555-CMOS: Sparsame Batteriebetriebsanzeige mit Lowbatt-Funktion

Einleitung oder was soll das denn schon wieder?

Es kann doch gar nicht soviel Neues mit diesem 555-CMOS-Timer-IC geben, dass man schon wieder einen Elektronik-Minikurs schreiben kann. Das ist fast richtig, ausser man kann eine längst bekannte Grundanwendung für etwas ganz Besonderes vorschlagen. Genau darum geht es diesmal. Eigentlich ist es fast nichts anderes als ein astabiler Multivibrator mit einem sehr kleinen Tastverhältnis von 7ms/1000ms (0.007). Aber auch das ist noch nichts Besonderes, ausser eben, die Anwendung macht es aus, und genau dies trifft hier zu.

Der Sinn der folgenden Schaltung in Bild 1 zeigt sich, wenn man ein kleines batteriebetriebenes Gerät realisiert, das nur wenig Energie verbraucht. Man kann sich dann kaum eine LED-Betriebsanzeige leisten, weil alleine diese LED vielleicht mehr Leistung verbraucht, als die Nutzschaltung selbst. Nun könnte man eine sogenannte Lowcurrent-LED verwenden, welche sich mit einem kleinen Strom von etwa 2 mA gerade noch begnügt. Allerdings fällt eine statische Anzeige kaum auf, wenn das Gerät in einem hellbeleuchteten Raum herumliegt. Jedoch etwas das einmal pro Sekunde kurz aufblitzt, fällt selbst dann auf, wenn man nicht direkt hinschaut. Dazu kommt, man weiss mit LED und Vorwiderstand - wie langweilig! - noch immer nichts über den Ladezustand der Batterie. Dies und noch ein weitere Eigenschaft, die dann angenehm auffällt, wenn eine sehr empfindliche Messschaltung im Gerät ist, vermittelt dieser Elektronik-Minikurs und dabei dreht es sich ein weiteres Mal um den Allerweltskerl in CMOS, den LMC555 und den TLC555. Dieses 'C' in der Bezeichnung hat viel Bedeutung. Es sagt aus, dass dieses 555-Timer-IC eine CMOS-Version ist und das bedeutet, dass man in der Schaltung diese CMOS- und nicht die alte bipolare Version (NE555 oder LM555) einsetzen muss. Da man diese CMOS-Versionen von den beiden genannten Firmen einsetzen kann, wird dieses IC nachfolgend zusammenfassend stets mit LMC/TLC555 bezeichnet.

Der Stromverbrauch der ganzen Schaltung mit der blitzenden LED beträgt etwa 1.6 mA bei 9 VDC. Nun muss man sich natürlich überlegen, ob sich eine solche Schaltung lohnt, wenn die gesamte Elektronik ohne diesen Zusatz z.B. bloss 5 mA benötigt, denn diese blinkende Schaltung macht dann immerhin 28 % des gesamten Stromverbrauchs aus und eine 9V-Blockbatterie hat auch nur grad eine Kapazität von 500 bis 700 mAh (Alkali-Mangan-Batterie). Wie entscheidet man? Man muss sich überlegen, wie gross ist bei einer bestimmten Anwendung das Risiko, dass das Gerät vergessen wird auszuschalten, wenn man es nicht mehr braucht. Ist dieses Risiko gross, dann lohnt sich dieser Zusatz auf jedenfall, weil die Zeit in der das Gerät wegen Vergessenheit eingeschalten bleibt, kann u.U. viele Stunden, Tage, Wochen oder noch länger dauern. Die Alternative einer automatischen Abschaltverzögerung für Batterien oder Akku mit einfacher Elektronik, eignet sich nur dann, wenn die Einsatzdauer relativ kurz ist. Zu diesem Thema stehen diese beiden Elektronik-Minikurse zur Verfügung:



Sparsame Batteriebetriebsanzeige mit Lowbatt-Funktion

Da die Spannung an C1 zunächst unterhalb der Triggerschwellenspannung des Komparators KB von 1/3*Ub liegt, ist das RS-Flipflop FF gesetzt, Q liegt auf HIGH- (+Ub), /Q auf LOW-Pegel (GND) und der MOSFET T ist offen. R3 und LED sind stromlos. Damit beginnt die Ladung von C1 durch R2. Wenn die Spannung an C1 den Wert von knapp 2/3*Ub überschreitet, schaltet der Komparator KA und setzt FF zurück. Damit wird Q LOW, /Q HIGH und FET T leitet. C1 entladet sich über R3 und die LED. Die LED blitzt kurz und hell auf. Entsprechend der Zeitkonstante von R3*C1 beträgt die Blitzdauer nur etwa 7 ms, während die Blitzperiode etwa eine Sekunde beträgt. Diese Zeit lässt sich erhöhen in dem man R2 grösser wählt. Nach dieser Entladung liegt die Spannung an C1 knapp unterhalb der Triggerschwellenspannung von KB mit dem Wert von 1/3*Ub. Dadurch öffnet sich T, die LED wird stromlos und es beginnt die Nachladung von C1 durch R2 bis zur Triggerschwellenspannung von KA. Damit wiederholt sich das Ganze.

Ganz genau genommen ist die maximale Spannung an C immer ein wenig höher als 2/3*Ub und die minimale ein wenig niedriger als 1/3*Ub. Dies kommt von der sogenannten Propagation-Delaytime, die etwa 200 ns beträgt. Natürlich fällt diese geringe Verzögerungszeit bei dieser sehr niederfrequenten Oszillation nicht auf. Wenn man jedoch eine solche Schaltung bei einigen 100 kHz schwingen lässt, fällt diese Verzögerungszeit ins Gewicht und sie ist am Oszilloskopen auch gut erkennbar.

Was soll das Trimmpotmeter P mit dem Titel "Batterie entladen"? Damit lässt sich über den Modulationseingang einstellen, bei welchem Wert von +Ub der Oszillator gerade noch anschwingt. Man verschiebt damit die Triggerschwellen an KA und KB. Dies bietet die Möglichkeit der optischen Wahrnehmung, wenn sich die Batterie dem Lebensende zuneigt. Die Blinkfrequenz nimmt ab und die LED geht in der Dunkelphase mehr nicht ganz aus. Schreitet die Entladung weiter fort, blinkt die LED überhaupt nicht mehr, sie "glimmt" nur noch schwach vor sich hin. Sie wird dann mit dem Strom gespiesen, der sich aus +Ub und R2 ergibt. R3 ist vernachlässigbar, weil er in Relation zu R2 viel zu niederohmig ist.

Das schwache "Glimmen" kann man besser mit einer glasklaren LED sehen. Eine glasklare LED wirkt auch beim Blitzen markanter. Bei diesen LEDs ist der Leuchtwinkel jedoch meist schmaler als bei den diffusen LEDs. An Trimmpotmeter P stellt man die Batterieentladespannung ein, die normalerweise etwa 70% der Spannung einer frischen Alkali-Mangan-Batterie beträgt. Man kann diese Schaltung bei Batteriespannungen von 6 VDC (4 x 1.5V-Batterien in Serie) mit einer Entladespannung von 4.2 VDC, bei einer 9V-Blockbatterie mit einer Entladespannung von 6.3 VDC oder bei acht in Serie geschalteten 1.5V-Batterien mit einer Entladespannung von 8.4 VDC einsetzen. Grössere Batteriespannungen sind bestimmt ebenso möglich, aber ich habe dies nicht getestet. Bei kleineren Spannungen, wie mit zwei in Serie geschalteten 1.5V-Batterien, funktioniert diese Schaltung nicht mehr. Die maximale Betriebsspannung des LMC555 beträgt 15 VDC.



Spannungs- und Stromdiagramme

Das Sägezahndiagramm zeigt das Auf- und Entladen von C1. Das langsame Aufladen über R2 und das schnelle Entladen über R3 und LED. Die Lupe illustriert, wie die Spannung an C den Triggerschwellenwert von KB leicht unterschreitet. Das selbe gilt im umgekehrten Sinne für den Umschaltmoment am Triggerschwellenwert von KA.

Das mittlere Diagramm zeigt den kurzen LED-Strom-Impuls. Da es mit C1 und R3 ebenso eine RC-Schaltung ist, ist es eine exponentielle Entladungskurve. Bei der Anwendung einer 9V-Blockbatterie steigt der LED-Strom sofort auf:

   ILED=(((0.67*9V)-ULED)/R3)=42 mA
   (2/3*Ub ; ULED = 1.8V ; R3 = 100 Ohm)

Bei dieser Berechnung ist der Widerstand RDS_on des in LMC/TLC555 integrierten MOSFET T (Anschluss 7) unberücksichtigt. Dieser Wert, der von der Gate-Source- und somit von der Betriebsspannung abhängig ist, ist in den Datenblättern des LMC/TLC555 nicht angegeben. Wir rechnen hier mit einem LED-Stromimpuls von etwa 40 mA bei einer Batteriespannung von Ub = 9 VDC. Dieser Strom ist der Spitzenstrom des Impulses und nicht etwa dessen Mittelwert, der natürlich niedriger ist.

Dieser Anfangsstrom von etwa 40 mA für eine Highefficiency-LED und danach während etwa 7 ms dauernden Blitz mit abnehmendem Strom, wirkt als optischen Eindruck recht optimal. Ich habe damit experimentiert. Bei einer höheren oder niedrigeren Batteriespannung kann man R3 entsprechend anpassen. Dies bringt aber aus zwei Gründen nicht so viel. Reduziert man bei niedriger Batteriespannung R3 um den LED-Strom zu erhöhen, reduziert man ebenfalls die Entladezeitkonstante. Der Strommittelwert ändert sich also nicht signifikant und damit auch nicht die mittlere Blitz-Leuchtkraft. Man müsste bei einer Veränderung von R3 auch C1 so ändern, dass die Entladezeitkonstante gleich bleibt. Dies wiederum zieht aber eine Anpassung von R2 nach sich, wenn die Periode zwischen zwei LED-Blitzen gleich lang bleiben soll. Dazu kommt, dass die optische Wahrnehmung logarithmisch ist, die Leuchtstärkeänderung einer LED jedoch linear mit ihrer Stromänderung erfolgt. Dies bedeutet, dass eine kleine LED-Stromänderung sich optisch nur schwach bemerkbar macht. Dies ganz im Gegensatz zu einer Glühlampe, wie wir gleich sehen werden...


Ein kleines Experiment mit LED und Glühlämpchen

Man nehme eine LED und einen Vorwiderstand von 470 Ohm und betreibe sie an einer Spannung von 12 VDC. Nun reduziert man am Netzgerät die Spannung langsam auf 10 VDC. Man wird kaum ein Abdunkeln der LED beobachten, obwohl sie um etwa 20% dunkler wird. Nun macht man das selbe mit einem kleinen 12V-Glühbirnchen und man beobachtet, wie dieses eindeutig dunkler wird. Warum denn dieser auffallende Unterschied? Die LED hält ihre Diodendurchbruchspannung von 1.8 VDC (für rote LED) etwa konstant. Das heisst also, dass sich die Verlustleistung der LED bei einer Stromänderung fast linear ändert und damit ebenso die Abstrahlungsleistung des LED-Lichtes.

Nun zum Glühlämpchen. Der Kaltwiderstand der Glühwendel ist gut 10 mal niedriger als der Heisswiderstand, wenn das Glühlämpchen leuchtet. Der Widerstand ändert sich zwar auch zwischen zwei Helligkeitswerten, jedoch nur noch geringfügig. Nehmen wir einfachhheitshalber mal an, dass der Widerstand der Glühwendel zwischen einer Betriebsspannung von 12 VDC und 10 VDC fast konstant bleibt, so ändert sich die Verlust- und Strahlungsleistung im Quadrat zur Spannungs, bzw. Stromänderung. Dies fällt optisch eindeutig auf. Die Abdunklung des Glühlämpchen fällt aber noch aus einem andern Grund auf. Wenn die Glühwendel etwas kühler wird, verschiebt sich das abgestrahlte Farbenspektrum leicht ins Rot, daher wird das Leuchten etwas gelblicher.

Warum das Auge eine nichtlineare Empfindlichkeit hat, ist darin begründet, dass es bei einer linearen Empfindlichkeitskurve unmöglich wäre, schwächstes Kerzenlicht auf grosser Distanz zu erkennen und Sonnenlicht beinahe noch zu ertragen. Ähnlich verhält es sich mit dem Gehör, das durch die Nichtlinearität des Empfindens fähig ist, einen Dynamikbereich von etwa 130 dB (3.2 Millionen zu 1) zu ertragen.


Lowcurrent-LED und Highefficiency-LED

Diese beiden Begriffe sind nicht dasselbe. Eine Lowcurrent-LED leuchtet schon bei einem niedrigen Strom von etwa 2 mA akzeptabel hell. Sie leuchtet aber bei einem Strom von z.B. 20 mA nicht so hell, wie man es eigentlich erwarten würde. Oberhalb eines gewissen Stromes steigt die Leuchtkraft nicht mehr linear weiter an. Allerdings, denke ich, kann man dies nicht verallgemeinern. Es kann gut sein, dass es auch LEDs gibt, die beides beherrschen. Eine Highefficiency-LED leuchtet hingegen bei "normalem" LED-Strom besonders hell, ist jedoch nicht unbedingt besonders effizient, wenn der Strom sehr niedrig ist. Wenn man sich bei einem Produkt unsicher ist, sollte man beim Hersteller oder Distributor nachfragen.


Keine harten Stromimpulse auf +Ub

Man kann natürlich ebenso einen astabilen Multivibrator mit sehr niedrigem Tastverhältnis, u.a. mit einem LMC555 oder TLC555, realisieren und am Ausgang steuert man über eine Transistorschaltstufe eine LED mit Vorwiderstand zwischen +Ub und GND. Diese LED blitzt dann ebenfalls im Rythmus von z.B. einer Sekunde mit einem relativ hohen Spitzenstrom kurzzeitig auf. Der mittlere Strom, bzw. der mittlere Leistungsverbrauch, ist dabei etwa gleich gross, wie bei der in Bild 1 gezeigten Lösung. Der gravierende Unterschied ist alledings der, dass es auf Grund der kurzen und starken Stromimpulse auf der Ub-Leitung kurze auffällige Spannungseinbrüche gibt. Diese kann man bis zu einem gewissen Grad durch grosse Elko-Kapazitäten und/oder Spannungsregelung entschärfen. Betreibt man jedoch eine empfindliche analoge Schaltung, können sich diese Spannungsimpulse noch immer störend auf sie auswirken. Nicht so bei der Schaltung in Bild 1, bei der der Elko die Impulsenergie für die blinkende LED übernimmt. Dadurch wird der Stromimpuls auf der Ub-Leitung massiv "abgefedert". Wie dies aussieht, zeigt die Graphik in Bild 3:

Wenn die Schaltung startet, durchläuft die Ladespannug des Elkos C1 einen Wert von (A) nach (B) bis (C). Die Spannung über R2 nimmt dabei zwischen 9 V (A) über 6 V (B) und 3 V (C) kontinuierlich ab. Ebenso der Strom durch R2 zwischen 0.41 mA (A) über 0.27 mA (B) und 0.13 mA (C). Hier "zündet" die LED mit einem Strom von etwa 40 mA und erlischt nach etwa 7 ms wieder ebenso rasch bei etwa der Hälfte dieses Anfangsstromes. Der Strom über R2 steigt an Punkt (C) im 10-ns-Bereich (Schaltgeschwindigkeit des MOSFET im IC) von 0.13 mA auf 0.27 mA. Nach einer Blitzdauer von etwa 7 ms schaltet der grosse LED-Strom sofort, mit etwa der ähnlich hohen Flankensteilheit, wieder aus an Punkt (D). Der Strom über R2 reduziert sich gemäss der grossen R1*C1-Zeitkonstante jedoch nur langsam von diesen 0.27 mA bis zum vorherigen Wert von 0.13 mA, wo die LED erneut aufblitzt (E) und der Strom über R2 erneut einen steilen Sprung von etwa 0.14 mA vollzieht.

Die Stromflanke von etwa 40 mA, beim Einschalten der LED, bewirkt eine Stromflanke von nur etwa 0.14 mA auf der Leitung der Betriebsspannung +Ub. Wie gross die Spannungsflanke ist, ist abhängig vom Innenwiderstand der Batterie. Wie hoch aber ist dieser Wert z.B. bei einer 9V-Blockbatterie? Ich muss leider zugeben, dass ich keine Ahnung davon habe. Ich habe bisher noch kein Datenblatt über Batterien mit der Angabe des Innenwiderstandes gesehen. Was bleibt ist ein Test um den Eindruck der Grössenordnung zu erhalten. Ich verwendete eine noch etwa halbgeladene 9V-Blockbatterie und belastete sie mit 20 mA. Die Spannung reduzierte sich um 0.5 V. Eine Stromänderung von bloss 0.14 mA hätte eine Spannungsänderung von nur 3.5 mV zur Folge. Das ist bereits sehr wenig.

Eine Batterie ist kein Kondensator, dessen Innenwiderstand mit zunehmender Frequenz, bzw. zunehmender Flankensteilheit, abnimmt. Darum ist es sinnvoll, parallel zur Batterie - nach dem Ein/Aus-Schalter - einen Elko in der Grössenordnung von 10 µF bis 100 µF zu schalten. Ein Elko von 100 µF mit einer Nennspannung von 16 VDC ist sehr klein. Ein solcher Elko glättet die steile Flanke mit der geringen Spannung von 3.5 mVpp in eine noch viel niedrigeren Spannung mit einer niederfrequenten Welligkeit (Takftrequenz = 1 Hz), die kaum noch eine Auswirkung haben kann. Um die parasitäre Induktivität des Elko auszugleichen, empfiehlt sich parallel zu diesem einen Keramik-Multilayer-Kondensator mit einer Kapazität von etwa 100 nF zu schalten. Ohne diesen Kondensator kann die steile Schaltflanke kleine Oszillationsbursts (gedämpfte Schwingungen) erzeugen. Die Stabilität der DC-Spannung einer Batterie ist wegen ihrer Entladung nie hervorragend. Sollte dies ein Problem sein, ist auf jedenfall eine zusätzliche elektronische Spannungsregelung für die Hauptschaltung notwendig. Die Batteriebetriebsanzeige muss natürlich direkt an die Batteriespannung angeschlossen sein.


Datensicherung mit den OUT-Impulsen des LMC/TLC555

Doch nun noch einmal zurück zu den Diagrammen in Bild 2. Man beachte das unterste Diagramm mit seinen "Nadelimpulsen" am Ausgang OUT an Pin 3 des LMC/TLC555. Diese Impulse können zur elektronischen Verarbeitung in einem Micro-/Signalprozessorsystem verwendet werden. Wenn die LED nur noch schwach glimmt, markiert dies den entladenen Zustand der Batterie. Die OUT-Impulse bleiben aus und der Pegel bleibt auf logisch HIGH. Dies kann eine nachgeschaltete Elektronik auswerten, die z.B. eine noch rechtzeitige Datensicherung einleitet. Geeignet z.B. für eine batteriebetriebene Datenlogger-Einheit.



Es war einmal vor mehr als 40 Jahren...

Als es noch keine LEDs gab, hatte man, ausser mit Glimmlampen, noch keine Möglichkeit, mit kurzzeitigen Stromimpulsen, Lichtblitze für eine Display-Anwendung zu erzeugen. 10ms sind für Glühlampen eindeutig viel zu kurz, weil diese Leuchtkörper, welche mittels Glühfäden thermisch arbeiten, viel zu träge sind. Daher benutzte man gerne Glimmlampen. Allerdings setzte dies eine Betriebsspannung im unteren 100-VDC-Bereich voraus, weil die Zündspannung einer Glimmlampe bei etwa 150 VDC und die Brennspannung bei etwa 80 VDC liegt, von Produkte- und Exemplarstreuungen abgesehen. Solange man jedoch für die Elektronik mit Röhrentechnik sowieso hohe Spannungen benötigte, war dies auch kein spezielles Problem. Mit meist elektromechanischem Zerhacker, Gleichrichtung und Glättung wurde aus einer niedrigen Batteriespannung eine hohe DC-Spannung erzeugt. Die folgende Schaltung zeigt eine Glimmentladungsblinkschaltung:

Dies ist eine Originalschaltung aus dem Magazin CERBERUS-ELEKTRONIK vom Juli 1958 Ausgabe Nummer 8. CERBERUS war einer der damaligen Produzenten von sogenannten Kaltkathoden-Röhren (Relaisröhren und Thyratrons). CERBERUS entwickelte und vertrieb damals auch eine breite Pallette von Glimmlampen, solche mit und solche ohne integrierten Strombegrenzungswiderstand. Für die vorliegende Anwendung muss man eine Glimmlampe ohne Vorwiderstand benutzen, weil dieser für eine solche Anwendung zu hochohmig gewesen wäre.

Zunächst den Originaltext zur obigen Schaltung aus dem Jahre 1959:

Kippschaltungen nennt man Anordnungen mit Glimmlampen, die so aufgebaut sind, dass die Lampe nicht dauernd brennt, wenn Spannung angelegt wird, sondern nur kurz periodisch aufleuchtet und wieder löscht. Sie werden benutzt, um einen besonderen Hinweis zu geben oder um eine Sägezahnspannung zu erzeugen, an die dann allerdings keine grossen Anforderungen gestellt werden können (Konstanz der Amplitude und Frequenz). Eine solche Anordnung zeigt Bild 4.

Damit wird allerdings nicht erklärt wie die Schaltung selbst funktioniert und darum hole ich dies nach. Wenn die Schaltung an +Ub geschaltet wird, ladet sich C über R1 mit einer Zeitkonstante von einer Sekunde auf. Wenn die Zündspannung der Glimmlampe erreicht ist, ionisiert sich die Gasfüllung und es stellt sich eine Brennspannung ein, die niedriger ist als die Zündspannung. Damit entlädt sich C mit einer Zeitkonstante von etwa 22 ms über R2 und über die Glimmlampe, die kurz aufblitzt. Das Leuchten erlischt, wenn der Brennstrom zu klein wird um die Ionisation des Füllgases aufrecht zu erhalten. Dies ergibt sich aus R1 mit einem relativ hohen Widerstand von 1 M-Ohm. Würde man R1 auf vielleicht 100 k-Ohm reduzieren, würde nach dem Einschalten die Glimmlampe, mit Erreichen der Zündspannung, einmal aufblitzen und danach mit der Brennspannung, und einem durch R1 und R2 begrenzten Strom, konstant schwach weiter leuchten. Soviel zu einer nostalgischen Blinkschaltung mit Glimmlampe.

In der Rubrik Bauelemente des Elektronik-Kompendium gibt es ein Kapitel das zum Thema Glimmlampen, oder genauer Glimmentladungslampen, passt. Es geht um den Überspannungsableiter mit einer Gasentladungsstrecke. Beiden ist gemein, dass sie ein ionisierbares Gas enthalten und dass die Brennspannung niedriger ist als die Zündspannung. Der Überspannungsableiter hat allerdings die Eigenschaft, dass er für seinen Zweck einen viel höheren Strom verkraften kann und im Störfall auch muss. Aber auch Glimmlampen lassen sich durchaus auch als Überspannungsableiter einsetzen, wenn es nur relativ niedrige Entladungsströme sind. So hatte ich mal ein Autoradio, das am Antenneneingang zwischen Antenne und Erde eine solche Glimmlampe als Überspannungsableiter enthielt. Oft dann, wenn es stark schneite, knisterte es im Radio: Entladungen von elektrisch geladenen Schneeflocken an der Antenne. Oder wenn ich mit eingeschaltetem Audioradio mit einem eingestellten Sender im Lang- oder Mittelwellenbereich unter einer tiefliegenden Hochspannungsleitung von z.B. 220 kV hindurchfuhr, knisterte es so stark, dass ich das Radio abstellen musste. Es waren nicht etwa HF-Störungen, es waren eindeutig Entladungsvorgänge zu hören. Die Antenne als Ladungsempfänger und das Koaxialkabel zum Antenneneingang des Radio als Kapazität wirkten mit der Glimmlampe als eine Art Sägezahngenerator. Wer sich für Überspannungsableiter interessiert, die nach dem Prinzip der Gasentladung arbeiten, schlage nach in: