Versorgung aus einer Zelle

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

Erste Ideen

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. 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. 75μA Eigenverbrauch) oder gar ein TPS715xx von Texas Instuments, der mit unglaublich geringen 3,2 μA auskommt. Statt des Linearreglers könnte man natürlich auch einen Step-Down-Schaltregler benutzen, dann hätte man zumindest einen besseren Wirkungsgrad von 80-90%. Last but not least ist die Energiedichte von 9V-Blocks im Verhältnis zu Mignonzellen eher gering.

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] 		Energiegehalt
[mWh] 		Energiedichte
[mWh/cm³] 		Masse
[g]
9V Alkaline 21,1 625 7 4375 207 45,6
Mono Alkaline [D] 56 20500 1,3 26650 475 148
Baby Alkaline [C] 26,9 8350 1,3 10855 404 26,2
Mignon Alkaline [AA] 8,1 2850 1,3 3705 457 23
Micro Alkaline [AAA] 3,8 1250 1,3 1625 428 11,5
Lithiumzelle, 2032 1 240 2,9 496 653 3
Lithium-Thionylchlorid [C] 26.9 8500 3.6 28000 1040 50

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 Ausgangsspannung [V] Stromverbrauch [µA] DropOut [mV] @ 50/150/250mA max. 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 / 250 500-1000 Rei
TPS715xx 1,2..5 3.2 415 / - / - 50-500 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 80 (ca.) / 50mV@0,01A 200mV@1,5A 400mV@3A 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

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.

Um ein Gerät nur im Notfall mit einer Lithiumzelle zu betreiben (Pufferbetrieb, Netzausfallsicherung), braucht man eine unterbrechungsfreie Umschaltung zwischen Netzteilbetrieb 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 Schottkydioden zur Entkopplung von Batterie und Netzteil, wie es im Artikel Speicher über EEPROM gezeigt wird.

Der Nachteil dieser Lösung ist der relativ hohe Spannungsabfall von 300..400mV über den Dioden. Besser ist der Einsatz eines P-Kanal MOSFETs zum Schalten der Batteriespannung. Dadurch kann der Spannungsabfall auf wenige Millivolt gesenkt werden. Die Schaltung dazu ist in diesem Beitrag zu finden.

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.

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
[1] wie MAX866/867 jedoch 85% Wirkungsgrad bei 100mA und 500kHz Schaltgeschwindigkeit
MAX1595 dito, benötigt lediglich 3 Kondensatoren als Außenbeschaltung
MAX1674-1676 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
MAX1722-1724 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
TPS61200/201/202 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

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