LiPo an Arduino Nano Kabeldicke

[xcalibur]

Ich habs mit Spannungsteiler ( am ATmega328 ) gemacht (100k und 47k), da fließen nur geringe Ströme durch die Widerstände, die Spannung kann aber trotzdem sauber erkannt werden:

Bild hier  

Ich tue mich mit dem Schema etwas schwer (komme wie gesagt aus der Softwareentwicklung und da ist bekanntlich alles schon verkabelt ). Anscheinend gibt es ja belastete und unbelastete Spannungsteiler (Quelle) und wenn ich das richtig erkenne verwendest du hier einen belasteten und liest an Pin 28 die Spannung aus (oder ist es doch Pin 21?).
Ich habe in der Größenordnung nur 5k1-, 10k- und 100k-Widerstände.
Kannst du mir sagen ob es auch ausreichen würde 2 Widerstände (als unbelasteten Spannungsteiler) wie folgt vor den Analog-Pin zu setzen (z.B. mit R1=100k und R2=10k) bzw. stattdessen sogar nur einen Widerstand zu verwenden (verstehe nicht wirklich warum beim unbelasteten Spannungsteiler mehrere in Reihe geschaltet werden müssen -> ein größerer Widerstand sollte den den gleichen Effekt haben wie 2 kleinere in Reihe, oder?):

Gemessen werden die 12V (oder was am Akku anliegt).
Der LiPo hat, wenn es ein 11V-LiPo ist, ca. 12.6V wenn er voll geladen ist. Im Betrieb, beim Entladen, sinkt die Spannung. Erst bleibt sie nahezu konstant - sinkt nur langsam, bis sie am Schluss schnell einbricht. Ich habe viel herumprobiert. Gerade mit möglichst weit/tief entladen, wegen langer Laufzeit der Schaltung. Entscheidend ist, dass die einzelnen Akkuzellen nicht unter 2.8 bis 3.2V entladen werden dürfen. Von 3.2V bis 2.8V ist leider nicht weit, das geht dann sehr flott, am Schluss auch unter 2.6V. Und das ist dann zu viel. Einen defekten Akku habe ich schon und ein Zweiter hat eine verringerte Kapatität. Deshalb ist meine Empfehlung, die Spannung am Akku zu messen und die Grenze bei der Nennspannung des Akkus zu setzen. Heißt bei Deinem Akku, ab 7.4V irgendwie entweder die Schaltung zu trennen (gibt Schutzschaltungen für LiPos) oder wenigstens eine blinkende LED (o.ä.) zu verwenden. Dann nachladen.

Danke, die Angaben helfen schonmal immens.

[Moppi]

Weiß nicht, wie Du den Arbeitspunkt einstellen willst, mit nur einem Widerstand. So würde ich es nicht machen, bin auch nie auf die Idee gekommen. Über die 100k von den +12V fließt kein nennenswerter Strom mehr, meine ich. Dann geht es an den ADC-Eingang, der 47k ist auch noch sehr groß, da wirds nichts warm, dort fließt kein nennenswerter Strom. Wenn Du mit einem einfachen Reihenwiderstand von 12V abgehst, musst Du immens große Widerstandswerte nehmen, um von 12V auf max. 5V runter zu kommen. Ich weiß nicht, ob das dann auch noch funktionieren würde. Du möchtest ja auch, dass am ADC ein stabiler Wert anliegt.
Ich muss Dich hier etwas enttäuschen, der große Schaltungsexperte bin ich nicht (für meine Zwecke reicht es aus, aber nicht um Erklärungen pro und kontra abzugeben). Das soll lieber jemand beantworten, der sich im Detail hier besser auskennt, mit Spannungsteilern, Strömen, Störsicherheit am ADC-Eingang usw. Mein Bauchgefühl sagt mir, ein Spannungsteiler, wo in der Mitte abgegriffen wird zum ADC-Eingang, ist besser. Ich weiß nur, dass es hier Leute gibt, die dafür kleinere Widerstandswerte nehmen. Mit den großen klappts bei mir auch gut.

Fürs Erste kannst Du wohl die 10k und 5.1k für einen Spannungsteiler nehmen, wenn Du nichts anderes da hast. 10k vom LiPo zum ADC-Eingang und von dort mit den 5.1k gegen GND. Sollte vom Verhältnis her passen, die ~8.5V auf unter 5V, für den ADC, zu bringen. Vorausgesetzt Du betreibst den Nano mit 5V. Wird der mit 3.3V betrieben, dürften am ADC max. 3.3V anliegen.


Nochmal nachgerechnet:
Bei 8.5V am Akku solltest Du, mit den 10k und 5.1k, ca. 2.8 bis 2.9V am Abgriff des Spannungsteilers erhalten (also zwischen 10k und 5.1k, wo es an den Eingang vom ADC dran geht).



MfG

[021aet04]

Einen Widerstand auf die Akkuspannung darfst du auf keinen Fall machen. Du hättest einen Pullup und damit hast du dann die Akkuspannung (also z.B. 8V) am Eingang. Wenn der Widerstand groß genug ist, ist es erlaubt (hast aber falsche Messwerte). Dann leiten die internen Schutzdioden, der Strom durch diese darf aber nur sehr gering sein.

Wie groß der Eingangsstrom des ADC ist habe ich nicht gefunden.

Ob ein Spannungsteiler belastet ist oder unbelastet hängt vom entnommenen Strom vom Mittelpunkt des Teilers ab. Wenn du einen ADC hast ist dieser "Querstrom" nicht zu merken und somit ist es wie ein unbelasteter. Bei einem Multimeter (Digital) hast du einen Eingangswiderstand von (häufig) 10MOhm.

Wenn du z.B. einen Spannungsteiler mit 2x10kOhm hast und du das Messgerät anschließt, sind ein 10k und ein 10M (vom DMM) parallel. Die Auswirkungen sind eher gering.
Wenn du den gleichen Spannungsteiler mit 10M Widerständen aufbaust, hast du 2x10M parallel, das ergibt als ergebnis 5MOhm. Somit wirkt es sich sehr stark aus.

Ich habe es simuliert (wollte nicht mit den Formeln arbeiten). Als Versorgung habe ich 10V genommen (Als Schaltung habe ich mein Beispiel mit dem DMM genommen).
Spannungsteiler unbelastet: 5V (ist aber auch logisch), Spannungsteiler 10k: 4,9975V, Spannungsteiler 10M: 3,3V

Prinzipiell kann man mit den Widerständen beim Spannungsteiler beliebig nach oben gehen. Aber je höher die Widerstände sind, desto leichter werden Störungen zum Problem. Man muss immer einen Kompromiss finden zwischen Leistung die im Spannungsteiler verbraten wird und Störungsempfindlichkeit. Was ich auch noch machen würde, wäre einen Kondensator (irgendwas bis 100nF) an den Eingang anschließen (zwischen ADC und GND).




Pin 21 ist vermutlich ARef (Analogreferenz) habe aber nicht nachgeschaut, Pin 21 ist der ADC Eingang.


Also in Kurzfassung:
Wenn du es so anschließt wie im Plan oben kannst du es als unbelasteten Spannungsteiler sehen.
Wenn du diese z.B. modifizieren willst und ein Poti einfügst (Pin 28 trennen, Spannungsteiler Mittelabgriff auf Poti, zweiter Potianschluss auf GND und Schleifer bzw Mittelabgriff auf Pin 2 wird es nicht funktionieren (nicht wie gedacht), weil du den Spannungsteiler mit dem Poti belastest.



Was du auch noch beachten solltest ist, das du den ADC Bereich so viel wie möglich ausnutzen sollst. Wenn du 10bit verwendest (=0-1023) und bei max. Akkuspannung einen Messwert von 100 hast ist es schlecht. Wenn du aber z.B. 900 hast ist es genauer. Du solltest den Messbereich aber nicht zu viel ausnützen (das du über die max. Spannung kommst) oder du schützt den Eingang mit einer Zenerdiode (zwischen ADC und GND). Wenn du ein Poti hast könntest du den Eingang "kalibrieren". Ersetze den unteren Widerstand gegen ein Poti.

MfG Hannes

[Moppi]

Pin 21 ist am mega328 der A-ref-Pin. Der soll mit einem externen Kondensator versehen werden, wenn die interne 1.1V-Referenz verwendet wird. Die internen 1.1V benutze ich aber nicht. Daher kann man den vermutlich weg lassen.

"Optionally, AVCC or an internal 1.1V reference voltage may be connected to the AREF pin by writingto the REFSn bits in the ADMUX Register. The internal voltage reference must be decoupled by an
external capacitor at the AREF pin to improve noise immunity."

[021aet04]

Ich habe auch ein DB vom 328er, bei mir steht aber etwas anderes drinnen (meines ist von 2018 mit Microchip Optik).

Im Kapitel zum ADC unter Overview steht:
"Internal reference voltages of nominally 1.1V or AVCC are provided On-chip. The voltage reference may be
externally decoupled at the AREF pin by a capacitor for better noise performance."

und unter dem Punkt "ADC Voltage Reference" steht:
"In either case, the external AREF pin is directly
connected to the ADC, and the reference voltage can be made more immune to noise by connecting a capacitor
between the AREF pin and ground."

Ein Kondensator kann nicht schaden.

Edit: Habe gerade im Blockschaltbild vom ADC gesehen das der AREF Pin nach der Referenzumschaltung ist und direkt zur DAC Einheit geht. Somit wirkt sich ein Kondensator immer aus.

MfG Hannes

[xcalibur]

Erstmal danke für die Antworten. Habe den Tag unter Anderem mit der Online-Recherche zu ein paar Zusammenhängen aus der Elektrotechnik und Schulphysik verbracht, damit ich die Berechnungen nachvollziehen konnte

Einen Widerstand auf die Akkuspannung darfst du auf keinen Fall machen. Du hättest einen Pullup und damit hast du dann die Akkuspannung (also z.B. 8V) am Eingang. Wenn der Widerstand groß genug ist, ist es erlaubt (hast aber falsche Messwerte). Dann leiten die internen Schutzdioden, der Strom durch diese darf aber nur sehr gering sein.

Danke, nachdem ich nachgelesen habe wie Pullup- und Pulldown-Widerstände kann ich soweit folgen.

Was du auch noch beachten solltest ist, das du den ADC Bereich so viel wie möglich ausnutzen sollst. Wenn du 10bit verwendest (=0-1023) und bei max. Akkuspannung einen Messwert von 100 hast ist es schlecht. Wenn du aber z.B. 900 hast ist es genauer. Du solltest den Messbereich aber nicht zu viel ausnützen (das du über die max. Spannung kommst) oder du schützt den Eingang mit einer Zenerdiode (zwischen ADC und GND). Wenn du ein Poti hast könntest du den Eingang "kalibrieren". Ersetze den unteren Widerstand gegen ein Poti.

Zur Ausnutzung des Messbereiches wäre ich vermutlich auch mit einer Messgenauigkeit von ein paar Bit weniger zufrieden, da es ja nur um einen Schutz für Unterladung des Akkus geht und nicht um einen superexakten Akkustand. Stattdessen wäre es mir wichtiger den konstanten Stromverbrauch für die Messung des Ladezustandes gering zu halten.
Die Idee mit dem Poti ist gut aber auch zeitaufwändig zu verkabeln. Daher hoffe ich dass es für meine Zwecke auch ohne geht.

Nun zu der Rechnung:
Ich habe eine Energiequelle mit 2 Zellen mit jeweils maximal 4,2V (Quelle), also insgesamt maximal 8,4V Ausgangsspannung.
Der Arduino kann am ADC maximal 5V aufnehmen, d.h. z.B. R1=R2=10k ( eingesetzt in U2=(U1*R2)/(R1+R2) ) würden schon genügen um mit 4,2V im Bereich des ADC mit Toleranzen zu bleiben. Dann dürfte jedoch der Spannungsteiler einiges an Strom verbrauchen wie du gesagt hattest. Moppi hatter hier an Widerständen R1=100k und R2=47k verwendet. Da ich keine 47k-Widerstände daheim habe wäre R1=100k und R2=10k eine brauchbare Kombination oder kann es da schon mit Störungen zu Problemen kommen?

[Moppi]

xcalibur,

ich weiß nicht, ob Du es gelesen hast.
Du hattest geschrieben, dass Du nur bestimmte Widerstände hättest.

Entsprechend der Beschaltung, mit einem Spannungsteiler - vom Akku zum ADC-Eingang, hatte ich dazu nachgetragen:

Fürs Erste kannst Du wohl die 10k und 5.1k für einen Spannungsteiler nehmen, wenn Du nichts anderes da hast. 10k vom LiPo zum ADC-Eingang und von dort mit den 5.1k gegen GND. Sollte vom Verhältnis her passen, die ~8.5V auf unter 5V, für den ADC, zu bringen. Vorausgesetzt Du betreibst den Nano mit 5V. Wird der mit 3.3V betrieben, dürften am ADC max. 3.3V anliegen.


Nochmal nachgerechnet:
Bei 8.5V am Akku solltest Du, mit den 10k und 5.1k, ca. 2.8 bis 2.9V am Abgriff des Spannungsteilers erhalten (also zwischen 10k und 5.1k, wo es an den Eingang vom ADC dran geht).

In der Tat ist es hier nicht ganz so wichtig, mit dem Bereich, geht nur darum zu erkennen, ob die Spannung über einem Wert liegt.
Deshalb sollte ein Spannungsteiler aus 10k und 5.1k ausreichend sein. Der liefert eben dann ca. 3V am ADC-Eingang (wenn am Akku max 8.5V anliegen). Diese max. 3V am ADC-Eingang sind i.O., wenn Du den Nano mit 5V oder mit 3.3V versorgst. Auch von den Strömen die dort fließen können, sollten 10k und 5.1k völlig i.O. sein. Bei 8.5V und 10kOhm können über den Widerstand (I=U/R) maximal 0.00085A fließen - knapp ein Milliampere. Über die 10k und die 5.1k zusammen fließen, gegen GND, 0.00056A - ein halbes Milliampere. Sollen es später noch weniger sein, wähle die Widerstände größer.



Deine Akkuspannung beträgt max. 8.5V. Mit einem Spannungsteiler aus R1 100k und R2 10k bekommst Du eine Ausgangsspannung von ca. 0.77V, die am ADC-Eingang anliegt. Umgerechnet auf den Messbereich mit 1024 Werten auf die Versorgungsspannung, entspricht das ~158 Werten (von 0V bis 8.5V) aus 1024 Möglichen. Wenn Du den Nano mit 5V versorgst. Bei einer Versorgungsspannung mit 3V wären es ca. 260 Werte, aus 1024 Möglichen. Mit einem Spannungsteiler aus 10k und 5.1k, ungefähr 3.6mal soviel nutzbare Werte.

Ohne besondere Vorkehrungen können die digitalen Werte schwanken, die am ADC-Eingang ermittelt werden. Ein Minimum an Messbereich (Zahl der möglichen Messwerte) sollte da schon vorhanden sein. Wenn die 8.5V einem digitalen Wert von 158 entsprechen, dann die 7.4V einem Wert von 137. Und 7.0V dann 130. Das ist dann nicht sehr weit auseinander. Die Unterscheidung zwischen 7V und 7.4V in etwas ungünstigeren Fällen also kaum noch möglich.






Alternativ wären auch 3x 100k möglich. R1 = 100k und R2 dann bestehend aus 2x 100k parallel (50k).


Wenn der Nano mit 5V betrieben wird und den Messbereich auszunutzen: R1 = 100k und R2 = 147k ... oder ... 10k und 14.7k



MfG

[021aet04]

Ich würde 2x10k nehmen. Der Stromverbrauch ist relativ gering (420uA) und die Spannung ist auch noch weit genug von den 5V weg.
Die 100k kannst du auch nehmen. Ich würde aber dann sicherheitshalber zu jedem Widerstand einen 2ten parallel einplanen. Solltest du Störungen bekommen, brauchst du nur jeweils einen 2ten Widerstand einlöten. Du kommst dann auf 2x50k.

Bei den 100k kommst du beim Spannungsteiler auf 42uA.

Zu Störungen kommt es z.b. bei Bürstenmotoren, nicht entstörten Leuchtstofflampen (hört man manchmal bei Radios wenn die starten),...

Ein Poti ist auch nicht aufwendiger als ein Widerstand. Hier findest du einige Varianten http://www.dieelektronikerseite.de/L...20geregelt.htm
Ich würde es so machen wie bei "Das Poti als regelbarer Widerstand" letztes Bild. Du musst nur das Poti und den Widerstand untereinander tauschen (Widerstand oben, Poti unten).


MfG Hannes

[Moppi]

Ich habe noch was gefunden, bezüglich der Störungen und der ADC-Eingangsbeschaltung: https://www.mikrocontroller.net/topic/69390

Insbesondere diesen Beitrag, mal als Zitat rüber geholt:

Hallo,

der Eingangswiderstand des ADC ist sehr hoch, weit im Megaohm-Bereich!
Der Pin muß Eingang ohne PullUp sein.


Es wird von Atmel eine relativ niederohmmige Quelle gefordert, weil die
Sample&Hold-Schaltung sonst Fehler erzeugt, weil das interne C aus einer
hochohmigen Quelle nicht innerhalb der 2 Takte auf den echten Wert
aufgeladen wird.


Ganz praktisch reicht es bei meinem AVR (Exemplaabhängig!) auch mit
220k/20k || 10n aus, um den Fehler unter 1% zu halten.


Gruß aus Berlin
Michael

Wenn das so ist, sollte man wohl dann mit 100k bis 200k bei R1 als Grenzwert arbeiten und keinesfalls in den Megaohm-Bereich hinein gehen.
Der Kondensator hier überbrückt R2 - soweit ich das gelesen habe. Ob das viel Sinn macht? Wollte es nur erwähnen.


Noch mal geschaut, was im Datenblatt zum mega328 steht:

The ADC is optimized for analog signals with an output impedance of approximately 10 kΩ or less. If sucha source is used, the sampling time will be negligible. If a source with higher impedance is used, the
sampling time will depend on how long time the source needs to charge the S/H capacitor, with can vary
widely. The user is recommended to only use low impedance sources with slowly varying signals, since
this minimizes the required charge transfer to the S/H capacitor.