Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Step-Up Regler funktioniert nicht mit Knopfzelle


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von The SphereX (Gast)


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Hi Leute !!!

Ich habe mir mehrere der folgenden Step-Up Regler zugelegt, die ich in 
verschiedene LED-Schaltungen einbauen möchte.

http://www.pololu.com/product/2561

Ich verspreche mir davon in erster Linie eine optimalere Ausnutzung der 
Akkukapazität bei relativ gleichbleibender LED-Helligkeit über den 
Verlauf einer Akkuentladung. Darüberhinaus ergibt sich dann evtl. auch 
noch eine gewisse Platzersparnis, da man mit derartigen Wandlern ja 
selbst eine weiße LED bereits mit nur einem 1,2V Akku betreiben kann.

Zunächst habe ich mit einem der Step-Up Module in einer Testschaltung 
experimentiert. Diese besteht lediglich aus einem ATTiny45 mit einer 
angeschlossenen LED (orange), wobei der µC per PWM ein Kerzenflackern 
simuliert. Mit einer Microzelle (1,2 V ; 1100 mAh) als Stromquelle 
funktioniert das Ganze auch hervorragend. Da ich jedoch bereits auch 
einige LED-Installationen zusammengebastelt habe, die aus Platzgründen 
mit Knopfzellen (CR2032) betrieben werden, habe ich dann auch eine 
solche in meine Testschaltung eingesetzt.

Bei einem durchschnittlichen Verbrauch der Schaltung um die 25 mA, 
sollte die Knopfzelle ja eigentlich mindestens 9 Stunden "halten", was 
sie ohne den Step-Up Regler auch tut (bei abnehmender LED-Helligkeit 
versteht sich). Mit dem Wandler allerdings ist bereits nach knapp einer 
Stunde Schluß, d. h. die LED geht plötzlich aus, und das war's dann :(.

Folgende Meßwerte habe ich ermittelt.

>> Vor der Inbetriebnahme <<

CR2032:                 3,1 V
CR2032 (angeschlossen): 2,8 V
Step-Up VIn:            2,8 V
Step-Up VOut:           3,3 V

>> Nach einer Stunde, d. h. nach dem Erlöschen der LED <<

CR2032 (angeschlossen): 0,25 V
Step-Up VIn:            0,19 V
Step-Up VOut:              0 V
CR2032:                 2,78 V

Es sieht also irgendwie danach aus, als würde die Knopfzelle innerhalb 
von nur einer Stunde komplett "leergesaugt" werden. Jetzt bin ich 
natürlich am Rätseln, was hier wohl vor sich geht, und warum das Ganze 
mit Akkus ohne Probleme funktioniert.

Hat jemand eine Erklärung dafür?

Grüße,
The SphereX

von stef (Gast)


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cr2032 knopfzellen können laut zB Varta Datenblatt eher einen Dauerstrom 
von 2 mA für mehr sind sie eher weniger geeignet, ich weiss das, weil 
ich 3 davon parallel einsetze und dann manchmal aus dieser 
parallelschaltung max 20mA ziehe, das geht noch.

Du musst bei Batterien den Entladestrom beachte, ich meine das nennt man 
C, also wenn du 200mAh hast und das für 1 mA ausgelegt ist kannst du 
auch 200 h diese 1 mA ziehen, aber sobald du 20mA ziehst geht das eben 
nicht mehr 10h sondern eher deutlich weniger, und du belastest die 
kleine schwache CR2032 Zelle viel zu massiv, wird so nicht 
funktionieren.

Grüße

von Kai S. (kai1986)


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Die Knopfzellen sind zu schwach für deine Anwendung. Je höher der Strom, 
den du aus der Batterie ziehst, umso höher wird die Verlustleistung, die 
durch den Innenwiderstand der Zelle entsteht. Das bedeutet, du kannst 
weniger der gespeicherten Energie nutzen. Zudem hast du mit dem 
Schaltwandler noch hohe Pulsströme, die die Knopfzelle durch den 
Innenwiderstand erwärmen, aber nicht die LED leuchten lassen.

Gruß Kai

von Georg W. (gaestle)


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25mA sind schon eine große Belastung für eine Knopfzelle. Der 
Schaltregler wird diesen Strom auch noch pulsierend ziehen, so dass die 
Belastung noch übler wird (Innenwiderstand!). Ev. hilft ein Kondensator 
parallel zur Batterie. Besser wäre aber eine größere Batterie oder 2 in 
Reihe.

Die Nennkapazität wird wohl bei 2 oder 3 mA angegeben sein.

von helfer (Gast)


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General specifications
Minimum operating voltage:   0.5 V
Maximum operating voltage:   5.5 V
Maximum input current:       1.2 A
Output voltage:              3.3 V
Reverse voltage protection?: N
Maximum quiescent current:   1 mA

>> Nach einer Stunde, d. h. nach dem Erlöschen der LED <<

CR2032 (angeschlossen): 0,25 V
Step-Up VIn:            0,19 V
Step-Up VOut:              0 V
CR2032:                 2,78 V

Da der Step-Up Wandler minimal 0,5V akzeptiert reicht unter Belastung 
die Spannung deiner Knopfzelle nicht mehr aus um den gewünschten Effekt 
zu erzielen.

von 6A66 (Gast)


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The SphereX schrieb:
> Bei einem durchschnittlichen Verbrauch der Schaltung um die 25 mA,
> sollte die Knopfzelle ja eigentlich mindestens 9 Stunden "halten", was
> sie ohne den Step-Up Regler auch tut (bei abnehmender LED-Helligkeit
> versteht sich). Mit dem Wandler allerdings ist bereits nach knapp einer
> Stunde Schluß, d. h. die LED geht plötzlich aus, und das war's dann :(.

Hallo SphereX

Die CR2032 hat etwa 160mAh Kapazität bei 3V.
Das wären dann bei konstanter Entladung von 25mA etwa 6,...h.
Wenn Du einen Stepup dazupackst hast Du auch nochdie Effektivität dessen 
zu rechnen. Mal grob über den Daumen gepeilt 80% sind dann 6h x 80% also 
nur noch 5h.
Die CR2032 hat dann auch noch einen Innenwiderstand an dem auch noch 
Leistung abfällt, geh mal davon aus dass der so hoch ist dass Du Deinen 
StepUp daran nicht sinnvoll betreiben kannst (das werden so etwa 
30..35mA Eingangsstrom sein die die Zelle leisten muss).

Anbei mal ein Datenblatt, es wird ein typischer Entladestrom im 
uA-Bereich angenommen.

Bei dem hohen Entladestrom hat die Zelle signifikant weniger Kapazitä 
weswegen sie auch bereits nach 1h leer ist. Dass Du im unbelasteten 
Zustand noch Spannung misst is bei Battereien üblich.

rgds

von MaWin (Gast)


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The SphereX schrieb:
> selbst eine weiße LED bereits mit nur einem 1,2V Akku betreiben kann.

Wie kommt man auf die krude Idee, eine 20mA LED die bei dem Strom 3.0 
bis 3.6 V für sich benötigt
an eine feste 3.3V Spannungsquelle anschliessen zu wollen ?

Verwechselst du LEDs (die mit Strom betrieben werden) mit Glühlapmen 
(die an einer festen Spannung betrieben werden) ?

Wenn du eine 5V Spannungsquelle mit Vorwiderstand verwenden würdest, ist 
das zwar Verlust, wäre aber wenigstens sinnvoll.

Schlauer wäre ein stromgeregelter step up
1
   +---+----+-L1-+-|>|-+---+     L1 = 120uH/>400mA/<0.5Ohm
2
   |   |    |2   |3    |A  |  -|>|- = SB120 oder 1N5817, notfalls 1N4148
3
  +|  R1  +--------+8 LED  |     R1 = 130 Ohm
4
   |   |  |        |   |   |+
5
 1.5V  +--| LT1073 |---+  47uF   R2 = 10 Ohm (bei 20mA LED, 22 Ohm für 10mA LED)
6
   |      |        |   |   |
7
   |     1+--------+   R2  |    LED = auch 2 LEDs in Reihe bei L1 = 68uH/>680mA/<0.25Ohm
8
   |        |4   |5    |   |
9
   +--------+----+-----+---+

von Markus (Gast)


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Georg W. schrieb:
> Die Nennkapazität wird wohl bei 2 oder 3 mA angegeben sein.

Leider noch weniger:
bei Maxell z.B.
Nominal Capacity: 220 mAh
Nominal Discharge Current: 0.2 mA
-> www.adafruit.com/datasheets/maxell_cr2032_datasheet.pdf

von Aehh (Gast)


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Allenfalls sollte auch ein auge auf den stromverbrauch des wandlers 
geworfen werden. Es gibt da auch stromschleudern..

von The SphereX (Gast)


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Mann, das ging ja wieder richtig flott hier. Danke Euch :) !!!

Also habe ich mich wohl von der Aussage

" ... This makes it great for powering 3.3 V electronics projects from 1 
to 3 NiMH, NiCd, or alkaline cells or from a single lithium-ion cell. 
... "

in der Produktbeschreibung fehlleiten lassen, in der Annahme, ich könnte 
mir auch mit normalen Knopfzellen quasi einen kleinen Joul Thief in 
meine Schaltungen integrieren?!

Aber noch mal zum Verständnis: Liegt es jetzt ausschließlich an der 
pulsierenden Stromentnahme durch den Wandler sowie dessen Effizienz in 
Kombination mit dem hohen Innenwiderstand der Knopfzelle, daß diese im 
Vergleich zum Betrieb ohne Step-Up Wandler so schnell in die Knie geht? 
Wieviel mehr Strom zieht der Wandler denn als die 25 mA im Normalbetrieb 
(ohne Wandler)?

@ George W.

" ... Ev. hilft ein Kondensator parallel zur Batterie. Besser wäre aber 
eine größere Batterie oder 2 in Reihe. ..."

Das würde ich rein aus Neugier einfach mal probieren wollen ;). Welche 
Kapazität wäre für den Kondensator zu empfehlen?

Grüße,
The SphereX

von Udo S. (urschmitt)


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The SphereX schrieb:
> Wieviel mehr Strom zieht der Wandler denn als die 25 mA im Normalbetrieb
> (ohne Wandler)?

Warum misst du das nicht?
Mess auch mal was deine Led zieht.
Du betreibst deine Led an einer Konstantspannungsquelle, wahrscheinlich 
ohne Vorwiderstand. Es gibt schon 100000 Threads hier die deutlich sagen 
das das FALSCH! ist.
Siehe auch Posting von MaWin.

von stef (Gast)


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nein das hat nichts mit der pulsierenden Stromentnahme des Step up zu 
tun, dass ist genau wie ich am Anfang sagte das Phänomen, dass du nicht 
einfach so 20mA aus einer CR2032 entnehmen kannst, und dann immer noch 
200mAh erwartest.

Irgendwie hängt das natürlich alles zusammen, aber das eigentlich 
Problem ist die hohe gleichmässige Stromentnahme und nicht der 
Spitzenstrom.

Grüße

von Johnny B. (johnnyb)


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Von TI gibts einige tolle Komponenten, welche für Energy Harvesting 
gedacht sind und daher sehr effizient sind:
http://www.ti.com/ww/en/analog/power_management/energy_harvesting/products.html

von 6A66 (Gast)


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The SphereX schrieb:
> Wieviel mehr Strom zieht der Wandler denn als die 25 mA im Normalbetrieb
> (ohne Wandler)?

Ganz einfach:
I(in) = (U(out) * I(out))/((U(in) * Wirkungsgrad)

rgds

von The SphereX (Gast)


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@ Udo Schmitt & MaWin

" ... Du betreibst deine Led an einer Konstantspannungsquelle, 
wahrscheinlich ohne Vorwiderstand. Es gibt schon 100000 Threads hier die 
deutlich sagen das das FALSCH! ist. Siehe auch Posting von MaWin. ... "

Die weiße LED war ja nur ein Beispiel, was mit einem Joul Thief möglich 
ist. Ich nutze wie eingangs erwähnt eine orangene LED, natürlich MIT 
entsprechend dimensionierten Vorwiderstand!

@ stef

" ... das Phänomen, dass du nicht einfach so 20mA aus einer CR2032 
entnehmen kannst, und dann immer noch 200mAh erwartest. ... "

Soweit habe ich das schon verstanden. Nur zwischen 6 Stunden Leuchtdauer 
ohne Wandler und lediglich einer Stunde mit Wandler liegen ja schon 
Welten. Also muß es ja irgendwie auch damit zu tun haben, wie der 
Step-Up Regler den Strom "gewinnt", oder? Im Prinzip kehrt sich damit 
der eigentliche Nutzen, den ich mir von dem Modul versprochen hatte, ins 
Gegenteil, zumindest beim Betrieb mit Knopfzellen.

@ 6A66

" ... I(in) = (U(out) * I(out))/((U(in) * Wirkungsgrad) ... "

Aha ... :) Das wären ja dann für meine Ausgangssituation ca. 33 mA. Und 
die 5 mA bis 10 mA Differenz zum Betrieb ohne Wandler machen dann schon 
die 5 Stunden Unterschied in der Leuchtdauer aus?


Grüße,
The SphereX

von Kai S. (kai1986)


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Du überlastest die Knopfzelle in deinem 6h Betrieb schon, mit dem 
Schaltregler ist die Überlastung nochmals größer. In dem Bereich ist das 
kein linearer Zusammenhang mehr. Anschaulich sinkt mit dem Schaltregler 
nicht nur der Wirkungsgrad deiner Schaltung sondern auch der der 
Batterie. Vielleicht hilft dir das Video hier es besser zu verstehen
http://www.youtube.com/watch?v=R8hTQXqURB4

Gruß Kai

von 6A66 (Gast)


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The SphereX schrieb:
> Aha ... :) Das wären ja dann für meine Ausgangssituation ca. 33 mA. Und
> die 5 mA bis 10 mA Differenz zum Betrieb ohne Wandler machen dann schon
> die 5 Stunden Unterschied in der Leuchtdauer aus?

Nein.
Die Zelle ist mit 150...200mAh angeben bei einem Entladestrom von meist 
<1mA.
Wenn Du mehr entnimmst schließt Du sie kurz, hat sie weniger Kapazität. 
da hilft auch kein Pufferelko gegen kurzzeitige Spitzen.

Guckst Du hier (bei einer Last von 100 Ohm = 30mA):
http://www.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/600000-624999/612928-da-01-en-Lithium_Knopfzelle_CR_2032.pdf

rgds

von The SphereX (Gast)


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@ Kai S.

" ... Du überlastest die Knopfzelle in deinem 6h Betrieb schon, ... "

Demnach überlastet ja so ziemlich jede kleine mit Knopfzellen betriebene 
LED Spielerei, wie z. B. Teelichter, kleine leuchtende Schneemänner oder 
was es da noch so alles gibt, die verwendete Batterie, nutzt diese also 
quasi zweckentfremdet. Ich bin bis jetzt zumindest immer davon 
ausgegangen, daß dies nicht der Fall ist. Deshalb wahrscheinlich auch 
mein Verständnisproblem. Dann ist natürlich auch klar, daß eine sowieso 
schon außerhalb der Spezifikation betriebene CR2032 mit einem Step-Up 
Wandler nur noch mehr belastet wird, und damit mein Vorhaben tatsächlich 
keinen Sinn macht :(.

Grüße,
The SphereX

von Udo S. (urschmitt)


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Ohne den Wandler zieht die Led deutlich weniger Strom, schon wegen dem 
Innenwiderstand der Zelle, der zu dem Vorwiderstand dazukommt.
Wenn die zelle leerer wird wird der Strom immer geringer, im Mittel 
werden da wohl keine 5mA fliessen.
Der Wandler holt sich die Energie die er braucht solange es irgendwie 
geht. Wenn die Spannung der Zelle durch den Innenwiderstand 
zusammenbricht, dann erhöht sich hal der Eingangsstrom des Wandlers 
weiter, je mehr, desto leerer die Zelle wird. Und schon ist der mittlere 
Eingangsstrom etwa 30mA


Siehe da 5mA versus 30mA 1h versus 6h, wer hätte das gedacht :-)

(Die Ströme sind jetzt einfach mal überschlagen, du kannst ja mal 
messen)

von Georg W. (gaestle)


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The SphereX schrieb:
> Welche
> Kapazität wäre für den Kondensator zu empfehlen?

Wenn es sogar 0,2mA gegen 25mA sind werden solche Experimente nichts 
mehr bringen. Die Stromaufnahme muss runter oder die Batteriegröße 
herauf. 1/2AA wäre ev. ein Kompromiss. Einfach mal mit der 
parametrischen Bauteilsuche bei rs und Konsorten spielen. Dann bekommst 
du einen Überblick was möglich ist.

von Wilhelm F. (Gast)


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Georg W. schrieb:

> Ev. hilft ein Kondensator
> parallel zur Batterie.

Für Schaltungen, die nur mal kurze Impulspakete brauchen, z.B. 
TV-Fernbedienung, da wird sowas gerne gemacht. Da werden die Batterien 
dann auch richtig leer gelutscht. Bei Dauerströmen hat es keinen Sinn.

von The SphereX (Gast)


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@ Udo Schmitt

" ... Siehe da 5mA versus 30mA 1h versus 6h, wer hätte das gedacht :-) 
... "

Genauso sieht's wohl aus. Da brauche ich dann auch sicherlich nichts 
mehr messen, denn Eure Argumente sprechen ja eindeutig für sich ;).

Also bleibt mir wohl nur, mich mit der ca. dreißigstündigen Leuchtdauer 
der LED mit Knopfzelle bei kontinuierlich bis zum Funzeln abnehmender 
Leuchtintensität zufriedenzugeben, oder nach einer alternativen 
Stromquelle gleicher Baugröße zu suchen, die ähnlich lange hält, dabei 
aber höhere Ströme erlaubt. Nur wird's die wahrscheinlich nicht geben???

Grüße,
The SphereX

von Pfogel (Gast)


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Es gibt durchaus auch Akkus in Knopfzellengröße auf NiMh oder NiCd 
Basis. Die ermöglichen höhere Ströme. Zwar haben die dann nicht so hohe 
Kapazitäten wie Lithiumzellen, aber wenigstens ist die Kapazität dann 
nutzbar.

von Kai S. (kai1986)


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Du kannst auch schauen, ob du effizientere LEDs bekommst, 20mA klingt 
nämlich nach Standard LED. Bei den LEDs hat sich in letzter Zeit aber 
sehr viel getan.

Gruß Kai

von The SphereX (Gast)


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@ Pfogel

" ... Es gibt durchaus auch Akkus in Knopfzellengröße ... "

Die haben dann aber leider auch deutlich geringere Kapazitäten und sind 
darüberhinaus auch noch deutlich teurer.

@ Kai S.

" ... Du kannst auch schauen, ob du effizientere LEDs bekommst, ... "

Über Low-Current-LEDs habe ich auch schon mal nachgedacht. Mal schauen.

Übrigens habe ich mir auch das von Dir empfohlene "Battery Capacity 
Tutorial" gerade angeschaut. War in der Tat sehr aufschlußreich und 
informativ.

Grüße,
The SphereX

von 6A66 (Gast)


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The SphereX schrieb:
> Über Low-Current-LEDs habe ich auch schon mal nachgedacht

Oder such Dir LEDs raus mit hoher Leuchtdichte und betreibe die mit 
geringem Strom. Kommt auf's gleiche raus udn wird von manchem Hersteller 
als "low current" vermarktet.

rgds

von The SphereX (Gast)


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Das wäre natürlich auch noch eine Möglichkeit. Ich habe sogar noch ein 
paar SuperFlux LEDs da. Mit denen werde ich dann mal etwas 
experimentieren.

Grüße,
The SphereX

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