Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Step Up oder Step Down? Vorteile?


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von Kibo (Gast)


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Hallo zusammen!

Ich war gerade an diesem schönen Nachmittag wieder am philosophieren und 
dachte mir, dass ich meine Gedanken gerne mit euch teilen würde:)

Ich suche für meine Schaltung eine geeignete Spannungsregelung. Ich bin 
am überlegen, ob ein Step Up oder Step Down Regler vorteilhafter ist. 
Aber zuerst ein paar Daten:

Mikrocontroller: Atmega8
Takt: 1 MHz (intern)
Spannung: 5 V
Maximaler Strom: ca. 400 mA

Es geht um ein Lasertag Projekt. Ich möchte eine LED mit 48 kHz pulsen 
und Daten (RC5) übertragen und empfangen.

Möglichkeiten, die ich sehe:

Step Up:
Eingangsspannung 3,7 V - 2,5 V, also eine Zelle, zu 5 V

Step Down:
Eingangsspannung 7,4 V - 6,5 V (drop out voltage) zu 5 V

Ich habe schon gesehen, dass bei einem Step Up Regler einiges zu 
beachten ist bzgl. maximal möglicher Strom, für die gegebene Schaltung 
sollte es m.E. aber machbar sein.

Ich würde lieber einen Step Up Regler verwenden, da es im entsprechenden 
Spannungsbereich deutlich kleinere Akkus (z.B. Handyakkus) gibt.

Ich frage mich, ob ihr noch Argumente kennt, die für oder gegen einen 
Step Up Wandler sprechen.

Vielleicht noch eine blöde Frage:
Wenn bei einem Step Up Wandler von 2,5 V auf 5 V 400 mA rauskommen 
sollen, müssen (soweit ich weiß) 800 mA reingehen. Bedeutet das, dass 
die Batterie sich auch doppelt so schnell entlädt?

Liebe Grüße
René

: Verschoben durch Moderator
von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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Gegenfrage: Brauchst du denn überhaupt unbedingt eine geregelte Spannung 
von 5 V? Einer der Vorteil der simplen AVR-Architektur ist es ja, dass 
man sie (erst recht bei Betrieb mit nur 1 MHz) direkt aus einer 
LiIon-Zelle speisen kann, da der komplette Spannungsbereich der Zelle 
(3,0 … 4,2 V) im akzeptablen Betriebsspannungsbereich des Controllers 
liegt.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Ich habe in der Ausbildung mal gelernt, dass Step-Up Wandler eher 
weniger Effizient sind und mehr Störungen abstrahlen, als Step-Down 
Wandler. Ob das noch aktuell ist, weiß ich nicht.

Wenn bei einem Step-Down Wandler der Schalt-Transistor mit einem 
Kurzschluss stirbt, bekommt die ganze Schaltung dahinter Überspannung 
und stirbt mit.

Insofern bin ich etwas hin und her gerissen, was ich besser finden soll. 
Die allermeisten Batteriebetriebenen Schaltungen von mir arbeiten aber 
wie in Jörgs Empfehlung ganz ohne Spannungsregler.

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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Falls nur einzelne Verbraucher und nur gelegentlich eine höhere Spannung 
brauchen, könnte man auch über einen Step-Up nachdenken, der nur bei 
Bedarf aktiviert wird.

Kibo schrieb:
> Wenn bei einem Step Up Wandler von 2,5 V auf 5 V 400 mA rauskommen
> sollen, müssen (soweit ich weiß) 800 mA reingehen. Bedeutet das, dass
> die Batterie sich auch doppelt so schnell entlädt?

Doppelt so schnell wie was?

Doppelt so schnell wie mit 400 mA: ja, na klar – sogar noch ein bisschen 
schneller, wegen des Peukert-Effekts.  Außerdem hat natürlich dein 
Wandler einen Wirkungsgrad kleiner als 1.

von Jörg R. (solar77)


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Kibo schrieb:
> Vielleicht noch eine blöde Frage:
> Wenn bei einem Step Up Wandler von 2,5 V auf 5 V 400 mA rauskommen
> sollen, müssen (soweit ich weiß) 800 mA reingehen. Bedeutet das, dass
> die Batterie sich auch doppelt so schnell entlädt?

Im Prinzip ja, obwohl die Rechnung nicht ganz stimmt.

Nach Deiner Rechnung hätte der Wandler 100% Wirkungsgrad. Er hat aber 
irgendetwas um die 80% bis 90%. Der Eingangsstrom ist dementsprechend 
höher, der Akku also schneller leer. 2,5 Volt ist aber nicht die 
Spannung mit der du rechnen kannst, dann ist der Akku bereits leer. Der 
Eingangsstrom steigt mit sinkender Akkuspannung.

Akkus haben eine höhere Kapazität wenn der Entladestrom geringer ist. 2 
Akkus in Reihe an einem Step Down sind effektiver wie 1 Akku an einem 
Step Up.

: Bearbeitet durch User
von W.S. (Gast)


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Kibo schrieb:
> Möglichkeiten, die ich sehe:

Sieh lieber zu allererst nach etwas ganz anderem, nämlich was für eine 
Versorgung du überhaupt vorsehen willst:
- ordinäres Primärelement aka Batterie zu etwa 1.5V
- mehrere davon in Reihe
- NiMH-Akku
- mehrere NiMH-Akkus in Reihe
- Li-Akku
- mehrer Li-Akkus
- Bleigel-Akku

Dein "Eingangsspannung 3,7 V - 2,5 V" paßt eigentlich nirgendwo.

Wenn es ein Akku sein soll und du nicht Probleme mit dem Aufladen haben 
willst, dann kommt eigentlich nur eine Variante in Frage: ein einzelner 
Li-Akku und du darfst dort 3,3V .. 4,2V ansetzen.

Für diesen Spannungsbereich gibt es einige Sorten µC,  die mit 3,0 .. 
5,5V klarkommen. Also überdenke nochmal deine µC-Auswahl. Ansonsten kann 
man immer noch einen passenden Lodrop-Regler davor setzen, um den µC mit 
konstanten 3,3V zu betreiben.

Und eine etwaige "Sender-Endstufe" solltest du aus der Akkuspannung 
direkt betreiben oder dieser einen stromsparenden Buck gönnen. Der müßte 
dann aber synchron gleichrichten, um die Flußspannung der Diode zu 
vermeiden, sonst lohnt sich das nicht.

W.S.

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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W.S. schrieb:
> Für diesen Spannungsbereich gibt es einige Sorten µC,  die mit 3,0 ..
> 5,5V klarkommen. Also überdenke nochmal deine µC-Auswahl.

Muss er nicht: sein Controller kann das bereits.  (OK, wenn es ein 
historischer ATmega8 ist und kein ATmega8A, dann müsste man die Variante 
ATmega8L benutzen, um innerhalb der Specs zu bleiben.)

> Dein "Eingangsspannung 3,7 V - 2,5 V" paßt eigentlich nirgendwo.

Soll wohl LiIon sein.  Fehlannahme #1: geht eh' nicht bis 2,5 V hinab, 
dann ist er schon fast tot, und zwischen Entladeschlussspannung 3,0 oder 
3,3 V und 2,5 V liegt fast keine entnehmbare Energie mehr.  Fehlannahme 
#2: 3,7 V ist die Nennspannung, aber die Maximalspannung ist 4,2 V 
(die dann schnell auf 4,0 V fällt bei Entladung).

: Bearbeitet durch Moderator
von Christian S. (roehrenvorheizer)


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Hallo,

Deine Stepdown Variante ist auf jeden Fall einfacher schaltungstechnisch 
zu realisieren und dürfte einen größeren Wirkungsgrad haben.


"Vielleicht noch eine blöde Frage:
Wenn bei einem Step Up Wandler von 2,5 V auf 5 V 400 mA rauskommen 
sollen, müssen (soweit ich weiß) 800 mA reingehen. Bedeutet das, dass 
die Batterie sich auch doppelt so schnell entlädt?"

Nein, weil Du ja vorher so schlau warst, eine doppelt so starke Batterie 
zu verwenden, die mit den 800mA+ gut klar kommt. Außerdem hast Du 
doppelt so dicke Drähte verwendet.

mfG

von Helmut S. (helmuts)


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Ein stepup-Regler ist zwar etwas aufwendiger, aber man muss dafür keine 
LiPO-Akkus in Reihe schalten. Die Reihenschaltung erfordert spzielle 
Ausgleichsmaßnahmen beim Laden und auch die Überwachung der Spannung der 
einzelnen Zellen beim entladen macht mehr Aufwand.

von Udo K. (Gast)


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Nimm doch einen modernen uC, der mit 3 Volt funkt...

Ist doch sinnbefreit, erst mal aus 3.7 Volt 5 Volt zu machen,
und der uC regelt das intern wieder auf 3 volt oder so runter...

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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Udo K. schrieb:
> Nimm doch einen modernen uC, der mit 3 Volt funkt...

Nochmal: der Controller macht das, auch wenn er nicht „modern“ ist.
(Im Gegenteil: „moderne“ Controller haben Probleme mit einem voll
geladenen LiIonen-Akku, da dessen Spannung deren Grenzwerte in der
Regel überschreitet.  Der olle AVR hat dagegen mit 4,2 V kein Problem.)

Es ist die Frage, was der Rest ggf. braucht, aber da müsste sich der TE
wohl erstmal äußern.

> und der uC regelt das intern wieder auf 3 volt oder so runter

Macht ein AVR übrigens nicht.  Der läuft (je nach Exemplar) von 1,8
bis 5,5 V ohne weitere Regelstufen.  CMOS halt – das CMOS-Urgestein
CD4000 lief schließlich auch zwischen 3 und 15 V Versorgungsspannung.

: Bearbeitet durch Moderator
von low-v (Gast)


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Jörg W. schrieb:
> Nochmal: der Controller macht das, auch wenn er nicht „modern“ ist.

Wenn die Funktionalität ausreicht: Manche können 2,7-6V. So einige
Standard-Typen für niedrigere Clock-f laufen tatsächlich bis 2,7V.

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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low-v schrieb:
> So einige
> Standard-Typen für niedrigere Clock-f laufen tatsächlich bis 2,7V.

Die neueren bis 1,8 V hinab (ATmega88PA).  Der ATmega8A läuft „nur“
bis 2,7 V, aber das reicht für eine einzelne LiIon-Zelle allemal.

von low-v (Gast)


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Jörg W. schrieb:
> Die neueren bis 1,8 V hinab (ATmega88PA).

Aha, da bin ich nicht auf dem neuesten Stand. Macht ja nichts.

> bis 2,7 V reicht für eine einzelne LiIon-Zelle allemal.

Genau das hatte ich gemeint. Einfach kein Regler nötig. So spart
man sich die Kosten für diesen, und auch die betreffenden Arbeiten.

Gut, andere sagen wieder: "Man braucht einen hocheffizienten Buck,
damit der µC auf der niedrigst praktikablen Spannung laufen kann.
So ist der Verbrauch am geringsten, die Zelle hält etwas länger."

Aber auf einige % bessere Kapazitätsausnutzung kommt es mir selbst
eher selten an. Habe weder mit besonders kritischen Sachen zu tun,
noch etwas mit Serienfertigung zu tun. Deshalb sehe ich hier keine
Notwendigkeit. Muß wohl jeder Bastler selbst entscheiden.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Den Platz, denn man durch Weglassen des Spannungswandler spart, kann man 
dann für einen größeren Akku nutzen. Außerdem spart das Weglassen des 
Spannungswandler auch Strom - der Akku hält länger.

von Kibo (Gast)


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Wow, ihr seid ja sehr fleißig gewesen über Nacht :) Danke! Ich komme 
leider jetzt erst dazu zu antworten:

Um zuerst ein paar Fragen zu beantworten:
Wie gesagt geht es um ein Lasertag Projekt. Ich möchte, dass mein Sender 
ein möglichst hohes und konstantes (bezogen auf die Intensität) 
Infrarotsignal sendet (Augensicherheit nach DIN EN 62471 beachtet). 
Deshalb bin ich davon ausgegangen, dass ich einen Spannungsregler 
benötige. Würde ich diesen weglassen um den Controller direkt aus einer 
Zelle zu betreiben, würde die Intensität des Signals mit abnehmender 
Akkuspannung sinken (nicht unbedingt gewünscht). Außerdem habe ich 
weitere LEDs für Lichteffekte und einen Piezzo für Geräusche 
angeschlossen und ich bin nicht sicher, ob ich möchte, dass deren 
Effekte sich mit abnehmender Akkuspannung ändern.

Bisher verwende ich einen 7,4 V ca. 1200 mAh LiPo Modellbauakku mit Step 
Down Regler. Ich versuche natürlich 1. den Bauraum zu reduzieren und 2. 
weniger fliegende Kabel in meinem Aufbau zu haben. Mit den 7,4 V 
Modellbau Akkus bin ich auf eine gewisse Größe beschränkt.

Deshalb war ich jetzt am Überlegen, dass z.B. bei Smartphones 3,7 V 
Akkus mit 2800 mAh verbaut sind, welche relativ klein und direkt auf der 
Rückseite der Platine angebracht sind (weniger fliegende Kabel). Hört 
sich erst einmal ganz gut an, deshalb die Überlegung einen Step Up 
Regler zu verwenden. Außerdem gibt es viele kleine Leistungsstarke Akkus 
unter 5 V, wie z.B. den Sony Konion Akku 18650.

Natürlich lohnt sich der ganze Aufwand nur, wenn ich später mit gleichem 
(oder kleinerem) Bauraum eine ähnlich lange (oder längere) Akkulaufzeit 
realisieren kann.

Deshalb der Vergleich (nur Überschlagsrechnung, Wirkungsgrade nicht mit 
einbezogen, angenommen minimale Spannung der Zelle 2,5 V):

7,4 V LiPo (2 Zellen) 400 mA, 1200 mAh = 3 Stunden Akkulaufzeit
3,7 V LiPo (1 Zelle), braucht 800 mA, um 400 mA auszugeben, 2800 mAh = 
3,5 Stunden Akkulaufzeit

Ist diese Annahme in etwa korrekt?

Jörg R. schrieb:
> Akkus haben eine höhere Kapazität wenn der Entladestrom geringer ist. 2
> Akkus in Reihe an einem Step Down sind effektiver wie 1 Akku an einem
> Step Up.

Danke für die Info, gute Überlegung

W.S. schrieb:
> Und eine etwaige "Sender-Endstufe" solltest du aus der Akkuspannung
> direkt betreiben oder dieser einen stromsparenden Buck gönnen. Der müßte
> dann aber synchron gleichrichten, um die Flußspannung der Diode zu
> vermeiden, sonst lohnt sich das nicht.

Das habe ich nicht verstanden, kannst du das bitte etwas ausführlicher 
beschreiben?

Helmut S. schrieb:
> Ein stepup-Regler ist zwar etwas aufwendiger, aber man muss dafür keine
> LiPO-Akkus in Reihe schalten. Die Reihenschaltung erfordert spzielle
> Ausgleichsmaßnahmen beim Laden und auch die Überwachung der Spannung der
> einzelnen Zellen beim entladen macht mehr Aufwand.

Ist zwar kein muss, aber es wäre natürlich praktisch, wenn die 
Elektronik den Akku selbst laden kann und ich kein extra Ladegerät 
benötige.

Christian S. schrieb:
> Nein, weil Du ja vorher so schlau warst, eine doppelt so starke Batterie
> zu verwenden, die mit den 800mA+ gut klar kommt. Außerdem hast Du
> doppelt so dicke Drähte verwendet.

Sicher? Mir geht es hier nicht um den Stromfluss bzw. die 
Strombelastbarkeit der Batterie / Schaltung, sondern darum, dass sich 
die  Batterie bei 800 mA schneller entlädt als mit 400 mA.


Wenn ich die Vorschläge so zusammenfasse, dann scheint es mir, dass ihr 
dazu tendiert, den Controller direkt aus einer Zelle zu betreiben und 
wenn ich für einen Verbraucher (wie die Infrarot LED) unbedingt eine 
feste Spannung benötige, diesen separat mit einem Spannungsregler (Step 
Up) zu versorgen?

von Peter D. (peda)


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Kibo schrieb:
> Wie gesagt geht es um ein Lasertag Projekt. Ich möchte, dass mein Sender
> ein möglichst hohes und konstantes (bezogen auf die Intensität)
> Infrarotsignal sendet (Augensicherheit nach DIN EN 62471 beachtet).

Dann nimm nur eine Zelle ohne Regler direkt an nen AVR für 1,8..5,5V.
Und die LED wird über einen Schaltregler mit Konstantstromausgang 
gepeist. Dafür gibt es LED-Treiber-ICs oder mit etwas Programmieraufwand 
kann das auch der AVR über einen PWM-Ausgang mit machen.

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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Kibo schrieb:
>> Und eine etwaige "Sender-Endstufe" solltest du aus der Akkuspannung
>> direkt betreiben oder dieser einen stromsparenden Buck gönnen. Der müßte
>> dann aber synchron gleichrichten, um die Flußspannung der Diode zu
>> vermeiden, sonst lohnt sich das nicht.
>
> Das habe ich nicht verstanden, kannst du das bitte etwas ausführlicher
> beschreiben?

Das Schaltelement im Aufwärtswandler soll keine Diode sein (denn die hat 
selbst bei Schottky was um die 0,3 … 0,5 V Flussspannung) sondern ein 
FET, der synchron zum Takt geschaltet wird.  Der hat dann nur einen 
Kanalwiderstand, den man sich passend klein aussuchen kann, dass man 
unter 0,1 V Spannungsabfall bleiben kann.

Peter D. schrieb:
> Und die LED wird über einen Schaltregler mit Konstantstromausgang
> gepeist. Dafür gibt es LED-Treiber-ICs oder mit etwas Programmieraufwand
> kann das auch der AVR über einen PWM-Ausgang mit machen.

Diese Variante hielte ich auch für die praktikabelste. Wie ich oben 
schon schrieb, kann man dann den AVR komplett „unter Spannung“ lassen, 
er kann dann via Software das Einschalten der restlichen Schaltung 
übernehmen. Habe ich auf diese Weise selbst schon in mehreren Geräten so 
realisiert. Man muss nur drauf achten, dass im Schlafzustand keine 
Querströme über die Pins fließen können.

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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Kibo schrieb:
> Wie gesagt geht es um ein Lasertag Projekt. Ich möchte, dass mein Sender
> ein möglichst hohes und konstantes (bezogen auf die Intensität)
> Infrarotsignal sendet (Augensicherheit nach DIN EN 62471 beachtet).

Zu diesem Zweck sollte eine Laserdiode immer eine Onchip Photodiode 
haben, die zur Regelung der LD verwendet wird. Dieser Regelung ist die 
Speisespannung so gut wie egal, denn sie sorgt selber für konstanten 
Strom durch die LD. Nur beim Unterschreiten der Uf der Laserdiode durch 
die Speisung ist eben Feierabend.

: Bearbeitet durch User
von Kibo (Gast)


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Jörg W. schrieb:
> Peter D. schrieb:
>> Und die LED wird über einen Schaltregler mit Konstantstromausgang
>> gepeist. Dafür gibt es LED-Treiber-ICs oder mit etwas Programmieraufwand
>> kann das auch der AVR über einen PWM-Ausgang mit machen.
>
> Diese Variante hielte ich auch für die praktikabelste. Wie ich oben
> schon schrieb, kann man dann den AVR komplett „unter Spannung“ lassen,
> er kann dann via Software das Einschalten der restlichen Schaltung
> übernehmen. Habe ich auf diese Weise selbst schon in mehreren Geräten so
> realisiert.

Schaltregler mit Konstantstromausgang; also entweder nehme ich fertige 
Treiber dafür oder ich realisiere das durch den AVR... Zu letzterer 
Methode: Verstehe ich es richtig, dass ich dann z.B. über einen Shunt im 
Stromkreis der LED die Spannung kontinuierlich messe und abhängig davon 
die Spannung mittels PWM (und evtl. Kondensator zum Glätten?) durch den 
AVR regel?

Jörg W. schrieb:
> Man muss nur drauf achten, dass im Schlafzustand keine
> Querströme über die Pins fließen können.

... was ich wie genau vermeide? Ich habe diese Art der Schaltung noch 
nicht getestet, deshalb die Frage: Was könnte ich falsch machen, bzw. 
wie kann ich es verhindern, dass Querströme fließen?

Matthias S. schrieb:
> Zu diesem Zweck sollte eine Laserdiode immer eine Onchip Photodiode
> haben, die zur Regelung der LD verwendet wird. Dieser Regelung ist die
> Speisespannung so gut wie egal, denn sie sorgt selber für konstanten
> Strom durch die LD. Nur beim Unterschreiten der Uf der Laserdiode durch
> die Speisung ist eben Feierabend.

Stimmt, da habe ich gar nicht daran gedacht. Ich glaube bei 
zertifizierten Lasermodulen wird das (immer) so gemacht. Ist natürlich 
sehr elegant, allerdings sehe ich keine Möglichkeit, die Fotodiode zu 
kalibrieren: Im Moment muss ich mich an das Datenblatt halten; Das steht 
dann die Min., AVG. und Max. Bestrahlungsstärke bei 100 mA. Das heißt 
ich messe den Strom und muss z.B. bei 100 mA vom maximal möglichen Wert 
der Bestrahlungsstärke ausgehen. Ist natürlich eine sehr konservative 
Rechnung und trägt nicht dazu bei, die tatsächliche Leistung bis an den 
zugelassenen Grenzwert auszureizen.

Aber wenn ich eine Fotodiode anschließe und deren Signalstrom über z.B. 
einen Transimpedanzwandler messe, erhalte ich nur einen Spannungswert. 
Woher weiß ich, dass dann ein Spannungswert von X für die 
Bestrahlungsstärke Y steht? Ich sehe im Moment keine Möglichkeit die 
Fotodiode dafür zu kalibrieren.


Danke für die bisherigen phänomenalen Antworten! Ihr scheint echt Ahnung 
zu haben ;)

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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Kibo schrieb:
> Jörg W. schrieb:
>> Man muss nur drauf achten, dass im Schlafzustand keine
>> Querströme über die Pins fließen können.
>
> ... was ich wie genau vermeide? Ich habe diese Art der Schaltung noch
> nicht getestet, deshalb die Frage: Was könnte ich falsch machen, bzw.
> wie kann ich es verhindern, dass Querströme fließen?

Wenn du beim Schlafengehen Teile der Schaltung spannungsfrei machst, 
dann darfst du keinen Ausgang auf high (und auch keinen Eingang mit 
Pullup) mehr haben, der mit diesem Teil der Schaltung verbunden ist. 
Ansonsten treibt dein Ausgang einen Strom in den eigentlich 
spannungsfreien Bereich der Schaltung hinein.

Also in diese Richtung entweder nur noch Ausgänge, die low sind, oder 
Eingänge ohne Pullup.

Ansonsten braucht ein AVR typischerweise weniger Strom im Tiefschlaf, 
als die Selbstentladung üblicher Batterien beträgt *). Kriechströme auf 
dreckigen Platinen (Flussmittelreste, die allmählich Wasser aufnehmen) 
machen dann schnell eine Größenordnung (oder höher) mehr aus als der 
eigentliche Controller.

*) Bei sehr hohen Temperaturen stimmt das nicht mehr ganz, wenngleich 
auch die Selbstentladung dann rapide zunimmt.

Kibo schrieb:
> Ich glaube bei zertifizierten Lasermodulen wird das (immer) so gemacht.

Ich habe keine eigenen Erfahrungen mit Laserdioden. Was ich aber bislang 
gelesen habe, kommt man dort um eine analoge Regelung des Stroms nicht 
umhin. Der Controller wird dafür zu langsam sein.

Wie man das kalibriert, die Frage müssen allerdings andere beantworten.

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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Kibo schrieb:
> Aber wenn ich eine Fotodiode anschließe und deren Signalstrom über z.B.
> einen Transimpedanzwandler messe, erhalte ich nur einen Spannungswert.
> Woher weiß ich, dass dann ein Spannungswert von X für die
> Bestrahlungsstärke Y steht? Ich sehe im Moment keine Möglichkeit die
> Fotodiode dafür zu kalibrieren.

Das ist nicht so kompliziert. Du baust dir eine Konstantstromquelle, die 
die Photodiode und eine etwaige Grundeinstellung beinhaltet. Hier ist so 
ein Dings (Fig. 10) mit Feedback und MC programmierbarem Strom:
https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/an-introduction-to-laser-diodes/

plus Modulationseingang, wers braucht.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Für weiße und blaue LEDs gibt es raffinierte Aufwärtswandler 
Schaltungen, wo die LED selbst als Schaltelement benutzt wird. Dadurch 
entfallen die Verluste an der sonst üblichen Shottky-Diode und der 
Schaltungsaufwand für den oben genannten zweiten Transistor.

Zum Beispiel:
Beitrag "Re: weisse led step up regler"

In den billigen Solar-Lampen für den Garten wird diese Technik 
angewendet.

: Bearbeitet durch User
von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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Stefanus F. schrieb:
> Für weiße und blaue LEDs gibt es raffinierte Aufwärtswandler
> Schaltungen, wo die LED selbst als Schaltelement benutzt wird.

Da er IR machen will, dürfte er das Problem nicht haben.

> Dadurch
> entfallen die Verluste an der sonst üblichen Shottky-Diode

Walter Schottky hieß der Herr. ;)

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Jörg W. schrieb:
>> Für weiße und blaue LEDs gibt es raffinierte Aufwärtswandler
>> Schaltungen, wo die LED selbst als Schaltelement benutzt wird.
> Da er IR machen will, dürfte er das Problem nicht haben.

Ich meinte für die Lichteffekte.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Kibo schrieb:
> Ich sehe im Moment keine Möglichkeit die Fotodiode dafür zu kalibrieren.

Da wird eine Stabilisierung angebracht sein. Ich würde das mit einer 
roten oder grünen Power-LED kombinieren:
1
           1k           Power LED
2
Batt o----[===]-------+----|>|----| GND
3
                      |
4
                      +----||-----| 100µF
5
                      |
6
                      |            Photodiode
7
                      +---[===]---+---|<|---| GND
8
                      |           |
9
                      |           |
10
                    AREF        Signal

Die Power-LED sorgt für eine einigermaßen Konstante Spannung, die 
zugleich auch als Referenz für den ADC verwendet wird.

Wenn du statt Fotodiode einen Fototransistor verwendest, kannst Du Dir 
vermutlich den Verstärker sparen.

Eine konstante Spannung genügt aber nicht, denn das Ganze hängt auch von 
der Temperatur, dem Umgebungslicht und Verunreinigungen des Gehäuses ab. 
Ich würde beim Einschalten der Stromversorgung den aktuellen Ist-Zustand 
als Ruhepegel erfassen, und danach auf erheblich mehr Helligkeit 
reagieren.

: Bearbeitet durch User
von Marcus H. (Firma: www.harerod.de) (lungfish) Benutzerseite


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> Mikrocontroller: Atmega8
> Takt: 1 MHz (intern)
> Spannung: 5 V
> Maximaler Strom: ca. 400 mA
>
> Es geht um ein Lasertag Projekt. Ich möchte eine LED mit 48 kHz pulsen
> und Daten (RC5) übertragen und empfangen.

Was ist die Flussspannung der LED beim gewünschten Betriebsstrom?

Bei Li-Ion und niedriger last sind zwischen 3,5V->2,5V nur ca. 20% der 
Kapazität versteckt.

U.U. ist ein Wandler überflüssig...

von Marcus H. (Firma: www.harerod.de) (lungfish) Benutzerseite


Angehängte Dateien:

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Jörg W. schrieb:
> Stefanus F. schrieb:
...
>> Dadurch
>> entfallen die Verluste an der sonst üblichen Shottky-Diode
>
> Walter Schottky hieß der Herr. ;)

... und ist hier nebenan in Pretzfeld begraben.
Ich komme an dem Friedhof alle paar Tage vorbei.
Soll ich ihm von Euch ein Lichtlein auf den Grabstein stellen?

: Bearbeitet durch User
von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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Marcus H. schrieb:
> Soll ich ihm von Euch ein Lichtlein auf den Grabstein stellen?

Oder eine Schottky-Diode. ;-)

von Kibo (Gast)


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So ich habe mir, basierend auf euren tollen Vorschlägen, viele Gedanken 
gemacht und für mich eine vorläufige Lösung gefunden (man muss bedenken, 
dass Elektronik für mich noch ein Hobby ist und ich noch einiges 
dazulernen muss, weshalb ich bei den komplizierteren Lösungen noch etwas 
zurückhaltend bin):

-Dass ich den Mikrocontroller direkt aus der Zelle betreibe, halte ich 
für    sehr vernünftig. Das heißt ich muss von meinem Atmega8 auf einen 
Atmega8L umsteigen, das istja durchaus machbar.

-Für die Steuerung der InfrarotLED (ich verwende die TSAL6100, V(typ) = 
1,35 V) werde ich zunächst auf eine simple Lösung setzen: Ich werde 
einen (ultra) lowdrop Spannungsregler, wie den TPS6222x (habe ich nach 
kurzer Suche gefunden, ggf. gibt es noch geeignetere) verwenden und 
diesen direkt vor die LED setzen. Damit kann ich dann die 
Batteriespannung auf einen festen Wert regeln, der nahe (oder gleich) 
der Betriebsspannung der LED ist. Notfalls verwende ich zusätzlich noch 
einen Widerstand.

Natürlich sind damit nicht herstellungsbedingte Schwankungen der 
tatsächlichen Bestrahlungsstärke berücksichtigt, aber die maximale 
Bestrahlungsstärke wird zumindest nicht überschritten, das kann ich als 
vorläufige Lösung akzeptieren.

Erwärmung halte ich für ein vernachlässigbares Problem: Ich betreibe die 
LED moduliert mit 38 kHz und 50 % duty cycle, je 600 us an und 600 us 
aus für insgesamt 0,1 s pro gesendetem Signal. Ich betreibe die LED bei 
ca. 1,6 V für 200 mA. Danach ist für mindestens eine Sekunde Pause 
(spieltechnisch so gedacht).


Eine Frage stellt sich mir noch:
Es gibt sich doch wahrscheinlich nicht viel, ob ich nur die Spannung der 
LED regel oder gleich die komplette Schaltung an den Spannungsregler 
anschließe. Ich könnte z.B. mit dem Spannungsregler die Spannung auf 3 V 
regeln (der hat nahezu 0 dropout, wie es scheint) und die übrigen 
Komponenten auf 3 V auslegen (LEDs mit Widerständen, Piezos). Dadurch 
würde die gesamte Performance (Signale und Geräusche) auch konstant über 
die komplette Akkuspannung bleiben. Sieht da jemand Nachteile?

Wie gesagt das ist jetzt nur eine vorläufige Lösung. Für die Zukunft 
sind noch ein paar Punkte offen geblieben, die ich abarbeiten werde, 
sobald ich mehr Zeit dafür habe. Offengebliebene Punkte:

-Regelschaltungen für die Bestrahlungsstärke mit Fotodiode usw. 
(erfordert einiges an Entwicklungsaufwand)

-ICs als Konstrantstromquellen für LEDs, die mit 200 mA und zwischen 3,7 
V (oder 4,2 V) und 2,5 V (oder 3 V) Eingangsspannung arbeiten, habe ich 
keine gefunden. Außerdem scheinen die gefundenen ICs sich nicht (oder 
nur sehr beschränkt) für den modulationsbetrieb (38 kHz) zu eignen

-Konstanstromquelle mit dem AVR über PWM zu realisieren 
(Entwicklungsaufwand, Gefahr der Augenschädigung, wenn ich falsch 
programmiere)


Puh, das ist ja ein ziemlich langes Thema geworden. Ich danke euch allen 
für die tollen Ideen! Ich weiß jetzt schon viel konkreter wie ich 
vorgehen möchte. Zurzeit muss sich mein Entwickeln leider auf die 
Wochenenden beschränken, deshalb geht es etwas langsamer voran. Durch 
euch habe ich glaube ich die nächsten Monate noch einiges vor ;)

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Du kannst die IR LED alternativ mit zwei Transistoren mit Konstantstrom 
betreiben. Eventuell ist das billiger, als per Spannungsregler:

http://www.dieelektronikerseite.de/Lections/Konstantstromquelle%20-%20Immer%20das%20Gleiche.htm

10k Ohm ist für 2-4 Volt Spannungsversorgung wohl zu viel, mach das 
lieber mit 1k Ohm.

Ich vermute mal, dass du die IT LED modulieren (echnell ein/aus 
schalten) willst. Geht das überhaupt mit dem Spannungsregler? Bei der 
Transistorschaltung wäre das ganz simpel, da müsstest du den 1k Ohm 
Widerstand einfach mit dem Ausgang des µC verbinden, anstatt mit VCC.

von Marcus H. (Firma: www.harerod.de) (lungfish) Benutzerseite


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Kibo schrieb:
> So ich habe mir, basierend auf euren tollen Vorschlägen, viele Gedanken
> gemacht und für mich eine vorläufige Lösung gefunden (man muss bedenken,
> dass Elektronik für mich noch ein Hobby ist und ich noch einiges
> dazulernen muss, weshalb ich bei den komplizierteren Lösungen noch etwas
> zurückhaltend bin):
>
Danke für die Rückmeldung. So Leute wie Dich braucht das Forum. Wäre 
schön, Dich nach Deiner Anmeldung öfters zu lesen. :)

Wir haben grad einen Labortermin für ein mobiles Medizingerät gebucht.
Dort werden MCU und Sensorik jeweils durch zwei getrennte LDOs versorgt.
Ich denke wenn's dort nach Medizinnorm DIN EN 60601-1-2 funktioniert, 
sollte es für Dich auch passen. ;)

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Marcus H. schrieb:
> Danke für die Rückmeldung.

Ja das finde ich auch lobenswert.

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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Kibo schrieb:

> -Dass ich den Mikrocontroller direkt aus der Zelle betreibe, halte ich
> für    sehr vernünftig. Das heißt ich muss von meinem Atmega8 auf einen
> Atmega8L umsteigen, das istja durchaus machbar.

Nimm einfach einen ATmega8A.  Ist sowieso billiger.

> -Für die Steuerung der InfrarotLED (ich verwende die TSAL6100, V(typ) =
> 1,35 V) werde ich zunächst auf eine simple Lösung setzen: Ich werde
> einen (ultra) lowdrop Spannungsregler, wie den TPS6222x (habe ich nach
> kurzer Suche gefunden, ggf. gibt es noch geeignetere) verwenden und
> diesen direkt vor die LED setzen. Damit kann ich dann die
> Batteriespannung auf einen festen Wert regeln, der nahe (oder gleich)
> der Betriebsspannung der LED ist. Notfalls verwende ich zusätzlich noch
> einen Widerstand.

Ich fürchte, dass du dir die LED damit schnell killen kannst.  Das 
mindeste, was du brauchst, ist eine Konstantstromquelle, denn wie 
bei jeder LED hängt die Flussspannung stark von der Temperatur ab – das 
betrifft nicht nur die Eigenerwärmung der LED, sondern auch die 
Umgebungstemperatur.

von Peter D. (peda)


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Jörg W. schrieb:
> Nimm einfach einen ATmega8A.  Ist sowieso billiger.

Noch besser ATMega88/168/328(P).

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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Peter D. schrieb:
> Jörg W. schrieb:
>> Nimm einfach einen ATmega8A.  Ist sowieso billiger.
>
> Noch besser ATMega88/168/328(P).

Ist nicht in jeder Hinsicht besser: bei ihm sind viele der IO-Register 
nur noch mit (langsameren) Speicherzugriffsbefehlen erreichbar.  Beim 
ATmega8[A] passte dagegen noch alles vollständig in den 
IO-Adress-Bereich.

Vorteilhaft bei den X8 ist natürlich, dass man sie (wie von dir schon 
genannt) auch mit mehr Speicher bekommen kann und dass man sie per 
debugWIRE online debuggen kann.

von Christian S. (roehrenvorheizer)


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>
> Noch besser ATMega88/168/328(P).
>
> Ist nicht in jeder Hinsicht besser: bei ihm sind viele der IO-Register
> nur noch mit (langsameren) Speicherzugriffsbefehlen erreichbar.  Beim
> ATmega8[A] passte dagegen noch alles vollständig in den
> IO-Adress-Bereich.
>

Ein Detail, das man bei C-Programmierung gerne übersieht.

mfG

von Kibo (Gast)


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Stefanus F. schrieb:
> Du kannst die IR LED alternativ mit zwei Transistoren mit Konstantstrom
> betreiben. Eventuell ist das billiger, als per Spannungsregler

Jörg W. schrieb:
> Ich fürchte, dass du dir die LED damit schnell killen kannst.  Das
> mindeste, was du brauchst, ist eine Konstantstromquelle, denn wie
> bei jeder LED hängt die Flussspannung stark von der Temperatur ab – das
> betrifft nicht nur die Eigenerwärmung der LED, sondern auch die
> Umgebungstemperatur.

Ja ich denke ich werde auf jeden Fall auch die Möglichkeit der 
Verwendung einer Konstantstromquelle untersuchen

Marcus H. schrieb:
> Danke für die Rückmeldung. So Leute wie Dich braucht das Forum. Wäre
> schön, Dich nach Deiner Anmeldung öfters zu lesen. :)

Oh danke, sehr gerne!

> Wir haben grad einen Labortermin für ein mobiles Medizingerät gebucht.
> Dort werden MCU und Sensorik jeweils durch zwei getrennte LDOs versorgt.
> Ich denke wenn's dort nach Medizinnorm DIN EN 60601-1-2 funktioniert,
> sollte es für Dich auch passen. ;)

Wow, danke für die Info!

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