Batteriespannung auf 5V regeln

[Felix (felix_1507)]

Hallo zusammen,

ich habe eine Schaltung, die mit 5V betrieben werden soll. Die aktuelle 
Spannungsversorgung besteht aus vier 1,5V-Batterien. Anfangs beträgt die 
Gesamtspannung also 6V, die jedoch mit der Zeit abnimmt, wenn die 
Batterien an Kapazität verlieren. Sobald die Zellen etwa 1V erreichen, 
sollten sie ausgetauscht werden, sodass am Ende also nur noch ca.4V 
übrig bleiben.

Könnt ihr mir ein passendes Bauteil empfehlen, das die Spannung im 
Bereich von 4V - 6V auf konstante 5V umwandeln kann?

Der maximale Ausgangsstrom beträgt etwa 300mA.

Vielen Dank für eure Unterstützung.

[Michael B. (laberkopp)]

Felix schrieb:
> Könnt ihr mir ein passendes Bauteil empfehlen, das die Spannung im
> Bereich von 4V - 6V auf konstante 5V umwandeln kann?

Da die Batteriespannung so ungeschickt gewählt ist, dass sowohl eine 
rauf als auch runter Wandlung nötig ist, ist die Lösung aufwändig.

Mit nur 3 Zellen eignet sich schon der MC34063 als step up, effizienter 
aber jeder LiIon Wandler aus PowerBanks wie MT3608 oder 
https://www.ebay.de/itm/272677907662

Aber wenn man Fertigplatinen nimmt, geht auch 
https://www.ebay.de/itm/353111183495
bei miesem Wirkungsgrad.

Wenn der Wandler nie ausgeschaltet wird, muss man aber auf Mikroampere 
Ruhestromverbrauch achten, das ist selten wenn er 300mA schaffen soll

[Harald K. (kirnbichler)]

Felix schrieb:
> Könnt ihr mir ein passendes Bauteil empfehlen, das die Spannung im
> Bereich von 4V - 6V auf konstante 5V umwandeln kann?

Dafür bräuchtest Du einen kombinierten Auf- und Abwärtswandler 
(Buck-Boost-Converter), das ist aufwendig.

Sinnvoller ist es, sich für eine Richtung zu entscheiden, und die 
Schaltung entweder mit einem Aufwärtswandler aus einer geringeren 
Spannung oder mit einem Abwärtswandler aus einer höheren Spannung zu 
versorgen.

Du willst keine Batterien verwenden, das ist bei diesem doch recht hohen 
Stromverbrauch eine reichliche Schweinerei.

Nimm Akkus.

Und Akkus gibt es kostengünstig als Fertiggerät mitsamt Ladeelektronik 
und 5V Ausgangsspannung -- als USB-Powerbank. Die verkraftet auch Deine 
300 mA Last ohne Probleme.

[Frederic S. (frederics)]

Das geht mit einem so genannten Buck-Boost Wandler.
Meist ist es aber einfacher die Batteriespannung dauerhaft größer oder 
kleiner als die Zielspannung zu wählen, zB.
6 Zellen und Step Down Wandler oder 2 Zellen in Reihe mit Step Up

[Gunnar F. (gufi36)]

Frederic S. schrieb:
> Das geht mit einem so genannten Buck-Boost Wandler.

oder ein Inverswandler.

[Andreas S. (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill)]

Wenn es sich um normale bürstenbehaftete Gleichstrommotoren handeln 
sollte, wäre es am sinnvollsten, diese mit einer 
versorgungsspannungsabhängigen PWM zu versorgen, so dass die 
Motorinduktivität ihr eigener Schaltregler ist. In einer ähnlichen 
Anwendung, die mit Batteriespannungen von 6 V bis 20 V zurechtkommen und 
eine kleine Pumpe versorgen muss, haben sich ca. 60 kHz PWM-Frequenz 
bewährt. Ich habe hierfür nach "akustischer Drehzahlmessung" 
experimentell eine Korrekturkurve für genau diesen Motortyp gebastelt 
und optimiert.

Wenn es sich also um bekannte, nicht ständig ausgewechselnde Motoren 
handeln sollte, bietet sich eine ähnliche Vorgehensweise an.

Und der Microcontroller auf dem RPi Pico kann auch locker mit 3,3 V 
versorgt werden. Nur bei den MOSFETs muss man dann geeignete Typen 
verwenden.

[Arduino F. (Firma: Gast) (arduinof)]

Felix schrieb:
> Könnt ihr mir ein passendes Bauteil empfehlen, das die Spannung im
> Bereich von 4V - 6V auf konstante 5V umwandeln kann?

Sepic Converter

[Foobar (asdfasd)]

Wozu?  Der Pi Pico hat doch bereits einen Buck/Boost-Converter (RT6150B) 
und kommt mit 1.8V-5.5V zurecht.  Aus dem 3V3-Pin dürfte man sogar 300mA 
ziehen.  Allerdings würde ich die Motore eh direkt aus den Batterien 
speisen, werden halt langsamer wenn die Spannung nachlässt - kann man 
ggf per Software nachregeln/kompensieren.

[Ron-Hardy G. (ron-hardy)]

Nur mal nebenbei: Ist Q2 verkehrt herum?

[Foobar (asdfasd)]

> Nur mal nebenbei: Ist Q2 verkehrt herum?

Schaut mir eher aus, als ob generell das NMOS-Symbol verkehrt ist 
(Bodydiode falschrum).

[Felix (felix_1507)]

Danke für die ganzen Tipps.

Da der Spannungsbereich nicht zwangsweise so gewählt werden muss, dass 
ein Buck/Boost Wandler nötig ist, werde ich wahrscheindlich auf einen 
18650er Akku umsteigen und mithilfe von einem Laderegler DEBO1 3.7LI 
1.0A und Boost-Converter MT3608 auch ein Wiederaufladen ermöglichen. Ist 
im Schaltplan ergänzt

Foobar schrieb:
> Schaut mir eher aus, als ob generell das NMOS-Symbol verkehrt ist
> (Bodydiode falschrum).

Da ist mir tatsächlich ein Fehler unterlaufen. Das ist ein PMOS, den ich 
gespiegelt statt rotiert habe. Jetzt ist es wieder richtig. Danke für 
den Hinweis :)

Foobar schrieb:
> Wozu?  Der Pi Pico hat doch bereits einen Buck/Boost-Converter (RT6150B)
> und kommt mit 1.8V-5.5V zurecht.  Aus dem 3V3-Pin dürfte man sogar 300mA
> ziehen.  Allerdings würde ich die Motore eh direkt aus den Batterien
> speisen, werden halt langsamer wenn die Spannung nachlässt - kann man
> ggf per Software nachregeln/kompensieren.

Da bei voll geladenen Batterien aber mehr als 5.5V anliegen und andere 
Bauteile wie z.B. ein LCD-Display auch vorhanden sind, würde ich gerne 
konstante 5V haben.

[Harald K. (kirnbichler)]

Felix schrieb:
> werde ich wahrscheindlich auf einen
> 18650er Akku umsteigen und mithilfe von einem Laderegler DEBO1 3.7LI
> 1.0A und Boost-Converter MT3608 auch ein Wiederaufladen ermöglichen.

Was spricht gegen meinen Vorschlag, einfach 'ne fertige USB-Powerbank 
von der Stange zu verwenden?

[Felix (felix_1507)]

Harald K. schrieb:
> Was spricht gegen meinen Vorschlag, einfach 'ne fertige USB-Powerbank
> von der Stange zu verwenden?

Im Prinzip nichts, ist ein guter Vorschlag. Ich will aber einfach etwas 
Erfahrung sammeln und die Bauteile in ein Platinendesign einbringen, um 
etwas selber machen :)

[Stefan F. (Gast)]

Felix schrieb:
> Da ist mir tatsächlich ein Fehler unterlaufen. Das ist ein PMOS, den ich
> gespiegelt statt rotiert habe. Jetzt ist es wieder richtig.

Um den Minus Pol zu schalten brauchst du einen NMOS. Der AO3400 ist ein 
NMOS.

Ob die Body Diode jetzt richtig herum gezeichnet ist, kann ich in dem 
unscharfen PNG nicht erkennen. Exportiere Schaltpläne besser als PDF 
oder SVG, dann hast du eine Vektrografik die man beliebig vergrößern 
kann. Wenn es unbedingt PNG sein muss, dann mit mindestens 300 dpi.

Grundlagen: http://stefanfrings.de/transistoren/index.html#mosfet

[Felix (felix_1507)]

Stefan F. schrieb:
> Um den Minus Pol zu schalten brauchst du einen NMOS. Der AO3400 ist ein
> NMOS.

So ist es bei den Motoren auch gemacht, das sollte eigentlich passen.
PMOS Q2 war vorher falsch eingezeichnet. Mit ihm Schalte ich den +Pol.

Ich füge die Schaltung nochmals als PDF an, dass alles erkenntlich ist.

[Foobar (asdfasd)]

>> Schaut mir eher aus, als ob generell das NMOS-Symbol verkehrt ist
>> (Bodydiode falschrum).

> Jetzt ist es wieder richtig.

Nö, jetzt sind alle Symbole verkehrt, NMOS und PMOS.

> Da bei voll geladenen Batterien aber mehr als 5.5V anliegen und andere
> Bauteile wie z.B. ein LCD-Display auch vorhanden sind, würde ich gerne
> konstante 5V haben.

Nun, ja, 3 AA würden dem Pico ja auch reichen.  Wenn du aber unbedingt 
5V haben willst (btw, ich seh kein LCD), würd ich alle Wandler direkt an 
Vbat klemmen und nicht unbedingt kaskadieren (also Pico an Vbat statt an 
5V-Boost).  Btw, nur weil du den Pico mit 5V betreibst, wird das kein 
5V-Bauteil.  Die I/O-Leitungen sind weiterhin 3.3V und das muß beim 
Anschluß an 5V-Peripherie berücksichtigt werden.

Und deinen Buchsen unten (J1-J5) fehlt ne Masse.  Was hängt da eh dran, 
dass du denen die Versorgungspannung klauen musst?


PS: Und ich würd die Motoren trotzdem an Vbat klemmen ...

[Stefan F. (Gast)]

Foobar schrieb:
>> Jetzt ist es wieder richtig.
>
> Nö, jetzt sind alle Symbole verkehrt, NMOS und PMOS.

Sehe ich anders. Schau mal in das PDF dass er nachgereicht hat, da kann 
man die Body Dioden besser erkennen.

> Und deinen Buchsen unten (J1-J5) fehlt ne Masse.

Im PDF sehe ich jeweils Pin 3 mit GND verbunden.

Foobar schrieb:
> tw, nur weil du den Pico mit 5V betreibst, wird das kein
> 5V-Bauteil.  Die I/O-Leitungen sind weiterhin 3.3V und das muß beim
> Anschluß an 5V-Peripherie berücksichtigt werden.

Ja und, wo ist da jetzt konkret etwas falsch? 74HCT lassen sich mit 3,3V 
ansteuern.

[Foobar (asdfasd)]

> Im PDF sehe ich jeweils Pin 3 mit GND verbunden.

Das PDF gab's noch nicht als ich das schrieb ...

>> tw, nur weil du den Pico mit 5V betreibst, wird das kein
>> 5V-Bauteil.  Die I/O-Leitungen sind weiterhin 3.3V und das muß beim
>> Anschluß an 5V-Peripherie berücksichtigt werden.
>
> Ja und, wo ist da jetzt konkret etwas falsch?

Ich sagte, dass das berücksichtigt werden muß, z.B. bei der Peripherie 
an J1-J5 und J6 oder dem 4051 [edit](ok, beim 4051 hat Stefan das 
geprüft)[/edit].

Nachtrag: Bei Anschlüssen wie J1-J6, die 5V, GND und I/O-Leitungen 
haben, geht man üblicherweise davon aus, dass der I/O auch mit 5V geht. 
Dass das Board dann aber nur 3.3V verträgt (die Peripherie also einen 
eigenen 3.3V-Regler braucht), ist eher ungewöhnlich (naja, USB ...).

[Rainer W. (rawi)]

Stefan F. schrieb:
> 2023-05-08_18-17.png

> Ob die Body Diode jetzt richtig herum gezeichnet ist, kann ich in dem
> unscharfen PNG nicht erkennen.

Das Schaltzeichen von dem FET ist sowieso nicht das schönste.
Wenn man den Gate-Anschluss als Zuleitung an die Gate-Elektrode nicht 
mittig, sondern am Source-seitigen Ende zeichnet ("L"-Form), wird das 
Symbol besser lesbar (Spalte "MOSFET enh." im verlinkten Artikel).

https://de.wikipedia.org/wiki/Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor#Schaltzeichen

[Felix (felix_1507)]

Foobar schrieb:
> Und ich würd die Motoren trotzdem an Vbat klemmen ...

Da ich eine immer konstante Spannung für eine konstante Leistung der 
Motoren benötige, kann ich das nicht machen. An Batteriespannung würde 
diese sich ja mit abnehmender Kapazität ändern.
Um nicht doppelt Spannung zu wandeln, könnte man den Pi Pico an Vbat 
anschließen, das könnte ich noch ändern.

Stefan F. schrieb:
> Sehe ich anders. Schau mal in das PDF dass er nachgereicht hat, da kann
> man die Body Dioden besser erkennen.

Also da passt jetzt alle? Ich dachte schon ich seh nicht richtig.

Foobar schrieb:
> Nachtrag: Bei Anschlüssen wie J1-J6, die 5V, GND und I/O-Leitungen
> haben, geht man üblicherweise davon aus, dass der I/O auch mit 5V geht.
> Dass das Board dann aber nur 3.3V verträgt (die Peripherie also einen
> eigenen 3.3V-Regler braucht), ist eher ungewöhnlich (naja, USB ...).

Das ist richtig. Ich habe an J1-J5 aber analoge Sensoren, die max. 3V 
zurückliefern und mit bis zu 5V betrieben werden können.
An J6 soll ein LCD-Display angeschlossen werden.

[Mike J. (linuxmint_user)]

Der RP2040 läuft ja mit 1,8V bis 3,3V und auf der Platine sollte schon 
ein Spannungsregler drauf sein.

Die verwenden auf der gängigen Pico Platine, die hier so angeboten wird, 
den RT6150B-33GQW, das ist ein 3,3V Buck-Boost Konverter. Der läuft ab 
1,8V bis 5,5V also sollte man da einfach einen LiIon-Akku ran packen 
können.

https://datasheets.raspberrypi.com/pico/pico-datasheet.pdf
https://www.richtek.com/Products/Switching%20Regulators/Buck-Boost%20Converter/RT6150ART6150B