lassen. Die Frontplatte des EG2-Gehäuses dient hiermit gleichzeitig als Kühlfläche.

C12 muss liegend montiert werden.

Für das Display verwende ich eine 18-polige Präzisionsfassung, die mit dem Seitenschneider auseinander geschnitten wird. Verlöten geht am einfachsten wenn das Display bereits in die Fassung gesteckt ist. Die beiden Pins 1 + 18 für die Backplane sind auf der Leiterplattenoberseite verbunden (Lötung unter der Fassung nicht vergessen).

Der Taster ist eine Ausführung mit langem Stößel wenn die Bedienung ohne Hilfswerkzeug möglich sein soll.

=== Montagedetail L200 ===

[[Bild:BMON1048_L200_IMG0981W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - L200 Montage]]

Montagedetail L200:

* M3 Schraube
* Frontplatte
* Aluminiumoxidscheibe (AOS220 - 1.5mm)
* L200
* Isolierbuchse
* Unterlegscheibe (fehlt im Bild)
* M3 Mutter

=== Frontansichten ===

* Ansicht montiert mit Spannungsanzeige 16.7V
* Ansicht Ladebetrieb mit Stromanzeige 188mA

<gallery>
Bild:BMON1048_Spannung_IMG0965W.JPG|Spannungsanzeige
Bild:BMON1048_Strom_IMG0966W.JPG|Stromanzeige
</gallery>

== Inbetriebnahme und Abgleich ==

Der Ladeteil und der Batteriewächter können auf Grund der getrennten Steckverbinder unabhängig voneinander in Betrieb genommen werden.

=== Ladeteil ===

An einem strombegrenzten Netzteil (ca. 20-100mA) wird die Spannung an der Ladebuchse langsam von 0V an erhöht und die Stromaufnahme gemessen. Der Eigenverbrauch des L200 liegt bei ca. 10mA. Dieser Wert darf nicht wesentlich überschritten werden. Ist alles in Ordnung dreht man die Spannung langsam auf 24V. Die Ausgangsspannung des L200 sollte vor der Verpolschutzdiode D2 gemessen ca. 18.1V sein. Falls nicht kann man durch Feinabgleich des Widerstandes R13 noch etwas korrigieren.
Danach einen Akkusatz anschließen und die Strombegrenzung des Netzteils langsam auf ca. 250mA-300mA drehen. Der Strom in den Akku sollte durch den L200 auf ca. 200 mA begrenzt werden.
Bei vollgeladenem Akku sollte der Strom unter C/50 besser C/100 (also 20-40 mA) zurückgehen. Gegebenenfalls ist die Ladeendspannung etwas zu reduzieren.

=== Prozessorteil ===

Zunächst wird der Prozessor mit einem Programmiergerät geflasht. Bei Verwendung des FET-Spannungsreglers darauf achten dass die Spannungsversorgung für den Prozessor vom Programmiergerät (z.B. PICKIT3) zur Verfügung gestellt wird.
Hierbei darauf achten dass die nominalen Kalibrierwerte im EEPROM nicht zu weit von den Defaultwerten abweichen.
Bei der Spannung ist der Defaultwert = 0x00, 0x00 (= Faktor 1.0)
Beim Strom ist die Verstärkung nicht ganz auf einen Strom-Endwert von 255mA ausgelegt sondern etwa 5 Prozent tiefer. Der nominale Kalibrierwert für den Strom beträgt daher 0xF3, 0x1B (= Faktor 0.94963).

Nach dem Flashen wird an die beiden mittleren Pins von J1 eine Spannung von ca. 5V angeschlossen. Ist alles ok sollte das Display die Spannung blinkend anzeigen. Der Ausgang J1 PIN 1 weist Low-Pegel auf. Die Spannung wird langsam auf ca. 20V (max. 25V) erhöht und die prozentuale Abweichung zwischen Sollwert und Anzeige berechnet. Ab ca. 15. V verschwindet das Blinken und der Ausgang wechselt auf High-Pegel (>2.4V). Unterhalb ca. 13.8V wird die Last wieder abgeschaltet und das Display blinkt wieder.
Danach wird ein Akku (15-17V) an Prozessorteil und Ladeteil angeschlossen. Über ein strombegrenztes Netzteil werden ca. 180mA Ladestrom in den Akku eingestellt. Die Anzeige zeigt jetzt im Wechsel die Akkuspannung und den Ladestrom an. Wiederum wird die prozentuale Abweichung vom tatsächlichen Ladestrom berechnet.
Die prozentualen Abweichungen werden auf die existierenden Kalibrierwerte multipliziert und dann nach einem MPASM-Lauf ins EEPROM geschrieben. Bei Verwendung von MPLAB darauf achten dass im "Release" Modus und nicht im "Debug" Modus gearbeitet wird.

Danach ist der Batteriewächter einsatzbereit.

== Praxis und Ideen ==

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|BMON1035 Stromverbrauch 9.7uA bei 9.3V]]

Anbei ein Aufbau einer Vorgängerversion ohne Ladestrommessung (BMON1035) mit einem Stromverbrauch um 9.7 uA (schwankend) bei einem frisch aufgeladenen Akku mit 9.3V. An einem BMON1048 mit Strommessung habe ich 10-12uA gemessen. Wobei der Stromverbrauch auch von der tatsächlichen Versorgungsspannung des Prozessors abhängt.

Ich habe 2 Schaltungen mit ca. 30 mA Last seit 2.5 Jahren im Dauerbetrieb mit je 12 AA-Zellen und täglichem Ladebetrieb. Der erste Akkusatz zeigt seit letztem Sommer (bis zu 32 Grad Raumtemperatur während dem Laden) einen erhöhten Innenwiderstand. Der Ladestrom bei vollem Akku lag hierbei bei erhöhter Temperatur bei 60-70mA.

Die Spannungsdifferenz beim Einstecken / Entfernen des Ladegerätes ist bei diesem Akkusatz ca. 1V. Bei niedrigen Spannungen unter 15V und kurzem Ladebetrieb wird hierdurch die Last ungewollt abgeworfen. Das Kriterium 0.6V Abfall innerhalb einer Minute wird überschritten.
Der andere Akkusatz liegt immer noch bei 0.2V Differenz zwischen Normal und Ladebetrieb.

Ganz oben auf der Wunschliste steht der vereinfachte Abgleich der Kalibrierwerte im EEPROM. Denkbar wäre irgendein Morsecode über den Taster oder ein Jumper an einem freien Pin um den Abgleich bei angelegten Referenzwerten zu starten.

Freier Speicherplatz ist jedenfalls genügend vorhanden. Wobei Sonderfunktionen nur selten gerechnet werden sollten um den Stromverbrauch nicht zu stark zu erhöhen.

Die führende "1" wird derzeit wegen des 2-stelligen Displays als Dezimalpunkt angezeigt. Bei einem 3-stelligen Display würde man anstelle des Dezimalpunktes die beiden Segmente "b" und "c" für die "1" parallel ansteuern.

Ideen:
* Temperaturkompensation der End-Ladespannung mittels NTC / Dioden
* Alternativ: Abschaltung des Ladezweigs per Prozessor-Pin wenn der Ladestrom bei der Endspannung eingeschwungen ist
* Lernfunktion Berücksichtigung Spannungsdifferenz bei Ladebetrieb für Abschaltkriterium
* Automatisiertes Speichern der Abgleichwerte im EEPROM

Anpassung an andere Zellenzahlen:

:{| class="wikitable"
|+ '''Ladeteil L200'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R13
|-
| 4 || 6.5 || 2K2 || 2K2
|-
| 6 || 9.4 || 2K2 || 18K
|-
| 7 || 10.85 || 2K4 || ---
|-
| 8 || 12.3 || 3K0 || 47K
|-
| 10 || 15.2 || 3K9 || 68K
|-
| 12 || 18.1 || 4K7 || 130K
|}

:{| class="wikitable"
|+ '''Lastregler LT1763 (Ausserhalb Leiterplatte)'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R11
|-
| 5 || 5.1 || 4K7 || 15K
|-
| 6 || 6.0 || 10K || 39K
|-
| 7 || 8.0 || 2K7 || 15K
|-
| 8 || 9.35 || 3K3 || 22K
|-
| 10 || 11.5 || 3K9 || 33K
|-
| 12 || 12.0 || 2K7 || 24K
|-
| 12 || 14.0 || 6K49 || 68K
|}

== Downloads ==

* [[Media:BMON1048_MPASM.ZIP| Source code für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_Schaltbild.pdf| Schaltplan für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_gcprevue.zip| Layout (Gerber) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_PDF.zip| Layout (PDF) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_STK.txt| Stückliste Batteriewächter BMON1048]]

== Weblinks ==

* [http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00000053.pdf L200_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BSS84.pdf BSS84P_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF245A-B-C.pdf BF245C_Datasheet]
* [http://www.torex.co.jp/english/products/voltage_regulators/data/XC6216_XE6216.pdf XC6216_Datasheet]
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39631e.pdf PIC18F2520_Datasheet]
* [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm285-1.2-n.pdf LM385Z-1.2_Datasheet]
* [http://www.fairchildsemi.com/ds/BS/BSS138.pdf BSS138_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Hintergrund-gruen/LCD-2-0-13/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=3005&ARTICLE=10179&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& LCD-2-13]
* [http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1763fg.pdf LT1763_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Proma-Gehaeuse/GEH-EG-2/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=5199&ARTICLE=50424&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& Gehäuse_EG2]
* [http://www.graphicode.com/ GC-Prevue Gerber viewer]

== Siehe auch ==

* [http://www.mikrocontroller.net/topic/288063 Forum: Diskussion zu diesem Projekt]

[[Kategorie:Wettbewerb]]
[[Kategorie:PIC-Projekte]]
[[Kategorie:Spannungsversorgung_und_Energiequellen]]
[[Kategorie:Messtechnik]]
[[Kategorie:Projekte]]

Batteriewächter

2013-03-03T13:54:06Z

An ja: /* Blockschaltbild */

''von Anja'' (in Arbeit)

{{Wettbewerb Header}}

[[Bild:BMON_1048_3_IMG0982w.JPG|thumb|300px|Batteriewächter]]
'''Eigenschaften'''
* Schaltausgang zum Abschalten der Last bei Unterspannung
* Mikroprozessordesign mit PIC18F2520
* Geringer Stromverbrauch typ. 10µA
* Geringe Mindestspannung typ. 2.5V
* Optional bestückbares Ladeteil mit L200
* Breiter Einsatzbereich von 4-12 NiMH Zellen oder 6-12V Bleiakkus
* Leiterplatte angepasst für Frontplatte eines EG2-Aluminiumgehäuses (ProMa)

'''Anwendungen'''
* Batteriemanagement
* Aus Messwert gespeistes Panelmeter

== Vorgeschichte ==

Eigentlich wollte ich nur eine einfache Anzeige für meine, per Akku gespeisten Referenzen: wann müssen die 9V-Blocks wieder ans Ladegerät. Ein einfaches Drehspulinstrument hätte es getan. Allerdings brauchen diese relativ viel Strom im Verhältnis zu einer ISL21009. Und bei einer Empfindlichkeit von 100µA sind sie auch nicht ganz billig.

Die nächste Idee: Eine low power Referenz und ein Komparator (oder gleich einen ICL7665). Nur: Was dann als Anzeige nehmen? Selbst eine low current LED braucht einige 100µA für die Anzeige.

Alternative Anzeigen wären eine einfache LCD Balkenanzeige wie im Handy. Diese sind allerdings nicht im DIP 8 Gehäuse erhältlich. Als Alternative bleiben eigentlich nur passive LC-Anzeigen mit 2-4 Digits.

Das Ganze zu takten war die nächste Idee. Also wie beim Rauchmelder nur kurze Mess- und Anzeigephasen um Strom zu sparen.

In der Zwischenzeit waren auch Referenzen im Programm, die eine Mindestspannung von 9V oder 14V benötigen. Die Anzahl der Zellen (8-12) ist also so gewachsen, dass die 16V des ICL7665 oder gängiger CMOS Logik nicht mehr ausreichen.

Schön wäre auch eine "richtige" Spannungsanzeige - also muss ein Prozessor her. Nachdem auch die ersten 9V-Blocks Schwächen wegen Tiefentladung zeigten, sollte das Ganze auch einen Unterspannungsschutz haben.

Zum damaligen Zeitpunkt gab es nur wenige Spannungsregler mit Eingangsspannungen bis 20 oder 25V und Eigenstromverbrauch unter 20µA. Und die auch nur von Farnell, also für Privat quasi unobtanium.

Eine Idee hatte ich schon länger um z.B. Uhrenchips im 12V-System zu betreiben: Ein normaler Sperrschicht-FET hat eine negative UGS-Spannung. Wenn man das Gate also an Masse anschließt müsste am Source eine halbwegs stabile Backup-Spannung übrig bleiben. Und das auch noch ohne dass der Spannungsregler einen nennenswerten Strom braucht.

Der Ehrgeiz war geweckt, es müsste doch möglich sein einen prozessorgesteuerten Komparator mit Spannungsanzeige bei unter 20µA Stromverbrauch und mit Versorgung direkt aus der Batterie im Bereich 5-20V zu entwickeln...

== Blockschaltbild ==

[[Bild:BMON_1048_BLOCK.PNG|thumb|right|350px|BMON148 - Blockschaltbild]]

Die Schaltung auf der Leiterplatte umfasst ein einfaches Ladeteil mit L200. Die Speisung erfolgt mit einem externen 24V Steckernetzteil. Ein Low-Power Spannungsregler erzeugt die VCC-Versorgung für den Prozessorteil. Der Prozessor misst die Akkuspannung sowie den Ladestrom und erzeugt das Steuersignal für die Endstufe. Auf dem Display werden die Akkuspannung sowie der Ladestrom angezeigt. Der Taster dient zum Ein-/Ausschalten der Last. Da der Leistungsteil je nach Last sehr unterschiedlich sein kann (z.B. BTS555 für Hochstromanwendungen), ist er außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Als Schaltungsbeispiel wird eine Endstufe mit LT1763 gezeigt.

=== Ladeteil ===

[[Bild:BMON_1048_L200.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Ladeteil]]

Das Ladeteil ist eine Standardapplikation mit L200, ergänzt um einen Spannungsausgang für die Strommessung.
Die maximale Ladespannung wird mittels Spannungsteiler R12 zu R11 eingestellt. R13 ist parallel zu R12 und wird für den Feinabgleich der Ausgangsspannung verwendet. Auf der Leiterplatte sind die Widerstände wahlweise als SMD (R11..R13) oder bedrahtet (R11A..R13A) bestückbar. R11A ist mit 820 Ohm bestückt. R12A mit 4K7 parallel zu R13A mit 130k ergibt 4K54. Die Ausgangsspannung von 18.1 V ergibt sich aus der Referenzspannung von 2.77V des L200 * (1 + 4540R/820R). R14 begrenzt den Strom auf ca. 200 mA (0.45V / 2R2).
Diode D2 verhindert ein Entladen des Akkus wenn das Steckernetzteil nicht angeschlossen ist. D3 dient als Verpolschutz.
Die Schaltung um U3 verstärkt die Spannung über dem Strombegrenzungswiderstand. Es muss zwingend ein OP verwendet werden dessen common mode input range an die positive Versorgung reicht. Bei einem TL062 ist dies bei normalen Raumtemperaturen gegeben. Die Spannung über R14 wird im Verhältnis R16/R15 = 2.32 fach verstärkt. Bei 200mA, also 450mV am Strombegrenzungswiderstand, ergibt sich für den ADC-Eingang eine Spannung von 1.04V über R16.
L1, L2 sowie C15-C19 bilden ein optional bestückbares EMV-Filter. C18+C19 filtern hierbei die Störungen über einen M3 Distanzbolzen auf das Aluminiumgehäuse.

=== Spannungsregler ===

[[Bild:BMON_1048_VCC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Spannungsregler BF245C]]

Es gibt 2 alternative Bestückungsvarianten:

U5 ist ein low power Spannungsregler XC6216 von Torex. An Ein- und Ausgang werden 1µF Kondensatoren benötigt. Der Ruhestromverbrauch ist mit 5µA im Datenblatt angegeben.

Da mir das vieeel zu hoch ist, habe ich einen Sperrschicht-FET als Spannungsregler verwendet. Ein BF245C hat bei kleinen Strömen je nach Exemplarstreuung eine Gate/Source Spannung von -3.2 .. -7.5 V zwischen Gate und Source.
Wenn man jetzt das Gate auf Masse legt, und an Drain die ungeregelte Eingangsspannung, bleibt am Source eine Ausgangsspannung von +3.2 bis 7.5V.
Da der nachgeschaltete Prozessor maximal 5.5V Spannung verträgt müssen die FETs selektiert werden. Bei der maximalen Eingangsspannung und minimaler Last (also nur die 10 Meg-Ohm des Messinstrumentes) dürfen die 5.5V nicht überschritten werden. Bei der typischen Last von 10µA, entsprechend 330K, sollten mindestens ca. 3.8V als minimale Spannung übrig bleiben.

Beim Austesten auf dem Steckbrett habe ich herausgefunden, dass der FET relativ empfindlich auf Störimpulse reagiert und teilweise hierdurch auch hohe Spannungen an den Ausgang durchlässt. Abhilfe schaffen Abblockkondensatoren an Ein- und Ausgang. Im Gegensatz zum XC6216 reichen für den FET normale 100nF Abblockkondensatoren. Die Diode D1 dient als Verpolschutz. R2 begrenzt beim FET schnelle Spannungsanstiege sowie den Maximalstrom. Das Austesten auf dem Steckbrett sollte mit den Abblock-Cs und der Schutzbeschaltung erfolgen.

Von 10 getesteten FETs hatten alle eine maximale Spannung im Bereich 4.57 bis 4.80 V bei 25V Eingangsspannung. Bei Belastung mit 1K-Ohm und 9V Eingangsspannung habe ich 2.61V bis 2.77V gemessen. Der Regler hat also ausreichend Reserven. Die Mühe des Selektierens wird belohnt durch einen Stromverbrauch von nicht messbaren wenigen nA für den Spannungsregler.

R2 sollte bei Verwendung des XC6216 durch einen 0 Ohm Widerstand ersetzt werden. Allerdings habe ich diese Schaltungsvariante noch nicht getestet.

=== Prozessorteil ===

[[Bild:BMON_1048_PIC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Prozessorteil]]

Als Prozessor wird ein PIC18F2520 verwendet. Es ist quasi der low power Nachfolger eines PIC16F876. Der Strom mit internem Oszillator beträgt ca. 1mA. Um den Stromverbrauch zu reduzieren, ist der Prozessor hauptsächlich im sleep mode und wird nur alle 16ms aufgeweckt, um die Flanken für die Wechselspannung von 30Hz für die passive LC-Anzeige zu generieren, die auch die meisten Pins benötigt. C4 mit 10µF puffert kurze Stromspitzen in der Aufwachphase. C7 mindert EMV-Störungen.

Die Batteriespannung wird über Spannungsteiler R4/R5 an Pin RA2 gemessen. U2 sorgt mit R3 für eine stabile Referenz von 1.235V auch bei schwankenden Versorgungsspannungen. Kurzzeitig werden für den Referenzeingang bis zu 150µA und für die Referenzdiode bis zu 20µA benötigt. Da kein Abblockkondensator an der Referenz verwendet wird, ist R3 relativ niederohmig dimensioniert.

Die Stromsparfunktionen werden alle mit PIN RA1 gesteuert. Die Auswertung der Eingänge erfolgt nur ein Mal je Sekunde. Dies betrifft R3 als Versorgung für die Referenzdiode sowie R6 als pull up Widerstand für den Taster. Über T2 wird der Spannungsteiler für die Batteriespannung stromlos geschaltet. Der BSS138 ist ein FET mit geringer UGS threshold voltage von max. 1.5V. Er begrenzt also am Source die Drain-Spannung auf VCC-1.5V. Da die Referenzspannung 1.2V beträgt, ergibt sich durch den FET bei einer Versorgungsspannung bis herab zu 2.7V noch keine Begrenzung des Messbereichs für die Batteriespannung von bis zu 25.5V.

Der Ladestrom wird über Analogeingang RA0 gemessen.

Mit der gewählten Dimensionierung für R4/R5 ergibt sich ein Messbereich von 25.5V für die Batteriespannung. Der Strombereich ist für ca. 240mA ausgelegt.

An Pin RB6 wird schließlich das Schaltsignal für die Endstufe erzeugt.

=== Bedienteil ===

[[Bild:BMON_1048_HMI.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Bedienteil]]

Aus Platzgründen (Frontplatte des EG2-Gehäuses von ProMa) konnte leider nur ein 2-stelliges LC-Display verwendet werden. Um dennoch Spannungen größer 9.9V darstellen zu können, wird der führende Dezimalpunkt als Zehner-Stelle verwendet. Ab 20.0V fängt dann der Dezimalpunkt an zu blinken. Bei Verwendung eines 3 oder 4-stelligen Displays würde man anstelle des führenden Dezimalpunktes beide Segmente für die führende "1" anschließen.
Der Kondensator C5 hält Gleichspannungssignale vom Display fern. Dies ist insbesonders nützlich beim Flashen bzw. in der Debugging Phase.

J1 ist die Verbindung zur Mutterplatine. Dort kann noch ein zweiter Taster parallel zum Taster auf der Frontplatte angeschlossen werden. R7 dient als Kurzschlußschutz bzw. zur Stromreduzierung des Schaltsignals.

=== Endstufe ===

[[Bild:BMON_1048_POWER.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Endstufe LT1763]]

Die Endstufe ist außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Damit ergibt sich maximale Flexibilität von wenigen mA bis zu mehreren Ampere über einen BSS138 Treiber mit BTS555 Endstufe. Der Anschluss an die BMON1048 Leiterplatte erfolgt über Buchsenleisten auf der Leiterplatte mit der Endstufe. Die Stecker für den Ladeteil und den Prozessorteil sind getrennt ausgeführt. Damit können die Messleitungen direkt am Batteriepack angeschlossen werden (4-Leiter Anschluss). Übergangswiderstände am Stecker und der Leitungen haben dann weniger Einfluss auf die Messung.

Hier ist ein Beispiel für eine Endstufe mit LT1763 für maximal 20V Ladeendspannung gezeigt. Im ausgeschalteten Zustand verbraucht der Spannungsregler weniger als 1µA zusätzlich. Der Ruhestrom mit 30µA ist ebenfalls ein guter Wert. C10 ist vorzugsweise ein Folienkondensator (geringer Mikrofonieeffekt) zur Rauschunterdrückung. Die Ausgangsspannung wird mit R11+R12 auf 14.0 V eingestellt.

== Software ==

Die Software hat folgende Funktionen:

* Messen der Spannung und des Stroms linksbündig als 10 Bit Wert
* Verrechnung eines Korrekturfaktors aus EEPROM für Feinabgleich
* Anzeige der Spannung auf Display
* Als Timer dient der Watchdog mit 16ms Periode
* Die 30 Hz Wechselspannung für das Display wird hieraus abgeleitet
* Im Ladebetrieb erfolgt die Anzeige des Stroms im Wechsel mit der Spannung
* Unterhalb 1.15V/Zelle abschalten der Last (Spannungsanzeige blinkt)
* Oberhalb 1.25V/Zelle wiedereinschalten der Last
* Bei Tastendruck länger als 5 Sekunden wird die Last manuell ein-/ausgeschaltet
* Bei Spannungseinbruch > 0.6V/Minute wird ebenfalls abgeschaltet
* Alle Parameter wie Zellenzahl + Hysterese sind im Header konfigurierbar

<c>
#define Cells 12 ; # number of cells
#define mV * 256 * 51/1051/1235 ; 25,6V * 5K1/(100K+5K1)/VRef
#define VOn Cells * 1250 mV ; high hysteresis
#define VOff Cells * 1150 mV ; low hysteresis
#define VOLT_SEC 10 ; check every 10 seconds
#define VDIFF 600 mV ; voltage drop / minute
#define mA * 1 ; 1 mA / count
#define CURR_MIN 10 mA ; min current to display
</c>

Die Software ist mit MPASM 5.40 (MPLAB 8.70) erstellt. Die Bit-Schubsereien für das Display werden mit Tabellen in Page 0 für alle 3 Ports A-C und die Digits 1-2 abgehandelt.

Bei der Initialisierung wird erst die Hardware initialisiert und danach alle Variablen einschließlich der Kalibrierparameter die aus dem EEPROM gelesen werden. Die Kalibrierfaktoren sind im 2er Komplement als 16 Bit signed Wert gespeichert. Ein Abgleich von +/- 50% entspricht +/-32768 als Wert.

Die meiste Zeit verbringt der Prozessor im sleep mode. Alle 16 ms weckt der Watchdog den Prozessor auf, um die Pins für die Anzeige zu invertieren. Alle Sekunde finden zusätzlich noch Messfunktionen einschließlich update der Anzeige sowie die Tastenabfrage statt.
Um Zeit (und damit Strom) zu sparen wird die Wartezeit aufs ADC-Ergebnis genutzt um eine Tastenentprellung bzw. die Vorverarbeitung der Spannungsmessung während der Strommessung durchzuführen.
Alle 10 Sekunden wird das High-Byte des Spannungswertes in einen Ringpuffer mit 6 Einträgen für die vergangene Minute eingetragen. Dies dient unterhalb der Einschaltschwelle zum Detektieren eines plötzlichen Spannungsabfalls falls eine Zelle schneller entladen ist als die übrigen im Pack.

== Aufbau ==

<gallery>
Bild:Loetseite_IMG0964W.JPG|BMON1048 - Lötseite
Bild:BMON1048_BS_IMG0968W.JPG|Bestückungsseite
Bild:BMON1048_BST_LS.PNG|Position LS
Bild:BMON1048_BST_BS.PNG|Position BS
</gallery>

=== Lötseite ===

Die Leiterplatte ist doppelseitig. Die meisten Durchkontaktierungen liegen auf bedrahteten Bauelementen so dass eine durchkontaktierte Leiterplatte nicht zwingend nötig ist. Die drei Durchkontaktierungen im Bereich des Programmiersteckers können auch mit Kupferhohlnieten oder einer Drahtbrücke bestückt werden.

Am besten beginnt man nach Durchkontaktieren mit der Bestückung auf der Lötseite. C18, C19 sowie U5 sind im Muster nicht bestückt.

=== Bestückungsseite ===

Auf der Bestückungsseite werden zuerst die Bauteile unter dem Display sowie die Widerstände unter dem L200 bestückt. Einige bedrahtete Bauteile müssen auf beiden Seiten der Platine verlötet werden, falls keine durchkontaktierte Leiterplatte verwendet wird.

Die Ladebuchse ist auf die Leiterplatte aufgesetzt und mit Silberdraht die Anschlüsse verlängert. Mit dem Verlöten sollte man wie beim L200 so lange warten bis die Frontplatte montiert ist.
In den Layoutdaten ist auch ein Layer für die Frontplatte enthalten der als Bohrhilfe verwendet werden kann.

Der L200 ist über Kopf bestückt, die Anschlussdrähte also gegenüber dem stehenden Einbau auf die andere Seite abgewinkelt. Bei Verwendung von 10mm Distanzbolzen muss als Isolierung mindestens eine 1.5 mm Aluminiumoxidscheibe verwendet werden damit sich die Pins des L200 im montierten Zustand verlöten lassen. Die Frontplatte des EG2-Gehäuses dient hiermit gleichzeitig als Kühlfläche.

C12 muss liegend montiert werden.

Für das Display verwende ich eine 18-polige Präzisionsfassung, die mit dem Seitenschneider auseinander geschnitten wird. Verlöten geht am einfachsten wenn das Display bereits in die Fassung gesteckt ist. Die beiden Pins 1 + 18 für die Backplane sind auf der Leiterplattenoberseite verbunden (Lötung unter der Fassung nicht vergessen).

Der Taster ist eine Ausführung mit langem Stößel wenn die Bedienung ohne Hilfswerkzeug möglich sein soll.

=== Montagedetail L200 ===

[[Bild:BMON1048_L200_IMG0981W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - L200 Montage]]

Montagedetail L200:

* M3 Schraube
* Frontplatte
* Aluminiumoxidscheibe (AOS220 - 1.5mm)
* L200
* Isolierbuchse
* Unterlegscheibe (fehlt im Bild)
* M3 Mutter

=== Frontansichten ===

* Ansicht montiert mit Spannungsanzeige 16.7V
* Ansicht Ladebetrieb mit Stromanzeige 188mA

<gallery>
Bild:BMON1048_Spannung_IMG0965W.JPG|Spannungsanzeige
Bild:BMON1048_Strom_IMG0966W.JPG|Stromanzeige
</gallery>

== Inbetriebnahme und Abgleich ==

Der Ladeteil und der Batteriewächter können auf Grund der getrennten Steckverbinder unabhängig voneinander in Betrieb genommen werden.

=== Ladeteil ===

An einem strombegrenzten Netzteil (ca. 20-100mA) wird die Spannung an der Ladebuchse langsam von 0V an erhöht und die Stromaufnahme gemessen. Der Eigenverbrauch des L200 liegt bei ca. 10mA. Dieser Wert darf nicht wesentlich überschritten werden. Ist alles in Ordnung dreht man die Spannung langsam auf 24V. Die Ausgangsspannung des L200 sollte vor der Verpolschutzdiode D2 gemessen ca. 18.1V sein. Falls nicht kann man durch Feinabgleich des Widerstandes R13 noch etwas korrigieren.
Danach einen Akkusatz anschließen und die Strombegrenzung des Netzteils langsam auf ca. 250mA-300mA drehen. Der Strom in den Akku sollte durch den L200 auf ca. 200 mA begrenzt werden.
Bei vollgeladenem Akku sollte der Strom unter C/50 besser C/100 (also 20-40 mA) zurückgehen. Gegebenenfalls ist die Ladeendspannung etwas zu reduzieren.

=== Prozessorteil ===

Zunächst wird der Prozessor mit einem Programmiergerät geflasht. Bei Verwendung des FET-Spannungsreglers darauf achten dass die Spannungsversorgung für den Prozessor vom Programmiergerät (z.B. PICKIT3) zur Verfügung gestellt wird.
Hierbei darauf achten dass die nominalen Kalibrierwerte im EEPROM nicht zu weit von den Defaultwerten abweichen.
Bei der Spannung ist der Defaultwert = 0x00, 0x00 (= Faktor 1.0)
Beim Strom ist die Verstärkung nicht ganz auf einen Strom-Endwert von 255mA ausgelegt sondern etwa 5 Prozent tiefer. Der nominale Kalibrierwert für den Strom beträgt daher 0xF3, 0x1B (= Faktor 0.94963).

Nach dem Flashen wird an die beiden mittleren Pins von J1 eine Spannung von ca. 5V angeschlossen. Ist alles ok sollte das Display die Spannung blinkend anzeigen. Der Ausgang J1 PIN 1 weist Low-Pegel auf. Die Spannung wird langsam auf ca. 20V (max. 25V) erhöht und die prozentuale Abweichung zwischen Sollwert und Anzeige berechnet. Ab ca. 15. V verschwindet das Blinken und der Ausgang wechselt auf High-Pegel (>2.4V). Unterhalb ca. 13.8V wird die Last wieder abgeschaltet und das Display blinkt wieder.
Danach wird ein Akku (15-17V) an Prozessorteil und Ladeteil angeschlossen. Über ein strombegrenztes Netzteil werden ca. 180mA Ladestrom in den Akku eingestellt. Die Anzeige zeigt jetzt im Wechsel die Akkuspannung und den Ladestrom an. Wiederum wird die prozentuale Abweichung vom tatsächlichen Ladestrom berechnet.
Die prozentualen Abweichungen werden auf die existierenden Kalibrierwerte multipliziert und dann nach einem MPASM-Lauf ins EEPROM geschrieben. Bei Verwendung von MPLAB darauf achten dass im "Release" Modus und nicht im "Debug" Modus gearbeitet wird.

Danach ist der Batteriewächter einsatzbereit.

== Praxis und Ideen ==

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|BMON1035 Stromverbrauch 9.7uA bei 9.3V]]

Anbei ein Aufbau einer Vorgängerversion ohne Ladestrommessung (BMON1035) mit einem Stromverbrauch um 9.7 uA (schwankend) bei einem frisch aufgeladenen Akku mit 9.3V. An einem BMON1048 mit Strommessung habe ich 10-12uA gemessen. Wobei der Stromverbrauch auch von der tatsächlichen Versorgungsspannung des Prozessors abhängt.

Ich habe 2 Schaltungen mit ca. 30 mA Last seit 2.5 Jahren im Dauerbetrieb mit je 12 AA-Zellen und täglichem Ladebetrieb. Der erste Akkusatz zeigt seit letztem Sommer (bis zu 32 Grad Raumtemperatur während dem Laden) einen erhöhten Innenwiderstand. Der Ladestrom bei vollem Akku lag hierbei bei erhöhter Temperatur bei 60-70mA.

Die Spannungsdifferenz beim Einstecken / Entfernen des Ladegerätes ist bei diesem Akkusatz ca. 1V. Bei niedrigen Spannungen unter 15V und kurzem Ladebetrieb wird hierdurch die Last ungewollt abgeworfen. Das Kriterium 0.6V Abfall innerhalb einer Minute wird überschritten.
Der andere Akkusatz liegt immer noch bei 0.2V Differenz zwischen Normal und Ladebetrieb.

Ganz oben auf der Wunschliste steht der vereinfachte Abgleich der Kalibrierwerte im EEPROM. Denkbar wäre irgendein Morsecode über den Taster oder ein Jumper an einem freien Pin um den Abgleich bei angelegten Referenzwerten zu starten.

Freier Speicherplatz ist jedenfalls genügend vorhanden. Wobei Sonderfunktionen nur selten gerechnet werden sollten um den Stromverbrauch nicht zu stark zu erhöhen.

Die führende "1" wird derzeit wegen des 2-stelligen Displays als Dezimalpunkt angezeigt. Bei einem 3-stelligen Display würde man anstelle des Dezimalpunktes die beiden Segmente "b" und "c" für die "1" parallel ansteuern.

Ideen:
* Temperaturkompensation der End-Ladespannung mittels NTC / Dioden
* Alternativ: Abschaltung des Ladezweigs per Prozessor-Pin wenn der Ladestrom bei der Endspannung eingeschwungen ist
* Lernfunktion Berücksichtigung Spannungsdifferenz bei Ladebetrieb für Abschaltkriterium
* Automatisiertes Speichern der Abgleichwerte im EEPROM

Anpassung an andere Zellenzahlen:

:{| class="wikitable"
|+ '''Ladeteil L200'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R13
|-
| 4 || 6.5 || 2K2 || 2K2
|-
| 6 || 9.4 || 2K2 || 18K
|-
| 7 || 10.85 || 2K4 || ---
|-
| 8 || 12.3 || 3K0 || 47K
|-
| 10 || 15.2 || 3K9 || 68K
|-
| 12 || 18.1 || 4K7 || 130K
|}

:{| class="wikitable"
|+ '''Lastregler LT1763 (Ausserhalb Leiterplatte)'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R11
|-
| 5 || 5.1 || 4K7 || 15K
|-
| 6 || 6.0 || 10K || 39K
|-
| 7 || 8.0 || 2K7 || 15K
|-
| 8 || 9.35 || 3K3 || 22K
|-
| 10 || 11.5 || 3K9 || 33K
|-
| 12 || 12.0 || 2K7 || 24K
|-
| 12 || 14.0 || 6K49 || 68K
|}

== Downloads ==

* [[Media:BMON1048_MPASM.ZIP| Source code für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_Schaltbild.pdf| Schaltplan für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_gcprevue.zip| Layout (Gerber) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_PDF.zip| Layout (PDF) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_STK.txt| Stückliste Batteriewächter BMON1048]]

== Weblinks ==

* [http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00000053.pdf L200_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BSS84.pdf BSS84P_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF245A-B-C.pdf BF245C_Datasheet]
* [http://www.torex.co.jp/english/products/voltage_regulators/data/XC6216_XE6216.pdf XC6216_Datasheet]
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39631e.pdf PIC18F2520_Datasheet]
* [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm285-1.2-n.pdf LM385Z-1.2_Datasheet]
* [http://www.fairchildsemi.com/ds/BS/BSS138.pdf BSS138_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Hintergrund-gruen/LCD-2-0-13/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=3005&ARTICLE=10179&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& LCD-2-13]
* [http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1763fg.pdf LT1763_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Proma-Gehaeuse/GEH-EG-2/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=5199&ARTICLE=50424&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& Gehäuse_EG2]
* [http://www.graphicode.com/ GC-Prevue Gerber viewer]

== Siehe auch ==

* [http://www.mikrocontroller.net/topic/288063 Forum: Diskussion zu diesem Projekt]

[[Kategorie:Wettbewerb]]
[[Kategorie:PIC-Projekte]]
[[Kategorie:Spannungsversorgung_und_Energiequellen]]
[[Kategorie:Messtechnik]]
[[Kategorie:Projekte]]

Batteriewächter

2013-03-03T13:37:32Z

An ja:

''von Anja'' (in Arbeit)

{{Wettbewerb Header}}

[[Bild:BMON_1048_3_IMG0982w.JPG|thumb|300px|Batteriewächter]]
'''Eigenschaften'''
* Schaltausgang zum Abschalten der Last bei Unterspannung
* Mikroprozessordesign mit PIC18F2520
* Geringer Stromverbrauch typ. 10µA
* Geringe Mindestspannung typ. 2.5V
* Optional bestückbares Ladeteil mit L200
* Breiter Einsatzbereich von 4-12 NiMH Zellen oder 6-12V Bleiakkus
* Leiterplatte angepasst für Frontplatte eines EG2-Aluminiumgehäuses (ProMa)

'''Anwendungen'''
* Batteriemanagement
* Aus Messwert gespeistes Panelmeter

== Vorgeschichte ==

Eigentlich wollte ich nur eine einfache Anzeige für meine, per Akku gespeisten Referenzen: wann müssen die 9V-Blocks wieder ans Ladegerät. Ein einfaches Drehspulinstrument hätte es getan. Allerdings brauchen diese relativ viel Strom im Verhältnis zu einer ISL21009. Und bei einer Empfindlichkeit von 100µA sind sie auch nicht ganz billig.

Die nächste Idee: Eine low power Referenz und ein Komparator (oder gleich einen ICL7665). Nur: Was dann als Anzeige nehmen? Selbst eine low current LED braucht einige 100µA für die Anzeige.

Alternative Anzeigen wären eine einfache LCD Balkenanzeige wie im Handy. Diese sind allerdings nicht im DIP 8 Gehäuse erhältlich. Als Alternative bleiben eigentlich nur passive LC-Anzeigen mit 2-4 Digits.

Das Ganze zu takten war die nächste Idee. Also wie beim Rauchmelder nur kurze Mess- und Anzeigephasen um Strom zu sparen.

In der Zwischenzeit waren auch Referenzen im Programm, die eine Mindestspannung von 9V oder 14V benötigen. Die Anzahl der Zellen (8-12) ist also so gewachsen, dass die 16V des ICL7665 oder gängiger CMOS Logik nicht mehr ausreichen.

Schön wäre auch eine "richtige" Spannungsanzeige - also muss ein Prozessor her. Nachdem auch die ersten 9V-Blocks Schwächen wegen Tiefentladung zeigten, sollte das Ganze auch einen Unterspannungsschutz haben.

Zum damaligen Zeitpunkt gab es nur wenige Spannungsregler mit Eingangsspannungen bis 20 oder 25V und Eigenstromverbrauch unter 20µA. Und die auch nur von Farnell, also für Privat quasi unobtanium.

Eine Idee hatte ich schon länger um z.B. Uhrenchips im 12V-System zu betreiben: Ein normaler Sperrschicht-FET hat eine negative UGS-Spannung. Wenn man das Gate also an Masse anschließt müsste am Source eine halbwegs stabile Backup-Spannung übrig bleiben. Und das auch noch ohne dass der Spannungsregler einen nennenswerten Strom braucht.

Der Ehrgeiz war geweckt, es müsste doch möglich sein einen prozessorgesteuerten Komparator mit Spannungsanzeige bei unter 20µA Stromverbrauch und mit Versorgung direkt aus der Batterie im Bereich 5-20V zu entwickeln...

== Blockschaltbild ==

[[Bild:BMON_1048_BLOCK.PNG|thumb|right|350px|BMON148 - Blockschaltbild]]

Die Schaltung auf der Leiterplatte umfasst ein einfaches Ladeteil mit L200. Die Speisung erfolgt mit einem externen 24V Steckernetzteil. Ein Low-Power Spannungsregler erzeugt die VCC-Versorgung für den Prozessorteil. Der Prozessor misst die Akkuspannung sowie den Ladestrom und erzeugt das Steuersignal für die Endstufe. Auf dem Display werden die Akkuspannung sowie der Ladestrom angezeigt. Der Taster dient zum Ein-/Ausschalten der Last. Da der Leistungsteil je nach Last sehr unterschiedlich sein kann (z.B. BTS555 für Hochstromanwendungen) ist er außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Als Schaltungsbeispiel wird eine Endstufe mit LT1763 gezeigt.

=== Ladeteil ===

[[Bild:BMON_1048_L200.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Ladeteil]]

Das Ladeteil ist eine Standardapplikation mit L200 ergänzt um einen Spannungsausgang für die Strommessung.
Die maximale Ladespannung wird mittels Spannungsteiler R12 zu R11 eingestellt. R13 ist parallel zu R12 und wird für den Feinabgleich der Ausgangsspannung verwendet. Auf der Leiterplatte sind die Widerstände wahlweise als SMD (R11..R13) oder bedrahtet (R11A..R13A) bestückbar. R11A ist mit 820 Ohm bestückt. R12A mit 4K7 parallel zu R13A mit 130k ergibt 4K54. Die Ausgangsspannung von 18.1 V ergibt sich aus der Referenzspannung von 2.77V des L200 * (1 + 4540R/820R). R14 begrenzt den Strom auf ca. 200 mA (0.45V / 2R2).
Diode D2 verhindert ein Entladen des Akkus wenn das Steckernetzteil nicht angeschlossen ist. D3 dient als Verpolschutz.
Die Schaltung um U3 verstärkt die Spannung über dem Strombegrenzungswiderstand. Es muss zwingend ein OP verwendet werden dessen common mode input range an die positive Versorgung reicht. Bei einem TL062 ist dies bei normalen Raumtemperaturen gegeben. Die Spannung über R14 wird im Verhältnis R16/R15 = 2.32 fach verstärkt. Bei 200mA also 450mV am Strombegrenzungswiderstand ergibt sich für den ADC-Eingang eine Spannung von 1.04V über R16.
L1, L2 sowie C15-C19 bilden ein optional bestückbares EMV-Filter. C18+C19 filtern hierbei die Störungen über einen M3 Distanzbolzen auf das Aluminiumgehäuse.

=== Spannungsregler ===

[[Bild:BMON_1048_VCC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Spannungsregler BF245C]]

Es gibt 2 alternative Bestückungsvarianten:

U5 ist ein low power Spannungsregler XC6216 von Torex. An Ein- und Ausgang werden 1uF Kondensatoren benötigt. Der Ruhestromverbrauch ist mit 5uA im Datenblatt angegeben.

Da mir das vieeel zu hoch ist habe ich einen Sperrschicht-FET als Spannungsregler verwendet. Ein BF245C hat bei kleinen Strömen je nach Exemplarstreuung eine Gate/Source Spannung von -3.2 .. -7.5 V zwischen Gate und Source.
Wenn man jetzt das Gate auf Masse legt, und an Drain die ungeregelte Eingangsspannung, bleibt am Source eine Ausgangsspannung von +3.2 bis 7.5V.
Da der nachgeschaltete Prozessor maximal 5.5V Spannung verträgt müssen die FETs selektiert werden. Bei der maximalen Eingangsspannung und minimaler Last (also nur die 10 Meg-Ohm des Messinstrumentes) dürfen die 5.5V nicht überschritten werden. Bei der typischen Last von 10uA entsprechend 330K sollten mindestens ca. 3.8V als minimale Spannung übrig bleiben.

Beim Austesten auf dem Steckbrett habe ich herausgefunden dass der FET relativ empfindlich auf Störimpulse reagiert und teilweise hierdurch auch hohe Spannungen an den Ausgang durchlässt. Abhilfe schaffen Abblockkondensatoren an Ein- und Ausgang. Im Gegensatz zum XC6216 reichen für den FET normale 100nF Abblockkondensatoren. Die Diode D1 dient als Verpolschutz. R2 begrenzt beim FET schnelle Spannungsanstiege sowie den Maximalstrom. Das Austesten auf dem Steckbrett sollte mit den Abblock-Cs und der Schutzbeschaltung erfolgen.

Von 10 getesteten FETs hatten alle eine maximale Spannung im Bereich 4.57 bis 4.80 V bei 25V Eingangsspannung. Bei Belastung mit 1K-Ohm und 9V Eingangsspannung habe ich 2.61V bis 2.77V gemessen. Der Regler hat also ausreichend Reserven. Die Mühe des Selektierens wird belohnt durch einen Stromverbrauch von nicht messbaren wenigen nA für den Spannungsregler.

R2 sollte bei Verwendung des XC6216 durch einen 0 Ohm Widerstand ersetzt werden. Allerdings habe ich diese Schaltungsvariante noch nicht getestet.

=== Prozessorteil ===

[[Bild:BMON_1048_PIC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Prozessorteil]]

Als Prozessor wird ein PIC18F2520 verwendet. Es ist quasi der low power Nachfolger eines PIC16F876. Der Strom mit internem Oszillator beträgt ca. 1mA. Um den Stromverbrauch zu reduzieren ist der Prozessor hauptsächlich im sleep mode und wird nur alle 16ms aufgeweckt um die Flanken für die Wechselspannung von 30Hz für die passive LC-Anzeige zu generieren, die auch die meisten Pins benötigt. C4 mit 10uF puffert kurze Stromspitzen in der Aufwachphase. C7 mindert EMV-Störungen.

Die Batteriespannung wird über Spannungsteiler R4/R5 an Pin RA2 gemessen. U2 sorgt mit R3 für eine stabile Referenz von 1.235V auch bei schwankenden Versorgungsspannungen. Kurzzeitig werden für den Referenzeingang bis zu 150uA und für die Referenzdiode bis zu 20uA benötigt. Da kein Abblockkondensator an der Referenz verwendet wird, ist R3 relativ niederohmig dimensioniert.

Die Stromsparfunktionen werden alle mit PIN RA1 gesteuert. Die Auswertung der Eingänge erfolgt nur ein Mal je Sekunde. Dies betrifft R3 als Versorgung für die Referenzdiode sowie R6 als pull up Widerstand für den Taster. Über T2 wird der Spannungsteiler für die Batteriespannung stromlos geschaltet. Der BSS138 ist ein FET mit geringer UGS threshold voltage von max. 1.5V. Er begrenzt also am Source die Drain-Spannung auf VCC-1.5V. Da die Referenzspannung 1.2V beträgt ergibt sich bei einer Versorgungsspannung bis herab zu 2.7V noch keine Begrenzung des Messbereichs für die Batteriespannung von bis zu 25.5V.

Der Ladestrom wird über Analogeingang RA0 gemessen.

Mit der gewählten Dimensionierung für R4/R5 ergibt sich ein Messbereich von 25.5V für die Batteriespannung. Der Strombereich ist für ca. 240mA ausgelegt.

An Pin RB6 wird schließlich das Schaltsignal für die Endstufe erzeugt.

=== Bedienteil ===

[[Bild:BMON_1048_HMI.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Bedienteil]]

Aus Platzgründen (Frontplatte des EG2-Gehäuses von ProMa) konnte leider nur ein 2-stelliges LC-Display verwendet werden. Um dennoch Spannungen größer 9.9V darstellen zu können wird der führende Dezimalpunkt als Zehner-Stelle verwendet. Ab 20.0V fängt dann der Dezimalpunkt an zu blinken. Bei Verwendung eines 3 oder 4-stelligen Displays würde man anstelle des führenden Dezimalpunktes beide Segmente für die führende "1" anschließen.
Der Kondensator C5 hält Gleichspannungssignale vom Display fern. Dies ist insbesonders nützlich beim Flashen bzw. in der Debugging Phase.

J1 ist die Verbindung zur Mutterplatine. Dort kann noch ein zweiter Taster parallel zum Taster auf der Frontplatte angeschlossen werden. R7 dient als Kurzschlußschutz bzw. zur Stromreduzierung des Schaltsignals.

=== Endstufe ===

[[Bild:BMON_1048_POWER.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Endstufe LT1763]]

Die Endstufe ist außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Damit ergibt sich maximale Flexibilität von wenigen mA bis zu mehreren Ampere über einen BSS138 Treiber mit BTS555 Endstufe. Der Anschluss an die BMON1048 Leiterplatte erfolgt über Buchsenleisten auf der Leiterplatte mit der Endstufe. Die Stecker für den Ladeteil und den Prozessorteil sind getrennt ausgeführt. Damit können die Messleitungen direkt am Batteriepack angeschlossen werden (4-Leiter Anschluss). Übergangswiderstände am Stecker und der Leitungen haben dann weniger Einfluss auf die Messung.

Hier ist ein Beispiel für eine Endstufe mit LT1763 für maximal 20V Ladeendspannung gezeigt. Im ausgeschalteten Zustand verbraucht der Spannungsregler weniger als 1uA zusätzlich. Der Ruhestrom mit 30uA ist ebenfalls ein guter Wert. C10 ist vorzugsweise ein Folienkondensator (geringer Mikrofonieeffekt) zur Rauschunterdrückung. Die Ausgangsspannung wird mit R11+R12 auf 14.0 V eingestellt.

== Software ==

Die Software hat folgende Funktionen:

* Messen der Spannung und des Stroms linksbündig als 10 Bit Wert
* Verrechnung eines Korrekturfaktors aus EEPROM für Feinabgleich
* Anzeige der Spannung auf Display
* Als Timer dient der Watchdog mit 16ms Periode
* Die 30 Hz Wechselspannung für das Display wird hieraus abgeleitet
* Im Ladebetrieb erfolgt die Anzeige des Stroms im Wechsel mit der Spannung
* Unterhalb 1.15V/Zelle abschalten der Last (Spannungsanzeige blinkt)
* Oberhalb 1.25V/Zelle wiedereinschalten der Last
* Bei Tastendruck länger als 5 Sekunden wird die Last manuell ein-/ausgeschaltet
* Bei Spannungseinbruch > 0.6V/Minute wird ebenfalls abgeschaltet
* Alle Parameter wie Zellenzahl + Hysterese sind im Header konfigurierbar

<c>
#define Cells 12 ; # number of cells
#define mV * 256 * 51/1051/1235 ; 25,6V * 5K1/(100K+5K1)/VRef
#define VOn Cells * 1250 mV ; high hysteresis
#define VOff Cells * 1150 mV ; low hysteresis
#define VOLT_SEC 10 ; check every 10 seconds
#define VDIFF 600 mV ; voltage drop / minute
#define mA * 1 ; 1 mA / count
#define CURR_MIN 10 mA ; min current to display
</c>

Die Software ist mit MPASM 5.40 (MPLAB 8.70) erstellt. Die Bit-Schubsereien für das Display werden mit Tabellen in Page 0 für alle 3 Ports A-C und die Digits 1-2 abgehandelt.

Bei der Initialisierung wird erst die Hardware initialisiert und danach alle Variablen einschließlich der Kalibrierparameter die aus dem EEPROM gelesen werden. Die Kalibrierfaktoren sind im 2er Komplement als 16 Bit signed Wert gespeichert. Ein Abgleich von +/- 50% entspricht +/-32768 als Wert.

Die meiste Zeit verbringt der Prozessor im sleep mode. Alle 16 ms weckt der Watchdog den Prozessor auf, um die Pins für die Anzeige zu invertieren. Alle Sekunde finden zusätzlich noch Messfunktionen einschließlich update der Anzeige sowie die Tastenabfrage statt.
Um Zeit (und damit Strom) zu sparen wird die Wartezeit aufs ADC-Ergebnis genutzt um eine Tastenentprellung bzw. die Vorverarbeitung der Spannungsmessung während der Strommessung durchzuführen.
Alle 10 Sekunden wird das High-Byte des Spannungswertes in einen Ringpuffer mit 6 Einträgen für die vergangene Minute eingetragen. Dies dient unterhalb der Einschaltschwelle zum Detektieren eines plötzlichen Spannungsabfalls falls eine Zelle schneller entladen ist als die übrigen im Pack.

== Aufbau ==

<gallery>
Bild:Loetseite_IMG0964W.JPG|BMON1048 - Lötseite
Bild:BMON1048_BS_IMG0968W.JPG|Bestückungsseite
Bild:BMON1048_BST_LS.PNG|Position LS
Bild:BMON1048_BST_BS.PNG|Position BS
</gallery>

=== Lötseite ===

Die Leiterplatte ist doppelseitig. Die meisten Durchkontaktierungen liegen auf bedrahteten Bauelementen so dass eine durchkontaktierte Leiterplatte nicht zwingend nötig ist. Die drei Durchkontaktierungen im Bereich des Programmiersteckers können auch mit Kupferhohlnieten oder einer Drahtbrücke bestückt werden.

Am besten beginnt man nach Durchkontaktieren mit der Bestückung auf der Lötseite. C18, C19 sowie U5 sind im Muster nicht bestückt.

=== Bestückungsseite ===

Auf der Bestückungsseite werden zuerst die Bauteile unter dem Display sowie die Widerstände unter dem L200 bestückt. Einige bedrahtete Bauteile müssen auf beiden Seiten der Platine verlötet werden, falls keine durchkontaktierte Leiterplatte verwendet wird.

Die Ladebuchse ist auf die Leiterplatte aufgesetzt und mit Silberdraht die Anschlüsse verlängert. Mit dem Verlöten sollte man wie beim L200 so lange warten bis die Frontplatte montiert ist.
In den Layoutdaten ist auch ein Layer für die Frontplatte enthalten der als Bohrhilfe verwendet werden kann.

Der L200 ist über Kopf bestückt, die Anschlussdrähte also gegenüber dem stehenden Einbau auf die andere Seite abgewinkelt. Bei Verwendung von 10mm Distanzbolzen muss als Isolierung mindestens eine 1.5 mm Aluminiumoxidscheibe verwendet werden damit sich die Pins des L200 im montierten Zustand verlöten lassen. Die Frontplatte des EG2-Gehäuses dient hiermit gleichzeitig als Kühlfläche.

C12 muss liegend montiert werden.

Für das Display verwende ich eine 18-polige Präzisionsfassung, die mit dem Seitenschneider auseinander geschnitten wird. Verlöten geht am einfachsten wenn das Display bereits in die Fassung gesteckt ist. Die beiden Pins 1 + 18 für die Backplane sind auf der Leiterplattenoberseite verbunden (Lötung unter der Fassung nicht vergessen).

Der Taster ist eine Ausführung mit langem Stößel wenn die Bedienung ohne Hilfswerkzeug möglich sein soll.

=== Montagedetail L200 ===

[[Bild:BMON1048_L200_IMG0981W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - L200 Montage]]

Montagedetail L200:

* M3 Schraube
* Frontplatte
* Aluminiumoxidscheibe (AOS220 - 1.5mm)
* L200
* Isolierbuchse
* Unterlegscheibe (fehlt im Bild)
* M3 Mutter

=== Frontansichten ===

* Ansicht montiert mit Spannungsanzeige 16.7V
* Ansicht Ladebetrieb mit Stromanzeige 188mA

<gallery>
Bild:BMON1048_Spannung_IMG0965W.JPG|Spannungsanzeige
Bild:BMON1048_Strom_IMG0966W.JPG|Stromanzeige
</gallery>

== Inbetriebnahme und Abgleich ==

Der Ladeteil und der Batteriewächter können auf Grund der getrennten Steckverbinder unabhängig voneinander in Betrieb genommen werden.

=== Ladeteil ===

An einem strombegrenzten Netzteil (ca. 20-100mA) wird die Spannung an der Ladebuchse langsam von 0V an erhöht und die Stromaufnahme gemessen. Der Eigenverbrauch des L200 liegt bei ca. 10mA. Dieser Wert darf nicht wesentlich überschritten werden. Ist alles in Ordnung dreht man die Spannung langsam auf 24V. Die Ausgangsspannung des L200 sollte vor der Verpolschutzdiode D2 gemessen ca. 18.1V sein. Falls nicht kann man durch Feinabgleich des Widerstandes R13 noch etwas korrigieren.
Danach einen Akkusatz anschließen und die Strombegrenzung des Netzteils langsam auf ca. 250mA-300mA drehen. Der Strom in den Akku sollte durch den L200 auf ca. 200 mA begrenzt werden.
Bei vollgeladenem Akku sollte der Strom unter C/50 besser C/100 (also 20-40 mA) zurückgehen. Gegebenenfalls ist die Ladeendspannung etwas zu reduzieren.

=== Prozessorteil ===

Zunächst wird der Prozessor mit einem Programmiergerät geflasht. Bei Verwendung des FET-Spannungsreglers darauf achten dass die Spannungsversorgung für den Prozessor vom Programmiergerät (z.B. PICKIT3) zur Verfügung gestellt wird.
Hierbei darauf achten dass die nominalen Kalibrierwerte im EEPROM nicht zu weit von den Defaultwerten abweichen.
Bei der Spannung ist der Defaultwert = 0x00, 0x00 (= Faktor 1.0)
Beim Strom ist die Verstärkung nicht ganz auf einen Strom-Endwert von 255mA ausgelegt sondern etwa 5 Prozent tiefer. Der nominale Kalibrierwert für den Strom beträgt daher 0xF3, 0x1B (= Faktor 0.94963).

Nach dem Flashen wird an die beiden mittleren Pins von J1 eine Spannung von ca. 5V angeschlossen. Ist alles ok sollte das Display die Spannung blinkend anzeigen. Der Ausgang J1 PIN 1 weist Low-Pegel auf. Die Spannung wird langsam auf ca. 20V (max. 25V) erhöht und die prozentuale Abweichung zwischen Sollwert und Anzeige berechnet. Ab ca. 15. V verschwindet das Blinken und der Ausgang wechselt auf High-Pegel (>2.4V). Unterhalb ca. 13.8V wird die Last wieder abgeschaltet und das Display blinkt wieder.
Danach wird ein Akku (15-17V) an Prozessorteil und Ladeteil angeschlossen. Über ein strombegrenztes Netzteil werden ca. 180mA Ladestrom in den Akku eingestellt. Die Anzeige zeigt jetzt im Wechsel die Akkuspannung und den Ladestrom an. Wiederum wird die prozentuale Abweichung vom tatsächlichen Ladestrom berechnet.
Die prozentualen Abweichungen werden auf die existierenden Kalibrierwerte multipliziert und dann nach einem MPASM-Lauf ins EEPROM geschrieben. Bei Verwendung von MPLAB darauf achten dass im "Release" Modus und nicht im "Debug" Modus gearbeitet wird.

Danach ist der Batteriewächter einsatzbereit.

== Praxis und Ideen ==

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|BMON1035 Stromverbrauch 9.7uA bei 9.3V]]

Anbei ein Aufbau einer Vorgängerversion ohne Ladestrommessung (BMON1035) mit einem Stromverbrauch um 9.7 uA (schwankend) bei einem frisch aufgeladenen Akku mit 9.3V. An einem BMON1048 mit Strommessung habe ich 10-12uA gemessen. Wobei der Stromverbrauch auch von der tatsächlichen Versorgungsspannung des Prozessors abhängt.

Ich habe 2 Schaltungen mit ca. 30 mA Last seit 2.5 Jahren im Dauerbetrieb mit je 12 AA-Zellen und täglichem Ladebetrieb. Der erste Akkusatz zeigt seit letztem Sommer (bis zu 32 Grad Raumtemperatur während dem Laden) einen erhöhten Innenwiderstand. Der Ladestrom bei vollem Akku lag hierbei bei erhöhter Temperatur bei 60-70mA.

Die Spannungsdifferenz beim Einstecken / Entfernen des Ladegerätes ist bei diesem Akkusatz ca. 1V. Bei niedrigen Spannungen unter 15V und kurzem Ladebetrieb wird hierdurch die Last ungewollt abgeworfen. Das Kriterium 0.6V Abfall innerhalb einer Minute wird überschritten.
Der andere Akkusatz liegt immer noch bei 0.2V Differenz zwischen Normal und Ladebetrieb.

Ganz oben auf der Wunschliste steht der vereinfachte Abgleich der Kalibrierwerte im EEPROM. Denkbar wäre irgendein Morsecode über den Taster oder ein Jumper an einem freien Pin um den Abgleich bei angelegten Referenzwerten zu starten.

Freier Speicherplatz ist jedenfalls genügend vorhanden. Wobei Sonderfunktionen nur selten gerechnet werden sollten um den Stromverbrauch nicht zu stark zu erhöhen.

Die führende "1" wird derzeit wegen des 2-stelligen Displays als Dezimalpunkt angezeigt. Bei einem 3-stelligen Display würde man anstelle des Dezimalpunktes die beiden Segmente "b" und "c" für die "1" parallel ansteuern.

Ideen:
* Temperaturkompensation der End-Ladespannung mittels NTC / Dioden
* Alternativ: Abschaltung des Ladezweigs per Prozessor-Pin wenn der Ladestrom bei der Endspannung eingeschwungen ist
* Lernfunktion Berücksichtigung Spannungsdifferenz bei Ladebetrieb für Abschaltkriterium
* Automatisiertes Speichern der Abgleichwerte im EEPROM

Anpassung an andere Zellenzahlen:

:{| class="wikitable"
|+ '''Ladeteil L200'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R13
|-
| 4 || 6.5 || 2K2 || 2K2
|-
| 6 || 9.4 || 2K2 || 18K
|-
| 7 || 10.85 || 2K4 || ---
|-
| 8 || 12.3 || 3K0 || 47K
|-
| 10 || 15.2 || 3K9 || 68K
|-
| 12 || 18.1 || 4K7 || 130K
|}

:{| class="wikitable"
|+ '''Lastregler LT1763 (Ausserhalb Leiterplatte)'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R11
|-
| 5 || 5.1 || 4K7 || 15K
|-
| 6 || 6.0 || 10K || 39K
|-
| 7 || 8.0 || 2K7 || 15K
|-
| 8 || 9.35 || 3K3 || 22K
|-
| 10 || 11.5 || 3K9 || 33K
|-
| 12 || 12.0 || 2K7 || 24K
|-
| 12 || 14.0 || 6K49 || 68K
|}

== Downloads ==

* [[Media:BMON1048_MPASM.ZIP| Source code für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_Schaltbild.pdf| Schaltplan für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_gcprevue.zip| Layout (Gerber) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_PDF.zip| Layout (PDF) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_STK.txt| Stückliste Batteriewächter BMON1048]]

== Weblinks ==

* [http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00000053.pdf L200_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BSS84.pdf BSS84P_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF245A-B-C.pdf BF245C_Datasheet]
* [http://www.torex.co.jp/english/products/voltage_regulators/data/XC6216_XE6216.pdf XC6216_Datasheet]
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39631e.pdf PIC18F2520_Datasheet]
* [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm285-1.2-n.pdf LM385Z-1.2_Datasheet]
* [http://www.fairchildsemi.com/ds/BS/BSS138.pdf BSS138_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Hintergrund-gruen/LCD-2-0-13/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=3005&ARTICLE=10179&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& LCD-2-13]
* [http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1763fg.pdf LT1763_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Proma-Gehaeuse/GEH-EG-2/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=5199&ARTICLE=50424&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& Gehäuse_EG2]
* [http://www.graphicode.com/ GC-Prevue Gerber viewer]

== Siehe auch ==

* [http://www.mikrocontroller.net/topic/288063 Forum: Diskussion zu diesem Projekt]

[[Kategorie:Wettbewerb]]
[[Kategorie:PIC-Projekte]]
[[Kategorie:Spannungsversorgung_und_Energiequellen]]
[[Kategorie:Messtechnik]]
[[Kategorie:Projekte]]

Batteriewächter

2013-03-02T22:42:36Z

An ja:

''von Anja'' (in Arbeit)

{{Wettbewerb Header}}

[[Bild:BMON_1048_3_IMG0982w.JPG|thumb|300px|Batteriewächter]]
'''Eigenschaften'''
* Schaltausgang zum Abschalten der Last bei Unterspannung
* Mikroprozessordesign mit PIC18F2520
* Geringer Stromverbrauch typ. 10uA
* Geringe Mindestspannung typ. 2.5V
* Optional bestückbares Ladeteil mit L200
* Breiter Einsatzbereich von 4-12 NiMH Zellen oder 6-12V Bleiakkus
* Leiterplatte angepasst für Frontplatte eines EG2-Aluminiumgehäuses (ProMa)

'''Anwendungen'''
* Batteriemanagement
* Aus Messwert gespeistes Panelmeter

== Vorgeschichte ==

Eigentlich wollte ich nur eine einfache Anzeige für meine Akku gespeisten Referenzen: wann müssen die 9V-Blocks wieder ans Ladegerät. Ein einfaches Drehspulinstrument hätte es getan. Allerdings brauchen diese relativ viel Strom im Verhältnis zu einer ISL21009. Und bei einer Empfindlichkeit von 100uA sind sie auch nicht ganz billig.

Die nächste Idee: Eine low power Referenz und ein Komparator (oder gleich einen ICL7665). Nur: Was dann als Anzeige nehmen? Selbst eine low current LED braucht einige 100uA für die Anzeige.

Alternative Anzeigen wären eine einfache LCD Balkenanzeige wie im Handy. Diese sind allerdings nicht im DIP 8 Gehäuse erhältlich. Als Alternative bleiben eigentlich nur passive LC-Anzeigen mit 2-4 Digits.

Das Ganze zu Takten war die nächste Idee. Also wie beim Rauchmelder nur kurze Mess- und Anzeigephasen um Strom zu sparen.

In der Zwischenzeit waren auch Referenzen im Programm die eine Mindestspannung von 9 oder 14V benötigen. Die Anzahl der Zellen (8-12) also so gewachsen dass die 16V des ICL7665 oder gängiger CMOS Logik nicht mehr ausreichen.

Schön wäre auch eine "richtige" Spannungsanzeige - also muss ein Prozessor her. Nachdem auch die ersten 9V-Blocks Schwächen wegen Tiefentladung zeigten sollte das Ganze auch einen Unterspannungsschutz haben.

Zum damaligen Zeitpunkt gab es nur wenige Spannungsregler mit Eingangsspannungen bis 20 oder 25V und Eigenstromverbrauch unter 20uA. Und die auch nur von Farnell also für Privat quasi unobtanium.

Eine Idee hatte ich schon länger um z.B. Uhrenchips im 12V-System zu betreiben: Ein normaler Sperrschicht-FET hat eine negative UGS-Spannung. Wenn man das Gate also an Masse anschließt müsste am Source eine halbwegs stabile Backup-Spannung übrig bleiben. Und das auch noch ohne dass der Spannungsregler einen nennenswerten Strom braucht.

Der Ehrgeiz war geweckt es müsste doch möglich sein einen prozessorgesteuerten Komparator mit Spannungsanzeige bei unter 20uA Stromverbrauch mit Versorgung direkt aus der Batterie im Bereich 5-20V zu entwickeln...

== Blockschaltbild ==

[[Bild:BMON_1048_BLOCK.PNG|thumb|right|350px|BMON148 - Blockschaltbild]]

Die Schaltung auf der Leiterplatte umfasst ein einfaches Ladeteil mit L200. Die Speisung erfolgt mit einem externen 24V Steckernetzteil. Ein Low-Power Spannungsregler erzeugt die VCC-Versorgung für den Prozessorteil. Der Prozessor misst die Akkuspannung sowie den Ladestrom und erzeugt das Steuersignal für die Endstufe. Auf dem Display werden die Akkuspannung sowie der Ladestrom angezeigt. Der Taster dient zum Ein-/Ausschalten der Last. Da der Leistungsteil je nach Last sehr unterschiedlich sein kann (z.B. BTS555 für Hochstromanwendungen) ist er außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Als Schaltungsbeispiel wird eine Endstufe mit LT1763 gezeigt.

=== Ladeteil ===

[[Bild:BMON_1048_L200.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Ladeteil]]

Das Ladeteil ist eine Standardapplikation mit L200 ergänzt um einen Spannungsausgang für die Strommessung.
Die maximale Ladespannung wird mittels Spannungsteiler R12 zu R11 eingestellt. R13 ist parallel zu R12 und wird für den Feinabgleich der Ausgangsspannung verwendet. Auf der Leiterplatte sind die Widerstände wahlweise als SMD (R11..R13) oder bedrahtet (R11A..R13A) bestückbar. R11A ist mit 820 Ohm bestückt. R12A mit 4K7 parallel zu R13A mit 130k ergibt 4K54. Die Ausgangsspannung von 18.1 V ergibt sich aus der Referenzspannung von 2.77V des L200 * (1 + 4540R/820R). R14 begrenzt den Strom auf ca. 200 mA (0.45V / 2R2).
Diode D2 verhindert ein Entladen des Akkus wenn das Steckernetzteil nicht angeschlossen ist. D3 dient als Verpolschutz.
Die Schaltung um U3 verstärkt die Spannung über dem Strombegrenzungswiderstand. Es muss zwingend ein OP verwendet werden dessen common mode input range an die positive Versorgung reicht. Bei einem TL062 ist dies bei normalen Raumtemperaturen gegeben. Die Spannung über R14 wird im Verhältnis R16/R15 = 2.32 fach verstärkt. Bei 200mA also 450mV am Strombegrenzungswiderstand ergibt sich für den ADC-Eingang eine Spannung von 1.04V über R16.
L1, L2 sowie C15-C19 bilden ein optional bestückbares EMV-Filter. C18+C19 filtern hierbei die Störungen über einen M3 Distanzbolzen auf das Aluminiumgehäuse.

=== Spannungsregler ===

[[Bild:BMON_1048_VCC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Spannungsregler BF245C]]

Es gibt 2 alternative Bestückungsvarianten:

U5 ist ein low power Spannungsregler XC6216 von Torex. An Ein- und Ausgang werden 1uF Kondensatoren benötigt. Der Ruhestromverbrauch ist mit 5uA im Datenblatt angegeben.

Da mir das vieeel zu hoch ist habe ich einen Sperrschicht-FET als Spannungsregler verwendet. Ein BF245C hat bei kleinen Strömen je nach Exemplarstreuung eine Gate/Source Spannung von -3.2 .. -7.5 V zwischen Gate und Source.
Wenn man jetzt das Gate auf Masse legt, und an Drain die ungeregelte Eingangsspannung, bleibt am Source eine Ausgangsspannung von +3.2 bis 7.5V.
Da der nachgeschaltete Prozessor maximal 5.5V Spannung verträgt müssen die FETs selektiert werden. Bei der maximalen Eingangsspannung und minimaler Last (also nur die 10 Meg-Ohm des Messinstrumentes) dürfen die 5.5V nicht überschritten werden. Bei der typischen Last von 10uA entsprechend 330K sollten mindestens ca. 3.8V als minimale Spannung übrig bleiben.

Beim Austesten auf dem Steckbrett habe ich herausgefunden dass der FET relativ empfindlich auf Störimpulse reagiert und teilweise hierdurch auch hohe Spannungen an den Ausgang durchlässt. Abhilfe schaffen Abblockkondensatoren an Ein- und Ausgang. Im Gegensatz zum XC6216 reichen für den FET normale 100nF Abblockkondensatoren. Die Diode D1 dient als Verpolschutz. R2 begrenzt beim FET schnelle Spannungsanstiege sowie den Maximalstrom. Das Austesten auf dem Steckbrett sollte mit den Abblock-Cs und der Schutzbeschaltung erfolgen.

Von 10 getesteten FETs hatten alle eine maximale Spannung im Bereich 4.57 bis 4.80 V bei 25V Eingangsspannung. Bei Belastung mit 1K-Ohm und 9V Eingangsspannung habe ich 2.61V bis 2.77V gemessen. Der Regler hat also ausreichend Reserven. Die Mühe des Selektierens wird belohnt durch einen Stromverbrauch von nicht messbaren wenigen nA für den Spannungsregler.

R2 sollte bei Verwendung des XC6216 durch einen 0 Ohm Widerstand ersetzt werden. Allerdings habe ich diese Schaltungsvariante noch nicht getestet.

=== Prozessorteil ===

[[Bild:BMON_1048_PIC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Prozessorteil]]

Als Prozessor wird ein PIC18F2520 verwendet. Es ist quasi der low power Nachfolger eines PIC16F876. Der Strom mit internem Oszillator beträgt ca. 1mA. Um den Stromverbrauch zu reduzieren ist der Prozessor hauptsächlich im sleep mode und wird nur alle 16ms aufgeweckt um die Flanken für die Wechselspannung von 30Hz für die passive LC-Anzeige zu generieren, die auch die meisten Pins benötigt. C4 mit 10uF puffert kurze Stromspitzen in der Aufwachphase. C7 mindert EMV-Störungen.

Die Batteriespannung wird über Spannungsteiler R4/R5 an Pin RA2 gemessen. U2 sorgt mit R3 für eine stabile Referenz von 1.235V auch bei schwankenden Versorgungsspannungen. Kurzzeitig werden für den Referenzeingang bis zu 150uA und für die Referenzdiode bis zu 20uA benötigt. Da kein Abblockkondensator an der Referenz verwendet wird, ist R3 relativ niederohmig dimensioniert.

Die Stromsparfunktionen werden alle mit PIN RA1 gesteuert. Die Auswertung der Eingänge erfolgt nur ein Mal je Sekunde. Dies betrifft R3 als Versorgung für die Referenzdiode sowie R6 als pull up Widerstand für den Taster. Über T2 wird der Spannungsteiler für die Batteriespannung stromlos geschaltet. Der BSS138 ist ein FET mit geringer UGS threshold voltage von max. 1.5V. Er begrenzt also am Source die Drain-Spannung auf VCC-1.5V. Da die Referenzspannung 1.2V beträgt ergibt sich bei einer Versorgungsspannung bis herab zu 2.7V noch keine Begrenzung des Messbereichs für die Batteriespannung von bis zu 25.5V.

Der Ladestrom wird über Analogeingang RA0 gemessen.

Mit der gewählten Dimensionierung für R4/R5 ergibt sich ein Messbereich von 25.5V für die Batteriespannung. Der Strombereich ist für ca. 240mA ausgelegt.

An Pin RB6 wird schließlich das Schaltsignal für die Endstufe erzeugt.

=== Bedienteil ===

[[Bild:BMON_1048_HMI.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Bedienteil]]

Aus Platzgründen (Frontplatte des EG2-Gehäuses von ProMa) konnte leider nur ein 2-stelliges LC-Display verwendet werden. Um dennoch Spannungen größer 9.9V darstellen zu können wird der führende Dezimalpunkt als Zehner-Stelle verwendet. Ab 20.0V fängt dann der Dezimalpunkt an zu blinken. Bei Verwendung eines 3 oder 4-stelligen Displays würde man anstelle des führenden Dezimalpunktes beide Segmente für die führende "1" anschließen.
Der Kondensator C5 hält Gleichspannungssignale vom Display fern. Dies ist insbesonders nützlich beim Flashen bzw. in der Debugging Phase.

J1 ist die Verbindung zur Mutterplatine. Dort kann noch ein zweiter Taster parallel zum Taster auf der Frontplatte angeschlossen werden. R7 dient als Kurzschlußschutz bzw. zur Stromreduzierung des Schaltsignals.

=== Endstufe ===

[[Bild:BMON_1048_POWER.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Endstufe LT1763]]

Die Endstufe ist außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Damit ergibt sich maximale Flexibilität von wenigen mA bis zu mehreren Ampere über einen BSS138 Treiber mit BTS555 Endstufe. Der Anschluss an die BMON1048 Leiterplatte erfolgt über Buchsenleisten auf der Leiterplatte mit der Endstufe. Die Stecker für den Ladeteil und den Prozessorteil sind getrennt ausgeführt. Damit können die Messleitungen direkt am Batteriepack angeschlossen werden (4-Leiter Anschluss). Übergangswiderstände am Stecker und der Leitungen haben dann weniger Einfluss auf die Messung.

Hier ist ein Beispiel für eine Endstufe mit LT1763 für maximal 20V Ladeendspannung gezeigt. Im ausgeschalteten Zustand verbraucht der Spannungsregler weniger als 1uA zusätzlich. Der Ruhestrom mit 30uA ist ebenfalls ein guter Wert. C10 ist vorzugsweise ein Folienkondensator (geringer Mikrofonieeffekt) zur Rauschunterdrückung. Die Ausgangsspannung wird mit R11+R12 auf 14.0 V eingestellt.

== Software ==

Die Software hat folgende Funktionen:

* Messen der Spannung und des Stroms linksbündig als 10 Bit Wert
* Verrechnung eines Korrekturfaktors aus EEPROM für Feinabgleich
* Anzeige der Spannung auf Display
* Als Timer dient der Watchdog mit 16ms Periode
* Die 30 Hz Wechselspannung für das Display wird hieraus abgeleitet
* Im Ladebetrieb erfolgt die Anzeige des Stroms im Wechsel mit der Spannung
* Unterhalb 1.15V/Zelle abschalten der Last (Spannungsanzeige blinkt)
* Oberhalb 1.25V/Zelle wiedereinschalten der Last
* Bei Tastendruck länger als 5 Sekunden wird die Last manuell ein-/ausgeschaltet
* Bei Spannungseinbruch > 0.6V/Minute wird ebenfalls abgeschaltet
* Alle Parameter wie Zellenzahl + Hysterese sind im Header konfigurierbar

<c>
#define Cells 12 ; # number of cells
#define mV * 256 * 51/1051/1235 ; 25,6V * 5K1/(100K+5K1)/VRef
#define VOn Cells * 1250 mV ; high hysteresis
#define VOff Cells * 1150 mV ; low hysteresis
#define VOLT_SEC 10 ; check every 10 seconds
#define VDIFF 600 mV ; voltage drop / minute
#define mA * 1 ; 1 mA / count
#define CURR_MIN 10 mA ; min current to display
</c>

Die Software ist mit MPASM 5.40 (MPLAB 8.70) erstellt. Die Bit-Schubsereien für das Display werden mit Tabellen in Page 0 für alle 3 Ports A-C und die Digits 1-2 abgehandelt.

Bei der Initialisierung wird erst die Hardware initialisiert und danach alle Variablen einschließlich der Kalibrierparameter die aus dem EEPROM gelesen werden. Die Kalibrierfaktoren sind im 2er Komplement als 16 Bit signed Wert gespeichert. Ein Abgleich von +/- 50% entspricht +/-32768 als Wert.

Die meiste Zeit verbringt der Prozessor im sleep mode. Alle 16 ms weckt der Watchdog den Prozessor auf, um die Pins für die Anzeige zu invertieren. Alle Sekunde finden zusätzlich noch Messfunktionen einschließlich update der Anzeige sowie die Tastenabfrage statt.
Um Zeit (und damit Strom) zu sparen wird die Wartezeit aufs ADC-Ergebnis genutzt um eine Tastenentprellung bzw. die Vorverarbeitung der Spannungsmessung während der Strommessung durchzuführen.
Alle 10 Sekunden wird das High-Byte des Spannungswertes in einen Ringpuffer mit 6 Einträgen für die vergangene Minute eingetragen. Dies dient unterhalb der Einschaltschwelle zum Detektieren eines plötzlichen Spannungsabfalls falls eine Zelle schneller entladen ist als die übrigen im Pack.

== Aufbau ==

<gallery>
Bild:Loetseite_IMG0964W.JPG|BMON1048 - Lötseite
Bild:BMON1048_BS_IMG0968W.JPG|Bestückungsseite
Bild:BMON1048_BST_LS.PNG|Position LS
Bild:BMON1048_BST_BS.PNG|Position BS
</gallery>

=== Lötseite ===

Die Leiterplatte ist doppelseitig. Die meisten Durchkontaktierungen liegen auf bedrahteten Bauelementen so dass eine durchkontaktierte Leiterplatte nicht zwingend nötig ist. Die drei Durchkontaktierungen im Bereich des Programmiersteckers können auch mit Kupferhohlnieten oder einer Drahtbrücke bestückt werden.

Am besten beginnt man nach Durchkontaktieren mit der Bestückung auf der Lötseite. C18, C19 sowie U5 sind im Muster nicht bestückt.

=== Bestückungsseite ===

Auf der Bestückungsseite werden zuerst die Bauteile unter dem Display sowie die Widerstände unter dem L200 bestückt. Einige bedrahtete Bauteile müssen auf beiden Seiten der Platine verlötet werden, falls keine durchkontaktierte Leiterplatte verwendet wird.

Die Ladebuchse ist auf die Leiterplatte aufgesetzt und mit Silberdraht die Anschlüsse verlängert. Mit dem Verlöten sollte man wie beim L200 so lange warten bis die Frontplatte montiert ist.
In den Layoutdaten ist auch ein Layer für die Frontplatte enthalten der als Bohrhilfe verwendet werden kann.

Der L200 ist über Kopf bestückt, die Anschlussdrähte also gegenüber dem stehenden Einbau auf die andere Seite abgewinkelt. Bei Verwendung von 10mm Distanzbolzen muss als Isolierung mindestens eine 1.5 mm Aluminiumoxidscheibe verwendet werden damit sich die Pins des L200 im montierten Zustand verlöten lassen. Die Frontplatte des EG2-Gehäuses dient hiermit gleichzeitig als Kühlfläche.

C12 muss liegend montiert werden.

Für das Display verwende ich eine 18-polige Präzisionsfassung, die mit dem Seitenschneider auseinander geschnitten wird. Verlöten geht am einfachsten wenn das Display bereits in die Fassung gesteckt ist. Die beiden Pins 1 + 18 für die Backplane sind auf der Leiterplattenoberseite verbunden (Lötung unter der Fassung nicht vergessen).

Der Taster ist eine Ausführung mit langem Stößel wenn die Bedienung ohne Hilfswerkzeug möglich sein soll.

=== Montagedetail L200 ===

[[Bild:BMON1048_L200_IMG0981W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - L200 Montage]]

Montagedetail L200:

* M3 Schraube
* Frontplatte
* Aluminiumoxidscheibe (AOS220 - 1.5mm)
* L200
* Isolierbuchse
* Unterlegscheibe (fehlt im Bild)
* M3 Mutter

=== Frontansichten ===

* Ansicht montiert mit Spannungsanzeige 16.7V
* Ansicht Ladebetrieb mit Stromanzeige 188mA

<gallery>
Bild:BMON1048_Spannung_IMG0965W.JPG|Spannungsanzeige
Bild:BMON1048_Strom_IMG0966W.JPG|Stromanzeige
</gallery>

== Inbetriebnahme und Abgleich ==

Der Ladeteil und der Batteriewächter können auf Grund der getrennten Steckverbinder unabhängig voneinander in Betrieb genommen werden.

=== Ladeteil ===

An einem strombegrenzten Netzteil (ca. 20-100mA) wird die Spannung an der Ladebuchse langsam von 0V an erhöht und die Stromaufnahme gemessen. Der Eigenverbrauch des L200 liegt bei ca. 10mA. Dieser Wert darf nicht wesentlich überschritten werden. Ist alles in Ordnung dreht man die Spannung langsam auf 24V. Die Ausgangsspannung des L200 sollte vor der Verpolschutzdiode D2 gemessen ca. 18.1V sein. Falls nicht kann man durch Feinabgleich des Widerstandes R13 noch etwas korrigieren.
Danach einen Akkusatz anschließen und die Strombegrenzung des Netzteils langsam auf ca. 250mA-300mA drehen. Der Strom in den Akku sollte durch den L200 auf ca. 200 mA begrenzt werden.
Bei vollgeladenem Akku sollte der Strom unter C/50 besser C/100 (also 20-40 mA) zurückgehen. Gegebenenfalls ist die Ladeendspannung etwas zu reduzieren.

=== Prozessorteil ===

Zunächst wird der Prozessor mit einem Programmiergerät geflasht. Bei Verwendung des FET-Spannungsreglers darauf achten dass die Spannungsversorgung für den Prozessor vom Programmiergerät (z.B. PICKIT3) zur Verfügung gestellt wird.
Hierbei darauf achten dass die nominalen Kalibrierwerte im EEPROM nicht zu weit von den Defaultwerten abweichen.
Bei der Spannung ist der Defaultwert = 0x00, 0x00 (= Faktor 1.0)
Beim Strom ist die Verstärkung nicht ganz auf einen Strom-Endwert von 255mA ausgelegt sondern etwa 5 Prozent tiefer. Der nominale Kalibrierwert für den Strom beträgt daher 0xF3, 0x1B (= Faktor 0.94963).

Nach dem Flashen wird an die beiden mittleren Pins von J1 eine Spannung von ca. 5V angeschlossen. Ist alles ok sollte das Display die Spannung blinkend anzeigen. Der Ausgang J1 PIN 1 weist Low-Pegel auf. Die Spannung wird langsam auf ca. 20V (max. 25V) erhöht und die prozentuale Abweichung zwischen Sollwert und Anzeige berechnet. Ab ca. 15. V verschwindet das Blinken und der Ausgang wechselt auf High-Pegel (>2.4V). Unterhalb ca. 13.8V wird die Last wieder abgeschaltet und das Display blinkt wieder.
Danach wird ein Akku (15-17V) an Prozessorteil und Ladeteil angeschlossen. Über ein strombegrenztes Netzteil werden ca. 180mA Ladestrom in den Akku eingestellt. Die Anzeige zeigt jetzt im Wechsel die Akkuspannung und den Ladestrom an. Wiederum wird die prozentuale Abweichung vom tatsächlichen Ladestrom berechnet.
Die prozentualen Abweichungen werden auf die existierenden Kalibrierwerte multipliziert und dann nach einem MPASM-Lauf ins EEPROM geschrieben. Bei Verwendung von MPLAB darauf achten dass im "Release" Modus und nicht im "Debug" Modus gearbeitet wird.

Danach ist der Batteriewächter einsatzbereit.

== Praxis und Ideen ==

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|BMON1035 Stromverbrauch 9.7uA bei 9.3V]]

Anbei ein Aufbau einer Vorgängerversion ohne Ladestrommessung (BMON1035) mit einem Stromverbrauch um 9.7 uA (schwankend) bei einem frisch aufgeladenen Akku mit 9.3V. An einem BMON1048 mit Strommessung habe ich 10-12uA gemessen. Wobei der Stromverbrauch auch von der tatsächlichen Versorgungsspannung des Prozessors abhängt.

Ich habe 2 Schaltungen mit ca. 30 mA Last seit 2.5 Jahren im Dauerbetrieb mit je 12 AA-Zellen und täglichem Ladebetrieb. Der erste Akkusatz zeigt seit letztem Sommer (bis zu 32 Grad Raumtemperatur während dem Laden) einen erhöhten Innenwiderstand. Der Ladestrom bei vollem Akku lag hierbei bei erhöhter Temperatur bei 60-70mA.

Die Spannungsdifferenz beim Einstecken / Entfernen des Ladegerätes ist bei diesem Akkusatz ca. 1V. Bei niedrigen Spannungen unter 15V und kurzem Ladebetrieb wird hierdurch die Last ungewollt abgeworfen. Das Kriterium 0.6V Abfall innerhalb einer Minute wird überschritten.
Der andere Akkusatz liegt immer noch bei 0.2V Differenz zwischen Normal und Ladebetrieb.

Ganz oben auf der Wunschliste steht der vereinfachte Abgleich der Kalibrierwerte im EEPROM. Denkbar wäre irgendein Morsecode über den Taster oder ein Jumper an einem freien Pin um den Abgleich bei angelegten Referenzwerten zu starten.

Freier Speicherplatz ist jedenfalls genügend vorhanden. Wobei Sonderfunktionen nur selten gerechnet werden sollten um den Stromverbrauch nicht zu stark zu erhöhen.

Die führende "1" wird derzeit wegen des 2-stelligen Displays als Dezimalpunkt angezeigt. Bei einem 3-stelligen Display würde man anstelle des Dezimalpunktes die beiden Segmente "b" und "c" für die "1" parallel ansteuern.

Ideen:
* Temperaturkompensation der End-Ladespannung mittels NTC / Dioden
* Alternativ: Abschaltung des Ladezweigs per Prozessor-Pin wenn der Ladestrom bei der Endspannung eingeschwungen ist
* Lernfunktion Berücksichtigung Spannungsdifferenz bei Ladebetrieb für Abschaltkriterium
* Automatisiertes Speichern der Abgleichwerte im EEPROM

Anpassung an andere Zellenzahlen:

:{| class="wikitable"
|+ '''Ladeteil L200'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R13
|-
| 4 || 6.5 || 2K2 || 2K2
|-
| 6 || 9.4 || 2K2 || 18K
|-
| 7 || 10.85 || 2K4 || ---
|-
| 8 || 12.3 || 3K0 || 47K
|-
| 10 || 15.2 || 3K9 || 68K
|-
| 12 || 18.1 || 4K7 || 130K
|}

:{| class="wikitable"
|+ '''Lastregler LT1763 (Ausserhalb Leiterplatte)'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R11
|-
| 5 || 5.1 || 4K7 || 15K
|-
| 6 || 6.0 || 10K || 39K
|-
| 7 || 8.0 || 2K7 || 15K
|-
| 8 || 9.35 || 3K3 || 22K
|-
| 10 || 11.5 || 3K9 || 33K
|-
| 12 || 12.0 || 2K7 || 24K
|-
| 12 || 14.0 || 6K49 || 68K
|}

== Downloads ==

* [[Media:BMON1048_MPASM.ZIP| Source code für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_Schaltbild.pdf| Schaltplan für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_gcprevue.zip| Layout (Gerber) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_PDF.zip| Layout (PDF) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_STK.txt| Stückliste Batteriewächter BMON1048]]

== Weblinks ==

* [http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00000053.pdf L200_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BSS84.pdf BSS84P_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF245A-B-C.pdf BF245C_Datasheet]
* [http://www.torex.co.jp/english/products/voltage_regulators/data/XC6216_XE6216.pdf XC6216_Datasheet]
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39631e.pdf PIC18F2520_Datasheet]
* [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm285-1.2-n.pdf LM385Z-1.2_Datasheet]
* [http://www.fairchildsemi.com/ds/BS/BSS138.pdf BSS138_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Hintergrund-gruen/LCD-2-0-13/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=3005&ARTICLE=10179&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& LCD-2-13]
* [http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1763fg.pdf LT1763_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Proma-Gehaeuse/GEH-EG-2/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=5199&ARTICLE=50424&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& Gehäuse_EG2]
* [http://www.graphicode.com/ GC-Prevue Gerber viewer]

== Siehe auch ==

* [http://www.mikrocontroller.net/topic/288063 Forum: Diskussion zu diesem Projekt]

[[Kategorie:Wettbewerb]]
[[Kategorie:PIC-Projekte]]
[[Kategorie:Spannungsversorgung_und_Energiequellen]]
[[Kategorie:Messtechnik]]
[[Kategorie:Projekte]]

Datei:BMON1048 MPASM.ZIP

2013-03-02T22:41:27Z

An ja: hat eine neue Version von „Datei:BMON1048 MPASM.ZIP“ hochgeladen: Quelldateien für MPASM 5.40 / MPLAB 8.70 für Batteriewächter BMON1048 von Anja Kommentare ergänzt.

Quelldateien für MPASM 5.40 / MPLAB 8.70 für Batteriewächter BMON1048 von Anja

Datei:BMON 1048 3 IMG0982w.JPG

2013-03-02T14:54:50Z

An ja: BMON1048 Batteriewächter von Anja

BMON1048 Batteriewächter von Anja

Batteriewächter

2013-03-02T14:53:55Z

An ja:

''von Anja'' (in Arbeit)

{{Wettbewerb Header}}

[[Bild:BMON_1048_3_IMG0982w.JPG|thumb|300px|Batteriewächter]]
'''Eigenschaften'''
* Schaltausgang zum Abschalten der Last bei Unterspannung
* Mikroprozessordesign mit PIC18F2520
* Geringer Stromverbrauch typ. 10uA
* Geringe Mindestspannung typ. 2.5V
* Optional Bestückbares Ladeteil mit L200
* Breiter Einsatzbereich von 4-12 NiMH Zellen oder 6-12V Bleiakkus
* Leiterplatte angepasst für Frontplatte eines EG2-Aluminiumgehäuses (ProMa)

'''Anwendungen'''
* Batteriemanagement
* Aus Messwert gespeistes Panelmeter

== Vorgeschichte ==

Eigentlich wollte ich nur eine einfache Anzeige für meine Akku gespeisten Referenzen: wann müssen die 9V-Blocks wieder ans Ladegerät. Ein einfaches Drehspulinstrument hätte es getan. Allerdings brauchen diese relativ viel Strom im Verhältnis zu einer ISL21009. Und bei einer Empfindlichkeit von 100uA sind sie auch nicht ganz billig.

Die nächste Idee: Eine low power Referenz und ein Komparator (oder gleich einen ICL7665). Nur: Was dann als Anzeige nehmen? Selbst eine low current LED braucht einige 100uA für die Anzeige.

Alternative Anzeigen wären eine einfache LCD Balkenanzeige wie im Handy. Diese sind allerdings nicht im DIP 8 Gehäuse erhältlich. Als Alternative bleiben eigentlich nur passive LC-Anzeigen mit 2-4 Digits.

Das Ganze zu Takten war die nächste Idee. Also wie beim Rauchmelder nur kurze Mess- und Anzeigephasen um Strom zu sparen.

In der Zwischenzeit waren auch Referenzen im Programm die eine Mindestspannung von 9 oder 14V benötigen. Die Anzahl der Zellen (8-12) also so gewachsen dass die 16V des ICL7665 oder gängiger CMOS Logik nicht mehr ausreichen.

Schön wäre auch eine "richtige" Spannungsanzeige - also muss ein Prozessor her. Nachdem auch die ersten 9V-Blocks Schwächen wegen Tiefentladung zeigten sollte das Ganze auch einen Unterspannungsschutz haben.

Zum damaligen Zeitpunkt gab es nur wenige Spannungsregler mit Eingangsspannungen bis 20 oder 25V und Eigenstromverbrauch unter 20uA. Und die auch nur von Farnell also für Privat quasi unobtanium.

Eine Idee hatte ich schon länger um z.B. Uhrenchips im 12V-System zu betreiben: Ein normaler Sperrschicht-FET hat eine negative UGS-Spannung. Wenn man das Gate also an Masse anschließt müsste am Source eine halbwegs stabile Backup-Spannung übrig bleiben. Und das auch noch ohne dass der Spannungsregler einen nennenswerten Strom braucht.

Der Ehrgeiz war geweckt es müsste doch möglich sein einen prozessorgesteuerten Komparator mit Spannungsanzeige bei unter 20uA Stromverbrauch mit Versorgung direkt aus der Batterie im Bereich 5-20V zu entwickeln...

== Blockschaltbild ==

[[Bild:BMON_1048_BLOCK.PNG|thumb|right|350px|BMON148 - Blockschaltbild]]

Die Schaltung auf der Leiterplatte umfasst ein einfaches Ladeteil mit L200. Die Speisung erfolgt mit einem externen 24V Steckernetzteil. Ein Low-Power Spannungsregler erzeugt die VCC-Versorgung für den Prozessorteil. Der Prozessor misst die Akkuspannung sowie den Ladestrom und erzeugt das Steuersignal für die Endstufe. Auf dem Display werden die Akkuspannung sowie der Ladestrom angezeigt. Der Taster dient zum Ein-/Ausschalten der Last. Da der Leistungsteil je nach Last sehr unterschiedlich sein kann (z.B. BTS555 für Hochstromanwendungen) ist er außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Als Schaltungsbeispiel wird eine Endstufe mit LT1763 gezeigt.

=== Ladeteil ===

[[Bild:BMON_1048_L200.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Ladeteil]]

Das Ladeteil ist eine Standardapplikation mit L200 ergänzt um einen Spannungsausgang für die Strommessung.
Die maximale Ladespannung wird mittels Spannungsteiler R12 zu R11 eingestellt. R13 ist parallel zu R12 und wird für den Feinabgleich der Ausgangsspannung verwendet. Auf der Leiterplatte sind die Widerstände wahlweise als SMD (R11..R13) oder bedrahtet (R11A..R13A) bestückbar. R11A ist mit 820 Ohm bestückt. R12A mit 4K7 parallel zu R13A mit 130k ergibt 4K54. Die Ausgangsspannung von 18.1 V ergibt sich aus der Referenzspannung von 2.77V des L200 * (1 + 4540R/820R). R14 begrenzt den Strom auf ca. 200 mA (0.45V / 2R2).
Diode D2 verhindert ein Entladen des Akkus wenn das Steckernetzteil nicht angeschlossen ist. D3 dient als Verpolschutz.
Die Schaltung um U3 verstärkt die Spannung über dem Strombegrenzungswiderstand. Es muss zwingend ein OP verwendet werden dessen common mode input range an die positive Versorgung reicht. Bei einem TL062 ist dies bei normalen Raumtemperaturen gegeben. Die Spannung über R14 wird im Verhältnis R16/R15 = 2.32 fach verstärkt. Bei 200mA also 450mV am Strombegrenzungswiderstand ergibt sich für den ADC-Eingang eine Spannung von 1.04V über R16.
L1, L2 sowie C15-C19 bilden ein optional bestückbares EMV-Filter. C18+C19 filtern hierbei die Störungen über einen M3 Distanzbolzen auf das Aluminiumgehäuse.

=== Spannungsregler ===

[[Bild:BMON_1048_VCC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Spannungsregler BF245C]]

Es gibt 2 alternative Bestückungsvarianten:

U5 ist ein low power Spannungsregler XC6216 von Torex. An Ein- und Ausgang werden 1uF Kondensatoren benötigt. Der Ruhestromverbrauch ist mit 5uA im Datenblatt angegeben.

Da mir das vieeel zu hoch ist habe ich einen Sperrschicht-FET als Spannungsregler verwendet. Ein BF245C hat bei kleinen Strömen je nach Exemplarstreuung eine Gate/Source Spannung von -3.2 .. -7.5 V zwischen Gate und Source.
Wenn man jetzt das Gate auf Masse legt, und an Drain die ungeregelte Eingangsspannung, bleibt am Source eine Ausgangsspannung von +3.2 bis 7.5V.
Da der nachgeschaltete Prozessor maximal 5.5V Spannung verträgt müssen die FETs selektiert werden. Bei der maximalen Eingangsspannung und minimaler Last (also nur die 10 Meg-Ohm des Messinstrumentes) dürfen die 5.5V nicht überschritten werden. Bei der typischen Last von 10uA entsprechend 330K sollten mindestens ca. 3.8V als minimale Spannung übrig bleiben.

Beim Austesten auf dem Steckbrett habe ich herausgefunden dass der FET relativ empfindlich auf Störimpulse reagiert und teilweise hierdurch auch hohe Spannungen an den Ausgang durchlässt. Abhilfe schaffen Abblockkondensatoren an Ein- und Ausgang. Im Gegensatz zum XC6216 reichen für den FET normale 100nF Abblockkondensatoren. Die Diode D1 dient als Verpolschutz. R2 begrenzt beim FET schnelle Spannungsanstiege sowie den Maximalstrom. Das Austesten auf dem Steckbrett sollte mit den Abblock-Cs und der Schutzbeschaltung erfolgen.

Von 10 getesteten FETs hatten alle eine maximale Spannung im Bereich 4.57 bis 4.80 V bei 25V Eingangsspannung. Bei Belastung mit 1K-Ohm und 9V Eingangsspannung habe ich 2.61V bis 2.77V gemessen. Der Regler hat also ausreichend Reserven. Die Mühe des Selektierens wird belohnt durch einen Stromverbrauch von nicht messbaren wenigen nA für den Spannungsregler.

R2 sollte bei Verwendung des XC6216 durch einen 0 Ohm Widerstand ersetzt werden. Allerdings habe ich diese Schaltungsvariante noch nicht getestet.

=== Prozessorteil ===

[[Bild:BMON_1048_PIC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Prozessorteil]]

Als Prozessor wird ein PIC18F2520 verwendet. Es ist quasi der low power Nachfolger eines PIC16F876. Der Strom mit internem Oszillator beträgt ca. 1mA. Um den Stromverbrauch zu reduzieren ist der Prozessor hauptsächlich im sleep mode und wird nur alle 16ms aufgeweckt um die Flanken für die Wechselspannung von 30Hz für die passive LC-Anzeige zu generieren, die auch die meisten Pins benötigt. C4 mit 10uF puffert kurze Stromspitzen in der Aufwachphase. C7 mindert EMV-Störungen.

Die Batteriespannung wird über Spannungsteiler R4/R5 an Pin RA2 gemessen. U2 sorgt mit R3 für eine stabile Referenz von 1.235V auch bei schwankenden Versorgungsspannungen. Kurzzeitig werden für den Referenzeingang bis zu 150uA und für die Referenzdiode bis zu 20uA benötigt. Da kein Abblockkondensator an der Referenz verwendet wird, ist R3 relativ niederohmig dimensioniert.

Die Stromsparfunktionen werden alle mit PIN RA1 gesteuert. Die Auswertung der Eingänge erfolgt nur ein Mal je Sekunde. Dies betrifft R3 als Versorgung für die Referenzdiode sowie R6 als pull up Widerstand für den Taster. Über T2 wird der Spannungsteiler für die Batteriespannung stromlos geschaltet. Der BSS138 ist ein FET mit geringer UGS threshold voltage von max. 1.5V. Er begrenzt also am Source die Drain-Spannung auf VCC-1.5V. Da die Referenzspannung 1.2V beträgt ergibt sich bei einer Versorgungsspannung bis herab zu 2.7V noch keine Begrenzung des Messbereichs für die Batteriespannung von bis zu 25.5V.

Der Ladestrom wird über Analogeingang RA0 gemessen.

Mit der gewählten Dimensionierung für R4/R5 ergibt sich ein Messbereich von 25.5V für die Batteriespannung. Der Strombereich ist für ca. 240mA ausgelegt.

An Pin RB6 wird schließlich das Schaltsignal für die Endstufe erzeugt.

=== Bedienteil ===

[[Bild:BMON_1048_HMI.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Bedienteil]]

Aus Platzgründen (Frontplatte des EG2-Gehäuses von ProMa) konnte leider nur ein 2-stelliges LC-Display verwendet werden. Um dennoch Spannungen größer 9.9V darstellen zu können wird der führende Dezimalpunkt als Zehner-Stelle verwendet. Ab 20.0V fängt dann der Dezimalpunkt an zu blinken. Bei Verwendung eines 3 oder 4-stelligen Displays würde man anstelle des führenden Dezimalpunktes beide Segmente für die führende "1" anschließen.
Der Kondensator C5 hält Gleichspannungssignale vom Display fern. Dies ist insbesonders nützlich beim Flashen bzw. in der Debugging Phase.

J1 ist die Verbindung zur Mutterplatine. Dort kann noch ein zweiter Taster parallel zum Taster auf der Frontplatte angeschlossen werden. R7 dient als Kurzschlußschutz bzw. zur Stromreduzierung des Schaltsignals.

=== Endstufe ===

[[Bild:BMON_1048_POWER.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Endstufe LT1763]]

Die Endstufe ist außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Damit ergibt sich maximale Flexibilität von wenigen mA bis zu mehreren Ampere über einen BSS138 Treiber mit BTS555 Endstufe. Der Anschluss an die BMON1048 Leiterplatte erfolgt über Buchsenleisten auf der Leiterplatte mit der Endstufe. Die Stecker für den Ladeteil und den Prozessorteil sind getrennt ausgeführt. Damit können die Messleitungen direkt am Batteriepack angeschlossen werden (4-Leiter Anschluss). Übergangswiderstände am Stecker und der Leitungen haben dann weniger Einfluss auf die Messung.

Hier ist ein Beispiel für eine Endstufe mit LT1763 für maximal 20V Ladeendspannung gezeigt. Im ausgeschalteten Zustand verbraucht der Spannungsregler weniger als 1uA zusätzlich. Der Ruhestrom mit 30uA ist ebenfalls ein guter Wert. C10 ist vorzugsweise ein Folienkondensator (geringer Mikrofonieeffekt) zur Rauschunterdrückung. Die Ausgangsspannung wird mit R11+R12 auf 14.0 V eingestellt.

== Software ==

Die Software hat folgende Funktionen:

* Messen der Spannung und des Stroms linksbündig als 10 Bit Wert
* Verrechnung eines Korrekturfaktors aus EEPROM für Feinabgleich
* Anzeige der Spannung auf Display
* Als Timer dient der Watchdog mit 16ms Periode
* Die 30 Hz Wechselspannung für das Display wird hieraus abgeleitet
* Im Ladebetrieb erfolgt die Anzeige des Stroms im Wechsel mit der Spannung
* Unterhalb 1.15V/Zelle abschalten der Last (Spannungsanzeige blinkt)
* Oberhalb 1.25V/Zelle wiedereinschalten der Last
* Bei Tastendruck länger als 5 Sekunden wird die Last manuell ein-/ausgeschaltet
* Bei Spannungseinbruch > 0.6V/Minute wird ebenfalls abgeschaltet
* Alle Parameter wie Zellenzahl + Hysterese sind im Header konfigurierbar

<c>
#define Cells 12 ; # number of cells
#define mV * 256 * 51/1051/1235 ; 25,6V * 5K1/(100K+5K1)/VRef
#define VOn Cells * 1250 mV ; high hysteresis
#define VOff Cells * 1150 mV ; low hysteresis
#define VOLT_SEC 10 ; check every 10 seconds
#define VDIFF 600 mV ; voltage drop / minute
#define mA * 1 ; 1 mA / count
#define CURR_MIN 10 mA ; min current to display
</c>

Die Software ist mit MPASM 5.40 (MPLAB 8.70) erstellt. Die Bit-Schubsereien für das Display werden mit Tabellen in Page 0 für alle 3 Ports A-C und die Digits 1-2 abgehandelt.

Bei der Initialisierung wird erst die Hardware initialisiert und danach alle Variablen einschließlich der Kalibrierparameter die aus dem EEPROM gelesen werden. Die Kalibrierfaktoren sind im 2er Komplement als 16 Bit signed Wert gespeichert. Ein Abgleich von +/- 50% entspricht +/-32768 als Wert.

Die meiste Zeit verbringt der Prozessor im sleep mode. Alle 16 ms weckt der Watchdog den Prozessor auf, um die Pins für die Anzeige zu invertieren. Alle Sekunde finden zusätzlich noch Messfunktionen einschließlich update der Anzeige sowie die Tastenabfrage statt.
Um Zeit (und damit Strom) zu sparen wird die Wartezeit aufs ADC-Ergebnis genutzt um eine Tastenentprellung bzw. die Vorverarbeitung der Spannungsmessung während der Strommessung durchzuführen.
Alle 10 Sekunden wird das High-Byte des Spannungswertes in einen Ringpuffer mit 6 Einträgen für die vergangene Minute eingetragen. Dies dient unterhalb der Einschaltschwelle zum Detektieren eines plötzlichen Spannungsabfalls falls eine Zelle schneller entladen ist als die übrigen im Pack.

== Aufbau ==

<gallery>
Bild:Loetseite_IMG0964W.JPG|BMON1048 - Lötseite
Bild:BMON1048_BS_IMG0968W.JPG|Bestückungsseite
Bild:BMON1048_BST_LS.PNG|Position LS
Bild:BMON1048_BST_BS.PNG|Position BS
</gallery>

=== Lötseite ===

Die Leiterplatte ist doppelseitig. Die meisten Durchkontaktierungen liegen auf bedrahteten Bauelementen so dass eine durchkontaktierte Leiterplatte nicht zwingend nötig ist. Die drei Durchkontaktierungen im Bereich des Programmiersteckers können auch mit Kupferhohlnieten oder einer Drahtbrücke bestückt werden.

Am besten beginnt man nach Durchkontaktieren mit der Bestückung auf der Lötseite. C18, C19 sowie U5 sind im Muster nicht bestückt.

=== Bestückungsseite ===

Auf der Bestückungsseite werden zuerst die Bauteile unter dem Display sowie die Widerstände unter dem L200 bestückt. Einige bedrahtete Bauteile müssen auf beiden Seiten der Platine verlötet werden, falls keine durchkontaktierte Leiterplatte verwendet wird.

Die Ladebuchse ist auf die Leiterplatte aufgesetzt und mit Silberdraht die Anschlüsse verlängert. Mit dem Verlöten sollte man wie beim L200 so lange warten bis die Frontplatte montiert ist.
In den Layoutdaten ist auch ein Layer für die Frontplatte enthalten der als Bohrhilfe verwendet werden kann.

Der L200 ist über Kopf bestückt, die Anschlussdrähte also gegenüber dem stehenden Einbau auf die andere Seite abgewinkelt. Bei Verwendung von 10mm Distanzbolzen muss als Isolierung mindestens eine 1.5 mm Aluminiumoxidscheibe verwendet werden damit sich die Pins des L200 im montierten Zustand verlöten lassen. Die Frontplatte des EG2-Gehäuses dient hiermit gleichzeitig als Kühlfläche.

C12 muss liegend montiert werden.

Für das Display verwende ich eine 18-polige Präzisionsfassung, die mit dem Seitenschneider auseinander geschnitten wird. Verlöten geht am einfachsten wenn das Display bereits in die Fassung gesteckt ist. Die beiden Pins 1 + 18 für die Backplane sind auf der Leiterplattenoberseite verbunden (Lötung unter der Fassung nicht vergessen).

Der Taster ist eine Ausführung mit langem Stößel wenn die Bedienung ohne Hilfswerkzeug möglich sein soll.

=== Montagedetail L200 ===

[[Bild:BMON1048_L200_IMG0981W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - L200 Montage]]

Montagedetail L200:

* M3 Schraube
* Frontplatte
* Aluminiumoxidscheibe (AOS220 - 1.5mm)
* L200
* Isolierbuchse
* Unterlegscheibe (fehlt im Bild)
* M3 Mutter

=== Frontansichten ===

* Ansicht montiert mit Spannungsanzeige 16.7V
* Ansicht Ladebetrieb mit Stromanzeige 188mA

<gallery>
Bild:BMON1048_Spannung_IMG0965W.JPG|Spannungsanzeige
Bild:BMON1048_Strom_IMG0966W.JPG|Stromanzeige
</gallery>

== Inbetriebnahme und Abgleich ==

Der Ladeteil und der Batteriewächter können auf Grund der getrennten Steckverbinder unabhängig voneinander in Betrieb genommen werden.

=== Ladeteil ===

An einem strombegrenzten Netzteil (ca. 20-100mA) wird die Spannung an der Ladebuchse langsam von 0V an erhöht und die Stromaufnahme gemessen. Der Eigenverbrauch des L200 liegt bei ca. 10mA. Dieser Wert darf nicht wesentlich überschritten werden. Ist alles in Ordnung dreht man die Spannung langsam auf 24V. Die Ausgangsspannung des L200 sollte vor der Verpolschutzdiode D2 gemessen ca. 18.1V sein. Falls nicht kann man durch Feinabgleich des Widerstandes R13 noch etwas korrigieren.
Danach einen Akkusatz anschließen und die Strombegrenzung des Netzteils langsam auf ca. 250mA-300mA drehen. Der Strom in den Akku sollte durch den L200 auf ca. 200 mA begrenzt werden.
Bei vollgeladenem Akku sollte der Strom unter C/50 besser C/100 (also 20-40 mA) zurückgehen. Gegebenenfalls ist die Ladeendspannung etwas zu reduzieren.

=== Prozessorteil ===

Zunächst wird der Prozessor mit einem Programmiergerät geflasht. Bei Verwendung des FET-Spannungsreglers darauf achten dass die Spannungsversorgung für den Prozessor vom Programmiergerät (z.B. PICKIT3) zur Verfügung gestellt wird.
Hierbei darauf achten dass die nominalen Kalibrierwerte im EEPROM nicht zu weit von den Defaultwerten abweichen.
Bei der Spannung ist der Defaultwert = 0x00, 0x00 (= Faktor 1.0)
Beim Strom ist die Verstärkung nicht ganz auf einen Strom-Endwert von 255mA ausgelegt sondern etwa 5 Prozent tiefer. Der nominale Kalibrierwert für den Strom beträgt daher 0xF3, 0x1B (= Faktor 0.94963).

Nach dem Flashen wird an die beiden mittleren Pins von J1 eine Spannung von ca. 5V angeschlossen. Ist alles ok sollte das Display die Spannung blinkend anzeigen. Der Ausgang J1 PIN 1 weist Low-Pegel auf. Die Spannung wird langsam auf ca. 20V (max. 25V) erhöht und die prozentuale Abweichung zwischen Sollwert und Anzeige berechnet. Ab ca. 15. V verschwindet das Blinken und der Ausgang wechselt auf High-Pegel (>2.4V). Unterhalb ca. 13.8V wird die Last wieder abgeschaltet und das Display blinkt wieder.
Danach wird ein Akku (15-17V) an Prozessorteil und Ladeteil angeschlossen. Über ein strombegrenztes Netzteil werden ca. 180mA Ladestrom in den Akku eingestellt. Die Anzeige zeigt jetzt im Wechsel die Akkuspannung und den Ladestrom an. Wiederum wird die prozentuale Abweichung vom tatsächlichen Ladestrom berechnet.
Die prozentualen Abweichungen werden auf die existierenden Kalibrierwerte multipliziert und dann nach einem MPASM-Lauf ins EEPROM geschrieben. Bei Verwendung von MPLAB darauf achten dass im "Release" Modus und nicht im "Debug" Modus gearbeitet wird.

Danach ist der Batteriewächter einsatzbereit.

== Praxis und Ideen ==

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|BMON1035 Stromverbrauch 9.7uA bei 9.3V]]

Anbei ein Aufbau einer Vorgängerversion ohne Ladestrommessung (BMON1035) mit einem Stromverbrauch um 9.7 uA (schwankend) bei einem frisch aufgeladenen Akku mit 9.3V. An einem BMON1048 mit Strommessung habe ich 10-12uA gemessen. Wobei der Stromverbrauch auch von der tatsächlichen Versorgungsspannung des Prozessors abhängt.

Ich habe 2 Schaltungen mit ca. 30 mA Last seit 2.5 Jahren im Dauerbetrieb mit je 12 AA-Zellen und täglichem Ladebetrieb. Der erste Akkusatz zeigt seit letztem Sommer (bis zu 32 Grad Raumtemperatur während dem Laden) einen erhöhten Innenwiderstand. Der Ladestrom bei vollem Akku lag hierbei bei erhöhter Temperatur bei 60-70mA.

Die Spannungsdifferenz beim Einstecken / Entfernen des Ladegerätes ist bei diesem Akkusatz ca. 1V. Bei niedrigen Spannungen unter 15V und kurzem Ladebetrieb wird hierdurch die Last ungewollt abgeworfen. Das Kriterium 0.6V Abfall innerhalb einer Minute wird überschritten.
Der andere Akkusatz liegt immer noch bei 0.2V Differenz zwischen Normal und Ladebetrieb.

Ganz oben auf der Wunschliste steht der vereinfachte Abgleich der Kalibrierwerte im EEPROM. Denkbar wäre irgendein Morsecode über den Taster oder ein Jumper an einem freien Pin um den Abgleich bei angelegten Referenzwerten zu starten.

Freier Speicherplatz ist jedenfalls genügend vorhanden. Wobei Sonderfunktionen nur selten gerechnet werden sollten um den Stromverbrauch nicht zu stark zu erhöhen.

Die führende "1" wird derzeit wegen des 2-stelligen Displays als Dezimalpunkt angezeigt. Bei einem 3-stelligen Display würde man anstelle des Dezimalpunktes die beiden Segmente "b" und "c" für die "1" parallel ansteuern.

Ideen:
* Temperaturkompensation der End-Ladespannung mittels NTC / Dioden
* Alternativ: Abschaltung des Ladezweigs per Prozessor-Pin wenn der Ladestrom bei der Endspannung eingeschwungen ist
* Lernfunktion Berücksichtigung Spannungsdifferenz bei Ladebetrieb für Abschaltkriterium
* Automatisiertes Speichern der Abgleichwerte im EEPROM

Anpassung an andere Zellenzahlen:

:{| class="wikitable"
|+ '''Ladeteil L200'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R13
|-
| 4 || 6.5 || 2K2 || 2K2
|-
| 6 || 9.4 || 2K2 || 18K
|-
| 7 || 10.85 || 2K4 || ---
|-
| 8 || 12.3 || 3K0 || 47K
|-
| 10 || 15.2 || 3K9 || 68K
|-
| 12 || 18.1 || 4K7 || 130K
|}

:{| class="wikitable"
|+ '''Lastregler LT1763 (Ausserhalb Leiterplatte)'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R11
|-
| 5 || 5.1 || 4K7 || 15K
|-
| 6 || 6.0 || 10K || 39K
|-
| 7 || 8.0 || 2K7 || 15K
|-
| 8 || 9.35 || 3K3 || 22K
|-
| 10 || 11.5 || 3K9 || 33K
|-
| 12 || 12.0 || 2K7 || 24K
|-
| 12 || 14.0 || 6K49 || 68K
|}

== Downloads ==

* [[Media:BMON1048_MPASM.ZIP| Source code für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_Schaltbild.pdf| Schaltplan für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_gcprevue.zip| Layout (Gerber) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_PDF.zip| Layout (PDF) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_STK.txt| Stückliste Batteriewächter BMON1048]]

== Weblinks ==

* [http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00000053.pdf L200_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BSS84.pdf BSS84P_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF245A-B-C.pdf BF245C_Datasheet]
* [http://www.torex.co.jp/english/products/voltage_regulators/data/XC6216_XE6216.pdf XC6216_Datasheet]
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39631e.pdf PIC18F2520_Datasheet]
* [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm285-1.2-n.pdf LM385Z-1.2_Datasheet]
* [http://www.fairchildsemi.com/ds/BS/BSS138.pdf BSS138_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Hintergrund-gruen/LCD-2-0-13/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=3005&ARTICLE=10179&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& LCD-2-13]
* [http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1763fg.pdf LT1763_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Proma-Gehaeuse/GEH-EG-2/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=5199&ARTICLE=50424&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& Gehäuse_EG2]
* [http://www.graphicode.com/ GC-Prevue Gerber viewer]

== Siehe auch ==

* [http://www.mikrocontroller.net/topic/288063 Forum: Diskussion zu diesem Projekt]

[[Kategorie:Wettbewerb]]
[[Kategorie:PIC-Projekte]]
[[Kategorie:Spannungsversorgung_und_Energiequellen]]
[[Kategorie:Messtechnik]]
[[Kategorie:Projekte]]

Batteriewächter

2013-03-02T13:40:36Z

An ja:

''von Anja'' (in Arbeit)

{{Wettbewerb Header}}

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|Batteriewächter]]
'''Eigenschaften'''
* Schaltausgang zum Abschalten der Last bei Unterspannung
* Mikroprozessordesign mit PIC18F2520
* Geringer Stromverbrauch typ. 10uA
* Geringe Mindestspannung typ. 2.5V
* Optional Bestückbares Ladeteil mit L200
* Breiter Einsatzbereich von 4-12 NiMH Zellen oder 6-12V Bleiakkus
* Leiterplatte angepasst für Frontplatte eines EG2-Aluminiumgehäuses (ProMa)

'''Anwendungen'''
* Batteriemanagement
* Aus Messwert gespeistes Panelmeter

== Vorgeschichte ==

Eigentlich wollte ich nur eine einfache Anzeige für meine Akku gespeisten Referenzen: wann müssen die 9V-Blocks wieder ans Ladegerät. Ein einfaches Drehspulinstrument hätte es getan. Allerdings brauchen diese relativ viel Strom im Verhältnis zu einer ISL21009. Und bei einer Empfindlichkeit von 100uA sind sie auch nicht ganz billig.

Die nächste Idee: Eine low power Referenz und ein Komparator (oder gleich einen ICL7665). Nur: Was dann als Anzeige nehmen? Selbst eine low current LED braucht einige 100uA für die Anzeige.

Alternative Anzeigen wären eine einfache LCD Balkenanzeige wie im Handy. Diese sind allerdings nicht im DIP 8 Gehäuse erhältlich. Als Alternative bleiben eigentlich nur passive LC-Anzeigen mit 2-4 Digits.

Das Ganze zu Takten war die nächste Idee. Also wie beim Rauchmelder nur kurze Mess- und Anzeigephasen um Strom zu sparen.

In der Zwischenzeit waren auch Referenzen im Programm die eine Mindestspannung von 9 oder 14V benötigen. Die Anzahl der Zellen (8-12) also so gewachsen dass die 16V des ICL7665 oder gängiger CMOS Logik nicht mehr ausreichen.

Schön wäre auch eine "richtige" Spannungsanzeige - also muss ein Prozessor her. Nachdem auch die ersten 9V-Blocks Schwächen wegen Tiefentladung zeigten sollte das Ganze auch einen Unterspannungsschutz haben.

Zum damaligen Zeitpunkt gab es nur wenige Spannungsregler mit Eingangsspannungen bis 20 oder 25V und Eigenstromverbrauch unter 20uA. Und die auch nur von Farnell also für Privat quasi unobtanium.

Eine Idee hatte ich schon länger um z.B. Uhrenchips im 12V-System zu betreiben: Ein normaler Sperrschicht-FET hat eine negative UGS-Spannung. Wenn man das Gate also an Masse anschließt müsste am Source eine halbwegs stabile Backup-Spannung übrig bleiben. Und das auch noch ohne dass der Spannungsregler einen nennenswerten Strom braucht.

Der Ehrgeiz war geweckt es müsste doch möglich sein einen prozessorgesteuerten Komparator mit Spannungsanzeige bei unter 20uA Stromverbrauch mit Versorgung direkt aus der Batterie im Bereich 5-20V zu entwickeln...

== Blockschaltbild ==

[[Bild:BMON_1048_BLOCK.PNG|thumb|right|350px|BMON148 - Blockschaltbild]]

Die Schaltung auf der Leiterplatte umfasst ein einfaches Ladeteil mit L200. Die Speisung erfolgt mit einem externen 24V Steckernetzteil. Ein Low-Power Spannungsregler erzeugt die VCC-Versorgung für den Prozessorteil. Der Prozessor misst die Akkuspannung sowie den Ladestrom und erzeugt das Steuersignal für die Endstufe. Auf dem Display werden die Akkuspannung sowie der Ladestrom angezeigt. Der Taster dient zum Ein-/Ausschalten der Last. Da der Leistungsteil je nach Last sehr unterschiedlich sein kann (z.B. BTS555 für Hochstromanwendungen) ist er außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Als Schaltungsbeispiel wird eine Endstufe mit LT1763 gezeigt.

=== Ladeteil ===

[[Bild:BMON_1048_L200.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Ladeteil]]

Das Ladeteil ist eine Standardapplikation mit L200 ergänzt um einen Spannungsausgang für die Strommessung.
Die maximale Ladespannung wird mittels Spannungsteiler R12 zu R11 eingestellt. R13 ist parallel zu R12 und wird für den Feinabgleich der Ausgangsspannung verwendet. Auf der Leiterplatte sind die Widerstände wahlweise als SMD (R11..R13) oder bedrahtet (R11A..R13A) bestückbar. R11A ist mit 820 Ohm bestückt. R12A mit 4K7 parallel zu R13A mit 130k ergibt 4K54. Die Ausgangsspannung von 18.1 V ergibt sich aus der Referenzspannung von 2.77V des L200 * (1 + 4540R/820R). R14 begrenzt den Strom auf ca. 200 mA (0.45V / 2R2).
Diode D2 verhindert ein Entladen des Akkus wenn das Steckernetzteil nicht angeschlossen ist. D3 dient als Verpolschutz.
Die Schaltung um U3 verstärkt die Spannung über dem Strombegrenzungswiderstand. Es muss zwingend ein OP verwendet werden dessen common mode input range an die positive Versorgung reicht. Bei einem TL062 ist dies bei normalen Raumtemperaturen gegeben. Die Spannung über R14 wird im Verhältnis R16/R15 = 2.32 fach verstärkt. Bei 200mA also 450mV am Strombegrenzungswiderstand ergibt sich für den ADC-Eingang eine Spannung von 1.04V über R16.
L1, L2 sowie C15-C19 bilden ein optional bestückbares EMV-Filter. C18+C19 filtern hierbei die Störungen über einen M3 Distanzbolzen auf das Aluminiumgehäuse.

=== Spannungsregler ===

[[Bild:BMON_1048_VCC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Spannungsregler BF245C]]

Es gibt 2 alternative Bestückungsvarianten:

U5 ist ein low power Spannungsregler XC6216 von Torex. An Ein- und Ausgang werden 1uF Kondensatoren benötigt. Der Ruhestromverbrauch ist mit 5uA im Datenblatt angegeben.

Da mir das vieeel zu hoch ist habe ich einen Sperrschicht-FET als Spannungsregler verwendet. Ein BF245C hat bei kleinen Strömen je nach Exemplarstreuung eine Gate/Source Spannung von -3.2 .. -7.5 V zwischen Gate und Source.
Wenn man jetzt das Gate auf Masse legt, und an Drain die ungeregelte Eingangsspannung, bleibt am Source eine Ausgangsspannung von +3.2 bis 7.5V.
Da der nachgeschaltete Prozessor maximal 5.5V Spannung verträgt müssen die FETs selektiert werden. Bei der maximalen Eingangsspannung und minimaler Last (also nur die 10 Meg-Ohm des Messinstrumentes) dürfen die 5.5V nicht überschritten werden. Bei der typischen Last von 10uA entsprechend 330K sollten mindestens ca. 3.8V als minimale Spannung übrig bleiben.

Beim Austesten auf dem Steckbrett habe ich herausgefunden dass der FET relativ empfindlich auf Störimpulse reagiert und teilweise hierdurch auch hohe Spannungen an den Ausgang durchlässt. Abhilfe schaffen Abblockkondensatoren an Ein- und Ausgang. Im Gegensatz zum XC6216 reichen für den FET normale 100nF Abblockkondensatoren. Die Diode D1 dient als Verpolschutz. R2 begrenzt beim FET schnelle Spannungsanstiege sowie den Maximalstrom. Das Austesten auf dem Steckbrett sollte mit den Abblock-Cs und der Schutzbeschaltung erfolgen.

Von 10 getesteten FETs hatten alle eine maximale Spannung im Bereich 4.57 bis 4.80 V bei 25V Eingangsspannung. Bei Belastung mit 1K-Ohm und 9V Eingangsspannung habe ich 2.61V bis 2.77V gemessen. Der Regler hat also ausreichend Reserven. Die Mühe des Selektierens wird belohnt durch einen Stromverbrauch von nicht messbaren wenigen nA für den Spannungsregler.

R2 sollte bei Verwendung des XC6216 durch einen 0 Ohm Widerstand ersetzt werden. Allerdings habe ich diese Schaltungsvariante noch nicht getestet.

=== Prozessorteil ===

[[Bild:BMON_1048_PIC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Prozessorteil]]

Als Prozessor wird ein PIC18F2520 verwendet. Es ist quasi der low power Nachfolger eines PIC16F876. Der Strom mit internem Oszillator beträgt ca. 1mA. Um den Stromverbrauch zu reduzieren ist der Prozessor hauptsächlich im sleep mode und wird nur alle 16ms aufgeweckt um die Flanken für die Wechselspannung von 30Hz für die passive LC-Anzeige zu generieren, die auch die meisten Pins benötigt. C4 mit 10uF puffert kurze Stromspitzen in der Aufwachphase. C7 mindert EMV-Störungen.

Die Batteriespannung wird über Spannungsteiler R4/R5 an Pin RA2 gemessen. U2 sorgt mit R3 für eine stabile Referenz von 1.235V auch bei schwankenden Versorgungsspannungen. Kurzzeitig werden für den Referenzeingang bis zu 150uA und für die Referenzdiode bis zu 20uA benötigt. Da kein Abblockkondensator an der Referenz verwendet wird, ist R3 relativ niederohmig dimensioniert.

Die Stromsparfunktionen werden alle mit PIN RA1 gesteuert. Die Auswertung der Eingänge erfolgt nur ein Mal je Sekunde. Dies betrifft R3 als Versorgung für die Referenzdiode sowie R6 als pull up Widerstand für den Taster. Über T2 wird der Spannungsteiler für die Batteriespannung stromlos geschaltet. Der BSS138 ist ein FET mit geringer UGS threshold voltage von max. 1.5V. Er begrenzt also am Source die Drain-Spannung auf VCC-1.5V. Da die Referenzspannung 1.2V beträgt ergibt sich bei einer Versorgungsspannung bis herab zu 2.7V noch keine Begrenzung des Messbereichs für die Batteriespannung von bis zu 25.5V.

Der Ladestrom wird über Analogeingang RA0 gemessen.

Mit der gewählten Dimensionierung für R4/R5 ergibt sich ein Messbereich von 25.5V für die Batteriespannung. Der Strombereich ist für ca. 240mA ausgelegt.

An Pin RB6 wird schließlich das Schaltsignal für die Endstufe erzeugt.

=== Bedienteil ===

[[Bild:BMON_1048_HMI.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Bedienteil]]

Aus Platzgründen (Frontplatte des EG2-Gehäuses von ProMa) konnte leider nur ein 2-stelliges LC-Display verwendet werden. Um dennoch Spannungen größer 9.9V darstellen zu können wird der führende Dezimalpunkt als Zehner-Stelle verwendet. Ab 20.0V fängt dann der Dezimalpunkt an zu blinken. Bei Verwendung eines 3 oder 4-stelligen Displays würde man anstelle des führenden Dezimalpunktes beide Segmente für die führende "1" anschließen.
Der Kondensator C5 hält Gleichspannungssignale vom Display fern. Dies ist insbesonders nützlich beim Flashen bzw. in der Debugging Phase.

J1 ist die Verbindung zur Mutterplatine. Dort kann noch ein zweiter Taster parallel zum Taster auf der Frontplatte angeschlossen werden. R7 dient als Kurzschlußschutz bzw. zur Stromreduzierung des Schaltsignals.

=== Endstufe ===

[[Bild:BMON_1048_POWER.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Endstufe LT1763]]

Die Endstufe ist außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Damit ergibt sich maximale Flexibilität von wenigen mA bis zu mehreren Ampere über einen BSS138 Treiber mit BTS555 Endstufe. Der Anschluss an die BMON1048 Leiterplatte erfolgt über Buchsenleisten auf der Leiterplatte mit der Endstufe. Die Stecker für den Ladeteil und den Prozessorteil sind getrennt ausgeführt. Damit können die Messleitungen direkt am Batteriepack angeschlossen werden (4-Leiter Anschluss). Übergangswiderstände am Stecker und der Leitungen haben dann weniger Einfluss auf die Messung.

Hier ist ein Beispiel für eine Endstufe mit LT1763 für maximal 20V Ladeendspannung gezeigt. Im ausgeschalteten Zustand verbraucht der Spannungsregler weniger als 1uA zusätzlich. Der Ruhestrom mit 30uA ist ebenfalls ein guter Wert. C10 ist vorzugsweise ein Folienkondensator (geringer Mikrofonieeffekt) zur Rauschunterdrückung. Die Ausgangsspannung wird mit R11+R12 auf 14.0 V eingestellt.

== Software ==

Die Software hat folgende Funktionen:

* Messen der Spannung und des Stroms linksbündig als 10 Bit Wert
* Verrechnung eines Korrekturfaktors aus EEPROM für Feinabgleich
* Anzeige der Spannung auf Display
* Als Timer dient der Watchdog mit 16ms Periode
* Die 30 Hz Wechselspannung für das Display wird hieraus abgeleitet
* Im Ladebetrieb erfolgt die Anzeige des Stroms im Wechsel mit der Spannung
* Unterhalb 1.15V/Zelle abschalten der Last (Spannungsanzeige blinkt)
* Oberhalb 1.25V/Zelle wiedereinschalten der Last
* Bei Tastendruck länger als 5 Sekunden wird die Last manuell ein-/ausgeschaltet
* Bei Spannungseinbruch > 0.6V/Minute wird ebenfalls abgeschaltet
* Alle Parameter wie Zellenzahl + Hysterese sind im Header konfigurierbar

<c>
#define Cells 12 ; # number of cells
#define mV * 256 * 51/1051/1235 ; 25,6V * 5K1/(100K+5K1)/VRef
#define VOn Cells * 1250 mV ; high hysteresis
#define VOff Cells * 1150 mV ; low hysteresis
#define VOLT_SEC 10 ; check every 10 seconds
#define VDIFF 600 mV ; voltage drop / minute
#define mA * 1 ; 1 mA / count
#define CURR_MIN 10 mA ; min current to display
</c>

Die Software ist mit MPASM 5.40 (MPLAB 8.70) erstellt. Die Bit-Schubsereien für das Display werden mit Tabellen in Page 0 für alle 3 Ports A-C und die Digits 1-2 abgehandelt.

Bei der Initialisierung wird erst die Hardware initialisiert und danach alle Variablen einschließlich der Kalibrierparameter die aus dem EEPROM gelesen werden. Die Kalibrierfaktoren sind im 2er Komplement als 16 Bit signed Wert gespeichert. Ein Abgleich von +/- 50% entspricht +/-32768 als Wert.

Die meiste Zeit verbringt der Prozessor im sleep mode. Alle 16 ms weckt der Watchdog den Prozessor auf, um die Pins für die Anzeige zu invertieren. Alle Sekunde finden zusätzlich noch Messfunktionen einschließlich update der Anzeige sowie die Tastenabfrage statt.
Um Zeit (und damit Strom) zu sparen wird die Wartezeit aufs ADC-Ergebnis genutzt um eine Tastenentprellung bzw. die Vorverarbeitung der Spannungsmessung während der Strommessung durchzuführen.
Alle 10 Sekunden wird das High-Byte des Spannungswertes in einen Ringpuffer mit 6 Einträgen für die vergangene Minute eingetragen. Dies dient unterhalb der Einschaltschwelle zum Detektieren eines plötzlichen Spannungsabfalls falls eine Zelle schneller entladen ist als die übrigen im Pack.

== Aufbau ==

<gallery>
Bild:Loetseite_IMG0964W.JPG|BMON1048 - Lötseite
Bild:BMON1048_BS_IMG0968W.JPG|Bestückungsseite
Bild:BMON1048_BST_LS.PNG|Position LS
Bild:BMON1048_BST_BS.PNG|Position BS
</gallery>

=== Lötseite ===

Die Leiterplatte ist doppelseitig. Die meisten Durchkontaktierungen liegen auf bedrahteten Bauelementen so dass eine durchkontaktierte Leiterplatte nicht zwingend nötig ist. Die drei Durchkontaktierungen im Bereich des Programmiersteckers können auch mit Kupferhohlnieten oder einer Drahtbrücke bestückt werden.

Am besten beginnt man nach Durchkontaktieren mit der Bestückung auf der Lötseite. C18, C19 sowie U5 sind im Muster nicht bestückt.

=== Bestückungsseite ===

Auf der Bestückungsseite werden zuerst die Bauteile unter dem Display sowie die Widerstände unter dem L200 bestückt. Einige bedrahtete Bauteile müssen auf beiden Seiten der Platine verlötet werden, falls keine durchkontaktierte Leiterplatte verwendet wird.

Die Ladebuchse ist auf die Leiterplatte aufgesetzt und mit Silberdraht die Anschlüsse verlängert. Mit dem Verlöten sollte man wie beim L200 so lange warten bis die Frontplatte montiert ist.
In den Layoutdaten ist auch ein Layer für die Frontplatte enthalten der als Bohrhilfe verwendet werden kann.

Der L200 ist über Kopf bestückt, die Anschlussdrähte also gegenüber dem stehenden Einbau auf die andere Seite abgewinkelt. Bei Verwendung von 10mm Distanzbolzen muss als Isolierung mindestens eine 1.5 mm Aluminiumoxidscheibe verwendet werden damit sich die Pins des L200 im montierten Zustand verlöten lassen. Die Frontplatte des EG2-Gehäuses dient hiermit gleichzeitig als Kühlfläche.

C12 muss liegend montiert werden.

Für das Display verwende ich eine 18-polige Präzisionsfassung, die mit dem Seitenschneider auseinander geschnitten wird. Verlöten geht am einfachsten wenn das Display bereits in die Fassung gesteckt ist. Die beiden Pins 1 + 18 für die Backplane sind auf der Leiterplattenoberseite verbunden (Lötung unter der Fassung nicht vergessen).

Der Taster ist eine Ausführung mit langem Stößel wenn die Bedienung ohne Hilfswerkzeug möglich sein soll.

=== Montagedetail L200 ===

[[Bild:BMON1048_L200_IMG0981W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - L200 Montage]]

Montagedetail L200:

* M3 Schraube
* Frontplatte
* Aluminiumoxidscheibe (AOS220 - 1.5mm)
* L200
* Isolierbuchse
* Unterlegscheibe (fehlt im Bild)
* M3 Mutter

=== Frontansichten ===

* Ansicht montiert mit Spannungsanzeige 16.7V
* Ansicht Ladebetrieb mit Stromanzeige 188mA

<gallery>
Bild:BMON1048_Spannung_IMG0965W.JPG|Spannungsanzeige
Bild:BMON1048_Strom_IMG0966W.JPG|Stromanzeige
</gallery>

== Inbetriebnahme und Abgleich ==

Der Ladeteil und der Batteriewächter können auf Grund der getrennten Steckverbinder unabhängig voneinander in Betrieb genommen werden.

=== Ladeteil ===

An einem strombegrenzten Netzteil (ca. 20-100mA) wird die Spannung an der Ladebuchse langsam von 0V an erhöht und die Stromaufnahme gemessen. Der Eigenverbrauch des L200 liegt bei ca. 10mA. Dieser Wert darf nicht wesentlich überschritten werden. Ist alles in Ordnung dreht man die Spannung langsam auf 24V. Die Ausgangsspannung des L200 sollte vor der Verpolschutzdiode D2 gemessen ca. 18.1V sein. Falls nicht kann man durch Feinabgleich des Widerstandes R13 noch etwas korrigieren.
Danach einen Akkusatz anschließen und die Strombegrenzung des Netzteils langsam auf ca. 250mA-300mA drehen. Der Strom in den Akku sollte durch den L200 auf ca. 200 mA begrenzt werden.
Bei vollgeladenem Akku sollte der Strom unter C/50 besser C/100 (also 20-40 mA) zurückgehen. Gegebenenfalls ist die Ladeendspannung etwas zu reduzieren.

=== Prozessorteil ===

Zunächst wird der Prozessor mit einem Programmiergerät geflasht. Bei Verwendung des FET-Spannungsreglers darauf achten dass die Spannungsversorgung für den Prozessor vom Programmiergerät (z.B. PICKIT3) zur Verfügung gestellt wird.
Hierbei darauf achten dass die nominalen Kalibrierwerte im EEPROM nicht zu weit von den Defaultwerten abweichen.
Bei der Spannung ist der Defaultwert = 0x00, 0x00 (= Faktor 1.0)
Beim Strom ist die Verstärkung nicht ganz auf einen Strom-Endwert von 255mA ausgelegt sondern etwa 5 Prozent tiefer. Der nominale Kalibrierwert für den Strom beträgt daher 0xF3, 0x1B (= Faktor 0.94963).

Nach dem Flashen wird an die beiden mittleren Pins von J1 eine Spannung von ca. 5V angeschlossen. Ist alles ok sollte das Display die Spannung blinkend anzeigen. Der Ausgang J1 PIN 1 weist Low-Pegel auf. Die Spannung wird langsam auf ca. 20V (max. 25V) erhöht und die prozentuale Abweichung zwischen Sollwert und Anzeige berechnet. Ab ca. 15. V verschwindet das Blinken und der Ausgang wechselt auf High-Pegel (>2.4V). Unterhalb ca. 13.8V wird die Last wieder abgeschaltet und das Display blinkt wieder.
Danach wird ein Akku (15-17V) an Prozessorteil und Ladeteil angeschlossen. Über ein strombegrenztes Netzteil werden ca. 180mA Ladestrom in den Akku eingestellt. Die Anzeige zeigt jetzt im Wechsel die Akkuspannung und den Ladestrom an. Wiederum wird die prozentuale Abweichung vom tatsächlichen Ladestrom berechnet.
Die prozentualen Abweichungen werden auf die existierenden Kalibrierwerte multipliziert und dann nach einem MPASM-Lauf ins EEPROM geschrieben. Bei Verwendung von MPLAB darauf achten dass im "Release" Modus und nicht im "Debug" Modus gearbeitet wird.

Danach ist der Batteriewächter einsatzbereit.

== Praxis und Ideen ==

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|BMON1035 Stromverbrauch 9.7uA bei 9.3V]]

Anbei ein Aufbau einer Vorgängerversion ohne Ladestrommessung (BMON1035) mit einem Stromverbrauch um 9.7 uA (schwankend) bei einem frisch aufgeladenen Akku mit 9.3V. An einem BMON1048 mit Strommessung habe ich 10-12uA gemessen. Wobei der Stromverbrauch auch von der tatsächlichen Versorgungsspannung des Prozessors abhängt.

Ich habe 2 Schaltungen mit ca. 30 mA Last seit 2.5 Jahren im Dauerbetrieb mit je 12 AA-Zellen und täglichem Ladebetrieb. Der erste Akkusatz zeigt seit letztem Sommer (bis zu 32 Grad Raumtemperatur während dem Laden) einen erhöhten Innenwiderstand. Der Ladestrom bei vollem Akku lag hierbei bei erhöhter Temperatur bei 60-70mA.

Die Spannungsdifferenz beim Einstecken / Entfernen des Ladegerätes ist bei diesem Akkusatz ca. 1V. Bei niedrigen Spannungen unter 15V und kurzem Ladebetrieb wird hierdurch die Last ungewollt abgeworfen. Das Kriterium 0.6V Abfall innerhalb einer Minute wird überschritten.
Der andere Akkusatz liegt immer noch bei 0.2V Differenz zwischen Normal und Ladebetrieb.

Ganz oben auf der Wunschliste steht der vereinfachte Abgleich der Kalibrierwerte im EEPROM. Denkbar wäre irgendein Morsecode über den Taster oder ein Jumper an einem freien Pin um den Abgleich bei angelegten Referenzwerten zu starten.

Freier Speicherplatz ist jedenfalls genügend vorhanden. Wobei Sonderfunktionen nur selten gerechnet werden sollten um den Stromverbrauch nicht zu stark zu erhöhen.

Die führende "1" wird derzeit wegen des 2-stelligen Displays als Dezimalpunkt angezeigt. Bei einem 3-stelligen Display würde man anstelle des Dezimalpunktes die beiden Segmente "b" und "c" für die "1" parallel ansteuern.

Ideen:
* Temperaturkompensation der End-Ladespannung mittels NTC / Dioden
* Alternativ: Abschaltung des Ladezweigs per Prozessor-Pin wenn der Ladestrom bei der Endspannung eingeschwungen ist
* Lernfunktion Berücksichtigung Spannungsdifferenz bei Ladebetrieb für Abschaltkriterium
* Automatisiertes Speichern der Abgleichwerte im EEPROM

Anpassung an andere Zellenzahlen:

:{| class="wikitable"
|+ '''Ladeteil L200'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R13
|-
| 4 || 6.5 || 2K2 || 2K2
|-
| 6 || 9.4 || 2K2 || 18K
|-
| 7 || 10.85 || 2K4 || ---
|-
| 8 || 12.3 || 3K0 || 47K
|-
| 10 || 15.2 || 3K9 || 68K
|-
| 12 || 18.1 || 4K7 || 130K
|}

:{| class="wikitable"
|+ '''Lastregler LT1763 (Ausserhalb Leiterplatte)'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R11
|-
| 5 || 5.1 || 4K7 || 15K
|-
| 6 || 6.0 || 10K || 39K
|-
| 7 || 8.0 || 2K7 || 15K
|-
| 8 || 9.35 || 3K3 || 22K
|-
| 10 || 11.5 || 3K9 || 33K
|-
| 12 || 12.0 || 2K7 || 24K
|-
| 12 || 14.0 || 6K49 || 68K
|}

== Downloads ==

* [[Media:BMON1048_MPASM.ZIP| Source code für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_Schaltbild.pdf| Schaltplan für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_gcprevue.zip| Layout (Gerber) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_PDF.zip| Layout (PDF) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_STK.txt| Stückliste Batteriewächter BMON1048]]

== Weblinks ==

* [http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00000053.pdf L200_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BSS84.pdf BSS84P_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF245A-B-C.pdf BF245C_Datasheet]
* [http://www.torex.co.jp/english/products/voltage_regulators/data/XC6216_XE6216.pdf XC6216_Datasheet]
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39631e.pdf PIC18F2520_Datasheet]
* [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm285-1.2-n.pdf LM385Z-1.2_Datasheet]
* [http://www.fairchildsemi.com/ds/BS/BSS138.pdf BSS138_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Hintergrund-gruen/LCD-2-0-13/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=3005&ARTICLE=10179&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& LCD-2-13]
* [http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1763fg.pdf LT1763_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Proma-Gehaeuse/GEH-EG-2/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=5199&ARTICLE=50424&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& Gehäuse_EG2]
* [http://www.graphicode.com/ GC-Prevue Gerber viewer]

== Siehe auch ==

* [http://www.mikrocontroller.net/topic/288063 Forum: Diskussion zu diesem Projekt]

[[Kategorie:Wettbewerb]]
[[Kategorie:PIC-Projekte]]
[[Kategorie:Spannungsversorgung_und_Energiequellen]]
[[Kategorie:Messtechnik]]
[[Kategorie:Projekte]]

Batteriewächter

2013-03-02T13:24:02Z

An ja: /* Praxis und Ideen */

''von Anja'' (in Arbeit)

{{Wettbewerb Header}}

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|Batteriewächter]]
Der Batteriewächter liefert bei Unterspannung eines 12 AA Batteriepacks ein Signal um die Last abzuwerfen. Ein einfaches Ladeteil sowie eine Batteriespannungsanzeige sind für die Frontplatte eines EG2-Gehäuses ausgelegt. Für andere Zellkonfigurationen ab 3-4 Zellen aufwärts kann die Schaltung durch Um-Dimensionierung der Spannungsteilerwiderstände leicht angepasst werden. Der Stromverbrauch beträgt nur etwa 10uA.
Auf Grund des geringen Stromverbrauchs und der geringen Mindestspannung von ca. 2.5V ist auch eine Anwendung als Panelmeter denkbar das aus dem Messwert gespeist wird.

== Vorgeschichte ==

Eigentlich wollte ich nur eine einfache Anzeige für meine Akku gespeisten Referenzen: wann müssen die 9V-Blocks wieder ans Ladegerät. Ein einfaches Drehspulinstrument hätte es getan. Allerdings brauchen diese relativ viel Strom im Verhältnis zu einer ISL21009. Und bei einer Empfindlichkeit von 100uA sind sie auch nicht ganz billig.

Die nächste Idee: Eine low power Referenz und ein Komparator (oder gleich einen ICL7665). Nur: Was dann als Anzeige nehmen? Selbst eine low current LED braucht einige 100uA für die Anzeige.

Alternative Anzeigen wären eine einfache LCD Balkenanzeige wie im Handy. Diese sind allerdings nicht im DIP 8 Gehäuse erhältlich. Als Alternative bleiben eigentlich nur passive LC-Anzeigen mit 2-4 Digits.

Das Ganze zu Takten war die nächste Idee. Also wie beim Rauchmelder nur kurze Mess- und Anzeigephasen um Strom zu sparen.

In der Zwischenzeit waren auch Referenzen im Programm die eine Mindestspannung von 9 oder 14V benötigen. Die Anzahl der Zellen (8-12) also so gewachsen dass die 16V des ICL7665 oder gängiger CMOS Logik nicht mehr ausreichen.

Schön wäre auch eine "richtige" Spannungsanzeige - also muss ein Prozessor her. Nachdem auch die ersten 9V-Blocks Schwächen wegen Tiefentladung zeigten sollte das Ganze auch einen Unterspannungsschutz haben.

Zum damaligen Zeitpunkt gab es nur wenige Spannungsregler mit Eingangsspannungen bis 20 oder 25V und Eigenstromverbrauch unter 20uA. Und die auch nur von Farnell also für Privat quasi unobtanium.

Eine Idee hatte ich schon länger um z.B. Uhrenchips im 12V-System zu betreiben: Ein normaler Sperrschicht-FET hat eine negative UGS-Spannung. Wenn man das Gate also an Masse anschließt müsste am Source eine halbwegs stabile Backup-Spannung übrig bleiben. Und das auch noch ohne dass der Spannungsregler einen nennenswerten Strom braucht.

Der Ehrgeiz war geweckt es müsste doch möglich sein einen prozessorgesteuerten Komparator mit Spannungsanzeige bei unter 20uA Stromverbrauch mit Versorgung direkt aus der Batterie im Bereich 5-20V zu entwickeln...

== Blockschaltbild ==

[[Bild:BMON_1048_BLOCK.PNG|thumb|right|350px|BMON148 - Blockschaltbild]]

Die Schaltung auf der Leiterplatte umfasst ein einfaches Ladeteil mit L200. Die Speisung erfolgt mit einem externen 24V Steckernetzteil. Ein Low-Power Spannungsregler erzeugt die VCC-Versorgung für den Prozessorteil. Der Prozessor misst die Akkuspannung sowie den Ladestrom und erzeugt das Steuersignal für die Endstufe. Auf dem Display werden die Akkuspannung sowie der Ladestrom angezeigt. Der Taster dient zum Ein-/Ausschalten der Last. Da der Leistungsteil je nach Last sehr unterschiedlich sein kann (z.B. BTS555 für Hochstromanwendungen) ist er außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Als Schaltungsbeispiel wird eine Endstufe mit LT1763 gezeigt.

=== Ladeteil ===

[[Bild:BMON_1048_L200.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Ladeteil]]

Das Ladeteil ist eine Standardapplikation mit L200 ergänzt um einen Spannungsausgang für die Strommessung.
Die maximale Ladespannung wird mittels Spannungsteiler R12 zu R11 eingestellt. R13 ist parallel zu R12 und wird für den Feinabgleich der Ausgangsspannung verwendet. Auf der Leiterplatte sind die Widerstände wahlweise als SMD (R11..R13) oder bedrahtet (R11A..R13A) bestückbar. R11A ist mit 820 Ohm bestückt. R12A mit 4K7 parallel zu R13A mit 130k ergibt 4K54. Die Ausgangsspannung von 18.1 V ergibt sich aus der Referenzspannung von 2.77V des L200 * (1 + 4540R/820R). R14 begrenzt den Strom auf ca. 200 mA (0.45V / 2R2).
Diode D2 verhindert ein Entladen des Akkus wenn das Steckernetzteil nicht angeschlossen ist. D3 dient als Verpolschutz.
Die Schaltung um U3 verstärkt die Spannung über dem Strombegrenzungswiderstand. Es muss zwingend ein OP verwendet werden dessen common mode input range an die positive Versorgung reicht. Bei einem TL062 ist dies bei normalen Raumtemperaturen gegeben. Die Spannung über R14 wird im Verhältnis R16/R15 = 2.32 fach verstärkt. Bei 200mA also 450mV am Strombegrenzungswiderstand ergibt sich für den ADC-Eingang eine Spannung von 1.04V über R16.
L1, L2 sowie C15-C19 bilden ein optional bestückbares EMV-Filter. C18+C19 filtern hierbei die Störungen über einen M3 Distanzbolzen auf das Aluminiumgehäuse.

=== Spannungsregler ===

[[Bild:BMON_1048_VCC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Spannungsregler BF245C]]

Es gibt 2 alternative Bestückungsvarianten:

U5 ist ein low power Spannungsregler XC6216 von Torex. An Ein- und Ausgang werden 1uF Kondensatoren benötigt. Der Ruhestromverbrauch ist mit 5uA im Datenblatt angegeben.

Da mir das vieeel zu hoch ist habe ich einen Sperrschicht-FET als Spannungsregler verwendet. Ein BF245C hat bei kleinen Strömen je nach Exemplarstreuung eine Gate/Source Spannung von -3.2 .. -7.5 V zwischen Gate und Source.
Wenn man jetzt das Gate auf Masse legt, und an Drain die ungeregelte Eingangsspannung, bleibt am Source eine Ausgangsspannung von +3.2 bis 7.5V.
Da der nachgeschaltete Prozessor maximal 5.5V Spannung verträgt müssen die FETs selektiert werden. Bei der maximalen Eingangsspannung und minimaler Last (also nur die 10 Meg-Ohm des Messinstrumentes) dürfen die 5.5V nicht überschritten werden. Bei der typischen Last von 10uA entsprechend 330K sollten mindestens ca. 3.8V als minimale Spannung übrig bleiben.

Beim Austesten auf dem Steckbrett habe ich herausgefunden dass der FET relativ empfindlich auf Störimpulse reagiert und teilweise hierdurch auch hohe Spannungen an den Ausgang durchlässt. Abhilfe schaffen Abblockkondensatoren an Ein- und Ausgang. Im Gegensatz zum XC6216 reichen für den FET normale 100nF Abblockkondensatoren. Die Diode D1 dient als Verpolschutz. R2 begrenzt beim FET schnelle Spannungsanstiege sowie den Maximalstrom. Das Austesten auf dem Steckbrett sollte mit den Abblock-Cs und der Schutzbeschaltung erfolgen.

Von 10 getesteten FETs hatten alle eine maximale Spannung im Bereich 4.57 bis 4.80 V bei 25V Eingangsspannung. Bei Belastung mit 1K-Ohm und 9V Eingangsspannung habe ich 2.61V bis 2.77V gemessen. Der Regler hat also ausreichend Reserven. Die Mühe des Selektierens wird belohnt durch einen Stromverbrauch von nicht messbaren wenigen nA für den Spannungsregler.

R2 sollte bei Verwendung des XC6216 durch einen 0 Ohm Widerstand ersetzt werden. Allerdings habe ich diese Schaltungsvariante noch nicht getestet.

=== Prozessorteil ===

[[Bild:BMON_1048_PIC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Prozessorteil]]

Als Prozessor wird ein PIC18F2520 verwendet. Es ist quasi der low power Nachfolger eines PIC16F876. Der Strom mit internem Oszillator beträgt ca. 1mA. Um den Stromverbrauch zu reduzieren ist der Prozessor hauptsächlich im sleep mode und wird nur alle 16ms aufgeweckt um die Flanken für die Wechselspannung von 30Hz für die passive LC-Anzeige zu generieren, die auch die meisten Pins benötigt. C4 mit 10uF puffert kurze Stromspitzen in der Aufwachphase. C7 mindert EMV-Störungen.

Die Batteriespannung wird über Spannungsteiler R4/R5 an Pin RA2 gemessen. U2 sorgt mit R3 für eine stabile Referenz von 1.235V auch bei schwankenden Versorgungsspannungen. Kurzzeitig werden für den Referenzeingang bis zu 150uA und für die Referenzdiode bis zu 20uA benötigt. Da kein Abblockkondensator an der Referenz verwendet wird, ist R3 relativ niederohmig dimensioniert.

Die Stromsparfunktionen werden alle mit PIN RA1 gesteuert. Die Auswertung der Eingänge erfolgt nur ein Mal je Sekunde. Dies betrifft R3 als Versorgung für die Referenzdiode sowie R6 als pull up Widerstand für den Taster. Über T2 wird der Spannungsteiler für die Batteriespannung stromlos geschaltet. Der BSS138 ist ein FET mit geringer UGS threshold voltage von max. 1.5V. Er begrenzt also am Source die Drain-Spannung auf VCC-1.5V. Da die Referenzspannung 1.2V beträgt ergibt sich bei einer Versorgungsspannung bis herab zu 2.7V noch keine Begrenzung des Messbereichs für die Batteriespannung von bis zu 25.5V.

Der Ladestrom wird über Analogeingang RA0 gemessen.

Mit der gewählten Dimensionierung für R4/R5 ergibt sich ein Messbereich von 25.5V für die Batteriespannung. Der Strombereich ist für ca. 240mA ausgelegt.

An Pin RB6 wird schließlich das Schaltsignal für die Endstufe erzeugt.

=== Bedienteil ===

[[Bild:BMON_1048_HMI.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Bedienteil]]

Aus Platzgründen (Frontplatte des EG2-Gehäuses von ProMa) konnte leider nur ein 2-stelliges LC-Display verwendet werden. Um dennoch Spannungen größer 9.9V darstellen zu können wird der führende Dezimalpunkt als Zehner-Stelle verwendet. Ab 20.0V fängt dann der Dezimalpunkt an zu blinken. Bei Verwendung eines 3 oder 4-stelligen Displays würde man anstelle des führenden Dezimalpunktes beide Segmente für die führende "1" anschließen.
Der Kondensator C5 hält Gleichspannungssignale vom Display fern. Dies ist insbesonders nützlich beim Flashen bzw. in der Debugging Phase.

J1 ist die Verbindung zur Mutterplatine. Dort kann noch ein zweiter Taster parallel zum Taster auf der Frontplatte angeschlossen werden. R7 dient als Kurzschlußschutz bzw. zur Stromreduzierung des Schaltsignals.

=== Endstufe ===

[[Bild:BMON_1048_POWER.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Endstufe LT1763]]

Die Endstufe ist außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Damit ergibt sich maximale Flexibilität von wenigen mA bis zu mehreren Ampere über einen BSS138 Treiber mit BTS555 Endstufe. Der Anschluss an die BMON1048 Leiterplatte erfolgt über Buchsenleisten auf der Leiterplatte mit der Endstufe. Die Stecker für den Ladeteil und den Prozessorteil sind getrennt ausgeführt. Damit können die Messleitungen direkt am Batteriepack angeschlossen werden (4-Leiter Anschluss). Übergangswiderstände am Stecker und der Leitungen haben dann weniger Einfluss auf die Messung.

Hier ist ein Beispiel für eine Endstufe mit LT1763 für maximal 20V Ladeendspannung gezeigt. Im ausgeschalteten Zustand verbraucht der Spannungsregler weniger als 1uA zusätzlich. Der Ruhestrom mit 30uA ist ebenfalls ein guter Wert. C10 ist vorzugsweise ein Folienkondensator (geringer Mikrofonieeffekt) zur Rauschunterdrückung. Die Ausgangsspannung wird mit R11+R12 auf 14.0 V eingestellt.

== Software ==

Die Software hat folgende Funktionen:

* Messen der Spannung und des Stroms linksbündig als 10 Bit Wert
* Verrechnung eines Korrekturfaktors aus EEPROM für Feinabgleich
* Anzeige der Spannung auf Display
* Als Timer dient der Watchdog mit 16ms Periode
* Die 30 Hz Wechselspannung für das Display wird hieraus abgeleitet
* Im Ladebetrieb erfolgt die Anzeige des Stroms im Wechsel mit der Spannung
* Unterhalb 1.15V/Zelle abschalten der Last (Spannungsanzeige blinkt)
* Oberhalb 1.25V/Zelle wiedereinschalten der Last
* Bei Tastendruck länger als 5 Sekunden wird die Last manuell ein-/ausgeschaltet
* Bei Spannungseinbruch > 0.6V/Minute wird ebenfalls abgeschaltet
* Alle Parameter wie Zellenzahl + Hysterese sind im Header konfigurierbar

<c>
#define Cells 12 ; # number of cells
#define mV * 256 * 51/1051/1235 ; 25,6V * 5K1/(100K+5K1)/VRef
#define VOn Cells * 1250 mV ; high hysteresis
#define VOff Cells * 1150 mV ; low hysteresis
#define VOLT_SEC 10 ; check every 10 seconds
#define VDIFF 600 mV ; voltage drop / minute
#define mA * 1 ; 1 mA / count
#define CURR_MIN 10 mA ; min current to display
</c>

Die Software ist mit MPASM 5.40 (MPLAB 8.70) erstellt. Die Bit-Schubsereien für das Display werden mit Tabellen in Page 0 für alle 3 Ports A-C und die Digits 1-2 abgehandelt.

Bei der Initialisierung wird erst die Hardware initialisiert und danach alle Variablen einschließlich der Kalibrierparameter die aus dem EEPROM gelesen werden. Die Kalibrierfaktoren sind im 2er Komplement als 16 Bit signed Wert gespeichert. Ein Abgleich von +/- 50% entspricht +/-32768 als Wert.

Die meiste Zeit verbringt der Prozessor im sleep mode. Alle 16 ms weckt der Watchdog den Prozessor auf, um die Pins für die Anzeige zu invertieren. Alle Sekunde finden zusätzlich noch Messfunktionen einschließlich update der Anzeige sowie die Tastenabfrage statt.
Um Zeit (und damit Strom) zu sparen wird die Wartezeit aufs ADC-Ergebnis genutzt um eine Tastenentprellung bzw. die Vorverarbeitung der Spannungsmessung während der Strommessung durchzuführen.
Alle 10 Sekunden wird das High-Byte des Spannungswertes in einen Ringpuffer mit 6 Einträgen für die vergangene Minute eingetragen. Dies dient unterhalb der Einschaltschwelle zum Detektieren eines plötzlichen Spannungsabfalls falls eine Zelle schneller entladen ist als die übrigen im Pack.

== Aufbau ==

<gallery>
Bild:Loetseite_IMG0964W.JPG|BMON1048 - Lötseite
Bild:BMON1048_BS_IMG0968W.JPG|Bestückungsseite
Bild:BMON1048_BST_LS.PNG|Position LS
Bild:BMON1048_BST_BS.PNG|Position BS
</gallery>

=== Lötseite ===

Die Leiterplatte ist doppelseitig. Die meisten Durchkontaktierungen liegen auf bedrahteten Bauelementen so dass eine durchkontaktierte Leiterplatte nicht zwingend nötig ist. Die drei Durchkontaktierungen im Bereich des Programmiersteckers können auch mit Kupferhohlnieten oder einer Drahtbrücke bestückt werden.

Am besten beginnt man nach Durchkontaktieren mit der Bestückung auf der Lötseite. C18, C19 sowie U5 sind im Muster nicht bestückt.

=== Bestückungsseite ===

Auf der Bestückungsseite werden zuerst die Bauteile unter dem Display sowie die Widerstände unter dem L200 bestückt. Einige bedrahtete Bauteile müssen auf beiden Seiten der Platine verlötet werden, falls keine durchkontaktierte Leiterplatte verwendet wird.

Die Ladebuchse ist auf die Leiterplatte aufgesetzt und mit Silberdraht die Anschlüsse verlängert. Mit dem Verlöten sollte man wie beim L200 so lange warten bis die Frontplatte montiert ist.
In den Layoutdaten ist auch ein Layer für die Frontplatte enthalten der als Bohrhilfe verwendet werden kann.

Der L200 ist über Kopf bestückt, die Anschlussdrähte also gegenüber dem stehenden Einbau auf die andere Seite abgewinkelt. Bei Verwendung von 10mm Distanzbolzen muss als Isolierung mindestens eine 1.5 mm Aluminiumoxidscheibe verwendet werden damit sich die Pins des L200 im montierten Zustand verlöten lassen. Die Frontplatte des EG2-Gehäuses dient hiermit gleichzeitig als Kühlfläche.

C12 muss liegend montiert werden.

Für das Display verwende ich eine 18-polige Präzisionsfassung, die mit dem Seitenschneider auseinander geschnitten wird. Verlöten geht am einfachsten wenn das Display bereits in die Fassung gesteckt ist. Die beiden Pins 1 + 18 für die Backplane sind auf der Leiterplattenoberseite verbunden (Lötung unter der Fassung nicht vergessen).

Der Taster ist eine Ausführung mit langem Stößel wenn die Bedienung ohne Hilfswerkzeug möglich sein soll.

=== Montagedetail L200 ===

[[Bild:BMON1048_L200_IMG0981W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - L200 Montage]]

Montagedetail L200:

* M3 Schraube
* Frontplatte
* Aluminiumoxidscheibe (AOS220 - 1.5mm)
* L200
* Isolierbuchse
* Unterlegscheibe (fehlt im Bild)
* M3 Mutter

=== Frontansichten ===

* Ansicht montiert mit Spannungsanzeige 16.7V
* Ansicht Ladebetrieb mit Stromanzeige 188mA

<gallery>
Bild:BMON1048_Spannung_IMG0965W.JPG|Spannungsanzeige
Bild:BMON1048_Strom_IMG0966W.JPG|Stromanzeige
</gallery>

== Inbetriebnahme und Abgleich ==

Der Ladeteil und der Batteriewächter können auf Grund der getrennten Steckverbinder unabhängig voneinander in Betrieb genommen werden.

=== Ladeteil ===

An einem strombegrenzten Netzteil (ca. 20-100mA) wird die Spannung an der Ladebuchse langsam von 0V an erhöht und die Stromaufnahme gemessen. Der Eigenverbrauch des L200 liegt bei ca. 10mA. Dieser Wert darf nicht wesentlich überschritten werden. Ist alles in Ordnung dreht man die Spannung langsam auf 24V. Die Ausgangsspannung des L200 sollte vor der Verpolschutzdiode D2 gemessen ca. 18.1V sein. Falls nicht kann man durch Feinabgleich des Widerstandes R13 noch etwas korrigieren.
Danach einen Akkusatz anschließen und die Strombegrenzung des Netzteils langsam auf ca. 250mA-300mA drehen. Der Strom in den Akku sollte durch den L200 auf ca. 200 mA begrenzt werden.
Bei vollgeladenem Akku sollte der Strom unter C/50 besser C/100 (also 20-40 mA) zurückgehen. Gegebenenfalls ist die Ladeendspannung etwas zu reduzieren.

=== Prozessorteil ===

Zunächst wird der Prozessor mit einem Programmiergerät geflasht. Bei Verwendung des FET-Spannungsreglers darauf achten dass die Spannungsversorgung für den Prozessor vom Programmiergerät (z.B. PICKIT3) zur Verfügung gestellt wird.
Hierbei darauf achten dass die nominalen Kalibrierwerte im EEPROM nicht zu weit von den Defaultwerten abweichen.
Bei der Spannung ist der Defaultwert = 0x00, 0x00 (= Faktor 1.0)
Beim Strom ist die Verstärkung nicht ganz auf einen Strom-Endwert von 255mA ausgelegt sondern etwa 5 Prozent tiefer. Der nominale Kalibrierwert für den Strom beträgt daher 0xF3, 0x1B (= Faktor 0.94963).

Nach dem Flashen wird an die beiden mittleren Pins von J1 eine Spannung von ca. 5V angeschlossen. Ist alles ok sollte das Display die Spannung blinkend anzeigen. Der Ausgang J1 PIN 1 weist Low-Pegel auf. Die Spannung wird langsam auf ca. 20V (max. 25V) erhöht und die prozentuale Abweichung zwischen Sollwert und Anzeige berechnet. Ab ca. 15. V verschwindet das Blinken und der Ausgang wechselt auf High-Pegel (>2.4V). Unterhalb ca. 13.8V wird die Last wieder abgeschaltet und das Display blinkt wieder.
Danach wird ein Akku (15-17V) an Prozessorteil und Ladeteil angeschlossen. Über ein strombegrenztes Netzteil werden ca. 180mA Ladestrom in den Akku eingestellt. Die Anzeige zeigt jetzt im Wechsel die Akkuspannung und den Ladestrom an. Wiederum wird die prozentuale Abweichung vom tatsächlichen Ladestrom berechnet.
Die prozentualen Abweichungen werden auf die existierenden Kalibrierwerte multipliziert und dann nach einem MPASM-Lauf ins EEPROM geschrieben. Bei Verwendung von MPLAB darauf achten dass im "Release" Modus und nicht im "Debug" Modus gearbeitet wird.

Danach ist der Batteriewächter einsatzbereit.

== Praxis und Ideen ==

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|BMON1035 Stromverbrauch 9.7uA bei 9.3V]]

Anbei ein Aufbau einer Vorgängerversion ohne Ladestrommessung (BMON1035) mit einem Stromverbrauch um 9.7 uA (schwankend) bei einem frisch aufgeladenen Akku mit 9.3V. An einem BMON1048 mit Strommessung habe ich 10-12uA gemessen. Wobei der Stromverbrauch auch von der tatsächlichen Versorgungsspannung des Prozessors abhängt.

Ich habe 2 Schaltungen mit ca. 30 mA Last seit 2.5 Jahren im Dauerbetrieb mit je 12 AA-Zellen und täglichem Ladebetrieb. Der erste Akkusatz zeigt seit letztem Sommer (bis zu 32 Grad Raumtemperatur während dem Laden) einen erhöhten Innenwiderstand. Der Ladestrom bei vollem Akku lag hierbei bei erhöhter Temperatur bei 60-70mA.

Die Spannungsdifferenz beim Einstecken / Entfernen des Ladegerätes ist bei diesem Akkusatz ca. 1V. Bei niedrigen Spannungen unter 15V und kurzem Ladebetrieb wird hierdurch die Last ungewollt abgeworfen. Das Kriterium 0.6V Abfall innerhalb einer Minute wird überschritten.
Der andere Akkusatz liegt immer noch bei 0.2V Differenz zwischen Normal und Ladebetrieb.

Ganz oben auf der Wunschliste steht der vereinfachte Abgleich der Kalibrierwerte im EEPROM. Denkbar wäre irgendein Morsecode über den Taster oder ein Jumper an einem freien Pin um den Abgleich bei angelegten Referenzwerten zu starten.

Freier Speicherplatz ist jedenfalls genügend vorhanden. Wobei Sonderfunktionen nur selten gerechnet werden sollten um den Stromverbrauch nicht zu stark zu erhöhen.

Die führende "1" wird derzeit wegen des 2-stelligen Displays als Dezimalpunkt angezeigt. Bei einem 3-stelligen Display würde man anstelle des Dezimalpunktes die beiden Segmente "b" und "c" für die "1" parallel ansteuern.

Ideen:
* Temperaturkompensation der End-Ladespannung mittels NTC / Dioden
* Alternativ: Abschaltung des Ladezweigs per Prozessor-Pin wenn der Ladestrom bei der Endspannung eingeschwungen ist
* Lernfunktion Berücksichtigung Spannungsdifferenz bei Ladebetrieb für Abschaltkriterium
* Automatisiertes Speichern der Abgleichwerte im EEPROM

Anpassung an andere Zellenzahlen:

:{| class="wikitable"
|+ '''Ladeteil L200'''
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! Zellen || Volt || R12 || R13
|-
| 4 || 6.5 || 2K2 || 2K2
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| 6 || 9.4 || 2K2 || 18K
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| 7 || 10.85 || 2K4 || ---
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| 8 || 12.3 || 3K0 || 47K
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| 10 || 15.2 || 3K9 || 68K
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:{| class="wikitable"
|+ '''Lastregler LT1763 (Ausserhalb Leiterplatte)'''
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! Zellen || Volt || R12 || R11
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| 12 || 12.0 || 2K7 || 24K
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| 12 || 14.0 || 6K49 || 68K
|}

== Downloads ==

* [[Media:BMON1048_MPASM.ZIP| Source code für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_Schaltbild.pdf| Schaltplan für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_gcprevue.zip| Layout (Gerber) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_PDF.zip| Layout (PDF) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_STK.txt| Stückliste Batteriewächter BMON1048]]

== Weblinks ==

* [http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00000053.pdf L200_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BSS84.pdf BSS84P_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF245A-B-C.pdf BF245C_Datasheet]
* [http://www.torex.co.jp/english/products/voltage_regulators/data/XC6216_XE6216.pdf XC6216_Datasheet]
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39631e.pdf PIC18F2520_Datasheet]
* [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm285-1.2-n.pdf LM385Z-1.2_Datasheet]
* [http://www.fairchildsemi.com/ds/BS/BSS138.pdf BSS138_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Hintergrund-gruen/LCD-2-0-13/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=3005&ARTICLE=10179&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& LCD-2-13]
* [http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1763fg.pdf LT1763_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Proma-Gehaeuse/GEH-EG-2/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=5199&ARTICLE=50424&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& Gehäuse_EG2]
* [http://www.graphicode.com/ GC-Prevue Gerber viewer]

== Siehe auch ==

* [http://www.mikrocontroller.net/topic/288063 Forum: Diskussion zu diesem Projekt]

[[Kategorie:Wettbewerb]]
[[Kategorie:PIC-Projekte]]
[[Kategorie:Spannungsversorgung_und_Energiequellen]]
[[Kategorie:Messtechnik]]
[[Kategorie:Projekte]]

Batteriewächter

2013-02-28T22:41:06Z

An ja: /* Praxis und Ideen */

''von Anja'' (in Arbeit)

{{Wettbewerb Header}}

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|Batteriewächter]]
Der Batteriewächter liefert bei Unterspannung eines 12 AA Batteriepacks ein Signal um die Last abzuwerfen. Ein einfaches Ladeteil sowie eine Batteriespannungsanzeige sind für die Frontplatte eines EG2-Gehäuses ausgelegt. Für andere Zellkonfigurationen ab 3-4 Zellen aufwärts kann die Schaltung durch Um-Dimensionierung der Spannungsteilerwiderstände leicht angepasst werden. Der Stromverbrauch beträgt nur etwa 10uA.
Auf Grund des geringen Stromverbrauchs und der geringen Mindestspannung von ca. 2.5V ist auch eine Anwendung als Panelmeter denkbar das aus dem Messwert gespeist wird.

== Vorgeschichte ==

Eigentlich wollte ich nur eine einfache Anzeige für meine Akku gespeisten Referenzen: wann müssen die 9V-Blocks wieder ans Ladegerät. Ein einfaches Drehspulinstrument hätte es getan. Allerdings brauchen diese relativ viel Strom im Verhältnis zu einer ISL21009. Und bei einer Empfindlichkeit von 100uA sind sie auch nicht ganz billig.

Die nächste Idee: Eine low power Referenz und ein Komparator (oder gleich einen ICL7665). Nur: Was dann als Anzeige nehmen? Selbst eine low current LED braucht einige 100uA für die Anzeige.

Alternative Anzeigen wären eine einfache LCD Balkenanzeige wie im Handy. Diese sind allerdings nicht im DIP 8 Gehäuse erhältlich. Als Alternative bleiben eigentlich nur passive LC-Anzeigen mit 2-4 Digits.

Das Ganze zu Takten war die nächste Idee. Also wie beim Rauchmelder nur kurze Mess- und Anzeigephasen um Strom zu sparen.

In der Zwischenzeit waren auch Referenzen im Programm die eine Mindestspannung von 9 oder 14V benötigen. Die Anzahl der Zellen (8-12) also so gewachsen dass die 16V des ICL7665 oder gängiger CMOS Logik nicht mehr ausreichen.

Schön wäre auch eine "richtige" Spannungsanzeige - also muss ein Prozessor her. Nachdem auch die ersten 9V-Blocks Schwächen wegen Tiefentladung zeigten sollte das Ganze auch einen Unterspannungsschutz haben.

Zum damaligen Zeitpunkt gab es nur wenige Spannungsregler mit Eingangsspannungen bis 20 oder 25V und Eigenstromverbrauch unter 20uA. Und die auch nur von Farnell also für Privat quasi unobtanium.

Eine Idee hatte ich schon länger um z.B. Uhrenchips im 12V-System zu betreiben: Ein normaler Sperrschicht-FET hat eine negative UGS-Spannung. Wenn man das Gate also an Masse anschließt müsste am Source eine halbwegs stabile Backup-Spannung übrig bleiben. Und das auch noch ohne dass der Spannungsregler einen nennenswerten Strom braucht.

Der Ehrgeiz war geweckt es müsste doch möglich sein einen prozessorgesteuerten Komparator mit Spannungsanzeige bei unter 20uA Stromverbrauch mit Versorgung direkt aus der Batterie im Bereich 5-20V zu entwickeln...

== Blockschaltbild ==

[[Bild:BMON_1048_BLOCK.PNG|thumb|right|350px|BMON148 - Blockschaltbild]]

Die Schaltung auf der Leiterplatte umfasst ein einfaches Ladeteil mit L200. Die Speisung erfolgt mit einem externen 24V Steckernetzteil. Ein Low-Power Spannungsregler erzeugt die VCC-Versorgung für den Prozessorteil. Der Prozessor misst die Akkuspannung sowie den Ladestrom und erzeugt das Steuersignal für die Endstufe. Auf dem Display werden die Akkuspannung sowie der Ladestrom angezeigt. Der Taster dient zum Ein-/Ausschalten der Last. Da der Leistungsteil je nach Last sehr unterschiedlich sein kann (z.B. BTS555 für Hochstromanwendungen) ist er außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Als Schaltungsbeispiel wird eine Endstufe mit LT1763 gezeigt.

=== Ladeteil ===

[[Bild:BMON_1048_L200.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Ladeteil]]

Das Ladeteil ist eine Standardapplikation mit L200 ergänzt um einen Spannungsausgang für die Strommessung.
Die maximale Ladespannung wird mittels Spannungsteiler R12 zu R11 eingestellt. R13 ist parallel zu R12 und wird für den Feinabgleich der Ausgangsspannung verwendet. Auf der Leiterplatte sind die Widerstände wahlweise als SMD (R11..R13) oder bedrahtet (R11A..R13A) bestückbar. R11A ist mit 820 Ohm bestückt. R12A mit 4K7 parallel zu R13A mit 130k ergibt 4K54. Die Ausgangsspannung von 18.1 V ergibt sich aus der Referenzspannung von 2.77V des L200 * (1 + 4540R/820R). R14 begrenzt den Strom auf ca. 200 mA (0.45V / 2R2).
Diode D2 verhindert ein Entladen des Akkus wenn das Steckernetzteil nicht angeschlossen ist. D3 dient als Verpolschutz.
Die Schaltung um U3 verstärkt die Spannung über dem Strombegrenzungswiderstand. Es muss zwingend ein OP verwendet werden dessen common mode input range an die positive Versorgung reicht. Bei einem TL062 ist dies bei normalen Raumtemperaturen gegeben. Die Spannung über R14 wird im Verhältnis R16/R15 = 2.32 fach verstärkt. Bei 200mA also 450mV am Strombegrenzungswiderstand ergibt sich für den ADC-Eingang eine Spannung von 1.04V über R16.
L1, L2 sowie C15-C19 bilden ein optional bestückbares EMV-Filter. C18+C19 filtern hierbei die Störungen über einen M3 Distanzbolzen auf das Aluminiumgehäuse.

=== Spannungsregler ===

[[Bild:BMON_1048_VCC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Spannungsregler BF245C]]

Es gibt 2 alternative Bestückungsvarianten:

U5 ist ein low power Spannungsregler XC6216 von Torex. An Ein- und Ausgang werden 1uF Kondensatoren benötigt. Der Ruhestromverbrauch ist mit 5uA im Datenblatt angegeben.

Da mir das vieeel zu hoch ist habe ich einen Sperrschicht-FET als Spannungsregler verwendet. Ein BF245C hat bei kleinen Strömen je nach Exemplarstreuung eine Gate/Source Spannung von -3.2 .. -7.5 V zwischen Gate und Source.
Wenn man jetzt das Gate auf Masse legt, und an Drain die ungeregelte Eingangsspannung, bleibt am Source eine Ausgangsspannung von +3.2 bis 7.5V.
Da der nachgeschaltete Prozessor maximal 5.5V Spannung verträgt müssen die FETs selektiert werden. Bei der maximalen Eingangsspannung und minimaler Last (also nur die 10 Meg-Ohm des Messinstrumentes) dürfen die 5.5V nicht überschritten werden. Bei der typischen Last von 10uA entsprechend 330K sollten mindestens ca. 3.8V als minimale Spannung übrig bleiben.

Beim Austesten auf dem Steckbrett habe ich herausgefunden dass der FET relativ empfindlich auf Störimpulse reagiert und teilweise hierdurch auch hohe Spannungen an den Ausgang durchlässt. Abhilfe schaffen Abblockkondensatoren an Ein- und Ausgang. Im Gegensatz zum XC6216 reichen für den FET normale 100nF Abblockkondensatoren. Die Diode D1 dient als Verpolschutz. R2 begrenzt beim FET schnelle Spannungsanstiege sowie den Maximalstrom. Das Austesten auf dem Steckbrett sollte mit den Abblock-Cs und der Schutzbeschaltung erfolgen.

Von 10 getesteten FETs hatten alle eine maximale Spannung im Bereich 4.57 bis 4.80 V bei 25V Eingangsspannung. Bei Belastung mit 1K-Ohm und 9V Eingangsspannung habe ich 2.61V bis 2.77V gemessen. Der Regler hat also ausreichend Reserven. Die Mühe des Selektierens wird belohnt durch einen Stromverbrauch von nicht messbaren wenigen nA für den Spannungsregler.

R2 sollte bei Verwendung des XC6216 durch einen 0 Ohm Widerstand ersetzt werden. Allerdings habe ich diese Schaltungsvariante noch nicht getestet.

=== Prozessorteil ===

[[Bild:BMON_1048_PIC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Prozessorteil]]

Als Prozessor wird ein PIC18F2520 verwendet. Es ist quasi der low power Nachfolger eines PIC16F876. Der Strom mit internem Oszillator beträgt ca. 1mA. Um den Stromverbrauch zu reduzieren ist der Prozessor hauptsächlich im sleep mode und wird nur alle 16ms aufgeweckt um die Flanken für die Wechselspannung von 30Hz für die passive LC-Anzeige zu generieren, die auch die meisten Pins benötigt. C4 mit 10uF puffert kurze Stromspitzen in der Aufwachphase. C7 mindert EMV-Störungen.

Die Batteriespannung wird über Spannungsteiler R4/R5 an Pin RA2 gemessen. U2 sorgt mit R3 für eine stabile Referenz von 1.235V auch bei schwankenden Versorgungsspannungen. Kurzzeitig werden für den Referenzeingang bis zu 150uA und für die Referenzdiode bis zu 20uA benötigt. Da kein Abblockkondensator an der Referenz verwendet wird, ist R3 relativ niederohmig dimensioniert.

Die Stromsparfunktionen werden alle mit PIN RA1 gesteuert. Die Auswertung der Eingänge erfolgt nur ein Mal je Sekunde. Dies betrifft R3 als Versorgung für die Referenzdiode sowie R6 als pull up Widerstand für den Taster. Über T2 wird der Spannungsteiler für die Batteriespannung stromlos geschaltet. Der BSS138 ist ein FET mit geringer UGS threshold voltage von max. 1.5V. Er begrenzt also am Source die Drain-Spannung auf VCC-1.5V. Da die Referenzspannung 1.2V beträgt ergibt sich bei einer Versorgungsspannung bis herab zu 2.7V noch keine Begrenzung des Messbereichs für die Batteriespannung von bis zu 25.5V.

Der Ladestrom wird über Analogeingang RA0 gemessen.

Mit der gewählten Dimensionierung für R4/R5 ergibt sich ein Messbereich von 25.5V für die Batteriespannung. Der Strombereich ist für ca. 240mA ausgelegt.

An Pin RB6 wird schließlich das Schaltsignal für die Endstufe erzeugt.

=== Bedienteil ===

[[Bild:BMON_1048_HMI.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Bedienteil]]

Aus Platzgründen (Frontplatte des EG2-Gehäuses von ProMa) konnte leider nur ein 2-stelliges LC-Display verwendet werden. Um dennoch Spannungen größer 9.9V darstellen zu können wird der führende Dezimalpunkt als Zehner-Stelle verwendet. Ab 20.0V fängt dann der Dezimalpunkt an zu blinken. Bei Verwendung eines 3 oder 4-stelligen Displays würde man anstelle des führenden Dezimalpunktes beide Segmente für die führende "1" anschließen.
Der Kondensator C5 hält Gleichspannungssignale vom Display fern. Dies ist insbesonders nützlich beim Flashen bzw. in der Debugging Phase.

J1 ist die Verbindung zur Mutterplatine. Dort kann noch ein zweiter Taster parallel zum Taster auf der Frontplatte angeschlossen werden. R7 dient als Kurzschlußschutz bzw. zur Stromreduzierung des Schaltsignals.

=== Endstufe ===

[[Bild:BMON_1048_POWER.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Endstufe LT1763]]

Die Endstufe ist außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Damit ergibt sich maximale Flexibilität von wenigen mA bis zu mehreren Ampere über einen BSS138 Treiber mit BTS555 Endstufe. Der Anschluss an die BMON1048 Leiterplatte erfolgt über Buchsenleisten auf der Leiterplatte mit der Endstufe. Die Stecker für den Ladeteil und den Prozessorteil sind getrennt ausgeführt. Damit können die Messleitungen direkt am Batteriepack angeschlossen werden (4-Leiter Anschluss). Übergangswiderstände am Stecker und der Leitungen haben dann weniger Einfluss auf die Messung.

Hier ist ein Beispiel für eine Endstufe mit LT1763 für maximal 20V Ladeendspannung gezeigt. Im ausgeschalteten Zustand verbraucht der Spannungsregler weniger als 1uA zusätzlich. Der Ruhestrom mit 30uA ist ebenfalls ein guter Wert. C10 ist vorzugsweise ein Folienkondensator (geringer Mikrofonieeffekt) zur Rauschunterdrückung. Die Ausgangsspannung wird mit R11+R12 auf 14.0 V eingestellt.

== Software ==

Die Software hat folgende Funktionen:

* Messen der Spannung und des Stroms linksbündig als 10 Bit Wert
* Verrechnung eines Korrekturfaktors aus EEPROM für Feinabgleich
* Anzeige der Spannung auf Display
* Als Timer dient der Watchdog mit 16ms Periode
* Die 30 Hz Wechselspannung für das Display wird hieraus abgeleitet
* Im Ladebetrieb erfolgt die Anzeige des Stroms im Wechsel mit der Spannung
* Unterhalb 1.15V/Zelle abschalten der Last (Spannungsanzeige blinkt)
* Oberhalb 1.25V/Zelle wiedereinschalten der Last
* Bei Tastendruck länger als 5 Sekunden wird die Last manuell ein-/ausgeschaltet
* Bei Spannungseinbruch > 0.6V/Minute wird ebenfalls abgeschaltet
* Alle Parameter wie Zellenzahl + Hysterese sind im Header konfigurierbar

<c>
#define Cells 12 ; # number of cells
#define mV * 256 * 51/1051/1235 ; 25,6V * 5K1/(100K+5K1)/VRef
#define VOn Cells * 1250 mV ; high hysteresis
#define VOff Cells * 1150 mV ; low hysteresis
#define VOLT_SEC 10 ; check every 10 seconds
#define VDIFF 600 mV ; voltage drop / minute
#define mA * 1 ; 1 mA / count
#define CURR_MIN 10 mA ; min current to display
</c>

Die Software ist mit MPASM 5.40 (MPLAB 8.70) erstellt. Die Bit-Schubsereien für das Display werden mit Tabellen in Page 0 für alle 3 Ports A-C und die Digits 1-2 abgehandelt.

Bei der Initialisierung wird erst die Hardware initialisiert und danach alle Variablen einschließlich der Kalibrierparameter die aus dem EEPROM gelesen werden. Die Kalibrierfaktoren sind im 2er Komplement als 16 Bit signed Wert gespeichert. Ein Abgleich von +/- 50% entspricht +/-32768 als Wert.

Die meiste Zeit verbringt der Prozessor im sleep mode. Alle 16 ms weckt der Watchdog den Prozessor auf, um die Pins für die Anzeige zu invertieren. Alle Sekunde finden zusätzlich noch Messfunktionen einschließlich update der Anzeige sowie die Tastenabfrage statt.
Um Zeit (und damit Strom) zu sparen wird die Wartezeit aufs ADC-Ergebnis genutzt um eine Tastenentprellung bzw. die Vorverarbeitung der Spannungsmessung während der Strommessung durchzuführen.
Alle 10 Sekunden wird das High-Byte des Spannungswertes in einen Ringpuffer mit 6 Einträgen für die vergangene Minute eingetragen. Dies dient unterhalb der Einschaltschwelle zum Detektieren eines plötzlichen Spannungsabfalls falls eine Zelle schneller entladen ist als die übrigen im Pack.

== Aufbau ==

<gallery>
Bild:Loetseite_IMG0964W.JPG|BMON1048 - Lötseite
Bild:BMON1048_BS_IMG0968W.JPG|Bestückungsseite
Bild:BMON1048_BST_LS.PNG|Position LS
Bild:BMON1048_BST_BS.PNG|Position BS
</gallery>

=== Lötseite ===

Die Leiterplatte ist doppelseitig. Die meisten Durchkontaktierungen liegen auf bedrahteten Bauelementen so dass eine durchkontaktierte Leiterplatte nicht zwingend nötig ist. Die drei Durchkontaktierungen im Bereich des Programmiersteckers können auch mit Kupferhohlnieten oder einer Drahtbrücke bestückt werden.

Am besten beginnt man nach Durchkontaktieren mit der Bestückung auf der Lötseite. C18, C19 sowie U5 sind im Muster nicht bestückt.

=== Bestückungsseite ===

Auf der Bestückungsseite werden zuerst die Bauteile unter dem Display sowie die Widerstände unter dem L200 bestückt. Einige bedrahtete Bauteile müssen auf beiden Seiten der Platine verlötet werden, falls keine durchkontaktierte Leiterplatte verwendet wird.

Die Ladebuchse ist auf die Leiterplatte aufgesetzt und mit Silberdraht die Anschlüsse verlängert. Mit dem Verlöten sollte man wie beim L200 so lange warten bis die Frontplatte montiert ist.
In den Layoutdaten ist auch ein Layer für die Frontplatte enthalten der als Bohrhilfe verwendet werden kann.

Der L200 ist über Kopf bestückt, die Anschlussdrähte also gegenüber dem stehenden Einbau auf die andere Seite abgewinkelt. Bei Verwendung von 10mm Distanzbolzen muss als Isolierung mindestens eine 1.5 mm Aluminiumoxidscheibe verwendet werden damit sich die Pins des L200 im montierten Zustand verlöten lassen. Die Frontplatte des EG2-Gehäuses dient hiermit gleichzeitig als Kühlfläche.

C12 muss liegend montiert werden.

Für das Display verwende ich eine 18-polige Präzisionsfassung, die mit dem Seitenschneider auseinander geschnitten wird. Verlöten geht am einfachsten wenn das Display bereits in die Fassung gesteckt ist. Die beiden Pins 1 + 18 für die Backplane sind auf der Leiterplattenoberseite verbunden (Lötung unter der Fassung nicht vergessen).

Der Taster ist eine Ausführung mit langem Stößel wenn die Bedienung ohne Hilfswerkzeug möglich sein soll.

=== Montagedetail L200 ===

[[Bild:BMON1048_L200_IMG0981W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - L200 Montage]]

Montagedetail L200:

* M3 Schraube
* Frontplatte
* Aluminiumoxidscheibe (AOS220 - 1.5mm)
* L200
* Isolierbuchse
* Unterlegscheibe (fehlt im Bild)
* M3 Mutter

=== Frontansichten ===

* Ansicht montiert mit Spannungsanzeige 16.7V
* Ansicht Ladebetrieb mit Stromanzeige 188mA

<gallery>
Bild:BMON1048_Spannung_IMG0965W.JPG|Spannungsanzeige
Bild:BMON1048_Strom_IMG0966W.JPG|Stromanzeige
</gallery>

== Inbetriebnahme und Abgleich ==

Der Ladeteil und der Batteriewächter können auf Grund der getrennten Steckverbinder unabhängig voneinander in Betrieb genommen werden.

=== Ladeteil ===

An einem strombegrenzten Netzteil (ca. 20-100mA) wird die Spannung an der Ladebuchse langsam von 0V an erhöht und die Stromaufnahme gemessen. Der Eigenverbrauch des L200 liegt bei ca. 10mA. Dieser Wert darf nicht wesentlich überschritten werden. Ist alles in Ordnung dreht man die Spannung langsam auf 24V. Die Ausgangsspannung des L200 sollte vor der Verpolschutzdiode D2 gemessen ca. 18.1V sein. Falls nicht kann man durch Feinabgleich des Widerstandes R13 noch etwas korrigieren.
Danach einen Akkusatz anschließen und die Strombegrenzung des Netzteils langsam auf ca. 250mA-300mA drehen. Der Strom in den Akku sollte durch den L200 auf ca. 200 mA begrenzt werden.
Bei vollgeladenem Akku sollte der Strom unter C/50 besser C/100 (also 20-40 mA) zurückgehen. Gegebenenfalls ist die Ladeendspannung etwas zu reduzieren.

=== Prozessorteil ===

Zunächst wird der Prozessor mit einem Programmiergerät geflasht. Bei Verwendung des FET-Spannungsreglers darauf achten dass die Spannungsversorgung für den Prozessor vom Programmiergerät (z.B. PICKIT3) zur Verfügung gestellt wird.
Hierbei darauf achten dass die nominalen Kalibrierwerte im EEPROM nicht zu weit von den Defaultwerten abweichen.
Bei der Spannung ist der Defaultwert = 0x00, 0x00 (= Faktor 1.0)
Beim Strom ist die Verstärkung nicht ganz auf einen Strom-Endwert von 255mA ausgelegt sondern etwa 5 Prozent tiefer. Der nominale Kalibrierwert für den Strom beträgt daher 0xF3, 0x1B (= Faktor 0.94963).

Nach dem Flashen wird an die beiden mittleren Pins von J1 eine Spannung von ca. 5V angeschlossen. Ist alles ok sollte das Display die Spannung blinkend anzeigen. Der Ausgang J1 PIN 1 weist Low-Pegel auf. Die Spannung wird langsam auf ca. 20V (max. 25V) erhöht und die prozentuale Abweichung zwischen Sollwert und Anzeige berechnet. Ab ca. 15. V verschwindet das Blinken und der Ausgang wechselt auf High-Pegel (>2.4V). Unterhalb ca. 13.8V wird die Last wieder abgeschaltet und das Display blinkt wieder.
Danach wird ein Akku (15-17V) an Prozessorteil und Ladeteil angeschlossen. Über ein strombegrenztes Netzteil werden ca. 180mA Ladestrom in den Akku eingestellt. Die Anzeige zeigt jetzt im Wechsel die Akkuspannung und den Ladestrom an. Wiederum wird die prozentuale Abweichung vom tatsächlichen Ladestrom berechnet.
Die prozentualen Abweichungen werden auf die existierenden Kalibrierwerte multipliziert und dann nach einem MPASM-Lauf ins EEPROM geschrieben. Bei Verwendung von MPLAB darauf achten dass im "Release" Modus und nicht im "Debug" Modus gearbeitet wird.

Danach ist der Batteriewächter einsatzbereit.

== Praxis und Ideen ==

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|BMON1035 Stromverbrauch 9.7uA bei 9.3V]]

Anbei ein Aufbau einer Vorgängerversion ohne Ladestrommessung (BMON1035) mit einem Stromverbrauch um 9.7 uA (schwankend) bei einem frisch aufgeladenen Akku mit 9.3V. An einem BMON1048 mit Strommessung habe ich 10-12uA gemessen. Wobei der Stromverbrauch auch von der tatsächlichen Versorgungsspannung des Prozessors abhängt.

Ich habe 2 Schaltungen mit ca. 30 mA Last seit 2.5 Jahren im Dauerbetrieb mit je 12 AA-Zellen und täglichem Ladebetrieb. Der erste Akkusatz zeigt seit letztem Sommer (bis zu 32 Grad Raumtemperatur während dem Laden) einen erhöhten Innenwiderstand. Der Ladestrom bei vollem Akku lag hierbei bei erhöhter Temperatur bei 60-70mA.

Die Spannungsdifferenz beim Einstecken / Entfernen des Ladegerätes ist bei diesem Akkusatz ca. 1V. Bei niedrigen Spannungen unter 15V und kurzem Ladebetrieb wird hierdurch die Last ungewollt abgeworfen. Das Kriterium 0.6V Abfall innerhalb einer Minute wird überschritten.
Der andere Akkusatz liegt immer noch bei 0.2V Differenz zwischen Normal und Ladebetrieb.

Ganz oben auf der Wunschliste steht der vereinfachte Abgleich der Kalibrierwerte im EEPROM. Denkbar wäre irgendein Morsecode über den Taster oder ein Jumper an einem freien Pin um den Abgleich bei angelegten Referenzwerten zu starten.

Freier Speicherplatz ist jedenfalls genügend vorhanden. Wobei Sonderfunktionen nur selten gerechnet werden sollten um den Stromverbrauch nicht zu stark zu erhöhen.

Die führende "1" wird derzeit wegen des 2-stelligen Displays als Dezimalpunkt angezeigt. Bei einem 3-stelligen Display würde man anstelle des Dezimalpunktes die beiden Segmente "b" und "c" für die "1" parallel ansteuern.

Ideen:
* Temperaturkompensation der End-Ladespannung mittels NTC / Dioden
* Alternativ: Abschaltung des Ladezweigs per Prozessor-Pin wenn der Ladestrom bei der Endspannung eingeschwungen ist
* Lernfunktion Berücksichtigung Spannungsdifferenz bei Ladebetrieb für Abschaltkriterium
* Automatisiertes Speichern der Abgleichwerte im EEPROM

Anpassung an andere Zellenzahlen:

:{| class="wikitable"
|+ '''Ladeteil L200'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R13
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| 4 || 6.5 || 2K2 || 2K2
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| 6 || 9.4 || 2K2 || 18K
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| 7 || 10.85 || 2K4 || ---
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| 8 || 12.3 || 3K0 || 47K
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| 10 || 15.2 || 3K9 || 68K
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| 12 || 18.1 || 4K7 || 130K
|}

:{| class="wikitable"
|+ '''Lastregler LT1763 (Hauptplatine)'''
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! Zellen || Volt || R12 || R11
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| 5 || 5.1 || 4K7 || 15K
|-
| 6 || 6.0 || 10K || 39K
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| 7 || 8.0 || 2K7 || 15K
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| 8 || 9.35 || 3K3 || 22K
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| 10 || 11.5 || 3K9 || 33K
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| 12 || 12.0 || 2K7 || 24K
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| 12 || 14.0 || 6K49 || 68K
|}

== Downloads ==

* [[Media:BMON1048_MPASM.ZIP| Source code für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_Schaltbild.pdf| Schaltplan für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_gcprevue.zip| Layout (Gerber) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_PDF.zip| Layout (PDF) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_STK.txt| Stückliste Batteriewächter BMON1048]]

== Weblinks ==

* [http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00000053.pdf L200_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BSS84.pdf BSS84P_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF245A-B-C.pdf BF245C_Datasheet]
* [http://www.torex.co.jp/english/products/voltage_regulators/data/XC6216_XE6216.pdf XC6216_Datasheet]
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39631e.pdf PIC18F2520_Datasheet]
* [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm285-1.2-n.pdf LM385Z-1.2_Datasheet]
* [http://www.fairchildsemi.com/ds/BS/BSS138.pdf BSS138_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Hintergrund-gruen/LCD-2-0-13/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=3005&ARTICLE=10179&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& LCD-2-13]
* [http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1763fg.pdf LT1763_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Proma-Gehaeuse/GEH-EG-2/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=5199&ARTICLE=50424&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& Gehäuse_EG2]
* [http://www.graphicode.com/ GC-Prevue Gerber viewer]

== Siehe auch ==

* [http://www.mikrocontroller.net/topic/288063 Forum: Diskussion zu diesem Projekt]

[[Kategorie:Wettbewerb]]
[[Kategorie:PIC-Projekte]]
[[Kategorie:Spannungsversorgung_und_Energiequellen]]
[[Kategorie:Messtechnik]]
[[Kategorie:Projekte]]

Batteriewächter

2013-02-28T22:11:17Z

An ja: /* Praxis und Ideen */

''von Anja'' (in Arbeit)

{{Wettbewerb Header}}

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|Batteriewächter]]
Der Batteriewächter liefert bei Unterspannung eines 12 AA Batteriepacks ein Signal um die Last abzuwerfen. Ein einfaches Ladeteil sowie eine Batteriespannungsanzeige sind für die Frontplatte eines EG2-Gehäuses ausgelegt. Für andere Zellkonfigurationen ab 3-4 Zellen aufwärts kann die Schaltung durch Um-Dimensionierung der Spannungsteilerwiderstände leicht angepasst werden. Der Stromverbrauch beträgt nur etwa 10uA.
Auf Grund des geringen Stromverbrauchs und der geringen Mindestspannung von ca. 2.5V ist auch eine Anwendung als Panelmeter denkbar das aus dem Messwert gespeist wird.

== Vorgeschichte ==

Eigentlich wollte ich nur eine einfache Anzeige für meine Akku gespeisten Referenzen: wann müssen die 9V-Blocks wieder ans Ladegerät. Ein einfaches Drehspulinstrument hätte es getan. Allerdings brauchen diese relativ viel Strom im Verhältnis zu einer ISL21009. Und bei einer Empfindlichkeit von 100uA sind sie auch nicht ganz billig.

Die nächste Idee: Eine low power Referenz und ein Komparator (oder gleich einen ICL7665). Nur: Was dann als Anzeige nehmen? Selbst eine low current LED braucht einige 100uA für die Anzeige.

Alternative Anzeigen wären eine einfache LCD Balkenanzeige wie im Handy. Diese sind allerdings nicht im DIP 8 Gehäuse erhältlich. Als Alternative bleiben eigentlich nur passive LC-Anzeigen mit 2-4 Digits.

Das Ganze zu Takten war die nächste Idee. Also wie beim Rauchmelder nur kurze Mess- und Anzeigephasen um Strom zu sparen.

In der Zwischenzeit waren auch Referenzen im Programm die eine Mindestspannung von 9 oder 14V benötigen. Die Anzahl der Zellen (8-12) also so gewachsen dass die 16V des ICL7665 oder gängiger CMOS Logik nicht mehr ausreichen.

Schön wäre auch eine "richtige" Spannungsanzeige - also muss ein Prozessor her. Nachdem auch die ersten 9V-Blocks Schwächen wegen Tiefentladung zeigten sollte das Ganze auch einen Unterspannungsschutz haben.

Zum damaligen Zeitpunkt gab es nur wenige Spannungsregler mit Eingangsspannungen bis 20 oder 25V und Eigenstromverbrauch unter 20uA. Und die auch nur von Farnell also für Privat quasi unobtanium.

Eine Idee hatte ich schon länger um z.B. Uhrenchips im 12V-System zu betreiben: Ein normaler Sperrschicht-FET hat eine negative UGS-Spannung. Wenn man das Gate also an Masse anschließt müsste am Source eine halbwegs stabile Backup-Spannung übrig bleiben. Und das auch noch ohne dass der Spannungsregler einen nennenswerten Strom braucht.

Der Ehrgeiz war geweckt es müsste doch möglich sein einen prozessorgesteuerten Komparator mit Spannungsanzeige bei unter 20uA Stromverbrauch mit Versorgung direkt aus der Batterie im Bereich 5-20V zu entwickeln...

== Blockschaltbild ==

[[Bild:BMON_1048_BLOCK.PNG|thumb|right|350px|BMON148 - Blockschaltbild]]

Die Schaltung auf der Leiterplatte umfasst ein einfaches Ladeteil mit L200. Die Speisung erfolgt mit einem externen 24V Steckernetzteil. Ein Low-Power Spannungsregler erzeugt die VCC-Versorgung für den Prozessorteil. Der Prozessor misst die Akkuspannung sowie den Ladestrom und erzeugt das Steuersignal für die Endstufe. Auf dem Display werden die Akkuspannung sowie der Ladestrom angezeigt. Der Taster dient zum Ein-/Ausschalten der Last. Da der Leistungsteil je nach Last sehr unterschiedlich sein kann (z.B. BTS555 für Hochstromanwendungen) ist er außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Als Schaltungsbeispiel wird eine Endstufe mit LT1763 gezeigt.

=== Ladeteil ===

[[Bild:BMON_1048_L200.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Ladeteil]]

Das Ladeteil ist eine Standardapplikation mit L200 ergänzt um einen Spannungsausgang für die Strommessung.
Die maximale Ladespannung wird mittels Spannungsteiler R12 zu R11 eingestellt. R13 ist parallel zu R12 und wird für den Feinabgleich der Ausgangsspannung verwendet. Auf der Leiterplatte sind die Widerstände wahlweise als SMD (R11..R13) oder bedrahtet (R11A..R13A) bestückbar. R11A ist mit 820 Ohm bestückt. R12A mit 4K7 parallel zu R13A mit 130k ergibt 4K54. Die Ausgangsspannung von 18.1 V ergibt sich aus der Referenzspannung von 2.77V des L200 * (1 + 4540R/820R). R14 begrenzt den Strom auf ca. 200 mA (0.45V / 2R2).
Diode D2 verhindert ein Entladen des Akkus wenn das Steckernetzteil nicht angeschlossen ist. D3 dient als Verpolschutz.
Die Schaltung um U3 verstärkt die Spannung über dem Strombegrenzungswiderstand. Es muss zwingend ein OP verwendet werden dessen common mode input range an die positive Versorgung reicht. Bei einem TL062 ist dies bei normalen Raumtemperaturen gegeben. Die Spannung über R14 wird im Verhältnis R16/R15 = 2.32 fach verstärkt. Bei 200mA also 450mV am Strombegrenzungswiderstand ergibt sich für den ADC-Eingang eine Spannung von 1.04V über R16.
L1, L2 sowie C15-C19 bilden ein optional bestückbares EMV-Filter. C18+C19 filtern hierbei die Störungen über einen M3 Distanzbolzen auf das Aluminiumgehäuse.

=== Spannungsregler ===

[[Bild:BMON_1048_VCC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Spannungsregler BF245C]]

Es gibt 2 alternative Bestückungsvarianten:

U5 ist ein low power Spannungsregler XC6216 von Torex. An Ein- und Ausgang werden 1uF Kondensatoren benötigt. Der Ruhestromverbrauch ist mit 5uA im Datenblatt angegeben.

Da mir das vieeel zu hoch ist habe ich einen Sperrschicht-FET als Spannungsregler verwendet. Ein BF245C hat bei kleinen Strömen je nach Exemplarstreuung eine Gate/Source Spannung von -3.2 .. -7.5 V zwischen Gate und Source.
Wenn man jetzt das Gate auf Masse legt, und an Drain die ungeregelte Eingangsspannung, bleibt am Source eine Ausgangsspannung von +3.2 bis 7.5V.
Da der nachgeschaltete Prozessor maximal 5.5V Spannung verträgt müssen die FETs selektiert werden. Bei der maximalen Eingangsspannung und minimaler Last (also nur die 10 Meg-Ohm des Messinstrumentes) dürfen die 5.5V nicht überschritten werden. Bei der typischen Last von 10uA entsprechend 330K sollten mindestens ca. 3.8V als minimale Spannung übrig bleiben.

Beim Austesten auf dem Steckbrett habe ich herausgefunden dass der FET relativ empfindlich auf Störimpulse reagiert und teilweise hierdurch auch hohe Spannungen an den Ausgang durchlässt. Abhilfe schaffen Abblockkondensatoren an Ein- und Ausgang. Im Gegensatz zum XC6216 reichen für den FET normale 100nF Abblockkondensatoren. Die Diode D1 dient als Verpolschutz. R2 begrenzt beim FET schnelle Spannungsanstiege sowie den Maximalstrom. Das Austesten auf dem Steckbrett sollte mit den Abblock-Cs und der Schutzbeschaltung erfolgen.

Von 10 getesteten FETs hatten alle eine maximale Spannung im Bereich 4.57 bis 4.80 V bei 25V Eingangsspannung. Bei Belastung mit 1K-Ohm und 9V Eingangsspannung habe ich 2.61V bis 2.77V gemessen. Der Regler hat also ausreichend Reserven. Die Mühe des Selektierens wird belohnt durch einen Stromverbrauch von nicht messbaren wenigen nA für den Spannungsregler.

R2 sollte bei Verwendung des XC6216 durch einen 0 Ohm Widerstand ersetzt werden. Allerdings habe ich diese Schaltungsvariante noch nicht getestet.

=== Prozessorteil ===

[[Bild:BMON_1048_PIC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Prozessorteil]]

Als Prozessor wird ein PIC18F2520 verwendet. Es ist quasi der low power Nachfolger eines PIC16F876. Der Strom mit internem Oszillator beträgt ca. 1mA. Um den Stromverbrauch zu reduzieren ist der Prozessor hauptsächlich im sleep mode und wird nur alle 16ms aufgeweckt um die Flanken für die Wechselspannung von 30Hz für die passive LC-Anzeige zu generieren, die auch die meisten Pins benötigt. C4 mit 10uF puffert kurze Stromspitzen in der Aufwachphase. C7 mindert EMV-Störungen.

Die Batteriespannung wird über Spannungsteiler R4/R5 an Pin RA2 gemessen. U2 sorgt mit R3 für eine stabile Referenz von 1.235V auch bei schwankenden Versorgungsspannungen. Kurzzeitig werden für den Referenzeingang bis zu 150uA und für die Referenzdiode bis zu 20uA benötigt. Da kein Abblockkondensator an der Referenz verwendet wird, ist R3 relativ niederohmig dimensioniert.

Die Stromsparfunktionen werden alle mit PIN RA1 gesteuert. Die Auswertung der Eingänge erfolgt nur ein Mal je Sekunde. Dies betrifft R3 als Versorgung für die Referenzdiode sowie R6 als pull up Widerstand für den Taster. Über T2 wird der Spannungsteiler für die Batteriespannung stromlos geschaltet. Der BSS138 ist ein FET mit geringer UGS threshold voltage von max. 1.5V. Er begrenzt also am Source die Drain-Spannung auf VCC-1.5V. Da die Referenzspannung 1.2V beträgt ergibt sich bei einer Versorgungsspannung bis herab zu 2.7V noch keine Begrenzung des Messbereichs für die Batteriespannung von bis zu 25.5V.

Der Ladestrom wird über Analogeingang RA0 gemessen.

Mit der gewählten Dimensionierung für R4/R5 ergibt sich ein Messbereich von 25.5V für die Batteriespannung. Der Strombereich ist für ca. 240mA ausgelegt.

An Pin RB6 wird schließlich das Schaltsignal für die Endstufe erzeugt.

=== Bedienteil ===

[[Bild:BMON_1048_HMI.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Bedienteil]]

Aus Platzgründen (Frontplatte des EG2-Gehäuses von ProMa) konnte leider nur ein 2-stelliges LC-Display verwendet werden. Um dennoch Spannungen größer 9.9V darstellen zu können wird der führende Dezimalpunkt als Zehner-Stelle verwendet. Ab 20.0V fängt dann der Dezimalpunkt an zu blinken. Bei Verwendung eines 3 oder 4-stelligen Displays würde man anstelle des führenden Dezimalpunktes beide Segmente für die führende "1" anschließen.
Der Kondensator C5 hält Gleichspannungssignale vom Display fern. Dies ist insbesonders nützlich beim Flashen bzw. in der Debugging Phase.

J1 ist die Verbindung zur Mutterplatine. Dort kann noch ein zweiter Taster parallel zum Taster auf der Frontplatte angeschlossen werden. R7 dient als Kurzschlußschutz bzw. zur Stromreduzierung des Schaltsignals.

=== Endstufe ===

[[Bild:BMON_1048_POWER.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Endstufe LT1763]]

Die Endstufe ist außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Damit ergibt sich maximale Flexibilität von wenigen mA bis zu mehreren Ampere über einen BSS138 Treiber mit BTS555 Endstufe. Der Anschluss an die BMON1048 Leiterplatte erfolgt über Buchsenleisten auf der Leiterplatte mit der Endstufe. Die Stecker für den Ladeteil und den Prozessorteil sind getrennt ausgeführt. Damit können die Messleitungen direkt am Batteriepack angeschlossen werden (4-Leiter Anschluss). Übergangswiderstände am Stecker und der Leitungen haben dann weniger Einfluss auf die Messung.

Hier ist ein Beispiel für eine Endstufe mit LT1763 für maximal 20V Ladeendspannung gezeigt. Im ausgeschalteten Zustand verbraucht der Spannungsregler weniger als 1uA zusätzlich. Der Ruhestrom mit 30uA ist ebenfalls ein guter Wert. C10 ist vorzugsweise ein Folienkondensator (geringer Mikrofonieeffekt) zur Rauschunterdrückung. Die Ausgangsspannung wird mit R11+R12 auf 14.0 V eingestellt.

== Software ==

Die Software hat folgende Funktionen:

* Messen der Spannung und des Stroms linksbündig als 10 Bit Wert
* Verrechnung eines Korrekturfaktors aus EEPROM für Feinabgleich
* Anzeige der Spannung auf Display
* Als Timer dient der Watchdog mit 16ms Periode
* Die 30 Hz Wechselspannung für das Display wird hieraus abgeleitet
* Im Ladebetrieb erfolgt die Anzeige des Stroms im Wechsel mit der Spannung
* Unterhalb 1.15V/Zelle abschalten der Last (Spannungsanzeige blinkt)
* Oberhalb 1.25V/Zelle wiedereinschalten der Last
* Bei Tastendruck länger als 5 Sekunden wird die Last manuell ein-/ausgeschaltet
* Bei Spannungseinbruch > 0.6V/Minute wird ebenfalls abgeschaltet
* Alle Parameter wie Zellenzahl + Hysterese sind im Header konfigurierbar

<c>
#define Cells 12 ; # number of cells
#define mV * 256 * 51/1051/1235 ; 25,6V * 5K1/(100K+5K1)/VRef
#define VOn Cells * 1250 mV ; high hysteresis
#define VOff Cells * 1150 mV ; low hysteresis
#define VOLT_SEC 10 ; check every 10 seconds
#define VDIFF 600 mV ; voltage drop / minute
#define mA * 1 ; 1 mA / count
#define CURR_MIN 10 mA ; min current to display
</c>

Die Software ist mit MPASM 5.40 (MPLAB 8.70) erstellt. Die Bit-Schubsereien für das Display werden mit Tabellen in Page 0 für alle 3 Ports A-C und die Digits 1-2 abgehandelt.

Bei der Initialisierung wird erst die Hardware initialisiert und danach alle Variablen einschließlich der Kalibrierparameter die aus dem EEPROM gelesen werden. Die Kalibrierfaktoren sind im 2er Komplement als 16 Bit signed Wert gespeichert. Ein Abgleich von +/- 50% entspricht +/-32768 als Wert.

Die meiste Zeit verbringt der Prozessor im sleep mode. Alle 16 ms weckt der Watchdog den Prozessor auf, um die Pins für die Anzeige zu invertieren. Alle Sekunde finden zusätzlich noch Messfunktionen einschließlich update der Anzeige sowie die Tastenabfrage statt.
Um Zeit (und damit Strom) zu sparen wird die Wartezeit aufs ADC-Ergebnis genutzt um eine Tastenentprellung bzw. die Vorverarbeitung der Spannungsmessung während der Strommessung durchzuführen.
Alle 10 Sekunden wird das High-Byte des Spannungswertes in einen Ringpuffer mit 6 Einträgen für die vergangene Minute eingetragen. Dies dient unterhalb der Einschaltschwelle zum Detektieren eines plötzlichen Spannungsabfalls falls eine Zelle schneller entladen ist als die übrigen im Pack.

== Aufbau ==

<gallery>
Bild:Loetseite_IMG0964W.JPG|BMON1048 - Lötseite
Bild:BMON1048_BS_IMG0968W.JPG|Bestückungsseite
Bild:BMON1048_BST_LS.PNG|Position LS
Bild:BMON1048_BST_BS.PNG|Position BS
</gallery>

=== Lötseite ===

Die Leiterplatte ist doppelseitig. Die meisten Durchkontaktierungen liegen auf bedrahteten Bauelementen so dass eine durchkontaktierte Leiterplatte nicht zwingend nötig ist. Die drei Durchkontaktierungen im Bereich des Programmiersteckers können auch mit Kupferhohlnieten oder einer Drahtbrücke bestückt werden.

Am besten beginnt man nach Durchkontaktieren mit der Bestückung auf der Lötseite. C18, C19 sowie U5 sind im Muster nicht bestückt.

=== Bestückungsseite ===

Auf der Bestückungsseite werden zuerst die Bauteile unter dem Display sowie die Widerstände unter dem L200 bestückt. Einige bedrahtete Bauteile müssen auf beiden Seiten der Platine verlötet werden, falls keine durchkontaktierte Leiterplatte verwendet wird.

Die Ladebuchse ist auf die Leiterplatte aufgesetzt und mit Silberdraht die Anschlüsse verlängert. Mit dem Verlöten sollte man wie beim L200 so lange warten bis die Frontplatte montiert ist.
In den Layoutdaten ist auch ein Layer für die Frontplatte enthalten der als Bohrhilfe verwendet werden kann.

Der L200 ist über Kopf bestückt, die Anschlussdrähte also gegenüber dem stehenden Einbau auf die andere Seite abgewinkelt. Bei Verwendung von 10mm Distanzbolzen muss als Isolierung mindestens eine 1.5 mm Aluminiumoxidscheibe verwendet werden damit sich die Pins des L200 im montierten Zustand verlöten lassen. Die Frontplatte des EG2-Gehäuses dient hiermit gleichzeitig als Kühlfläche.

C12 muss liegend montiert werden.

Für das Display verwende ich eine 18-polige Präzisionsfassung, die mit dem Seitenschneider auseinander geschnitten wird. Verlöten geht am einfachsten wenn das Display bereits in die Fassung gesteckt ist. Die beiden Pins 1 + 18 für die Backplane sind auf der Leiterplattenoberseite verbunden (Lötung unter der Fassung nicht vergessen).

Der Taster ist eine Ausführung mit langem Stößel wenn die Bedienung ohne Hilfswerkzeug möglich sein soll.

=== Montagedetail L200 ===

[[Bild:BMON1048_L200_IMG0981W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - L200 Montage]]

Montagedetail L200:

* M3 Schraube
* Frontplatte
* Aluminiumoxidscheibe (AOS220 - 1.5mm)
* L200
* Isolierbuchse
* Unterlegscheibe (fehlt im Bild)
* M3 Mutter

=== Frontansichten ===

* Ansicht montiert mit Spannungsanzeige 16.7V
* Ansicht Ladebetrieb mit Stromanzeige 188mA

<gallery>
Bild:BMON1048_Spannung_IMG0965W.JPG|Spannungsanzeige
Bild:BMON1048_Strom_IMG0966W.JPG|Stromanzeige
</gallery>

== Inbetriebnahme und Abgleich ==

Der Ladeteil und der Batteriewächter können auf Grund der getrennten Steckverbinder unabhängig voneinander in Betrieb genommen werden.

=== Ladeteil ===

An einem strombegrenzten Netzteil (ca. 20-100mA) wird die Spannung an der Ladebuchse langsam von 0V an erhöht und die Stromaufnahme gemessen. Der Eigenverbrauch des L200 liegt bei ca. 10mA. Dieser Wert darf nicht wesentlich überschritten werden. Ist alles in Ordnung dreht man die Spannung langsam auf 24V. Die Ausgangsspannung des L200 sollte vor der Verpolschutzdiode D2 gemessen ca. 18.1V sein. Falls nicht kann man durch Feinabgleich des Widerstandes R13 noch etwas korrigieren.
Danach einen Akkusatz anschließen und die Strombegrenzung des Netzteils langsam auf ca. 250mA-300mA drehen. Der Strom in den Akku sollte durch den L200 auf ca. 200 mA begrenzt werden.
Bei vollgeladenem Akku sollte der Strom unter C/50 besser C/100 (also 20-40 mA) zurückgehen. Gegebenenfalls ist die Ladeendspannung etwas zu reduzieren.

=== Prozessorteil ===

Zunächst wird der Prozessor mit einem Programmiergerät geflasht. Bei Verwendung des FET-Spannungsreglers darauf achten dass die Spannungsversorgung für den Prozessor vom Programmiergerät (z.B. PICKIT3) zur Verfügung gestellt wird.
Hierbei darauf achten dass die nominalen Kalibrierwerte im EEPROM nicht zu weit von den Defaultwerten abweichen.
Bei der Spannung ist der Defaultwert = 0x00, 0x00 (= Faktor 1.0)
Beim Strom ist die Verstärkung nicht ganz auf einen Strom-Endwert von 255mA ausgelegt sondern etwa 5 Prozent tiefer. Der nominale Kalibrierwert für den Strom beträgt daher 0xF3, 0x1B (= Faktor 0.94963).

Nach dem Flashen wird an die beiden mittleren Pins von J1 eine Spannung von ca. 5V angeschlossen. Ist alles ok sollte das Display die Spannung blinkend anzeigen. Der Ausgang J1 PIN 1 weist Low-Pegel auf. Die Spannung wird langsam auf ca. 20V (max. 25V) erhöht und die prozentuale Abweichung zwischen Sollwert und Anzeige berechnet. Ab ca. 15. V verschwindet das Blinken und der Ausgang wechselt auf High-Pegel (>2.4V). Unterhalb ca. 13.8V wird die Last wieder abgeschaltet und das Display blinkt wieder.
Danach wird ein Akku (15-17V) an Prozessorteil und Ladeteil angeschlossen. Über ein strombegrenztes Netzteil werden ca. 180mA Ladestrom in den Akku eingestellt. Die Anzeige zeigt jetzt im Wechsel die Akkuspannung und den Ladestrom an. Wiederum wird die prozentuale Abweichung vom tatsächlichen Ladestrom berechnet.
Die prozentualen Abweichungen werden auf die existierenden Kalibrierwerte multipliziert und dann nach einem MPASM-Lauf ins EEPROM geschrieben. Bei Verwendung von MPLAB darauf achten dass im "Release" Modus und nicht im "Debug" Modus gearbeitet wird.

Danach ist der Batteriewächter einsatzbereit.

== Praxis und Ideen ==

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|BMON1035 Stromverbrauch 9.7uA bei 9.3V]]

Anbei ein Aufbau einer Vorgängerversion ohne Ladestrommessung (BMON1035) mit einem Stromverbrauch um 9.7 uA (schwankend) bei einem frisch aufgeladenen Akku mit 9.3V. An einem BMON1048 mit Strommessung habe ich 10-12uA gemessen. Wobei der Stromverbrauch auch von der tatsächlichen Versorgungsspannung des Prozessors abhängt.

Ich habe 2 Schaltungen mit ca. 30 mA Last seit 2.5 Jahren im Dauerbetrieb mit je 12 AA-Zellen und täglichem Ladebetrieb. Der erste Akkusatz zeigt seit letztem Sommer (bis zu 32 Grad Raumtemperatur während dem Laden) einen erhöhten Innenwiderstand. Der Ladestrom bei vollem Akku lag hierbei bei erhöhter Temperatur bei 60-70mA.

Die Spannungsdifferenz beim Einstecken / Entfernen des Ladegerätes ist bei diesem Akkusatz ca. 1V. Bei niedrigen Spannungen unter 15V und kurzem Ladebetrieb wird hierdurch die Last ungewollt abgeworfen. Das Kriterium 0.6V Abfall innerhalb einer Minute wird überschritten.
Der andere Akkusatz liegt immer noch bei 0.2V Differenz zwischen Normal und Ladebetrieb.

Ganz oben auf der Wunschliste steht der vereinfachte Abgleich der Kalibrierwerte im EEPROM. Denkbar wäre irgendein Morsecode über den Taster oder ein Jumper an einem freien Pin um den Abgleich bei angelegten Referenzwerten zu starten.

Freier Speicherplatz ist jedenfalls genügend vorhanden. Wobei Sonderfunktionen nur selten gerechnet werden sollten um den Stromverbrauch nicht zu stark zu erhöhen.

Die führende "1" wird derzeit wegen des 2-stelligen Displays als Dezimalpunkt angezeigt. Bei einem 3-stelligen Display würde man anstelle des Dezimalpunktes die beiden Segmente "b" und "c" für die "1" parallel ansteuern.

Ideen:
* Temperaturkompensation der End-Ladespannung mittels NTC / Dioden
* Alternativ: Abschaltung des Ladezweigs per Prozessor-Pin wenn der Ladestrom bei der Endspannung eingeschwungen ist
* Lernfunktion Berücksichtigung Spannungsdifferenz bei Ladebetrieb für Abschaltkriterium
* Automatisiertes Speichern der Abgleichwerte im EEPROM

Anpassung an andere Zellenzahlen:

:{| class="wikitable"
|+ '''Ladeteil L200'''
|-
! Zellen || Volt || R12 || R13
|-
| 4 || 6.5 || 2K2 || 2K2
|-
| 6 || 9.4 || 2K2 || 18K
|-
| 7 || 10.85 || 2K4 || ---
|-
| 8 || 12.3 || 3K0 || 47K
|-
| 10 || 15.2 || 3K9 || 68K
|-
| 12 || 18.1 || 4K7 || 130K
|}

== Downloads ==

* [[Media:BMON1048_MPASM.ZIP| Source code für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_Schaltbild.pdf| Schaltplan für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_gcprevue.zip| Layout (Gerber) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_PDF.zip| Layout (PDF) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_STK.txt| Stückliste Batteriewächter BMON1048]]

== Weblinks ==

* [http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00000053.pdf L200_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BSS84.pdf BSS84P_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF245A-B-C.pdf BF245C_Datasheet]
* [http://www.torex.co.jp/english/products/voltage_regulators/data/XC6216_XE6216.pdf XC6216_Datasheet]
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39631e.pdf PIC18F2520_Datasheet]
* [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm285-1.2-n.pdf LM385Z-1.2_Datasheet]
* [http://www.fairchildsemi.com/ds/BS/BSS138.pdf BSS138_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Hintergrund-gruen/LCD-2-0-13/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=3005&ARTICLE=10179&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& LCD-2-13]
* [http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1763fg.pdf LT1763_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Proma-Gehaeuse/GEH-EG-2/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=5199&ARTICLE=50424&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& Gehäuse_EG2]
* [http://www.graphicode.com/ GC-Prevue Gerber viewer]

== Siehe auch ==

* [http://www.mikrocontroller.net/topic/288063 Forum: Diskussion zu diesem Projekt]

[[Kategorie:Wettbewerb]]
[[Kategorie:PIC-Projekte]]
[[Kategorie:Spannungsversorgung_und_Energiequellen]]
[[Kategorie:Messtechnik]]
[[Kategorie:Projekte]]

Batteriewächter

2013-02-28T21:40:02Z

An ja: Typos

''von Anja'' (in Arbeit)

{{Wettbewerb Header}}

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|Batteriewächter]]
Der Batteriewächter liefert bei Unterspannung eines 12 AA Batteriepacks ein Signal um die Last abzuwerfen. Ein einfaches Ladeteil sowie eine Batteriespannungsanzeige sind für die Frontplatte eines EG2-Gehäuses ausgelegt. Für andere Zellkonfigurationen ab 3-4 Zellen aufwärts kann die Schaltung durch Um-Dimensionierung der Spannungsteilerwiderstände leicht angepasst werden. Der Stromverbrauch beträgt nur etwa 10uA.
Auf Grund des geringen Stromverbrauchs und der geringen Mindestspannung von ca. 2.5V ist auch eine Anwendung als Panelmeter denkbar das aus dem Messwert gespeist wird.

== Vorgeschichte ==

Eigentlich wollte ich nur eine einfache Anzeige für meine Akku gespeisten Referenzen: wann müssen die 9V-Blocks wieder ans Ladegerät. Ein einfaches Drehspulinstrument hätte es getan. Allerdings brauchen diese relativ viel Strom im Verhältnis zu einer ISL21009. Und bei einer Empfindlichkeit von 100uA sind sie auch nicht ganz billig.

Die nächste Idee: Eine low power Referenz und ein Komparator (oder gleich einen ICL7665). Nur: Was dann als Anzeige nehmen? Selbst eine low current LED braucht einige 100uA für die Anzeige.

Alternative Anzeigen wären eine einfache LCD Balkenanzeige wie im Handy. Diese sind allerdings nicht im DIP 8 Gehäuse erhältlich. Als Alternative bleiben eigentlich nur passive LC-Anzeigen mit 2-4 Digits.

Das Ganze zu Takten war die nächste Idee. Also wie beim Rauchmelder nur kurze Mess- und Anzeigephasen um Strom zu sparen.

In der Zwischenzeit waren auch Referenzen im Programm die eine Mindestspannung von 9 oder 14V benötigen. Die Anzahl der Zellen (8-12) also so gewachsen dass die 16V des ICL7665 oder gängiger CMOS Logik nicht mehr ausreichen.

Schön wäre auch eine "richtige" Spannungsanzeige - also muss ein Prozessor her. Nachdem auch die ersten 9V-Blocks Schwächen wegen Tiefentladung zeigten sollte das Ganze auch einen Unterspannungsschutz haben.

Zum damaligen Zeitpunkt gab es nur wenige Spannungsregler mit Eingangsspannungen bis 20 oder 25V und Eigenstromverbrauch unter 20uA. Und die auch nur von Farnell also für Privat quasi unobtanium.

Eine Idee hatte ich schon länger um z.B. Uhrenchips im 12V-System zu betreiben: Ein normaler Sperrschicht-FET hat eine negative UGS-Spannung. Wenn man das Gate also an Masse anschließt müsste am Source eine halbwegs stabile Backup-Spannung übrig bleiben. Und das auch noch ohne dass der Spannungsregler einen nennenswerten Strom braucht.

Der Ehrgeiz war geweckt es müsste doch möglich sein einen prozessorgesteuerten Komparator mit Spannungsanzeige bei unter 20uA Stromverbrauch mit Versorgung direkt aus der Batterie im Bereich 5-20V zu entwickeln...

== Blockschaltbild ==

[[Bild:BMON_1048_BLOCK.PNG|thumb|right|350px|BMON148 - Blockschaltbild]]

Die Schaltung auf der Leiterplatte umfasst ein einfaches Ladeteil mit L200. Die Speisung erfolgt mit einem externen 24V Steckernetzteil. Ein Low-Power Spannungsregler erzeugt die VCC-Versorgung für den Prozessorteil. Der Prozessor misst die Akkuspannung sowie den Ladestrom und erzeugt das Steuersignal für die Endstufe. Auf dem Display werden die Akkuspannung sowie der Ladestrom angezeigt. Der Taster dient zum Ein-/Ausschalten der Last. Da der Leistungsteil je nach Last sehr unterschiedlich sein kann (z.B. BTS555 für Hochstromanwendungen) ist er außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Als Schaltungsbeispiel wird eine Endstufe mit LT1763 gezeigt.

=== Ladeteil ===

[[Bild:BMON_1048_L200.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Ladeteil]]

Das Ladeteil ist eine Standardapplikation mit L200 ergänzt um einen Spannungsausgang für die Strommessung.
Die maximale Ladespannung wird mittels Spannungsteiler R12 zu R11 eingestellt. R13 ist parallel zu R12 und wird für den Feinabgleich der Ausgangsspannung verwendet. Auf der Leiterplatte sind die Widerstände wahlweise als SMD (R11..R13) oder bedrahtet (R11A..R13A) bestückbar. R11A ist mit 820 Ohm bestückt. R12A mit 4K7 parallel zu R13A mit 130k ergibt 4K54. Die Ausgangsspannung von 18.1 V ergibt sich aus der Referenzspannung von 2.77V des L200 * (1 + 4540R/820R). R14 begrenzt den Strom auf ca. 200 mA (0.45V / 2R2).
Diode D2 verhindert ein Entladen des Akkus wenn das Steckernetzteil nicht angeschlossen ist. D3 dient als Verpolschutz.
Die Schaltung um U3 verstärkt die Spannung über dem Strombegrenzungswiderstand. Es muss zwingend ein OP verwendet werden dessen common mode input range an die positive Versorgung reicht. Bei einem TL062 ist dies bei normalen Raumtemperaturen gegeben. Die Spannung über R14 wird im Verhältnis R16/R15 = 2.32 fach verstärkt. Bei 200mA also 450mV am Strombegrenzungswiderstand ergibt sich für den ADC-Eingang eine Spannung von 1.04V über R16.
L1, L2 sowie C15-C19 bilden ein optional bestückbares EMV-Filter. C18+C19 filtern hierbei die Störungen über einen M3 Distanzbolzen auf das Aluminiumgehäuse.

=== Spannungsregler ===

[[Bild:BMON_1048_VCC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Spannungsregler BF245C]]

Es gibt 2 alternative Bestückungsvarianten:

U5 ist ein low power Spannungsregler XC6216 von Torex. An Ein- und Ausgang werden 1uF Kondensatoren benötigt. Der Ruhestromverbrauch ist mit 5uA im Datenblatt angegeben.

Da mir das vieeel zu hoch ist habe ich einen Sperrschicht-FET als Spannungsregler verwendet. Ein BF245C hat bei kleinen Strömen je nach Exemplarstreuung eine Gate/Source Spannung von -3.2 .. -7.5 V zwischen Gate und Source.
Wenn man jetzt das Gate auf Masse legt, und an Drain die ungeregelte Eingangsspannung, bleibt am Source eine Ausgangsspannung von +3.2 bis 7.5V.
Da der nachgeschaltete Prozessor maximal 5.5V Spannung verträgt müssen die FETs selektiert werden. Bei der maximalen Eingangsspannung und minimaler Last (also nur die 10 Meg-Ohm des Messinstrumentes) dürfen die 5.5V nicht überschritten werden. Bei der typischen Last von 10uA entsprechend 330K sollten mindestens ca. 3.8V als minimale Spannung übrig bleiben.

Beim Austesten auf dem Steckbrett habe ich herausgefunden dass der FET relativ empfindlich auf Störimpulse reagiert und teilweise hierdurch auch hohe Spannungen an den Ausgang durchlässt. Abhilfe schaffen Abblockkondensatoren an Ein- und Ausgang. Im Gegensatz zum XC6216 reichen für den FET normale 100nF Abblockkondensatoren. Die Diode D1 dient als Verpolschutz. R2 begrenzt beim FET schnelle Spannungsanstiege sowie den Maximalstrom. Das Austesten auf dem Steckbrett sollte mit den Abblock-Cs und der Schutzbeschaltung erfolgen.

Von 10 getesteten FETs hatten alle eine maximale Spannung im Bereich 4.57 bis 4.80 V bei 25V Eingangsspannung. Bei Belastung mit 1K-Ohm und 9V Eingangsspannung habe ich 2.61V bis 2.77V gemessen. Der Regler hat also ausreichend Reserven. Die Mühe des Selektierens wird belohnt durch einen Stromverbrauch von nicht messbaren wenigen nA für den Spannungsregler.

R2 sollte bei Verwendung des XC6216 durch einen 0 Ohm Widerstand ersetzt werden. Allerdings habe ich diese Schaltungsvariante noch nicht getestet.

=== Prozessorteil ===

[[Bild:BMON_1048_PIC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Prozessorteil]]

Als Prozessor wird ein PIC18F2520 verwendet. Es ist quasi der low power Nachfolger eines PIC16F876. Der Strom mit internem Oszillator beträgt ca. 1mA. Um den Stromverbrauch zu reduzieren ist der Prozessor hauptsächlich im sleep mode und wird nur alle 16ms aufgeweckt um die Flanken für die Wechselspannung von 30Hz für die passive LC-Anzeige zu generieren, die auch die meisten Pins benötigt. C4 mit 10uF puffert kurze Stromspitzen in der Aufwachphase. C7 mindert EMV-Störungen.

Die Batteriespannung wird über Spannungsteiler R4/R5 an Pin RA2 gemessen. U2 sorgt mit R3 für eine stabile Referenz von 1.235V auch bei schwankenden Versorgungsspannungen. Kurzzeitig werden für den Referenzeingang bis zu 150uA und für die Referenzdiode bis zu 20uA benötigt. Da kein Abblockkondensator an der Referenz verwendet wird, ist R3 relativ niederohmig dimensioniert.

Die Stromsparfunktionen werden alle mit PIN RA1 gesteuert. Die Auswertung der Eingänge erfolgt nur ein Mal je Sekunde. Dies betrifft R3 als Versorgung für die Referenzdiode sowie R6 als pull up Widerstand für den Taster. Über T2 wird der Spannungsteiler für die Batteriespannung stromlos geschaltet. Der BSS138 ist ein FET mit geringer UGS threshold voltage von max. 1.5V. Er begrenzt also am Source die Drain-Spannung auf VCC-1.5V. Da die Referenzspannung 1.2V beträgt ergibt sich bei einer Versorgungsspannung bis herab zu 2.7V noch keine Begrenzung des Messbereichs für die Batteriespannung von bis zu 25.5V.

Der Ladestrom wird über Analogeingang RA0 gemessen.

Mit der gewählten Dimensionierung für R4/R5 ergibt sich ein Messbereich von 25.5V für die Batteriespannung. Der Strombereich ist für ca. 240mA ausgelegt.

An Pin RB6 wird schließlich das Schaltsignal für die Endstufe erzeugt.

=== Bedienteil ===

[[Bild:BMON_1048_HMI.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Bedienteil]]

Aus Platzgründen (Frontplatte des EG2-Gehäuses von ProMa) konnte leider nur ein 2-stelliges LC-Display verwendet werden. Um dennoch Spannungen größer 9.9V darstellen zu können wird der führende Dezimalpunkt als Zehner-Stelle verwendet. Ab 20.0V fängt dann der Dezimalpunkt an zu blinken. Bei Verwendung eines 3 oder 4-stelligen Displays würde man anstelle des führenden Dezimalpunktes beide Segmente für die führende "1" anschließen.
Der Kondensator C5 hält Gleichspannungssignale vom Display fern. Dies ist insbesonders nützlich beim Flashen bzw. in der Debugging Phase.

J1 ist die Verbindung zur Mutterplatine. Dort kann noch ein zweiter Taster parallel zum Taster auf der Frontplatte angeschlossen werden. R7 dient als Kurzschlußschutz bzw. zur Stromreduzierung des Schaltsignals.

=== Endstufe ===

[[Bild:BMON_1048_POWER.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Endstufe LT1763]]

Die Endstufe ist außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Damit ergibt sich maximale Flexibilität von wenigen mA bis zu mehreren Ampere über einen BSS138 Treiber mit BTS555 Endstufe. Der Anschluss an die BMON1048 Leiterplatte erfolgt über Buchsenleisten auf der Leiterplatte mit der Endstufe. Die Stecker für den Ladeteil und den Prozessorteil sind getrennt ausgeführt. Damit können die Messleitungen direkt am Batteriepack angeschlossen werden (4-Leiter Anschluss). Übergangswiderstände am Stecker und der Leitungen haben dann weniger Einfluss auf die Messung.

Hier ist ein Beispiel für eine Endstufe mit LT1763 für maximal 20V Ladeendspannung gezeigt. Im ausgeschalteten Zustand verbraucht der Spannungsregler weniger als 1uA zusätzlich. Der Ruhestrom mit 30uA ist ebenfalls ein guter Wert. C10 ist vorzugsweise ein Folienkondensator (geringer Mikrofonieeffekt) zur Rauschunterdrückung. Die Ausgangsspannung wird mit R11+R12 auf 14.0 V eingestellt.

== Software ==

Die Software hat folgende Funktionen:

* Messen der Spannung und des Stroms linksbündig als 10 Bit Wert
* Verrechnung eines Korrekturfaktors aus EEPROM für Feinabgleich
* Anzeige der Spannung auf Display
* Als Timer dient der Watchdog mit 16ms Periode
* Die 30 Hz Wechselspannung für das Display wird hieraus abgeleitet
* Im Ladebetrieb erfolgt die Anzeige des Stroms im Wechsel mit der Spannung
* Unterhalb 1.15V/Zelle abschalten der Last (Spannungsanzeige blinkt)
* Oberhalb 1.25V/Zelle wiedereinschalten der Last
* Bei Tastendruck länger als 5 Sekunden wird die Last manuell ein-/ausgeschaltet
* Bei Spannungseinbruch > 0.6V/Minute wird ebenfalls abgeschaltet
* Alle Parameter wie Zellenzahl + Hysterese sind im Header konfigurierbar

<c>
#define Cells 12 ; # number of cells
#define mV * 256 * 51/1051/1235 ; 25,6V * 5K1/(100K+5K1)/VRef
#define VOn Cells * 1250 mV ; high hysteresis
#define VOff Cells * 1150 mV ; low hysteresis
#define VOLT_SEC 10 ; check every 10 seconds
#define VDIFF 600 mV ; voltage drop / minute
#define mA * 1 ; 1 mA / count
#define CURR_MIN 10 mA ; min current to display
</c>

Die Software ist mit MPASM 5.40 (MPLAB 8.70) erstellt. Die Bit-Schubsereien für das Display werden mit Tabellen in Page 0 für alle 3 Ports A-C und die Digits 1-2 abgehandelt.

Bei der Initialisierung wird erst die Hardware initialisiert und danach alle Variablen einschließlich der Kalibrierparameter die aus dem EEPROM gelesen werden. Die Kalibrierfaktoren sind im 2er Komplement als 16 Bit signed Wert gespeichert. Ein Abgleich von +/- 50% entspricht +/-32768 als Wert.

Die meiste Zeit verbringt der Prozessor im sleep mode. Alle 16 ms weckt der Watchdog den Prozessor auf, um die Pins für die Anzeige zu invertieren. Alle Sekunde finden zusätzlich noch Messfunktionen einschließlich update der Anzeige sowie die Tastenabfrage statt.
Um Zeit (und damit Strom) zu sparen wird die Wartezeit aufs ADC-Ergebnis genutzt um eine Tastenentprellung bzw. die Vorverarbeitung der Spannungsmessung während der Strommessung durchzuführen.
Alle 10 Sekunden wird das High-Byte des Spannungswertes in einen Ringpuffer mit 6 Einträgen für die vergangene Minute eingetragen. Dies dient unterhalb der Einschaltschwelle zum Detektieren eines plötzlichen Spannungsabfalls falls eine Zelle schneller entladen ist als die übrigen im Pack.

== Aufbau ==

<gallery>
Bild:Loetseite_IMG0964W.JPG|BMON1048 - Lötseite
Bild:BMON1048_BS_IMG0968W.JPG|Bestückungsseite
Bild:BMON1048_BST_LS.PNG|Position LS
Bild:BMON1048_BST_BS.PNG|Position BS
</gallery>

=== Lötseite ===

Die Leiterplatte ist doppelseitig. Die meisten Durchkontaktierungen liegen auf bedrahteten Bauelementen so dass eine durchkontaktierte Leiterplatte nicht zwingend nötig ist. Die drei Durchkontaktierungen im Bereich des Programmiersteckers können auch mit Kupferhohlnieten oder einer Drahtbrücke bestückt werden.

Am besten beginnt man nach Durchkontaktieren mit der Bestückung auf der Lötseite. C18, C19 sowie U5 sind im Muster nicht bestückt.

=== Bestückungsseite ===

Auf der Bestückungsseite werden zuerst die Bauteile unter dem Display sowie die Widerstände unter dem L200 bestückt. Einige bedrahtete Bauteile müssen auf beiden Seiten der Platine verlötet werden, falls keine durchkontaktierte Leiterplatte verwendet wird.

Die Ladebuchse ist auf die Leiterplatte aufgesetzt und mit Silberdraht die Anschlüsse verlängert. Mit dem Verlöten sollte man wie beim L200 so lange warten bis die Frontplatte montiert ist.
In den Layoutdaten ist auch ein Layer für die Frontplatte enthalten der als Bohrhilfe verwendet werden kann.

Der L200 ist über Kopf bestückt, die Anschlussdrähte also gegenüber dem stehenden Einbau auf die andere Seite abgewinkelt. Bei Verwendung von 10mm Distanzbolzen muss als Isolierung mindestens eine 1.5 mm Aluminiumoxidscheibe verwendet werden damit sich die Pins des L200 im montierten Zustand verlöten lassen. Die Frontplatte des EG2-Gehäuses dient hiermit gleichzeitig als Kühlfläche.

C12 muss liegend montiert werden.

Für das Display verwende ich eine 18-polige Präzisionsfassung, die mit dem Seitenschneider auseinander geschnitten wird. Verlöten geht am einfachsten wenn das Display bereits in die Fassung gesteckt ist. Die beiden Pins 1 + 18 für die Backplane sind auf der Leiterplattenoberseite verbunden (Lötung unter der Fassung nicht vergessen).

Der Taster ist eine Ausführung mit langem Stößel wenn die Bedienung ohne Hilfswerkzeug möglich sein soll.

=== Montagedetail L200 ===

[[Bild:BMON1048_L200_IMG0981W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - L200 Montage]]

Montagedetail L200:

* M3 Schraube
* Frontplatte
* Aluminiumoxidscheibe (AOS220 - 1.5mm)
* L200
* Isolierbuchse
* Unterlegscheibe (fehlt im Bild)
* M3 Mutter

=== Frontansichten ===

* Ansicht montiert mit Spannungsanzeige 16.7V
* Ansicht Ladebetrieb mit Stromanzeige 188mA

<gallery>
Bild:BMON1048_Spannung_IMG0965W.JPG|Spannungsanzeige
Bild:BMON1048_Strom_IMG0966W.JPG|Stromanzeige
</gallery>

== Inbetriebnahme und Abgleich ==

Der Ladeteil und der Batteriewächter können auf Grund der getrennten Steckverbinder unabhängig voneinander in Betrieb genommen werden.

=== Ladeteil ===

An einem strombegrenzten Netzteil (ca. 20-100mA) wird die Spannung an der Ladebuchse langsam von 0V an erhöht und die Stromaufnahme gemessen. Der Eigenverbrauch des L200 liegt bei ca. 10mA. Dieser Wert darf nicht wesentlich überschritten werden. Ist alles in Ordnung dreht man die Spannung langsam auf 24V. Die Ausgangsspannung des L200 sollte vor der Verpolschutzdiode D2 gemessen ca. 18.1V sein. Falls nicht kann man durch Feinabgleich des Widerstandes R13 noch etwas korrigieren.
Danach einen Akkusatz anschließen und die Strombegrenzung des Netzteils langsam auf ca. 250mA-300mA drehen. Der Strom in den Akku sollte durch den L200 auf ca. 200 mA begrenzt werden.
Bei vollgeladenem Akku sollte der Strom unter C/50 besser C/100 (also 20-40 mA) zurückgehen. Gegebenenfalls ist die Ladeendspannung etwas zu reduzieren.

=== Prozessorteil ===

Zunächst wird der Prozessor mit einem Programmiergerät geflasht. Bei Verwendung des FET-Spannungsreglers darauf achten dass die Spannungsversorgung für den Prozessor vom Programmiergerät (z.B. PICKIT3) zur Verfügung gestellt wird.
Hierbei darauf achten dass die nominalen Kalibrierwerte im EEPROM nicht zu weit von den Defaultwerten abweichen.
Bei der Spannung ist der Defaultwert = 0x00, 0x00 (= Faktor 1.0)
Beim Strom ist die Verstärkung nicht ganz auf einen Strom-Endwert von 255mA ausgelegt sondern etwa 5 Prozent tiefer. Der nominale Kalibrierwert für den Strom beträgt daher 0xF3, 0x1B (= Faktor 0.94963).

Nach dem Flashen wird an die beiden mittleren Pins von J1 eine Spannung von ca. 5V angeschlossen. Ist alles ok sollte das Display die Spannung blinkend anzeigen. Der Ausgang J1 PIN 1 weist Low-Pegel auf. Die Spannung wird langsam auf ca. 20V (max. 25V) erhöht und die prozentuale Abweichung zwischen Sollwert und Anzeige berechnet. Ab ca. 15. V verschwindet das Blinken und der Ausgang wechselt auf High-Pegel (>2.4V). Unterhalb ca. 13.8V wird die Last wieder abgeschaltet und das Display blinkt wieder.
Danach wird ein Akku (15-17V) an Prozessorteil und Ladeteil angeschlossen. Über ein strombegrenztes Netzteil werden ca. 180mA Ladestrom in den Akku eingestellt. Die Anzeige zeigt jetzt im Wechsel die Akkuspannung und den Ladestrom an. Wiederum wird die prozentuale Abweichung vom tatsächlichen Ladestrom berechnet.
Die prozentualen Abweichungen werden auf die existierenden Kalibrierwerte multipliziert und dann nach einem MPASM-Lauf ins EEPROM geschrieben. Bei Verwendung von MPLAB darauf achten dass im "Release" Modus und nicht im "Debug" Modus gearbeitet wird.

Danach ist der Batteriewächter einsatzbereit.

== Praxis und Ideen ==

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|BMON1035 Stromverbrauch 9.7uA bei 9.3V]]

Anbei ein Aufbau einer Vorgängerversion ohne Ladestrommessung (BMON1035) mit einem Stromverbrauch um 9.7 uA (schwankend) bei einem frisch aufgeladenen Akku mit 9.3V. An einem BMON1048 mit Strommessung habe ich 10-12uA gemessen. Wobei der Stromverbrauch auch von der tatsächlichen Versorgungsspannung des Prozessors abhängt.

Ich habe 2 Schaltungen mit ca. 30 mA Last seit 2.5 Jahren im Dauerbetrieb mit je 12 AA-Zellen und täglichem Ladebetrieb. Der erste Akkusatz zeigt seit letztem Sommer (bis zu 32 Grad Raumtemperatur während dem Laden) einen erhöhten Innenwiderstand. Der Ladestrom bei vollem Akku lag hierbei bei erhöhter Temperatur bei 60-70mA.

Die Spannungsdifferenz beim Einstecken / Entfernen des Ladegerätes ist bei diesem Akkusatz ca. 1V. Bei niedrigen Spannungen unter 15V und kurzem Ladebetrieb wird hierdurch die Last ungewollt abgeworfen. Das Kriterium 0.6V Abfall innerhalb einer Minute wird überschritten.
Der andere Akkusatz liegt immer noch bei 0.2V Differenz zwischen Normal und Ladebetrieb.

Ganz oben auf der Wunschliste steht der vereinfachte Abgleich der Kalibrierwerte im EEPROM. Denkbar wäre irgendein Morsecode über den Taster oder ein Jumper an einem freien Pin um den Abgleich bei angelegten Referenzwerten zu starten.

Freier Speicherplatz ist jedenfalls genügend vorhanden. Wobei Sonderfunktionen nur selten gerechnet werden sollten um den Stromverbrauch nicht zu stark zu erhöhen.

Die führende "1" wird derzeit wegen des 2-stelligen Displays als Dezimalpunkt angezeigt. Bei einem 3-stelligen Display würde man anstelle des Dezimalpunktes die beiden Segmente "b" und "c" für die "1" parallel ansteuern.

Ideen:
* Temperaturkompensation der End-Ladespannung mittels NTC / Dioden
* Alternativ: Abschaltung des Ladezweigs per Prozessor-Pin wenn der Ladestrom bei der Endspannung eingeschwungen ist
* Lernfunktion Berücksichtigung Spannungsdifferenz bei Ladebetrieb für Abschaltkriterium
* Automatisiertes Speichern der Abgleichwerte im EEPROM

== Downloads ==

* [[Media:BMON1048_MPASM.ZIP| Source code für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_Schaltbild.pdf| Schaltplan für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_gcprevue.zip| Layout (Gerber) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_PDF.zip| Layout (PDF) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_STK.txt| Stückliste Batteriewächter BMON1048]]

== Weblinks ==

* [http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00000053.pdf L200_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BSS84.pdf BSS84P_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF245A-B-C.pdf BF245C_Datasheet]
* [http://www.torex.co.jp/english/products/voltage_regulators/data/XC6216_XE6216.pdf XC6216_Datasheet]
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39631e.pdf PIC18F2520_Datasheet]
* [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm285-1.2-n.pdf LM385Z-1.2_Datasheet]
* [http://www.fairchildsemi.com/ds/BS/BSS138.pdf BSS138_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Hintergrund-gruen/LCD-2-0-13/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=3005&ARTICLE=10179&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& LCD-2-13]
* [http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1763fg.pdf LT1763_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Proma-Gehaeuse/GEH-EG-2/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=5199&ARTICLE=50424&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& Gehäuse_EG2]
* [http://www.graphicode.com/ GC-Prevue Gerber viewer]

== Siehe auch ==

* [http://www.mikrocontroller.net/topic/288063 Forum: Diskussion zu diesem Projekt]

[[Kategorie:Wettbewerb]]
[[Kategorie:PIC-Projekte]]
[[Kategorie:Spannungsversorgung_und_Energiequellen]]
[[Kategorie:Messtechnik]]
[[Kategorie:Projekte]]

Datei:BMON1048 STK.txt

2013-02-27T20:58:51Z

An ja: hat eine neue Version von „Datei:BMON1048 STK.txt“ hochgeladen: Bezugsquellen

BMON1048 Stückliste für Batteriewächter von Anja

Datei:BMON1048 STK.txt

2013-02-27T20:56:28Z

An ja: hat eine neue Version von „Datei:BMON1048 STK.txt“ hochgeladen: Bezugsquellen

BMON1048 Stückliste für Batteriewächter von Anja

Datei:BMON1048 STK.txt

2013-02-27T20:52:51Z

An ja: hat eine neue Version von „Datei:BMON1048 STK.txt“ hochgeladen: Bezugsquellen

BMON1048 Stückliste für Batteriewächter von Anja

Batteriewächter

2013-02-24T19:41:06Z

An ja: Überarbeitung

''von Anja'' (in Arbeit)

{{Wettbewerb Header}}

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|Batteriewächter]]
Der Batteriewächter liefert bei Unterspannung eines 12 AA Batteriepacks ein Signal um die Last abzuwerfen. Ein einfaches Ladeteil sowie eine Batteriespannungsanzeige sind für die Frontplatte eines EG2-Gehäuses ausgelegt. Für andere Zellkonfigurationen ab 3-4 Zellen aufwärts kann die Schaltung durch Umdimensionierung der Spannungsteilerwiderstände leicht angepasst werden. Der Stromverbrauch beträgt nur etwa 10uA.
Auf Grund des geringen Stromverbrauchs und der geringen Mindestspannung von ca 2.5V ist auch eine Anwendung als Panelmeter denkbar das aus dem Meßwert gespeist wird.

== Vorgeschichte ==

Eigentlich wollte ich nur eine einfache Anzeige für meine Akku gespeisten Referenzen: wann müssen die 9V-Blocks wieder ans Ladegerät. Ein einfaches Drehspulinstrument hätte es getan. Allerdings brauchen diese relativ viel Strom im Verhältnis zu einer ISL21009. Und bei einer Empfindlichkeit von 100uA sind sie auch nicht ganz billig.

Die nächste Idee: Eine low power Referenz und ein Komparator (oder gleich einen ICL7665). Nur: Was dann als Anzeige nehmen? Selbst eine low current LED braucht einige 100uA für die Anzeige.

Alternative Anzeigen wären eine einfache LCD Balkenanzeige wie im Handy. Diese sind allerdings nicht im DIP 8 Gehäuse erhältlich. Als Alternative bleiben eigentlich nur passive LC-Anzeigen mit 2-4 Digits.

Das ganze zu Takten war die nächste Idee. Also wie beim Rauchmelder nur kurze Meß- und Anzeigephasen um Strom zu sparen.

In der Zwischenzeit waren auch Referenzen im Programm die eine Mindestspannung von 9 oder 14V benögigen. Die Anzahl der Zellen (8-12) also so gewachsen daß die 16V des ICL7665 oder gängiger CMOS Logik nicht mehr ausreichen.

Schön wäre auch eine "richtige" Spannungsanzeige - also muß ein Prozessor her. Nachdem auch die ersten 9V-Blocks Schwächen wegen Tiefentladung zeigten sollte das ganze auch einen Unterspannungsschutz haben.

Zum damaligen Zeitpunkt gab es nur wenige Spannungsregler mit Eingangsspannungen bis 20 oder 25V und Eigenstromverbrauch unter 20uA. Und die auch nur von Farnell also für Privat quasi unobtanium.

Eine Idee hatte ich schon länger um z.B. Uhrenchips im 12V-System zu betreiben: Ein normaler Sperrschicht-FET hat eine negative UGS-Spannung. Wenn man das Gate also an Masse anschließt müßte am Source eine halbwegs stabile Backup-Spannung übrig bleiben. Und das auch noch ohne daß der Spannungsregler einen nennenswerten Strom braucht.

Der Ehrgeiz war geweckt es müßte doch möglich sein einen prozessorgesteuerten Komparator mit Spannungsanzeige bei unter 20uA Stromverbrauch mit Versorgung direkt aus der Batterie im Bereich 5-20V zu entwickeln ...

== Blockschaltbild ==

[[Bild:BMON_1048_BLOCK.PNG|thumb|right|350px|BMON148 - Blockschaltbild]]

Die Schaltung auf der Leiterplatte umfaßt ein einfaches Ladeteil mit L200. Die Speisung erfolgt mit einem externen 24V Steckernetzteil. Ein Low-Power Spannungsregler erzeugt die VCC-Versorgung für den Prozessorteil. Der Prozessor mißt die Akkuspannung sowie den Ladestrom und erzeugt das Steuersignal für die Endstufe. Auf dem Display wird die Akkuspannung sowie der Ladestrom angezeigt. Der Taster dient zum Ein-/Ausschalten der Last. Da der Leistungsteil je nach Last sehr unterschiedlich sein kann (z.B. BTS555 für Hochstromanwendungen) ist er außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Als Schaltungsbeispiel wird eine Endstufe mit LT1763 gezeigt.

=== Ladeteil ===

[[Bild:BMON_1048_L200.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Ladeteil]]

Das Ladeteil ist eine Standardapplikation mit L200 ergänzt um einen Spannungsausgang für die Strommessung.
Die maximale Ladespannung wird mittels Spannungsteiler R12 zu R11 eingestellt. R13 ist parallel zu R12 und wird für den Feinabgleich der Ausgangsspannung verwendet. Auf der Leiterplatte sind die Widerstände wahlweise als SMD (R11..R13) oder bedrahtet (R11A..R13A) bestückbar. R11A ist mit 820 Ohm bestückt. R12A mit 4K7 parallel zu R13A mit 130k ergibt 4K54. Die Ausgangsspannung von 18.1 V ergibt sich aus der Referenzspannung von 2.77V des L200 * (1 + 4540R/820R). R14 begrenzt den Strom auf ca. 200 mA (0.45V / 2R2).
Diode D2 verhindert ein Entladen des Akkus wenn das Steckernetzteil nicht angeschlossen ist. D3 dient als Verpolschutz.
Die Schaltung um U3 verstärkt die Spannung über dem Strombegrenzungswiderstand. Es muß zwingend ein OP verwendet werden dessen common mode input range an die positive Versorgung reicht. Bei einem TL062 ist dies bei normalen Raumtemperaturen gegeben. Die Spannung über R14 wird im Verhältnis R16/R15 = 2.32 fach verstärkt. Bei 200mA also 450mV am Strombegrenzungswiderstand ergibt sich für den ADC-Eingang eine Spannung von 1.04V über R16.
L1,L2 sowie C15-C19 bilden ein optional bestückbares EMV-Filter. C18+C19 filtern hierbei die Störungen über einen M3 Distanzbolzen auf das Aluminiumgehäuse.

=== Spannungsregler ===

[[Bild:BMON_1048_VCC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Spannungsregler BF245C]]

Es gibt 2 alternative Bestückungsvarianten:

U5 ist ein low power Spannungsregler XC6216 von Torex. An Ein- und Ausgang werden 1uF Kondensatoren benötigt. Der Ruhestromverbrauch ist mit 5uA im Datenblatt angegeben.

Da mir das vieeel zu hoch ist habe ich einen Sperrschicht-FET als Spannungsregler verwendet. Ein BF245C hat bei kleinen Strömen je nach Exemplarstreuung eine Gate/Source Spannung von -3.2 .. -7.5 V zwischen Gate und Source.
Wenn man jetzt das Gate auf Masse legt, und an Drain die ungeregelte Eingangsspannung, bleibt am Source eine Ausgangsspannung von +3.2 bis 7.5V.
Da der nachgeschaltete Prozessor maximal 5.5V Spannung verträgt müssen die FETs selektiert werden. Bei der maximalen Eingangsspannung und minimaler Last (also nur die 10 Meg-Ohm des Meßinstrumentes) dürfen die 5.5V nicht überschritten werden. Bei der typischen Last von 10uA entsprechend 330K sollten mindestens ca. 3.8V als minimale Spannung übrig bleiben.

Beim Austesten auf dem Steckbrett habe ich herausgefunden daß der FET relativ empfindlich auf Störimpulse reagiert und teilweise hierdurch auch hohe Spannungen an den Ausgang durchläßt. Abhilfe schaffen Abblockkondensatoren an Ein- und Ausgang. Im Gegensatz zum XC6216 reichen für den FET normale 100nF Abblockkondensatoren. Die Diode D1 dient als Verpolschutz. R2 begrenzt beim FET schnelle Spannungsanstiege sowie den Maximalstrom. Das Austesten auf dem Steckbrett sollte mit den Abblock-Cs und der Schutzbeschaltung erfolgen.

Von 10 getesteten FETs hatten alle eine maximale Spannung im Bereich 4.57 bis 4.80 V bei 25V Eingangsspannung. Bei Belastung mit 1K-Ohm und 9V Eingangsspannung habe ich 2.61V bis 2.77V gemessen. Der Regler hat also ausreichend Reserven. Die Mühe des Selektierens wird belohnt durch einen Stromverbrauch von nicht meßbaren wenigen nA für den Spannungsregler.

R2 sollte bei Verwendung des XC6216 durch einen 0 Ohm Widerstand ersetzt werden. Allerdings habe ich diese Schaltungsvariante noch nicht getestet.

=== Prozessorteil ===

[[Bild:BMON_1048_PIC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Prozessorteil]]

Als Prozessor wird ein PIC18F2520 verwendet. Es ist quasi der low power Nachfolger eines PIC16F876. Der Strom mit internem Oszillator beträgt ca 1mA. Um den Stromverbrauch zu reduzieren ist der Prozessor hauptsächlich im Sleep Mode und wird nur alle 16ms aufgeweckt um die Flanken für die Wechselspannung von 30Hz für die passive LC-Anzeige zu generieren, die auch die meisten Pins benötigt. C4 mit 10uF puffert kurze Stromspitzen in der Aufwachphase. C7 mindert EMV-Störungen.

Die Batteriespannung wird über Spannungsteiler R4/R5 an Pin RA2 gemessen. U2 sorgt mit R3 für eine stabile Referenz von 1.235V auch bei schwankenden Versorgungsspannungen. Kurzzeitig werden für den Referenzeingang bis zu 150uA und für die Referenzdiode bis zu 20uA benötigt. Da kein Abblockkondensator an der Referenz verwendet wird, ist R3 relativ niederohmig dimensioniert.

Die Stromsparfunktionen werden alle mit PIN RA1 gesteuert. Die Auswertung der Eingänge erfolgt nur ein Mal je Sekunde. Dies betrifft R3 als Versorgung für die Referenzdiode sowie R6 als pull up Widerstand für den Taster. Über T2 wird der Spannungsteiler für die Batteriespannung stromlos geschaltet. Der BSS138 ist ein FET mit geringer UGS threshold voltage von max. 1.5V. Er begrenzt also am Source die Drain-Spannung auf VCC-1.5V. Da die Referenzspannung 1.2V beträgt ergibt sich bei einer Versorgungsspannung bis herab zu 2.7V noch keine Begrenzung des Meßbereiches für die Batteriespannung von bis zu 25.5V.

Der Ladestrom wird über Analogeingang RA0 gemessen.

Mit der gewählten Dimensionierung für R4/R5 ergibt sich ein Meßbereich von 25.5V für die Batteriespannung. Der Strombereich ist für ca 240mA ausgelegt.

An Pin RB6 wird schließlich das Schaltsignal für die Endstufe erzeugt.

=== Bedienteil ===

[[Bild:BMON_1048_HMI.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Bedienteil]]

Aus Platzgründen (Frontplatte des EG2-Gehäuses von ProMa) konnte leider nur ein 2-stelliges LC-Display verwendet werden. Um dennoch Spannungen größer 9.9V darstellen zu können wird der führende Dezimalpunkt als Zehner-Stelle verwendet. Ab 20.0V fängt dann der Dezimalpunkt an zu blinken. Bei Verwendung eines 3 oder 4-stelligen Displays würde man anstelle des führenden Dezimalpunktes beide Segmente für die führende "1" anschließen.
Der Kondensator C5 hält Gleichspannungssignale vom Display fern. Dies ist insbesonders nützlich beim Flashen bzw. in der Debugging Phase.

J1 ist die Verbindung zur Mutterplatine. Dort kann noch ein zweiter Taster parallel zum Taster auf der Frontplatte angeschlossen werden. R7 dient als Kurzschlußschutz bzw. zur Stromreduzierung des Schaltsignals.

=== Endstufe ===

[[Bild:BMON_1048_POWER.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Endstufe LT1763]]

Die Endstufe ist außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Damit ergibt sich maximale Flexibilität von wenigen mA bis zu mehreren Ampere über einen BSS138 Treiber mit BTS555 Endstufe. Der Anschluß an die BMON1048 Leiterplatte erfolgt über Buchsenleisten auf der Leiterplatte mit der Endstufe. Die Stecker für den Ladeteil und den Prozessorteil sind getrennt ausgeführt. Damit können die Meßleitungen direkt am Batteriepack angeschlossen werden (4-Leiter Anschluß). Übergangswiderstände am Stecker und der Leitungen haben dann weniger Einfluß auf die Messung.

Hier ist ein Beispiel für eine Endstufe mit LT1763 für maximal 20V Ladeendspannung gezeigt. Im ausgeschalteten Zustand verbraucht der Spannungsregler weniger als 1uA zusätzlich. Der Ruhestrom mit 30uA ist ebenfalls ein guter Wert. C10 ist vorzugsweise ein Folienkondensator (geringer Mikrofonieeffekt) zur Rauschunterdrückung. Die Ausgangsspannung wird mit R11+R12 auf 14.0 V eingestellt.

== Software ==

Die Software hat folgende Funktionen:

* Messen der Spannung und des Stroms linksbündig als 10 Bit Wert
* Verrechnung eines Korrekturfaktors aus EEPROM für Feinabgleich
* Anzeige der Spannung auf Display
* Als Timer dient der Watchdog mit 16ms Periode
* Die 30 Hz Wechselspannung für das Display wird hieraus abgeleitet
* Im Ladebetrieb erfolgt die Anzeige des Stroms im Wechsel mit der Spannung
* Unterhalb 1.15V/Zelle abschalten der Last (Spannungsanzeige blinkt)
* Oberhalb 1.25V/Zelle wiedereinschalten der Last
* Bei Tastendruck länger als 5 Sekunden wird die Last manuell ein-/ausgeschaltet
* Bei Spannungseinbruch > 0.6V/Minute wird ebenfalls abgeschaltet
* Alle Parameter wie Zellenzahl + Hysterese sind im Header konfigurierbar

<c>
#define Cells 12 ; # number of cells
#define mV * 256 * 51/1051/1235 ; 25,6V * 5K1/(100K+5K1)/VRef
#define VOn Cells * 1250 mV ; high hysteresis
#define VOff Cells * 1150 mV ; low hysteresis
#define VOLT_SEC 10 ; check every 10 seconds
#define VDIFF 600 mV ; voltage drop / minute
#define mA * 1 ; 1 mA / count
#define CURR_MIN 10 mA ; min current to display
</c>

Die Software ist mit MPASM 5.40 (MPLAB 8.70) erstellt. Die Bit-Schubsereien für das Display werden mit Tabellen in Page 0 für alle 3 Ports A-C und die Digits 1-2 abgehandelt.

Bei der Initialisierung wird erst die Hardware initalisiert und danach alle Variablen einschließlich der Kalibrierparameter die aus dem EEPROM gelesen werden. Die Kalibrierfaktoren sind im 2er Komplement als 16 Bit signed Wert gespeichert. Ein Abgleich von +/- 50% entspricht +/-32768 als Wert.

Die meiste Zeit verbringt der Prozessor im Sleep mode. Alle 16 ms weckt der Watchdog den Prozessor auf, um die Pins für die Anzeige zu invertieren. Alle Sekunde finden zusätzlich noch Meßfunktionen einschließlich update der Anzeige sowie die Tasterabfrage statt.
Um Zeit (und damit Strom) zu sparen wird die Wartezeit aufs ADC-Ergebnis genutzt um eine Tastenentprellung bzw. die Vorverarbeitung der Spannungsmessung während der Strommessung durchzuführen.
Alle 10 Sekunden wird das High-Byte des Spannungswertes in einen Ringpuffer mit 6 Einträgen für die vergangene Minute eingetragen. Dies dient unterhalb der Einschaltschwelle zur Detektierung eines plötzlichen Spannungsabfalls falls eine Zelle schneller entladen ist als die übrigen im Pack.

== Aufbau ==

<gallery>
Bild:Loetseite_IMG0964W.JPG|BMON1048 - Lötseite
Bild:BMON1048_BS_IMG0968W.JPG|Bestückungsseite
Bild:BMON1048_BST_LS.PNG|Position LS
Bild:BMON1048_BST_BS.PNG|Position BS
</gallery>

=== Lötseite ===

Die Leiterplatte ist doppelseitig. Die meisten Durchkontaktierungen liegen auf bedrahteten Bauelementen so daß eine durchkontaktierte Leiterplatte nicht zwingend nötig ist. Die drei Durchkontaktierungen im Bereich des Programmiersteckers können auch mit Kupferhohlnieten oder einer Drahtbrücke bestückt werden.

Am besten beginnt man nach Durchkontaktieren mit der Bestückung auf der Lötseite. C18, C19 sowie U5 sind im Muster nicht bestückt.

=== Bestückungsseite ===

Auf der Bestückungsseite werden zuerst die Bauteile unter dem Display sowie die Widerstände unter dem L200 bestückt. Einige bedrahtete Bauteile müssen auf beiden Seiten der Platine verlötet werden, falls keine durchkontaktierte Leiterplatte verwendet wird.

Die Ladebuchse ist auf die Leiterplatte aufgesetzt und mit Silberdraht die Anschlüsse verlängert. Mit dem Verlöten sollte man wie beim L200 so lange warten bis die Frontplatte montiert ist.
In den Layoutdaten ist auch ein Layer für die Frontplatte enthalten der als Bohrhilfe verwendet werden kann.

Der L200 ist über Kopf bestückt, die Anschlußdrähte also gegenüber dem stehenden Einbau auf die andere Seite abgewinkelt. Bei Verwendung von 10mm Distanzbolzen muß als Isolierung mindestens eine 1.5 mm Aluminiumoxidscheibe verwendet werden damit sich die Pins des L200 im montierten Zustand verlöten lassen. Die Frontplatte des EG2-Gehäuses dient hiermit gleichzeitig als Kühlfläche.

C12 muß liegend montiert werden.

Für das Display verwende ich eine 18-polige Präzisionsfassung, die mit dem Seitenschneider auseinander geschnitten wird. Verlöten geht am einfachsten wenn das Display bereits in die Fassung gesteckt ist. Die beiden Pins 1 + 18 für die Backplane sind auf der Leiterplattenoberseite verbunden (Lötung unter der Fassung nicht vergessen).

Der Taster ist eine Ausführung mit langem Stößel wenn die Bedienung ohne Hilfswerkzeug möglich sein soll.

=== Montagedetail L200 ===

[[Bild:BMON1048_L200_IMG0981W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - L200 Montage]]

Montagedetail L200:

* M3 Schraube
* Frontplatte
* Aluminiumoxidscheibe (AOS220 - 1.5mm)
* L200
* Isolierbuchse
* Unterlegscheibe (fehlt im Bild)
* M3 Mutter

=== Frontansichten ===

* Ansicht montiert mit Spannungsanzeige 16.7V
* Ansicht Ladebetrieb mit Stromanzeige 188mA

<gallery>
Bild:BMON1048_Spannung_IMG0965W.JPG|Spannungsanzeige
Bild:BMON1048_Strom_IMG0966W.JPG|Stromanzeige
</gallery>

== Inbetriebnahme und Abgleich ==

Der Ladeteil und der Batteriewächter können auf Grund der getrennten Steckverbinder unabhängig voneinander in Betrieb genommen werden.

=== Ladeteil ===

An einem strombegrenzten Netzteil (ca 20-100mA) wird die Spannung an der Ladebuchse langsam von 0V an erhöht und die Stromaufnahme gemessen. Der Eigenverbrauch des L200 liegt bei ca 10mA. Dieser Wert darf nicht wesentlich überschritten werden. Ist alles in Ordnung dreht man die Spannung langsam auf 24V. Die Ausgangsspannung des L200 sollte vor der Verpolschutzdiode D2 gemessen ca 18.1V sein. Falls nicht kann man durch Feinabgleich des Widerstandes R13 noch etwas korrigieren.
Danach einen Akkusatz anschließen und die Strombegrenzung des Netzteils langsam auf ca 250mA-300mA drehen. Der Strom in den Akku sollte durch den L200 auf ca 200 mA begrenzt werden.
Bei voll geladenem Akku sollte der Strom unter C/50 besser C/100 (also 20-40 mA) zurückgehen. Gegebenenfalls ist die Ladeendspannung etwas zu reduzieren.

=== Prozessorteil ===

Zunächst wird der Prozessor mit einem Programmiergerät geflasht. Bei Verwendung des FET-Spannungsreglers darauf achten daß die Spannungsversorgung für den Prozessor vom Programmiergerät (z.B. PICKIT3) zur Verfügung gestellt wird.
Hierbei darauf achten daß die nominalen Kalibrierwerte im EEPROM nicht zu weit von den Defaultwerten abweichen.
Bei der Spannung ist der Defaultwert = 0x00,0x00 (= Faktor 1.0)
Beim Strom ist die Verstärkung nicht ganz auf einen Strom-Endwert von 255mA ausgelegt sondern etwa 5 Prozent tiefer. Der nominale Kalibrierwert für den Strom beträgt daher 0xF3, 0x1B (= Faktor 0.94963).

Nach dem Flashen wird an die beiden mittleren Pins von J1 eine Spannung von ca. 5V angeschlossen. Ist alles ok sollte das Display die Spannung blinkend anzeigen. Der Ausgang J1 PIN 1 weist Low-Pegel auf. Die Spannung wird langsam auf ca 20V (max 25V) erhöht und die prozentuale Abweichung zwischen Sollwert und Anzeige berechnet. Ab ca 15. V verschwindet das Blinken und der Ausgang wechselt auf High-Pegel (>2.4V). Unterhalb ca 13.8V wird die Last wieder abgeschaltet und das Display blinkt wieder.
Danach wird ein Akku (15-17V) an Prozessorteil und Ladeteil angeschlossen. Über ein strombegrenztes Netzteil werden ca 180mA Ladestrom in den Akku eingestellt. Die Anzeige zeigt jetzt im Wechsel die Akkuspannung und den Ladestrom an. Wiederum wird die prozentuale Abweichung vom tatsächlichen Ladestrom berechnet.
Die prozentualen Abweichungen werden auf die existierenden Kalibrierwerte multipliziert und dann nach einem MPASM-Lauf ins EEPROM geschrieben. Bei Verwendung von MPLAB darauf achten daß im "Release" Modus und nicht im "Debug" Modus gearbeitet wird.

Danach ist der Batteriewächter einsatzbereit.

== Praxis und Ideen ==

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|BMON1035 Stromverbrauch 9.7uA bei 9.3V]]

Anbei ein Aufbau einer Vorgängerversion ohne Ladestrommessung (BMON1035) mit einem Stromverbrauch um 9.7 uA (schwankend) bei einem frisch aufgeladenen Akku mit 9.3V. An einem BMON1048 mit Strommessung habe ich 10-12uA gemessen. Wobei der Stromverbrauch auch von der tatsächlichen Versorgungsspannung des Prozessors abhängt.

Ich habe 2 Schaltungen mit ca. 30 mA Last seit 2.5 Jahren im Dauerbetrieb mit je 12 AA-Zellen und täglichem Ladebetrieb. Der erste Akkusatz zeigt seit letzten Sommer (bis zu 32 Grad Raumtemperatur während dem Laden) einen erhöhten Innenwiderstand. Der Ladestrom bei vollem Akku lag hierbei bei erhöhter Temperatur bei 60-70mA.

Die Spannungsdifferenz beim Einstecken / Entfernen des Ladegerätes ist bei diesem Akkusatz ca. 1V. Bei niedrigen Spannungen unter 15V und kurzem Ladebetrieb wird hierdurch die Last ungewollt abgeworfen. Das Kriterium 0.6V Abfall innerhalb einer Minute wird überschritten.
Der andere Akkusatz liegt immer noch bei 0.2V Differenz zwischen Normal und Ladebetrieb.

Ganz oben auf der Wunschliste steht der vereinfachte Abgleich der Kalibrierwerte im EEPROM. Denkbar wäre irgend ein Morsecode über den Taster oder ein Jumper an einem freien Pin um den Abgleich bei angelegten Referenzwerten zu starten.

Freier Speicherplatz ist jedenfalls genügend vorhanden. Wobei Sonderfunktionen nur selten gerechnet werden sollten um den Stromverbrauch nicht zu stark zu erhöhen.

Die führende "1" wird derzeit wegen des 2-stelligen Displays als Dezimalpunkt angezeigt. Bei einem 3-stelligen Display würde man anstelle des Dezimalpunktes die beiden Segmente "b" und "c" für die "1" parallel ansteuern.

Ideen:
* Temperaturkompensation der End-Ladespannung mittels NTC / Dioden
* Alternativ: Abschaltung des Ladezweigs per Prozessorpin wenn der Ladestrom bei der Endspannung eingeschwungen ist
* Lernfunktion Berücksichtigung Spannungsdifferenz bei Ladebetrieb für Abschaltkriterium
* Automatisiertes Speichern der Abgleichwerte im EEPROM

== Downloads ==

* [[Media:BMON1048_MPASM.ZIP| Sourcecode für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_Schaltbild.pdf| Schaltplan für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_gcprevue.zip| Layout (Gerber) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_PDF.zip| Layout (PDF) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_STK.txt| Stückliste Batteriewächter BMON1048]]

== Weblinks ==

* [http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00000053.pdf L200_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BSS84.pdf BSS84P_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF245A-B-C.pdf BF245C_Datasheet]
* [http://www.torex.co.jp/english/products/voltage_regulators/data/XC6216_XE6216.pdf XC6216_Datasheet]
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39631e.pdf PIC18F2520_Datasheet]
* [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm285-1.2-n.pdf LM385Z-1.2_Datasheet]
* [http://www.fairchildsemi.com/ds/BS/BSS138.pdf BSS138_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Hintergrund-gruen/LCD-2-0-13/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=3005&ARTICLE=10179&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& LCD-2-13]
* [http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1763fg.pdf LT1763_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Proma-Gehaeuse/GEH-EG-2/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=5199&ARTICLE=50424&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& Gehäuse_EG2]
* [http://www.graphicode.com/ GC-Prevue Gerber viewer]

== Siehe auch ==

* [http://www.mikrocontroller.net/topic/288063 Forum: Diskussion zu diesem Projekt]

[[Kategorie:Wettbewerb]]
[[Kategorie:PIC-Projekte]]
[[Kategorie:Spannungsversorgung_und_Energiequellen]]
[[Kategorie:Messtechnik]]
[[Kategorie:Projekte]]

Batteriewächter

2013-02-24T18:55:54Z

An ja: /* Weblinks */

''von Anja'' (in Arbeit)

{{Wettbewerb Header}}

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|Batteriewächter]]
Der Batteriewächter liefert bei Unterspannung eines 12 AA Batteriepacks ein Signal um die Last abzuwerfen. Ein einfaches Ladeteil sowie eine Batteriespannungsanzeige sind für die Frontplatte eines EG2-Gehäuses ausgelegt. Für andere Zellkonfigurationen ab 3-4 Zellen aufwärts kann die Schaltung durch Umdimensionierung der Spannungsteilerwiderstände leicht angepasst werden. Der Stromverbrauch beträgt nur etwa 10uA.
Auf Grund des geringen Stromverbrauchs und der geringen Mindestspannung von ca 2.5V ist auch eine Anwendung als aus dem Meßwert gespeistes Panelmeter denkbar.

== Vorgeschichte ==

Eigentlich wollte ich nur eine einfache Anzeige wann die 9V-Blocks für meine Akku gespeisten Referenzen wieder ans Ladegerät müssen. Ein einfaches Drehspulinstrument hätte es getan. Allerdings brauchen diese relativ viel Strom im Verhältnis zu einer ISL21009 und bei einer Empfindlichkeit von 100uA sind sie auch nicht ganz billig.

Die nächste Idee: eine low power Referenz und ein Komparator (oder gleich einen ICL7665). Nur was dann als Anzeige nehmen. Selbst eine low current LED braucht einige 100uA für die Anzeige.

Das ganze zu takten war die nächste Idee. Also wie beim Rauchmelder nur kurze Meß- und Anzeigephasen um Strom zu sparen.

Alternative Anzeigen wären eine einfache LCD Balkenanzeige wie im Handy. Diese sind allerdings nicht im DIP 8 Gehäuse erhältlich. Als Alternative bleiben eigentlich nur passive LC-Anzeigen mit 2-4 Digits.

In der Zwischenzeit waren auch Referenzen im Programm die eine Mindestspannung von 9 oder 14V benögigen. Die Anzahl der Zellen (8-12) also so gewachsen daß die 16V des ICL7665 oder gängiger CMOS Logik nicht mehr ausreichen.

Schön wäre auch eine "richtige" Spannungsanzeige also muß ein Prozessor her. Nachdem auch die ersten 9V-Blocks Schwächen wegen Tiefentladung zeigten sollte das ganze auch einen Unterspannungsschutz haben.

Zum damaligen Zeitpunkt gab es nur wenige Spannungsregler mit Eingangsspannungen bis 20 oder 25V und Eigenstromverbrauch unter 20uA. Und die auch nur von Farnell also für Privat quasi unobtanium.

Eine Idee hatte ich schon länger um z.B. Uhrenchips im 12V-System zu betreiben: Ein normaler Sperrschicht-FET hat eine negative UGS-Spannung. Wenn man das Gate also an Masse Anschließt müßte am Source eine halbwegs stabile Backup-Spannung übrig bleiben. Und das auch noch ohne daß der Spannungsregler einen nennenswerten Strom braucht.

Der Ehrgeiz war geweckt es müßte doch möglich sein einen prozessorgesteuerten Komparator mit Spannungsanzeige bei unter 20uA Stromverbrauch mit Versorgung direkt aus der Batterie im Bereich 5-20V zu entwickeln ...

== Blockschaltbild ==

[[Bild:BMON_1048_BLOCK.PNG|thumb|right|350px|BMON148 - Blockschaltbild]]

Die Schaltung auf der Leiterplatte umfaßt ein einfaches Ladeteil mit L200. Die Speisung erfolgt mit einem externen 24V Steckernetzteil. Ein Low-Power Spannungsregler erzeugt die VCC-Versorgung für den Prozessorteil. Der Prozessor mißt die Akkuspannung sowie den Ladestrom und erzeugt das Steuersignal für die Endstufe. Auf dem Display wird die Akkuspannung sowie der Ladestrom angezeigt. Der Taster dient zum Ein-/Ausschalten der Last. Da der Leistungsteil je nach Last sehr unterschiedlich sein kann (z.B. BTS555 für Hochstromanwendungen) ist er außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Als Schaltungsbeispiel wird eine Endstufe mit LT1763 gezeigt.

=== Ladeteil ===

[[Bild:BMON_1048_L200.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Ladeteil]]

Das Ladeteil ist eine Standardapplikation mit L200 ergänzt um einen Spannungsausgang für die Strommessung.
Die maximale Ladespannung wird mittels Spannungsteiler R12 zu R11 eingestellt. R13 ist parallel zu R12 und wird für den Feinabgleich der Ausgangsspannung verwendet. Auf der Leiterplatte sind die Widerstände wahlweise als SMD (R11A..R13A) oder bedrahtet bestückbar. R11 ist mit 820 Ohm bestückt. R12 mit 4K7 parallel zu R13 mit 130k ergibt 4K54. Die Ausgangsspannung von 18.1 V ergibt sich aus der Referenzspannung von 2.77V des L200 * (1 + 4540R/820R). R14 begrenzt den Strom auf ca 200 mA (0.45V / 2R2).
Diode D2 verhindert ein entladen des Akkus wenn das Steckernetzteil nicht angeschlossen ist. D3 dient als Verpolschutz.
Die Schaltung um U3 verstärkt die Spannung über dem Strombegrenzungswiderstand. Es muß zwingend ein OP verwendet werden dessen common mode input range an die positive Versorgung reicht. Bei einem TL062 ist dies bei normalen Raumtemperaturen gegeben. Die Spannung über R14 wird im Verhältnis R16/R15 = 2.32 fach verstärkt. Bei 200mA also 450mV am Strombegrenzungswiderstand ergibt sich für den ADC-Eingang eine Spannung von 1.04V über R16.
L1,L2 sowie C15-C19 bilden ein optional bestückbares EMV-Filter. C18+C19 filtern hierbei die Störungen über einen M3 Distanzbolzen auf das Aluminiumgehäuse.

=== Spannungsregler ===

[[Bild:BMON_1048_VCC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Spannungsregler BF245C]]

Es gibt 2 alternative Bestückungsvarianten:

U5 ist ein low power Spannungsregler XC6216 von Torex. An Ein- und Ausgang werden 1uF Kondensatoren benötigt. Der Ruhestromverbrauch ist mit 5uA im Datenblatt angegeben.

Da mir das vieeel zu hoch ist habe ich einen Sperrschicht-FET als Spannungsregler mißbraucht. Ein BF245C hat bei kleinen Strömen je nach Exemplarstreuung eine Gate/Source Spannung von -3.2 .. -7.5 V zwischen Gate und Source.
Wenn man jetzt das Gate auf Masse legt, und an Drain die ungeregelte Eingangsspannung, bleibt am Source eine Ausgangsspannung von +3.2 bis 7.5V.
Da der nachgeschaltete Prozessor maximal 5.5V Spannung verträgt müssen die FETs selektiert werden. Bei der Maximalen Eingangsspannung und minimaler Last (also nur die 10 Meg-Ohm des Meßinstrumentes) dürfen die 5.5V nicht überschritten werden. Bei der typischen Last von 10uA entsprechend 330K sollten mindestens ca. 3.8V als minimale Spannung übrig bleiben.

Beim Austesten auf dem Steckbrett habe ich herausgefunden daß der FET relativ empfindlich auf Störimpulse reagiert und teilweise hierdurch auch hohe Spannungen an den Ausgang durchläßt. Abhilfe schaffen Abblockkondensatoren an Ein- und Ausgang. Im Gegensatz zum XC6216 reichen für den FET normale 100nF Abblockkondensatoren. Die Diode D1 dient als Verpolschutz. R2 begrenzt beim FET schnelle Spannungsanstiege sowie den Maximalstrom. Das Austesten auf dem Steckbrett sollte mit den Abblock-Cs und der Schutzbeschaltung erfolgen.

Von 10 getesteten FETs hatten alle eine maximale Spannung im Bereich 4.57 bis 4.80 V bei 25V Eingangsspannung. Bei Belastung mit 1K-Ohm und 9V Eingangsspannung habe ich 2.61V bis 2.77V gemessen. Der Regler hat also ausreichend Reserven. Die Mühe des Selektierens wird belohnt durch einen Stromverbrauch von nicht meßbaren wenigen nA für den Spannungsregler.

R2 sollte bei Verwendung des XC6216 durch einen 0 Ohm Widerstand ersetzt werden. Allerdings habe ich diese Schaltungsvariante noch nicht getestet.

=== Prozessorteil ===

[[Bild:BMON_1048_PIC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Prozessorteil]]

Als Prozessor wird ein PIC18F2520 verwendet. Es ist quasi der low power Nachfolger eines PIC16F876. Der Strom mit internem Oszillator beträgt ca 1mA. Um den Stromverbrauch zu reduzieren ist der Prozessor hauptsächlich im Sleep Mode und wird nur alle 16ms aufgeweckt um die Flanken für die Wechselspannung von 30Hz für die passive LC-Anzeige zu generieren die auch die meisten Pins benötigt.

Die Batteriespannung wird über Spannungsteiler R4/R5 an Pin RA2 gemessen. U2 sorgt mit R3 für eine stabile Referenz von 1.2V auch bei schwankenden Versorgungsspannungen. Kurzzeitig werden für den Referenzeingang bis zu 150uA und für die Referenzdiode bis zu 20uA benötigt. Da kein Abblockkondensator an der Referenz verwendet wird, ist R3 relativ niederohmig dimensioniert.

Die Stromsparfunktionen werden alle mit PIN RA1 gesteuert. Die Auswertung der Eingänge erfolgt nur ein Mal je Sekunde. Dies betrifft R3 als Versorgung für die Referenzdiode sowie R6 als pull up Widerstand für den Taster. Über T2 wird der Spannungsteiler für die Batteriespannung stromlos geschaltet. Der BSS138 ist ein FET mit geringer UGS threshold voltage von max. 1.5V. Da die Referenzspannung 1.2V beträgt ergibt sich bei einer Versorgungsspannung bis herab zu 2.7V noch keine Begrenzung des Meßbereiches für die Batteriespannung.

Der Ladestrom wird über Analogeingang RA0 gemessen.

Mit der gewählten Dimensionierung für R4/R5 ergibt sich ein Meßbereich von 25.5V für die Batteriespannung. Der Strombereich ist für ca 240mA ausgelegt.

An Pin RB6 wird schließlich das Schaltsignal für die Endstufe erzeugt.

=== Bedienteil ===

[[Bild:BMON_1048_HMI.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Bedienteil]]

Aus Platzgründen (Frontplatte des EG2-Gehäuses von ProMa) konnte leider nur ein 2-stelliges LC-Display verwendet werden. Um dennoch Spannungen größer 9.9V darstellen zu können wird der führende Dezimalpunkt als Zehner-Stelle verwendet. Ab 20.0V fängt dann der Dezimalpunkt an zu blinken. Bei Verwendung eines 3 oder 4-stelligen Displays würde man anstelle des führenden Dezimalpunktes beide Segmente für die führende "1" anschließen.
Der Kondensator C5 hält Gleichspannungssignale vom Display fern. Dies ist insbesonders nützlich beim Flashen bzw. in der Debugging Phase.

J1 ist die Verbindung zur Mutterplatine. Dort kann noch ein zweiter Taster parallel zum Taster auf der Frontplatte angeschlossen werden. R7 dient als Kurzschlußschutz bzw. zur Stromreduzierung des Schaltsignals.

=== Endstufe ===

[[Bild:BMON_1048_POWER.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Endstufe LT1763]]

Die Endstufe ist außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Damit ergibt sich maximale Flexibilität von wenigen mA bis zu mehreren Ampere über einen BSS138 Treiber mit BTS555 Endstufe. Der Anschluß an die BMON1048 Leiterplatte erfolgt über Buchsenleisten auf der Leiterplatte mit der Endstufe.

Hier ist ein Beispiel für eine Endstufe mit LT1763 für maximal 20V Ladeendspannung gezeigt. Im ausgeschalteten Zustand verbraucht der Spannungsregler weniger als 1uA zusätzlich. Der Ruhestrom mit 30uA ist ebenfalls ein guter Wert. C10 ist vorzugsweise ein Folienkondensator (geringer Mikrofonieeffekt) zur Rauschunterdrückung. Die Ausgangsspannung wird mit R11+R12 auf 14.0 V eingestellt.

== Software ==

Die Software hat folgende Funktionen:

* Messen der Spannung und des Stroms linksbündig als 10 Bit Wert
* Verrechnung eines Korrekturfaktors aus EEPROM für Feinabgleich
* Anzeige der Spannung auf Display
* Als Timer dient der Watchdog mit 16ms Periode
* Die 30 Hz Wechselspannung für das Display wird hieraus abgeleitet
* Im Ladebetrieb erfolgt die Anzeige des Stroms im Wechsel mit der Spannung
* unterhalb 1.15V/Zelle abschalten der Last (Spannungsanzeige blinkt)
* oberhalb 1.25V/Zelle wiedereinschalten der Last
* Bei Tastendruck länger als 5 Sekunden wird die Last manuell ein-/ausgeschaltet
* Bei Spannungseinbruch > 0.6V/Minute wird ebenfalls abgeschaltet
* Alle Parameter wie Zellenzahl + Hysterese sind im Header konfigurierbar

<c>
#define Cells 12 ; # number of cells
#define mV * 256 * 51/1051/1235 ; 25,6V * 5K1/(100K+5K1)/VRef
#define VOn Cells * 1250 mV ; high hysteresis
#define VOff Cells * 1150 mV ; low hysteresis
#define VOLT_SEC 10 ; check every 10 seconds
#define VDIFF 600 mV ; voltage drop / minute
#define mA * 1 ; 1 mA / count
#define CURR_MIN 10 mA ; min current to display
</c>

Die Software ist mit MPASM 5.40 (MPLAB 8.70) erstellt. Die Bit-Schubsereien für das Display werden mit Tabellen in Page 0 für alle 3 Ports A-C und die Digits 1-2 abgehandelt.

Bei der Initialisierung wird erst die Hardware initalisiert und danach alle Variablen einschließlich der Kalibrierparameter die aus dem EEPROM gelesen werden. Die Kalibrierfaktoren sind im 2er Komplement als 16 Bit signed Wert gespeichert. Ein Abgleich von +/- 50% entspricht +/-32768 als Wert.

Die meiste Zeit verbringt der Prozessor im Sleep mode. Alle 16 ms weckt der Watchdog den Prozessor auf um die Pins für die Anzeige zu invertieren. Alle Sekunde finden zusätzlich noch Meßfunktionen sowie die Tasterabfrage statt.
Um Zeit (und damit Strom) zu sparen wird die Wartezeit aufs ADC-Ergebnis genutzt um eine Tastenentprellung bzw. die Vorverarbeitung der Spannungsmessung während der Strommessung durchzuführen.
Alle 10 Sekunden wird das High-Byte des Spannungswertes in einen Ringpuffer mit 6 Einträgen für die vergangene Minute eingetragen. Dies dient unterhalb der Einschaltschwelle zur Detektierung eines plötzlichen Spannungsabfalls falls eine Zelle schneller entladen ist als die übrigen im Pack.

== Aufbau ==

<gallery>
Bild:Loetseite_IMG0964W.JPG|BMON1048 - Lötseite
Bild:BMON1048_BS_IMG0968W.JPG|Bestückungsseite
Bild:BMON1048_BST_LS.PNG|Position LS
Bild:BMON1048_BST_BS.PNG|Position BS
</gallery>

=== Lötseite ===

Die Leiterplatte ist doppelseitig. Die meisten Durchkontaktierungen liegen auf bedrahteten Bauelementen so daß eine durchkontaktierte Leiterplatte nicht zwingend nötig ist. Die drei Durchkontaktierungen im Bereich des Programmiersteckers können auch mit Kupferhohlnieten oder einer Drahtbrücke bestückt werden.

Am besten beginnt man nach Durchkontaktieren mit der Bestückung auf der Lötseite. C18, C19 sowie U5 sind im Muster nicht bestückt.

=== Bestückungsseite ===

Auf der Bestückungsseite werden zuerst die Bauteile unter dem Display sowie die Widerstände unter dem L200 bestückt.

Die Ladebuchse ist auf die Leiterplatte aufgesetzt und mit Silberdraht die Anschlüsse verlängert. Mit dem Verlöten sollte man so lange warten bis die Frontplatte montiert ist.
In den Layoutdaten ist auch ein Layer für die Frontplatte enthalten der als Bohrhilfe verwendet werden kann.

Der L200 ist über Kopf bestückt, die Anschlußdrähte also ebenfalls auf die andere Seite abgewinkelt. Bei Verwendung von 10mm Distanzbolzen muß als Isolierung mindestens eine 1.5 mm Aluminiumoxidscheibe verwendet werden damit sich die Pins des L200 im montierten Zustand verlöten lassen. Die Frontplatte des EG2-Gehäuses dient hiermit gleichzeitig als Kühlfläche.

C12 muß liegend montiert werden.

Für das Display verwende ich eine 18-polige Präzisionsfassung die mit dem Seitenschneider auseinander geschnitten wird. Verlöten geht am einfachsten wenn das Display bereits in die Fassung gesteckt ist. Die beiden Pins 1 + 18 für die Backplane sind auf der Leiterplattenoberseite verbunden (Lötung unter der Fassung nicht vergessen).

Der Taster ist eine Ausführung mit langem Stößel wenn die Bedienung ohne Hilfswerkzeug möglich sein soll.

=== Montagedetail L200 ===

[[Bild:BMON1048_L200_IMG0981W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - L200 Montage]]

Montagedetail L200:

* M3 Schraube
* Frontplatte
* Aluminiumoxidscheibe (AOS220 - 1.5mm)
* L200
* Isolierbuchse
* Unterlegscheibe (fehlt im Bild)
* M3 Mutter

=== Frontansichten ===

* Ansicht montiert mit Spannungsanzeige 16.7V
* Ansicht Ladebetrieb mit Stromanzeige 188mA

<gallery>
Bild:BMON1048_Spannung_IMG0965W.JPG|Spannungsanzeige
Bild:BMON1048_Strom_IMG0966W.JPG|Stromanzeige
</gallery>

== Inbetriebnahme und Abgleich ==

Der Ladeteil und der Batteriewächter können auf Grund der getrennten Steckverbinder unabhängig voneinander in Betrieb genommen werden.

* Ladeteil:

An einem strombegrenzten Netzteil (ca 20-100mA) wird die Spannung an der Ladebuchse langsam von 0V an erhöht und die Stromaufnahme gemessen. Der Eigenverbrauch des L200 liegt bei ca 10mA. Dieser Wert darf nicht wesentlich überschritten werden. Ist alles in Ordnung dreht man die Spannung langsam auf 24V. Die Ausgangsspannung des L200 sollte vor der Verpolschutzdiode D2 gemessen ca 18.1V sein. Falls nicht kann man durch Feinabgleich des Widerstandes R13 noch etwas korrigieren.
Danach einen Akkusatz anschließen und die Strombegrenzung des Netzteils langsam auf ca 250mA-300mA drehen. Der Strom in den Akku sollte durch den L200 auf ca 200 mA begrenzt werden.
Bei voll geladenem Akku sollte der Strom unter C/50 besser C/100 (also 20-40 mA) zurückgehen. Gegebenenfalls ist die Ladeendspannung etwas zu reduzieren.

* Prozessorteil:

Zunächst wird der Prozessor mit einem Programmiergerät geflasht. Bei Verwendung des FET-Spannungsreglers darauf achten daß die Spannungsversorgung für den Prozessor vom Programmiergerät (z.B. PICKIT3) zur Verfügung gestellt wird.
Hierbei darauf achten daß die nominalen Kalibrierwerte im EEPROM nicht zu weit von den Defaultwerten abweichen.
Bei der Spannung ist der Defaultwert = 0x00,0x00 (= Faktor 1.0)
Beim Strom ist die Verstärkung nicht ganz auf einen Stromendwert von 255mA ausgelegt sondern etwa 5 Prozent tiefer. Der nominale Kalibrierwert für den Strom beträgt daher 0xF3, 0x1B (= Faktor 0.94963).

Nach dem Flashen wird an die beiden mittleren Pins von J1 eine Spannung von ca. 5V angeschlossen. Ist alles ok sollte das Display die Spannung blinkend anzeigen. Der Ausgang J1 PIN 1 weist Low-Pegel auf. Die Spannung wird langsam auf ca 20V (max 25V) erhöht und die prozentuale Abweichung zwischen Sollwert und Anzeige berechnet. Ab ca 15. V verschwindet das Blinken und der Ausgang wechselt auf High-Pegel (>2.4V). Unterhalb ca 13.8V wird die Last wieder abgeschaltet und das Display blinkt wieder.
Danach wird ein Akku (15-17V) an Prozessorteil und Ladeteil angeschlossen. Über ein strombegrenztes Netzteil werden ca 180mA Ladestrom in den Akku eingestellt. Die Anzeige zeigt jetzt im Wechsel die Akkuspannung und den Ladestrom an. Wiederum wird die prozentuale Abweichung vom tatsächlichen Ladestrom berechnet.
Die prozentualen Abweichungen werden auf die existierenden Kalibrierwerte multipliziert und dann nach einem MPASM-Lauf ins EEPROM geschrieben. Bei Verwendung von MPLAB darauf achten daß im "Release" Modus und nicht im "Debug" Modus gearbeitet wird.

Danach ist der Batteriewächter einsatzbereit.

== Praxis und Ideen ==

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|BMON1035 Stromverbrauch 9.7uA bei 9.3V]]

Anbei ein Aufbau einer Vorgängerversion ohne Ladestrommessung (BMON1035) mit einem Stromverbrauch um 9.7 uA (schwankend) bei einem frisch aufgeladenen Akku mit 9.3V. An einem BMON1048 mit Strommessung habe ich 10-12uA gemessen. Wobei der Stromverbrauch auch von der tatsächlichen Versorgungsspannung des Prozessors abhängt.

Ich habe 2 Schaltungen mit ca. 30 mA Last seit 2.5 Jahren im Dauerbetrieb mit je 12 AA-Zellen und täglichem Ladebetrieb. Der erste Akkusatz zeigt seit letzten Sommer (bis zu 32 Grad Raumtemperatur während dem Laden) einen erhöhten Innenwiderstand. Der Ladestrom bei vollem Akku lag hierbei bei erhöhter Temperatur bei 60-70mA.

Die Spannungsdifferenz beim Einstecken / Entfernen des Ladegerätes ist bei diesem Akkusatz ca 1V. Bei niedrigen Spannungen unter 15V und kurzem Ladebetrieb wird hierdurch die Last ungewollt abgeworfen. Das Kriterium 0.6V Abfall innerhalb einer Minute wird überschritten.
Der andere Akkusatz liegt immer noch bei 0.2V Differenz zwischen Normal und Ladebetrieb.

Ganz oben auf der Wunschliste steht der vereinfachte Abgleich der Kalibrierwerte im EEPROM. Denkbar wäre irgend ein Morsecode über den Taster oder ein Jumper an einem freien Pin um den Abgleich bei angelegten Referenzwerten zu starten.

Freier Speicherplatz ist jedenfalls genügend vorhanden. Wobei Sonderfunktionen nur selten gerechnet werden sollten um den Stromverbrauch nicht zu stark zu erhöhen.

Die führende "1" wird derzeit wegen des 2-stelligen Displays als Dezimalpunkt angezeigt. Bei einem 3-stelligen Display würde man anstelle des Dezimalpunktes die beiden Segmente "b" und "c" für die "1" parallel ansteuern.

Ideen:
* Temperaturkompensation der End-Ladespannung mittels NTC / Dioden
* Alternativ: Abschaltung des Ladezweigs per Prozessorpin wenn der Ladestrom bei der Endspannung eingeschwungen ist
* Lernfunktion Berücksichtigung Spannungsdifferenz bei Ladebetrieb für Abschaltkriterium
* Automatisiertes Speichern der Abgleichwerte im EEPROM

== Downloads ==

* [[Media:BMON1048_MPASM.ZIP| Sourcecode für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_Schaltbild.pdf| Schaltplan für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_gcprevue.zip| Layout (Gerber) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_PDF.zip| Layout (PDF) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_STK.txt| Stückliste Batteriewächter BMON1048]]

== Weblinks ==

* [http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00000053.pdf L200_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BSS84.pdf BSS84P_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF245A-B-C.pdf BF245C_Datasheet]
* [http://www.torex.co.jp/english/products/voltage_regulators/data/XC6216_XE6216.pdf XC6216_Datasheet]
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39631e.pdf PIC18F2520_Datasheet]
* [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm285-1.2-n.pdf LM385Z-1.2_Datasheet]
* [http://www.fairchildsemi.com/ds/BS/BSS138.pdf BSS138_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Hintergrund-gruen/LCD-2-0-13/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=3005&ARTICLE=10179&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& LCD-2-13]
* [http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1763fg.pdf LT1763_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Proma-Gehaeuse/GEH-EG-2/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=5199&ARTICLE=50424&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& Gehäuse_EG2]
* [http://www.graphicode.com/ GC-Prevue Gerber viewer]

== Siehe auch ==

* [http://www.mikrocontroller.net/topic/288063 Forum: Diskussion zu diesem Projekt]

[[Kategorie:Wettbewerb]]
[[Kategorie:PIC-Projekte]]
[[Kategorie:Spannungsversorgung_und_Energiequellen]]
[[Kategorie:Messtechnik]]
[[Kategorie:Projekte]]

Batteriewächter

2013-02-24T17:38:23Z

An ja: /* Aufbau */

''von Anja'' (in Arbeit)

{{Wettbewerb Header}}

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|Batteriewächter]]
Der Batteriewächter liefert bei Unterspannung eines 12 AA Batteriepacks ein Signal um die Last abzuwerfen. Ein einfaches Ladeteil sowie eine Batteriespannungsanzeige sind für die Frontplatte eines EG2-Gehäuses ausgelegt. Für andere Zellkonfigurationen ab 3-4 Zellen aufwärts kann die Schaltung durch Umdimensionierung der Spannungsteilerwiderstände leicht angepasst werden. Der Stromverbrauch beträgt nur etwa 10uA.
Auf Grund des geringen Stromverbrauchs und der geringen Mindestspannung von ca 2.5V ist auch eine Anwendung als aus dem Meßwert gespeistes Panelmeter denkbar.

== Vorgeschichte ==

Eigentlich wollte ich nur eine einfache Anzeige wann die 9V-Blocks für meine Akku gespeisten Referenzen wieder ans Ladegerät müssen. Ein einfaches Drehspulinstrument hätte es getan. Allerdings brauchen diese relativ viel Strom im Verhältnis zu einer ISL21009 und bei einer Empfindlichkeit von 100uA sind sie auch nicht ganz billig.

Die nächste Idee: eine low power Referenz und ein Komparator (oder gleich einen ICL7665). Nur was dann als Anzeige nehmen. Selbst eine low current LED braucht einige 100uA für die Anzeige.

Das ganze zu takten war die nächste Idee. Also wie beim Rauchmelder nur kurze Meß- und Anzeigephasen um Strom zu sparen.

Alternative Anzeigen wären eine einfache LCD Balkenanzeige wie im Handy. Diese sind allerdings nicht im DIP 8 Gehäuse erhältlich. Als Alternative bleiben eigentlich nur passive LC-Anzeigen mit 2-4 Digits.

In der Zwischenzeit waren auch Referenzen im Programm die eine Mindestspannung von 9 oder 14V benögigen. Die Anzahl der Zellen (8-12) also so gewachsen daß die 16V des ICL7665 oder gängiger CMOS Logik nicht mehr ausreichen.

Schön wäre auch eine "richtige" Spannungsanzeige also muß ein Prozessor her. Nachdem auch die ersten 9V-Blocks Schwächen wegen Tiefentladung zeigten sollte das ganze auch einen Unterspannungsschutz haben.

Zum damaligen Zeitpunkt gab es nur wenige Spannungsregler mit Eingangsspannungen bis 20 oder 25V und Eigenstromverbrauch unter 20uA. Und die auch nur von Farnell also für Privat quasi unobtanium.

Eine Idee hatte ich schon länger um z.B. Uhrenchips im 12V-System zu betreiben: Ein normaler Sperrschicht-FET hat eine negative UGS-Spannung. Wenn man das Gate also an Masse Anschließt müßte am Source eine halbwegs stabile Backup-Spannung übrig bleiben. Und das auch noch ohne daß der Spannungsregler einen nennenswerten Strom braucht.

Der Ehrgeiz war geweckt es müßte doch möglich sein einen prozessorgesteuerten Komparator mit Spannungsanzeige bei unter 20uA Stromverbrauch mit Versorgung direkt aus der Batterie im Bereich 5-20V zu entwickeln ...

== Blockschaltbild ==

[[Bild:BMON_1048_BLOCK.PNG|thumb|right|350px|BMON148 - Blockschaltbild]]

Die Schaltung auf der Leiterplatte umfaßt ein einfaches Ladeteil mit L200. Die Speisung erfolgt mit einem externen 24V Steckernetzteil. Ein Low-Power Spannungsregler erzeugt die VCC-Versorgung für den Prozessorteil. Der Prozessor mißt die Akkuspannung sowie den Ladestrom und erzeugt das Steuersignal für die Endstufe. Auf dem Display wird die Akkuspannung sowie der Ladestrom angezeigt. Der Taster dient zum Ein-/Ausschalten der Last. Da der Leistungsteil je nach Last sehr unterschiedlich sein kann (z.B. BTS555 für Hochstromanwendungen) ist er außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Als Schaltungsbeispiel wird eine Endstufe mit LT1763 gezeigt.

=== Ladeteil ===

[[Bild:BMON_1048_L200.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Ladeteil]]

Das Ladeteil ist eine Standardapplikation mit L200 ergänzt um einen Spannungsausgang für die Strommessung.
Die maximale Ladespannung wird mittels Spannungsteiler R12 zu R11 eingestellt. R13 ist parallel zu R12 und wird für den Feinabgleich der Ausgangsspannung verwendet. Auf der Leiterplatte sind die Widerstände wahlweise als SMD (R11A..R13A) oder bedrahtet bestückbar. R11 ist mit 820 Ohm bestückt. R12 mit 4K7 parallel zu R13 mit 130k ergibt 4K54. Die Ausgangsspannung von 18.1 V ergibt sich aus der Referenzspannung von 2.77V des L200 * (1 + 4540R/820R). R14 begrenzt den Strom auf ca 200 mA (0.45V / 2R2).
Diode D2 verhindert ein entladen des Akkus wenn das Steckernetzteil nicht angeschlossen ist. D3 dient als Verpolschutz.
Die Schaltung um U3 verstärkt die Spannung über dem Strombegrenzungswiderstand. Es muß zwingend ein OP verwendet werden dessen common mode input range an die positive Versorgung reicht. Bei einem TL062 ist dies bei normalen Raumtemperaturen gegeben. Die Spannung über R14 wird im Verhältnis R16/R15 = 2.32 fach verstärkt. Bei 200mA also 450mV am Strombegrenzungswiderstand ergibt sich für den ADC-Eingang eine Spannung von 1.04V über R16.
L1,L2 sowie C15-C19 bilden ein optional bestückbares EMV-Filter. C18+C19 filtern hierbei die Störungen über einen M3 Distanzbolzen auf das Aluminiumgehäuse.

=== Spannungsregler ===

[[Bild:BMON_1048_VCC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Spannungsregler BF245C]]

Es gibt 2 alternative Bestückungsvarianten:

U5 ist ein low power Spannungsregler XC6216 von Torex. An Ein- und Ausgang werden 1uF Kondensatoren benötigt. Der Ruhestromverbrauch ist mit 5uA im Datenblatt angegeben.

Da mir das vieeel zu hoch ist habe ich einen Sperrschicht-FET als Spannungsregler mißbraucht. Ein BF245C hat bei kleinen Strömen je nach Exemplarstreuung eine Gate/Source Spannung von -3.2 .. -7.5 V zwischen Gate und Source.
Wenn man jetzt das Gate auf Masse legt, und an Drain die ungeregelte Eingangsspannung, bleibt am Source eine Ausgangsspannung von +3.2 bis 7.5V.
Da der nachgeschaltete Prozessor maximal 5.5V Spannung verträgt müssen die FETs selektiert werden. Bei der Maximalen Eingangsspannung und minimaler Last (also nur die 10 Meg-Ohm des Meßinstrumentes) dürfen die 5.5V nicht überschritten werden. Bei der typischen Last von 10uA entsprechend 330K sollten mindestens ca. 3.8V als minimale Spannung übrig bleiben.

Beim Austesten auf dem Steckbrett habe ich herausgefunden daß der FET relativ empfindlich auf Störimpulse reagiert und teilweise hierdurch auch hohe Spannungen an den Ausgang durchläßt. Abhilfe schaffen Abblockkondensatoren an Ein- und Ausgang. Im Gegensatz zum XC6216 reichen für den FET normale 100nF Abblockkondensatoren. Die Diode D1 dient als Verpolschutz. R2 begrenzt beim FET schnelle Spannungsanstiege sowie den Maximalstrom. Das Austesten auf dem Steckbrett sollte mit den Abblock-Cs und der Schutzbeschaltung erfolgen.

Von 10 getesteten FETs hatten alle eine maximale Spannung im Bereich 4.57 bis 4.80 V bei 25V Eingangsspannung. Bei Belastung mit 1K-Ohm und 9V Eingangsspannung habe ich 2.61V bis 2.77V gemessen. Der Regler hat also ausreichend Reserven. Die Mühe des Selektierens wird belohnt durch einen Stromverbrauch von nicht meßbaren wenigen nA für den Spannungsregler.

R2 sollte bei Verwendung des XC6216 durch einen 0 Ohm Widerstand ersetzt werden. Allerdings habe ich diese Schaltungsvariante noch nicht getestet.

=== Prozessorteil ===

[[Bild:BMON_1048_PIC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Prozessorteil]]

Als Prozessor wird ein PIC18F2520 verwendet. Es ist quasi der low power Nachfolger eines PIC16F876. Der Strom mit internem Oszillator beträgt ca 1mA. Um den Stromverbrauch zu reduzieren ist der Prozessor hauptsächlich im Sleep Mode und wird nur alle 16ms aufgeweckt um die Flanken für die Wechselspannung von 30Hz für die passive LC-Anzeige zu generieren die auch die meisten Pins benötigt.

Die Batteriespannung wird über Spannungsteiler R4/R5 an Pin RA2 gemessen. U2 sorgt mit R3 für eine stabile Referenz von 1.2V auch bei schwankenden Versorgungsspannungen. Kurzzeitig werden für den Referenzeingang bis zu 150uA und für die Referenzdiode bis zu 20uA benötigt. Da kein Abblockkondensator an der Referenz verwendet wird, ist R3 relativ niederohmig dimensioniert.

Die Stromsparfunktionen werden alle mit PIN RA1 gesteuert. Die Auswertung der Eingänge erfolgt nur ein Mal je Sekunde. Dies betrifft R3 als Versorgung für die Referenzdiode sowie R6 als pull up Widerstand für den Taster. Über T2 wird der Spannungsteiler für die Batteriespannung stromlos geschaltet. Der BSS138 ist ein FET mit geringer UGS threshold voltage von max. 1.5V. Da die Referenzspannung 1.2V beträgt ergibt sich bei einer Versorgungsspannung bis herab zu 2.7V noch keine Begrenzung des Meßbereiches für die Batteriespannung.

Der Ladestrom wird über Analogeingang RA0 gemessen.

Mit der gewählten Dimensionierung für R4/R5 ergibt sich ein Meßbereich von 25.5V für die Batteriespannung. Der Strombereich ist für ca 240mA ausgelegt.

An Pin RB6 wird schließlich das Schaltsignal für die Endstufe erzeugt.

=== Bedienteil ===

[[Bild:BMON_1048_HMI.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Bedienteil]]

Aus Platzgründen (Frontplatte des EG2-Gehäuses von ProMa) konnte leider nur ein 2-stelliges LC-Display verwendet werden. Um dennoch Spannungen größer 9.9V darstellen zu können wird der führende Dezimalpunkt als Zehner-Stelle verwendet. Ab 20.0V fängt dann der Dezimalpunkt an zu blinken. Bei Verwendung eines 3 oder 4-stelligen Displays würde man anstelle des führenden Dezimalpunktes beide Segmente für die führende "1" anschließen.
Der Kondensator C5 hält Gleichspannungssignale vom Display fern. Dies ist insbesonders nützlich beim Flashen bzw. in der Debugging Phase.

J1 ist die Verbindung zur Mutterplatine. Dort kann noch ein zweiter Taster parallel zum Taster auf der Frontplatte angeschlossen werden. R7 dient als Kurzschlußschutz bzw. zur Stromreduzierung des Schaltsignals.

=== Endstufe ===

[[Bild:BMON_1048_POWER.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Endstufe LT1763]]

Die Endstufe ist außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Damit ergibt sich maximale Flexibilität von wenigen mA bis zu mehreren Ampere über einen BSS138 Treiber mit BTS555 Endstufe. Der Anschluß an die BMON1048 Leiterplatte erfolgt über Buchsenleisten auf der Leiterplatte mit der Endstufe.

Hier ist ein Beispiel für eine Endstufe mit LT1763 für maximal 20V Ladeendspannung gezeigt. Im ausgeschalteten Zustand verbraucht der Spannungsregler weniger als 1uA zusätzlich. Der Ruhestrom mit 30uA ist ebenfalls ein guter Wert. C10 ist vorzugsweise ein Folienkondensator (geringer Mikrofonieeffekt) zur Rauschunterdrückung. Die Ausgangsspannung wird mit R11+R12 auf 14.0 V eingestellt.

== Software ==

Die Software hat folgende Funktionen:

* Messen der Spannung und des Stroms linksbündig als 10 Bit Wert
* Verrechnung eines Korrekturfaktors aus EEPROM für Feinabgleich
* Anzeige der Spannung auf Display
* Als Timer dient der Watchdog mit 16ms Periode
* Die 30 Hz Wechselspannung für das Display wird hieraus abgeleitet
* Im Ladebetrieb erfolgt die Anzeige des Stroms im Wechsel mit der Spannung
* unterhalb 1.15V/Zelle abschalten der Last (Spannungsanzeige blinkt)
* oberhalb 1.25V/Zelle wiedereinschalten der Last
* Bei Tastendruck länger als 5 Sekunden wird die Last manuell ein-/ausgeschaltet
* Bei Spannungseinbruch > 0.6V/Minute wird ebenfalls abgeschaltet
* Alle Parameter wie Zellenzahl + Hysterese sind im Header konfigurierbar

<c>
#define Cells 12 ; # number of cells
#define mV * 256 * 51/1051/1235 ; 25,6V * 5K1/(100K+5K1)/VRef
#define VOn Cells * 1250 mV ; high hysteresis
#define VOff Cells * 1150 mV ; low hysteresis
#define VOLT_SEC 10 ; check every 10 seconds
#define VDIFF 600 mV ; voltage drop / minute
#define mA * 1 ; 1 mA / count
#define CURR_MIN 10 mA ; min current to display
</c>

Die Software ist mit MPASM 5.40 (MPLAB 8.70) erstellt. Die Bit-Schubsereien für das Display werden mit Tabellen in Page 0 für alle 3 Ports A-C und die Digits 1-2 abgehandelt.

Bei der Initialisierung wird erst die Hardware initalisiert und danach alle Variablen einschließlich der Kalibrierparameter die aus dem EEPROM gelesen werden. Die Kalibrierfaktoren sind im 2er Komplement als 16 Bit signed Wert gespeichert. Ein Abgleich von +/- 50% entspricht +/-32768 als Wert.

Die meiste Zeit verbringt der Prozessor im Sleep mode. Alle 16 ms weckt der Watchdog den Prozessor auf um die Pins für die Anzeige zu invertieren. Alle Sekunde finden zusätzlich noch Meßfunktionen sowie die Tasterabfrage statt.
Um Zeit (und damit Strom) zu sparen wird die Wartezeit aufs ADC-Ergebnis genutzt um eine Tastenentprellung bzw. die Vorverarbeitung der Spannungsmessung während der Strommessung durchzuführen.
Alle 10 Sekunden wird das High-Byte des Spannungswertes in einen Ringpuffer mit 6 Einträgen für die vergangene Minute eingetragen. Dies dient unterhalb der Einschaltschwelle zur Detektierung eines plötzlichen Spannungsabfalls falls eine Zelle schneller entladen ist als die übrigen im Pack.

== Aufbau ==

<gallery>
Bild:Loetseite_IMG0964W.JPG|BMON1048 - Lötseite
Bild:BMON1048_BS_IMG0968W.JPG|Bestückungsseite
Bild:BMON1048_BST_LS.PNG|Position LS
Bild:BMON1048_BST_BS.PNG|Position BS
</gallery>

=== Lötseite ===

Die Leiterplatte ist doppelseitig. Die meisten Durchkontaktierungen liegen auf bedrahteten Bauelementen so daß eine durchkontaktierte Leiterplatte nicht zwingend nötig ist. Die drei Durchkontaktierungen im Bereich des Programmiersteckers können auch mit Kupferhohlnieten oder einer Drahtbrücke bestückt werden.

Am besten beginnt man nach Durchkontaktieren mit der Bestückung auf der Lötseite. C18, C19 sowie U5 sind im Muster nicht bestückt.

=== Bestückungsseite ===

Auf der Bestückungsseite werden zuerst die Bauteile unter dem Display sowie die Widerstände unter dem L200 bestückt.

Die Ladebuchse ist auf die Leiterplatte aufgesetzt und mit Silberdraht die Anschlüsse verlängert. Mit dem Verlöten sollte man so lange warten bis die Frontplatte montiert ist.
In den Layoutdaten ist auch ein Layer für die Frontplatte enthalten der als Bohrhilfe verwendet werden kann.

Der L200 ist über Kopf bestückt, die Anschlußdrähte also ebenfalls auf die andere Seite abgewinkelt. Bei Verwendung von 10mm Distanzbolzen muß als Isolierung mindestens eine 1.5 mm Aluminiumoxidscheibe verwendet werden damit sich die Pins des L200 im montierten Zustand verlöten lassen. Die Frontplatte des EG2-Gehäuses dient hiermit gleichzeitig als Kühlfläche.

C12 muß liegend montiert werden.

Für das Display verwende ich eine 18-polige Präzisionsfassung die mit dem Seitenschneider auseinander geschnitten wird. Verlöten geht am einfachsten wenn das Display bereits in die Fassung gesteckt ist. Die beiden Pins 1 + 18 für die Backplane sind auf der Leiterplattenoberseite verbunden (Lötung unter der Fassung nicht vergessen).

Der Taster ist eine Ausführung mit langem Stößel wenn die Bedienung ohne Hilfswerkzeug möglich sein soll.

=== Montagedetail L200 ===

[[Bild:BMON1048_L200_IMG0981W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - L200 Montage]]

Montagedetail L200:

* M3 Schraube
* Frontplatte
* Aluminiumoxidscheibe (AOS220 - 1.5mm)
* L200
* Isolierbuchse
* Unterlegscheibe (fehlt im Bild)
* M3 Mutter

=== Frontansichten ===

* Ansicht montiert mit Spannungsanzeige 16.7V
* Ansicht Ladebetrieb mit Stromanzeige 188mA

<gallery>
Bild:BMON1048_Spannung_IMG0965W.JPG|Spannungsanzeige
Bild:BMON1048_Strom_IMG0966W.JPG|Stromanzeige
</gallery>

== Inbetriebnahme und Abgleich ==

Der Ladeteil und der Batteriewächter können auf Grund der getrennten Steckverbinder unabhängig voneinander in Betrieb genommen werden.

* Ladeteil:

An einem strombegrenzten Netzteil (ca 20-100mA) wird die Spannung an der Ladebuchse langsam von 0V an erhöht und die Stromaufnahme gemessen. Der Eigenverbrauch des L200 liegt bei ca 10mA. Dieser Wert darf nicht wesentlich überschritten werden. Ist alles in Ordnung dreht man die Spannung langsam auf 24V. Die Ausgangsspannung des L200 sollte vor der Verpolschutzdiode D2 gemessen ca 18.1V sein. Falls nicht kann man durch Feinabgleich des Widerstandes R13 noch etwas korrigieren.
Danach einen Akkusatz anschließen und die Strombegrenzung des Netzteils langsam auf ca 250mA-300mA drehen. Der Strom in den Akku sollte durch den L200 auf ca 200 mA begrenzt werden.
Bei voll geladenem Akku sollte der Strom unter C/50 besser C/100 (also 20-40 mA) zurückgehen. Gegebenenfalls ist die Ladeendspannung etwas zu reduzieren.

* Prozessorteil:

Zunächst wird der Prozessor mit einem Programmiergerät geflasht. Bei Verwendung des FET-Spannungsreglers darauf achten daß die Spannungsversorgung für den Prozessor vom Programmiergerät (z.B. PICKIT3) zur Verfügung gestellt wird.
Hierbei darauf achten daß die nominalen Kalibrierwerte im EEPROM nicht zu weit von den Defaultwerten abweichen.
Bei der Spannung ist der Defaultwert = 0x00,0x00 (= Faktor 1.0)
Beim Strom ist die Verstärkung nicht ganz auf einen Stromendwert von 255mA ausgelegt sondern etwa 5 Prozent tiefer. Der nominale Kalibrierwert für den Strom beträgt daher 0xF3, 0x1B (= Faktor 0.94963).

Nach dem Flashen wird an die beiden mittleren Pins von J1 eine Spannung von ca. 5V angeschlossen. Ist alles ok sollte das Display die Spannung blinkend anzeigen. Der Ausgang J1 PIN 1 weist Low-Pegel auf. Die Spannung wird langsam auf ca 20V (max 25V) erhöht und die prozentuale Abweichung zwischen Sollwert und Anzeige berechnet. Ab ca 15. V verschwindet das Blinken und der Ausgang wechselt auf High-Pegel (>2.4V). Unterhalb ca 13.8V wird die Last wieder abgeschaltet und das Display blinkt wieder.
Danach wird ein Akku (15-17V) an Prozessorteil und Ladeteil angeschlossen. Über ein strombegrenztes Netzteil werden ca 180mA Ladestrom in den Akku eingestellt. Die Anzeige zeigt jetzt im Wechsel die Akkuspannung und den Ladestrom an. Wiederum wird die prozentuale Abweichung vom tatsächlichen Ladestrom berechnet.
Die prozentualen Abweichungen werden auf die existierenden Kalibrierwerte multipliziert und dann nach einem MPASM-Lauf ins EEPROM geschrieben. Bei Verwendung von MPLAB darauf achten daß im "Release" Modus und nicht im "Debug" Modus gearbeitet wird.

Danach ist der Batteriewächter einsatzbereit.

== Praxis und Ideen ==

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|BMON1035 Stromverbrauch 9.7uA bei 9.3V]]

Anbei ein Aufbau einer Vorgängerversion ohne Ladestrommessung (BMON1035) mit einem Stromverbrauch um 9.7 uA (schwankend) bei einem frisch aufgeladenen Akku mit 9.3V. An einem BMON1048 mit Strommessung habe ich 10-12uA gemessen. Wobei der Stromverbrauch auch von der tatsächlichen Versorgungsspannung des Prozessors abhängt.

Ich habe 2 Schaltungen mit ca. 30 mA Last seit 2.5 Jahren im Dauerbetrieb mit je 12 AA-Zellen und täglichem Ladebetrieb. Der erste Akkusatz zeigt seit letzten Sommer (bis zu 32 Grad Raumtemperatur während dem Laden) einen erhöhten Innenwiderstand. Der Ladestrom bei vollem Akku lag hierbei bei erhöhter Temperatur bei 60-70mA.

Die Spannungsdifferenz beim Einstecken / Entfernen des Ladegerätes ist bei diesem Akkusatz ca 1V. Bei niedrigen Spannungen unter 15V und kurzem Ladebetrieb wird hierdurch die Last ungewollt abgeworfen. Das Kriterium 0.6V Abfall innerhalb einer Minute wird überschritten.
Der andere Akkusatz liegt immer noch bei 0.2V Differenz zwischen Normal und Ladebetrieb.

Ganz oben auf der Wunschliste steht der vereinfachte Abgleich der Kalibrierwerte im EEPROM. Denkbar wäre irgend ein Morsecode über den Taster oder ein Jumper an einem freien Pin um den Abgleich bei angelegten Referenzwerten zu starten.

Freier Speicherplatz ist jedenfalls genügend vorhanden. Wobei Sonderfunktionen nur selten gerechnet werden sollten um den Stromverbrauch nicht zu stark zu erhöhen.

Die führende "1" wird derzeit wegen des 2-stelligen Displays als Dezimalpunkt angezeigt. Bei einem 3-stelligen Display würde man anstelle des Dezimalpunktes die beiden Segmente "b" und "c" für die "1" parallel ansteuern.

Ideen:
* Temperaturkompensation der End-Ladespannung mittels NTC / Dioden
* Alternativ: Abschaltung des Ladezweigs per Prozessorpin wenn der Ladestrom bei der Endspannung eingeschwungen ist
* Lernfunktion Berücksichtigung Spannungsdifferenz bei Ladebetrieb für Abschaltkriterium
* Automatisiertes Speichern der Abgleichwerte im EEPROM

== Downloads ==

* [[Media:BMON1048_MPASM.ZIP| Sourcecode für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_Schaltbild.pdf| Schaltplan für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_gcprevue.zip| Layout (Gerber) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_PDF.zip| Layout (PDF) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_STK.txt| Stückliste Batteriewächter BMON1048]]

== Weblinks ==

* [http://www.st.com/internet/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_LITERATURE/DATASHEET/CD00000053.pdf L200_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BSS84.pdf BSS84P_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF245A-B-C.pdf BF245C_Datasheet]
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39631e.pdf PIC18F2520_Datasheet]
* [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm285-1.2-n.pdf LM385Z-1.2_Datasheet]
* [http://www.fairchildsemi.com/ds/BS/BSS138.pdf BSS138_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Hintergrund-gruen/LCD-2-0-13/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=3005&ARTICLE=10179&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& LCD-2-13]
* [http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1763fg.pdf LT1763_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Proma-Gehaeuse/GEH-EG-2/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=5199&ARTICLE=50424&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& Gehäuse_EG2]
* [http://www.graphicode.com/ GC-Prevue Gerber viewer]
== Siehe auch ==

* [http://www.mikrocontroller.net/topic/288063 Forum: Diskussion zu diesem Projekt]

[[Kategorie:Wettbewerb]]
[[Kategorie:PIC-Projekte]]
[[Kategorie:Spannungsversorgung_und_Energiequellen]]
[[Kategorie:Messtechnik]]
[[Kategorie:Projekte]]

Batteriewächter

2013-02-24T17:36:11Z

An ja: /* Aufbau */

''von Anja'' (in Arbeit)

{{Wettbewerb Header}}

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|Batteriewächter]]
Der Batteriewächter liefert bei Unterspannung eines 12 AA Batteriepacks ein Signal um die Last abzuwerfen. Ein einfaches Ladeteil sowie eine Batteriespannungsanzeige sind für die Frontplatte eines EG2-Gehäuses ausgelegt. Für andere Zellkonfigurationen ab 3-4 Zellen aufwärts kann die Schaltung durch Umdimensionierung der Spannungsteilerwiderstände leicht angepasst werden. Der Stromverbrauch beträgt nur etwa 10uA.
Auf Grund des geringen Stromverbrauchs und der geringen Mindestspannung von ca 2.5V ist auch eine Anwendung als aus dem Meßwert gespeistes Panelmeter denkbar.

== Vorgeschichte ==

Eigentlich wollte ich nur eine einfache Anzeige wann die 9V-Blocks für meine Akku gespeisten Referenzen wieder ans Ladegerät müssen. Ein einfaches Drehspulinstrument hätte es getan. Allerdings brauchen diese relativ viel Strom im Verhältnis zu einer ISL21009 und bei einer Empfindlichkeit von 100uA sind sie auch nicht ganz billig.

Die nächste Idee: eine low power Referenz und ein Komparator (oder gleich einen ICL7665). Nur was dann als Anzeige nehmen. Selbst eine low current LED braucht einige 100uA für die Anzeige.

Das ganze zu takten war die nächste Idee. Also wie beim Rauchmelder nur kurze Meß- und Anzeigephasen um Strom zu sparen.

Alternative Anzeigen wären eine einfache LCD Balkenanzeige wie im Handy. Diese sind allerdings nicht im DIP 8 Gehäuse erhältlich. Als Alternative bleiben eigentlich nur passive LC-Anzeigen mit 2-4 Digits.

In der Zwischenzeit waren auch Referenzen im Programm die eine Mindestspannung von 9 oder 14V benögigen. Die Anzahl der Zellen (8-12) also so gewachsen daß die 16V des ICL7665 oder gängiger CMOS Logik nicht mehr ausreichen.

Schön wäre auch eine "richtige" Spannungsanzeige also muß ein Prozessor her. Nachdem auch die ersten 9V-Blocks Schwächen wegen Tiefentladung zeigten sollte das ganze auch einen Unterspannungsschutz haben.

Zum damaligen Zeitpunkt gab es nur wenige Spannungsregler mit Eingangsspannungen bis 20 oder 25V und Eigenstromverbrauch unter 20uA. Und die auch nur von Farnell also für Privat quasi unobtanium.

Eine Idee hatte ich schon länger um z.B. Uhrenchips im 12V-System zu betreiben: Ein normaler Sperrschicht-FET hat eine negative UGS-Spannung. Wenn man das Gate also an Masse Anschließt müßte am Source eine halbwegs stabile Backup-Spannung übrig bleiben. Und das auch noch ohne daß der Spannungsregler einen nennenswerten Strom braucht.

Der Ehrgeiz war geweckt es müßte doch möglich sein einen prozessorgesteuerten Komparator mit Spannungsanzeige bei unter 20uA Stromverbrauch mit Versorgung direkt aus der Batterie im Bereich 5-20V zu entwickeln ...

== Blockschaltbild ==

[[Bild:BMON_1048_BLOCK.PNG|thumb|right|350px|BMON148 - Blockschaltbild]]

Die Schaltung auf der Leiterplatte umfaßt ein einfaches Ladeteil mit L200. Die Speisung erfolgt mit einem externen 24V Steckernetzteil. Ein Low-Power Spannungsregler erzeugt die VCC-Versorgung für den Prozessorteil. Der Prozessor mißt die Akkuspannung sowie den Ladestrom und erzeugt das Steuersignal für die Endstufe. Auf dem Display wird die Akkuspannung sowie der Ladestrom angezeigt. Der Taster dient zum Ein-/Ausschalten der Last. Da der Leistungsteil je nach Last sehr unterschiedlich sein kann (z.B. BTS555 für Hochstromanwendungen) ist er außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Als Schaltungsbeispiel wird eine Endstufe mit LT1763 gezeigt.

=== Ladeteil ===

[[Bild:BMON_1048_L200.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Ladeteil]]

Das Ladeteil ist eine Standardapplikation mit L200 ergänzt um einen Spannungsausgang für die Strommessung.
Die maximale Ladespannung wird mittels Spannungsteiler R12 zu R11 eingestellt. R13 ist parallel zu R12 und wird für den Feinabgleich der Ausgangsspannung verwendet. Auf der Leiterplatte sind die Widerstände wahlweise als SMD (R11A..R13A) oder bedrahtet bestückbar. R11 ist mit 820 Ohm bestückt. R12 mit 4K7 parallel zu R13 mit 130k ergibt 4K54. Die Ausgangsspannung von 18.1 V ergibt sich aus der Referenzspannung von 2.77V des L200 * (1 + 4540R/820R). R14 begrenzt den Strom auf ca 200 mA (0.45V / 2R2).
Diode D2 verhindert ein entladen des Akkus wenn das Steckernetzteil nicht angeschlossen ist. D3 dient als Verpolschutz.
Die Schaltung um U3 verstärkt die Spannung über dem Strombegrenzungswiderstand. Es muß zwingend ein OP verwendet werden dessen common mode input range an die positive Versorgung reicht. Bei einem TL062 ist dies bei normalen Raumtemperaturen gegeben. Die Spannung über R14 wird im Verhältnis R16/R15 = 2.32 fach verstärkt. Bei 200mA also 450mV am Strombegrenzungswiderstand ergibt sich für den ADC-Eingang eine Spannung von 1.04V über R16.
L1,L2 sowie C15-C19 bilden ein optional bestückbares EMV-Filter. C18+C19 filtern hierbei die Störungen über einen M3 Distanzbolzen auf das Aluminiumgehäuse.

=== Spannungsregler ===

[[Bild:BMON_1048_VCC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Spannungsregler BF245C]]

Es gibt 2 alternative Bestückungsvarianten:

U5 ist ein low power Spannungsregler XC6216 von Torex. An Ein- und Ausgang werden 1uF Kondensatoren benötigt. Der Ruhestromverbrauch ist mit 5uA im Datenblatt angegeben.

Da mir das vieeel zu hoch ist habe ich einen Sperrschicht-FET als Spannungsregler mißbraucht. Ein BF245C hat bei kleinen Strömen je nach Exemplarstreuung eine Gate/Source Spannung von -3.2 .. -7.5 V zwischen Gate und Source.
Wenn man jetzt das Gate auf Masse legt, und an Drain die ungeregelte Eingangsspannung, bleibt am Source eine Ausgangsspannung von +3.2 bis 7.5V.
Da der nachgeschaltete Prozessor maximal 5.5V Spannung verträgt müssen die FETs selektiert werden. Bei der Maximalen Eingangsspannung und minimaler Last (also nur die 10 Meg-Ohm des Meßinstrumentes) dürfen die 5.5V nicht überschritten werden. Bei der typischen Last von 10uA entsprechend 330K sollten mindestens ca. 3.8V als minimale Spannung übrig bleiben.

Beim Austesten auf dem Steckbrett habe ich herausgefunden daß der FET relativ empfindlich auf Störimpulse reagiert und teilweise hierdurch auch hohe Spannungen an den Ausgang durchläßt. Abhilfe schaffen Abblockkondensatoren an Ein- und Ausgang. Im Gegensatz zum XC6216 reichen für den FET normale 100nF Abblockkondensatoren. Die Diode D1 dient als Verpolschutz. R2 begrenzt beim FET schnelle Spannungsanstiege sowie den Maximalstrom. Das Austesten auf dem Steckbrett sollte mit den Abblock-Cs und der Schutzbeschaltung erfolgen.

Von 10 getesteten FETs hatten alle eine maximale Spannung im Bereich 4.57 bis 4.80 V bei 25V Eingangsspannung. Bei Belastung mit 1K-Ohm und 9V Eingangsspannung habe ich 2.61V bis 2.77V gemessen. Der Regler hat also ausreichend Reserven. Die Mühe des Selektierens wird belohnt durch einen Stromverbrauch von nicht meßbaren wenigen nA für den Spannungsregler.

R2 sollte bei Verwendung des XC6216 durch einen 0 Ohm Widerstand ersetzt werden. Allerdings habe ich diese Schaltungsvariante noch nicht getestet.

=== Prozessorteil ===

[[Bild:BMON_1048_PIC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Prozessorteil]]

Als Prozessor wird ein PIC18F2520 verwendet. Es ist quasi der low power Nachfolger eines PIC16F876. Der Strom mit internem Oszillator beträgt ca 1mA. Um den Stromverbrauch zu reduzieren ist der Prozessor hauptsächlich im Sleep Mode und wird nur alle 16ms aufgeweckt um die Flanken für die Wechselspannung von 30Hz für die passive LC-Anzeige zu generieren die auch die meisten Pins benötigt.

Die Batteriespannung wird über Spannungsteiler R4/R5 an Pin RA2 gemessen. U2 sorgt mit R3 für eine stabile Referenz von 1.2V auch bei schwankenden Versorgungsspannungen. Kurzzeitig werden für den Referenzeingang bis zu 150uA und für die Referenzdiode bis zu 20uA benötigt. Da kein Abblockkondensator an der Referenz verwendet wird, ist R3 relativ niederohmig dimensioniert.

Die Stromsparfunktionen werden alle mit PIN RA1 gesteuert. Die Auswertung der Eingänge erfolgt nur ein Mal je Sekunde. Dies betrifft R3 als Versorgung für die Referenzdiode sowie R6 als pull up Widerstand für den Taster. Über T2 wird der Spannungsteiler für die Batteriespannung stromlos geschaltet. Der BSS138 ist ein FET mit geringer UGS threshold voltage von max. 1.5V. Da die Referenzspannung 1.2V beträgt ergibt sich bei einer Versorgungsspannung bis herab zu 2.7V noch keine Begrenzung des Meßbereiches für die Batteriespannung.

Der Ladestrom wird über Analogeingang RA0 gemessen.

Mit der gewählten Dimensionierung für R4/R5 ergibt sich ein Meßbereich von 25.5V für die Batteriespannung. Der Strombereich ist für ca 240mA ausgelegt.

An Pin RB6 wird schließlich das Schaltsignal für die Endstufe erzeugt.

=== Bedienteil ===

[[Bild:BMON_1048_HMI.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Bedienteil]]

Aus Platzgründen (Frontplatte des EG2-Gehäuses von ProMa) konnte leider nur ein 2-stelliges LC-Display verwendet werden. Um dennoch Spannungen größer 9.9V darstellen zu können wird der führende Dezimalpunkt als Zehner-Stelle verwendet. Ab 20.0V fängt dann der Dezimalpunkt an zu blinken. Bei Verwendung eines 3 oder 4-stelligen Displays würde man anstelle des führenden Dezimalpunktes beide Segmente für die führende "1" anschließen.
Der Kondensator C5 hält Gleichspannungssignale vom Display fern. Dies ist insbesonders nützlich beim Flashen bzw. in der Debugging Phase.

J1 ist die Verbindung zur Mutterplatine. Dort kann noch ein zweiter Taster parallel zum Taster auf der Frontplatte angeschlossen werden. R7 dient als Kurzschlußschutz bzw. zur Stromreduzierung des Schaltsignals.

=== Endstufe ===

[[Bild:BMON_1048_POWER.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Endstufe LT1763]]

Die Endstufe ist außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Damit ergibt sich maximale Flexibilität von wenigen mA bis zu mehreren Ampere über einen BSS138 Treiber mit BTS555 Endstufe. Der Anschluß an die BMON1048 Leiterplatte erfolgt über Buchsenleisten auf der Leiterplatte mit der Endstufe.

Hier ist ein Beispiel für eine Endstufe mit LT1763 für maximal 20V Ladeendspannung gezeigt. Im ausgeschalteten Zustand verbraucht der Spannungsregler weniger als 1uA zusätzlich. Der Ruhestrom mit 30uA ist ebenfalls ein guter Wert. C10 ist vorzugsweise ein Folienkondensator (geringer Mikrofonieeffekt) zur Rauschunterdrückung. Die Ausgangsspannung wird mit R11+R12 auf 14.0 V eingestellt.

== Software ==

Die Software hat folgende Funktionen:

* Messen der Spannung und des Stroms linksbündig als 10 Bit Wert
* Verrechnung eines Korrekturfaktors aus EEPROM für Feinabgleich
* Anzeige der Spannung auf Display
* Als Timer dient der Watchdog mit 16ms Periode
* Die 30 Hz Wechselspannung für das Display wird hieraus abgeleitet
* Im Ladebetrieb erfolgt die Anzeige des Stroms im Wechsel mit der Spannung
* unterhalb 1.15V/Zelle abschalten der Last (Spannungsanzeige blinkt)
* oberhalb 1.25V/Zelle wiedereinschalten der Last
* Bei Tastendruck länger als 5 Sekunden wird die Last manuell ein-/ausgeschaltet
* Bei Spannungseinbruch > 0.6V/Minute wird ebenfalls abgeschaltet
* Alle Parameter wie Zellenzahl + Hysterese sind im Header konfigurierbar

<c>
#define Cells 12 ; # number of cells
#define mV * 256 * 51/1051/1235 ; 25,6V * 5K1/(100K+5K1)/VRef
#define VOn Cells * 1250 mV ; high hysteresis
#define VOff Cells * 1150 mV ; low hysteresis
#define VOLT_SEC 10 ; check every 10 seconds
#define VDIFF 600 mV ; voltage drop / minute
#define mA * 1 ; 1 mA / count
#define CURR_MIN 10 mA ; min current to display
</c>

Die Software ist mit MPASM 5.40 (MPLAB 8.70) erstellt. Die Bit-Schubsereien für das Display werden mit Tabellen in Page 0 für alle 3 Ports A-C und die Digits 1-2 abgehandelt.

Bei der Initialisierung wird erst die Hardware initalisiert und danach alle Variablen einschließlich der Kalibrierparameter die aus dem EEPROM gelesen werden. Die Kalibrierfaktoren sind im 2er Komplement als 16 Bit signed Wert gespeichert. Ein Abgleich von +/- 50% entspricht +/-32768 als Wert.

Die meiste Zeit verbringt der Prozessor im Sleep mode. Alle 16 ms weckt der Watchdog den Prozessor auf um die Pins für die Anzeige zu invertieren. Alle Sekunde finden zusätzlich noch Meßfunktionen sowie die Tasterabfrage statt.
Um Zeit (und damit Strom) zu sparen wird die Wartezeit aufs ADC-Ergebnis genutzt um eine Tastenentprellung bzw. die Vorverarbeitung der Spannungsmessung während der Strommessung durchzuführen.
Alle 10 Sekunden wird das High-Byte des Spannungswertes in einen Ringpuffer mit 6 Einträgen für die vergangene Minute eingetragen. Dies dient unterhalb der Einschaltschwelle zur Detektierung eines plötzlichen Spannungsabfalls falls eine Zelle schneller entladen ist als die übrigen im Pack.

== Aufbau ==

<gallery>
Bild:Loetseite_IMG0964W.JPG|BMON1048 - Lötseite
Bild:BMON1048_BS_IMG0968W.JPG|Bestückungsseite
Bild:BMON1048_BST_LS.PNG|Position LS
Bild:BMON1048_BST_BS.PNG|Position BS
</gallery>

=== Lötseite ===

Die Leiterplatte ist doppelseitig. Die meisten Durchkontaktierungen liegen auf bedrahteten Bauelementen so daß eine durchkontaktierte Leiterplatte nicht zwingend nötig ist. Die drei Durchkontaktierungen im Bereich des Programmiersteckers können auch mit Kupferhohlnieten oder einer Drahtbrücke bestückt werden.

Am besten beginnt man nach Durchkontaktieren mit der Bestückung auf der Lötseite. C18, C19 sowie U5 sind im Muster nicht bestückt.

=== Bestückungsseite ===

Auf der Bestückungsseite werden zuerst die Bauteile unter dem Display sowie die Widerstände unter dem L200 bestückt.

Die Ladebuchse ist auf die Leiterplatte aufgesetzt und mit Silberdraht die Anschlüsse verlängert. Mit dem Verlöten sollte man so lange warten bis die Frontplatte montiert ist.
In den Layoutdaten ist auch ein Layer für die Frontplatte enthalten der als Bohrhilfe verwendet werden kann.

Der L200 ist über Kopf bestückt, die Anschlußdrähte also ebenfalls auf die andere Seite abgewinkelt. Bei Verwendung von 10mm Distanzbolzen muß als Isolierung mindestens eine 1.5 mm Aluminiumoxidscheibe verwendet werden damit sich die Pins des L200 im montierten Zustand verlöten lassen. Die Frontplatte des EG2-Gehäuses dient hiermit gleichzeitig als Kühlfläche.

C12 muß liegend montiert werden.

Für das Display verwende ich eine 18-polige Präzisionsfassung die mit dem Seitenschneider auseinander geschnitten wird. Verlöten geht am einfachsten wenn das Display bereits in die Fassung gesteckt ist. Die beiden Pins 1 + 18 für die Backplane sind auf der Leiterplattenoberseite verbunden (Lötung unter der Fassung nicht vergessen).

Der Taster ist eine Ausführung mit langem Stößel wenn die Bedienung ohne Hilfswerkzeug möglich sein soll.

=== Montagedetail L200 ===

[[Bild:BMON1048_L200_IMG0981W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - L200 Montage]]

Montagedetail L200:

* M3 Schraube
* Frontplatte
* Aluminiumoxidscheibe (AOS220 - 1.5mm)
* L200
* Isolierbuchse
* Unterlegscheibe (fehlt im Bild)
* M3 Mutter

=== Spannungsanzeige ===

Ansicht montiert mit Spannungsanzeige 16.7V

=== Stromanzeige ===

Ansicht Ladebetrieb mit Stromanzeige 188mA

<gallery>
Bild:BMON1048_Spannung_IMG0965W.JPG|Spannungsanzeige
Bild:BMON1048_Strom_IMG0966W.JPG|Stromanzeige
</gallery>

== Inbetriebnahme und Abgleich ==

Der Ladeteil und der Batteriewächter können auf Grund der getrennten Steckverbinder unabhängig voneinander in Betrieb genommen werden.

* Ladeteil:

An einem strombegrenzten Netzteil (ca 20-100mA) wird die Spannung an der Ladebuchse langsam von 0V an erhöht und die Stromaufnahme gemessen. Der Eigenverbrauch des L200 liegt bei ca 10mA. Dieser Wert darf nicht wesentlich überschritten werden. Ist alles in Ordnung dreht man die Spannung langsam auf 24V. Die Ausgangsspannung des L200 sollte vor der Verpolschutzdiode D2 gemessen ca 18.1V sein. Falls nicht kann man durch Feinabgleich des Widerstandes R13 noch etwas korrigieren.
Danach einen Akkusatz anschließen und die Strombegrenzung des Netzteils langsam auf ca 250mA-300mA drehen. Der Strom in den Akku sollte durch den L200 auf ca 200 mA begrenzt werden.
Bei voll geladenem Akku sollte der Strom unter C/50 besser C/100 (also 20-40 mA) zurückgehen. Gegebenenfalls ist die Ladeendspannung etwas zu reduzieren.

* Prozessorteil:

Zunächst wird der Prozessor mit einem Programmiergerät geflasht. Bei Verwendung des FET-Spannungsreglers darauf achten daß die Spannungsversorgung für den Prozessor vom Programmiergerät (z.B. PICKIT3) zur Verfügung gestellt wird.
Hierbei darauf achten daß die nominalen Kalibrierwerte im EEPROM nicht zu weit von den Defaultwerten abweichen.
Bei der Spannung ist der Defaultwert = 0x00,0x00 (= Faktor 1.0)
Beim Strom ist die Verstärkung nicht ganz auf einen Stromendwert von 255mA ausgelegt sondern etwa 5 Prozent tiefer. Der nominale Kalibrierwert für den Strom beträgt daher 0xF3, 0x1B (= Faktor 0.94963).

Nach dem Flashen wird an die beiden mittleren Pins von J1 eine Spannung von ca. 5V angeschlossen. Ist alles ok sollte das Display die Spannung blinkend anzeigen. Der Ausgang J1 PIN 1 weist Low-Pegel auf. Die Spannung wird langsam auf ca 20V (max 25V) erhöht und die prozentuale Abweichung zwischen Sollwert und Anzeige berechnet. Ab ca 15. V verschwindet das Blinken und der Ausgang wechselt auf High-Pegel (>2.4V). Unterhalb ca 13.8V wird die Last wieder abgeschaltet und das Display blinkt wieder.
Danach wird ein Akku (15-17V) an Prozessorteil und Ladeteil angeschlossen. Über ein strombegrenztes Netzteil werden ca 180mA Ladestrom in den Akku eingestellt. Die Anzeige zeigt jetzt im Wechsel die Akkuspannung und den Ladestrom an. Wiederum wird die prozentuale Abweichung vom tatsächlichen Ladestrom berechnet.
Die prozentualen Abweichungen werden auf die existierenden Kalibrierwerte multipliziert und dann nach einem MPASM-Lauf ins EEPROM geschrieben. Bei Verwendung von MPLAB darauf achten daß im "Release" Modus und nicht im "Debug" Modus gearbeitet wird.

Danach ist der Batteriewächter einsatzbereit.

== Praxis und Ideen ==

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|BMON1035 Stromverbrauch 9.7uA bei 9.3V]]

Anbei ein Aufbau einer Vorgängerversion ohne Ladestrommessung (BMON1035) mit einem Stromverbrauch um 9.7 uA (schwankend) bei einem frisch aufgeladenen Akku mit 9.3V. An einem BMON1048 mit Strommessung habe ich 10-12uA gemessen. Wobei der Stromverbrauch auch von der tatsächlichen Versorgungsspannung des Prozessors abhängt.

Ich habe 2 Schaltungen mit ca. 30 mA Last seit 2.5 Jahren im Dauerbetrieb mit je 12 AA-Zellen und täglichem Ladebetrieb. Der erste Akkusatz zeigt seit letzten Sommer (bis zu 32 Grad Raumtemperatur während dem Laden) einen erhöhten Innenwiderstand. Der Ladestrom bei vollem Akku lag hierbei bei erhöhter Temperatur bei 60-70mA.

Die Spannungsdifferenz beim Einstecken / Entfernen des Ladegerätes ist bei diesem Akkusatz ca 1V. Bei niedrigen Spannungen unter 15V und kurzem Ladebetrieb wird hierdurch die Last ungewollt abgeworfen. Das Kriterium 0.6V Abfall innerhalb einer Minute wird überschritten.
Der andere Akkusatz liegt immer noch bei 0.2V Differenz zwischen Normal und Ladebetrieb.

Ganz oben auf der Wunschliste steht der vereinfachte Abgleich der Kalibrierwerte im EEPROM. Denkbar wäre irgend ein Morsecode über den Taster oder ein Jumper an einem freien Pin um den Abgleich bei angelegten Referenzwerten zu starten.

Freier Speicherplatz ist jedenfalls genügend vorhanden. Wobei Sonderfunktionen nur selten gerechnet werden sollten um den Stromverbrauch nicht zu stark zu erhöhen.

Die führende "1" wird derzeit wegen des 2-stelligen Displays als Dezimalpunkt angezeigt. Bei einem 3-stelligen Display würde man anstelle des Dezimalpunktes die beiden Segmente "b" und "c" für die "1" parallel ansteuern.

Ideen:
* Temperaturkompensation der End-Ladespannung mittels NTC / Dioden
* Alternativ: Abschaltung des Ladezweigs per Prozessorpin wenn der Ladestrom bei der Endspannung eingeschwungen ist
* Lernfunktion Berücksichtigung Spannungsdifferenz bei Ladebetrieb für Abschaltkriterium
* Automatisiertes Speichern der Abgleichwerte im EEPROM

== Downloads ==

* [[Media:BMON1048_MPASM.ZIP| Sourcecode für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_Schaltbild.pdf| Schaltplan für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_gcprevue.zip| Layout (Gerber) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_PDF.zip| Layout (PDF) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_STK.txt| Stückliste Batteriewächter BMON1048]]

== Weblinks ==

* [http://www.st.com/internet/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_LITERATURE/DATASHEET/CD00000053.pdf L200_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BSS84.pdf BSS84P_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF245A-B-C.pdf BF245C_Datasheet]
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39631e.pdf PIC18F2520_Datasheet]
* [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm285-1.2-n.pdf LM385Z-1.2_Datasheet]
* [http://www.fairchildsemi.com/ds/BS/BSS138.pdf BSS138_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Hintergrund-gruen/LCD-2-0-13/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=3005&ARTICLE=10179&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& LCD-2-13]
* [http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1763fg.pdf LT1763_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Proma-Gehaeuse/GEH-EG-2/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=5199&ARTICLE=50424&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& Gehäuse_EG2]
* [http://www.graphicode.com/ GC-Prevue Gerber viewer]
== Siehe auch ==

* [http://www.mikrocontroller.net/topic/288063 Forum: Diskussion zu diesem Projekt]

[[Kategorie:Wettbewerb]]
[[Kategorie:PIC-Projekte]]
[[Kategorie:Spannungsversorgung_und_Energiequellen]]
[[Kategorie:Messtechnik]]
[[Kategorie:Projekte]]

Batteriewächter

2013-02-24T15:51:29Z

An ja:

''von Anja'' (in Arbeit)

{{Wettbewerb Header}}

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|Batteriewächter]]
Der Batteriewächter liefert bei Unterspannung eines 12 AA Batteriepacks ein Signal um die Last abzuwerfen. Ein einfaches Ladeteil sowie eine Batteriespannungsanzeige sind für die Frontplatte eines EG2-Gehäuses ausgelegt. Für andere Zellkonfigurationen ab 3-4 Zellen aufwärts kann die Schaltung durch Umdimensionierung der Spannungsteilerwiderstände leicht angepasst werden. Der Stromverbrauch beträgt nur etwa 10uA.
Auf Grund des geringen Stromverbrauchs und der geringen Mindestspannung von ca 2.5V ist auch eine Anwendung als aus dem Meßwert gespeistes Panelmeter denkbar.

== Vorgeschichte ==

Eigentlich wollte ich nur eine einfache Anzeige wann die 9V-Blocks für meine Akku gespeisten Referenzen wieder ans Ladegerät müssen. Ein einfaches Drehspulinstrument hätte es getan. Allerdings brauchen diese relativ viel Strom im Verhältnis zu einer ISL21009 und bei einer Empfindlichkeit von 100uA sind sie auch nicht ganz billig.

Die nächste Idee: eine low power Referenz und ein Komparator (oder gleich einen ICL7665). Nur was dann als Anzeige nehmen. Selbst eine low current LED braucht einige 100uA für die Anzeige.

Das ganze zu takten war die nächste Idee. Also wie beim Rauchmelder nur kurze Meß- und Anzeigephasen um Strom zu sparen.

Alternative Anzeigen wären eine einfache LCD Balkenanzeige wie im Handy. Diese sind allerdings nicht im DIP 8 Gehäuse erhältlich. Als Alternative bleiben eigentlich nur passive LC-Anzeigen mit 2-4 Digits.

In der Zwischenzeit waren auch Referenzen im Programm die eine Mindestspannung von 9 oder 14V benögigen. Die Anzahl der Zellen (8-12) also so gewachsen daß die 16V des ICL7665 oder gängiger CMOS Logik nicht mehr ausreichen.

Schön wäre auch eine "richtige" Spannungsanzeige also muß ein Prozessor her. Nachdem auch die ersten 9V-Blocks Schwächen wegen Tiefentladung zeigten sollte das ganze auch einen Unterspannungsschutz haben.

Zum damaligen Zeitpunkt gab es nur wenige Spannungsregler mit Eingangsspannungen bis 20 oder 25V und Eigenstromverbrauch unter 20uA. Und die auch nur von Farnell also für Privat quasi unobtanium.

Eine Idee hatte ich schon länger um z.B. Uhrenchips im 12V-System zu betreiben: Ein normaler Sperrschicht-FET hat eine negative UGS-Spannung. Wenn man das Gate also an Masse Anschließt müßte am Source eine halbwegs stabile Backup-Spannung übrig bleiben. Und das auch noch ohne daß der Spannungsregler einen nennenswerten Strom braucht.

Der Ehrgeiz war geweckt es müßte doch möglich sein einen prozessorgesteuerten Komparator mit Spannungsanzeige bei unter 20uA Stromverbrauch mit Versorgung direkt aus der Batterie im Bereich 5-20V zu entwickeln ...

== Blockschaltbild ==

[[Bild:BMON_1048_BLOCK.PNG|thumb|right|350px|BMON148 - Blockschaltbild]]

Die Schaltung auf der Leiterplatte umfaßt ein einfaches Ladeteil mit L200. Die Speisung erfolgt mit einem externen 24V Steckernetzteil. Ein Low-Power Spannungsregler erzeugt die VCC-Versorgung für den Prozessorteil. Der Prozessor mißt die Akkuspannung sowie den Ladestrom und erzeugt das Steuersignal für die Endstufe. Auf dem Display wird die Akkuspannung sowie der Ladestrom angezeigt. Der Taster dient zum Ein-/Ausschalten der Last. Da der Leistungsteil je nach Last sehr unterschiedlich sein kann (z.B. BTS555 für Hochstromanwendungen) ist er außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Als Schaltungsbeispiel wird eine Endstufe mit LT1763 gezeigt.

=== Ladeteil ===

[[Bild:BMON_1048_L200.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Ladeteil]]

Das Ladeteil ist eine Standardapplikation mit L200 ergänzt um einen Spannungsausgang für die Strommessung.
Die maximale Ladespannung wird mittels Spannungsteiler R12 zu R11 eingestellt. R13 ist parallel zu R12 und wird für den Feinabgleich der Ausgangsspannung verwendet. Auf der Leiterplatte sind die Widerstände wahlweise als SMD (R11A..R13A) oder bedrahtet bestückbar. R11 ist mit 820 Ohm bestückt. R12 mit 4K7 parallel zu R13 mit 130k ergibt 4K54. Die Ausgangsspannung von 18.1 V ergibt sich aus der Referenzspannung von 2.77V des L200 * (1 + 4540R/820R). R14 begrenzt den Strom auf ca 200 mA (0.45V / 2R2).
Diode D2 verhindert ein entladen des Akkus wenn das Steckernetzteil nicht angeschlossen ist. D3 dient als Verpolschutz.
Die Schaltung um U3 verstärkt die Spannung über dem Strombegrenzungswiderstand. Es muß zwingend ein OP verwendet werden dessen common mode input range an die positive Versorgung reicht. Bei einem TL062 ist dies bei normalen Raumtemperaturen gegeben. Die Spannung über R14 wird im Verhältnis R16/R15 = 2.32 fach verstärkt. Bei 200mA also 450mV am Strombegrenzungswiderstand ergibt sich für den ADC-Eingang eine Spannung von 1.04V über R16.
L1,L2 sowie C15-C19 bilden ein optional bestückbares EMV-Filter. C18+C19 filtern hierbei die Störungen über einen M3 Distanzbolzen auf das Aluminiumgehäuse.

=== Spannungsregler ===

[[Bild:BMON_1048_VCC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Spannungsregler BF245C]]

Es gibt 2 alternative Bestückungsvarianten:

U5 ist ein low power Spannungsregler XC6216 von Torex. An Ein- und Ausgang werden 1uF Kondensatoren benötigt. Der Ruhestromverbrauch ist mit 5uA im Datenblatt angegeben.

Da mir das vieeel zu hoch ist habe ich einen Sperrschicht-FET als Spannungsregler mißbraucht. Ein BF245C hat bei kleinen Strömen je nach Exemplarstreuung eine Gate/Source Spannung von -3.2 .. -7.5 V zwischen Gate und Source.
Wenn man jetzt das Gate auf Masse legt, und an Drain die ungeregelte Eingangsspannung, bleibt am Source eine Ausgangsspannung von +3.2 bis 7.5V.
Da der nachgeschaltete Prozessor maximal 5.5V Spannung verträgt müssen die FETs selektiert werden. Bei der Maximalen Eingangsspannung und minimaler Last (also nur die 10 Meg-Ohm des Meßinstrumentes) dürfen die 5.5V nicht überschritten werden. Bei der typischen Last von 10uA entsprechend 330K sollten mindestens ca. 3.8V als minimale Spannung übrig bleiben.

Beim Austesten auf dem Steckbrett habe ich herausgefunden daß der FET relativ empfindlich auf Störimpulse reagiert und teilweise hierdurch auch hohe Spannungen an den Ausgang durchläßt. Abhilfe schaffen Abblockkondensatoren an Ein- und Ausgang. Im Gegensatz zum XC6216 reichen für den FET normale 100nF Abblockkondensatoren. Die Diode D1 dient als Verpolschutz. R2 begrenzt beim FET schnelle Spannungsanstiege sowie den Maximalstrom. Das Austesten auf dem Steckbrett sollte mit den Abblock-Cs und der Schutzbeschaltung erfolgen.

Von 10 getesteten FETs hatten alle eine maximale Spannung im Bereich 4.57 bis 4.80 V bei 25V Eingangsspannung. Bei Belastung mit 1K-Ohm und 9V Eingangsspannung habe ich 2.61V bis 2.77V gemessen. Der Regler hat also ausreichend Reserven. Die Mühe des Selektierens wird belohnt durch einen Stromverbrauch von nicht meßbaren wenigen nA für den Spannungsregler.

R2 sollte bei Verwendung des XC6216 durch einen 0 Ohm Widerstand ersetzt werden. Allerdings habe ich diese Schaltungsvariante noch nicht getestet.

=== Prozessorteil ===

[[Bild:BMON_1048_PIC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Prozessorteil]]

Als Prozessor wird ein PIC18F2520 verwendet. Es ist quasi der low power Nachfolger eines PIC16F876. Der Strom mit internem Oszillator beträgt ca 1mA. Um den Stromverbrauch zu reduzieren ist der Prozessor hauptsächlich im Sleep Mode und wird nur alle 16ms aufgeweckt um die Flanken für die Wechselspannung von 30Hz für die passive LC-Anzeige zu generieren die auch die meisten Pins benötigt.

Die Batteriespannung wird über Spannungsteiler R4/R5 an Pin RA2 gemessen. U2 sorgt mit R3 für eine stabile Referenz von 1.2V auch bei schwankenden Versorgungsspannungen. Kurzzeitig werden für den Referenzeingang bis zu 150uA und für die Referenzdiode bis zu 20uA benötigt. Da kein Abblockkondensator an der Referenz verwendet wird, ist R3 relativ niederohmig dimensioniert.

Die Stromsparfunktionen werden alle mit PIN RA1 gesteuert. Die Auswertung der Eingänge erfolgt nur ein Mal je Sekunde. Dies betrifft R3 als Versorgung für die Referenzdiode sowie R6 als pull up Widerstand für den Taster. Über T2 wird der Spannungsteiler für die Batteriespannung stromlos geschaltet. Der BSS138 ist ein FET mit geringer UGS threshold voltage von max. 1.5V. Da die Referenzspannung 1.2V beträgt ergibt sich bei einer Versorgungsspannung bis herab zu 2.7V noch keine Begrenzung des Meßbereiches für die Batteriespannung.

Der Ladestrom wird über Analogeingang RA0 gemessen.

Mit der gewählten Dimensionierung für R4/R5 ergibt sich ein Meßbereich von 25.5V für die Batteriespannung. Der Strombereich ist für ca 240mA ausgelegt.

An Pin RB6 wird schließlich das Schaltsignal für die Endstufe erzeugt.

=== Bedienteil ===

[[Bild:BMON_1048_HMI.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Bedienteil]]

Aus Platzgründen (Frontplatte des EG2-Gehäuses von ProMa) konnte leider nur ein 2-stelliges LC-Display verwendet werden. Um dennoch Spannungen größer 9.9V darstellen zu können wird der führende Dezimalpunkt als Zehner-Stelle verwendet. Ab 20.0V fängt dann der Dezimalpunkt an zu blinken. Bei Verwendung eines 3 oder 4-stelligen Displays würde man anstelle des führenden Dezimalpunktes beide Segmente für die führende "1" anschließen.
Der Kondensator C5 hält Gleichspannungssignale vom Display fern. Dies ist insbesonders nützlich beim Flashen bzw. in der Debugging Phase.

J1 ist die Verbindung zur Mutterplatine. Dort kann noch ein zweiter Taster parallel zum Taster auf der Frontplatte angeschlossen werden. R7 dient als Kurzschlußschutz bzw. zur Stromreduzierung des Schaltsignals.

=== Endstufe ===

[[Bild:BMON_1048_POWER.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Endstufe LT1763]]

Die Endstufe ist außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Damit ergibt sich maximale Flexibilität von wenigen mA bis zu mehreren Ampere über einen BSS138 Treiber mit BTS555 Endstufe. Der Anschluß an die BMON1048 Leiterplatte erfolgt über Buchsenleisten auf der Leiterplatte mit der Endstufe.

Hier ist ein Beispiel für eine Endstufe mit LT1763 für maximal 20V Ladeendspannung gezeigt. Im ausgeschalteten Zustand verbraucht der Spannungsregler weniger als 1uA zusätzlich. Der Ruhestrom mit 30uA ist ebenfalls ein guter Wert. C10 ist vorzugsweise ein Folienkondensator (geringer Mikrofonieeffekt) zur Rauschunterdrückung. Die Ausgangsspannung wird mit R11+R12 auf 14.0 V eingestellt.

== Software ==

Die Software hat folgende Funktionen:

* Messen der Spannung und des Stroms linksbündig als 10 Bit Wert
* Verrechnung eines Korrekturfaktors aus EEPROM für Feinabgleich
* Anzeige der Spannung auf Display
* Als Timer dient der Watchdog mit 16ms Periode
* Die 30 Hz Wechselspannung für das Display wird hieraus abgeleitet
* Im Ladebetrieb erfolgt die Anzeige des Stroms im Wechsel mit der Spannung
* unterhalb 1.15V/Zelle abschalten der Last (Spannungsanzeige blinkt)
* oberhalb 1.25V/Zelle wiedereinschalten der Last
* Bei Tastendruck länger als 5 Sekunden wird die Last manuell ein-/ausgeschaltet
* Bei Spannungseinbruch > 0.6V/Minute wird ebenfalls abgeschaltet
* Alle Parameter wie Zellenzahl + Hysterese sind im Header konfigurierbar

<c>
#define Cells 12 ; # number of cells
#define mV * 256 * 51/1051/1235 ; 25,6V * 5K1/(100K+5K1)/VRef
#define VOn Cells * 1250 mV ; high hysteresis
#define VOff Cells * 1150 mV ; low hysteresis
#define VOLT_SEC 10 ; check every 10 seconds
#define VDIFF 600 mV ; voltage drop / minute
#define mA * 1 ; 1 mA / count
#define CURR_MIN 10 mA ; min current to display
</c>

Die Software ist mit MPASM 5.40 (MPLAB 8.70) erstellt. Die Bit-Schubsereien für das Display werden mit Tabellen in Page 0 für alle 3 Ports A-C und die Digits 1-2 abgehandelt.

Bei der Initialisierung wird erst die Hardware initalisiert und danach alle Variablen einschließlich der Kalibrierparameter die aus dem EEPROM gelesen werden. Die Kalibrierfaktoren sind im 2er Komplement als 16 Bit signed Wert gespeichert. Ein Abgleich von +/- 50% entspricht +/-32768 als Wert.

Die meiste Zeit verbringt der Prozessor im Sleep mode. Alle 16 ms weckt der Watchdog den Prozessor auf um die Pins für die Anzeige zu invertieren. Alle Sekunde finden zusätzlich noch Meßfunktionen sowie die Tasterabfrage statt.
Um Zeit (und damit Strom) zu sparen wird die Wartezeit aufs ADC-Ergebnis genutzt um eine Tastenentprellung bzw. die Vorverarbeitung der Spannungsmessung während der Strommessung durchzuführen.
Alle 10 Sekunden wird das High-Byte des Spannungswertes in einen Ringpuffer mit 6 Einträgen für die vergangene Minute eingetragen. Dies dient unterhalb der Einschaltschwelle zur Detektierung eines plötzlichen Spannungsabfalls falls eine Zelle schneller entladen ist als die übrigen im Pack.

== Aufbau ==
=== Lötseite ===

[[Bild:Loetseite_IMG0964W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - Lötseite]]

[[Bild:BMON1048_BST_LS.PNG|thumb|right|200px|BMON1048 - Position LS]]

Die Leiterplatte ist doppelseitig. Die meisten Durchkontaktierungen liegen auf bedrahteten Bauelementen so daß eine durchkontaktierte Leiterplatte nicht zwingend nötig ist. Die drei Durchkontaktierungen im Bereich des Programmiersteckers können auch mit Kupferhohlnieten oder einer Drahtbrücke bestückt werden.

Am besten beginnt man nach Durchkontaktieren mit der Bestückung auf der Lötseite. C18, C19 sowie U5 sind im Muster nicht bestückt.

=== Bestückungsseite ===

[[Bild:BMON1048_BS_IMG0968W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - Bestückungsseite]]
[[Bild:BMON1048_BST_BS.PNG|thumb|right|200px|BMON1048 - Position BS]]

Auf der Bestückungsseite werden zuerst die Bauteile unter dem Display sowie die Widerstände unter dem L200 bestückt.

Die Ladebuchse ist auf die Leiterplatte aufgesetzt und mit Silberdraht die Anschlüsse verlängert. Mit dem Verlöten sollte man so lange warten bis die Frontplatte montiert ist.
In den Layoutdaten ist auch ein Layer für die Frontplatte enthalten der als Bohrhilfe verwendet werden kann.

Der L200 ist über Kopf bestückt, die Anschlußdrähte also ebenfalls auf die andere Seite abgewinkelt. Bei Verwendung von 10mm Distanzbolzen muß als Isolierung mindestens eine 1.5 mm Aluminiumoxidscheibe verwendet werden damit sich die Pins des L200 im montierten Zustand verlöten lassen. Die Frontplatte des EG2-Gehäuses dient hiermit gleichzeitig als Kühlfläche.

C12 muß liegend montiert werden.

Für das Display verwende ich eine 18-polige Präzisionsfassung die mit dem Seitenschneider auseinander geschnitten wird. Verlöten geht am einfachsten wenn das Display bereits in die Fassung gesteckt ist. Die beiden Pins 1 + 18 für die Backplane sind auf der Leiterplattenoberseite verbunden (Lötung unter der Fassung nicht vergessen).

Der Taster ist eine Ausführung mit langem Stößel wenn die Bedienung ohne Hilfswerkzeug möglich sein soll.

=== Montagedetail L200 ===

[[Bild:BMON1048_L200_IMG0981W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - L200 Montage]]

Montagedetail L200:

* M3 Schraube
* Frontplatte
* Aluminiumoxidscheibe (AOS220 - 1.5mm)
* L200
* Isolierbuchse
* Unterlegscheibe (fehlt im Bild)
* M3 Mutter

=== Spannungsanzeige ===
[[Bild:BMON1048_Spannung_IMG0965W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - Spannungsanzeige]]

Ansicht montiert mit Spannungsanzeige 16.7V

=== Stromanzeige ===

[[Bild:BMON1048_Strom_IMG0966W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - Stromanzeige]]

Ansicht Ladebetrieb mit Stromanzeige 188mA

== Inbetriebnahme und Abgleich ==

Der Ladeteil und der Batteriewächter können auf Grund der getrennten Steckverbinder unabhängig voneinander in Betrieb genommen werden.

* Ladeteil:

An einem strombegrenzten Netzteil (ca 20-100mA) wird die Spannung an der Ladebuchse langsam von 0V an erhöht und die Stromaufnahme gemessen. Der Eigenverbrauch des L200 liegt bei ca 10mA. Dieser Wert darf nicht wesentlich überschritten werden. Ist alles in Ordnung dreht man die Spannung langsam auf 24V. Die Ausgangsspannung des L200 sollte vor der Verpolschutzdiode D2 gemessen ca 18.1V sein. Falls nicht kann man durch Feinabgleich des Widerstandes R13 noch etwas korrigieren.
Danach einen Akkusatz anschließen und die Strombegrenzung des Netzteils langsam auf ca 250mA-300mA drehen. Der Strom in den Akku sollte durch den L200 auf ca 200 mA begrenzt werden.
Bei voll geladenem Akku sollte der Strom unter C/50 besser C/100 (also 20-40 mA) zurückgehen. Gegebenenfalls ist die Ladeendspannung etwas zu reduzieren.

* Prozessorteil:

Zunächst wird der Prozessor mit einem Programmiergerät geflasht. Bei Verwendung des FET-Spannungsreglers darauf achten daß die Spannungsversorgung für den Prozessor vom Programmiergerät (z.B. PICKIT3) zur Verfügung gestellt wird.
Hierbei darauf achten daß die nominalen Kalibrierwerte im EEPROM nicht zu weit von den Defaultwerten abweichen.
Bei der Spannung ist der Defaultwert = 0x00,0x00 (= Faktor 1.0)
Beim Strom ist die Verstärkung nicht ganz auf einen Stromendwert von 255mA ausgelegt sondern etwa 5 Prozent tiefer. Der nominale Kalibrierwert für den Strom beträgt daher 0xF3, 0x1B (= Faktor 0.94963).

Nach dem Flashen wird an die beiden mittleren Pins von J1 eine Spannung von ca. 5V angeschlossen. Ist alles ok sollte das Display die Spannung blinkend anzeigen. Der Ausgang J1 PIN 1 weist Low-Pegel auf. Die Spannung wird langsam auf ca 20V (max 25V) erhöht und die prozentuale Abweichung zwischen Sollwert und Anzeige berechnet. Ab ca 15. V verschwindet das Blinken und der Ausgang wechselt auf High-Pegel (>2.4V). Unterhalb ca 13.8V wird die Last wieder abgeschaltet und das Display blinkt wieder.
Danach wird ein Akku (15-17V) an Prozessorteil und Ladeteil angeschlossen. Über ein strombegrenztes Netzteil werden ca 180mA Ladestrom in den Akku eingestellt. Die Anzeige zeigt jetzt im Wechsel die Akkuspannung und den Ladestrom an. Wiederum wird die prozentuale Abweichung vom tatsächlichen Ladestrom berechnet.
Die prozentualen Abweichungen werden auf die existierenden Kalibrierwerte multipliziert und dann nach einem MPASM-Lauf ins EEPROM geschrieben. Bei Verwendung von MPLAB darauf achten daß im "Release" Modus und nicht im "Debug" Modus gearbeitet wird.

Danach ist der Batteriewächter einsatzbereit.

== Praxis und Ideen ==

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|BMON1035 Stromverbrauch 9.7uA bei 9.3V]]

Anbei ein Aufbau einer Vorgängerversion ohne Ladestrommessung (BMON1035) mit einem Stromverbrauch um 9.7 uA (schwankend) bei einem frisch aufgeladenen Akku mit 9.3V. An einem BMON1048 mit Strommessung habe ich 10-12uA gemessen. Wobei der Stromverbrauch auch von der tatsächlichen Versorgungsspannung des Prozessors abhängt.

Ich habe 2 Schaltungen mit ca. 30 mA Last seit 2.5 Jahren im Dauerbetrieb mit je 12 AA-Zellen und täglichem Ladebetrieb. Der erste Akkusatz zeigt seit letzten Sommer (bis zu 32 Grad Raumtemperatur während dem Laden) einen erhöhten Innenwiderstand. Der Ladestrom bei vollem Akku lag hierbei bei erhöhter Temperatur bei 60-70mA.

Die Spannungsdifferenz beim Einstecken / Entfernen des Ladegerätes ist bei diesem Akkusatz ca 1V. Bei niedrigen Spannungen unter 15V und kurzem Ladebetrieb wird hierdurch die Last ungewollt abgeworfen. Das Kriterium 0.6V Abfall innerhalb einer Minute wird überschritten.
Der andere Akkusatz liegt immer noch bei 0.2V Differenz zwischen Normal und Ladebetrieb.

Ganz oben auf der Wunschliste steht der vereinfachte Abgleich der Kalibrierwerte im EEPROM. Denkbar wäre irgend ein Morsecode über den Taster oder ein Jumper an einem freien Pin um den Abgleich bei angelegten Referenzwerten zu starten.

Freier Speicherplatz ist jedenfalls genügend vorhanden. Wobei Sonderfunktionen nur selten gerechnet werden sollten um den Stromverbrauch nicht zu stark zu erhöhen.

Die führende "1" wird derzeit wegen des 2-stelligen Displays als Dezimalpunkt angezeigt. Bei einem 3-stelligen Display würde man anstelle des Dezimalpunktes die beiden Segmente "b" und "c" für die "1" parallel ansteuern.

Ideen:
* Temperaturkompensation der End-Ladespannung mittels NTC / Dioden
* Alternativ: Abschaltung des Ladezweigs per Prozessorpin wenn der Ladestrom bei der Endspannung eingeschwungen ist
* Lernfunktion Berücksichtigung Spannungsdifferenz bei Ladebetrieb für Abschaltkriterium
* Automatisiertes Speichern der Abgleichwerte im EEPROM

== Downloads ==

* [[Media:BMON1048_MPASM.ZIP| Sourcecode für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_Schaltbild.pdf| Schaltplan für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_gcprevue.zip| Layout (Gerber) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_PDF.zip| Layout (PDF) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_STK.txt| Stückliste Batteriewächter BMON1048]]

== Weblinks ==

* [http://www.st.com/internet/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_LITERATURE/DATASHEET/CD00000053.pdf L200_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BSS84.pdf BSS84P_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF245A-B-C.pdf BF245C_Datasheet]
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39631e.pdf PIC18F2520_Datasheet]
* [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm285-1.2-n.pdf LM385Z-1.2_Datasheet]
* [http://www.fairchildsemi.com/ds/BS/BSS138.pdf BSS138_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Hintergrund-gruen/LCD-2-0-13/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=3005&ARTICLE=10179&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& LCD-2-13]
* [http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1763fg.pdf LT1763_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Proma-Gehaeuse/GEH-EG-2/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=5199&ARTICLE=50424&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& Gehäuse_EG2]
* [http://www.graphicode.com/ GC-Prevue Gerber viewer]
== Siehe auch ==

* [http://www.mikrocontroller.net/topic/288063 Forum: Diskussion zu diesem Projekt]

[[Kategorie:Wettbewerb]]
[[Kategorie:PIC-Projekte]]
[[Kategorie:Spannungsversorgung_und_Energiequellen]]
[[Kategorie:Messtechnik]]
[[Kategorie:Projekte]]

Batteriewächter

2013-02-24T15:48:29Z

An ja: /* Stromanzeige */

''von Anja'' (in Arbeit)

{{Wettbewerb Header}}

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px]]
Der Batteriewächter liefert bei Unterspannung eines 12 AA Batteriepacks ein Signal um die Last abzuwerfen. Ein einfaches Ladeteil sowie eine Batteriespannungsanzeige sind für die Frontplatte eines EG2-Gehäuses ausgelegt. Für andere Zellkonfigurationen ab 3-4 Zellen aufwärts kann die Schaltung durch Umdimensionierung der Spannungsteilerwiderstände leicht angepasst werden. Der Stromverbrauch beträgt nur etwa 10uA.
Auf Grund des geringen Stromverbrauchs und der geringen Mindestspannung von ca 2.5V ist auch eine Anwendung als aus dem Meßwert gespeistes Panelmeter denkbar.

== Vorgeschichte ==

Eigentlich wollte ich nur eine einfache Anzeige wann die 9V-Blocks für meine Akku gespeisten Referenzen wieder ans Ladegerät müssen. Ein einfaches Drehspulinstrument hätte es getan. Allerdings brauchen diese relativ viel Strom im Verhältnis zu einer ISL21009 und bei einer Empfindlichkeit von 100uA sind sie auch nicht ganz billig.

Die nächste Idee: eine low power Referenz und ein Komparator (oder gleich einen ICL7665). Nur was dann als Anzeige nehmen. Selbst eine low current LED braucht einige 100uA für die Anzeige.

Das ganze zu takten war die nächste Idee. Also wie beim Rauchmelder nur kurze Meß- und Anzeigephasen um Strom zu sparen.

Alternative Anzeigen wären eine einfache LCD Balkenanzeige wie im Handy. Diese sind allerdings nicht im DIP 8 Gehäuse erhältlich. Als Alternative bleiben eigentlich nur passive LC-Anzeigen mit 2-4 Digits.

In der Zwischenzeit waren auch Referenzen im Programm die eine Mindestspannung von 9 oder 14V benögigen. Die Anzahl der Zellen (8-12) also so gewachsen daß die 16V des ICL7665 oder gängiger CMOS Logik nicht mehr ausreichen.

Schön wäre auch eine "richtige" Spannungsanzeige also muß ein Prozessor her. Nachdem auch die ersten 9V-Blocks Schwächen wegen Tiefentladung zeigten sollte das ganze auch einen Unterspannungsschutz haben.

Zum damaligen Zeitpunkt gab es nur wenige Spannungsregler mit Eingangsspannungen bis 20 oder 25V und Eigenstromverbrauch unter 20uA. Und die auch nur von Farnell also für Privat quasi unobtanium.

Eine Idee hatte ich schon länger um z.B. Uhrenchips im 12V-System zu betreiben: Ein normaler Sperrschicht-FET hat eine negative UGS-Spannung. Wenn man das Gate also an Masse Anschließt müßte am Source eine halbwegs stabile Backup-Spannung übrig bleiben. Und das auch noch ohne daß der Spannungsregler einen nennenswerten Strom braucht.

Der Ehrgeiz war geweckt es müßte doch möglich sein einen prozessorgesteuerten Komparator mit Spannungsanzeige bei unter 20uA Stromverbrauch mit Versorgung direkt aus der Batterie im Bereich 5-20V zu entwickeln ...

== Blockschaltbild ==

[[Bild:BMON_1048_BLOCK.PNG|thumb|right|350px|BMON148 - Blockschaltbild]]

Die Schaltung auf der Leiterplatte umfaßt ein einfaches Ladeteil mit L200. Die Speisung erfolgt mit einem externen 24V Steckernetzteil. Ein Low-Power Spannungsregler erzeugt die VCC-Versorgung für den Prozessorteil. Der Prozessor mißt die Akkuspannung sowie den Ladestrom und erzeugt das Steuersignal für die Endstufe. Auf dem Display wird die Akkuspannung sowie der Ladestrom angezeigt. Der Taster dient zum Ein-/Ausschalten der Last. Da der Leistungsteil je nach Last sehr unterschiedlich sein kann (z.B. BTS555 für Hochstromanwendungen) ist er außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Als Schaltungsbeispiel wird eine Endstufe mit LT1763 gezeigt.

=== Ladeteil ===

[[Bild:BMON_1048_L200.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Ladeteil]]

Das Ladeteil ist eine Standardapplikation mit L200 ergänzt um einen Spannungsausgang für die Strommessung.
Die maximale Ladespannung wird mittels Spannungsteiler R12 zu R11 eingestellt. R13 ist parallel zu R12 und wird für den Feinabgleich der Ausgangsspannung verwendet. Auf der Leiterplatte sind die Widerstände wahlweise als SMD (R11A..R13A) oder bedrahtet bestückbar. R11 ist mit 820 Ohm bestückt. R12 mit 4K7 parallel zu R13 mit 130k ergibt 4K54. Die Ausgangsspannung von 18.1 V ergibt sich aus der Referenzspannung von 2.77V des L200 * (1 + 4540R/820R). R14 begrenzt den Strom auf ca 200 mA (0.45V / 2R2).
Diode D2 verhindert ein entladen des Akkus wenn das Steckernetzteil nicht angeschlossen ist. D3 dient als Verpolschutz.
Die Schaltung um U3 verstärkt die Spannung über dem Strombegrenzungswiderstand. Es muß zwingend ein OP verwendet werden dessen common mode input range an die positive Versorgung reicht. Bei einem TL062 ist dies bei normalen Raumtemperaturen gegeben. Die Spannung über R14 wird im Verhältnis R16/R15 = 2.32 fach verstärkt. Bei 200mA also 450mV am Strombegrenzungswiderstand ergibt sich für den ADC-Eingang eine Spannung von 1.04V über R16.
L1,L2 sowie C15-C19 bilden ein optional bestückbares EMV-Filter. C18+C19 filtern hierbei die Störungen über einen M3 Distanzbolzen auf das Aluminiumgehäuse.

=== Spannungsregler ===

[[Bild:BMON_1048_VCC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Spannungsregler BF245C]]

Es gibt 2 alternative Bestückungsvarianten:

U5 ist ein low power Spannungsregler XC6216 von Torex. An Ein- und Ausgang werden 1uF Kondensatoren benötigt. Der Ruhestromverbrauch ist mit 5uA im Datenblatt angegeben.

Da mir das vieeel zu hoch ist habe ich einen Sperrschicht-FET als Spannungsregler mißbraucht. Ein BF245C hat bei kleinen Strömen je nach Exemplarstreuung eine Gate/Source Spannung von -3.2 .. -7.5 V zwischen Gate und Source.
Wenn man jetzt das Gate auf Masse legt, und an Drain die ungeregelte Eingangsspannung, bleibt am Source eine Ausgangsspannung von +3.2 bis 7.5V.
Da der nachgeschaltete Prozessor maximal 5.5V Spannung verträgt müssen die FETs selektiert werden. Bei der Maximalen Eingangsspannung und minimaler Last (also nur die 10 Meg-Ohm des Meßinstrumentes) dürfen die 5.5V nicht überschritten werden. Bei der typischen Last von 10uA entsprechend 330K sollten mindestens ca. 3.8V als minimale Spannung übrig bleiben.

Beim Austesten auf dem Steckbrett habe ich herausgefunden daß der FET relativ empfindlich auf Störimpulse reagiert und teilweise hierdurch auch hohe Spannungen an den Ausgang durchläßt. Abhilfe schaffen Abblockkondensatoren an Ein- und Ausgang. Im Gegensatz zum XC6216 reichen für den FET normale 100nF Abblockkondensatoren. Die Diode D1 dient als Verpolschutz. R2 begrenzt beim FET schnelle Spannungsanstiege sowie den Maximalstrom. Das Austesten auf dem Steckbrett sollte mit den Abblock-Cs und der Schutzbeschaltung erfolgen.

Von 10 getesteten FETs hatten alle eine maximale Spannung im Bereich 4.57 bis 4.80 V bei 25V Eingangsspannung. Bei Belastung mit 1K-Ohm und 9V Eingangsspannung habe ich 2.61V bis 2.77V gemessen. Der Regler hat also ausreichend Reserven. Die Mühe des Selektierens wird belohnt durch einen Stromverbrauch von nicht meßbaren wenigen nA für den Spannungsregler.

R2 sollte bei Verwendung des XC6216 durch einen 0 Ohm Widerstand ersetzt werden. Allerdings habe ich diese Schaltungsvariante noch nicht getestet.

=== Prozessorteil ===

[[Bild:BMON_1048_PIC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Prozessorteil]]

Als Prozessor wird ein PIC18F2520 verwendet. Es ist quasi der low power Nachfolger eines PIC16F876. Der Strom mit internem Oszillator beträgt ca 1mA. Um den Stromverbrauch zu reduzieren ist der Prozessor hauptsächlich im Sleep Mode und wird nur alle 16ms aufgeweckt um die Flanken für die Wechselspannung von 30Hz für die passive LC-Anzeige zu generieren die auch die meisten Pins benötigt.

Die Batteriespannung wird über Spannungsteiler R4/R5 an Pin RA2 gemessen. U2 sorgt mit R3 für eine stabile Referenz von 1.2V auch bei schwankenden Versorgungsspannungen. Kurzzeitig werden für den Referenzeingang bis zu 150uA und für die Referenzdiode bis zu 20uA benötigt. Da kein Abblockkondensator an der Referenz verwendet wird, ist R3 relativ niederohmig dimensioniert.

Die Stromsparfunktionen werden alle mit PIN RA1 gesteuert. Die Auswertung der Eingänge erfolgt nur ein Mal je Sekunde. Dies betrifft R3 als Versorgung für die Referenzdiode sowie R6 als pull up Widerstand für den Taster. Über T2 wird der Spannungsteiler für die Batteriespannung stromlos geschaltet. Der BSS138 ist ein FET mit geringer UGS threshold voltage von max. 1.5V. Da die Referenzspannung 1.2V beträgt ergibt sich bei einer Versorgungsspannung bis herab zu 2.7V noch keine Begrenzung des Meßbereiches für die Batteriespannung.

Der Ladestrom wird über Analogeingang RA0 gemessen.

Mit der gewählten Dimensionierung für R4/R5 ergibt sich ein Meßbereich von 25.5V für die Batteriespannung. Der Strombereich ist für ca 240mA ausgelegt.

An Pin RB6 wird schließlich das Schaltsignal für die Endstufe erzeugt.

=== Bedienteil ===

[[Bild:BMON_1048_HMI.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Bedienteil]]

Aus Platzgründen (Frontplatte des EG2-Gehäuses von ProMa) konnte leider nur ein 2-stelliges LC-Display verwendet werden. Um dennoch Spannungen größer 9.9V darstellen zu können wird der führende Dezimalpunkt als Zehner-Stelle verwendet. Ab 20.0V fängt dann der Dezimalpunkt an zu blinken. Bei Verwendung eines 3 oder 4-stelligen Displays würde man anstelle des führenden Dezimalpunktes beide Segmente für die führende "1" anschließen.
Der Kondensator C5 hält Gleichspannungssignale vom Display fern. Dies ist insbesonders nützlich beim Flashen bzw. in der Debugging Phase.

J1 ist die Verbindung zur Mutterplatine. Dort kann noch ein zweiter Taster parallel zum Taster auf der Frontplatte angeschlossen werden. R7 dient als Kurzschlußschutz bzw. zur Stromreduzierung des Schaltsignals.

=== Endstufe ===

[[Bild:BMON_1048_POWER.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Endstufe LT1763]]

Die Endstufe ist außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Damit ergibt sich maximale Flexibilität von wenigen mA bis zu mehreren Ampere über einen BSS138 Treiber mit BTS555 Endstufe. Der Anschluß an die BMON1048 Leiterplatte erfolgt über Buchsenleisten auf der Leiterplatte mit der Endstufe.

Hier ist ein Beispiel für eine Endstufe mit LT1763 für maximal 20V Ladeendspannung gezeigt. Im ausgeschalteten Zustand verbraucht der Spannungsregler weniger als 1uA zusätzlich. Der Ruhestrom mit 30uA ist ebenfalls ein guter Wert. C10 ist vorzugsweise ein Folienkondensator (geringer Mikrofonieeffekt) zur Rauschunterdrückung. Die Ausgangsspannung wird mit R11+R12 auf 14.0 V eingestellt.

== Software ==

Die Software hat folgende Funktionen:

* Messen der Spannung und des Stroms linksbündig als 10 Bit Wert
* Verrechnung eines Korrekturfaktors aus EEPROM für Feinabgleich
* Anzeige der Spannung auf Display
* Als Timer dient der Watchdog mit 16ms Periode
* Die 30 Hz Wechselspannung für das Display wird hieraus abgeleitet
* Im Ladebetrieb erfolgt die Anzeige des Stroms im Wechsel mit der Spannung
* unterhalb 1.15V/Zelle abschalten der Last (Spannungsanzeige blinkt)
* oberhalb 1.25V/Zelle wiedereinschalten der Last
* Bei Tastendruck länger als 5 Sekunden wird die Last manuell ein-/ausgeschaltet
* Bei Spannungseinbruch > 0.6V/Minute wird ebenfalls abgeschaltet
* Alle Parameter wie Zellenzahl + Hysterese sind im Header konfigurierbar

<c>
#define Cells 12 ; # number of cells
#define mV * 256 * 51/1051/1235 ; 25,6V * 5K1/(100K+5K1)/VRef
#define VOn Cells * 1250 mV ; high hysteresis
#define VOff Cells * 1150 mV ; low hysteresis
#define VOLT_SEC 10 ; check every 10 seconds
#define VDIFF 600 mV ; voltage drop / minute
#define mA * 1 ; 1 mA / count
#define CURR_MIN 10 mA ; min current to display
</c>

Die Software ist mit MPASM 5.40 (MPLAB 8.70) erstellt. Die Bit-Schubsereien für das Display werden mit Tabellen in Page 0 für alle 3 Ports A-C und die Digits 1-2 abgehandelt.

Bei der Initialisierung wird erst die Hardware initalisiert und danach alle Variablen einschließlich der Kalibrierparameter die aus dem EEPROM gelesen werden. Die Kalibrierfaktoren sind im 2er Komplement als 16 Bit signed Wert gespeichert. Ein Abgleich von +/- 50% entspricht +/-32768 als Wert.

Die meiste Zeit verbringt der Prozessor im Sleep mode. Alle 16 ms weckt der Watchdog den Prozessor auf um die Pins für die Anzeige zu invertieren. Alle Sekunde finden zusätzlich noch Meßfunktionen sowie die Tasterabfrage statt.
Um Zeit (und damit Strom) zu sparen wird die Wartezeit aufs ADC-Ergebnis genutzt um eine Tastenentprellung bzw. die Vorverarbeitung der Spannungsmessung während der Strommessung durchzuführen.
Alle 10 Sekunden wird das High-Byte des Spannungswertes in einen Ringpuffer mit 6 Einträgen für die vergangene Minute eingetragen. Dies dient unterhalb der Einschaltschwelle zur Detektierung eines plötzlichen Spannungsabfalls falls eine Zelle schneller entladen ist als die übrigen im Pack.

== Aufbau ==
=== Lötseite ===

[[Bild:Loetseite_IMG0964W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - Lötseite]]

[[Bild:BMON1048_BST_LS.PNG|thumb|right|200px|BMON1048 - Position LS]]

Die Leiterplatte ist doppelseitig. Die meisten Durchkontaktierungen liegen auf bedrahteten Bauelementen so daß eine durchkontaktierte Leiterplatte nicht zwingend nötig ist. Die drei Durchkontaktierungen im Bereich des Programmiersteckers können auch mit Kupferhohlnieten oder einer Drahtbrücke bestückt werden.

Am besten beginnt man nach Durchkontaktieren mit der Bestückung auf der Lötseite. C18, C19 sowie U5 sind im Muster nicht bestückt.

=== Bestückungsseite ===

[[Bild:BMON1048_BS_IMG0968W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - Bestückungsseite]]
[[Bild:BMON1048_BST_BS.PNG|thumb|right|200px|BMON1048 - Position BS]]

Auf der Bestückungsseite werden zuerst die Bauteile unter dem Display sowie die Widerstände unter dem L200 bestückt.

Die Ladebuchse ist auf die Leiterplatte aufgesetzt und mit Silberdraht die Anschlüsse verlängert. Mit dem Verlöten sollte man so lange warten bis die Frontplatte montiert ist.
In den Layoutdaten ist auch ein Layer für die Frontplatte enthalten der als Bohrhilfe verwendet werden kann.

Der L200 ist über Kopf bestückt, die Anschlußdrähte also ebenfalls auf die andere Seite abgewinkelt. Bei Verwendung von 10mm Distanzbolzen muß als Isolierung mindestens eine 1.5 mm Aluminiumoxidscheibe verwendet werden damit sich die Pins des L200 im montierten Zustand verlöten lassen. Die Frontplatte des EG2-Gehäuses dient hiermit gleichzeitig als Kühlfläche.

C12 muß liegend montiert werden.

Für das Display verwende ich eine 18-polige Präzisionsfassung die mit dem Seitenschneider auseinander geschnitten wird. Verlöten geht am einfachsten wenn das Display bereits in die Fassung gesteckt ist. Die beiden Pins 1 + 18 für die Backplane sind auf der Leiterplattenoberseite verbunden (Lötung unter der Fassung nicht vergessen).

Der Taster ist eine Ausführung mit langem Stößel wenn die Bedienung ohne Hilfswerkzeug möglich sein soll.

=== Montagedetail L200 ===

[[Bild:BMON1048_L200_IMG0981W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - L200 Montage]]

Montagedetail L200:

* M3 Schraube
* Frontplatte
* Aluminiumoxidscheibe (AOS220 - 1.5mm)
* L200
* Isolierbuchse
* Unterlegscheibe (fehlt im Bild)
* M3 Mutter

=== Spannungsanzeige ===
[[Bild:BMON1048_Spannung_IMG0965W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - Spannungsanzeige]]

Ansicht montiert mit Spannungsanzeige 16.7V

=== Stromanzeige ===

[[Bild:BMON1048_Strom_IMG0966W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - Stromanzeige]]

Ansicht Ladebetrieb mit Stromanzeige 188mA

== Inbetriebnahme und Abgleich ==

Der Ladeteil und der Batteriewächter können auf Grund der getrennten Steckverbinder unabhängig voneinander in Betrieb genommen werden.

* Ladeteil:

An einem strombegrenzten Netzteil (ca 20-100mA) wird die Spannung an der Ladebuchse langsam von 0V an erhöht und die Stromaufnahme gemessen. Der Eigenverbrauch des L200 liegt bei ca 10mA. Dieser Wert darf nicht wesentlich überschritten werden. Ist alles in Ordnung dreht man die Spannung langsam auf 24V. Die Ausgangsspannung des L200 sollte vor der Verpolschutzdiode D2 gemessen ca 18.1V sein. Falls nicht kann man durch Feinabgleich des Widerstandes R13 noch etwas korrigieren.
Danach einen Akkusatz anschließen und die Strombegrenzung des Netzteils langsam auf ca 250mA-300mA drehen. Der Strom in den Akku sollte durch den L200 auf ca 200 mA begrenzt werden.
Bei voll geladenem Akku sollte der Strom unter C/50 besser C/100 (also 20-40 mA) zurückgehen. Gegebenenfalls ist die Ladeendspannung etwas zu reduzieren.

* Prozessorteil:

Zunächst wird der Prozessor mit einem Programmiergerät geflasht. Bei Verwendung des FET-Spannungsreglers darauf achten daß die Spannungsversorgung für den Prozessor vom Programmiergerät (z.B. PICKIT3) zur Verfügung gestellt wird.
Hierbei darauf achten daß die nominalen Kalibrierwerte im EEPROM nicht zu weit von den Defaultwerten abweichen.
Bei der Spannung ist der Defaultwert = 0x00,0x00 (= Faktor 1.0)
Beim Strom ist die Verstärkung nicht ganz auf einen Stromendwert von 255mA ausgelegt sondern etwa 5 Prozent tiefer. Der nominale Kalibrierwert für den Strom beträgt daher 0xF3, 0x1B (= Faktor 0.94963).

Nach dem Flashen wird an die beiden mittleren Pins von J1 eine Spannung von ca. 5V angeschlossen. Ist alles ok sollte das Display die Spannung blinkend anzeigen. Der Ausgang J1 PIN 1 weist Low-Pegel auf. Die Spannung wird langsam auf ca 20V (max 25V) erhöht und die prozentuale Abweichung zwischen Sollwert und Anzeige berechnet. Ab ca 15. V verschwindet das Blinken und der Ausgang wechselt auf High-Pegel (>2.4V). Unterhalb ca 13.8V wird die Last wieder abgeschaltet und das Display blinkt wieder.
Danach wird ein Akku (15-17V) an Prozessorteil und Ladeteil angeschlossen. Über ein strombegrenztes Netzteil werden ca 180mA Ladestrom in den Akku eingestellt. Die Anzeige zeigt jetzt im Wechsel die Akkuspannung und den Ladestrom an. Wiederum wird die prozentuale Abweichung vom tatsächlichen Ladestrom berechnet.
Die prozentualen Abweichungen werden auf die existierenden Kalibrierwerte multipliziert und dann nach einem MPASM-Lauf ins EEPROM geschrieben. Bei Verwendung von MPLAB darauf achten daß im "Release" Modus und nicht im "Debug" Modus gearbeitet wird.

Danach ist der Batteriewächter einsatzbereit.

== Praxis und Ideen ==

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|BMON1035 Stromverbrauch 9.7uA bei 9.3V]]

Anbei ein Aufbau einer Vorgängerversion ohne Ladestrommessung (BMON1035) mit einem Stromverbrauch um 9.7 uA (schwankend) bei einem frisch aufgeladenen Akku mit 9.3V. An einem BMON1048 mit Strommessung habe ich 10-12uA gemessen. Wobei der Stromverbrauch auch von der tatsächlichen Versorgungsspannung des Prozessors abhängt.

Ich habe 2 Schaltungen mit ca. 30 mA Last seit 2.5 Jahren im Dauerbetrieb mit je 12 AA-Zellen und täglichem Ladebetrieb. Der erste Akkusatz zeigt seit letzten Sommer (bis zu 32 Grad Raumtemperatur während dem Laden) einen erhöhten Innenwiderstand. Der Ladestrom bei vollem Akku lag hierbei bei erhöhter Temperatur bei 60-70mA.

Die Spannungsdifferenz beim Einstecken / Entfernen des Ladegerätes ist bei diesem Akkusatz ca 1V. Bei niedrigen Spannungen unter 15V und kurzem Ladebetrieb wird hierdurch die Last ungewollt abgeworfen. Das Kriterium 0.6V Abfall innerhalb einer Minute wird überschritten.
Der andere Akkusatz liegt immer noch bei 0.2V Differenz zwischen Normal und Ladebetrieb.

Ganz oben auf der Wunschliste steht der vereinfachte Abgleich der Kalibrierwerte im EEPROM. Denkbar wäre irgend ein Morsecode über den Taster oder ein Jumper an einem freien Pin um den Abgleich bei angelegten Referenzwerten zu starten.

Freier Speicherplatz ist jedenfalls genügend vorhanden. Wobei Sonderfunktionen nur selten gerechnet werden sollten um den Stromverbrauch nicht zu stark zu erhöhen.

Die führende "1" wird derzeit wegen des 2-stelligen Displays als Dezimalpunkt angezeigt. Bei einem 3-stelligen Display würde man anstelle des Dezimalpunktes die beiden Segmente "b" und "c" für die "1" parallel ansteuern.

Ideen:
* Temperaturkompensation der End-Ladespannung mittels NTC / Dioden
* Alternativ: Abschaltung des Ladezweigs per Prozessorpin wenn der Ladestrom bei der Endspannung eingeschwungen ist
* Lernfunktion Berücksichtigung Spannungsdifferenz bei Ladebetrieb für Abschaltkriterium
* Automatisiertes Speichern der Abgleichwerte im EEPROM

== Downloads ==

* [[Media:BMON1048_MPASM.ZIP| Sourcecode für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_Schaltbild.pdf| Schaltplan für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_gcprevue.zip| Layout (Gerber) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_PDF.zip| Layout (PDF) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_STK.txt| Stückliste Batteriewächter BMON1048]]

== Weblinks ==

* [http://www.st.com/internet/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_LITERATURE/DATASHEET/CD00000053.pdf L200_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BSS84.pdf BSS84P_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF245A-B-C.pdf BF245C_Datasheet]
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39631e.pdf PIC18F2520_Datasheet]
* [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm285-1.2-n.pdf LM385Z-1.2_Datasheet]
* [http://www.fairchildsemi.com/ds/BS/BSS138.pdf BSS138_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Hintergrund-gruen/LCD-2-0-13/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=3005&ARTICLE=10179&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& LCD-2-13]
* [http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1763fg.pdf LT1763_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Proma-Gehaeuse/GEH-EG-2/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=5199&ARTICLE=50424&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& Gehäuse_EG2]
* [http://www.graphicode.com/ GC-Prevue Gerber viewer]
== Siehe auch ==

* [http://www.mikrocontroller.net/topic/288063 Forum: Diskussion zu diesem Projekt]

[[Kategorie:Wettbewerb]]
[[Kategorie:PIC-Projekte]]
[[Kategorie:Spannungsversorgung_und_Energiequellen]]
[[Kategorie:Messtechnik]]
[[Kategorie:Projekte]]

Batteriewächter

2013-02-24T15:48:07Z

An ja: /* Spannungsanzeige */

''von Anja'' (in Arbeit)

{{Wettbewerb Header}}

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px]]
Der Batteriewächter liefert bei Unterspannung eines 12 AA Batteriepacks ein Signal um die Last abzuwerfen. Ein einfaches Ladeteil sowie eine Batteriespannungsanzeige sind für die Frontplatte eines EG2-Gehäuses ausgelegt. Für andere Zellkonfigurationen ab 3-4 Zellen aufwärts kann die Schaltung durch Umdimensionierung der Spannungsteilerwiderstände leicht angepasst werden. Der Stromverbrauch beträgt nur etwa 10uA.
Auf Grund des geringen Stromverbrauchs und der geringen Mindestspannung von ca 2.5V ist auch eine Anwendung als aus dem Meßwert gespeistes Panelmeter denkbar.

== Vorgeschichte ==

Eigentlich wollte ich nur eine einfache Anzeige wann die 9V-Blocks für meine Akku gespeisten Referenzen wieder ans Ladegerät müssen. Ein einfaches Drehspulinstrument hätte es getan. Allerdings brauchen diese relativ viel Strom im Verhältnis zu einer ISL21009 und bei einer Empfindlichkeit von 100uA sind sie auch nicht ganz billig.

Die nächste Idee: eine low power Referenz und ein Komparator (oder gleich einen ICL7665). Nur was dann als Anzeige nehmen. Selbst eine low current LED braucht einige 100uA für die Anzeige.

Das ganze zu takten war die nächste Idee. Also wie beim Rauchmelder nur kurze Meß- und Anzeigephasen um Strom zu sparen.

Alternative Anzeigen wären eine einfache LCD Balkenanzeige wie im Handy. Diese sind allerdings nicht im DIP 8 Gehäuse erhältlich. Als Alternative bleiben eigentlich nur passive LC-Anzeigen mit 2-4 Digits.

In der Zwischenzeit waren auch Referenzen im Programm die eine Mindestspannung von 9 oder 14V benögigen. Die Anzahl der Zellen (8-12) also so gewachsen daß die 16V des ICL7665 oder gängiger CMOS Logik nicht mehr ausreichen.

Schön wäre auch eine "richtige" Spannungsanzeige also muß ein Prozessor her. Nachdem auch die ersten 9V-Blocks Schwächen wegen Tiefentladung zeigten sollte das ganze auch einen Unterspannungsschutz haben.

Zum damaligen Zeitpunkt gab es nur wenige Spannungsregler mit Eingangsspannungen bis 20 oder 25V und Eigenstromverbrauch unter 20uA. Und die auch nur von Farnell also für Privat quasi unobtanium.

Eine Idee hatte ich schon länger um z.B. Uhrenchips im 12V-System zu betreiben: Ein normaler Sperrschicht-FET hat eine negative UGS-Spannung. Wenn man das Gate also an Masse Anschließt müßte am Source eine halbwegs stabile Backup-Spannung übrig bleiben. Und das auch noch ohne daß der Spannungsregler einen nennenswerten Strom braucht.

Der Ehrgeiz war geweckt es müßte doch möglich sein einen prozessorgesteuerten Komparator mit Spannungsanzeige bei unter 20uA Stromverbrauch mit Versorgung direkt aus der Batterie im Bereich 5-20V zu entwickeln ...

== Blockschaltbild ==

[[Bild:BMON_1048_BLOCK.PNG|thumb|right|350px|BMON148 - Blockschaltbild]]

Die Schaltung auf der Leiterplatte umfaßt ein einfaches Ladeteil mit L200. Die Speisung erfolgt mit einem externen 24V Steckernetzteil. Ein Low-Power Spannungsregler erzeugt die VCC-Versorgung für den Prozessorteil. Der Prozessor mißt die Akkuspannung sowie den Ladestrom und erzeugt das Steuersignal für die Endstufe. Auf dem Display wird die Akkuspannung sowie der Ladestrom angezeigt. Der Taster dient zum Ein-/Ausschalten der Last. Da der Leistungsteil je nach Last sehr unterschiedlich sein kann (z.B. BTS555 für Hochstromanwendungen) ist er außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Als Schaltungsbeispiel wird eine Endstufe mit LT1763 gezeigt.

=== Ladeteil ===

[[Bild:BMON_1048_L200.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Ladeteil]]

Das Ladeteil ist eine Standardapplikation mit L200 ergänzt um einen Spannungsausgang für die Strommessung.
Die maximale Ladespannung wird mittels Spannungsteiler R12 zu R11 eingestellt. R13 ist parallel zu R12 und wird für den Feinabgleich der Ausgangsspannung verwendet. Auf der Leiterplatte sind die Widerstände wahlweise als SMD (R11A..R13A) oder bedrahtet bestückbar. R11 ist mit 820 Ohm bestückt. R12 mit 4K7 parallel zu R13 mit 130k ergibt 4K54. Die Ausgangsspannung von 18.1 V ergibt sich aus der Referenzspannung von 2.77V des L200 * (1 + 4540R/820R). R14 begrenzt den Strom auf ca 200 mA (0.45V / 2R2).
Diode D2 verhindert ein entladen des Akkus wenn das Steckernetzteil nicht angeschlossen ist. D3 dient als Verpolschutz.
Die Schaltung um U3 verstärkt die Spannung über dem Strombegrenzungswiderstand. Es muß zwingend ein OP verwendet werden dessen common mode input range an die positive Versorgung reicht. Bei einem TL062 ist dies bei normalen Raumtemperaturen gegeben. Die Spannung über R14 wird im Verhältnis R16/R15 = 2.32 fach verstärkt. Bei 200mA also 450mV am Strombegrenzungswiderstand ergibt sich für den ADC-Eingang eine Spannung von 1.04V über R16.
L1,L2 sowie C15-C19 bilden ein optional bestückbares EMV-Filter. C18+C19 filtern hierbei die Störungen über einen M3 Distanzbolzen auf das Aluminiumgehäuse.

=== Spannungsregler ===

[[Bild:BMON_1048_VCC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Spannungsregler BF245C]]

Es gibt 2 alternative Bestückungsvarianten:

U5 ist ein low power Spannungsregler XC6216 von Torex. An Ein- und Ausgang werden 1uF Kondensatoren benötigt. Der Ruhestromverbrauch ist mit 5uA im Datenblatt angegeben.

Da mir das vieeel zu hoch ist habe ich einen Sperrschicht-FET als Spannungsregler mißbraucht. Ein BF245C hat bei kleinen Strömen je nach Exemplarstreuung eine Gate/Source Spannung von -3.2 .. -7.5 V zwischen Gate und Source.
Wenn man jetzt das Gate auf Masse legt, und an Drain die ungeregelte Eingangsspannung, bleibt am Source eine Ausgangsspannung von +3.2 bis 7.5V.
Da der nachgeschaltete Prozessor maximal 5.5V Spannung verträgt müssen die FETs selektiert werden. Bei der Maximalen Eingangsspannung und minimaler Last (also nur die 10 Meg-Ohm des Meßinstrumentes) dürfen die 5.5V nicht überschritten werden. Bei der typischen Last von 10uA entsprechend 330K sollten mindestens ca. 3.8V als minimale Spannung übrig bleiben.

Beim Austesten auf dem Steckbrett habe ich herausgefunden daß der FET relativ empfindlich auf Störimpulse reagiert und teilweise hierdurch auch hohe Spannungen an den Ausgang durchläßt. Abhilfe schaffen Abblockkondensatoren an Ein- und Ausgang. Im Gegensatz zum XC6216 reichen für den FET normale 100nF Abblockkondensatoren. Die Diode D1 dient als Verpolschutz. R2 begrenzt beim FET schnelle Spannungsanstiege sowie den Maximalstrom. Das Austesten auf dem Steckbrett sollte mit den Abblock-Cs und der Schutzbeschaltung erfolgen.

Von 10 getesteten FETs hatten alle eine maximale Spannung im Bereich 4.57 bis 4.80 V bei 25V Eingangsspannung. Bei Belastung mit 1K-Ohm und 9V Eingangsspannung habe ich 2.61V bis 2.77V gemessen. Der Regler hat also ausreichend Reserven. Die Mühe des Selektierens wird belohnt durch einen Stromverbrauch von nicht meßbaren wenigen nA für den Spannungsregler.

R2 sollte bei Verwendung des XC6216 durch einen 0 Ohm Widerstand ersetzt werden. Allerdings habe ich diese Schaltungsvariante noch nicht getestet.

=== Prozessorteil ===

[[Bild:BMON_1048_PIC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Prozessorteil]]

Als Prozessor wird ein PIC18F2520 verwendet. Es ist quasi der low power Nachfolger eines PIC16F876. Der Strom mit internem Oszillator beträgt ca 1mA. Um den Stromverbrauch zu reduzieren ist der Prozessor hauptsächlich im Sleep Mode und wird nur alle 16ms aufgeweckt um die Flanken für die Wechselspannung von 30Hz für die passive LC-Anzeige zu generieren die auch die meisten Pins benötigt.

Die Batteriespannung wird über Spannungsteiler R4/R5 an Pin RA2 gemessen. U2 sorgt mit R3 für eine stabile Referenz von 1.2V auch bei schwankenden Versorgungsspannungen. Kurzzeitig werden für den Referenzeingang bis zu 150uA und für die Referenzdiode bis zu 20uA benötigt. Da kein Abblockkondensator an der Referenz verwendet wird, ist R3 relativ niederohmig dimensioniert.

Die Stromsparfunktionen werden alle mit PIN RA1 gesteuert. Die Auswertung der Eingänge erfolgt nur ein Mal je Sekunde. Dies betrifft R3 als Versorgung für die Referenzdiode sowie R6 als pull up Widerstand für den Taster. Über T2 wird der Spannungsteiler für die Batteriespannung stromlos geschaltet. Der BSS138 ist ein FET mit geringer UGS threshold voltage von max. 1.5V. Da die Referenzspannung 1.2V beträgt ergibt sich bei einer Versorgungsspannung bis herab zu 2.7V noch keine Begrenzung des Meßbereiches für die Batteriespannung.

Der Ladestrom wird über Analogeingang RA0 gemessen.

Mit der gewählten Dimensionierung für R4/R5 ergibt sich ein Meßbereich von 25.5V für die Batteriespannung. Der Strombereich ist für ca 240mA ausgelegt.

An Pin RB6 wird schließlich das Schaltsignal für die Endstufe erzeugt.

=== Bedienteil ===

[[Bild:BMON_1048_HMI.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Bedienteil]]

Aus Platzgründen (Frontplatte des EG2-Gehäuses von ProMa) konnte leider nur ein 2-stelliges LC-Display verwendet werden. Um dennoch Spannungen größer 9.9V darstellen zu können wird der führende Dezimalpunkt als Zehner-Stelle verwendet. Ab 20.0V fängt dann der Dezimalpunkt an zu blinken. Bei Verwendung eines 3 oder 4-stelligen Displays würde man anstelle des führenden Dezimalpunktes beide Segmente für die führende "1" anschließen.
Der Kondensator C5 hält Gleichspannungssignale vom Display fern. Dies ist insbesonders nützlich beim Flashen bzw. in der Debugging Phase.

J1 ist die Verbindung zur Mutterplatine. Dort kann noch ein zweiter Taster parallel zum Taster auf der Frontplatte angeschlossen werden. R7 dient als Kurzschlußschutz bzw. zur Stromreduzierung des Schaltsignals.

=== Endstufe ===

[[Bild:BMON_1048_POWER.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Endstufe LT1763]]

Die Endstufe ist außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Damit ergibt sich maximale Flexibilität von wenigen mA bis zu mehreren Ampere über einen BSS138 Treiber mit BTS555 Endstufe. Der Anschluß an die BMON1048 Leiterplatte erfolgt über Buchsenleisten auf der Leiterplatte mit der Endstufe.

Hier ist ein Beispiel für eine Endstufe mit LT1763 für maximal 20V Ladeendspannung gezeigt. Im ausgeschalteten Zustand verbraucht der Spannungsregler weniger als 1uA zusätzlich. Der Ruhestrom mit 30uA ist ebenfalls ein guter Wert. C10 ist vorzugsweise ein Folienkondensator (geringer Mikrofonieeffekt) zur Rauschunterdrückung. Die Ausgangsspannung wird mit R11+R12 auf 14.0 V eingestellt.

== Software ==

Die Software hat folgende Funktionen:

* Messen der Spannung und des Stroms linksbündig als 10 Bit Wert
* Verrechnung eines Korrekturfaktors aus EEPROM für Feinabgleich
* Anzeige der Spannung auf Display
* Als Timer dient der Watchdog mit 16ms Periode
* Die 30 Hz Wechselspannung für das Display wird hieraus abgeleitet
* Im Ladebetrieb erfolgt die Anzeige des Stroms im Wechsel mit der Spannung
* unterhalb 1.15V/Zelle abschalten der Last (Spannungsanzeige blinkt)
* oberhalb 1.25V/Zelle wiedereinschalten der Last
* Bei Tastendruck länger als 5 Sekunden wird die Last manuell ein-/ausgeschaltet
* Bei Spannungseinbruch > 0.6V/Minute wird ebenfalls abgeschaltet
* Alle Parameter wie Zellenzahl + Hysterese sind im Header konfigurierbar

<c>
#define Cells 12 ; # number of cells
#define mV * 256 * 51/1051/1235 ; 25,6V * 5K1/(100K+5K1)/VRef
#define VOn Cells * 1250 mV ; high hysteresis
#define VOff Cells * 1150 mV ; low hysteresis
#define VOLT_SEC 10 ; check every 10 seconds
#define VDIFF 600 mV ; voltage drop / minute
#define mA * 1 ; 1 mA / count
#define CURR_MIN 10 mA ; min current to display
</c>

Die Software ist mit MPASM 5.40 (MPLAB 8.70) erstellt. Die Bit-Schubsereien für das Display werden mit Tabellen in Page 0 für alle 3 Ports A-C und die Digits 1-2 abgehandelt.

Bei der Initialisierung wird erst die Hardware initalisiert und danach alle Variablen einschließlich der Kalibrierparameter die aus dem EEPROM gelesen werden. Die Kalibrierfaktoren sind im 2er Komplement als 16 Bit signed Wert gespeichert. Ein Abgleich von +/- 50% entspricht +/-32768 als Wert.

Die meiste Zeit verbringt der Prozessor im Sleep mode. Alle 16 ms weckt der Watchdog den Prozessor auf um die Pins für die Anzeige zu invertieren. Alle Sekunde finden zusätzlich noch Meßfunktionen sowie die Tasterabfrage statt.
Um Zeit (und damit Strom) zu sparen wird die Wartezeit aufs ADC-Ergebnis genutzt um eine Tastenentprellung bzw. die Vorverarbeitung der Spannungsmessung während der Strommessung durchzuführen.
Alle 10 Sekunden wird das High-Byte des Spannungswertes in einen Ringpuffer mit 6 Einträgen für die vergangene Minute eingetragen. Dies dient unterhalb der Einschaltschwelle zur Detektierung eines plötzlichen Spannungsabfalls falls eine Zelle schneller entladen ist als die übrigen im Pack.

== Aufbau ==
=== Lötseite ===

[[Bild:Loetseite_IMG0964W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - Lötseite]]

[[Bild:BMON1048_BST_LS.PNG|thumb|right|200px|BMON1048 - Position LS]]

Die Leiterplatte ist doppelseitig. Die meisten Durchkontaktierungen liegen auf bedrahteten Bauelementen so daß eine durchkontaktierte Leiterplatte nicht zwingend nötig ist. Die drei Durchkontaktierungen im Bereich des Programmiersteckers können auch mit Kupferhohlnieten oder einer Drahtbrücke bestückt werden.

Am besten beginnt man nach Durchkontaktieren mit der Bestückung auf der Lötseite. C18, C19 sowie U5 sind im Muster nicht bestückt.

=== Bestückungsseite ===

[[Bild:BMON1048_BS_IMG0968W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - Bestückungsseite]]
[[Bild:BMON1048_BST_BS.PNG|thumb|right|200px|BMON1048 - Position BS]]

Auf der Bestückungsseite werden zuerst die Bauteile unter dem Display sowie die Widerstände unter dem L200 bestückt.

Die Ladebuchse ist auf die Leiterplatte aufgesetzt und mit Silberdraht die Anschlüsse verlängert. Mit dem Verlöten sollte man so lange warten bis die Frontplatte montiert ist.
In den Layoutdaten ist auch ein Layer für die Frontplatte enthalten der als Bohrhilfe verwendet werden kann.

Der L200 ist über Kopf bestückt, die Anschlußdrähte also ebenfalls auf die andere Seite abgewinkelt. Bei Verwendung von 10mm Distanzbolzen muß als Isolierung mindestens eine 1.5 mm Aluminiumoxidscheibe verwendet werden damit sich die Pins des L200 im montierten Zustand verlöten lassen. Die Frontplatte des EG2-Gehäuses dient hiermit gleichzeitig als Kühlfläche.

C12 muß liegend montiert werden.

Für das Display verwende ich eine 18-polige Präzisionsfassung die mit dem Seitenschneider auseinander geschnitten wird. Verlöten geht am einfachsten wenn das Display bereits in die Fassung gesteckt ist. Die beiden Pins 1 + 18 für die Backplane sind auf der Leiterplattenoberseite verbunden (Lötung unter der Fassung nicht vergessen).

Der Taster ist eine Ausführung mit langem Stößel wenn die Bedienung ohne Hilfswerkzeug möglich sein soll.

=== Montagedetail L200 ===

[[Bild:BMON1048_L200_IMG0981W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - L200 Montage]]

Montagedetail L200:

* M3 Schraube
* Frontplatte
* Aluminiumoxidscheibe (AOS220 - 1.5mm)
* L200
* Isolierbuchse
* Unterlegscheibe (fehlt im Bild)
* M3 Mutter

=== Spannungsanzeige ===
[[Bild:BMON1048_Spannung_IMG0965W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - Spannungsanzeige]]

Ansicht montiert mit Spannungsanzeige 16.7V

=== Stromanzeige ===
[[Bild:BMON1048_Strom_IMG0966W.JPG|thumb|right|250px|BMON1048 - Stromanzeige]]

Ansicht Ladebetrieb mit Stromanzeige 188mA

== Inbetriebnahme und Abgleich ==

Der Ladeteil und der Batteriewächter können auf Grund der getrennten Steckverbinder unabhängig voneinander in Betrieb genommen werden.

* Ladeteil:

An einem strombegrenzten Netzteil (ca 20-100mA) wird die Spannung an der Ladebuchse langsam von 0V an erhöht und die Stromaufnahme gemessen. Der Eigenverbrauch des L200 liegt bei ca 10mA. Dieser Wert darf nicht wesentlich überschritten werden. Ist alles in Ordnung dreht man die Spannung langsam auf 24V. Die Ausgangsspannung des L200 sollte vor der Verpolschutzdiode D2 gemessen ca 18.1V sein. Falls nicht kann man durch Feinabgleich des Widerstandes R13 noch etwas korrigieren.
Danach einen Akkusatz anschließen und die Strombegrenzung des Netzteils langsam auf ca 250mA-300mA drehen. Der Strom in den Akku sollte durch den L200 auf ca 200 mA begrenzt werden.
Bei voll geladenem Akku sollte der Strom unter C/50 besser C/100 (also 20-40 mA) zurückgehen. Gegebenenfalls ist die Ladeendspannung etwas zu reduzieren.

* Prozessorteil:

Zunächst wird der Prozessor mit einem Programmiergerät geflasht. Bei Verwendung des FET-Spannungsreglers darauf achten daß die Spannungsversorgung für den Prozessor vom Programmiergerät (z.B. PICKIT3) zur Verfügung gestellt wird.
Hierbei darauf achten daß die nominalen Kalibrierwerte im EEPROM nicht zu weit von den Defaultwerten abweichen.
Bei der Spannung ist der Defaultwert = 0x00,0x00 (= Faktor 1.0)
Beim Strom ist die Verstärkung nicht ganz auf einen Stromendwert von 255mA ausgelegt sondern etwa 5 Prozent tiefer. Der nominale Kalibrierwert für den Strom beträgt daher 0xF3, 0x1B (= Faktor 0.94963).

Nach dem Flashen wird an die beiden mittleren Pins von J1 eine Spannung von ca. 5V angeschlossen. Ist alles ok sollte das Display die Spannung blinkend anzeigen. Der Ausgang J1 PIN 1 weist Low-Pegel auf. Die Spannung wird langsam auf ca 20V (max 25V) erhöht und die prozentuale Abweichung zwischen Sollwert und Anzeige berechnet. Ab ca 15. V verschwindet das Blinken und der Ausgang wechselt auf High-Pegel (>2.4V). Unterhalb ca 13.8V wird die Last wieder abgeschaltet und das Display blinkt wieder.
Danach wird ein Akku (15-17V) an Prozessorteil und Ladeteil angeschlossen. Über ein strombegrenztes Netzteil werden ca 180mA Ladestrom in den Akku eingestellt. Die Anzeige zeigt jetzt im Wechsel die Akkuspannung und den Ladestrom an. Wiederum wird die prozentuale Abweichung vom tatsächlichen Ladestrom berechnet.
Die prozentualen Abweichungen werden auf die existierenden Kalibrierwerte multipliziert und dann nach einem MPASM-Lauf ins EEPROM geschrieben. Bei Verwendung von MPLAB darauf achten daß im "Release" Modus und nicht im "Debug" Modus gearbeitet wird.

Danach ist der Batteriewächter einsatzbereit.

== Praxis und Ideen ==

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|BMON1035 Stromverbrauch 9.7uA bei 9.3V]]

Anbei ein Aufbau einer Vorgängerversion ohne Ladestrommessung (BMON1035) mit einem Stromverbrauch um 9.7 uA (schwankend) bei einem frisch aufgeladenen Akku mit 9.3V. An einem BMON1048 mit Strommessung habe ich 10-12uA gemessen. Wobei der Stromverbrauch auch von der tatsächlichen Versorgungsspannung des Prozessors abhängt.

Ich habe 2 Schaltungen mit ca. 30 mA Last seit 2.5 Jahren im Dauerbetrieb mit je 12 AA-Zellen und täglichem Ladebetrieb. Der erste Akkusatz zeigt seit letzten Sommer (bis zu 32 Grad Raumtemperatur während dem Laden) einen erhöhten Innenwiderstand. Der Ladestrom bei vollem Akku lag hierbei bei erhöhter Temperatur bei 60-70mA.

Die Spannungsdifferenz beim Einstecken / Entfernen des Ladegerätes ist bei diesem Akkusatz ca 1V. Bei niedrigen Spannungen unter 15V und kurzem Ladebetrieb wird hierdurch die Last ungewollt abgeworfen. Das Kriterium 0.6V Abfall innerhalb einer Minute wird überschritten.
Der andere Akkusatz liegt immer noch bei 0.2V Differenz zwischen Normal und Ladebetrieb.

Ganz oben auf der Wunschliste steht der vereinfachte Abgleich der Kalibrierwerte im EEPROM. Denkbar wäre irgend ein Morsecode über den Taster oder ein Jumper an einem freien Pin um den Abgleich bei angelegten Referenzwerten zu starten.

Freier Speicherplatz ist jedenfalls genügend vorhanden. Wobei Sonderfunktionen nur selten gerechnet werden sollten um den Stromverbrauch nicht zu stark zu erhöhen.

Die führende "1" wird derzeit wegen des 2-stelligen Displays als Dezimalpunkt angezeigt. Bei einem 3-stelligen Display würde man anstelle des Dezimalpunktes die beiden Segmente "b" und "c" für die "1" parallel ansteuern.

Ideen:
* Temperaturkompensation der End-Ladespannung mittels NTC / Dioden
* Alternativ: Abschaltung des Ladezweigs per Prozessorpin wenn der Ladestrom bei der Endspannung eingeschwungen ist
* Lernfunktion Berücksichtigung Spannungsdifferenz bei Ladebetrieb für Abschaltkriterium
* Automatisiertes Speichern der Abgleichwerte im EEPROM

== Downloads ==

* [[Media:BMON1048_MPASM.ZIP| Sourcecode für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_Schaltbild.pdf| Schaltplan für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_gcprevue.zip| Layout (Gerber) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_PDF.zip| Layout (PDF) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_STK.txt| Stückliste Batteriewächter BMON1048]]

== Weblinks ==

* [http://www.st.com/internet/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_LITERATURE/DATASHEET/CD00000053.pdf L200_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BSS84.pdf BSS84P_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF245A-B-C.pdf BF245C_Datasheet]
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39631e.pdf PIC18F2520_Datasheet]
* [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm285-1.2-n.pdf LM385Z-1.2_Datasheet]
* [http://www.fairchildsemi.com/ds/BS/BSS138.pdf BSS138_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Hintergrund-gruen/LCD-2-0-13/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=3005&ARTICLE=10179&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& LCD-2-13]
* [http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1763fg.pdf LT1763_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Proma-Gehaeuse/GEH-EG-2/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=5199&ARTICLE=50424&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& Gehäuse_EG2]
* [http://www.graphicode.com/ GC-Prevue Gerber viewer]
== Siehe auch ==

* [http://www.mikrocontroller.net/topic/288063 Forum: Diskussion zu diesem Projekt]

[[Kategorie:Wettbewerb]]
[[Kategorie:PIC-Projekte]]
[[Kategorie:Spannungsversorgung_und_Energiequellen]]
[[Kategorie:Messtechnik]]
[[Kategorie:Projekte]]

Batteriewächter

2013-02-24T15:30:06Z

An ja: /* Spannungsregler */

''von Anja'' (in Arbeit)

{{Wettbewerb Header}}

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px]]
Der Batteriewächter liefert bei Unterspannung eines 12 AA Batteriepacks ein Signal um die Last abzuwerfen. Ein einfaches Ladeteil sowie eine Batteriespannungsanzeige sind für die Frontplatte eines EG2-Gehäuses ausgelegt. Für andere Zellkonfigurationen ab 3-4 Zellen aufwärts kann die Schaltung durch Umdimensionierung der Spannungsteilerwiderstände leicht angepasst werden. Der Stromverbrauch beträgt nur etwa 10uA.
Auf Grund des geringen Stromverbrauchs und der geringen Mindestspannung von ca 2.5V ist auch eine Anwendung als aus dem Meßwert gespeistes Panelmeter denkbar.

== Vorgeschichte ==

Eigentlich wollte ich nur eine einfache Anzeige wann die 9V-Blocks für meine Akku gespeisten Referenzen wieder ans Ladegerät müssen. Ein einfaches Drehspulinstrument hätte es getan. Allerdings brauchen diese relativ viel Strom im Verhältnis zu einer ISL21009 und bei einer Empfindlichkeit von 100uA sind sie auch nicht ganz billig.

Die nächste Idee: eine low power Referenz und ein Komparator (oder gleich einen ICL7665). Nur was dann als Anzeige nehmen. Selbst eine low current LED braucht einige 100uA für die Anzeige.

Das ganze zu takten war die nächste Idee. Also wie beim Rauchmelder nur kurze Meß- und Anzeigephasen um Strom zu sparen.

Alternative Anzeigen wären eine einfache LCD Balkenanzeige wie im Handy. Diese sind allerdings nicht im DIP 8 Gehäuse erhältlich. Als Alternative bleiben eigentlich nur passive LC-Anzeigen mit 2-4 Digits.

In der Zwischenzeit waren auch Referenzen im Programm die eine Mindestspannung von 9 oder 14V benögigen. Die Anzahl der Zellen (8-12) also so gewachsen daß die 16V des ICL7665 oder gängiger CMOS Logik nicht mehr ausreichen.

Schön wäre auch eine "richtige" Spannungsanzeige also muß ein Prozessor her. Nachdem auch die ersten 9V-Blocks Schwächen wegen Tiefentladung zeigten sollte das ganze auch einen Unterspannungsschutz haben.

Zum damaligen Zeitpunkt gab es nur wenige Spannungsregler mit Eingangsspannungen bis 20 oder 25V und Eigenstromverbrauch unter 20uA. Und die auch nur von Farnell also für Privat quasi unobtanium.

Eine Idee hatte ich schon länger um z.B. Uhrenchips im 12V-System zu betreiben: Ein normaler Sperrschicht-FET hat eine negative UGS-Spannung. Wenn man das Gate also an Masse Anschließt müßte am Source eine halbwegs stabile Backup-Spannung übrig bleiben. Und das auch noch ohne daß der Spannungsregler einen nennenswerten Strom braucht.

Der Ehrgeiz war geweckt es müßte doch möglich sein einen prozessorgesteuerten Komparator mit Spannungsanzeige bei unter 20uA Stromverbrauch mit Versorgung direkt aus der Batterie im Bereich 5-20V zu entwickeln ...

== Blockschaltbild ==

[[Bild:BMON_1048_BLOCK.PNG|thumb|right|350px|BMON148 - Blockschaltbild]]

Die Schaltung auf der Leiterplatte umfaßt ein einfaches Ladeteil mit L200. Die Speisung erfolgt mit einem externen 24V Steckernetzteil. Ein Low-Power Spannungsregler erzeugt die VCC-Versorgung für den Prozessorteil. Der Prozessor mißt die Akkuspannung sowie den Ladestrom und erzeugt das Steuersignal für die Endstufe. Auf dem Display wird die Akkuspannung sowie der Ladestrom angezeigt. Der Taster dient zum Ein-/Ausschalten der Last. Da der Leistungsteil je nach Last sehr unterschiedlich sein kann (z.B. BTS555 für Hochstromanwendungen) ist er außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Als Schaltungsbeispiel wird eine Endstufe mit LT1763 gezeigt.

=== Ladeteil ===

[[Bild:BMON_1048_L200.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Ladeteil]]

Das Ladeteil ist eine Standardapplikation mit L200 ergänzt um einen Spannungsausgang für die Strommessung.
Die maximale Ladespannung wird mittels Spannungsteiler R12 zu R11 eingestellt. R13 ist parallel zu R12 und wird für den Feinabgleich der Ausgangsspannung verwendet. Auf der Leiterplatte sind die Widerstände wahlweise als SMD (R11A..R13A) oder bedrahtet bestückbar. R11 ist mit 820 Ohm bestückt. R12 mit 4K7 parallel zu R13 mit 130k ergibt 4K54. Die Ausgangsspannung von 18.1 V ergibt sich aus der Referenzspannung von 2.77V des L200 * (1 + 4540R/820R). R14 begrenzt den Strom auf ca 200 mA (0.45V / 2R2).
Diode D2 verhindert ein entladen des Akkus wenn das Steckernetzteil nicht angeschlossen ist. D3 dient als Verpolschutz.
Die Schaltung um U3 verstärkt die Spannung über dem Strombegrenzungswiderstand. Es muß zwingend ein OP verwendet werden dessen common mode input range an die positive Versorgung reicht. Bei einem TL062 ist dies bei normalen Raumtemperaturen gegeben. Die Spannung über R14 wird im Verhältnis R16/R15 = 2.32 fach verstärkt. Bei 200mA also 450mV am Strombegrenzungswiderstand ergibt sich für den ADC-Eingang eine Spannung von 1.04V über R16.
L1,L2 sowie C15-C19 bilden ein optional bestückbares EMV-Filter. C18+C19 filtern hierbei die Störungen über einen M3 Distanzbolzen auf das Aluminiumgehäuse.

=== Spannungsregler ===

[[Bild:BMON_1048_VCC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Spannungsregler BF245C]]

Es gibt 2 alternative Bestückungsvarianten:

U5 ist ein low power Spannungsregler XC6216 von Torex. An Ein- und Ausgang werden 1uF Kondensatoren benötigt. Der Ruhestromverbrauch ist mit 5uA im Datenblatt angegeben.

Da mir das vieeel zu hoch ist habe ich einen Sperrschicht-FET als Spannungsregler mißbraucht. Ein BF245C hat bei kleinen Strömen je nach Exemplarstreuung eine Gate/Source Spannung von -3.2 .. -7.5 V zwischen Gate und Source.
Wenn man jetzt das Gate auf Masse legt, und an Drain die ungeregelte Eingangsspannung, bleibt am Source eine Ausgangsspannung von +3.2 bis 7.5V.
Da der nachgeschaltete Prozessor maximal 5.5V Spannung verträgt müssen die FETs selektiert werden. Bei der Maximalen Eingangsspannung und minimaler Last (also nur die 10 Meg-Ohm des Meßinstrumentes) dürfen die 5.5V nicht überschritten werden. Bei der typischen Last von 10uA entsprechend 330K sollten mindestens ca. 3.8V als minimale Spannung übrig bleiben.

Beim Austesten auf dem Steckbrett habe ich herausgefunden daß der FET relativ empfindlich auf Störimpulse reagiert und teilweise hierdurch auch hohe Spannungen an den Ausgang durchläßt. Abhilfe schaffen Abblockkondensatoren an Ein- und Ausgang. Im Gegensatz zum XC6216 reichen für den FET normale 100nF Abblockkondensatoren. Die Diode D1 dient als Verpolschutz. R2 begrenzt beim FET schnelle Spannungsanstiege sowie den Maximalstrom. Das Austesten auf dem Steckbrett sollte mit den Abblock-Cs und der Schutzbeschaltung erfolgen.

Von 10 getesteten FETs hatten alle eine maximale Spannung im Bereich 4.57 bis 4.80 V bei 25V Eingangsspannung. Bei Belastung mit 1K-Ohm und 9V Eingangsspannung habe ich 2.61V bis 2.77V gemessen. Der Regler hat also ausreichend Reserven. Die Mühe des Selektierens wird belohnt durch einen Stromverbrauch von nicht meßbaren wenigen nA für den Spannungsregler.

R2 sollte bei Verwendung des XC6216 durch einen 0 Ohm Widerstand ersetzt werden. Allerdings habe ich diese Schaltungsvariante noch nicht getestet.

=== Prozessorteil ===

[[Bild:BMON_1048_PIC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Prozessorteil]]

Als Prozessor wird ein PIC18F2520 verwendet. Es ist quasi der low power Nachfolger eines PIC16F876. Der Strom mit internem Oszillator beträgt ca 1mA. Um den Stromverbrauch zu reduzieren ist der Prozessor hauptsächlich im Sleep Mode und wird nur alle 16ms aufgeweckt um die Flanken für die Wechselspannung von 30Hz für die passive LC-Anzeige zu generieren die auch die meisten Pins benötigt.

Die Batteriespannung wird über Spannungsteiler R4/R5 an Pin RA2 gemessen. U2 sorgt mit R3 für eine stabile Referenz von 1.2V auch bei schwankenden Versorgungsspannungen. Kurzzeitig werden für den Referenzeingang bis zu 150uA und für die Referenzdiode bis zu 20uA benötigt. Da kein Abblockkondensator an der Referenz verwendet wird, ist R3 relativ niederohmig dimensioniert.

Die Stromsparfunktionen werden alle mit PIN RA1 gesteuert. Die Auswertung der Eingänge erfolgt nur ein Mal je Sekunde. Dies betrifft R3 als Versorgung für die Referenzdiode sowie R6 als pull up Widerstand für den Taster. Über T2 wird der Spannungsteiler für die Batteriespannung stromlos geschaltet. Der BSS138 ist ein FET mit geringer UGS threshold voltage von max. 1.5V. Da die Referenzspannung 1.2V beträgt ergibt sich bei einer Versorgungsspannung bis herab zu 2.7V noch keine Begrenzung des Meßbereiches für die Batteriespannung.

Der Ladestrom wird über Analogeingang RA0 gemessen.

Mit der gewählten Dimensionierung für R4/R5 ergibt sich ein Meßbereich von 25.5V für die Batteriespannung. Der Strombereich ist für ca 240mA ausgelegt.

An Pin RB6 wird schließlich das Schaltsignal für die Endstufe erzeugt.

=== Bedienteil ===

[[Bild:BMON_1048_HMI.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Bedienteil]]

Aus Platzgründen (Frontplatte des EG2-Gehäuses von ProMa) konnte leider nur ein 2-stelliges LC-Display verwendet werden. Um dennoch Spannungen größer 9.9V darstellen zu können wird der führende Dezimalpunkt als Zehner-Stelle verwendet. Ab 20.0V fängt dann der Dezimalpunkt an zu blinken. Bei Verwendung eines 3 oder 4-stelligen Displays würde man anstelle des führenden Dezimalpunktes beide Segmente für die führende "1" anschließen.
Der Kondensator C5 hält Gleichspannungssignale vom Display fern. Dies ist insbesonders nützlich beim Flashen bzw. in der Debugging Phase.

J1 ist die Verbindung zur Mutterplatine. Dort kann noch ein zweiter Taster parallel zum Taster auf der Frontplatte angeschlossen werden. R7 dient als Kurzschlußschutz bzw. zur Stromreduzierung des Schaltsignals.

=== Endstufe ===

[[Bild:BMON_1048_POWER.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Endstufe LT1763]]

Die Endstufe ist außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Damit ergibt sich maximale Flexibilität von wenigen mA bis zu mehreren Ampere über einen BSS138 Treiber mit BTS555 Endstufe. Der Anschluß an die BMON1048 Leiterplatte erfolgt über Buchsenleisten auf der Leiterplatte mit der Endstufe.

Hier ist ein Beispiel für eine Endstufe mit LT1763 für maximal 20V Ladeendspannung gezeigt. Im ausgeschalteten Zustand verbraucht der Spannungsregler weniger als 1uA zusätzlich. Der Ruhestrom mit 30uA ist ebenfalls ein guter Wert. C10 ist vorzugsweise ein Folienkondensator (geringer Mikrofonieeffekt) zur Rauschunterdrückung. Die Ausgangsspannung wird mit R11+R12 auf 14.0 V eingestellt.

== Software ==

Die Software hat folgende Funktionen:

* Messen der Spannung und des Stroms linksbündig als 10 Bit Wert
* Verrechnung eines Korrekturfaktors aus EEPROM für Feinabgleich
* Anzeige der Spannung auf Display
* Als Timer dient der Watchdog mit 16ms Periode
* Die 30 Hz Wechselspannung für das Display wird hieraus abgeleitet
* Im Ladebetrieb erfolgt die Anzeige des Stroms im Wechsel mit der Spannung
* unterhalb 1.15V/Zelle abschalten der Last (Spannungsanzeige blinkt)
* oberhalb 1.25V/Zelle wiedereinschalten der Last
* Bei Tastendruck länger als 5 Sekunden wird die Last manuell ein-/ausgeschaltet
* Bei Spannungseinbruch > 0.6V/Minute wird ebenfalls abgeschaltet
* Alle Parameter wie Zellenzahl + Hysterese sind im Header konfigurierbar

<c>
#define Cells 12 ; # number of cells
#define mV * 256 * 51/1051/1235 ; 25,6V * 5K1/(100K+5K1)/VRef
#define VOn Cells * 1250 mV ; high hysteresis
#define VOff Cells * 1150 mV ; low hysteresis
#define VOLT_SEC 10 ; check every 10 seconds
#define VDIFF 600 mV ; voltage drop / minute
#define mA * 1 ; 1 mA / count
#define CURR_MIN 10 mA ; min current to display
</c>

Die Software ist mit MPASM 5.40 (MPLAB 8.70) erstellt. Die Bit-Schubsereien für das Display werden mit Tabellen in Page 0 für alle 3 Ports A-C und die Digits 1-2 abgehandelt.

Bei der Initialisierung wird erst die Hardware initalisiert und danach alle Variablen einschließlich der Kalibrierparameter die aus dem EEPROM gelesen werden. Die Kalibrierfaktoren sind im 2er Komplement als 16 Bit signed Wert gespeichert. Ein Abgleich von +/- 50% entspricht +/-32768 als Wert.

Die meiste Zeit verbringt der Prozessor im Sleep mode. Alle 16 ms weckt der Watchdog den Prozessor auf um die Pins für die Anzeige zu invertieren. Alle Sekunde finden zusätzlich noch Meßfunktionen sowie die Tasterabfrage statt.
Um Zeit (und damit Strom) zu sparen wird die Wartezeit aufs ADC-Ergebnis genutzt um eine Tastenentprellung bzw. die Vorverarbeitung der Spannungsmessung während der Strommessung durchzuführen.
Alle 10 Sekunden wird das High-Byte des Spannungswertes in einen Ringpuffer mit 6 Einträgen für die vergangene Minute eingetragen. Dies dient unterhalb der Einschaltschwelle zur Detektierung eines plötzlichen Spannungsabfalls falls eine Zelle schneller entladen ist als die übrigen im Pack.

== Aufbau ==
=== Lötseite ===

[[Bild:Loetseite_IMG0964W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - Lötseite]]

[[Bild:BMON1048_BST_LS.PNG|thumb|right|200px|BMON1048 - Position LS]]

Die Leiterplatte ist doppelseitig. Die meisten Durchkontaktierungen liegen auf bedrahteten Bauelementen so daß eine durchkontaktierte Leiterplatte nicht zwingend nötig ist. Die drei Durchkontaktierungen im Bereich des Programmiersteckers können auch mit Kupferhohlnieten oder einer Drahtbrücke bestückt werden.

Am besten beginnt man nach Durchkontaktieren mit der Bestückung auf der Lötseite. C18, C19 sowie U5 sind im Muster nicht bestückt.

=== Bestückungsseite ===

[[Bild:BMON1048_BS_IMG0968W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - Bestückungsseite]]
[[Bild:BMON1048_BST_BS.PNG|thumb|right|200px|BMON1048 - Position BS]]

Auf der Bestückungsseite werden zuerst die Bauteile unter dem Display sowie die Widerstände unter dem L200 bestückt.

Die Ladebuchse ist auf die Leiterplatte aufgesetzt und mit Silberdraht die Anschlüsse verlängert. Mit dem Verlöten sollte man so lange warten bis die Frontplatte montiert ist.
In den Layoutdaten ist auch ein Layer für die Frontplatte enthalten der als Bohrhilfe verwendet werden kann.

Der L200 ist über Kopf bestückt, die Anschlußdrähte also ebenfalls auf die andere Seite abgewinkelt. Bei Verwendung von 10mm Distanzbolzen muß als Isolierung mindestens eine 1.5 mm Aluminiumoxidscheibe verwendet werden damit sich die Pins des L200 im montierten Zustand verlöten lassen. Die Frontplatte des EG2-Gehäuses dient hiermit gleichzeitig als Kühlfläche.

C12 muß liegend montiert werden.

Für das Display verwende ich eine 18-polige Präzisionsfassung die mit dem Seitenschneider auseinander geschnitten wird. Verlöten geht am einfachsten wenn das Display bereits in die Fassung gesteckt ist. Die beiden Pins 1 + 18 für die Backplane sind auf der Leiterplattenoberseite verbunden (Lötung unter der Fassung nicht vergessen).

Der Taster ist eine Ausführung mit langem Stößel wenn die Bedienung ohne Hilfswerkzeug möglich sein soll.

=== Montagedetail L200 ===

[[Bild:BMON1048_L200_IMG0981W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - L200 Montage]]

Montagedetail L200:

* M3 Schraube
* Frontplatte
* Aluminiumoxidscheibe (AOS220 - 1.5mm)
* L200
* Isolierbuchse
* Unterlegscheibe (fehlt im Bild)
* M3 Mutter

=== Spannungsanzeige ===
[[Bild:BMON1048_Spannung_IMG0965W.JPG|thumb|right|250px|BMON1048 - Spannungsanzeige]]

Ansicht montiert mit Spannungsanzeige 16.7V

=== Stromanzeige ===
[[Bild:BMON1048_Strom_IMG0966W.JPG|thumb|right|250px|BMON1048 - Stromanzeige]]

Ansicht Ladebetrieb mit Stromanzeige 188mA

== Inbetriebnahme und Abgleich ==

Der Ladeteil und der Batteriewächter können auf Grund der getrennten Steckverbinder unabhängig voneinander in Betrieb genommen werden.

* Ladeteil:

An einem strombegrenzten Netzteil (ca 20-100mA) wird die Spannung an der Ladebuchse langsam von 0V an erhöht und die Stromaufnahme gemessen. Der Eigenverbrauch des L200 liegt bei ca 10mA. Dieser Wert darf nicht wesentlich überschritten werden. Ist alles in Ordnung dreht man die Spannung langsam auf 24V. Die Ausgangsspannung des L200 sollte vor der Verpolschutzdiode D2 gemessen ca 18.1V sein. Falls nicht kann man durch Feinabgleich des Widerstandes R13 noch etwas korrigieren.
Danach einen Akkusatz anschließen und die Strombegrenzung des Netzteils langsam auf ca 250mA-300mA drehen. Der Strom in den Akku sollte durch den L200 auf ca 200 mA begrenzt werden.
Bei voll geladenem Akku sollte der Strom unter C/50 besser C/100 (also 20-40 mA) zurückgehen. Gegebenenfalls ist die Ladeendspannung etwas zu reduzieren.

* Prozessorteil:

Zunächst wird der Prozessor mit einem Programmiergerät geflasht. Bei Verwendung des FET-Spannungsreglers darauf achten daß die Spannungsversorgung für den Prozessor vom Programmiergerät (z.B. PICKIT3) zur Verfügung gestellt wird.
Hierbei darauf achten daß die nominalen Kalibrierwerte im EEPROM nicht zu weit von den Defaultwerten abweichen.
Bei der Spannung ist der Defaultwert = 0x00,0x00 (= Faktor 1.0)
Beim Strom ist die Verstärkung nicht ganz auf einen Stromendwert von 255mA ausgelegt sondern etwa 5 Prozent tiefer. Der nominale Kalibrierwert für den Strom beträgt daher 0xF3, 0x1B (= Faktor 0.94963).

Nach dem Flashen wird an die beiden mittleren Pins von J1 eine Spannung von ca. 5V angeschlossen. Ist alles ok sollte das Display die Spannung blinkend anzeigen. Der Ausgang J1 PIN 1 weist Low-Pegel auf. Die Spannung wird langsam auf ca 20V (max 25V) erhöht und die prozentuale Abweichung zwischen Sollwert und Anzeige berechnet. Ab ca 15. V verschwindet das Blinken und der Ausgang wechselt auf High-Pegel (>2.4V). Unterhalb ca 13.8V wird die Last wieder abgeschaltet und das Display blinkt wieder.
Danach wird ein Akku (15-17V) an Prozessorteil und Ladeteil angeschlossen. Über ein strombegrenztes Netzteil werden ca 180mA Ladestrom in den Akku eingestellt. Die Anzeige zeigt jetzt im Wechsel die Akkuspannung und den Ladestrom an. Wiederum wird die prozentuale Abweichung vom tatsächlichen Ladestrom berechnet.
Die prozentualen Abweichungen werden auf die existierenden Kalibrierwerte multipliziert und dann nach einem MPASM-Lauf ins EEPROM geschrieben. Bei Verwendung von MPLAB darauf achten daß im "Release" Modus und nicht im "Debug" Modus gearbeitet wird.

Danach ist der Batteriewächter einsatzbereit.

== Praxis und Ideen ==

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|BMON1035 Stromverbrauch 9.7uA bei 9.3V]]

Anbei ein Aufbau einer Vorgängerversion ohne Ladestrommessung (BMON1035) mit einem Stromverbrauch um 9.7 uA (schwankend) bei einem frisch aufgeladenen Akku mit 9.3V. An einem BMON1048 mit Strommessung habe ich 10-12uA gemessen. Wobei der Stromverbrauch auch von der tatsächlichen Versorgungsspannung des Prozessors abhängt.

Ich habe 2 Schaltungen mit ca. 30 mA Last seit 2.5 Jahren im Dauerbetrieb mit je 12 AA-Zellen und täglichem Ladebetrieb. Der erste Akkusatz zeigt seit letzten Sommer (bis zu 32 Grad Raumtemperatur während dem Laden) einen erhöhten Innenwiderstand. Der Ladestrom bei vollem Akku lag hierbei bei erhöhter Temperatur bei 60-70mA.

Die Spannungsdifferenz beim Einstecken / Entfernen des Ladegerätes ist bei diesem Akkusatz ca 1V. Bei niedrigen Spannungen unter 15V und kurzem Ladebetrieb wird hierdurch die Last ungewollt abgeworfen. Das Kriterium 0.6V Abfall innerhalb einer Minute wird überschritten.
Der andere Akkusatz liegt immer noch bei 0.2V Differenz zwischen Normal und Ladebetrieb.

Ganz oben auf der Wunschliste steht der vereinfachte Abgleich der Kalibrierwerte im EEPROM. Denkbar wäre irgend ein Morsecode über den Taster oder ein Jumper an einem freien Pin um den Abgleich bei angelegten Referenzwerten zu starten.

Freier Speicherplatz ist jedenfalls genügend vorhanden. Wobei Sonderfunktionen nur selten gerechnet werden sollten um den Stromverbrauch nicht zu stark zu erhöhen.

Die führende "1" wird derzeit wegen des 2-stelligen Displays als Dezimalpunkt angezeigt. Bei einem 3-stelligen Display würde man anstelle des Dezimalpunktes die beiden Segmente "b" und "c" für die "1" parallel ansteuern.

Ideen:
* Temperaturkompensation der End-Ladespannung mittels NTC / Dioden
* Alternativ: Abschaltung des Ladezweigs per Prozessorpin wenn der Ladestrom bei der Endspannung eingeschwungen ist
* Lernfunktion Berücksichtigung Spannungsdifferenz bei Ladebetrieb für Abschaltkriterium
* Automatisiertes Speichern der Abgleichwerte im EEPROM

== Downloads ==

* [[Media:BMON1048_MPASM.ZIP| Sourcecode für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_Schaltbild.pdf| Schaltplan für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_gcprevue.zip| Layout (Gerber) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_PDF.zip| Layout (PDF) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_STK.txt| Stückliste Batteriewächter BMON1048]]

== Weblinks ==

* [http://www.st.com/internet/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_LITERATURE/DATASHEET/CD00000053.pdf L200_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BSS84.pdf BSS84P_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF245A-B-C.pdf BF245C_Datasheet]
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39631e.pdf PIC18F2520_Datasheet]
* [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm285-1.2-n.pdf LM385Z-1.2_Datasheet]
* [http://www.fairchildsemi.com/ds/BS/BSS138.pdf BSS138_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Hintergrund-gruen/LCD-2-0-13/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=3005&ARTICLE=10179&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& LCD-2-13]
* [http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1763fg.pdf LT1763_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Proma-Gehaeuse/GEH-EG-2/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=5199&ARTICLE=50424&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& Gehäuse_EG2]
* [http://www.graphicode.com/ GC-Prevue Gerber viewer]
== Siehe auch ==

* [http://www.mikrocontroller.net/topic/288063 Forum: Diskussion zu diesem Projekt]

[[Kategorie:Wettbewerb]]
[[Kategorie:PIC-Projekte]]
[[Kategorie:Spannungsversorgung_und_Energiequellen]]
[[Kategorie:Messtechnik]]
[[Kategorie:Projekte]]

Batteriewächter

2013-02-24T15:25:23Z

An ja: /* Montagedetail L200 */

''von Anja'' (in Arbeit)

{{Wettbewerb Header}}

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px]]
Der Batteriewächter liefert bei Unterspannung eines 12 AA Batteriepacks ein Signal um die Last abzuwerfen. Ein einfaches Ladeteil sowie eine Batteriespannungsanzeige sind für die Frontplatte eines EG2-Gehäuses ausgelegt. Für andere Zellkonfigurationen ab 3-4 Zellen aufwärts kann die Schaltung durch Umdimensionierung der Spannungsteilerwiderstände leicht angepasst werden. Der Stromverbrauch beträgt nur etwa 10uA.
Auf Grund des geringen Stromverbrauchs und der geringen Mindestspannung von ca 2.5V ist auch eine Anwendung als aus dem Meßwert gespeistes Panelmeter denkbar.

== Vorgeschichte ==

Eigentlich wollte ich nur eine einfache Anzeige wann die 9V-Blocks für meine Akku gespeisten Referenzen wieder ans Ladegerät müssen. Ein einfaches Drehspulinstrument hätte es getan. Allerdings brauchen diese relativ viel Strom im Verhältnis zu einer ISL21009 und bei einer Empfindlichkeit von 100uA sind sie auch nicht ganz billig.

Die nächste Idee: eine low power Referenz und ein Komparator (oder gleich einen ICL7665). Nur was dann als Anzeige nehmen. Selbst eine low current LED braucht einige 100uA für die Anzeige.

Das ganze zu takten war die nächste Idee. Also wie beim Rauchmelder nur kurze Meß- und Anzeigephasen um Strom zu sparen.

Alternative Anzeigen wären eine einfache LCD Balkenanzeige wie im Handy. Diese sind allerdings nicht im DIP 8 Gehäuse erhältlich. Als Alternative bleiben eigentlich nur passive LC-Anzeigen mit 2-4 Digits.

In der Zwischenzeit waren auch Referenzen im Programm die eine Mindestspannung von 9 oder 14V benögigen. Die Anzahl der Zellen (8-12) also so gewachsen daß die 16V des ICL7665 oder gängiger CMOS Logik nicht mehr ausreichen.

Schön wäre auch eine "richtige" Spannungsanzeige also muß ein Prozessor her. Nachdem auch die ersten 9V-Blocks Schwächen wegen Tiefentladung zeigten sollte das ganze auch einen Unterspannungsschutz haben.

Zum damaligen Zeitpunkt gab es nur wenige Spannungsregler mit Eingangsspannungen bis 20 oder 25V und Eigenstromverbrauch unter 20uA. Und die auch nur von Farnell also für Privat quasi unobtanium.

Eine Idee hatte ich schon länger um z.B. Uhrenchips im 12V-System zu betreiben: Ein normaler Sperrschicht-FET hat eine negative UGS-Spannung. Wenn man das Gate also an Masse Anschließt müßte am Source eine halbwegs stabile Backup-Spannung übrig bleiben. Und das auch noch ohne daß der Spannungsregler einen nennenswerten Strom braucht.

Der Ehrgeiz war geweckt es müßte doch möglich sein einen prozessorgesteuerten Komparator mit Spannungsanzeige bei unter 20uA Stromverbrauch mit Versorgung direkt aus der Batterie im Bereich 5-20V zu entwickeln ...

== Blockschaltbild ==

[[Bild:BMON_1048_BLOCK.PNG|thumb|right|350px|BMON148 - Blockschaltbild]]

Die Schaltung auf der Leiterplatte umfaßt ein einfaches Ladeteil mit L200. Die Speisung erfolgt mit einem externen 24V Steckernetzteil. Ein Low-Power Spannungsregler erzeugt die VCC-Versorgung für den Prozessorteil. Der Prozessor mißt die Akkuspannung sowie den Ladestrom und erzeugt das Steuersignal für die Endstufe. Auf dem Display wird die Akkuspannung sowie der Ladestrom angezeigt. Der Taster dient zum Ein-/Ausschalten der Last. Da der Leistungsteil je nach Last sehr unterschiedlich sein kann (z.B. BTS555 für Hochstromanwendungen) ist er außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Als Schaltungsbeispiel wird eine Endstufe mit LT1763 gezeigt.

=== Ladeteil ===

[[Bild:BMON_1048_L200.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Ladeteil]]

Das Ladeteil ist eine Standardapplikation mit L200 ergänzt um einen Spannungsausgang für die Strommessung.
Die maximale Ladespannung wird mittels Spannungsteiler R12 zu R11 eingestellt. R13 ist parallel zu R12 und wird für den Feinabgleich der Ausgangsspannung verwendet. Auf der Leiterplatte sind die Widerstände wahlweise als SMD (R11A..R13A) oder bedrahtet bestückbar. R11 ist mit 820 Ohm bestückt. R12 mit 4K7 parallel zu R13 mit 130k ergibt 4K54. Die Ausgangsspannung von 18.1 V ergibt sich aus der Referenzspannung von 2.77V des L200 * (1 + 4540R/820R). R14 begrenzt den Strom auf ca 200 mA (0.45V / 2R2).
Diode D2 verhindert ein entladen des Akkus wenn das Steckernetzteil nicht angeschlossen ist. D3 dient als Verpolschutz.
Die Schaltung um U3 verstärkt die Spannung über dem Strombegrenzungswiderstand. Es muß zwingend ein OP verwendet werden dessen common mode input range an die positive Versorgung reicht. Bei einem TL062 ist dies bei normalen Raumtemperaturen gegeben. Die Spannung über R14 wird im Verhältnis R16/R15 = 2.32 fach verstärkt. Bei 200mA also 450mV am Strombegrenzungswiderstand ergibt sich für den ADC-Eingang eine Spannung von 1.04V über R16.
L1,L2 sowie C15-C19 bilden ein optional bestückbares EMV-Filter. C18+C19 filtern hierbei die Störungen über einen M3 Distanzbolzen auf das Aluminiumgehäuse.

=== Spannungsregler ===

[[Bild:BMON_1048_VCC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Spannungsregler BF245C]]

Es gibt 2 alternative Bestückungsvarianten:

U5 ist ein low power Spannungsregler XC6216 von Torex. An Ein- und Ausgang werden 1uF Kondensatoren benötigt. Der Ruhestromverbrauch ist mit 5uA im Datenblatt angegeben.

Da mir das vieeel zu hoch ist habe ich einen Sperrschicht-FET als Spannungsregler mißbraucht. Ein BF245C hat bei kleinen Strömen je nach Exemplarstreuung eine Gate/Source Spannung von -3.2 .. -7.5 V zwischen Gate und Source.
Wenn man jetzt das Gate auf Masse legt und an den Drain die ungeregelte Eingangsspannung bleibt am Source eine Ausgangsspannung von +3.2 bis 7.5V.
Da der nachgeschaltete Prozessor maximal 5.5V Spannung verträgt müssen die FETs selektiert werden. Bei der Maximalen Eingangsspannung und minimaler Last (also nur die 10 Meg-Ohm des Meßinstrumentes dürfen die 5.5V nicht überschritten werden. Bei der typischen Last von 10uA entsprechend 330K sollten mindestens ca 3.8V bei der minimalen Spannung übrig bleiben.

Beim Austesten auf dem Steckbrett habe ich herausgefunden daß der FET relativ empfindlich auf Störimpulse reagiert und teilweise hierdurch auch hohe Spannungen an den Ausgang durchläßt. Abhilfe schaffen Abblockkondensatoren an Ein- und Ausgang. Im Gegensatz zum XC6216 reichen für den FET normale 100nF Abblockkondensatoren. Die Diode D1 dient als Verpolschutz. R2 begrenzt beim FET schnelle Spannungsanstiege sowie den Maximalstrom. Das Austesten auf dem Steckbrett sollte mit den Abblock-Cs und der Schutzbeschaltung erfolgen.

Von 10 getesteten FETs hatten alle eine maximale Spannung im Bereich 4.57 bis 4.80 V bei 25V Eingangsspannung. Bei Belastung mit 1K-Ohm und 9V Eingangsspannung habe ich 2.61V bis 2.77V gemessen. Der Regler hat also ausreichend Reserven. Die Mühe des Selektierens wird belohnt durch einen Stromverbrauch von nicht meßbaren wenigen nA für den Spannungsregler.

R2 sollte bei Verwendung des XC6216 durch einen 0 Ohm Widerstand ersetzt werden. Allerdings habe ich diese Schaltungsvariante noch nicht getestet.

=== Prozessorteil ===

[[Bild:BMON_1048_PIC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Prozessorteil]]

Als Prozessor wird ein PIC18F2520 verwendet. Es ist quasi der low power Nachfolger eines PIC16F876. Der Strom mit internem Oszillator beträgt ca 1mA. Um den Stromverbrauch zu reduzieren ist der Prozessor hauptsächlich im Sleep Mode und wird nur alle 16ms aufgeweckt um die Flanken für die Wechselspannung von 30Hz für die passive LC-Anzeige zu generieren die auch die meisten Pins benötigt.

Die Batteriespannung wird über Spannungsteiler R4/R5 an Pin RA2 gemessen. U2 sorgt mit R3 für eine stabile Referenz von 1.2V auch bei schwankenden Versorgungsspannungen. Kurzzeitig werden für den Referenzeingang bis zu 150uA und für die Referenzdiode bis zu 20uA benötigt. Da kein Abblockkondensator an der Referenz verwendet wird, ist R3 relativ niederohmig dimensioniert.

Die Stromsparfunktionen werden alle mit PIN RA1 gesteuert. Die Auswertung der Eingänge erfolgt nur ein Mal je Sekunde. Dies betrifft R3 als Versorgung für die Referenzdiode sowie R6 als pull up Widerstand für den Taster. Über T2 wird der Spannungsteiler für die Batteriespannung stromlos geschaltet. Der BSS138 ist ein FET mit geringer UGS threshold voltage von max. 1.5V. Da die Referenzspannung 1.2V beträgt ergibt sich bei einer Versorgungsspannung bis herab zu 2.7V noch keine Begrenzung des Meßbereiches für die Batteriespannung.

Der Ladestrom wird über Analogeingang RA0 gemessen.

Mit der gewählten Dimensionierung für R4/R5 ergibt sich ein Meßbereich von 25.5V für die Batteriespannung. Der Strombereich ist für ca 240mA ausgelegt.

An Pin RB6 wird schließlich das Schaltsignal für die Endstufe erzeugt.

=== Bedienteil ===

[[Bild:BMON_1048_HMI.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Bedienteil]]

Aus Platzgründen (Frontplatte des EG2-Gehäuses von ProMa) konnte leider nur ein 2-stelliges LC-Display verwendet werden. Um dennoch Spannungen größer 9.9V darstellen zu können wird der führende Dezimalpunkt als Zehner-Stelle verwendet. Ab 20.0V fängt dann der Dezimalpunkt an zu blinken. Bei Verwendung eines 3 oder 4-stelligen Displays würde man anstelle des führenden Dezimalpunktes beide Segmente für die führende "1" anschließen.
Der Kondensator C5 hält Gleichspannungssignale vom Display fern. Dies ist insbesonders nützlich beim Flashen bzw. in der Debugging Phase.

J1 ist die Verbindung zur Mutterplatine. Dort kann noch ein zweiter Taster parallel zum Taster auf der Frontplatte angeschlossen werden. R7 dient als Kurzschlußschutz bzw. zur Stromreduzierung des Schaltsignals.

=== Endstufe ===

[[Bild:BMON_1048_POWER.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Endstufe LT1763]]

Die Endstufe ist außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Damit ergibt sich maximale Flexibilität von wenigen mA bis zu mehreren Ampere über einen BSS138 Treiber mit BTS555 Endstufe. Der Anschluß an die BMON1048 Leiterplatte erfolgt über Buchsenleisten auf der Leiterplatte mit der Endstufe.

Hier ist ein Beispiel für eine Endstufe mit LT1763 für maximal 20V Ladeendspannung gezeigt. Im ausgeschalteten Zustand verbraucht der Spannungsregler weniger als 1uA zusätzlich. Der Ruhestrom mit 30uA ist ebenfalls ein guter Wert. C10 ist vorzugsweise ein Folienkondensator (geringer Mikrofonieeffekt) zur Rauschunterdrückung. Die Ausgangsspannung wird mit R11+R12 auf 14.0 V eingestellt.

== Software ==

Die Software hat folgende Funktionen:

* Messen der Spannung und des Stroms linksbündig als 10 Bit Wert
* Verrechnung eines Korrekturfaktors aus EEPROM für Feinabgleich
* Anzeige der Spannung auf Display
* Als Timer dient der Watchdog mit 16ms Periode
* Die 30 Hz Wechselspannung für das Display wird hieraus abgeleitet
* Im Ladebetrieb erfolgt die Anzeige des Stroms im Wechsel mit der Spannung
* unterhalb 1.15V/Zelle abschalten der Last (Spannungsanzeige blinkt)
* oberhalb 1.25V/Zelle wiedereinschalten der Last
* Bei Tastendruck länger als 5 Sekunden wird die Last manuell ein-/ausgeschaltet
* Bei Spannungseinbruch > 0.6V/Minute wird ebenfalls abgeschaltet
* Alle Parameter wie Zellenzahl + Hysterese sind im Header konfigurierbar

<c>
#define Cells 12 ; # number of cells
#define mV * 256 * 51/1051/1235 ; 25,6V * 5K1/(100K+5K1)/VRef
#define VOn Cells * 1250 mV ; high hysteresis
#define VOff Cells * 1150 mV ; low hysteresis
#define VOLT_SEC 10 ; check every 10 seconds
#define VDIFF 600 mV ; voltage drop / minute
#define mA * 1 ; 1 mA / count
#define CURR_MIN 10 mA ; min current to display
</c>

Die Software ist mit MPASM 5.40 (MPLAB 8.70) erstellt. Die Bit-Schubsereien für das Display werden mit Tabellen in Page 0 für alle 3 Ports A-C und die Digits 1-2 abgehandelt.

Bei der Initialisierung wird erst die Hardware initalisiert und danach alle Variablen einschließlich der Kalibrierparameter die aus dem EEPROM gelesen werden. Die Kalibrierfaktoren sind im 2er Komplement als 16 Bit signed Wert gespeichert. Ein Abgleich von +/- 50% entspricht +/-32768 als Wert.

Die meiste Zeit verbringt der Prozessor im Sleep mode. Alle 16 ms weckt der Watchdog den Prozessor auf um die Pins für die Anzeige zu invertieren. Alle Sekunde finden zusätzlich noch Meßfunktionen sowie die Tasterabfrage statt.
Um Zeit (und damit Strom) zu sparen wird die Wartezeit aufs ADC-Ergebnis genutzt um eine Tastenentprellung bzw. die Vorverarbeitung der Spannungsmessung während der Strommessung durchzuführen.
Alle 10 Sekunden wird das High-Byte des Spannungswertes in einen Ringpuffer mit 6 Einträgen für die vergangene Minute eingetragen. Dies dient unterhalb der Einschaltschwelle zur Detektierung eines plötzlichen Spannungsabfalls falls eine Zelle schneller entladen ist als die übrigen im Pack.

== Aufbau ==
=== Lötseite ===

[[Bild:Loetseite_IMG0964W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - Lötseite]]

[[Bild:BMON1048_BST_LS.PNG|thumb|right|200px|BMON1048 - Position LS]]

Die Leiterplatte ist doppelseitig. Die meisten Durchkontaktierungen liegen auf bedrahteten Bauelementen so daß eine durchkontaktierte Leiterplatte nicht zwingend nötig ist. Die drei Durchkontaktierungen im Bereich des Programmiersteckers können auch mit Kupferhohlnieten oder einer Drahtbrücke bestückt werden.

Am besten beginnt man nach Durchkontaktieren mit der Bestückung auf der Lötseite. C18, C19 sowie U5 sind im Muster nicht bestückt.

=== Bestückungsseite ===

[[Bild:BMON1048_BS_IMG0968W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - Bestückungsseite]]
[[Bild:BMON1048_BST_BS.PNG|thumb|right|200px|BMON1048 - Position BS]]

Auf der Bestückungsseite werden zuerst die Bauteile unter dem Display sowie die Widerstände unter dem L200 bestückt.

Die Ladebuchse ist auf die Leiterplatte aufgesetzt und mit Silberdraht die Anschlüsse verlängert. Mit dem Verlöten sollte man so lange warten bis die Frontplatte montiert ist.
In den Layoutdaten ist auch ein Layer für die Frontplatte enthalten der als Bohrhilfe verwendet werden kann.

Der L200 ist über Kopf bestückt, die Anschlußdrähte also ebenfalls auf die andere Seite abgewinkelt. Bei Verwendung von 10mm Distanzbolzen muß als Isolierung mindestens eine 1.5 mm Aluminiumoxidscheibe verwendet werden damit sich die Pins des L200 im montierten Zustand verlöten lassen. Die Frontplatte des EG2-Gehäuses dient hiermit gleichzeitig als Kühlfläche.

C12 muß liegend montiert werden.

Für das Display verwende ich eine 18-polige Präzisionsfassung die mit dem Seitenschneider auseinander geschnitten wird. Verlöten geht am einfachsten wenn das Display bereits in die Fassung gesteckt ist. Die beiden Pins 1 + 18 für die Backplane sind auf der Leiterplattenoberseite verbunden (Lötung unter der Fassung nicht vergessen).

Der Taster ist eine Ausführung mit langem Stößel wenn die Bedienung ohne Hilfswerkzeug möglich sein soll.

=== Montagedetail L200 ===

[[Bild:BMON1048_L200_IMG0981W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - L200 Montage]]

Montagedetail L200:

* M3 Schraube
* Frontplatte
* Aluminiumoxidscheibe (AOS220 - 1.5mm)
* L200
* Isolierbuchse
* Unterlegscheibe (fehlt im Bild)
* M3 Mutter

=== Spannungsanzeige ===
[[Bild:BMON1048_Spannung_IMG0965W.JPG|thumb|right|250px|BMON1048 - Spannungsanzeige]]

Ansicht montiert mit Spannungsanzeige 16.7V

=== Stromanzeige ===
[[Bild:BMON1048_Strom_IMG0966W.JPG|thumb|right|250px|BMON1048 - Stromanzeige]]

Ansicht Ladebetrieb mit Stromanzeige 188mA

== Inbetriebnahme und Abgleich ==

Der Ladeteil und der Batteriewächter können auf Grund der getrennten Steckverbinder unabhängig voneinander in Betrieb genommen werden.

* Ladeteil:

An einem strombegrenzten Netzteil (ca 20-100mA) wird die Spannung an der Ladebuchse langsam von 0V an erhöht und die Stromaufnahme gemessen. Der Eigenverbrauch des L200 liegt bei ca 10mA. Dieser Wert darf nicht wesentlich überschritten werden. Ist alles in Ordnung dreht man die Spannung langsam auf 24V. Die Ausgangsspannung des L200 sollte vor der Verpolschutzdiode D2 gemessen ca 18.1V sein. Falls nicht kann man durch Feinabgleich des Widerstandes R13 noch etwas korrigieren.
Danach einen Akkusatz anschließen und die Strombegrenzung des Netzteils langsam auf ca 250mA-300mA drehen. Der Strom in den Akku sollte durch den L200 auf ca 200 mA begrenzt werden.
Bei voll geladenem Akku sollte der Strom unter C/50 besser C/100 (also 20-40 mA) zurückgehen. Gegebenenfalls ist die Ladeendspannung etwas zu reduzieren.

* Prozessorteil:

Zunächst wird der Prozessor mit einem Programmiergerät geflasht. Bei Verwendung des FET-Spannungsreglers darauf achten daß die Spannungsversorgung für den Prozessor vom Programmiergerät (z.B. PICKIT3) zur Verfügung gestellt wird.
Hierbei darauf achten daß die nominalen Kalibrierwerte im EEPROM nicht zu weit von den Defaultwerten abweichen.
Bei der Spannung ist der Defaultwert = 0x00,0x00 (= Faktor 1.0)
Beim Strom ist die Verstärkung nicht ganz auf einen Stromendwert von 255mA ausgelegt sondern etwa 5 Prozent tiefer. Der nominale Kalibrierwert für den Strom beträgt daher 0xF3, 0x1B (= Faktor 0.94963).

Nach dem Flashen wird an die beiden mittleren Pins von J1 eine Spannung von ca. 5V angeschlossen. Ist alles ok sollte das Display die Spannung blinkend anzeigen. Der Ausgang J1 PIN 1 weist Low-Pegel auf. Die Spannung wird langsam auf ca 20V (max 25V) erhöht und die prozentuale Abweichung zwischen Sollwert und Anzeige berechnet. Ab ca 15. V verschwindet das Blinken und der Ausgang wechselt auf High-Pegel (>2.4V). Unterhalb ca 13.8V wird die Last wieder abgeschaltet und das Display blinkt wieder.
Danach wird ein Akku (15-17V) an Prozessorteil und Ladeteil angeschlossen. Über ein strombegrenztes Netzteil werden ca 180mA Ladestrom in den Akku eingestellt. Die Anzeige zeigt jetzt im Wechsel die Akkuspannung und den Ladestrom an. Wiederum wird die prozentuale Abweichung vom tatsächlichen Ladestrom berechnet.
Die prozentualen Abweichungen werden auf die existierenden Kalibrierwerte multipliziert und dann nach einem MPASM-Lauf ins EEPROM geschrieben. Bei Verwendung von MPLAB darauf achten daß im "Release" Modus und nicht im "Debug" Modus gearbeitet wird.

Danach ist der Batteriewächter einsatzbereit.

== Praxis und Ideen ==

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|BMON1035 Stromverbrauch 9.7uA bei 9.3V]]

Anbei ein Aufbau einer Vorgängerversion ohne Ladestrommessung (BMON1035) mit einem Stromverbrauch um 9.7 uA (schwankend) bei einem frisch aufgeladenen Akku mit 9.3V. An einem BMON1048 mit Strommessung habe ich 10-12uA gemessen. Wobei der Stromverbrauch auch von der tatsächlichen Versorgungsspannung des Prozessors abhängt.

Ich habe 2 Schaltungen mit ca. 30 mA Last seit 2.5 Jahren im Dauerbetrieb mit je 12 AA-Zellen und täglichem Ladebetrieb. Der erste Akkusatz zeigt seit letzten Sommer (bis zu 32 Grad Raumtemperatur während dem Laden) einen erhöhten Innenwiderstand. Der Ladestrom bei vollem Akku lag hierbei bei erhöhter Temperatur bei 60-70mA.

Die Spannungsdifferenz beim Einstecken / Entfernen des Ladegerätes ist bei diesem Akkusatz ca 1V. Bei niedrigen Spannungen unter 15V und kurzem Ladebetrieb wird hierdurch die Last ungewollt abgeworfen. Das Kriterium 0.6V Abfall innerhalb einer Minute wird überschritten.
Der andere Akkusatz liegt immer noch bei 0.2V Differenz zwischen Normal und Ladebetrieb.

Ganz oben auf der Wunschliste steht der vereinfachte Abgleich der Kalibrierwerte im EEPROM. Denkbar wäre irgend ein Morsecode über den Taster oder ein Jumper an einem freien Pin um den Abgleich bei angelegten Referenzwerten zu starten.

Freier Speicherplatz ist jedenfalls genügend vorhanden. Wobei Sonderfunktionen nur selten gerechnet werden sollten um den Stromverbrauch nicht zu stark zu erhöhen.

Die führende "1" wird derzeit wegen des 2-stelligen Displays als Dezimalpunkt angezeigt. Bei einem 3-stelligen Display würde man anstelle des Dezimalpunktes die beiden Segmente "b" und "c" für die "1" parallel ansteuern.

Ideen:
* Temperaturkompensation der End-Ladespannung mittels NTC / Dioden
* Alternativ: Abschaltung des Ladezweigs per Prozessorpin wenn der Ladestrom bei der Endspannung eingeschwungen ist
* Lernfunktion Berücksichtigung Spannungsdifferenz bei Ladebetrieb für Abschaltkriterium
* Automatisiertes Speichern der Abgleichwerte im EEPROM

== Downloads ==

* [[Media:BMON1048_MPASM.ZIP| Sourcecode für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_Schaltbild.pdf| Schaltplan für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_gcprevue.zip| Layout (Gerber) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_PDF.zip| Layout (PDF) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_STK.txt| Stückliste Batteriewächter BMON1048]]

== Weblinks ==

* [http://www.st.com/internet/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_LITERATURE/DATASHEET/CD00000053.pdf L200_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BSS84.pdf BSS84P_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF245A-B-C.pdf BF245C_Datasheet]
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39631e.pdf PIC18F2520_Datasheet]
* [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm285-1.2-n.pdf LM385Z-1.2_Datasheet]
* [http://www.fairchildsemi.com/ds/BS/BSS138.pdf BSS138_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Hintergrund-gruen/LCD-2-0-13/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=3005&ARTICLE=10179&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& LCD-2-13]
* [http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1763fg.pdf LT1763_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Proma-Gehaeuse/GEH-EG-2/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=5199&ARTICLE=50424&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& Gehäuse_EG2]
* [http://www.graphicode.com/ GC-Prevue Gerber viewer]
== Siehe auch ==

* [http://www.mikrocontroller.net/topic/288063 Forum: Diskussion zu diesem Projekt]

[[Kategorie:Wettbewerb]]
[[Kategorie:PIC-Projekte]]
[[Kategorie:Spannungsversorgung_und_Energiequellen]]
[[Kategorie:Messtechnik]]
[[Kategorie:Projekte]]

Batteriewächter

2013-02-24T15:22:01Z

An ja: /* Lötseite */

''von Anja'' (in Arbeit)

{{Wettbewerb Header}}

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px]]
Der Batteriewächter liefert bei Unterspannung eines 12 AA Batteriepacks ein Signal um die Last abzuwerfen. Ein einfaches Ladeteil sowie eine Batteriespannungsanzeige sind für die Frontplatte eines EG2-Gehäuses ausgelegt. Für andere Zellkonfigurationen ab 3-4 Zellen aufwärts kann die Schaltung durch Umdimensionierung der Spannungsteilerwiderstände leicht angepasst werden. Der Stromverbrauch beträgt nur etwa 10uA.
Auf Grund des geringen Stromverbrauchs und der geringen Mindestspannung von ca 2.5V ist auch eine Anwendung als aus dem Meßwert gespeistes Panelmeter denkbar.

== Vorgeschichte ==

Eigentlich wollte ich nur eine einfache Anzeige wann die 9V-Blocks für meine Akku gespeisten Referenzen wieder ans Ladegerät müssen. Ein einfaches Drehspulinstrument hätte es getan. Allerdings brauchen diese relativ viel Strom im Verhältnis zu einer ISL21009 und bei einer Empfindlichkeit von 100uA sind sie auch nicht ganz billig.

Die nächste Idee: eine low power Referenz und ein Komparator (oder gleich einen ICL7665). Nur was dann als Anzeige nehmen. Selbst eine low current LED braucht einige 100uA für die Anzeige.

Das ganze zu takten war die nächste Idee. Also wie beim Rauchmelder nur kurze Meß- und Anzeigephasen um Strom zu sparen.

Alternative Anzeigen wären eine einfache LCD Balkenanzeige wie im Handy. Diese sind allerdings nicht im DIP 8 Gehäuse erhältlich. Als Alternative bleiben eigentlich nur passive LC-Anzeigen mit 2-4 Digits.

In der Zwischenzeit waren auch Referenzen im Programm die eine Mindestspannung von 9 oder 14V benögigen. Die Anzahl der Zellen (8-12) also so gewachsen daß die 16V des ICL7665 oder gängiger CMOS Logik nicht mehr ausreichen.

Schön wäre auch eine "richtige" Spannungsanzeige also muß ein Prozessor her. Nachdem auch die ersten 9V-Blocks Schwächen wegen Tiefentladung zeigten sollte das ganze auch einen Unterspannungsschutz haben.

Zum damaligen Zeitpunkt gab es nur wenige Spannungsregler mit Eingangsspannungen bis 20 oder 25V und Eigenstromverbrauch unter 20uA. Und die auch nur von Farnell also für Privat quasi unobtanium.

Eine Idee hatte ich schon länger um z.B. Uhrenchips im 12V-System zu betreiben: Ein normaler Sperrschicht-FET hat eine negative UGS-Spannung. Wenn man das Gate also an Masse Anschließt müßte am Source eine halbwegs stabile Backup-Spannung übrig bleiben. Und das auch noch ohne daß der Spannungsregler einen nennenswerten Strom braucht.

Der Ehrgeiz war geweckt es müßte doch möglich sein einen prozessorgesteuerten Komparator mit Spannungsanzeige bei unter 20uA Stromverbrauch mit Versorgung direkt aus der Batterie im Bereich 5-20V zu entwickeln ...

== Blockschaltbild ==

[[Bild:BMON_1048_BLOCK.PNG|thumb|right|350px|BMON148 - Blockschaltbild]]

Die Schaltung auf der Leiterplatte umfaßt ein einfaches Ladeteil mit L200. Die Speisung erfolgt mit einem externen 24V Steckernetzteil. Ein Low-Power Spannungsregler erzeugt die VCC-Versorgung für den Prozessorteil. Der Prozessor mißt die Akkuspannung sowie den Ladestrom und erzeugt das Steuersignal für die Endstufe. Auf dem Display wird die Akkuspannung sowie der Ladestrom angezeigt. Der Taster dient zum Ein-/Ausschalten der Last. Da der Leistungsteil je nach Last sehr unterschiedlich sein kann (z.B. BTS555 für Hochstromanwendungen) ist er außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Als Schaltungsbeispiel wird eine Endstufe mit LT1763 gezeigt.

=== Ladeteil ===

[[Bild:BMON_1048_L200.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Ladeteil]]

Das Ladeteil ist eine Standardapplikation mit L200 ergänzt um einen Spannungsausgang für die Strommessung.
Die maximale Ladespannung wird mittels Spannungsteiler R12 zu R11 eingestellt. R13 ist parallel zu R12 und wird für den Feinabgleich der Ausgangsspannung verwendet. Auf der Leiterplatte sind die Widerstände wahlweise als SMD (R11A..R13A) oder bedrahtet bestückbar. R11 ist mit 820 Ohm bestückt. R12 mit 4K7 parallel zu R13 mit 130k ergibt 4K54. Die Ausgangsspannung von 18.1 V ergibt sich aus der Referenzspannung von 2.77V des L200 * (1 + 4540R/820R). R14 begrenzt den Strom auf ca 200 mA (0.45V / 2R2).
Diode D2 verhindert ein entladen des Akkus wenn das Steckernetzteil nicht angeschlossen ist. D3 dient als Verpolschutz.
Die Schaltung um U3 verstärkt die Spannung über dem Strombegrenzungswiderstand. Es muß zwingend ein OP verwendet werden dessen common mode input range an die positive Versorgung reicht. Bei einem TL062 ist dies bei normalen Raumtemperaturen gegeben. Die Spannung über R14 wird im Verhältnis R16/R15 = 2.32 fach verstärkt. Bei 200mA also 450mV am Strombegrenzungswiderstand ergibt sich für den ADC-Eingang eine Spannung von 1.04V über R16.
L1,L2 sowie C15-C19 bilden ein optional bestückbares EMV-Filter. C18+C19 filtern hierbei die Störungen über einen M3 Distanzbolzen auf das Aluminiumgehäuse.

=== Spannungsregler ===

[[Bild:BMON_1048_VCC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Spannungsregler BF245C]]

Es gibt 2 alternative Bestückungsvarianten:

U5 ist ein low power Spannungsregler XC6216 von Torex. An Ein- und Ausgang werden 1uF Kondensatoren benötigt. Der Ruhestromverbrauch ist mit 5uA im Datenblatt angegeben.

Da mir das vieeel zu hoch ist habe ich einen Sperrschicht-FET als Spannungsregler mißbraucht. Ein BF245C hat bei kleinen Strömen je nach Exemplarstreuung eine Gate/Source Spannung von -3.2 .. -7.5 V zwischen Gate und Source.
Wenn man jetzt das Gate auf Masse legt und an den Drain die ungeregelte Eingangsspannung bleibt am Source eine Ausgangsspannung von +3.2 bis 7.5V.
Da der nachgeschaltete Prozessor maximal 5.5V Spannung verträgt müssen die FETs selektiert werden. Bei der Maximalen Eingangsspannung und minimaler Last (also nur die 10 Meg-Ohm des Meßinstrumentes dürfen die 5.5V nicht überschritten werden. Bei der typischen Last von 10uA entsprechend 330K sollten mindestens ca 3.8V bei der minimalen Spannung übrig bleiben.

Beim Austesten auf dem Steckbrett habe ich herausgefunden daß der FET relativ empfindlich auf Störimpulse reagiert und teilweise hierdurch auch hohe Spannungen an den Ausgang durchläßt. Abhilfe schaffen Abblockkondensatoren an Ein- und Ausgang. Im Gegensatz zum XC6216 reichen für den FET normale 100nF Abblockkondensatoren. Die Diode D1 dient als Verpolschutz. R2 begrenzt beim FET schnelle Spannungsanstiege sowie den Maximalstrom. Das Austesten auf dem Steckbrett sollte mit den Abblock-Cs und der Schutzbeschaltung erfolgen.

Von 10 getesteten FETs hatten alle eine maximale Spannung im Bereich 4.57 bis 4.80 V bei 25V Eingangsspannung. Bei Belastung mit 1K-Ohm und 9V Eingangsspannung habe ich 2.61V bis 2.77V gemessen. Der Regler hat also ausreichend Reserven. Die Mühe des Selektierens wird belohnt durch einen Stromverbrauch von nicht meßbaren wenigen nA für den Spannungsregler.

R2 sollte bei Verwendung des XC6216 durch einen 0 Ohm Widerstand ersetzt werden. Allerdings habe ich diese Schaltungsvariante noch nicht getestet.

=== Prozessorteil ===

[[Bild:BMON_1048_PIC.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Prozessorteil]]

Als Prozessor wird ein PIC18F2520 verwendet. Es ist quasi der low power Nachfolger eines PIC16F876. Der Strom mit internem Oszillator beträgt ca 1mA. Um den Stromverbrauch zu reduzieren ist der Prozessor hauptsächlich im Sleep Mode und wird nur alle 16ms aufgeweckt um die Flanken für die Wechselspannung von 30Hz für die passive LC-Anzeige zu generieren die auch die meisten Pins benötigt.

Die Batteriespannung wird über Spannungsteiler R4/R5 an Pin RA2 gemessen. U2 sorgt mit R3 für eine stabile Referenz von 1.2V auch bei schwankenden Versorgungsspannungen. Kurzzeitig werden für den Referenzeingang bis zu 150uA und für die Referenzdiode bis zu 20uA benötigt. Da kein Abblockkondensator an der Referenz verwendet wird, ist R3 relativ niederohmig dimensioniert.

Die Stromsparfunktionen werden alle mit PIN RA1 gesteuert. Die Auswertung der Eingänge erfolgt nur ein Mal je Sekunde. Dies betrifft R3 als Versorgung für die Referenzdiode sowie R6 als pull up Widerstand für den Taster. Über T2 wird der Spannungsteiler für die Batteriespannung stromlos geschaltet. Der BSS138 ist ein FET mit geringer UGS threshold voltage von max. 1.5V. Da die Referenzspannung 1.2V beträgt ergibt sich bei einer Versorgungsspannung bis herab zu 2.7V noch keine Begrenzung des Meßbereiches für die Batteriespannung.

Der Ladestrom wird über Analogeingang RA0 gemessen.

Mit der gewählten Dimensionierung für R4/R5 ergibt sich ein Meßbereich von 25.5V für die Batteriespannung. Der Strombereich ist für ca 240mA ausgelegt.

An Pin RB6 wird schließlich das Schaltsignal für die Endstufe erzeugt.

=== Bedienteil ===

[[Bild:BMON_1048_HMI.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Bedienteil]]

Aus Platzgründen (Frontplatte des EG2-Gehäuses von ProMa) konnte leider nur ein 2-stelliges LC-Display verwendet werden. Um dennoch Spannungen größer 9.9V darstellen zu können wird der führende Dezimalpunkt als Zehner-Stelle verwendet. Ab 20.0V fängt dann der Dezimalpunkt an zu blinken. Bei Verwendung eines 3 oder 4-stelligen Displays würde man anstelle des führenden Dezimalpunktes beide Segmente für die führende "1" anschließen.
Der Kondensator C5 hält Gleichspannungssignale vom Display fern. Dies ist insbesonders nützlich beim Flashen bzw. in der Debugging Phase.

J1 ist die Verbindung zur Mutterplatine. Dort kann noch ein zweiter Taster parallel zum Taster auf der Frontplatte angeschlossen werden. R7 dient als Kurzschlußschutz bzw. zur Stromreduzierung des Schaltsignals.

=== Endstufe ===

[[Bild:BMON_1048_POWER.PNG|thumb|right|350px|BMON1048 - Endstufe LT1763]]

Die Endstufe ist außerhalb der Leiterplatte untergebracht. Damit ergibt sich maximale Flexibilität von wenigen mA bis zu mehreren Ampere über einen BSS138 Treiber mit BTS555 Endstufe. Der Anschluß an die BMON1048 Leiterplatte erfolgt über Buchsenleisten auf der Leiterplatte mit der Endstufe.

Hier ist ein Beispiel für eine Endstufe mit LT1763 für maximal 20V Ladeendspannung gezeigt. Im ausgeschalteten Zustand verbraucht der Spannungsregler weniger als 1uA zusätzlich. Der Ruhestrom mit 30uA ist ebenfalls ein guter Wert. C10 ist vorzugsweise ein Folienkondensator (geringer Mikrofonieeffekt) zur Rauschunterdrückung. Die Ausgangsspannung wird mit R11+R12 auf 14.0 V eingestellt.

== Software ==

Die Software hat folgende Funktionen:

* Messen der Spannung und des Stroms linksbündig als 10 Bit Wert
* Verrechnung eines Korrekturfaktors aus EEPROM für Feinabgleich
* Anzeige der Spannung auf Display
* Als Timer dient der Watchdog mit 16ms Periode
* Die 30 Hz Wechselspannung für das Display wird hieraus abgeleitet
* Im Ladebetrieb erfolgt die Anzeige des Stroms im Wechsel mit der Spannung
* unterhalb 1.15V/Zelle abschalten der Last (Spannungsanzeige blinkt)
* oberhalb 1.25V/Zelle wiedereinschalten der Last
* Bei Tastendruck länger als 5 Sekunden wird die Last manuell ein-/ausgeschaltet
* Bei Spannungseinbruch > 0.6V/Minute wird ebenfalls abgeschaltet
* Alle Parameter wie Zellenzahl + Hysterese sind im Header konfigurierbar

<c>
#define Cells 12 ; # number of cells
#define mV * 256 * 51/1051/1235 ; 25,6V * 5K1/(100K+5K1)/VRef
#define VOn Cells * 1250 mV ; high hysteresis
#define VOff Cells * 1150 mV ; low hysteresis
#define VOLT_SEC 10 ; check every 10 seconds
#define VDIFF 600 mV ; voltage drop / minute
#define mA * 1 ; 1 mA / count
#define CURR_MIN 10 mA ; min current to display
</c>

Die Software ist mit MPASM 5.40 (MPLAB 8.70) erstellt. Die Bit-Schubsereien für das Display werden mit Tabellen in Page 0 für alle 3 Ports A-C und die Digits 1-2 abgehandelt.

Bei der Initialisierung wird erst die Hardware initalisiert und danach alle Variablen einschließlich der Kalibrierparameter die aus dem EEPROM gelesen werden. Die Kalibrierfaktoren sind im 2er Komplement als 16 Bit signed Wert gespeichert. Ein Abgleich von +/- 50% entspricht +/-32768 als Wert.

Die meiste Zeit verbringt der Prozessor im Sleep mode. Alle 16 ms weckt der Watchdog den Prozessor auf um die Pins für die Anzeige zu invertieren. Alle Sekunde finden zusätzlich noch Meßfunktionen sowie die Tasterabfrage statt.
Um Zeit (und damit Strom) zu sparen wird die Wartezeit aufs ADC-Ergebnis genutzt um eine Tastenentprellung bzw. die Vorverarbeitung der Spannungsmessung während der Strommessung durchzuführen.
Alle 10 Sekunden wird das High-Byte des Spannungswertes in einen Ringpuffer mit 6 Einträgen für die vergangene Minute eingetragen. Dies dient unterhalb der Einschaltschwelle zur Detektierung eines plötzlichen Spannungsabfalls falls eine Zelle schneller entladen ist als die übrigen im Pack.

== Aufbau ==
=== Lötseite ===

[[Bild:Loetseite_IMG0964W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - Lötseite]]

[[Bild:BMON1048_BST_LS.PNG|thumb|right|200px|BMON1048 - Position LS]]

Die Leiterplatte ist doppelseitig. Die meisten Durchkontaktierungen liegen auf bedrahteten Bauelementen so daß eine durchkontaktierte Leiterplatte nicht zwingend nötig ist. Die drei Durchkontaktierungen im Bereich des Programmiersteckers können auch mit Kupferhohlnieten oder einer Drahtbrücke bestückt werden.

Am besten beginnt man nach Durchkontaktieren mit der Bestückung auf der Lötseite. C18, C19 sowie U5 sind im Muster nicht bestückt.

=== Bestückungsseite ===

[[Bild:BMON1048_BS_IMG0968W.JPG|thumb|right|200px|BMON1048 - Bestückungsseite]]
[[Bild:BMON1048_BST_BS.PNG|thumb|right|200px|BMON1048 - Position BS]]

Auf der Bestückungsseite werden zuerst die Bauteile unter dem Display sowie die Widerstände unter dem L200 bestückt.

Die Ladebuchse ist auf die Leiterplatte aufgesetzt und mit Silberdraht die Anschlüsse verlängert. Mit dem Verlöten sollte man so lange warten bis die Frontplatte montiert ist.
In den Layoutdaten ist auch ein Layer für die Frontplatte enthalten der als Bohrhilfe verwendet werden kann.

Der L200 ist über Kopf bestückt, die Anschlußdrähte also ebenfalls auf die andere Seite abgewinkelt. Bei Verwendung von 10mm Distanzbolzen muß als Isolierung mindestens eine 1.5 mm Aluminiumoxidscheibe verwendet werden damit sich die Pins des L200 im montierten Zustand verlöten lassen. Die Frontplatte des EG2-Gehäuses dient hiermit gleichzeitig als Kühlfläche.

C12 muß liegend montiert werden.

Für das Display verwende ich eine 18-polige Präzisionsfassung die mit dem Seitenschneider auseinander geschnitten wird. Verlöten geht am einfachsten wenn das Display bereits in die Fassung gesteckt ist. Die beiden Pins 1 + 18 für die Backplane sind auf der Leiterplattenoberseite verbunden (Lötung unter der Fassung nicht vergessen).

Der Taster ist eine Ausführung mit langem Stößel wenn die Bedienung ohne Hilfswerkzeug möglich sein soll.

=== Montagedetail L200 ===
[[Bild:BMON1048_L200_IMG0981W.JPG|thumb|right|250px|BMON1048 - L200 Montage]]

Montagedetail L200: M3 Schraube, Frontplatte, Aluminiumoxidscheibe, L200, Isolierbuchse, Unterlegscheibe (fehlt im Bild) und M3 Mutter.

=== Spannungsanzeige ===
[[Bild:BMON1048_Spannung_IMG0965W.JPG|thumb|right|250px|BMON1048 - Spannungsanzeige]]

Ansicht montiert mit Spannungsanzeige 16.7V

=== Stromanzeige ===
[[Bild:BMON1048_Strom_IMG0966W.JPG|thumb|right|250px|BMON1048 - Stromanzeige]]

Ansicht Ladebetrieb mit Stromanzeige 188mA

== Inbetriebnahme und Abgleich ==

Der Ladeteil und der Batteriewächter können auf Grund der getrennten Steckverbinder unabhängig voneinander in Betrieb genommen werden.

* Ladeteil:

An einem strombegrenzten Netzteil (ca 20-100mA) wird die Spannung an der Ladebuchse langsam von 0V an erhöht und die Stromaufnahme gemessen. Der Eigenverbrauch des L200 liegt bei ca 10mA. Dieser Wert darf nicht wesentlich überschritten werden. Ist alles in Ordnung dreht man die Spannung langsam auf 24V. Die Ausgangsspannung des L200 sollte vor der Verpolschutzdiode D2 gemessen ca 18.1V sein. Falls nicht kann man durch Feinabgleich des Widerstandes R13 noch etwas korrigieren.
Danach einen Akkusatz anschließen und die Strombegrenzung des Netzteils langsam auf ca 250mA-300mA drehen. Der Strom in den Akku sollte durch den L200 auf ca 200 mA begrenzt werden.
Bei voll geladenem Akku sollte der Strom unter C/50 besser C/100 (also 20-40 mA) zurückgehen. Gegebenenfalls ist die Ladeendspannung etwas zu reduzieren.

* Prozessorteil:

Zunächst wird der Prozessor mit einem Programmiergerät geflasht. Bei Verwendung des FET-Spannungsreglers darauf achten daß die Spannungsversorgung für den Prozessor vom Programmiergerät (z.B. PICKIT3) zur Verfügung gestellt wird.
Hierbei darauf achten daß die nominalen Kalibrierwerte im EEPROM nicht zu weit von den Defaultwerten abweichen.
Bei der Spannung ist der Defaultwert = 0x00,0x00 (= Faktor 1.0)
Beim Strom ist die Verstärkung nicht ganz auf einen Stromendwert von 255mA ausgelegt sondern etwa 5 Prozent tiefer. Der nominale Kalibrierwert für den Strom beträgt daher 0xF3, 0x1B (= Faktor 0.94963).

Nach dem Flashen wird an die beiden mittleren Pins von J1 eine Spannung von ca. 5V angeschlossen. Ist alles ok sollte das Display die Spannung blinkend anzeigen. Der Ausgang J1 PIN 1 weist Low-Pegel auf. Die Spannung wird langsam auf ca 20V (max 25V) erhöht und die prozentuale Abweichung zwischen Sollwert und Anzeige berechnet. Ab ca 15. V verschwindet das Blinken und der Ausgang wechselt auf High-Pegel (>2.4V). Unterhalb ca 13.8V wird die Last wieder abgeschaltet und das Display blinkt wieder.
Danach wird ein Akku (15-17V) an Prozessorteil und Ladeteil angeschlossen. Über ein strombegrenztes Netzteil werden ca 180mA Ladestrom in den Akku eingestellt. Die Anzeige zeigt jetzt im Wechsel die Akkuspannung und den Ladestrom an. Wiederum wird die prozentuale Abweichung vom tatsächlichen Ladestrom berechnet.
Die prozentualen Abweichungen werden auf die existierenden Kalibrierwerte multipliziert und dann nach einem MPASM-Lauf ins EEPROM geschrieben. Bei Verwendung von MPLAB darauf achten daß im "Release" Modus und nicht im "Debug" Modus gearbeitet wird.

Danach ist der Batteriewächter einsatzbereit.

== Praxis und Ideen ==

[[Bild:BMON1035_0636.JPG|thumb|300px|BMON1035 Stromverbrauch 9.7uA bei 9.3V]]

Anbei ein Aufbau einer Vorgängerversion ohne Ladestrommessung (BMON1035) mit einem Stromverbrauch um 9.7 uA (schwankend) bei einem frisch aufgeladenen Akku mit 9.3V. An einem BMON1048 mit Strommessung habe ich 10-12uA gemessen. Wobei der Stromverbrauch auch von der tatsächlichen Versorgungsspannung des Prozessors abhängt.

Ich habe 2 Schaltungen mit ca. 30 mA Last seit 2.5 Jahren im Dauerbetrieb mit je 12 AA-Zellen und täglichem Ladebetrieb. Der erste Akkusatz zeigt seit letzten Sommer (bis zu 32 Grad Raumtemperatur während dem Laden) einen erhöhten Innenwiderstand. Der Ladestrom bei vollem Akku lag hierbei bei erhöhter Temperatur bei 60-70mA.

Die Spannungsdifferenz beim Einstecken / Entfernen des Ladegerätes ist bei diesem Akkusatz ca 1V. Bei niedrigen Spannungen unter 15V und kurzem Ladebetrieb wird hierdurch die Last ungewollt abgeworfen. Das Kriterium 0.6V Abfall innerhalb einer Minute wird überschritten.
Der andere Akkusatz liegt immer noch bei 0.2V Differenz zwischen Normal und Ladebetrieb.

Ganz oben auf der Wunschliste steht der vereinfachte Abgleich der Kalibrierwerte im EEPROM. Denkbar wäre irgend ein Morsecode über den Taster oder ein Jumper an einem freien Pin um den Abgleich bei angelegten Referenzwerten zu starten.

Freier Speicherplatz ist jedenfalls genügend vorhanden. Wobei Sonderfunktionen nur selten gerechnet werden sollten um den Stromverbrauch nicht zu stark zu erhöhen.

Die führende "1" wird derzeit wegen des 2-stelligen Displays als Dezimalpunkt angezeigt. Bei einem 3-stelligen Display würde man anstelle des Dezimalpunktes die beiden Segmente "b" und "c" für die "1" parallel ansteuern.

Ideen:
* Temperaturkompensation der End-Ladespannung mittels NTC / Dioden
* Alternativ: Abschaltung des Ladezweigs per Prozessorpin wenn der Ladestrom bei der Endspannung eingeschwungen ist
* Lernfunktion Berücksichtigung Spannungsdifferenz bei Ladebetrieb für Abschaltkriterium
* Automatisiertes Speichern der Abgleichwerte im EEPROM

== Downloads ==

* [[Media:BMON1048_MPASM.ZIP| Sourcecode für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_Schaltbild.pdf| Schaltplan für Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_gcprevue.zip| Layout (Gerber) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_PDF.zip| Layout (PDF) Batteriewächter BMON1048]]
* [[Media:BMON1048_STK.txt| Stückliste Batteriewächter BMON1048]]

== Weblinks ==

* [http://www.st.com/internet/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_LITERATURE/DATASHEET/CD00000053.pdf L200_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BSS84.pdf BSS84P_Datasheet]
* [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BF245A-B-C.pdf BF245C_Datasheet]
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39631e.pdf PIC18F2520_Datasheet]
* [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm285-1.2-n.pdf LM385Z-1.2_Datasheet]
* [http://www.fairchildsemi.com/ds/BS/BSS138.pdf BSS138_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Hintergrund-gruen/LCD-2-0-13/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=3005&ARTICLE=10179&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& LCD-2-13]
* [http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1763fg.pdf LT1763_Datasheet]
* [http://www.reichelt.de/Proma-Gehaeuse/GEH-EG-2/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=5199&ARTICLE=50424&SHOW=1&START=0&OFFSET=16& Gehäuse_EG2]
* [http://www.graphicode.com/ GC-Prevue Gerber viewer]
== Siehe auch ==

* [http://www.mikrocontroller.net/topic/288063 Forum: Diskussion zu diesem Projekt]

[[Kategorie:Wettbewerb]]
[[Kategorie:PIC-Projekte]]
[[Kategorie:Spannungsversorgung_und_Energiequellen]]
[[Kategorie:Messtechnik]]
[[Kategorie:Projekte]]