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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik LEDs an µC mit 1,8V


Autor: Matthias G. (mgottke)
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In einer Applikation müsste ich eine rote und eine grüne LED zur 
Signalisierung jeweils kurz blinken lassen (2-3 mA sind ausreichend). 
Als Versorgungsspannung stehen aber nur 1,8V am AVR µC zur Verfügung 
(kleiner als die Flussspannung der LEDs). Höhere Spannungen sind nicht 
vorhanden. Da es eine Ultra-Low-Power Anwendung ist, darf der 
LED-Schaltungsteil im Ruhezustand aber keinen Strom brauchen. Kein Strom 
bedeutet <300 nA bei 60°C.

Hat jemand eine gute Idee wie ich das lösen könnte?

Autor: dghsghd (Gast)
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wie wärs

aus 2 dioden und 2 kondensatoren ne ladungspumpe bauen. und damit dann 
die leds antreiben is zwar grenzwertig könnte aber gehen.

oder ein C aufladen und dann schaltungstechnisch in reihe zur 
betreibsspannugn klemmen wenn die leuchten sollen.

ala tda1572 (musik endstufe  bezeichnugn kann auch anders sein weiß 
gerade nich genau)

slyjgsdfl

Autor: A. K. (prx)
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Grundidee aus http://www.b-kainka.de/bastel59.htm. Läuft dann auf Pullup 
plus Elko raus.

Es könnte jedoch ein Ruhestromproblem bei LED-Spannung 1,8V geben, ggf. 
zweiten Pin als einschaltbare Versorgung für diesen Schaltungsteil 
invenstieren.

Autor: Karl Heinz (kbuchegg) (Moderator)
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Der bekannte 'Joule Thief' fällt mir dazu auch noch ein
http://www.emanator.demon.co.uk/bigclive/joule.htm

Autor: Klaus2 (Gast)
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PR4401 von Prema (noch einfacher).

Klaus.

Autor: Matthias G. (mgottke)
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Die Ladungspumpe ist auch der Ansatz den ich derzeit bevorzugen würde. 
Dazu würde ich ein Einzel-Gatter-Schmittrigger-Inverter (z.B. NC7SZ14) 
verwenden und über RC-Rückkopplung einen Selbstoszillierenden Generator 
bauen. Dann noch zwei Schottkydioden und einen 100nF Kondensator und 
fertig ist das ganze.

Den PR4401 finde ich ganz schick. Aber ein Schaltregler würde ich ungern 
in der Schaltung haben, da unmittelbar daneben ein Funk-Chip verbaut 
ist. Ich dachte vielleicht gibts so ein PR4401 auch als Ladungspumpe, 
wobei als externes Bauteil nur ein Kondensator benötigt würde.

Die Joule-Thief-Lösung ist doch eher sehr gebastelt.

Danke schon mal. Vielleicht gibts noch andere Ansätze.

Autor: Εrnst B✶ (ernst)
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Lass halt den AVR die Ladungspumpe mitmachen, dann brauchts kein 
Zusatz-IC.
Pin Statisch => LED aus.
Pin "wackelt" => LED an.

Autor: dghsghd (Gast)
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wozu für die ladungspumpe noch einen baustein  du hast doch nen µc der 
wird doch wohl pulse ausgeben können

sdhdflhks

Autor: Matthias G. (mgottke)
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dghsghd schrieb:
> wozu für die ladungspumpe noch einen baustein  du hast doch nen µc der
> wird doch wohl pulse ausgeben können

Der µC hat sogar noch zwei freie PWMs am den Pins. Aber reicht die 
Treiberleistung an den Pins? (ATMEGA1281V-8MU) Die Angaben bei 1,8V sind 
da recht dürftig.

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Wenn du genügend Portpins frei hast, müsstest du sowas nehmen
können.  D1 ist eine Schottky-Diode, die nur gebraucht wird,
damit die ESD-Diode des Controller-Pins nicht anspricht.  Über
P1 und P2 wird C initial aufgeladen.  Danach schaltest
du P1 ab.  Im nächsten Schritt gibst du auf P2 (bisher low) ein
high aus und aktivierst zeitgleich P3 oder P4 als Ausgang auf low.
Damit entlädt sich der Kondensator, der über P2 in Reihe zu
(beinahe) Vcc liegt, dann über die jeweilige LED.  Damit hast du
einen Lichtblitz.

Wenn die Mimik nicht gebraucht wird, machst du alle Portpins
hochohmig oder legst sie alle auf low.

Autor: Marvin (Gast)
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@Joerg: Wieso nicht einfach die Anode von D1 an 1.8V?

Gruesse

Marvin

Autor: Matthias G. (mgottke)
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Die Schaltung sieht gut und sehr einfach aus. D1 an 1,8V und vielleicht 
noch 47 Ohm in Reihe zum Kondensator (Peakstrombegrenzung).

Danke

Autor: A. K. (prx)
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Bei der hier betrachteten niedrigen Spannung kann der Pintreiber die 
Strombegrenzung mit übernehmen (Mega88: ~30mA@2,7V, ~10mA@1,8V).

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Marvin schrieb:
> @Joerg: Wieso nicht einfach die Anode von D1 an 1.8V?

Dass man den Pin auch dauerhaft auf high stehen lassen kann, war mir
schon in den Sinn gekommen... auf die einfache Lösung, dass man die
Diode dann natürlich gleich an Vcc hängen kann, war ich dabei aber
nicht gekommen. ;-)

Vorsicht nur, je nachdem, wie hoch die 1,8 V wirklich sind.  Wenn
die 1,8 V aus der Forderung stammen, dass ein Betrieb aus 2 x LRxx
möglich sein muss (Entladeschlussspannung 0,9 V pro Zelle), dann
haben diese Zellen frisch so viel Spannung (knapp 1,6 V pro Zelle),
dass selbst eine blaue LED dabei bereits statisch leuchtet.  Das
habe ich schon einmal in einer blauen "Rundumleuchte" für ein
Spielzeug erlebt, in die ich PR4402 dafür reingebaut habe.  Das
könnte dir hier auch passieren, du müsstest also den Pin jeweils
schnell wieder abschalten.

A. K. schrieb:
> Bei der hier betrachteten niedrigen Spannung kann der Pintreiber die
> Strombegrenzung mit übernehmen (Mega88: ~30mA@2,7V, ~10mA@1,8V).

Das sehe ich auch so.  Außerdem ist der Impuls so kurz und energie-
arm, dass da nicht viel passiert.  Direkte Entladung eines Elkos auf
eine LED (zwar mit einem Pseudothyristor, aber der hat ja eine
deutlich größere Stromergiebigkeit als die FET-Treiber hier) habe
ich schon vor Jahren in einem "Lebenslicht" praktiziert.

Ein zusätzlicher Widerstand verheizt nur sinnlos Energie, die man
eigentlich lieber in Licht umwandeln wollte.  Wenn's zu hell ist,
kann man immer noch den C kleiner machen. :-)

Autor: Matthias G. (mgottke)
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Die Spannung kann in der Applikation nur zwischen 1,85 und 2,30V liegen. 
Als Batterie dient ein niederohmiger Gold-Cap. Die erlauben keine höhere 
Spannung. Alle anderen Caps sind zu niederohmig. Der Cap wird von sehr 
kleinen Solarzellen geladen, die unter Umständen, je nach Wetter 
tagsüber nur im 2-Stelligen µA-Bereich Strom liefern.

Jörg Wunsch schrieb:
> Ein zusätzlicher Widerstand verheizt nur sinnlos Energie, die man
> eigentlich lieber in Licht umwandeln wollte.

Das ist nicht richtig. In dem Widerstand wird keine zusätzliche Energie 
verheizt. Die verheizte Energie bleibt nahezu konstant. Sie wird nur von 
den IO-Widerständen des µC auf den Widerstand verlagert. Lediglich der 
Entladestrom des Kondensators wird geringer. Daher, der Lichtblitz wird 
schwächer, dafür aber auch länger. Mit jedem Schaltvorgang wird immer 
eine feste Lademenge in die Leuchtdiode geschickt (zumindest wenn man 
langsam genug schaltet). Daher ist dann die Leuchtstärke im wesentlichen 
von der Schaltfrequenz abhängig (und natürlich von der Größe des 
Kondensators) und nicht von dem Widerstandswert. Die Gesamtwidertstände 
(Pin-Widerstände und externer Reihenwiderstand) begrenzen aber den 
Maximalstrom. Daher kann man natürlich die Frequenz nicht beliebig hoch 
nehmen, bzw. der externe Reihenwiderstand darf natürlich eine gewisse 
Größe nicht überschreiten. Sonst wirkt dieser limitierend.

> Wenn's zu hell ist,
> kann man immer noch den C kleiner machen. :-)

Oder eben die Schaltfrequenz runter nehmen.

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Matthias G. schrieb:

> Die Spannung kann in der Applikation nur zwischen 1,85 und 2,30V
> liegen.

OK.

>> Ein zusätzlicher Widerstand verheizt nur sinnlos Energie, die man
>> eigentlich lieber in Licht umwandeln wollte.

> Das ist nicht richtig. In dem Widerstand wird keine zusätzliche
> Energie verheizt. Die verheizte Energie bleibt nahezu konstant. Sie
> wird nur von den IO-Widerständen des µC auf den Widerstand
> verlagert.

Das sind natürlich keine Widerstände, sondern FET-Kanäle, die sich
nicht ohmsch verhalten.  Allerdings kommt deren Konstantstromverhalten
in der Tat zu dem von dir beschriebenen Effekt: der Widerstand in
Reihe ist eher unerheblich (aber auch nicht nötig, ich würde ihn daher
weglassen).

Ich hab's, weil ich es mir nicht richtig vorstellen konnte, mal
simuliert.  Bilder im Anhang.  Ein LED-Modell hatte ich gerade nicht
zur Hand, aber der Effekt ist ja mit einer normalen Diode genauso zu
sehen.  Simuliert ist ein auf 3 V geladener Kondensator von 47 µF, der
über eine 1N4001, einen Widerstand und einen 2N7002 (mit Vgs = 3 V
angesteuert) entladen wird.  Das obere Diagramm ist jeweils der Strom,
das untere die Ladungsmenge.  Das linke Bild arbeitet mit 47 Ω
Serienwiderstand, das rechte mit 0,5 Ω.

>> Wenn's zu hell ist,
>> kann man immer noch den C kleiner machen. :-)

> Oder eben die Schaltfrequenz runter nehmen.

Ich war gar nicht von einer "Schaltfrequenz" ausgegangen, sondern von
einem etwas größeren C und einem einzelnen Lichtblitz.

Autor: Matthias G. (mgottke)
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Jörg Wunsch schrieb:
> Das sind natürlich keine Widerstände, sondern FET-Kanäle, die sich
> nicht ohmsch verhalten.

Hallo Jörg, natürlich nicht, aber man kann sich die Bahnwiderstände 
vereinfacht als Widerstände vorstellen. Tatsächlich ist es ein 
nichtlineares Verhalten, welches vom Strom und der Spannung abhängig 
ist. Das Verhalten der Push-Pull-Stufen (bestehend aus zwei FETs) in den 
µCs verhalten sich aber ohmscher als man oft denkt.

> Ich war gar nicht von einer "Schaltfrequenz" ausgegangen, sondern von
> einem etwas größeren C und einem einzelnen Lichtblitz.

100nF sind eigentlich eine schöne Größe für die Anwendung. Mit einem 
PWM-Ausgang, so um die 50kHz, kann man dann die LED beliebig lange 
leuchten lassen. Mit Veränderung der Frequenz läßt sich noch die 
Helligkeit steuer. Wer es ganz Perfekt machen will, misst die 
Versorgungsspannung und passt die PWM-Frequenz an. Dann kann man auch 
noch die Helligkeitsschwankungen ausgleichen. Das wäre aber mit Kanonen 
nach Spatzen geschossen.

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Matthias G. schrieb:

> Hallo Jörg, natürlich nicht, aber man kann sich die Bahnwiderstände
> vereinfacht als Widerstände vorstellen.

Die Bahnwiderstände ja, aber hier wirkt vor allem der Kanalwiderstand,
und der ist in erster Linie eine Stromquelle (waagerechte Linien im
Ausgangskennlinienfeld).  Auf Grund der geringen Gatespannung bei
diesen kleinen Betriebsspannungen bewegt man sich hier noch in diesem
Bereich.

In der Simulation mit dem 2N7002 sieht man auch ganz gut, dass der
sich dort bei einem Konstantstrom von reichlich 30 mA bewegt.  Beim
AVR mit 1,8 V schrieb ja schon jemand, dass das eher im Bereich um die
10 mA liegt.  Für den benutzten ATmega1281 hast du ja schon gesehen,
dass das Datenblatt keine Angaben für 1,8 V macht, aber wenn du dir
andere AVRs mit vergleichbarer Technologie ansiehst (beispielsweise
ATmega325 & Co.), kann man gut erkennen, dass man bereits im
Konstantstrombereich liegt, siehe Anhang.  Der ohmsche Anteil dabei
wäre ca. 100 Ω (0,2 V / 2 mA) im linken Teil der Kurve.

Damit der Kondensator schneller geladen wird, kannst du natürlich auch
Pins parallel schalten, solange sie sich alle am gleichen Port
befinden (damit sie zeitgleich schalten können).  Damit würde sich die
Stromergiebigkeit erhöhen.

Autor: Grobi (Gast)
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Ist zwar etwas mehr aufwand und ich habe ehrlich gesagt nicht die 
leiseste ahnung wieviel strom die schaltung verbrät, weil nicht 
nachgemessen, aber du könntest auch nen einfachen stepupwandler bauen 
der dir aus den 1,8V 3,6 oder 5 oder mehr Volt macht 
http://www.strippenstrolch.de/1-4-11-step-up-wandler.html
die schaltung auf 3,6V dimensioniert hab ich in gebrauch und die läuft 
mit einem 2,4V 70mAh NI-MH akku schon ein paar tage und versorgt nen 
tiny2313.
Nur wie gesagt keine ahnung ob das mit deinen vorgaben < 300nA ruhestrom 
übereingeht, zur not könnte man den stepupwandler ja auch von dem µc aus 
ein oder ausschalten, je nach bedarf. Warscheinlich läßt sich das ganze 
auch noch etwas optimieren.

Grobi

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Grobi schrieb:
> Ist zwar etwas mehr aufwand

Nur mal so: welchen Gewinn hätte er denn davon, mehr Aufwand zu
treiben?

Autor: Grobi (Gast)
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Jörg Wunsch schrieb :
> Nur mal so: welchen Gewinn hätte er denn davon, mehr Aufwand zu
treiben?

Also so wie ich das verstanden habe geht es doch darum die Spannung für 
die LEDs zu erhöhen...

Autor: A. K. (prx)
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Nö. Eigentlich geht es darum, LEDs trotz niedriger Spannung zum Blinken 
zu bewegen. Der Rest leitet sich davon ab..

Autor: Grobi (Gast)
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aha, dann paßt mein lösungsansatz nicht.

Autor: Matthias G. (mgottke)
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Jörg Wunsch schrieb:
> Die Bahnwiderstände ja, aber hier wirkt vor allem der Kanalwiderstand,

Du hast Recht. Da ich FETs normalerweise so dimensioniere, dass sie dort 
nicht arbeiten, habe ich das glatt vernachlässigt.

Das bedeutet für die Applikation aber auch, dass man in die LED bei den 
1,8V im Mittel 2-3 mA treiben kann. 50% Ladezeit und 50% Entladezeit des 
Kondensators.

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Matthias G. schrieb:

> Das bedeutet für die Applikation aber auch, dass man in die LED bei den
> 1,8V im Mittel 2-3 mA treiben kann.

Wie gesagt, vielleicht kannst du ja noch freie Pins parallel schalten.
Sehr viel Energievorrat hast du ja wohl sowieso nicht, für ein paar
low-current-LEDs sollte es schon reichen, wenn man sie nicht gerade
in der grellen Sonne erkennen können soll.  Falls letzteres gefordert
ist, bleibt wohl nur, einen großen Kondensator zu nehmen und den
dann über einen npn-Transistor auf die LED zu entladen.  Der kann
mehr Strom versenken, und der Controller muss nur noch dessen
Basisstrom treiben.  Sollte für einen kräftigen Lichtblitz reichen.

Autor: Thomas (Gast)
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Gehen auch 2 rote LEDs? Die leuchten bei 1,8 V gut sichtbar.

Autor: Michael (Gast)
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Ein ILC7660 mit zwei Kondis wäre auch eine Möglichkeit die Spannung zu 
verdoppeln was für die LEDs ausreichend sein sollte sofern die 
Ladungspumpe mit Diode und Kondensator alleine nicht gefallen mag. Is 
halt nen IC mehr. Woher kommen denn die 1.8V? Vielleicht kann man deren 
Quelle auch für die LEDs nutzen als weitere Idee.

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Michael schrieb:

> Woher kommen denn die 1.8V?

Beitrag "Re: LEDs an µC mit 1,8V"

Autor: michael_ (Gast)
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>Als Versorgungsspannung stehen aber nur 1,8V am AVR µC zur Verfügung
Also, 1,8V hat doch keine Batterie/Akku. Die 1,8V müssen also aus einer 
höheren Spannung erzeugt werden. Die muß doch dasein! Dort kann man die 
LED doch anschließen.

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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michael_ schrieb:
>>Als Versorgungsspannung stehen aber nur 1,8V am AVR µC zur Verfügung
> Also, 1,8V hat doch keine Batterie/Akku.

Lies dir bitte den ganzen Thread durch.  Grummel.  Genau ein Posting
über deinem habe ich die Referenz nochmal zitiert, in der beschrieben
ist, aus welcher Energiequelle das Teil gespiesen wird.

Autor: Anja (Gast)
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Hallo,

also ich würde über einen Schalttransistor mit Basisvorwiderstand auf 
eine Drossel gehen. Die LED sitzt dann parallel zur Drossel als 
Freilaufdiode.
(also quasi in Sperrichtung wenn der Transistor eingeschaltet ist).
Als Ansteuerung braucht es dann nur kurze Impulse oder ein PWM an der 
Basis des Transistors.

Autor: Matthias G. (mgottke)
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Anja schrieb:
> also ich würde über einen Schalttransistor mit Basisvorwiderstand auf
> eine Drossel gehen. Die LED sitzt dann parallel zur Drossel als
> Freilaufdiode.

Funktioniert sicherlich. Schaltreglerprinzip. Das ist aber direkt am µC 
etwas heiß. Wenn da mal was schief geht, ist das ein glatter Kurzschluss 
über der Spule und dem Transistor. Dafür sollte man dann ein 
zusätzliches Zeitglied spendieren.

Dieses Schaltungsprinzip würde ich in meiner Anwendung nicht wählen, da 
Schaltregler unter Umständen doch den Funk stören.

Thomas schrieb:
> Gehen auch 2 rote LEDs? Die leuchten bei 1,8 V gut sichtbar.

Geht nicht. Auch die grüne LED "glimmt" bei 1,8V vor sich hin. Ist aber 
nicht gerade sehr schön.

Ich danke nochmal allen.

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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Ich würde es so machen. Port ist 1 oder 0 -> LED ist aus. Port toggelt 
mit >100 Hz -> LED ist an. Die beiden Cs sin 100n, die Dioden sind 
Schottkys (z.B. BAR43S), der Widerstand ist 100 Ohm oder etwas größer, 
je nach LED.



  Port   ||                 ___
    -----||----o--->|---o--|___|----.
         ||    |        |           |
               |        |           |
               -       ---          V ->
               ^       ---          -
               |        |           |

              GND      GND         GND


Autor: Matthias G. (mgottke)
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Die Schaltung geht nicht. Die untere (linke) Diode muss gegen VCC statt 
gegen GND. Und wegen den Ruheströmen muss der GND an der LED noch 
abschaltbar sein, da sonst über die untere (linke) Diode von VCC über 
den Widerstand und der LED ein Strom gegen GND fließt.
Dann kann man die Schaltung noch soweit vereinfachen, dass man den 
Stützkondensator und den Widerstand weg lässt. Dann fließt immer die 
ganze Ladungsmenge beim Schalten in die LED. Bei Frequenzen jenseits der 
100Hz sieht man das sowieso nicht mehr. Und Schwups haben wir wieder die 
Schaltung von weiter oben!

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Matthias G. schrieb:
> Die Schaltung geht nicht.

Doch, ist eine Greinacher-Schaltung:

http://de.wikipedia.org/wiki/Greinacher-Schaltung

Allerdings sehe ich keinen Vorteil gegenüber dem Vorschlag von
weiter oben, der mit nur einem Kondensator und einer Diode
auskommt und von Vcc ausgehend pumpt.

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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>Allerdings sehe ich keinen Vorteil gegenüber dem Vorschlag von
>weiter oben, der mit nur einem Kondensator und einer Diode
>auskommt und von Vcc ausgehend pumpt.

Nur ein Portpin per LED.

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Travel Rec. schrieb:
>>Allerdings sehe ich keinen Vorteil ...

> Nur ein Portpin per LED.

OK, das kam mir auch schon in den Sinn, mit der anderen Schaltung
sind's 1,5.  Allerdings benutzt er ja einen ATmega1281, der hat
hoffentlich genug Pins frei.  Zumindest hat Matthias das bislang
nicht als Problem dargestellt, dass die Pins knapp würden.

Autor: Matthias G. (mgottke)
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Jörg Wunsch schrieb:
> Doch, ist eine Greinacher-Schaltung:

Die Greinacher-Schaltung muss mit einer Wechselnde Spannung betrieben 
werden. Das ist beim Trafo Prinzipbedingt immer so gegeben.

Du setzt nun, ausgehend von der Wikipedia-Schaltung, die untere Leitung 
mit GND gleich. Daher, das eine Ende der Trafospule ist mit dem GND in 
µC-Schaltung gleichzusetzen. Das andere Ende der Trafospule setzt du mit 
dem Portpin des µCs gleich. Damit das aber funktioniert, dann müsste das 
Portpin nicht zwischen 0V (GND) und 1,8V toggeln, sondern zwischen -1,8V 
und 1,8V.

Also geht hier die Greinacher-Schaltung nicht, bzw. es ist keine.

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Matthias G. schrieb:

>> Doch, ist eine Greinacher-Schaltung:
>
> Die Greinacher-Schaltung muss mit einer Wechselnde Spannung betrieben
> werden.

Ja, habe ich nicht bis zu Ende gedacht.

Autor: Ulrich (Gast)
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Mit einer hocheffizienten LED könnte der Strom von vielleicht 0,5 - 1 mA 
den man mit der kapazitiven Verdopplerschaltung von oben hinbekommt 
schon reichen. Wenn man mehr braucht, wird man um mehr Port Pins oder 
einen externe Schalter nicht herumkommen.

Mit einem externen Schalter könnte man auch einen ganz einfachen 
Flyback-Wandler aufbauen, mit einem Transistor oder MOSFET und einer 
Drossel. Mit eine Boostschaltung hätte man wohl Probleme mit uz viel 
Leckstrom, wenn die Spannung eher hoch ist. Als Diode sollte schon die 
LED gehen. Eine echte Regelung wird man ja nicht brauchen.

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