Versorgung aus einer Zelle

Aus der Mikrocontroller.net Artikelsammlung, mit Beiträgen verschiedener Autoren (siehe Versionsgeschichte)
Wechseln zu: Navigation, Suche

Bei batteriebetriebenen Anwendungen stellt sich oft das Problem der Spannungsversorgung. Darauf soll hier näher eingegangen werden.

Erste Ideen

Schaltungen mit Batterien sollten grundsätzlich mit einem Strommesser (Multimeter) in Betrieb genommen werden. Komfortabel geht das mit einem Labornetzgerät. Wenn nicht bietet es sich für Rundzellen an, einen „Stromfühler“ = ein kleines Stück dünner doppelseitiger Leiterplatte mit 2 Drähten dran parat zu haben. Diesen steckt man zwischen Minuspol und Feder im Batteriehalter und misst an den Drähten den Strom, auch bei unbekanntem Spielzeug und Ladegeräten.

9V-Block mit Linearregler

Die erste Idee ist, einen 9V-Block mit dahintergehängtem Linearregler à la 7805 zu verwenden. Dieser Ansatz ist einfach, er hat aber einen sehr schlechten Wirkungsgrad. Außerdem ist diese Batterie die teuerste, sowohl absolut als auch in Euro pro Joule (Wattsekunde). Bei Abwärtsregelung auf 5V verbrät der Regler immerhin 45% => 55% Wirkungsgrad, bei 3,3V verbrät er 64% => nur noch 36% Wirkungsgrad), und auch der Platzbedarf auf der Leiterplatte ist erheblich. Angesichts dessen kann man schon fast vernachlässigen, dass der klassische 7805 ca. 5mA für sich selber braucht. Das ist meist mehr als ein Mikrocontroller! Diesbezüglich besser sind Low Power Linearregler wie z. B. der LP2950 (ca. 75 µA Eigenverbrauch) oder gar ein TPS715xx von Texas Instuments, der mit unglaublich geringen 3,2 µA auskommt. Statt des Linearreglers könnte man auch einen Step-Down-Schaltregler benutzen, dann hätte man zumindest einen besseren Wirkungsgrad von 80-95%. Theoretisch. Denn Schaltregler erreichen solche Wirkungsgrade erst bei Nennstrom. Bei Strömen unter 1 mA sind sie in der Regel schlechter als Längsregler. Last but not least ist die Energiedichte von 9V-Blocks am geringsten.

http://data.energizer.com/ (Auf Technical Info oben rechts klicken, dann die Batteriefamilie links auswählen, z. B. Alkaline)

Batterietyp

Volumen
[cm³]

Kapazität
[mAh] 		mittlere
Ausgangs-
spannung
[V]
Energie-
gehalt
[mWh]
Energie-
dichte
[mWh/cm³]

Masse
[g]
9V Alkaline 21,1 625 7 4375 207 45,6
Mono Alkaline [R20, D] 56 20500 1,3 26650 475 148
Baby Alkaline [R14, C] 26,9 8350 1,3 10855 404 26,2
Mignon Alkaline [R6, AA] 8,1 2850 1,3 3705 457 23
Micro Alkaline [R3, AAA] 3,8 1250 1,3 1625 428 11,5
Lithiumzelle, 2032 1 240 2,9 496 653 3
Lithium-
Thionylchlorid [R14, C] 		26.9 8500 3.6 28000 1040 50

Im Prinzip ließe sich an einem Arduino Uno und vergleichbaren Boards direkt ein 9V-Block anschließen. Die Energiebilanz sieht dann aber ganz schlecht aus, da Arduinos schlichtweg nicht für Batteriebetrieb gemacht sind und zusätzlich verbaute Hardware unabhängig vom Mikrocontroller und seinem Programm Strom frisst. Muss es unbedingt ein Arduino sein nimmt man am ehesten einen Leonardo (jedenfalls keinen Uno oder sonstwas mit USB-Seriell-Wandler) und lötet alles herunter was nicht gebraucht wird. Richtiges Energiesparen mit Arduino ist eh' noch ein ganz anderes Thema und erfordert das Hantieren mit dem Watchdog.

Vier Mignonzellen mit LowDrop-Linearregler

Als weitere Möglichkeit wären vier Mignonzellen (leer 3,6V, voll 6V) mit nachgeschaltetem LowDrop-Linearregler zu verwenden. Wenn die Schaltung mit 3,3V auskommt, dann ist man mit dieser Möglichkeit bestens bedient. Die Batterien können bis zum Ende ausgenutzt werden und der Wirkungsgrad liegt bei ca. 75%. Allerdings bleibt ein Nachteil, wenn man 5V braucht: Die Batterien werden nicht einmal annähernd geleert, weil sie bereits bei 1,25V pro Zelle zusammen gerade noch 5V ergeben, der Regler aber auch gern noch seinen Teil abhaben will (Dropout Voltage). Zu bedenken sind hierbei die Entladekennlinien von Batterien oder noch schlimmer, die von Akkus.

Sparsame Spannungsregler
Bezeichnung
Ausgangs-
spannung
[V]
Strom-
verbrauch
[µA]
DropOut bei
50/150/250mA
[mV] 		max. Ausgangs-
strom
[mA] 		Lieferant
LP2950 3 / 3,3 / 5 75 380 / - / - 160 Rei
LF33 3,3 500 100 / 175 / 250 1000 Rei, I
LF50 5 500 100 / 175 / 250 1000 Rei
TPS715xx 1,2..5 3.2 415 / - / - 500 RS
TPS78233 3.3 0.42 130 / - / - 150 RH
MCP1702 1,2..5 2 15 / 40 / 650 200 Rei, I
MCP1824 0,8..5 120 30 / 90 / 150 300 RS
ZLDO330 3,3 1000 20 / 50 / 85 300 Rei
UCC283 3,3 / 5 650 50@10mA 200@1500mA 400@3000mA 3000 RS, Con

Drei Mignonzellen ohne Spannungsregler

Die meisten modernen Mikrocontroller haben einen sehr breiten Versorgungsspannungsbereich, teilweise von 1,8V bis 5,5V. Daher können sie direkt mit drei in Reihe geschalteten Zellen betrieben werden. Während der Entladung sinkt die Betriebsspannung (3×0,8V = 2,4V), was der Mikrocontroller aber verkraftet, sofern er nicht mit maximalem Takt läuft. Wenn man keine weiteren ICs in der Schaltung benötigt oder diese ebenso tolerant bezüglich einer veränderlichen Versorgungsspannung sind, ist diese Methode die einfachste und günstigste (100% Wirkungsgrad). Vor allem wird bei Low Power Anwendungen mit Sleep Mode kein Mikroampere für einen Spannungsregler verschwendet.

Lithiumzelle oder zwei Alkali-Rundzellen

Durch den weiten Betriebsspannungsbereich der PIC- und AVR-Mikrocontroller ist diese Lösung die beste, sofern keine blauen oder weißen LED (hohe Flussspannung) oder Bauteile mit zwingend 5 V angeschlossen werden.

Lithiumzellen haben eine sehr geringe Selbstentladung und eine hohe Spannung von typisch 3V. Damit kann man einen sparsamen Mikrocontroller betreiben. Meist werden diese Zellen für Echtzeituhren und zum Datenerhalt von RAMs genutzt, da hier nur sehr geringe Ströme im Mikroamperebereich benötigt werden. Darauf sind diese Zellen ausgelegt. Aus den meisten kann man nur einige mA entnehmen, bei 10mA und mehr sinkt die verfügbare Kapazität rapide.

Lithiumzelle als Stütze

Um ein Gerät nur im Notfall mit einer Lithiumzelle zu betreiben (Pufferbetrieb, Netzausfallsicherung), braucht man eine unterbrechungsfreie Umschaltung zwischen Netzteil- und Batteriebetrieb. Kritisch ist das vor allem für die Lithiumzelle (damit ist kein Lithiumakku gemeint!), da diese nicht aufgeladen werden darf. Sie wird dabei mit heftiger Reaktion zerstört! Eine einfache Schaltung ist die Nutzung von zwei Dioden zur Entkopplung von Batterie und Netzteil, wie es im Artikel Speicher über EEPROM gezeigt wird. Für die Netzteilseite kann eine Schottky-Diode oder ein MOSFET verwendet werden, um den Spannungsabfall zu senken. Für die Lithiumzelle darf keine Schottky-Diode verwendet werden! Denn diese haben einen merklichen Rückstrom, und der Spannungsabfall einer gewöhnlichen Si-Diode (etwa 1N4148) ist im Stützbetrieb verzeihlich, weil infrage kommende Mikrocontroller bis 1,8 V funktionieren. Die Stromaufnahme der Schaltung sollte unbedingt kontrolliert werden, ein Mikrocontroller mit durchlaufendem 32-KHz-Uhrenquarz sollte nicht mehr als 10 µA konsumieren. Eine Batteriestütze nur zum RAM-Erhalt deutet auf einen Konstruktionsfehler hin, EEPROM ist seit 35 Jahren verfügbar, Flash seit 25 Jahren. Das verbleibende Anwendungsspektrum für die Batteriestütze ist eine Echtzeituhr oder eine Bereitschaftsfunktion, etwa ein Tastendruck oder (enerigeaufwändig) ein Funksignal.

Der Nachteil der Lösung mit Dioden ist der relativ hohe Spannungsabfall (300..400 mV über Schottky-Diode). Besser ist der Einsatz eines MOSFETs zum Schalten der Netzteilspannung: Ein p-Kanal-MOSFET, wenn keine ungeregelte (höhere) Spannung zur Verfügung steht, oder ein n-Kanal-MOSFET, wenn eine höhere Spannung für das Gate verfügbar ist. Dadurch kann der Spannungsabfall auf wenige Millivolt gesenkt werden. Die Schaltung dazu ist in diesem Beitrag zu finden. Ob der Längsregler die Schaltfunktion über seinen Enable-Eingang übernehmen kann hängt davon ab, ob dieser im Ausschaltfall Strom von seinem Ausgang nach Masse ableitet (und damit die Stützzelle entladen würde).

Eine Alkali-Rundzelle

Mit 1,5 V kommen nur wenige Bauelemente zurecht. Selbst LED und einfache LCD wollen höhere Spannungen. Dass es solche Bauelemente gibt beweisen Quarz- und Funkuhren, die allesamt mit einer Zelle von 1 .. 1,6 V funktionieren. Die Kernspannung moderner 32-Bit-Prozessoren liegt im gleichen Bereich. Für den Bastler sieht es da eher mau aus. Der gängige Lösungsansatz ist ein Switched-Capacitor-Spannungsverdoppler, um die Schaltung mit 2..3 V zu versorgen. Ein geeigneter wäre TPS60300, mit 2 Ausgängen: ungeregelt ×2 und geregelt 3,3 V bspw. für spannungssensitive Messtechnik. Ein Hochsetzsteller (Step-Up-Konverter) lohnt sich nur bei erhöhtem Strombedarf (Taschenlampen) und/oder höheren Spannungen.

Bessere Lösungsansätze

Wie man sehen kann, sind oben dargestellte Methoden nur bedingt zufriedenstellend. Vor allem der Platzbedarf dürfte ein k.-o.-Kriterium sein. Besser wäre es, nur eine oder zwei Zellen zu verwenden.

Neben dem Kauf geeigneter Schaltregler ist die Bereitstellung gesonderter Hilfs- und Betriebsspannungen durch den Mikrocontroller zu erwägen. Besonders einfach lassen sich mit einem PWM-Ausgang (mit festem Tastverhältnis 50:50) und 2 Dioden Spannungsverdoppler sowie Spannungsinverter mit sehr hohem Wirkungsgrad bei kleinen Strömen realisieren.

Mit einem externen n-Kanal-MOSFET mit kleiner Gatespannung, einer Spule und einer Schottky-Diode lässt sich ein maßgeschneiderter Step-Up-Schaltregler am (im) Mikrocontroller realisieren. Hierfür wird ein (per Software geregelter) PWM-Ausgang sowie eine Rückführung der Ausgangsspannung über einen A/D-Wandler benötigt. Bei höheren Strömen bietet sich eine Stromüberwachung über einen Sourcewiderstand (Shunt) und Analogvergleicher an, um den Schalttransistor zu schützen: Macht insgesamt 3 dedizierte Anschlüsse am Mikrocontroller.

Step-Down-Schaltregler (Abwärtsregler, Tiefsetzsteller)

Falls die Batteriespannung auch am Ende der Entladung höher als die Versorgungsspannung ist, bieten sich Step-down Regler an.

  • TPS62056 : Uin 2,7 .. 10 V, Uout=0,7 .. 6 V, 12 µA Eigenverbrauch, SMD-Gehäuse MSOP10
  • TPS62202 : Uin 2,5 .. 6 V, Uout 1,8V, 12 µA Eigenverbrauch, SMD-Gehäuse SOT23-5
  • OKI-78SR-xx : Uin 7 .. 36 V, Uout 3.3V/5V, Module mit Standard 78xx Anschluss.

Step-Up-Schaltregler (Aufwärtsregler, Hochsetzsteller)

Step-Up-Schaltregler bringen die Spannung, wie der Name schon sagt, 'einen Schritt nach oben'. Ideal also, um aus 1,5V oder 3V z. B. 5V zu erzeugen. Desweiteren sind sie auch geeignet, um höhere Ströme (bis 0,5 A, je nach Aufbau und Spule) zu entnehmen. Das Arbeitsprinzip bei Step-Up-Schaltreglern ist immer gleich: Eine Spule wird ständig an- und abgeschaltet und durch Eigeninduktion eine höhere Spannung erzeugt. Um einen Step-Up-Schaltregler aufzubauen, gibt es verschiedene Möglichkeiten:

ICs

Vorteile

  • zuverlässig
  • meist wenig Außenbeschaltung nötig
  • geringe Größe, auch der Spule, da hohe Schaltfrequenzen verwendet werden

Nachteile

  • teuer, vor allem die, welche ab 1V arbeiten
  • teilweise schwer zu bekommen
  • benötigen mehr Aufwand für Filterung und Schirmung als Linearregler.
Schaltregler-ICs
IC Bemerkung Lieferant
LT1073-5 1V (1 Zelle) auf 5V, 40mA
LT1111 2V-12V Step-Up, bis 30V Step-Down, 72kHz Schaltfrequenz, Bezeichnung -5 und -12 mit fester Ausgangsspannung 5V bzw. 12V R
LT1301 2V (2 Zellen) auf 5V oder 12V, 250mA C
LT1302 2V (2 Zellen) auf 5V oder 12V, 250mA C, R, RobHard[1]
LTC3401 ziemlich geniales Teil, weil es mit hoher Schaltfrequenz arbeitet, dadurch kann eine kleine Spule verwendet und ein sehr hoher Wirkungsgrad erzielt werden. 0.5...5.5V Vin, 1,0V Startup-Voltage, 2,6...5,5V Vout, bis 1A
LTC3429 0,5...4,4V Vin, 1,0V Startup-Voltage, 2,5...4,3V Vout, 100mA aus einer Zelle, 250mA aus zwei Zellen bei 3,3V Vout
LTC3525-5
MAX866
MAX867		 ziemlich geniales Teil, weil es mit hoher Schaltfrequenz arbeitet, ab 0.8V, bei 0.9V Start-Up-Voltage
MAX856 wie MAX866/867 jedoch 85% Wirkungsgrad bei 100mA und 500kHz Schaltgeschwindigkeit
MAX1595 dito, benötigt lediglich 3 Kondensatoren als Außenbeschaltung
MAX1674
MAX1676		 bis zu ein Ampere, bei einer Zelle ist aber bei 100mA Schluss, und das auch nur, wenn die Spannung beim "Hochfahren" höher war und die richtige Spule verwendet wird I (MAX1674)
MAX1759 noch ein Hochfrequenz-Teil
MAX1722
MAX1724		 bis 150 mA
MCP1640 ab 0.35V bei 0.65V startup, einfache Beschaltung, regelbare Ausgangsspannung, bis 350 mA, 19µA quiescent current, nur kleine Induktivität (4,7µH) nötig C, R
PR4401
PR4402		 22 und 44 mA, benötigen lediglich 1 externes Bauteil, die Spule. Einfach zu handhaben R, I
PR4404 150 mA von einer, und 300 mA von zwei Zellen. Preiswert R, I
SP6648
TPS61200 1,8-5,5V out, Quellspannung bis herunter auf 0,3V, ?>90%, 0,5mm Pinabstand, 3,15*3,15mm, 10-Pin QFN
TPS61220 1,8..5,5V out, Quellspannung bis herunter auf 0,7V, >90%, 6-pin SC-70(DCK),2mm*2mm R
TPS6100x Single- and Dual-Cell Boost Converster, min 0,8V Vin, 1,5V...3,3V Vout, min. 100mA aus einer Zelle, min.250mA auf zwei Zellen, Gehäuse 10MSOP
TPS6101x 1-Cell and 2-Cell Boost Converters, TPS61006 and TPS61016 are functionally equivalent. TPS61006 is non-synchronous. TPS61016 is synchronous and does not require an external Schottky diode.
TPS6030x, TPS6031x, LTC1502-3.3 (typ. 3,x V bei 15-20 mA)
LM2621
MC34063 (ungeeignet, läuft erst ab 3V) R, I
ATtiny43U AVR-Microcontroller, der einen Boost-Converter eingebaut hat und damit eine Batterie bis auf 0.7V aussaugen kann.
NCP1400A W[1]
NCP1402 Startup 0.8V, 200mA, Preis < 1 Euro W[1]
LTC3388 Nanopower Step Down Regulator, weniger als 1µA Leerlaufstrom, 50mA Ausgangsstrom

Lieferanten Conrad, Reichelt, Watterott, RobotikHardware.de, IT-WNS

  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 Platinen/ Module

Dioden

  • Prakisch kann nahezu jede Schottkydiode mit ausreichend Strombelastbarkeit genutzt werden, siehe Dioden-Übersicht.

Diskrete Schaltungen

Vorteile:

  • größtmögliche Anpassung an Verwendungszweck
  • teilweise schon mit Standardhühnerfutter aufzubauen

Nachteile:

  • kompliziert
  • nicht garantierte Funktion (z. B. wegen gepulster Gleichspannung)
  • schlechte EMV-Eigenschaften

Auflistung diskreter Step-Up-Schaltregler:

Ladungspumpen

Ladungspumpen erhöhen die Spannung, indem sie Kondensatoren zyklisch parallel laden, umpolen und in Reihe entladen.

Vorteile:

  • geringer Stromverbrauch, deshalb für Low-Power-Anwendungen gut geeignet
  • keine Spulen, deshalb kein magnetisches Störfeld

Nachteile:

  • nur geringe Ausgangsströme möglich (100mA)
  • ICs nur für höhere Eingangspannungen erhältlich, ab 3V
  • Teilweise starke Strompulse beim Umladen der Kondensatoren, womit empfindliche Analogschaltungen gestört werden können (Funkempfänger etc.)

Auflistung von Ladungspumpen:

  • TPS60300 - Vin 0,9-1,8V
  • TPS60100 - Vin 1,8-3,6V (200mA)
  • MAX1759 - Vin 1,6-5,5V (2-3 Zellen)
  • ICL7660 - Vin 1,5-10V (10mA) [Pollin]

Forumsbeiträge zum Thema

Externe Links zu Step-Up / µCs

Externe Links zu Batterien allgemein

Abgerufen von „https://www.mikrocontroller.net/index.php?title=Versorgung_aus_einer_Zelle&oldid=106683“