Reinhard Weiß - Bauprojekte

Spannungsüberwachung zum AkkuPack und universell (Proj. 02/2004, 03/2011)

Auch der größte Akku ist einmal leer. Das ist immer unangenehm, wenn es unterwegs passiert. Bei meinem AkkuPack für das Geko 301 habe ich die Speisespannung so hoch gewählt (3,0 V), dass die eingebaute Batterie im Geko nicht belastet wird. Wenn der Akku leer wird, kann man also noch mit der internen Batterie weiter betreiben. Allerdings muss man da genau auf das Batteriesymbol achten, das den Betrieb an interner Batterie anzeigt, sonst steht man plötzlich nach einiger Zeit auch wieder mit leerer Batterie da.

Überwachung zum Akkupack (02/2004)

Damit man wenigstens vorgewarnt ist, dass der Akku zur Neige geht, habe ich mir zu dem AkkuPack eine Spannungsüberwachung gebastelt. Damit aber die zugeführten 3,0 V nicht erst absinken und die interne Batterie bereits belasten (sobald die externe Spannung unter die Batteriespannung sinkt), überwache ich nicht die Ausgangsspannung des Reglers, sondern seine Eingangsspannung. Wenn sie auf einen Wert sinkt, unterhalb der der Regler nicht mehr voll regeln kann, soll die Warnung erfolgen. Nachdem der LP2950 eine DropOut-Spannung von ca. 0,4 V bei 100 mA hat, sollte die Schwelle mindestens 3,4 V betragen. Das entspricht einer Zellenspannung von theoretisch 0,85 V, womit der Akku ohnehin leer ist. Wenn man seinen Akku schonen will, kann man die Schwelle auch höher legen.

Eine feste Spannungsschwelle von 3,4 V ist aber eine recht ungewöhnliche Spannung für einen Überwachungsbaustein. Es gibt zwar von MAXIM, Panasonic, Dallas Bausteine mit geeigneten Spannungswerten (teilweise in 0,1 V-Stufen), die nur wenige µA Strom brauchen, nur sind die schwer bis gar nicht zu beschaffen. Besser ist man ohnehin mit einstellbaren Schwellenwerten dran.

Ich habe daher eine pragmatisch einfache Lösung gewählt, die einen LP2951 (Spannungsregler) als Spannungsdetektor benutzt und einen ICM7555 (Timer), der eine LED blinken lässt, siehe Bild unten. Die LED wird mit einem Tastverhältnis von 1200:1 betrieben, so dass deren mittlere Stromaufnahme nur wenige µA beträgt. Vom Spannungsregler nutze ich nur den ERROR-Komparator. Wenn von diesem Unterspannung detektiert wird, blinkt die LED schneller. Die Gesamtschaltung hat einen Stromverbrauch, der so je nach Hersteller der IC zwischen etwa 100 und 250 µA beträgt (incl. LED).

Die Funktion ist einfach: Der Timer N2 lässt die LED etwa sekündlich aufblitzen. Die Aufladezeit (LED aus) ist (R5+R6) * C1 * 0,69 = 0,8 sec, die Entladezeit (LED ein) ist R6 * C1 * 0,69 = 0,7 msec. Die LED bekommt mit R7 einen Strom von ca. 2 mA, was trotz der geringen Einschaltzeit deutlich erkennbar ist.

Der ERROR-Komparator in N1 erhält über R2 die einstellbare Überwachungsspannung. Wenn die heruntergeteilte Akku-Spannung an FB unter die Schaltschwelle des N1 fällt (ca. 1,2 V), wir der Ausgang ERR leitend und verzieht mit R4 die Schwellen des Timers, so dass er etwa doppelt so schnell blinkt.

Ich habe die Schaltung als Sub-Platine (Lochraster) aufgebaut, die ich auf die 6-polige Stiftleiste X1 der Reglerschaltung aufsetzen kann.

Die Schaltung arbeitet zwar bis auf unter 1,8 V, nur sind dann wohl auch die Akkus bald kaputt. Wenn Unterspannung angezeigt wird, sollte möglichst bald nachgeladen werden.

Hinweise für eigene Versuche:

• C1 kann noch etwas größer sein (1,5 µF), um noch etwas langsamer zu blinken (1,2 sec), alternativ können natürlich auch die Widerstände umdimensioniert werden
• R4 kann noch etwas variiert werden, um die Blinkrate bei Unterspannung anzupassen
• R7 ist so gewählt, dass die LED auch bei hellem Licht gut zu sehen ist. Hierbei handelt es sich um einen Typ, der sehr lichtstark ist (250...500 mcd @ 20 mA). Wenn man eine andere LED verwendet, muss R7 eventuell angepasst werden.
• Für R2 sollte ein Spindeltrimmer verwendet werden, um eine präzise Einstellung der Schaltschwelle zu ermöglichen.
• Für N2 eignen sich alle CMOS-Timer vom Typ ICM7555. Allerdings hat der MAXIM ICM7555 den geringsten Stromverbrauch (typ. 30 µA @ 5 V). Andere Hersteller benötigen mehr Strom: Intersil/Harris ICM7555 40 µA, Philips ICM7555 70 µA, National LMC555 100 µA, ST TS555 110 µA, Texas TLC555 170 µA.
• Conrad liefert unter Bestell-Nr. 182877 den LMC555, Reichelt liefert TS555.
• Bei N1 liegt der Eingang SDN auf Masse, d.h. er schaltet den Regler nicht ab (obwohl er nicht gebraucht wird). Diese Beschaltung benötigt trotzdem weniger Strom (ca. 80 µA @ 5 V), als wenn SDN am Eingang (High-Lage) angeschlossen würde, um den Regler abzuschalten. Bei 5 V macht das 80 µA Unterschied aus, bei 3,5 V aber nur noch 10 µA.
• Als Spannungsdetektor für N1 eignen sich auch IC mit fester Schwelle, die nur wenige µA benötigen, allerdings sind die schwer beschaffbar. Sie haben meist in Stufen wählbare Ansprechspannungen, sind aber fast nur in fummeligen Mini-SMD-Gehäusen lieferbar:
  • Panasonic MN13811 (TO92), praktisch nicht mehr lieferbar
  • Dallas DS1233, DS1816 (TO92, haben aber keinen OpenCollector!)
  • Maxim MAX6463, 6466, 6377, 6380, 6328, 6348, 6315 (SOT)
• Universeller für N1 ist ein Spannungsdetektor, dessen Ansprechspannung wie beim LP2951 einstellbar ist, der aber noch weit weniger Strom benötigt als dieser. Hier sind insbesondere geeignet:
  • Maxim MAX918 (SOT), MAX9018 (Dual, SOT)
    Ein Tip: Maxim verschickt kostenlose Muster für Entwickler
• Eine interessante Schaltung mit MN13811 für einen 2,4 V-Detektor mit LED-Blinker, der nur 20 µA beim Blinken benötigt, in Ruhe gar nur 1 µA, ist unter
  http://www.discovercircuits.com/PDF-FILES/undervol.pdf
  zu finden.

Überwachung universell (03/2011)

Ausgehend von der Schaltung für den Akkupack habe ich die Schaltung etwas kompakter gebaut und eine eigene Leiterplatte zur universellen Verwendung entworfen.

Die Überwachungsschwelle ist entweder fest eingestellt, mit Hilfe der Widerstände R1, R2 oder einstellbar mit einem kleinen Trimmer, der alternativ zu R1, R2 eingelötet wird. Es sind 2 LED vorhanden. LED2 ist eine Betriebsanzeige (wie LED1 bei Schaltung 02/2004), die im Normalfall regelmäßig langsam blitzt, LED1 ist dunkel.

Wenn die Spannung bis zur ersten Schwelle absinkt, fängt zunächst auch LED1 an zu blitzen als "Vorwarnung", synchron zu LED2. Einige 10 mV später (tiefer), blitzen beide LED deutlich schneller (ähnlich LED1 bei 02/2004).

Die Platine ist 29,5 x 25,7 mm groß und einseitig kaschiert.

Die IC können wahlweise als DIP8 oder als SOIC8 verbaut werden.

• IC: LP2951ACNG (DIL8) bzw. LP 2951ACM (SOIC8), ICM7555IPAZ (DIL8) bzw. ICM7555IBAZ/CBAZ (SOIC8) von MAXIM, Intersil oder Harris
• C1-3: RM5
• R1, 2: RM12,7 oder Trimmer RM2,54x5,08 (z.B. Reichelt 64Z-500K)
• R3-7: RM12,7
• LED1, 2: 3 mm, RM2,54 (z.B. L-934SRC-J, L-7104VGC, LP3052ASUGC, NSPG310B)
  

Entscheidend für einen geringen Strombedarf ist die Auswahl der IC auf geringen Ruhestrom, der bei anderen als den genannten Herstellern erheblich höher sein kann. Ebenso sollten die LED mit kleinem Strom (um 2 mA) betreibbar sein und die Vorwiderstände entsprechend gewählt werden. Wegen dem Pulsen kann man natürlich im Betrieb keinen Strom messen. Zur Auswahl des Vorwiderstands und zur kontrollierenden Messung muss man die Schaltung so verändern, dass die LED solange konstant brennen (evtl. IC ausstecken, wenn Sockel verwendet wird). Oder außerhalb der Schaltung die Messung ausführen.

(erstellt 19.06.2013, zuletzt geändert 10.10.2021)

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© Reinhard Weiß 2021 - letzte Änderung: 06.08.2023 14:56 / 1