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

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 könne 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] Lieferant
LP2950 3/3,3/5 75 Rei
LF33 3,3 500 Rei
LF50 5 500 Rei
TPS715 1,2...5 3.2 RS
MCP1702 1,2...5 2 Rei

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 im diesem Beitrag zu finden.

Bessere Lösungsansätze

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

Step-Up-Schaltregler

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 0,5A, 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

  • LT1073-5 (PDF): 1V (1 Zelle) auf 5V, 40mA
  • LT1301 (PDF): 2V (2 Zellen) auf 5V oder 12V, 250mA (erhältlich bei Conrad)
  • LT1302 (PDF): 2V (2 Zellen) auf 5V oder 12V, 250mA (erhältlich bei Reichelt und Conrad)
  • LTC3401 (PDF) - 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 (PDF)
  • MAX866/MAX867 (PDF) - ziemlich geniales Teil, weil es mit hoher Schaltfrequenz arbeitet, ab 0.8V, bei 0.9V Start-Up-Voltage
  • MAX1724 (PDF)
  • MAX1674 (PDF) - 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
  • PR4401/PR4402 - 22 und 44 mA, benötigen lediglich 1 externes Bauteil, die Spule. Einfach zu handhaben, bei Reichelt zu bekommen.
  • PR4404 - 150 mA von einer, und 300 mA von zwei Zellen. Preiswert, bei Reichelt.
  • SP6648 (PDF)
  • TPS61200/201/202 (PDF) - 1,8..5,5V out, Quellspannung bis herunter auf 0,3V, ?>90%, 0,5mm Pinabstand, 3,15*3,15mm, 10-Pin QFN
  • 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 (PDF) (typ. 3,x V bei 15-20 mA)
  • LM2621 (PDF)
  • MC34063 (ungeeignet, läuft erst ab 3V)
  • ATtiny43U - AVR-Microcontroller, der einen Boost-Converter eingebaut hat und damit eine Batterie bis auf 0.7V aussaugen kann.
  • NCP1402 - Startup 0.8V, 200mA, Preis < 1 Euro

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

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