Frage zu Knopfzelle und Pulsstrom

Ich hatte ein ähnliches Problem mit der Versorgung von Funksensoren aus 
einer Lithium Batterie.  Im Ruhezustand nimmer der Sensor einige zig 
Mikroampere auf. Wird ein Telegramm versendet, dann nimmt der Funkmodul 
über 80mA für 100ms auf. Das reduziert die Batterielebensdauer 
erheblich, zumal der Innenwiderstand der Batterie nach einiger Zeit 
ansteigt und damit die Versorgungsspannung einbricht.
Die Lösung war der Einsatz eines 40F Superkondensators.
Dieser bildet eine Mittelwert bei der Stromentnahme und hält den 
Innenwiderstand der Versorgung klein.
Somit kann der Betrieb bis zum Ende der Lebensdauer der Lithumbatterie 
aufrecht herhalten werden.
Superkondensatoren eignen sich besonders für die kleine Spannung von 
Knopfzellen, da sie dannmit kleine Abmessungen verfügbar sind.

Vielen Dank für eure Meinungen. Eure Beiträge gehen für mein Vorhaben 
schon in die richtige Richtung. Ich wollte zum ersten Mal die Funkmodule 
von Pycom benutzen und zwar dieses hier:

https://pycom.io/product/l04-oem-module/

Ich benötige diese BLE/Lora Kombination. Nun habe ich den Stromverbrauch 
von dem Teil mir angeschaut. Für Lora stand im Active Mode eine 
Verbrauch von 15mA. Nun wusste ich nicht so ganz, ob eine Knopfzelle 
dafür reichen würde. Die Idee mit dem Supercap habe ich auch in einem 
anderen Thread gelesen. Würde das wirklich für mein Vorhaben 
funktionieren?

MfG

Gerald B. schrieb:
> bei Supercaps mußt du ins Datenblatt gucken. Die alten Goldcaps,
> die man
> als Stützpuffer zum Batteriewechsel verbaut hat, waren recht hochohmig
> und für Impulsströme unbrauchbar. Moderne Ausführungen gibt es ja auch
> extremst niederohmig.

Ok das werde ich machen. Ich habe noch nicht danach recherchiert. Mir 
geht es zunächst darum abzuklären, ob die Idee mit der Knopfzelle 
überhaupt möglich wäre.

Eine Frage habe ich noch. Ist es eigentlich sinnvoll, den Controller von 
sich aus in den Sleep Modus zu legen oder einen externen Timer wie z.B. 
den TPL5110 zu benutzen?

MfG

https://www.conrad.at/de/vinatech-vlcrs3r8406mg-lic-kondensator-40-f-38-v-15-o-x-h-125-mm-x-35-mm-1-st-1663711.html

40F / 3,8V   Q = C * U
Im LIC Kondensator werden über 100As gespeichert. Die 80mA des ESP8266 
werden auf ca. 100 Microampere gemittelt.
100 Microfarad können nur 1/400.000 der Ladungsmenge (0,25mAs) 
speichern. Damit könnte  der ESP8266 keine ms betrieben werden. Es muss 
berücksichtigt werden, dass nur ein kleiner Teil der Ladungsmenge 
entnommen werden kann, um die Spannung nicht allzu tief absinken zu 
lassen ( du = dQ / C).

Ja, das ist so eine Balance Geschichte.

Wenig Kapazität willst Du nicht, weil sonst die Batterie bei der 
Kurzzeitbelastung leidet.

Viel Kapazität willst du auch nicht, weil die Kondensator 
Selbstendladung/Leckströme auch ein Faktor sind.

Da musst Du schauen, probieren und messen, was für Deinen Einsatzfall 
das Optimum ist.

> Impulsströme

Gerade bei Lithiumzellen sollte man den Spannungssack im Auge behalten: 
Die Zelle ist längere Zeit ohne Last, dann wird die Last angelegt. Die 
Spannung bricht deutlich ein und steigt danach trotz weiterhin 
anliegender Last wieder an.

Wiederholt man die Messung mehrfach zeitnah, ist ein Spannungseinbruch 
kaum noch nachweisbar, nach einem Tag Pause aber wieder klar ausgeprägt. 
Das hat mich in der Firma mal mehrere Tage Messerei gekostet und zuvor 
den Kollegen zur Verzweifelung gebracht, weil ungewollte Resets 
stattfanden.

Gelöst haben wir es mit einem Elko parallel zur Batterie, der den kurzen 
Einbruch abfedert.

Erst vor kurzem hat die Elektronik-Praxis einen Artikel dazu gebracht, 
wo der Autor von Kemet auf die unerwünschten Leckstromverluste des 
Parallelkondensators abgehoben hat.

In der Praxis habe ich das mit dem Funkschlüssel meines PKWs erlebt, 
dass dieser nach Benutzung der Funkfernbedienung "Batt. leer" sendet und 
der Bordcomputer meldet "Batterie im Schlüssel wechseln". Betätigt man 
diese mehrfach außerhalb der Fahrzeugreichweite und schließt dann auf, 
gibt es keine Meldung.

AVR schrieb im Beitrag #5802115:
> Eine Frage habe ich noch. Ist es eigentlich sinnvoll, den Controller von
> sich aus in den Sleep Modus zu legen oder einen externen Timer wie z.B.
> den TPL5110 zu benutzen?

Um maximal Strom zu sparen ist es notwendig ein Sleep Mode zu benutzten, 
bei dem der Mikrokontroller keinen Clock benötigt und dieser nur durch 
ein externes Ereignis auf einem Portpin aufgeweckt werden kann. Wenn die 
externe Timer Lösung weniger Strom als der Sleep Mode mit MC Clock 
benötigt, dann ist die externe Lösung zu bevorzugen. Beim MSP430 ist der 
Unterschied zwischen Sleep Mode mit Clock (Timmer aktiv) und Sleep Mode 
ohne Clock (Wakeup nur durch Portinterrupt) nicht unerheblichen  (siehe 
Datenblätter).

Nils Pipenbrinck schrieb:
> Viel Kapazität willst du auch nicht, weil die Kondensator
> Selbstendladung/Leckströme auch ein Faktor sind.

Der von mir verwendete LIC Kondensator hat eine Leckstrom kleiner 10 
Microampere und kann die 80mA für den ESP8266 fast eine Minute aufrecht 
erhalten (siehe Datenblatt unten)


http://www.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/1600000-1699999/001663711-da-01-en-LIC_KONDENSATOR_3_8V_40F_35X12_5MM.pdf

Manfred schrieb:
> Die Spannung bricht deutlich ein und steigt danach trotz weiterhin
> anliegender Last wieder an.

Ohne LIC Kondensator  hatte ich das Problem,  dass der Prozessor des 
Sensors nach einigen Tagen beim Einschalten des Senders einen Restart 
durchführte, obwohl die Kapazität der LithiumBatterie (2400mAh) bei 
weitem nicht ausgeschöpft war.

Manfred schrieb:
> Gelöst haben wir es mit einem Elko parallel zur Batterie, der den kurzen
> Einbruch abfedert.

Ich hatte von Haus aus einen 100 Microfarad  Elko im Design vorgesehen. 
Dieser war viel zu klein wie sich später herausstellen sollte. Zum Glück 
kam ich auf die Idee einen LIC einzusetzen.  Er ist das zweitteuerste 
Bauelemente im Sensor, aber er rettete das Projekt.

Michael U. schrieb:
> aus Neugier: was macht das Teil? Also wie oft sendet der jeweils wie
> lange?

Hallo,

Der Sensor sendet mindestens einmal pro Stunde (T).
Wenn die Tür geöffnet und geschlossen wird (z.B. L= Kontakt links, dann 
kann es durchaus öfter sein.

Ziel ist, ein Jahr ohne Batteriewechsel durchzukommen.

Ich benutze zwei Lithium Primärzellen mit je 2,6Ah. Die Spannung von 
3,6V, 0,2V gehen an den Entkopplungsdioden verloren) sind gerade richtig 
für den MSP430, ESP8266 und den PIR. Da zwei Batterien vorhanden sind, 
können diese ohne Unterbrechung des Stromes getauscht werden. Die 
Entkopplungsdioden sind ein Verpolungsschutz und verhindern 
Ausgleichsströme. Lithium Primärzellen dürfen niemals geladen werden => 
Brandgefahr!

Der Sensor sendet MAC Adresse, Alarmquelle: Reedkontakt-Links, 
Reedkontakt-Rechts, PIR (Bewegungssensor) und externer Eingang, sowie 
die Versorgungsspannung und die Spannung am externen Eingang. Am Ende 
des Telegramms gibt es eine fortlaufende Telegrammnummer. Ein fehlende 
Nummer weißt auf eine Telegrammwiederholung hin. Wird die 
Telegrammnummer 0, dann müssen die Batterien getauscht werden. (siehe 
Bild LOGFILE)

Lothar M. schrieb:
> Ich hätte hier die (mindestens) 400mV (also gut
> 10%) Verluste durch einen Verpolschutz mit Mosfet eingespart

Mir war in erster Linie der Verpolungsschutz wichtig.
Da die neuen Batterien fast 3,7V liefern und der MSP430 mit maximal 3,6V 
betrieben werden darf, war mir der kleine Spannungsabfall von 0,2V (die 
zwei Shottkydioden sind nicht in Serie) willkommen. Mit der Spannung am 
Prozessor steigt auch der Stromverbrauch.

Der ESP8266 wird mit einem FET weggeschaltet. Das Anschalten führt ohne 
den LIC zu Spannungseinbrüchen, die im Extremfall die 
Spannungsüberwachung des MSP430 ansprechen lassen.

Lothar M. schrieb:
> Hört sich nach Overkill an, wenn man nur 0,1 sec braucht...

Da ich auf SMD umstelle möchte ich von dem großen LIC weg, aber das darf 
nicht auf Kosten der Betriebssicherheit gehen.

Lothar M. schrieb:
> Ich hätte hier die (mindestens) 400mV (also gut
> 10%) Verluste durch einen Verpolschutz mit Mosfet eingespart.

Danke für die Anregung, wie sieht eine solche Schaltung aus? Verhinder 
diese auch Ausgleichströme?

Lothar M. schrieb:
> womit auch 33mF und damit annähernd 3
> solcher Elkos gereicht hätten

- Habe die drei Elkos einen kleineren Leckstrom?
- Ist deren "Initial Internal Resistance(DCR)" kleiner?
- Sind drei Elkos mit 33mF billiger als der LIC?

Vermutlich gibt es bei 33mF auch keine Bauform in SMD.

Auf jeden Fall Danke für deine Anregungen.

Michael U. schrieb:
> Wenn ich mir Dein Log so anschaue, frage ich mich, wer da den ganzen
> Strom verbraucht?

Den meisten Strom brauchen der PIR und die internen Pullup Widerstände 
(20-50kOhm) des MSP430. Hier werden ich noch optimieren und externe 
Pullup Widerstände (1MOhm) vorsehen. Der PIR kann, wenn nur die 
Reedkontakte verwendet werden per Konfiguration weggeschaltet werden. 
Der ESP8266 wird komplett von der Versorgung (GND-Leitung) mittels FET 
weggeschaltet und benötigt daher keinen Strom. Den DeepSleep Zustand des 
ESP8266 wollte ich meiden. Ein kleiner Nachteil ist, dass der ESP8266 
für jedes Telegramm komplett neu hochgefahren werden muss.

Den MSP430 habe ich eingebaut, weil die Leiterplatte, alternativ,auch 
mit einem MRF89XA Funkinterface für das 866 MHz ISM-Band bestückt werden 
kann.

Michael U. schrieb:
> 2
> normalen AAA-Zellen

Zwei AA - Alkalizellen gehen sich für ein Jahr Betrieb bei weitem nicht 
aus.
Die Spannung der zwei Alkalizellen sinken sehr rasch unter die für den 
ESP8266, notwendige Mindestspannung von 2,4V ab. Die Batteriekapazität 
wird daher nicht gut genutzt, da zwischen 1,2 und 1,0V 
Endladeschlussspannung noch ein großer Teil der Kapazität liegt.

GEKU schrieb:
> Ich hatte von Haus aus einen 100 Microfarad  Elko im Design vorgesehen.
> Dieser war viel zu klein

Auf Deinem Bild sehe ich Lithium-Thionylchlorid-Batterien. Bei genau 
dieser Chemie ist der Spannungssack besonders gut ausgeprägt.

https://tadiranbatteries.de/pdf/technische-broschuere-ltc-batterien.pdf

Damit entfernt sich dieser Thread zunehmend von der Ursprungsfrage, LiMn 
ist da etwas gutmütiger.

Manfred schrieb:
> https://tadiranbatteries.de/pdf/technische-broschuere-ltc-batterien.pdf

Danke für den Link!

Dieser liefert eine sehr gute Zusammenfassung dieser Batterie 
Technologie.

MFG  GEKU

Lothar M. schrieb:
> BTW: wenn ich mir die Dioden D4 und D5 von den Zellen zur Schaltung so
> ansehe, dann kann es da gar nicht sooo arg auf die effiziente Ausnutzung
> der Batterien ankommen. Ich hätte hier die (mindestens) 400mV (also gut
> 10%) Verluste durch einen Verpolschutz mit Mosfet eingespart.

Ironischer Weise würde ein größerer Spannungsabfall die Lebensdauer der 
Li-Batterien erhöhen.

GRUND:
bei 3,6V  nimmt die Schaltung ca. 0,57mA
bei 3,0V                      ca. 0,15mA
bei 2,6V                      ca. 0,07mA auf

Die Endladungskurve der Li-Batterie LS14500 verläuft bis zur Erschöpfung 
flach mit 3,55V, daher brauche ich fast ein halbes mA!

siehe 
https://files.elv.com/Assets/Produkte/11/1119/111945/Downloads/111945_ls14500_data.pdf

Vielleicht macht es sogar Sinn, statt der Shottkydioden normale 
Siliziumdioden einzusetzen.

MFG
GEKU