Spannung nach Einbruch 5-10 Sek. aufrecht erhalten

[Trabukh]

Hallo allerseits,

bei meinem nächsten Projekt wollte ich gerne Daten auf einer SD-Karte loggen mit FAT16 Dateisystem. Das Problem ist, dass die Schaltung ab und an keinen Saft mehr bekommt; für FAT16 ein Todesstoß, da nicht alle Cluster korrekt geschrieben werden. Blöderweise kommt es mir aber genau auf die Daten kurz vor dem Spannungsverlust an.
Daher bin ich auf der Suche nach einer Schaltung, die mir noch etwa 5 bis 10 Sekunden mindestens 4.5 Volt zur Verfügung stellt. Benutzt wird (voraussichtlich) ein ATmega644 mit 20 MHz (daher die min. 4.5 V).

Erst hatte ich an eine Lösung mittels MAX 690 und kleinen Knopfzellen gedacht, aber da das System möglichst wartungsfrei arbeiten soll, wäre eine Pufferung durch einen GoldCap sicherlich die bessere Wahl. Leider bin ich auf diesem Gebiet ein nahezu unbeschriebenes Blatt. Sobald mehr als Nullen und Einsen ins Spiel kommen, muss ich passen... :(

Vielleicht hat jemand von euch eine Idee parat, wie ich das dimensionieren und verschalten könnte? Wäre für jede Hilfe dankbar...


Gruß
Trabukh

[PICture]

Hallo Trabukh!

Die einfachste Schaltung, die mir eingefallen ist, habe ich im Code skizziert. Sollte etwas noch nicht klar sein, bitte Fragen. :)

MfG



Schottky Diode

+VCC >------>S-+-----+------+
|+ | |
=== .---. .---.
GoldCap /-\ |µC | |SD |
| '---' '---'
| | |
=== === ===
GND GND GND



(created by AACircuit v1.28.6 beta 04/19/05 www.tech-chat.de)

[Jaecko]

Jo, würd ich auch so machen wie angegeben mit nem GoldCap. Mit >1F sollten da dann schon ein paar Sekunden drin sein.

Wichtig wäre dann noch: Brownout einschalten, damit sich der AVR dann bei zu weit abfallender Spannung sicher abschaltet und keinen "Mist" mehr macht.
Oder: AVR erkennen lassen, dass der Strom weg ist, alles noch fertigspeichern und sich dann abschalten, bis der Strom wieder kommt.

[s.o.]

rechne doch erstmal aus, wielange du die Betriebsspannung brauchst, und um wieviel Volt die Absacken kann. Dann kannst du C ganz leicht ausrechenen. dU=I*t/C Und den Rest machst du wie von meinem Vorredner richtigerweiße vorgeschlagen.
Noch ein Kommentar: Mich würde es schwer wunden, wenn du mehr als 1mF brauchst. (Kann 1mA 1sec lang liefern und fällt dabei um 1 Volt)

[BMS]

Interessant wäre noch wie viel Strom denn der Mikrocontroller und die SD-Karte zusammen brauchen?
Hätte so auf insgesamt 30mA getippt (der Atmega mit 20Mhz!! braucht am meisten).
Dann reichen 1mF nicht mehr aus; der Goldcap wäre dann die bessere Wahl; würde es auch so wie PICture lösen.

[Trabukh]

Vielen Dank für eure Hilfe!
Mir ist allerdings noch nicht ganz bewusst, wieso es ausgerechnet eine Schottky-Diode sein muss. (Wofür sind die Teile eigentlich gut?) Geht es bloß darum, die ~0.7 V Spannungsabfall bei pn-Übergängen zu beseitigen? Da meine Erfahrung bezüglich S-Dioden gegen Null geht: Hättet ihr eventuell auch eine Typbezeichnung zur Hand, die sich eigenen würde?

Stromverbrauch sowie die benötige Zeit zum "Herunterfahren" kann ich leider noch nicht genau sagen. Die Zeit dürfte aber vorsichtig geschätzt 3 bis 5 Sekunden sein, der Stromverbrauch maximal 50 mA. Spricht etwas gegen eine hoffnungslose Überdimensionierung des GoldCaps außer der längeren Ladezeit?

Gruß
Trabukh

[Jakob L.]

Ein generelles Problem bei der Pufferung der 5V Betriebsspannung mit einem Kondensator ist, dass der Kondensator nur auf 5V aufgeladen wird, die Schaltung aber nur bis 4.5V sicher funktioniert. Da werden bei einem Kondensator also nur knapp 20% der gespeicherten Energie genutzt. Falls du die 5V per Spannungsregler aus einer höheren Spannung generierst, dann könntest du den Kondensator (z.B. mehrere baugleiche Gold-Caps in Serie) vor den Spannungsregler setzen, so dass ein höherer Anteil der Energie im Kondensator auch wirklich genutzt wird.

@PICture:
Wenn man von den 5V Versorgungsspannung noch die Durchlassspannung der Shottky-Diode abzieht (ca. 0.3-0.5V), dann bleibt kaum noch eine Differenz zu der mindestens notwendigen Versorgungsspannung (4.5V) übrig. Da kann man also nicht sinnvoll mit einem Kondensator puffern.

[PICture]

Hallo!

@ Trabukh

Schottky-Dioden haben bei gleichem Strom geringeren als "normale" Spannungsabfall in Flussrichtung.

Ich selber benutze am liebsten die Schottky-Dioden 1N5818 (kleine Gleichrichterdioden) von Pollin, weil sie niedrigeren Spannungsabfall (z.B. 0,25V bei 50 mA) als gleichgrosse aus der Serie BATxx haben.

Wenn grössere Kapazität benötigt wird, könnte man beliebig viel GoldCaps paralell schalten. Es muss nur dafür gesorgt werden, dass der Ladestrom begrenzt ist (z.B. durch seriellen Widerstand mit der Diode), damit die Versorgungsspannung nicht zu niedrig einbricht, wenn sie wieder kommt. Hoffentlich wird es genug Zeit zum Vollaufladen des "GoldCap-Akkus" geben. ;)

Überlegunswert wäre auch Verwendung anstatt GoldCaps eines NiMH s.g. Memopuffer-Akkus (wie bei Mainboards von PC's).

MfG

[hardware.bas]

Bei einem von mir gebauten Datenlogger habe ich mich für einen
9V-Akku entschieden, welcher im Betriebsfall vor die
5V-Spannungsreglung einspeist. Es musste unter anderem eine
Netzausfalldedektierunggespeichert werden.
Wegen der 5V eines Goldcap und der Stromaufnahme
der AVR-Schaltung und des USB-Datenloggers habe ich mich für
Akkupufferung mit Ladeschaltung entschieden. Über Überbrückungszeiten
muss ich mir jedoch nun keine Gedanken machen. VG Micha

[Trabukh]

Gut, ich versuche mal, all eure Hinweise zusammenzufassen:
Jakob schlägt vor, die GoldCaps vor den 5V-Spannungswandler zu setzen, um die Kapazität der Kondensatoren besser nutzen zu können, klingt sinnvoll. Ich kriege extern 12V geliefert, sodass ich gerne 3 in Serie geschaltete 1F-Kondensatoren nehmen würde. Die Teile vertragen maximal 5.5, also sollte das kein Problem sein, denke ich.
@PICture: Wo sollte bei so einer Schaltung sinnvollerweise ein Widerstand zur Ladestromgebgrenzung rein?

Zeit zum Aufladen dürfte genügend sein, handelt sich ja schließlich um Sekundenbruchteile...

Nochmals Danke für die Tipps soweit!

Gruß
Trabukh

[TobiKa]

sodass ich gerne 3 in Serie geschaltete 1F-Kondensatoren nehmen würde
Dann solltest du aber auch einen Schaltregler benutzen und keinen linearen Spannungsregler, sonst wird die Hälfte wieder nur in Wärme umgewandelt.

[Hessibaby]

@PICture , die Memorypuffer-Akkus hatten nur 3,6V, und seid ATX werden nur noch Lithium-Knopfzellen (3V) eingesetzt, meist CR2032.

Diese Pufferakkus mit 3,6V gibt beim Pollin für kleines Geld und die Packs kann man zerlegen und auf 4,8V aufbohren, kleines R zum Laden und eine Schottky-Diode, wie von Picture vorgeschlagen, zur Schaltung.

[hardware.bas]

Bei der Nutzung von Schaltreglern wäre es auch denkbar, Aufwärtstypen
zu benutzen, um die Reihenschaltung der Cs vermeiden zu können.
VG micha

[PICture]

Hallo!

Wie Hessibaby schon schrieb, am günstigsten finde ich bei Pollin diesen Akku von dem man bloss zwei Zellen entfernen muss: http://www.pollin.de/shop/dt/Njk5OTI3OTk-/Stromversorgung/Akkus/NiMH_Akkus/CMOS_Batterie_VARTA_6_V15H.html .

MfG

[wkrug]

Das Problem mit so einer SD Karte hatte ich auch schon mal.
Ich hab es mit einem 0,1F Gold Cap gelöst.
Die Spannung hab ich über von der 5V Schiene über eine Schottky Diode auf den Gold CAP eingespeist. Nach diesem Gold CAP wurde dann noch ein Spannungsregler mit 3,3V eingebaut, weil die üblichen SD Karten ja auch mit 3,3V laufen. Als Controller muß man dann aber einen L oder V Typen verwenden, der mit 2,5 V noch sicher funktioniert. Ich hab einen ATMEGA32L8 verwendet.

Allerdings trat dann ein toller Effekt zu Tage.
Der Controller kriegt über einen Pin den Ausfall der 5 V Stromversorgung mit und schließt daraufhin das File mit der Restenergie aus dem Gold Cap.
Nun geht der Controller über die Brown Out detection in den Reset.
Bis hier war noch alles i.O.
Durch die abgeschaltete SD Karte und den schlafenden Controller erholt sich die Spannung am Gold Cap aber wieder.
Die Ausgangsspannung nach dem 3,3V Regler erreicht das Startup Niveau des Controllers worauf sich dieser wieder initialisiert.
So lange bis die SD Karte wieder initialisiert ist und somit wieder Strom zieht. Dann schlägt wieder die Brown Out detection zu und das Spielchen beginnt von vorne. Das geht dann 3 bis 4 mal so hintereinander.

Ich hab das so gelöst, das der Controller in der Initialisierungsphase einen 330 Ohm Widerstand für 2 bis 3 Sekunden auf GND schaltet.
Dadurch wird der Gold Cap dann sicher entladen, wenn nicht die 5V Stromversorgung schon wieder aktiv ist.
Das hat bis jetzt eigentlich immer gut funktioniert.

Der Stromverbrauch meiner Schaltung hängt hauptsächlich von der verwendeten SD Karte ab und schwankte von 2mA - keine Karte gesteckt. Bis um die 30mA - Schreiben auf Karte.
Karten verschiedener Hersteller brauchen unterschiedliche Ströme!

Diese FAT hat mir schon einiges an Nerven gekostet, bis alles sauber lief.
( Fehler in der downgeloadeten Library, Falsch initialisierte SD Karten, Beschaffungsproblem des ATMEGA 32 L8 in TSOP, 1GB Problem, Fragmentierung des SD Karte, und das bestriebene Reset Problem ).

[Trabukh]

Ich danke euch nochmals für eure Antworten.

Ich habe nun als endgültige Lösung nur einen GoldCap (1F/5.5V) genommen mit 20 Ohm Ladewiderstand und entsprechend einen MAX751 StepUp-Regler hintergeschaltet, um die Kapazität besser nutzen zu können. Damit kann ich bei einem sehr hoch angesetzen Stromverbrauch von 50mA rein rechnerisch eine Zeit von etwa 70 Sekunden überbrücken, was für meine Zwecke mehr als genügt. Der Kondensator braucht etwa 90 Sekunden für eine (fast) vollständige Aufladung.

Gespeist wird das ganze dann doch hinter meinem Schaltnetzteil, also mit 5V und max. 500mA. Bei absolut leerem GoldCap braucht das ganze einen Ladestrom von etwa 250mA, sodass noch genügend Saft für den Rest der Schaltung zur Verfügung stehen sollte.


Das ganze funktioniert soweit auf dem Papier, falls jemandem Mängel an der Idee auffallen sollten, wäre ich für jede Kritik dankbar. :)


Gruß

[BMS]

Hallo,
ob dein Konzept funktioniert, hängt im Wesentlichen vom Innenwiderstand des Goldcaps ab. Wenn der zu hoch ist, bricht die Spannung (zu) weit ein! Hast du den Goldcap schon gekauft? Wenn nein - lieber vorher im Datenblatt nach Innenwiderstand schauen und einen niederohmigen Goldcap wählen! (oder selber nachmessen)
Ich werf mal den Wert 18Ohm Innenwiderstand in die Runde - gemessen an einem günstigen 0,22F 5,5V Goldcap.

Grüße, Bernhard

[Trabukh]

Hmm, wie hoch dürfte der Innenwiderstand denn maximal sein? Im Datenblatt meines anvisierten GoldCaps steht nur <=30 Ohm.

Wie könnte ich den Innenwiderstand sinnvollerweise berücksichtigen in meinem Konzept?


Gruß

[BMS]

Wir nehmen an, ein Goldcap hätte 10 Ohm Innenwiderstand war auf 5V aufgeladen, dann bricht die Spannung bei 50mA Belastung schon um U=R*I=10Ohm*50mA=0,5V ein! Damit stünden noch 4,5V zur Verfügung, und die Spannung des Goldcaps wird ja wegen der Entladung weiter sinken! Das würde dem Mikrocontroller nicht reichen.

Deswegen darf der Goldcap nur wenige Ohm Innenwiderstand haben; du kannst auch mehrere kleine Goldcaps parallel schalten, damit werden die Innenwiderstände auch "parallel" geschaltet. ;)

Aber mit 30Ohm Innenwiderstand wird das nichts. :-k

Grüße, Bernhard

[Trabukh]

Aus diesem Grund ist ja (unter anderem) der StepUp-Converter nachgeschaltet. Ab etwa 1.28V macht er glatte 5V mit genügend Leistung für die gesamte Schaltung. Wobei ich die 30 Ohm auch mal als absolute Maximum Ratings betrachte, in der Realität dürfte das vermutlich eher in der Größenordnung deiner Messung sein.

Parallel schalten würde natürlich gehen, aber damit verringere ich mir gleichzeitig auch meine Kapazität. Hm hm hm...
Muss gleich mal bei Farnell suchen, ob ich "optimalere" GoldCaps finde.


Gruß

EDIT: Mir ist gerade aufgefallen, dass ich unter Berücksichtigung des Innenwiderstands des GoldCaps den Ladewiderstand vor dem Kondensator sehr viel kleiner wählen könnte, oder irre ich mich da?

[BMS]

Parallel schalten würde natürlich gehen, aber damit verringere ich mir gleichzeitig auch meine Kapazität. Hm hm hm...
Muss gleich mal bei Farnell suchen, ob ich "optimalere" GoldCaps finde.Da ist dir wohl ein Fehler unterlaufen: Bei Parallelschaltung von zwei gleichen Goldcaps verdoppelt sich die Kapazität! (und die Spannungsfestigkeit bleibt gleich)

Bei Reihenschaltung von zwei gleichen Goldcaps halbiert sich die Kapazität und die Spannungsfestigkeit wird doppelt so hoch (wenn symmetriert)

Grüße, Bernhard

[PICture]

Hallo!


Mir ist gerade aufgefallen, dass ich unter Berücksichtigung des Innenwiderstands des GoldCaps den Ladewiderstand vor dem Kondensator sehr viel kleiner wählen könnte, oder irre ich mich da?

Wenn der Innenwiderstand des GoldCaps grösser als der von dir ausgerechnete ist, brauchst du keinen seriellen dazu schalten. ;)

Übrigens, ein Memopufferakku (quasi GoldCap) ist besser als echter Goldcap, weil er sehr hoche Kapazität und niedrigeren Innenwiderstand hat und die Spannung sogar bei längerer Stromentnahme praktischr nicht einbricht.

Eventuell siehe dazu: https://www.roboternetz.de/community/showthread.php?51514-9-6V-Ni-Cd-Akku-laden/page2 .