Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Li-Ion-Spannung messen


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von Mampf F. (mampf) Benutzerseite


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Guten Morgen,

ich hab einen Li-Ion Akku (250mAh), den ich gerne messen würde.

Bisher hatte ich einfach einen Spannungsteiler aus 220k + 470k verwendet 
und hatte mit einem 12Bit ADC ein Ergebnis das zwar nicht gut, aber naja 
fast gut genug ist.

Der Controller läuft auf sowas 3V ... Mit dem Spannungsteiler bewegte 
sich die Spannung im Bereich von 2,24 (Akku leer) bis 2,86 (Akku voll).

Eine Idee, die mir kam, war statt den 220k einfach eine 2,6er Z-Diode zu 
verwenden.

Mit 470k ist der Strom aber sehr gering (min. 1,2µA).

Mehr Strom möchte ich aber nicht verwenden, weil die Gesamtstromaufnahme 
im Standby-Modus nur ca 6µA sind.

Kennt jemand Z-Dioden (in möglichst kleiner Bauform! 1206 ist schon zu 
groß), die so wenig Strom benötigen?

Hat jemand andere Ideen?

VG Mampf

von Manfred (Gast)


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Mampf F. schrieb:
> hatte mit einem 12Bit ADC ein Ergebnis das zwar nicht gut, aber naja
> fast gut genug ist.

Wenn es bei einem 12-Bit-Wandler nur "fast gut genug" ist, hast Du etwas 
gehörig falsch gemacht. Das sind 4096 Schritte gegen 4,2 Volt 
Endspannung, also eine Auflösung von 1,025 mV.

> Der Controller läuft auf sowas 3V ... Mit dem Spannungsteiler bewegte
> sich die Spannung im Bereich von 2,24 (Akku leer) bis 2,86 (Akku voll).

Kommt etwa hin. Du hast hoffentlich noch einen Kondensator parallel zum 
470k?
>
> Eine Idee, die mir kam, war statt den 220k einfach eine 2,6er Z-Diode zu
> verwenden.

Falscher Denkansatz, eine Z-Diode soll stabilisieren, im Meßzweig eher 
kontraproduktiv.

Ich habe in einer Anwendung mit Batterieüberwacchung einen P-FET 
spendiert. Ich schalte meinen Spannunghsteiler nur alle paar Minuten für 
knapp 5 ms auf den Akku, messe und gehe wieder runter, damit ist keine 
relevante Ruhelast mehr vorhanden.

von Mampf unterwegs (Gast)


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Manfred schrieb:
> Kommt etwa hin. Du hast hoffentlich noch einen Kondensator parallel zum
> 470k?

Nope bisher noch nicht... Hatte gestern aber nachgelesen, dass der bei 
so hohen Impedanzen zwingend notwendig ist... Gibt eine Appnote von ST.

Die Essenz war in etwa das hier: 150nF, maximal alle 30ms messen und 
Umwandlungszeit auf Maximum.

Die letzten beiden Dinge haben es schon verbessert... Den C muss ich 
noch hinkleben, hatte keinen in der Bauform :)

Also dann hast du die Erfahrung, dass das ganz gut gehen sollte?

Danke, dann probier ich das mit dem C noch aus :)

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Der Kondensator wird auf die Batteriespannung geladen und kann dann 
kurzfristig genug Strom für die ADC Messung liefern. Danach muss man ihm 
genug Zeit lassen, sich wieder aufzuladen.

von MaWin (Gast)


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Mampf F. schrieb:
> Kennt jemand Z-Dioden

Nein, 2.7V Z-Dioden sind katastrophal. Erst ab 6.2V werden Z-Dioden gut 
und haben eine steile Kennlinie auch bis runter auf uA. Nicht mal eine 
LED taugt für uA.

Übrigens solltest du mal ins Datenblatt deines uC gucken, ob der 
überhaupt so hochohmig messen kann. Die meisten uC mögen 10k 
Eingangsimpedanz damit beim Messen zumindest das letzte bit noch stimmt, 
bei 100k wäre der Messfehler 10 mal so gross, also +/-10 digits, und 
viele haben einen Eingangsstrom von 1uA der dir deine Messung mit einem 
Querstrom von 1.2uA um bis zu 80% Messfehler verhauen könnte.

Daher hilft auch der Kondensator am Eingang zur cerringerung der 
dynamischen Impedanz meist wenig.

Die richtige Schaltung zur Spreizung der Spannung ist also ein OpAmp als 
Differenzverstärker der aber eine definierte Spannung zum abziehen 
braucht, z.B. die VRef deines A/D-Wandlers.

von MaWin (Gast)


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Manfred schrieb:
> Falscher Denkansatz, eine Z-Diode soll stabilisieren, im Meßzweig eher
> kontraproduktiv.

Und du hast offenbar mal wieder gar nicht gedacht und nicht zugehört was 
mampf geschrieben hat. Er will sie nutzen um den Messbereich nicht so 
zusammenzustauchen.
1
      ZD2.6
2
Akku --|<|--+-- A/D
3
       `    |
4
           470k
5
            |
6
           GND

von Mampf F. (mampf) Benutzerseite


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MaWin schrieb:
> Und du hast offenbar mal wieder gar nicht gedacht und nicht zugehört was
> mampf geschrieben hat. Er will sie nutzen um den Messbereich nicht so
> zusammenzustauchen.      ZD2.6
> Akku --|<|--+-- A/D
>        `    |
>            470k
>             |
>            GND

Ja genau das war mein Gedanke ... Ich hatte heute früh in einem anderen 
Thread gelesen, wo es ebenfalls um Akkus ging, bei dem ein 
50V-Spannungsregler gebraucht worden wäre und Falk riet, eine Z-Diode in 
Reihe zu verwenden, die schonmal einen Großteil der Spannung vom 
Spannungsregler fern hält.

Jemand anderes hatte dann über Spannungslupen geschrieben und ich hatte 
danach gegoogelt und dann kam mir die Idee, dass das im Prinzip das 
Problem lösen würde, das ich mit meiner Akku-Messschaltung habe.

Aber ob es praktisch gut einsetzbar ist, weiß ich nicht ... Exotische 
Schaltungen mit Z-Dioden in Reihe zu irgendwas hatte ich bisher immer 
vermieden.

Wenn ich Platz hätte, gäbe es einen sauberen OP vor dem ADC, der mir 
meine Akku-Spannung schön aufbereitet.

Aber Platz hab ich leider nicht ...

: Bearbeitet durch User
von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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> Daher hilft auch der Kondensator am Eingang zur cerringerung der
> dynamischen Impedanz meist wenig.

Doch der Kondensator hilft sehr viel. Denn die Funktionsweise des ADC 
beruht darauf, daß im Sample&Hold Teil ein Kondensator geladen wird, der 
wenige pF hat. Danach wird dessen Spannung gemessen.

Da nun die Spannung von einem externen 100nF Kondensator in einen 
internen 10pF Kondensator umlädt, sind die Verluste vernachlässigbar.

Noch ein Tipp zum Strom-Sparen: Anstatt den Spannungsteiler ständig an 
der Batterie hängen zu haben, kannst du ihn auch durch einen Transistor 
in den Pausenzeiten zwischen den Messungen "abklemmen". Dabei baer nicht 
vergessen, daß dein 100nF Kondensator eine gewisse Zeit zum Aufladen 
benötigt.

Wenn der µC mit seinem VCC Anschluss direkt an der Batterie hängt, 
kannst du zum Abschalten des Spannunsgteilers direkt einen I/O Pin 
verwenden. Wenn er auf High geschaltet wird, kommt da annähernd* die 
Batteriespannung raus. Wenn er auf Low geschaltet wird, fließt kein 
Strom durch den Spannunsgteiler.

*Ob das Ok ist, kommt drauf an, wie genau die Messung sein soll. Für 
eine grobe Anzeige der Batteriestatus reicht das so auf jeden Fall aus.

: Bearbeitet durch User
von Harald W. (wilhelms)


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Mampf F. schrieb:

> Ja genau das war mein Gedanke ... Ich hatte heute früh in einem anderen
> Thread gelesen, wo es ebenfalls um Akkus ging, bei dem ein
> 50V-Spannungsregler gebraucht worden wäre und Falk riet, eine Z-Diode in
> Reihe zu verwenden, die schonmal einen Großteil der Spannung vom
> Spannungsregler fern hält.

Bei der Anwendung kommt es auf ein Volt mehr oder weniger ja auch
nicht an. Für Deine Anwendung sind aber Z-Dioden viel zu ungenau.

von Mampf F. (mampf) Benutzerseite


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Harald W. schrieb:
> Bei der Anwendung kommt es auf ein Volt mehr oder weniger ja auch
> nicht an. Für Deine Anwendung sind aber Z-Dioden viel zu ungenau.

Okay, vielen Dank für deine Einschätzung!

Dann bau ich noch ein 150nF C an den Eingang und teste, ob es dann 
besser klappt :)

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