Grüß Gott in die Expertenrunde,
bei meinen Experimenten bin ich auf ein Phänomen gestoßen welches ich
mir nicht erklären kann. Es sind zwei baugleiche Z-Dioden, jeweils 5.6V,
in Reihe mit einem 100-Ohm-Widerstand an eine variable Spannung zwischen
11 und 13,6V angeschlossen.
Das sieht etwa so aus:
1
+ 11...13,6V ---|<----|<---|100R|---- -
2
Z1 Z2 R1
Dabei habe ich mir folgende Gedanken gemacht:
Ich will von einer Bleiakku-Spannung 11 Volt "abziehen", damit für den
ADC am Mikrocontroller die für mich relevante Spannung ankommt, die mir
Infos über den Akku-Ladestand gibt. Der Akku kann maximal 13,6V haben
(hängt an einem Kleinleistungs-Solarpanel mit nachgeschaltetem
Linearregler, der auf 13.6V begrenzt) und der Mikrocontroller soll sich
selbst bei Unterschreiten einer gewissen Ladespannung über einen FET
zwischen Akku und Mikrocontroller komplett vom Akku trennen. So weit, so
gut.
Beim Steckbrettaufbau habe ich alles mal gemessen und festgestellt, daß
die eine Z-Diode deutlich spürbar warm wird, die andere praktisch gar
nicht. Beide sind für 400mW spezifiziert, und es fließt bei der
Maximalspannung von 13.6V durch beide ein Strom von rund 20mA, an beiden
fallen gemessene 5.58V ab, der Rest am Widerstand. Das macht rund 112 mW
pro Diode, was weit im grünen Bereich liegt.
Was ich nicht verstehe: warum wird die eine Z-Diode deutlich spürbar
warm und die andere nicht. Nach einem Tausch der beiden Dioden
untereinander bleibt das Phänomen an derselben Position bestehen - immer
die Diode Z2, die zwischen dem Widerstand und der zweiten Diode hängt,
wird spürbar warm, die andere gar nicht. Warum ist das so? Hängt das
irgendwie noch mit dem Widerstand (ebenfalls völlig kalt) zusammen?
Eigentlich kann das ja nicht sein, wie du schon selber bemerkt hast,
wenn es sich um baugleiche Exemplare handelt. Entweder also hast du da
einen Fehler im Aufbau (sollte überschaubar sein), oder du bist eben
doch auf 2 Exemplare hintereinander reingefallen, die gar nicht 400mW
vertragen, also Fakes sind.
Das allerdings ist bei Z-Dioden so gar nicht üblich.
Ich vermute also doch eine Anzapfung an der Anode der 'warmen' Diode.
'Spürbar' ist natürlich eine sehr unspezifische Angabe. 5K oder 10K oder
30K, wie viel ist sie denn wärmer?
In der Schaltung wie gezeigt werden beide mit der selben Verlustleistung
beaufschlagt. Wenn eine wärmer wird als die andere, dann hat entweder
deine Schaltung noch einen nicht gezeichneten Nebenpfad oder die Montage
der beiden Z-Dioden ist sehr unterschiedlich. So geringe Leistungen
werden hauptsächlich über die Pins abgeführt und wenn die Platine bei
der kühleren Diode eine wesentlich größere Kupferfläche hat, dann kann
das schon sein.
Hier hilft ggf. ein Foto um weiteres beurteilen zu können.
Das hängt wohl mit der Wärmeleitung zusammen: Bei dem einen Kontaktplatz
haben die Drähte auf langer Linie Kontakt mit den Kontaktleisten, auf
dem zweiten Steckplatz kontaktieren die Leisten nur mit der Schneide,
also punktförmig und damit deutlich schlechtere Wärmeableitung.
Stephan E. schrieb:> Der Akku kann maximal 13,6V haben> (hängt an einem Kleinleistungs-Solarpanel mit nachgeschaltetem> Linearregler, der auf 13.6V begrenzt)
Wie soll das funktionieren? Ein Bleiakku hat im Entladebetrieb zwischen
12,6 und unter 12V. Der Linearregler braucht eine gewisse Drop Spannung.
Du hast nie und nimmer stabile 13,6V am Ausgang.
Stephan E. schrieb:> Ich will von einer Bleiakku-Spannung 11 Volt "abziehen", damit für den> ADC am Mikrocontroller die für mich relevante Spannung ankommt,
Und wohin fliesst der Strom der durch die Z-Dioden fliessen muss? Durch
den ADC? Oder hast du wenigstens noch einen Widerstand gegen Masse.
ADC heisst du willst messen. Also lass diese Unsinnschaltung und nimm
einen normalenn Spannungsteiler. Wenn man die Spannung am ADC mit einem
10nF puffert kann man den auch schön hochohmig machen.
Stephan E. schrieb:> Warum ist das so?
Einbildung.
Aber irrelevant.
Deine Schaltung ist eh Unfug, also verplemper die Zeit nicht.
Stephan E. schrieb:> Infos über den Akku-Ladestand gibt.
Auch ohne Schaltung: leer.
Wer mit 20mA schon zum messen entladt bekommt immer einen leeren Akku.
Zudem liefert die Schaltung keinen Messwert. Wenn es bei 13.6V wegen
-2x5.58V an 100 Ohm noch 24.4mA sind, wird es bei 12V nicht 12-2x5.58 =
0.84V sein weil der Strom auf 0.84mA sinkt lasst auch der
Spannungsabfall über den Z-Dioden nach, der Akku hat bei 0.84V am ADC
vielleicht noch 11.8V, nicht 12V.
Stephan E. schrieb:> hängt an einem Kleinleistungs-Solarpanel mit nachgeschaltetem> Linearregler, der auf 13.6V begrenzt
Voll also auch nie.
Stephan E. schrieb:> Bleiakku-Spannung
Und das auch noch, Bleiakkus müssen voll geladen werden, sonst verkürzt
sich ihre Lebensdauer durch Bildung grosser Sulfatkristalle erheblich.
Mach aus dem untauglichen und energiefressenfen Linearregler einen
shuntregler
https://dse-faq.elektronik-kompendium.de/dse-faq.htm#F.9.5
und aus dem untauglichen Z-Dioden-Kram einen einfachen aber 0.5% genauen
Spannungsteiler, z.B. 10k zu 47k, selbst der eingeschränkt genutzte
Analogmessbereich von 2.1V bis 2.38V gibt genauere Ergebnisse als dein
Z-Dioden-Subtrahierer (und ein OpAmp als Subtrahierer wäre noch besser)
und entlädt nur mit 238uA.
Vielen Dank schonmal für die möglichen Erklärungen.
Rein rechnerisch kann es ja wirklich nicht sein, vielleicht hängt das
wirklich mit dem Steckbrett zusammen.
Anbei mal ein Bild vom Aufbau, der einfacher nicht sein könnte. Es wird
immer die Diode in der Mitte des Aufbaus warm, auch wenn ich beide
Dioden untereinander tausche.
Ich nehme an, daß die Dioden aus derselben Fertigung stammen. Sie hängen
zumindest alle am gleichen Gurt. Ich habe sogar schon eine Dritte als
Tausch verwendet - das Phänomen bleibt.
Und wie warm "warm" ist kann ich leider nicht sagen. Ich fühle mit den
Fingerchen, andere Messmethoden stehen mir leider nicht zur Verfügung.
Hier bedeutet "warm", daß ich die Diode eben spürbar als... nun ja: warm
empfinde.
MaWin schrieb:> Wer mit 20mA schon zum messen entladt bekommt immer einen leeren Akku.
Keine Sorge, das Dioden-Gespann wird im Praxiseinsatz nur zum messen
(vielleicht ein mal alle fünf Minuten) für ein, zwei Sekunden über den
Mikrocontroller aktiviert.
Und der Akku mit dem Solarpanel sind sehr großzügig Dimensioniert, da
mache ich mir keine Gedanken. Für einen Bastler wie mich reicht's
völlig, und die Teile waren halt da.
Stephan E. schrieb:> das Dioden-Gespann wird im Praxiseinsatz nur zum messen (vielleicht ein> mal alle fünf Minuten) für ein, zwei Sekunden über den Mikrocontroller> aktiviert
Wie ? Jede Schaltung erzeugt zusätzlichen Messfehler.
Peter D. schrieb:> Die eine steckt wohl in einer Powerschiene, die lang sind und damit gut> die Wärme abführen.
Bin ich der Einzige, dem die unterschiedlich langen Anschlussdrähte
auffallen? Die sind immerhin ein wesentliches Kühlelement.
Udo S. schrieb:> Wie soll das funktionieren? Ein Bleiakku hat im Entladebetrieb zwischen> 12,6 und unter 12V. Der Linearregler braucht eine gewisse Drop Spannung.> Du hast nie und nimmer stabile 13,6V am Ausgang.
Doch, habe ich. Solarpanel (18V) -> Linearregler -> 13.6V. Gemessen wird
direkt am Akku, der je nach Ladezustand natürlich unter diesen 13.6V
liegen wird.
Stephan E. schrieb:> Beide sind für 400mW spezifiziert, und es fließt bei der> Maximalspannung von 13.6V durch beide ein Strom von rund 20mA, an beiden> fallen gemessene 5.58V ab, der Rest am Widerstand. Das macht rund 112 mW> pro Diode, was weit im grünen Bereich liegt.
112mW sind bei einer Bauform, die bei 400mW ganz bös Aua macht, ziemlich
spürbar.
michael_ schrieb:> Man könnte das zur Kontrolle mal luftverdrahtet mit Krokos auf den> Tisch> legen.
Das war der entscheidende Tipp, vielen Dank.
In diesem Modus ist das Phänomen verschwunden, vermutlich ist dann
wirklich irgendwas am Steckbrett verantwortlich. Sachen gibt's...
Nochmals Danke für den Hinweis.
Stephan E. schrieb:> Udo S. schrieb:>>> Wie soll das funktionieren? Ein Bleiakku hat im Entladebetrieb zwischen>> 12,6 und unter 12V. Der Linearregler braucht eine gewisse Drop Spannung.>> Du hast nie und nimmer stabile 13,6V am Ausgang.>> Doch, habe ich. Solarpanel (18V) -> Linearregler -> 13.6V. Gemessen wird> direkt am Akku, der je nach Ladezustand natürlich unter diesen 13.6V> liegen wird.
Ok, das hatte ich anders verstanden. Nämlich so dass der Linearregler
zwischen Batterie und dem Verbraucher hängt. Streich also diese Aussage
von mir.
Trotzdem, die Lösung mit den Z-Dioden ist alles andere als gut.
Udo S. schrieb:> Trotzdem, die Lösung mit den Z-Dioden ist alles andere als gut.
Für meine Zwecke ist's ausreichend und für mich als Freizeit-Bastler ist
der Weg das Ziel. Die einfache Spannungsteiler-Version hat sicher auch
ihre Vorzüge, stimmt schon. Vielleicht sollte ich das doch so wie hier
vorgeschlagen machen. Da werde ich noch etwas drauf rumdenken und vor
allem weiter experimentieren.
Normalerweise würde ich da auch keinen Bleiakku, sondern einen
pflegeleichten NiMH-Akku nehmen, aber der war halt übrig.
(prx) A. K. schrieb:> 112mW sind bei einer Bauform, die bei 400mW ganz bös Aua macht, ziemlich> spürbar.
Wie sehr spielt keine Rolle, nur das Problem, dass nur eine als wärmer
empfunden wird, ist hier die Frage ohne Erklärung bisher. Auch wenn er
die beiden tauscht, sei ja noch immer die mittlere wärmer. Und beim
Tausch bekommt die keine längeren Beinchen, so dass auch das Argument
(auch meines von oben) mit der unterschiedlichen Wärmeabfuhr durch die
Anschlussdrähte nicht mehr zieht.
Vielleicht ist der Finger als Temperaturfühler einfach zu unpräzise 😀.
@Stephan E.
Lies dir den Beitrag von MaWin nochmals durch.
Beitrag "Re: 2 Z-Dioden in Reihe - eine wird warm"
Wenn du einfach die Spannung teilst von max. 14V auf 5V, dann reduzierst
du zwar die Auflösung auf knapp 1/3, eine ADC-Messung ist dann aber noch
immer viel genauer wie die Subtrahierschaltung mit den Z-Dioden, deren
Drop auch deutlich stromabhängig ist. Die Auflösung bezogen auf deine
Eingangsspannung ist dann etwa 15mV bei einem 10Bit ADC.
Einen Teiler mit 30k1 / 15k (E96-Reihe) könntest du ohne Abschaltung
dauerhaft an der Spannung lassen mit einer Quellimpdedanz von 10k - oft
gefordert von den ADC-Eingängen und einem Teilerstrom von max. 300µA.
Oder noch hochohmiger mit Pufferkondensator.
Alternativ brauchst du einen Highside-pMOSFET zum Abschalten.
HildeK schrieb:> Wenn du einfach die Spannung teilst von max. 14V auf 5V, dann reduzierst> du zwar die Auflösung auf knapp 1/3, eine ADC-Messung ist dann aber noch> immer viel genauer wie die Subtrahierschaltung mit den Z-Dioden, deren> Drop auch deutlich stromabhängig ist. Die Auflösung bezogen auf deine> Eingangsspannung ist dann etwa 15mV bei einem 10Bit ADC.> Einen Teiler mit 30k1 / 15k (E96-Reihe) könntest du ohne Abschaltung> dauerhaft an der Spannung lassen mit einer Quellimpdedanz von 10k - oft> gefordert von den ADC-Eingängen und einem Teilerstrom von max. 300µA.> Oder noch hochohmiger mit Pufferkondensator.
Ok, Du hast mich überzeugt. Ich werde das dann doch besser wie von Dir
beschrieben umsetzen. Vorher muß ich mal schauen, ob ich in meiner
Bastelkiste die passenden Widerstände habe, aber die werde ich schon
irgendwie zusammenstückeln und dann handvermessen und -lesen verwenden
können. Ein passendes Poti für den vielleicht erforderlichen
Feinabgleich findet sich sicher auch noch irgendwo.
Danke an alle für die sehr schnelle Hilfe.
Stephan E. schrieb:> Ein passendes Poti für den vielleicht erforderlichen> Feinabgleich findet sich sicher auch noch irgendwo.
Du kannst auch per Software den Feinabgleich rechnen -- erspart die Mühe
des Potis und ist langzeitstabiler.
Stephan E. schrieb:> aber die werde ich schon irgendwie zusammenstückeln und dann> handvermessen und -lesen verwenden können. Ein passendes Poti für den> vielleicht erforderlichen Feinabgleich findet sich sicher auch noch> irgendwo.
Stand in der Beschreibung irgendwas von Poti ? Dort stand 0.5%. Fix. Und
zwar nicht damit am Anfang alles so genau ist, sondern damit auch bei
Alterung es dabei bleibt.
Zwar wirst du gegen die interne Referenz des uC messen, und die hat 10%
Toleranz, aber üblicherweise 0.1% Stabilität.
Ein mal messen, dann den Messwert notieren als Korrekturfaktor für
diesen uC, fertig.
Es geht nur darum, dass es nach diesem Einmessen nicht mehr schwankt.
Und da ist ein Poti mit seiner starken Temperaturabhängigkeit und
Alterung das letzte was man haben will.
Stephan E. schrieb:> Rein rechnerisch kann es ja wirklich nicht sein, vielleicht hängt das> wirklich mit dem Steckbrett zusammen.
Die Kontakte des Steckbretts sind aus Metall. Sie leiten nicht nur
Strom, sondern auch Wärme.
Die mittlere Diode sitzt zwischen zwei anderen wärmenden Bauteilen.
Die beiden äußeren Bauteile werden nur von einer Seite angewärmt.
Deswegen wird die mittlere Diode am wärmsten.
Stefan ⛄ F. schrieb:> Die mittlere Diode sitzt zwischen zwei anderen wärmenden Bauteilen.> Die beiden äußeren Bauteile werden nur von einer Seite angewärmt.>> Deswegen wird die mittlere Diode am wärmsten.
Das klingt plausibel. Danke für den Hinweis. Und an dieser Stelle auch
danke für Dein dreiteiliges Buch zum Thema Mikrocontroller, was für mich
äußerst hilf- und lehrreich war. :)
MaWin schrieb:> Stand in der Beschreibung irgendwas von Poti ? Dort stand 0.5%. Fix. Und> zwar nicht damit am Anfang alles so genau ist, sondern damit auch bei> Alterung es dabei bleibt.
So man hat. Meine Widerstände aus der Bastelkiste sind überwiegend
Kohleschicht-Widerstände mit 5% Toleranz. Sowas wie 0.5%-Widerstände
habe ich leider gar nicht.
Stephan E. schrieb:> Meine Widerstände aus der Bastelkiste s
Wie alt ist deine Bastelkiste ? So was gibt's heute doch fast gar nicht
mehr, 1% Metallschicht ist Standard.
Nimm halt ein billiges Messinstrument auseinander, schon im 2.50 EUR
DT830 stecken 0.5%.
Kohleschicht und Poti wird nie stabil, das reicht nichtmal fur 8 bit A/D
Wandler.
Stephan E. schrieb:> Vorher muß ich mal schauen, ob ich in meiner> Bastelkiste die passenden Widerstände habe, aber die werde ich schon> irgendwie zusammenstückeln und dann handvermessen und -lesen verwenden> können.
Weder zusammenstückeln noch handvermessen noch Potis verwenden.
Einfach die 12V anlegen, schauen was der ADC von sich gibt und einen
entsprechenden Faktor zur Korrektur verwenden. Du brauchst eh einen,
denn der ADC liefert zwischen 0 und 1023 und letztlich brauchst du als
Ergebnis Werte zwischen 0 und 14V.
Die von mir genannten Widerstände sind ein Beispiel für einen passenden
Teiler, der auch die max. Quellimpedanz für einen ADC-Eingang mit 10k
berücksichtigt. Du kannst auch einfach drei gleiche nehmen, z.B. 15k
unten und 2*15k in Reihe oben. Für mich würden in der Situation drei
1%-er, die überall erhältlich sind, völlig ausreichen. Das Ergebnis ist
trotz Alterung immer noch wesentlich besser als das bei deiner
Z-Dioden-Idee.
Dieser Teiler muss so exakt gar nicht umgesetzt werden - wie gesagt, du
musst eh auf die tatsächliche Spannung umrechnen. Man muss nur drauf
achten, dass bei der maximalen Spannung der ADC-Pin nicht überfahren
wird und andererseits wird man möglichst nahe an den Maxwert herankommen
wollen, um keine Auflösung zu verschenken.
Und zu niederohmig soll es auch nicht werden, denn dann muss man
entweder den Teiler nur zur Messung zuschalten (Highside!) oder man lebt
mit einem höheren Ruhestromverbrauch.
Ein individueller Umrechnungsfaktor wird ohnehin nötig sein, weil die
Referenzspannung des ADC auch keinen super genau definierten Wert hat.
> der Mikrocontroller soll sich selbst bei Unterschreiten einer gewissen> Ladespannung über einen FET zwischen Akku und Mikrocontroller komplett> vom Akku trennen
Dann musst du aber auch den Spannungsteiler (z.B. mit einem Transistor)
trennen. Oder du machst ihn so hochohmig, dass er immer am Akku dran
bleiben darf. Du kannst ihn in diesem Fall mit einem 100nF Kondensator
stützen und zwischen den ADC Messungen genügend lange Pausen machen,
damit der Kondensator sich zwischen den Messungen wieder vollständig
aufladen kann.
Stephan E. schrieb:> Für meine Zwecke ist's ausreichend und für mich als Freizeit-Bastler ist> der Weg das Ziel.
Naja, wenn Du mit +-10% Fehler leben kannst, funktioniert das schon.
> Normalerweise würde ich da auch keinen Bleiakku, sondern einen> pflegeleichten NiMH-Akku nehmen, aber der war halt übrig.
Ein Bleiakku ist speziell beim Laden deutlich pflegeleichter
als ein Ni-Akku.
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