Entladeschutz-Schaltung Mit Arduino - Pages From Ct Magazin Für Computertechnik No 02 Vom 07. Januar 2017-2

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ntladeschutz-Schaltung Mit Arduino
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  Projekt | Entladeschutz-Schaltung c’t 󰀲󰀰󰀱󰀷, Heft 󰀲 󰀱󰀰󰀰 Sollen eigene Elektronik-Projektemit Akku betrieben werden, mussman diesen vor zerstörerischerTiefentladung schützen. EinMikrocontroller wie auf demArduino erledigt das nebenbei,wenn man weiß wie.Von Tim Gerber L etzten Sommer war ich mit dem Pad-delklub zum traditionellen Feuerwerkauf dem Steinhuder Meer unterwegs. Zudiesem Anlass musste natürlich auch dasKajak effektvoll beleuchtet werden. Waslag näher, als wasserdicht vergosseneRGB-LED-Streifen aus der Schublade zuholen und am Boot zu befestigen? Ein Ar-duino mit RGB-Shield von Velleman(siehe c’t 25/14, S. 172) zur Ansteuerungwar im Handumdrehen programmiertund in einer Margarinedose wasserdichtverpackt. Nur die Stromversorgung berei-tete etwas Kopfzerbrechen. Schließlichbenötigt der 5 Meter lange RGB-LED-Streifen etwa ein Ampere – je Farbe. Ins-gesamt sind es also 3 Ampere bei 12 Volt.Eine beachtliche Leistung, die mit Akku-oder Batterie-Power nicht so leicht zu be-werkstelligen ist. Volle Power Damit die LEDs eine Stunde mit vollerPower leuchten können, benötigt manfolglich eine Batterie mit 3 Amperestun-den. Durch die Flacker- und Blinkeffektesinkt die tatsächliche Leistungsaufnahmein der Praxis zwar beträchtlich, aber mitgut der Hälfte kann man schon noch rech-nen. Handelsübliche Batterien kommenfür derartige Lasten also kaum in Be-tracht. Einzig klassische Monozellen(LR20) weisen Kapazitäten von bis zu 6Ah auf, kosten aber um die 2 Euro proStück. Um eine Spannung von 12 V damitbereitzustellen, würde man jedoch achtStück davon benötigen, nur um zwei bisvier Stunden Beleuchtung zu haben. Dasginge sehr ins Geld. Aufladbar Für die Kajak-Beleuchtung kommt des-halb wie für viele ähnliche Anwendungenetwa zur Beleuchtung beim Camping unddergleichen ein kleiner Blei-Akku in Be-tracht. Die kosten grob geschätzt etwa 5Euro je Amperestunde und halten einigetausend Ladezyklen. Dank Bleigel-Fül-lung sind sie auch nicht mehr auslauf -gefährdet wie frühere Autobatterien mit󿬂üssiger Säurefüllung. Damit sie mög-lichst lange funktionieren, sollte man sienicht tiefentladen. Komplexe elektroni-sche Geräte wie etwa Smartphones schal-ten sich automatisch ab, wenn ihre Akkusan ihre Betriebsgrenzen kommen. Einfa-che LEDs etwa und andere Verbrauchertun das nicht. Um den Akku am Leben zuerhalten, ist es deshalb notwendig, seineLadung zu überwachen und bei Erreichender Kapazitätsgrenze die Verbraucher ab-zuschalten.Der Entladevorgang eines Akkuslässt sich anhand seiner unter Last gelie-ferten Spannung recht gut überwachen.Da sich die zu beachtende Grenzspan-nung, ab der eine weitere Entladung ver-hindert werden muss, nur wenig unter-halb der Nennspannung des Akkus be-wegt, ist eine genaue Spannungsmessungwichtig. Die beherrscht ein Mikrocontrol-ler, wie er auf den Arduino-Boards ver-baut ist, ohne Weiteres. Wie man mithilfedes integrierten Analog/Digital-Wandlerselektrische Größen messen kann, habenwir in Ausgabe 22/16 auf Seite 166 nähererläutert. Direkt an dem Analog-Port dür-fen maximal 5 V anliegen. Zwei Wider-stände teilen deshalb die Akku-Spannungim Verhältnis eins zu zwei. Im Leerlauf kann die Akkuspannung maximal 13,8 Vbetragen, zum Überschreiten der Mess-spannung müssten es mehr als 15 V sein.Um den Strom durch die Messungmöglichst niedrig zu halten, sollte der Wi-derstand hoch sein, beispielsweise mit 1respektive 2 Megaohm. Einfache Wider-stände genügen, auf die Toleranz kommtes nicht an. Um die Messung am Arduinotrotzdem möglichst genau zu machen,misst man die verwendeten Widerständemit einem Multimeter aus und rechnet Abgeschaltet Entladeschutz-Schaltungmit Arduino  Entladeschutz-Schaltung | Projekt c’t 󰀲󰀰󰀱󰀷, Heft 󰀲 󰀱󰀰󰀱 später mit den gemessenen Werten anStelle der Nennwerte weiter. Die kleineMessschaltung mit den beiden Wider-ständen passt auf ein centgroßes StückLochrasterplatine und kann mit einerkleinen Stiftleiste direkt auf den Arduinooder das RGB-Shield aufgesteckt werden.Mit einer LED-Kette mit 2 A Strom-aufnahme dürfte ein vollgeladener Akkualso nach etwa 3,5 Stunden so weit leersein, dass er zum Schutz vor Tiefentla-dung abgeschaltet werden muss. Im Pro-gramm wird die Spannung einfach durchAufruf von int u = analogRead(A1); ermit-telt. Man erhält dann einen Wert zwischen0 und 1023 (10 Bit). Da keine Spannungs-angabe benötigt wird, erübrigt sich dieUmrechnung in einen Messwert auf demArduino. Um den Akku zu schützen, ge-nügt es zu wissen, welchen Digital-Wertdie Messung nicht unterschreiten darf, umeine Tiefentladung des Akkus wirksam zuverhindern. Setzt man den Wert zu niedrigan, kann der Akku Schaden nehmen, wasman ja gerade verhindern will. Setzt manihn zu hoch an, verschenkt man ungenutz-te Kapazität.Welchen Wert man nimmt, lässt sichrecht gut dem Datenblatt (siehe Link) ent-nehmen, das es zu jedem Akku-Typengibt. Ein Diagramm zeigt die typischenEntladekurven für verschiedene Lasten.Sie fallen je nach Größe des Stromes frü-her oder später ziemlich steil ab und die-ser Punkt liegt hier in etwa um die 11 Volt.Das entspricht ziemlich genau einem Di-gitalwert von 750. Der tatsächliche Grenz-wert liegt deutlich darunter, je nach Lastzwischen 6,5 und 8,5 Volt. Nebenbeschäftigung Das Beispielprogramm ermittelt dieAkku-Spannung in der Hauptprogramm-schleife ( loop() ), sonst hat es nicht viel zutun, da die LEDs einfach so lange leuch-ten, bis die Spannung des Akkus untereinen festgelegten Wert sinkt. Die Mes-sung dauert nur wenige Prozessor-Takte.In der Praxis genügt es völlig, den Akkuim Abstand von mehreren Minuten zukontrollieren. Wenn das Programm in derHauptsache gleichzeitig Lichteffekte steu-ern oder andere Aufgaben erledigen soll,wird man die Überwachung über denTimer steuern und nicht bei jedem Durch-lauf der Programmschleife. Man mussdabei allerdings darauf achten, dass zumZeitpunkt der Messung eine Last anliegt,die ungefähr dem Durchschnitt ent-spricht. Die Lichteffekte für Party oderPaddelboot sollten also für den Messmo-ment zum Beispiel auf einem Farbkanalvolle Helligkeit (255) und einem zweitenauf halbe Leistung (127) geschaltet wer-den, der dritte Kanal bleibt aus. Vor derMessung muss man noch etwa 200 Milli-sekunden warten, damit sich die zu mes-sende Spannung stabilisieren kann.Wird der festgelegte Wert – im Bei-spiel 750 für knapp 11 Volt – unterschrit-ten, schaltet das Programm über den Di-gitalpin 3 den MOSFET auf dem RGB-Shield und damit den kompletten LED-Streifen ab. Durch das Abschalten derHauptlast steigt die Spannung am Akkunun wieder deutlich an. Das Programm(siehe c’t-Link am Ende des Artikels)schaltet nach dem einmaligen Unter-schreiten der Grenzspannung deshalbnicht etwa wieder ein: Aus bleibt aus.Der Arduino und das RGB-Shieldbleiben jedoch aktiv und beanspruchenweiterhin etwa 50 Milliampere. Auch des-halb ist es wichtig, die Hauptlast etwasfrüher abzuschalten, damit die Elektronikanschließend den Akku nicht doch nochvöllig entlädt und zerstört. Mit dem ge-wählten Wert von knapp 11 V verbleibt ge-nügend Reserve bis zur tatsächlichenGrenzspannung von zirka 8,5 V. Unddurch die um mehrere Zehnerpotenzenreduzierte Last ändert sich die Entlade-charakteristik zudem derart, dass der Ar-duino noch wochenlang angeschlossenbleiben kann, ohne den Akku zu beschä-digen. Mit ein paar zusätzlichen Pro-grammzeilen lässt er sich zudem in denSleep-Modus versetzen, bei dem nahezualle Funktionen abgeschaltet sind. DerSleepmodus spart etwa 20 Prozent, so-dass die Stromaufnahme dann nur nochetwa 40 Milliampere beträgt. Ausblick Wenn man größere Lasten an Akkus be-treibt, ist eine Entladeschutzschaltung äu-ßerst sinnvoll. Mit einem Arduino stellt sieauch keine große Herausforderung darund wenn der ohnehin dabei sein muss,weil er wie im Beispiel Lasten schaltenoder Lichteffekte steuern soll, dann lohntsich der geringe Schaltungs- und Pro-grammieraufwand auf alle Fälle. Soll dasGanze irgendwo fest eingebaut werden,wird man nicht unbedingt ein komplettesArduino-Board einsetzen, sondern ledig-lich eine Schaltung mit einem Controllerwie dem ATmega 328P, der auf dem Ar-duino Uno sitzt. Die einfache Schaltungmit einer LED-Kette nebst Spannungs-überwachung lässt sich aber auch schonmit einem kleineren und billigeren AT -tiny-Controller nach demselben Schemarealisieren. Übrigens kann ein Controllerauch mehr aus der ermittelten Akku-Spannung machen, zum Beispiel den La-dezustand über LEDs signalisieren, dieRestkapazität ermitteln und anzeigen unddergleichen mehr. Das erfordert aber einbisschen mehr Ausprobieren mit der eige-nen Schaltung. (tig@ct.de) c Literatur [1]Tim Gerber, Mikromesser, Elektrische Größenmit dem Arduino erfassen, c’t 22/16, S. 166[2]Tim Gerber, Eine Kette Buntes, RGB-Lichter -ketten mit Arduino steuern, c’t 25/14, S. 172 Schaltung und Beispielcode:ct.de/yebu Material Die Schaltung mit den zwei Mess -widerständen passt auf ein kleinesStück Lochrasterplatine und kann mitStiftleisten direkt auf den Arduinorespektive das RGB-Shield gestecktwerden.  eil reis  Arduino Unoca. 25 e RGB-Shieldca. 14 e  Akkuje nach Kapazität z.   B. Bleiakku 20–40 e LED-Streifenje nach Länge und Art 5–30 e Kleinmaterialwenige Euro
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