Entwicklung einer elektronischen Schaltung für das Energiemanagement eines Positionssenders

N. M. schrieb:

> ... Auf dein Projekt/Vorhaben:
Das sind die Anforderungen:
• Der Positionssender soll durch einen Li-Ion-Akku mit 3,7 Volt versorgt 
werden
• Der Akku soll eine Ladeschaltung erhalten Ue = 5…30 Volt
• Der Positionssender soll eine Beschaltung erhalten, mit welcher es 
möglich wird, dass die Betriebsspannung des Akkuwerkzeugs verwendet 
werden kann Ue = 5…30 Volt
• Der Positionssender soll in einen Energiesparmodus gehen, wenn der 
Sender in Ruhe d.h. nicht in Bewegung ist
• Der Ladezustand des Akkus soll während des Normalbetriebs des 
Positionssenders und beim Laden abgerufen werden können
• Der Ladezustand des Akkus soll während des Normalbetriebs des 
Positionssenders und beim Laden auch am Sender angezeigt werden
• Insgesamt soll die Schaltung auf möglichst geringen Stromverbrauch 
optimiert werden

Und das zum Sender:
Der Positionssender besteht aus den Unterbaugruppen Microcontroller, 
Inertialsensor, 2,4GHz-Sende- und Empfangseinheit, Ultraschallsender 
sowie Infrarotsender und Infrarotempfänger.
Die aktuell vorliegende Schaltung wird aus Labornetzteilen mit den 
Spannungen 3,3 Volt und +/- 12 Volt versorgt.

Samet B. schrieb:
> Der Positionssender soll durch einen Li-Ion-Akku mit 3,7 Volt versorgt
> werden

Welche Kapazität? Welcher maximale Ladestrom? Was für eine Spannung 
benötigt die Schaltung die versorgt werden soll? Was für einen Strom?

Samet B. schrieb:
> Der Akku soll eine Ladeschaltung erhalten Ue = 5…30 Volt

Minimaler Eingangsstrom? Maximaler Ladestrom? DC oder AC?

Samet B. schrieb:
> Der Positionssender soll eine Beschaltung erhalten, mit welcher es
> möglich wird, dass die Betriebsspannung des Akkuwerkzeugs verwendet
> werden kann Ue = 5…30 Volt

Also Versorgung der Schaltung entweder aus dem Akku (3,7V zu xV) oder 
aus der Ladespannung 5...30V zu xV. D.h. entweder 1 SNT mit dem 
Eingangsspannungsbereich von Akku leer bis 30V oder wahrscheinlich 
mehrere Netzteile:

Einmal für den weiten Spannungsbereich, wahrscheinlich muss das nicht 
ganz so effizient sein da ja dann fest versorgt wird.

Und einmal für den Akkubetrieb.

Samet B. schrieb:
> Der Positionssender soll in einen Energiesparmodus gehen, wenn der
> Sender in Ruhe d.h. nicht in Bewegung ist

Wie ist "keine Bewegung" definiert?
Wie erkennt der Positionssender "keine Bewegung"? Beschleunigungssensor 
mit definiertem Bewegungsprofil? Interrupt?

Samet B. schrieb:
> Der Ladezustand des Akkus soll während des Normalbetriebs des
> Positionssenders und beim Laden abgerufen werden können

Wie?

Samet B. schrieb:
> Der Ladezustand des Akkus soll während des Normalbetriebs des
> Positionssenders und beim Laden auch am Sender angezeigt werden

Wie?

Samet B. schrieb:
> Insgesamt soll die Schaltung auf möglichst geringen Stromverbrauch
> optimiert werden

Die meisten der vorhergehenden Fragen sind relevant für den "möglichst 
geringen Stromverbrauch" und definieren dir zusammen mit der Kapazität 
des Akkus deine zu erwartende Laufzeit des Positionssenders.

Was für einen Spannungsregler um 3,7V in +-12V zu verwandeln?

Samet B. schrieb:
> Ich muss eine Schaltung für ein Energiemanagement eines Positionssenders
> entwickeln

Wieso gibt man dir den Job ?

Wir haben viele erfahrene Elektronikentwickler im Land für die die 
Aufgabe ein Klacks wäre.

Denen auch sofort auffällt, was an Spezifikationen noch fehlt und warum 
der Erbauer der

Samet B. schrieb:
> aktuell vorliegende Schaltung

so wahnsinnig war, da +/-12V zu verbrauchen.

Kann man alles machen, wird aber recht aufwendig (Dir fehlen in den 
Anforderungen auch noch ein paar Sicherheitseinrichtungen):
- Einen Lader kannst Du aus einer StepDown-Grundschaltung (P-FET, Spule, 
Diode) zusammenzimmern. Strom wird über zwei AD-Kanäle am Shunt oder 
einen Stromsensor vor der Lipo-Zelle gemessen. Da der Akku eine 
quasikonstante Last ist, ist die Regelung der PWM eine 100ms-Sache 
(fährt man langsam hoch, bis der Ladestrom erreicht ist).
- Umschaltung der Last zwischen Ladeeingang und Akku gleicht einer USV. 
Das ist mit zwei P-Doppelfets (!beachte die parasitären Dioden) 
erledigt.
- Wenn Du schon den Shunt oder Stromsensor zur Messung des Ladestroms 
vor dem Akku sitzen hast, kannst Du damit auch gleich den aus dem Akku 
entnommenen Strom integrieren und damit den SOC bilden.
- Was Dir fehlt ist die integrierte Abschaltung, wenn das Gerät 
unterwegs liegen bleibt und der Akku leer ist. Damit verbunden der 
Gedanke, wie man ein so ausgeschaltetes Gerät wieder einschaltet.
- Die eigentliche Problematik bezieht sich auf Deine "Last", also die 
notwendigen Wandler, die zwischen 5V vom Ladeeingang bis hinunter zu 3V 
(minus x) Entladeschlussspannung Deines Lipos die Last sicher versorgen 
sollen. Da gibt's mittlerweile fertige StepUp/Down-Module für 3,3/5V aus 
Fernost (Pololu?), die nahtlos bei Überschneidung des 
Ein-Ausgangsspannungsbereiches umschalten. Du müsstest vielleicht vorher 
schauen, ob das reicht. Endlos wandeln tun die bei 3V Eingang auch nicht 
mehr.

...wobei es mich allerdings auch wundert, warum ich noch kein IC mit 
integriertem Lader, den üblichen Sicherheitsschaltungen, der 
Schnittstelle fürs Monitoring und zumindest nem integrierten 
5V-Ausgangswandler finden kann.
Quasi den Fix und Fertig Massenwarenchip für Powerbanks mit Pass Through 
und zumindest etwas Infotainment jenseits der üblichen 4 LEDs.

Samet B. schrieb:
> • Insgesamt soll die Schaltung auf möglichst geringen Stromverbrauch
> optimiert werden

Dafür müssten ganz neu Techniken und Bauelemente entwickelt werden. Die 
Entwicklung der Technik, die vielleicht in 50 Jahren verfügbar ist, 
willst du nicht bezahlen. Gebe dich mit dem zufrieden, was heutzutage 
mit vernünftigem Aufwand möglich ist.

Ganz wesentlich hängt es vom Duty-Cycle des Empfangsteils und der 
Mess-/Übertragungshäufigkeit ab, wieviel Strom deine Schaltung im Mittel 
benötigt.