Hallo,
ich möchte eine Spannungsversorgung für eine Tiny-Schaltung auslegen.
Die Betriebsspannung des AVR's soll 5V sein.
Es soll gegen Verpolung und Überspannung geschützt sein. Wie würde man
das am preiswertesten und Sichersten Realisieren?
Zum Verpolschutz fällt mit ein Brückengleichrichter ein. Dort ist aber
der Spannungsabfall sehr groß. Als Überspannungsschutz stelle ich mir
eine Zenerdiode 10V vor, die die Batterie kurzschließt, wenn mehr als
10V anliegen.
Gibt es da bessere und vorteilhaftere Lösungen?
Hein schrieb:> Dort ist aber der Spannungsabfall sehr groß.
Dann nimm Shottky-Dioden und bau den Verpolschutz diskret auf.
Hein schrieb:> die die Batterie kurzschließt
Macht sie nie. Wär ja auch schlimm.
Hein schrieb:> bessere und vorteilhaftere Lösungen
besser geht immer, aber für einen Tiny der kaum 1€ kostet lohnt sich das
nicht.
So auf anhieb würde ich jetzt saten zum Verpolungsschutz 2 Dioden
Antiparallel in die + und - leitung und dahinter einen 7805. bei kleinen
strömen sollte das nicht all zu warm werden.
Als Verpolung und Überspannungschutz kann eine Z-Diode + eine Sicherung
verwendet werden.
1
Sicherung Zener Diode
2
0,2A 10V
3
+9V O-----[===]---+----|<|-----| GND
4
|
5
|
6
Zum Spannungsregler
So hast Du (fast) gar keinen Spannungsabfall. Als Spannungsregler würde
ich bei sehr kleinen Strömen einen LP2950-5V verwenden, ist sparsamer
als ein 7805. Bei mehr als 100mA lieber einen Schaltregler.
Ist Dir bewusst, dass man AVR Mikrocontroller ganz ohne
Spannungsregelung direkt an 3 Batterien oder 3-4 Akkus betreiben kann?
Natürlich vorausgesetzt, der Rest der Schaltung passt dazu.
Hein schrieb:> Zum Verpolschutz fällt mit ein Brückengleichrichter ein. Dort ist aber> der Spannungsabfall sehr groß.
Muss es denn nur ein Schutz gegen Verpolung sein, oder muss die
Schaltung auch verpolt noch funktionieren?
> Als Überspannungsschutz stelle ich mir> eine Zenerdiode 10V vor, die die Batterie kurzschließt, wenn mehr als> 10V anliegen.
Da du die Spannung ohnehin auf 5 V runterregeln musst: nimm einfach
einen ausreichend dimensionierten Regler, dass er alle potenziell
vorkommenden Eingangsspannungen (gegen Blitzschlag wirst du ihn ja
nicht sichern wollen ;-) verkraftet.
Danke für die Antworten!
Wusel Dusel schrieb:> Ist Dir bewusst, dass man AVR Mikrocontroller ganz ohne> Spannungsregelung direkt an 3 Batterien oder 3-4 Akkus betreiben kann?> Natürlich vorausgesetzt, der Rest der Schaltung passt dazu.
Ja, aber bei fast leeren Akkus gibt es dann ja ein unsicheres und
undefiniertes Verhalten. Ich würde auch gerne 4 normale Mignom-Akkus-
oder Batterien verwenden, wenn ich dann weiß, wie ich die
Spannungsversorgung aufbaue.
Es muss verpolt nicht funktionieren, aber meine Schaltung soll dadurch
keinen Schaden nehmen.
Prinzipiell ist die Schaltung nichts besonderes. Der Tiny bekommt 4
Taster-Eingänge und 4 LED-Ausgänge, die über einen ULN280x geschaltet
werden. MEhr nicht.
Gibt es dann eine sichere Methode, dass der Tiny gar keine Spannung
bekommt, wenn der Akku nicht genu Ladung hat? Hauptsache nichts
undefiniertes durch leere Akkus!
Sollte ich dann überhaupt noch einen Spannungsregler verwenden?
Hein schrieb:> Ja, aber bei fast leeren Akkus gibt es dann ja ein unsicheres und> undefiniertes Verhalten. Ich würde auch gerne 4 normale Mignom-Akkus-> oder Batterien verwenden, wenn ich dann weiß, wie ich die> Spannungsversorgung aufbaue.
Nimm 3 davon. Deren maximale Klemmenspannung ist 1,6 V pro Zelle,
macht also insgesamt 4,8 V höchstens. Die Entladeschlussspannung ist
0,9 V pro Zelle, macht 2,7 V. Selbst mit einer Verpolschutzdiode
davor bist du immer noch weit über den 1,8 V, die einem modernen
ATtiny zum Betrieb genügen.
> Gibt es dann eine sichere Methode, dass der Tiny gar keine Spannung> bekommt, wenn der Akku nicht genu Ladung hat? Hauptsache nichts> undefiniertes durch leere Akkus!
Dafür gibt es den Brownout-Reset.
> Sollte ich dann überhaupt noch einen Spannungsregler verwenden?
Ich würde keinen nehmen. Wenn dir die 1,8 V nicht genügen, dann wäre
es allerdings zu überlegen, ob du vielleicht einen verpolsicheren
low-drop-Regler findest, den du dann zugleich als Verpolschutz und
als Stabilisierung auf 2,7 V benutzen kannst.
Okay,
dann nehme ich wohl wirklich einen Brownout-IC.
Vor Verpolung schütze ich mich dann einfach durch eine Diode in der
Zuleitung.
Stellt sich nur noch die Frage, wie ich die Überspannung sichere.
Hein schrieb:> dann nehme ich wohl wirklich einen Brownout-IC.
Nimm doch stattdessen dein eingebauten Brownout-Reset.
> Stellt sich nur noch die Frage, wie ich die Überspannung sichere.Welche Art Überspannung erwartest du denn bei einem Gerät, welches
mit 3 x LR03 oder so betrieben wird? Es wird ja sicher niemand die
blanken Enden eines Kabels, das auf der anderen Seite in der
230-V-Steckdose steckt, an die Batterieanschlüsse halten.
Erst, wenn klar ist, wogegen du dich absichern musst, kann man auch
einen Plan entwerfen, wie dieser Schutz aussehen soll.
Jörg Wunsch schrieb:> Welche Art Überspannung erwartest du denn bei einem Gerät, welches> mit 3 x LR03 oder so betrieben wird? Es wird ja sicher niemand die> blanken Enden eines Kabels, das auf der anderen Seite in der> 230-V-Steckdose steckt, an die Batterieanschlüsse halten.>> Erst, wenn klar ist, wogegen du dich absichern musst, kann man auch> einen Plan entwerfen, wie dieser Schutz aussehen soll.
Ich will das ganze auch mit Akkus betreiben können und kann per internem
Brownout einen Reset bei U<4,3 V ausführen.
Akku: 4x1,2V = 4,8V ==> ok
Batterie: 4x1,5V = 6 V ==> zu viel für AVR
3x1,2V = 3,6V ==> zu wenig
3x1,5V = 4,5V ==> gerade noch ok
Mir fällt gerade ein, ich könnte als Verpulschutz in der Zuleitung auch
zwei gleich Dioden in Reihe schalten, oder? Dadurch fallen 1,4V ab und
ich habe das Problem mit den 4 Batterien nicht mehr.
Stellt sich nur die Frage, ob man die LED's hinter dem ULN280x noch
leuchten sieht. Im ULN fällt ja auch min. 1V ab....
Hein schrieb:> Ich will das ganze auch mit Akkus betreiben können und kann per internem> Brownout einen Reset bei U<4,3 V ausführen.
Der interne Brownout-Reset lässt sich bis 1,8 V herab konfigurieren.
> Akku: 4x1,2V = 4,8V ==> ok
Milchmädchenrechnung. Frisch geladen haben die nicht so viel weniger
als Alkali-Mangan-Zellen, und die Entladeschlussspannung ist bei
beiden fast gleich.
> Batterie: 4x1,5V = 6 V ==> zu viel für AVR
Ja, vier Zellen sind zu viel. Schrieb ich ja oben, 3 x 1,6 V (für
frische Alkali-Mangan-Zellen) ist sicher unterhalb der maximal
zulässigen Betriebsspannung.
> 3x1,2V = 3,6V ==> zu wenig
Warum? Wie ich oben schrieb, moderne Tiny-AVRs funktionieren (wenn
auch nicht mit maximaler Taktfrequenz) bis zu 1,8 V herab. Das
entspricht einer Versorgung aus zwei Zellen.
Wenn du weitergehende Anforderungen hast (eine bestimmte Taktfrequenz
beispielsweise), dann solltest du diese darlegen, statt dir hier
jedes Detail einzeln aus der Nase ziehen zu lassen.
Jörg Wunsch schrieb:> Wenn du weitergehende Anforderungen hast
Nein, die gibt es wirklich nicht. Es geht um eine eine Schaltung, die
nur 4 Tastereingänge und 4 LED-Ausgänge über ein Darlington-Array hat.
Wenn ich nach dem Einschalten in der richtigen Reihenfolge die Taster
betätige, wird eine Blinkfolge ausgelöst. Ich würde das ganze auch
intern takten, so dass ich mir möglichst viele Bauteile (Quarz etc.)
spare.
Das ganze wird als "Spiel" weitergegeben, sodass der Anwender
irgendwelche Mignon-Zellen reinlegt, die er gerade hat. Deshalb meine
Anforderung, dass es für Akku- und Batteriebetrieb laufen muss. Und wenn
der Anwender die Batterien falsch herum reinlegt soll nicht gleich alles
kaputt sein. Hier habe ich also schonmal 0,7V Spannungsabfall
Wenn der AVR mit 1,8V läuft, ist es mir prinzipiell auch egal, aber die
LED's müssen noch sichtbar sein. Es handelt sich um jeweils eine rote,
gelbe, grüne und blaue Standard-5mm-LED. Blau braucht z.B. 4V, ob sie
bei 0,8V (wegen 1V Abfall des ULNs) noch leuchtet, weiß ich nicht,
glaube ich aber eher nicht.....
Hein schrieb:> Ich würde das ganze auch> intern takten, so dass ich mir möglichst viele Bauteile (Quarz etc.)> spare.
Dann genügt der interne Oszillator mit 1 MHz allemal. Damit bist du
in der Wahl der Versorgungsspannung in dieser Hinsicht frei.
> Deshalb meine> Anforderung, dass es für Akku- und Batteriebetrieb laufen muss.
Zwischen Betrieb mit NiMH-Zellen und dem mit Alkali-Mangan-Zellen
brauchst du nicht zu unterscheiden, auch wenn die Nennspannung das
suggeriert. Ladenneue Alkali-Mangan-Zellen haben ein wenig mehr
Ruhespannung als eine frisch geladene NiMH-Zelle, aber das ist auch
alles. Beide kann man bis hinab zu etwa 0,9 V pro Zelle entladen.
(Die Entladekurve der NiMH-Zellen ist in der Mitte etwas flacher,
daher auch die andere Nennspannung, aber hier spielen nur die oberen
und unteren Grenzwerte eine Rolle.)
> Hier habe ich also schonmal 0,7V Spannungsabfall
Ja, wobei es mit einer Schottky-Diode geringfügig weniger wäre.
Mit einem aktiven Schalter (FET) kommt man nochmal weiter herunter,
daher meine obige Idee, einen verpolungssicheren Lowdrop-Regler zu
suchen. Andererseits: wenn das ein Spiel ist, dann wäre ein solcher
Regler mit Kanonen auf Spatzen geschossen.
> Wenn der AVR mit 1,8V läuft, ist es mir prinzipiell auch egal, aber die> LED's müssen noch sichtbar sein. Es handelt sich um jeweils eine rote,> gelbe, grüne und blaue Standard-5mm-LED.
Also doch spezielle Anforderungen. ;-) Blaue LEDs brauchen zwar
nicht ganz 4 V, aber mit Abstand am meisten von allen Farben. Mit
drei Zellen kommst du dann nicht bis zur möglichen
Entladeschlussspannung. Wenn du den Spannungsverlauf während der
Entladung mit einbeziehst, dann hast du während der Entladephase
große Helligkeitsunterschiede.
Für alle anderen Farben würde ich mit 3 Zellen ins Rennen gehen,
dann bleibt einigermaßen Reserve, um selbst bei entladenen Zellen
noch was zu sehen. Die LEDs könnte man übrigens vor der
Verpolschutzdiode anklemmen (mit ihren Anoden), da sie die maximal
5 V Reverse-Spannung bei Verpolung auch selbst abhalten.
Wenn blau unbedingt dabei sein muss, dann wirst du wohl oder übel
mit deiner ursprünglichen Idee eines 9-V-Blocks arbeiten müssen. Hat
leider viel weniger Kapazität und ist teurer, aber alles andere wird
(für ein Spielzeug) noch aufwändiger.
Danke noch mal für die ausführlichen Infos!
Mit welcher Betriebsspannung würdest Du jetzt die Vorwiderstände für die
LEDs berechnen? Da blau wahrscheinlich zu aufwändig ist, mache ich evtl.
alle vier LEDs gleich in rot. Folgende LED schwebt mit vor:
http://www.reichelt.de/LEDs-super-ultrahell/LED5-30-02800-RT/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=3019&ARTICLE=126467&SHOW=1&START=0&OFFSET=16&;
20mA bei 1,86V
Dann noch eine andere Frage (hat nicht direkt etwas mit meiner Anwendung
zu tun): Ich möchte mir überlegen, was passiert, wenn die
Versorgungsspannung wesentlich geringer als die Spannung ist, mit der
ich den Widerstand berechnet habe. Sind meine Rechnungen richtig?
Annahme:
Versorgungsspannung Vb=5V
Diodenspannung Vd=1,86V
Diodenstrom Id=0,02A
R = (Vb-Vd) / Id = 157 Ohm (Es fallen 3,14V am Widerstand ab)
Jetzt gehe ich mal von Vb=2V aus: Es fallen auf jeden Fall immer
Vd=1,86V an der Diode ab, weil R~0.
Es bleiben also 2V-Vd=0,14V, die am Widerstand abfallen. I = 0,89mA
Kann man so abschätzen, wie sich die Helligkeit verhält, wenn Ub nicht
zur Berechnung passt?
schnell noch ein Nachtrag: Die Strombelastbarkeit der I/O-Pins ist
abhängig von der Betriebsspannung des Controllers. Je mehr Vcc, desto
mehr I ist erlaubt. Wie schätze ich ab, ob meine LEDs evtl. auch direkt
ohne Darlington-Array an die Pins dürfen? Ich kenne ja den Akkuzustand
nicht.
Hein schrieb:> Es soll gegen Verpolung und Überspannung geschützt sein.
Wie soll eine 9V Batterie/Akku Überspannung liefern?
> Als Überspannungsschutz stelle ich mir> eine Zenerdiode 10V vor, die die Batterie kurzschließt, wenn mehr als> 10V anliegen.
Spätestens bei einem Akku ist Kurzschluss nicht wirklich eine Option ;-)
Mr. X schrieb:> Wie soll eine 9V Batterie/Akku Überspannung liefern?
Das ist ja jetzt schon geklärt, es geht jetzt um meine beiden Fragen in
den vorherigen beiden Einträgen ;-)
Hein schrieb:> Wie schätze ich ab, ob meine LEDs evtl. auch direkt ohne> Darlington-Array an die Pins dürfen?
Aus den typischen Ausgangskennlinienfeldern, die du in den typischen
Daten im Datenblatt findest.
> Ich kenne ja den Akkuzustand nicht.
Kann man zur Laufzeit messen, aber was nützt dir das? Bei den
üblichen ATtinys kann man die Treiberstärke zur Laufzeit nicht
anpassen.
Du musst also letztlich bei minimal vorgesehener Versorgungsspannung
in den Daten nachschauen, ob dir die Stromergiebigkeit für deine
LED noch genügen würde.
Statt ULNxxx oder direkt am Port gibt es auch die Möglichkeit, 4
Transistoren + Basisvorwiderstand zu nehmen. Dann kommt man auf
Sättigunsspannungen von wenigen Zehntel Volt.
Gruß Dietrich
Es gibt auch Batteriehalter mit mechanischem Verpolungs-Schutz. Bei
Unteraltungselektronik ist das längst Standard. Dann brauchst Du keine
Diode und den damit verbundenen Spannungsabfall.
Normale rote, grüne und gelbe Leuchtdioden sind auch bei weit unter 20mA
hell genug, um deutlich erkennbar zu sein. Bei meinen Experimenten kam
(für mich überraschend) sogar heraus, dass alle meine standard LED's
be3i 2mA deutlich heller waren, als spezielle Low-Current LED's, die für
1-2mA ausgelegt sind.
Ich habe AVR's übrigens schon oft mit 6V aus vier Mignon Batterien
betrieben. Bisher ist noch keiner kaputt gegangen und keiner hatte
Fehlfunktionen. Kommerziell würde ich diesen "murks" allerdings
sicherheitshalber nicht verwenden.
Sofern keine blauen LED's genutzt werden, würde ich also zu 4
Batterien/Akkus + Diode oder 3 Batterien/Akkus ohne Diode raten.
Die Verwendung von 3 Akkus setzt ein Ladegerät voraus, das jede Zelle
einzeln lädt. Viele billige Ladegeräte könnne nur paarweise laden. Das
wäre ein Argument für die Variante mit 4 Zellen.
