R A I N B O W ,
der elektronische Batterie-Indikator
Zur Einleitung das alte Drehspulinstrument
Eine Batterieladezustandsanzeige (Batterie-Indikator) kann auf
verschiedene Arten realisiert werden. Die einfachste Art ist die
Verwendung eines kleinen analogen Drehspulmessinstrumentes in
rechteckiger Form für den Einbau in eine Frontplatte. Diese
Batterie-Indikatoren, wie man diese Drehspulmessinstrumente auch nennt,
haben keine Zahlenwerte auf der Zeigerskala, dafür einen grünen Bereich
für den geladenen Zustand, einen gelben für den Zwischenbereich auf dem
Weg zur Entladung und einen roten Bereich der den entladenen Zustand
markiert und auffordert die Batterie so bald wie möglich durch eine neue
zu ersetzen. Diese kleinen Instrumente sind sehr sparsam. Es sind
eigentliche Microampere-Meter mit einem Vollausschlag von etwa 100 bis
300 µA. Ich erinnere mich auch noch an solche mit nur 50 µA. Bei diesem
niedrigen Strom eignen sie sich sehr gut für den Dauerbetrieb, weil die
Nutzschaltung in der Regel leicht das Hundertfache dieses niedrigen
Stromes benötigt.
Weil diese Instrumente, wie bereits angedeutet, einen Strom messen, muss
man sie mittels Vorwiderstand auf die Batteriespannung so anpassen, dass
bei vollständig geladener Batterie der Zeiger des Instrumentes voll an
das Ende des grünen Bereichs ausschlägt. Dazu ein paar Tips mit Bild 1:
Die beiden Teilbilder 1.1a und 1.1b zeigen das typische Frontbild eines
kleinen Einbau-Batterie-Indikators, der nach dem Prinzip des
Drehspulmessinstrumentes arbeitet. Teilbild 1.1a zeigt eine
gleichmässige Aufteilung des grünen, gelben und roten Bereiches. Es gibt
auch solche Indikatoren mit unterschiedlich grossen Bereichen. Der grüne
und gelbe Bereich ist jeder für sich kleiner als der rote, wie dies
Teilbild 1.1b zeigt. Manchmal ist der gelbe und der grüne Bereich
ebenfalls unterschiedlich gross. Wenn die rote Fläche etwa 70 % der
gesamten Fläche ausmacht, entspricht dies etwa der Realität, denn die
Spannung einer entladenen Alkali-Mangan-Batterie liegt bei etwa 70 % der
Voll-Ladesspannung. Diese eigentlich etwas willkürliche Richtlinie mit
den 70 % richtet sich auch etwas nach der Art des Batterieeinsatzes. Bei
einer Taschenlampe taugt eine Batterie auch dann noch wenn sie
wesentlich mehr entladen ist. Jedoch nicht so beim Einsatz in einer
anspruchsvollen elektronischen Schaltung oder für einen Motorantrieb,
bei dem es vor allem darauf ankommt, dass die Batterie einen hohen
Anfangsstrom ohne allzu grossen Spannungseinbruch liefern muss, Dies
bedeutet, dass der Innenwiderstand der Batterie niedrig sein muss.
Im nächsten Schritt betrachten wir ein wenig die Beschaltung eines
solchen elektromechanischen Batterie-Indikators. Was liest man
eigentlich bei den technischen Daten eines solchen Bauteils? Man liest
etwas über den Strom beim Vollausschlag und über den Innenwiderstand. Im
vorliegenden Beispiel in Bild 1 beträgt der Innenwiderstand Ri 2 k-Ohm
und der Strom bei Vollausschlag beträgt 200 µA. Wenn dieser Strom durch
das Instrument fliesst, gibt es also einen Spannungsabfall von 400 mV.
Wir haben also nicht nur ein Microampere-Meter, wir haben ebenso ein
Millivoltmeter. Sofern die zu messende Spannung nicht grösser als 400 mV
ist, taugt dieses Instrument als Spannungsmesser, wobei der
Innenwiderstand nicht besonders niederohmig ist. Es kommt also ganz auf
die Anwendung an.
Wir schreiten gleich zur Praxis und dimensionieren diesen
Batterie-Indikator zur Messung einer 9V-Blockbatterie und berechnen den
Vorwiderstand Rv für Teilbild 1.2a:
Rv = (Ub / I) - Ri
43kΩ = (9V / 0.2mA) - 2kΩ
Der Vorwiderstand Rv beträgt 43 k-Ohm. Ob mit diesem Wert der
Batterie-Indikator wirklich voll ausgesteuert oder leicht über- oder
untersteuert wird, ist ungewiss. So präzise arbeiten diese Instrumente
oft nicht. Dazu kommt, dass für 43 k-Ohm sowieso ein Widerstand von der
1%-Serie (E96) benötigt wird. Der nächste Wert ist 44k2. Besser ist es
hier, wenn man Rv in ein Trimmpotmeter von 50 k-Ohm und einen Widerstand
von 18 k-Ohm aufteilt. Auf diese Weise hat man in der Mittenstellung des
Trimmpotmeters total exakt diese 43 k-Ohm und man hat einen
Einstellungsbereich von fast ±60 %. Für einen exakten Abgleich für
diesen weiten Bereich lohnt sich vielleicht der Einsatz eines
Mehrgang-Trimmpotmeters, wenn man die etwas höheren Kosten nicht scheut.
Diesen weiten Bereich empfiehlt sich jedoch, wegen der oft grossen
Toleranz dieser kleinen Indikatoren. Wenn man es allerdings ganz genau
haben möchte, dann zeigen dies die Teilbilder 1.2b und 1.2c. Teilbild
1.2b zeigt wie man mit Hilfe einer zusätzlichen Kombination von Dioden
(oder Z-Diode plus Dioden) den unteren Spannungsbereich der Batterie
gedehnt anzeigen kann und in Teilbild 1.2c dasselbe im oberen
Spannungsbereich. So ist es z.B. möglich, die Entladungsspannung
möglichst genau an die Grenzmarkierung Gelb/Rot zu setzen und der
Vollausschlag im grünen Bereich liegt trotzdem bei der vollgeladenen
Batteriespannung. Man muss dabei u.U. beide Schaltungen von 1.1b und
1.1c kombinieren. Dieses Thema wird hier nicht weiter vertieft. Es ist
dem Leser freigestellt dies selbst zu tun, so jemand überhaupt Lust auf
so etwas hat... :-)
Leider musste ich jedoch feststellen, dass diese kleinen
Batterie-Indikatoren nicht mehr so leicht erhältlich sind. Der Grund
dürfte darin liegen, dass die meisten Batterie-Indikatoren dieser Art
heutzutage mittels LED-Schaltung oder in einer Ecke einer LCD-Display
mit einem Symbol realisiert werden. Da es in der Massenproduktion auf
jeden Millicent ankommt, werden die LED-Batterie-Indikatoren zum Teil
recht dürftig realisiert. Oft gibt es nur zwei Zustandsanzeigen:
'Batterie okay' und 'Batterie auswechseln'. Eine
batteriespannungsabhängige Helligkeitssteuerung einer LED ist so
ziemlich die preiswerteste Variante (LED plus Widerstand), dafür jedoch
sehr unbefriedigend. Da die Helligkeit der LED etwa linear mit der
Stromänderung variiert, fällt dies dem menschlichen Auge wenig auf, weil
auch dieser biologische Sensor logarithmisch reagiert, um die hohe
Dynamik der naturgegebenen Helligkeitsunterschiede verarbeiten zu
können. Mit Hilfe einer LED gäbe es weitere Möglichkeiten: Die konstant
leuchtende LED bedeutet, die Batterie ist okay. Blinkt die LED schnell,
sollte man die Batterie gelegentlich wechseln und wenn die LED langsam
blinkt ist es höchste Zeit die Batterie zu wechseln und wenn die LED gar
nicht mehr leuchtet... :-)
Da wir heute jedoch in der glücklichen Lage sind Zweifarben-LEDs zu
verwenden, gibt es weitere und elegantere Möglichkeiten, wie z.B. die
folgende: Leuchtet die LED grün bedeutet dies, dass die Batterie okay
ist. Leuchten beide LED-Teile, ist die Leuchtfarbe gelb, was etwa
Lebensdauerhalbzeit für die Batterie bedeutet und leuchtet die LED rot,
muss die Batterie ersetzt werden. An Stelle der dreistufigen Anzeige
Grün, Gelb und Rot, gibt es aber die noch die elegantere Lösung mit
einer kontinuierlichen Änderung des Farbenspektrums zwischen Rot und
Grün. Davon berichtet dieser Elektronik-Minikurs und deshalb heisst
dieser Batterie-Indikator RAINBOW. Diese Schaltung fand Einsatz in
mehreren professionellen Geräten für akustische Messzwecke, mit der
Bezeichnung EICHDÄMPFER. Solche Geräte setzt man mit hochpräzisen
und teuren Kondensator-Mikrofonen in der akustischen Messtechnik ein.
Das RAINBOW-Funktionsprinzip
In den folgenden Bildern 2 und 3 werden gewisse Spannungen, bzw.
Signale, mit Zahlen in Kreisen mit Richtingspfeilen markiert und im Text
liest man die selben Zahlen in runden Klammern (). Ein Sonderfall ist
dabei die Batteriespannung, die mit (1) und die durch Rb/R16 (Bild 2)
geteilte Batteriespannung mit (1a) markiert ist. (1a) ist die
Messspannung, die von der Schaltung verarbeitet wird.
Die Funktionsweise ist im Prinzip ganz einfach. Es folgt eine
Impulsbreitenmodulation die von der Batteriespannung abhängig ist, wobei
der logische Low-Pegel dem einen und der logische High-Pegel dem andern
Teil der Zweifarben-LED zugeordnet ist. Dadurch entsteht durch die
Batterieentladung ein kontinuierlicher Übergang zwischen Grün (Batterie
ist okay) über Gelb nach Rot (Batterie ist leer), wenn die
Impulsfrequenz grösser ist als die Trägheit des menschlichen Auges.
Als Nächstes untersuchen wir Bild 2. Damit der Batterie-Indikator auch bei
kleinen Batteriespannungen (1) funktioniert, ist man darauf angewiesen,
Bauteile zu verwenden welche bei niedriger Betriebsspannung einwandfrei
arbeiten. Das Netzteil erzeugt eine geregelte und konstante DC-Spannung
von 3 VDC. Dies auch dann, wenn eine Batteriespannung (1) von drei in
Serie geschalteten 1.5V-Batterien oder einer 4.5V-Flachbatterie nur noch
70 % beträgt, die Batterie also entladen ist. In diesem Zustand beträgt
die Batteriespannung (1) noch 3.15 VDC. Daraus erkennt man, dass das
Netzteil aus einer Lowdropout-Regelung bestehen muss, die aber auch
quasi-diskret einfach zu realisieren ist. Das Testen noch niedrigerer
Batteriespannungen (1) ist in einem speziellen Abschnitt beschrieben.
Das Netzteil speist einen Dreieckgenerator, einen Komparator und den
LED-Treiber. Das Dreiecksignaldiagramm zeigt die Spannungsverhältnisse
einer geladenen (100%) zu einer entladenen (70%) Batterie. Der
nachgeschaltete Komparator vergleicht die Batteriespannung (1a) mit der
Dreieckspannung. Damit erzeugt der Komparator ein von der
Batteriespannung (1a) abhängiges impulsbreitenmoduliertes Rechtecksignal
(4). Dieses und das invertierte Rechtecksignal steuern die beiden Farben
der Zweifarben-LED (5). Low-Pegel am Komparatorausgang bedeutet, dass
das grüne LED-Teil leuchtet, bei High-Pegel leuchtet das rote LED-Teil.
Wenn die Batterie beinahe geladen ist, dauert der Lowpegel länger als
der Highpegel. Der grüne Farbanteil dominiert. Die LED leuchtet
grün-gelb. Hat die Batterie Lebensdauerhalbzeit, ist die Leuchtdauer der
beiden Farben rot und grün gleich lang. Die LED leuchtet gelb. Steht die
Batterie kurz vor ihrem 70%-Entladungszustand, dominiert der Rotanteil.
Die LED leuchtet orange. Der Stromverbrauch der Schaltung liegt,
inklusive der LED, bei etwa 20 mA.
Dies zeigt, dass in vielen Anwendungen dieser Batterie-Indikator nicht
dauernd eingeschaltet sein darf, da er unter Umständen mehr Energie
verbraucht, als der ganze Rest der Schaltung. In diesem Fall testet man
temporär mit der Drucktaste Test. Das gelegentliche Testen
genügt in der Regel. Bei einer grossen Batterie- oder Akkuanlage, bei
der der Nutzleistungsverbrauch ein Vielfaches des Batterie-Indikators
beträgt, kann man auf diese Drucktaste verzichten und den Indikator
dauernd betreiben.
Welche Batterien kann man testen?
Die vorliegende Schaltung eignet sich für den Einsatz mit Alkali-Mangan-Batterien, jedoch auch mit den billigen und heute im Grunde längst überholten Zink-Kohle-Batterien. Man kann den Batterie-Indikator auch zur Überwachung eines Bleiakku einsetzen. Dabei sind allerdings die Dreiecksignalamplitude und die Messspannung (1a) entsprechend anzupassen. Siehe dazu Abschnitt Dimensionierung. Nickel-Cadmium- oder Nickel-Metallhydrid-Akkus können wegen ihrer hohen Spannungsstabilität, während ihrer Entladung, nicht oder nur sehr schlecht überwacht werden. Ich empfehle diese Schaltung nicht für den Einsatz dieser Akkus.
Die RAINBOW-Schaltung
Das Netzteil, der Dreieckgenerator und der Komparator sind mit einem
einzigen Vierfach-Operationsverstärker (Quad-Opamp) realisiert. Es sind
Quad-Opamps zu verwenden, welche bei einer Betriebsspannung von 3 VDC,
gemäss Datenblatt, noch einwandfrei arbeiten. Es wird hier der
traditionsreiche, altbekannte und noch immer sehr bewährte TLC274CN, ein
LinCMOS-Opamp eingesetzt. Der Suffix C bedeutet den Temperaturbereich
zwischen 0 und 70 Grad Celsius und eine empfohlene minimale
Betriebsspannung von 3 VDC. Genau diese Betriebsspannung kommt hier zur
Anwendung. Es gibt auch den TLC254CN der eine minimale Betriebsspannung
von 1.4 VDC zulässt. Dieses IC ist bei den Elektronik-Distributoren
jedoch schwieriger erhältlich. Ich habe den TLC254CN in dieser Schaltung
auch nicht getestet. Der Suffix N bedeutet Dual-Inline Plastikgehäuse.
Man kann auch andere Gehäuse wählen, das dann einen anderen Suffix
verlangt. Man erkundige sich im Datenblatt. LinCMOS (CMOS für den
Einsatz linearer integrierter Schaltungen) ist eine Entwicklung von
Texas-Instruments. Ich benutze diese
IC-Familie sehr oft.
Um den Opamp IC:A1, einer der vier Opamps, ist das Netzteil aufgebaut.
Da dieses als Lowdropout-Spannungsregler arbeiten muss, kommt für T1 nur
ein PNP-Transistor in Frage, weil nur diese Methode, für die
Längsregelung einer positiven Spannung, mit einer besonders niedrigen
Kollektor-Emitterspannung auskommt. T2 sorgt dafür, dass die
Betriebsspannung des IC:A (Pin 4) auch kleiner als die geregelte
Ausgangsspannung sein darf. Das Kriterium ist: Die maximal mögliche
Ausgangsspannung des IC:A1 (Pin 8) muss ganz einfach mindestens etwas
grösser als die Basis-Emitter-Schwellenspannung des T2 sein, damit die
Spannungsregelung sicher funktionieren kann. Da IC:A jedoch auch andere
Aufgaben zu erfüllen hat, muss IC:A natürlich mit der geregelten
Betriebsspannung, wie Bild 3 zeigt, versorgt werden.
Dem aufmerksamen Betrachter ist der seltsame Zusatz von T3 und T4 sicher
schnell aufgefallen und man fragt sich, was denn diese beiden
Transistoren sollen. Diese kleine Zusatzschaltung dient als Starthilfe.
Aber warum braucht das Netzteil eine Starthilfe? Der Quad-Opamp muss mit
einer konstanten Spannung gespiesen werden, weil die Amplitude und der
Arbeitspunkt Um des Dreiecksignales, unabhängig von der
Batteriespannung (1)(1a), sehr konstant sein müssen. Setzt man den
Batterie-Indikator mit der Taste TEST in Betrieb, ist T2 zunächst offen,
weil, wegen der noch fehlenden Speisung des Quad-Opamps, noch kein
Basisstrom in T2 hineinfliessen kann und darauf folgt, ohne den
Basisstrom von T1 gibt es keine Betriebsspannung (2), was aber bewirkt,
dass T3 offen ist, weil T3 ebenfalls ohne Basisstrom ist. Also fliesst
über R1 ein Basisstrom in T4, dessen Kollektorstrom einen Basistrom in
T1 und somit ein Hochfahren der Betriebsspannung (2) des Opamp bewirkt.
Sobald diese Betriebsspannung (2) etwa den dreifachen Wert der
Basis-Emitter-Schwellenspannung von T3 übersteigt, fliesst ein T3-Basis-
und ebenso ein T3-Kollektorstrom. T3 schliesst die
Basis-Emitter-Schwellenspannung von T4 kurz. Dadurch öffnet T4 seine
Kollektor-Emitter-Strecke und T2 übernimmt mit IC:A1, referenziert durch
die Bandgap-Referenz Z1, die Spannungsregelung. Die hochstabile
Referenzspannung von Z1 hat einen Wert von 2.5 VDC. Da diese Spannung zu
nahe an der Spannung der Opamp-Speisung liegt, wird sie mit R8 und R9
auf den halben Wert von 1.25 VDC geteilt. Die verstärkende Wirkung von
R6 und R7 erzeugt die konstante Betriebsspannung (2) von 3 VDC.
Diese Art der Spannungsregelung ist u.a. auch besonders für
Präzisionsanwendungen interessant, weil die Spannungsreferenz mit einer
ebenfalls stabilen Spannung betrieben wird. Man kann daher sehr gut auch
Zener-Dioden einsetzen. Man muss aber daran denken, dass diese einen
wesentlich schlechteren Temperaturdrift haben, als Bandgap-Referenzen. Zu
diesem Thema gibt es einen speziellen Elektronik-Minikurs mit dem Titel
Z-Diode-Erweiterungskurs und die
Bandgap-Referenz. Die Auswirkung einer Änderung der Eingangsspannung
(1) auf die Stabilität der Ausgangsspannung (2) existiert praktisch
nicht - statisch jedenfalls. Statisch bedeutet, eine so langsame
Änderung der Batteriespannung (1), sodass die hohe "innere" offene
Schlaufenverstärkung des Opamps IC:A1 voll wirksam bleibt. Eine nur sehr
langsame Änderung, wäre z.B. die langsame Abnahme der Batteriespannung
(1) als Folge der allmählichen Entladung.
IC:A2 und IC:A3 bilden den Dreieckgenerator, der wie üblich aus einem
hysteresebehafteten Komparator IC:A2 (Schmitt-Trigger) und einem
invertierenden aktiven Integrator IC:A3 besteht. Mit R11 und R12 wird
der Arbeitspunkt Um des Dreiecksignales eingestellt. Um ist exakt halb
so gross wie die geregelte Betriebspannung (2) von 3 VDC, also 1.5 VDC.
R13 und R14 bilden die Hysterese (Schmitt-Trigger-Funktion) und
bestimmen so die Höhe der Dreieckamplitude. R13, R14, R15 und C4
bestimmen die Frequenz der Dreieckspannung. Durch Ändern von R15 oder C4
kann die Frequenz ohne Beeinflussung der Amplitude variiert werden.
IC:A4 arbeitet als Komparator. Er vergleicht die durch Rb und R16
geteilte Batteriespannung (1a) mit der Dreieckspannung (3) und liefert
ein entsprechendes Tastverhältnis (4), wie dies die Diagramme in Bild 2
illustrieren. Rb muss jeweils der verwendeten Batteriespannung (1)
angepasst werden. Mehr dazu im Abschnitt Dimensionierung. C5, R11
und R12 bewirken, dass die LED beim Einschalten des Batterie-Indikators
stets immer erst rot leuchtet und dann sich das Farbenspektrum, in etwa
einer halben Sekunde, in die der Batterieladung entsprechenden Farbe
ändert. Dies erleichtert zusätzlich das Abschätzen des
Batterieladezustandes beim Drücken der Taste TEST. Wer diese zusätzliche
Unterstützung nicht will, lässt C5 einfach weg. Sie nützt auch nichts,
wenn der Batterie-Indikator dauernd in Betrieb ist, wie z.B. bei einer
Akkuüberwachung.
Der LED-Treiber IC:B besteht aus dem hier zweckentfremdeten
invertierenden oktalen HCMOS-Bustreiber 74HC240. Vier dieser Inverter
sind jeweils parallelgeschaltet - was bei CMOS-Ausgangsstufen erlaubt
ist - damit zur Steuerung der Zweifarben-LED einen genügend hohen Strom
zur Verfügung steht und die einzelnen Inverter nicht unnötig belastet
werden. Das invertierte Ausgangssignal wird erzeugt, in dem der Eingang
der zweiten Vierergruppe mit dem Ausgang der ersten verbunden ist. Da
die beiden Vorwiderstände R17 und R18 der beiden LED-Teile gleich gross
sind, könnte man auf einen verzichten und den andern zwischen die
gemeinsame Kathode und GND legen. Benutzt man aber eine andere
Zweifarben-LED, kann es sein, dass die Leuchtstärken der beiden
LED-Teile voneinander so stark abweichen, dass unterschiedliche
Widerstandswerte für R17 und R18 eingesetzt werden müssen. In der
vorliegenden Schaltung beträgt der LED-Strom etwa 15 mA. Dieser kann
beim Dauerbetriebseinsatz (Akkumessung), durch Reduktion der
Vorwiderstände R17 und R18, zwecks grösserer Helligkeit, problemlos bis
auf 50 mA erhöht werden.
Wem diese Zweckentfremdung eines HCMOS-Bustreibers, der bis hinunter auf eine Betriebsspannung von 2 VDC arbeiten kann, nicht gefällt, kann auch eine diskrete Lösung vorziehen. Da gilt es aber gewisse Tücken zu beachten. Die in dieser Schaltung verwendete Zweifarben-LED hat eine gemeinsame Kathode, was zur Folge hat, dass zwei PNP-Transistoren die beiden LED-Teile treiben müssen, wie die beiden Teilbilder 4.1 und 4.2 illustrieren. Teilbild 4.1 zeigt wie eine Treiberstufe mit nur zwei PNP-Transistoren arbeitet. Wenn T2 leitet, leuchtet der rote LED-Teil. Obwohl T1 offen ist, bleibt der grüne LED-Teil nicht ganz dunkel, weil der Basisstrom von T2 über R3 und R4 in den grünen LED-Teil fliesst. Der Basisstrom darf aus Gründen der notwendigen Kollektor-Emittersättigung nicht zu niedrig gewählt werden. Es gilt ein Verhältnis von Kollektor- zu Basisstrom von maximal 20:1. Somit beträgt der Strom Ib im dunklen grünen LED-Teil, wenn man einen Kollektorstrom Ic von 20 mA wählt, noch immer 1 mA. Abhilfe schafft ein zusätzlicher NPN-Transistor, der als Inverter für die zweite PNP-Transistorstufe arbeitet. Dies illustriert Teilbild 4.2. Es sei an dieser Stelle noch bemerkt, dass die diskrete Lösung mit drei Transistoren nach Teilbild 4.2 kaum Platzersparnis mit sich bringt und der Bustreiber-IC 74HC240 ist kaum teurer. Eine weitere Lösung mit Kleinleistungs-MOSFET-Transistoren des Anreicherungstypes scheitert an der zu niedrigen Gate-Source-Steuerspannung.
Dimensionierung
Die Batteriespannung
Abhängig davon welche Batteriespannung überwacht werden soll, muss Rb dimensioniert werden. Die Formel lautet:
Ub Ub = Batteriespannung (geladen) Rb = ( ---- -1 ) * 10 k-Ohm Up+ = 1.76 V Maximalwert der Up+ Dreieckspannung Rb-Werte für einige Batteriespannungen: 1% (E96-Reihe) Ub = 4.5 V ---> Rb = 15.56 k-Ohm ---> 15k4 6 V 24.09 k-Ohm 24k3 9 V 41.13 k-Ohm 41k2 12 V 58.18 k-Ohm 57k6
Dreieck-Spannungswerte für die Lade- und Entladeanzeige
Die in der Schaltung in Bild 3 angebene Dimensionierung des
Dreieckgenerators gilt für die Definition, dass 70% der
Batterie-Ladespannung Entladung bedeutet (Bild 2). Dies gilt in etwa für
Zink-Kohle- und Alkalimanganbatterien. Möchte man jedoch einen Bleiakku
überwachen, gelten andere Verhältnisse. Eine geladene Akku-Zelle hat eine
Spannung von 2.2 VDC, eine entladene 1.8 VDC. Dies entspricht den
prozentualen Werten der Dreieckspannung von 81.8%, 90.9% und 100%
anstelle von von 70%, 85% und 100%. Dies bedeutet, dass das Verhältnis
der Dreieckspannung zur Spannung des Arbeitspunktes Um verändert werden
muss.
Ein anderes Verhältnis lässt sich durch das Ändern der Dreieckspannung
erreichen. Für die Berechnung der Dreieckspannung gilt folgende
Gleichung:
Ud = (R14 / R13) * Ur
Ud ist die Amplitude Upp der Dreieckspannung am Ausgang des Opamp IC:A3.
Ur ist die Amplitude Upp der Rechteckspannung am Ausgang des Opamps
IC:A2. Diese Amplitude ist abhängig von der Betriebsspannung (2) des
Opamp. Aus diesem Grunde muss diese Spannung (2) stabilisiert sein. Die
maximale und die minimale Ausgangsspannung ist von Typ zu Typ des Opamps
leicht unterschiedlich. Um diese Rechteckausgangsspannung nur
unwesentlich zu belasten, sollte man in Richtung des Integrators
(Bild 3: R15) einen relativ hochohmigen Widerstand einsetzen. Beim
verwendeten LinCMOS-Opamp TLC274 beträgt die Rechteckausgangsspannung im
beinahe unbelasteten Zustand etwa 2.5 Vpp, was mit der Belastung durch
den Integratorwiderstand R15 von 390 k-Ohm noch sicher zutrifft.
Will man den Batterie-Indikator zur Überwachung eines Bleiakku
einsetzen, errechnet sich dies gemäss obiger Formel:
R14 = 10 k-Ohm (Lassen wir unverändert) R13 = 82 k-Ohm (Geringere positive Rückkopplung = geringere Hysterese = niedrigere Dreieckspannung)
Die Frequenz des Dreiecksignales
Wie bereits erwähnt, muss die Frequenz des Dreiecksignales so hoch sein, dass sie vom Auge nicht mehr wahrgenommen wird, also 100 Hz oder besser mehr. Anderseits sollte die Frequenz nicht so hoch gewählt werden, dass der Slewrate des Opamps das Dreiecksignal verzerrt und dadurch die Anzeige ungenau wird. Die Frequenz ist bei dem verwendeten Opamp recht unkritisch und kann z.B. bei etwa 1 kHz festgelegt werden. Die Formel für die Berechnung der Frequenz lautet:
R13 1 f = --------- * ---------- 4 x R14 R15 x C4
Bei der vorliegend dimensionierten Schaltung gemäss Bild 3 beträgt die Frequenz 1.4 kHz. Ist die Schaltung jedoch zur Überwachung von Bleiakkus angepasst, ist die Frequenz, im Verhältnis der in Bild 3 dimensionierten zur neuen Dreieckspannung, proportional grösser, was aber unbedenklich ist. Will man die Frequenz trotzdem etwa gleich gross haben, erhöht man C4 von 2.2 nF auf 3.9 nF oder 4.7 nF.
Höhere Batteriespannungen und der Vorwiderstand Rv
Transistor T1 erträgt eine maximale Verlustleistung von 625 mW bei einer Umgebungstemperatur von 25 Grad Celsius. Bei einem Stromverbrauch der Schaltung von 20 mA (LED-Strom) bedeutet dies, dass die maximale Kollektor-Emitter-Spannung 31 VDC betragen darf. Bei einem Strom von 50 mA sind es noch 12.5 VDC. Die maximale Batteriespannung (1) beträgt somit 34 VDC bzw. 15.5 VDC. Daraus ist ersichtlich, dass für die meisten Anwendungen Rv durch eine Drahtbrücke ersetzt werden kann. Bei höheren Batteriespannungen (1) oder höher gewählten LED-Strömen ist mittels Rv die Verlustleistung von T1 zu reduzieren. Bei Batteriespannungen (1) oberhalb von 45 VDC bis maximal 60 VDC, sollten T2 und T4 mit BC546 und T1 mit BC556 bestückt werden.
Höhere Batteriespannungen und der T1-Basiswiderstand R2
Dieser Widerstand ist für das Testen niedriger Batteriespannungen dimensioniert. Fällt nun eine 4.5 VDC-Flachbatterie auf die Entladespannung von 3.15 VDC, beträgt die Kollektor-Emitterspannung über T1 nur noch gerade 0.15 VDC. In diesem Bereich sinkt die Stromverstärkung von T1 auf etwa 20. R2 muss also so niederohmig gewählt werden, dass die Kollektor-Emitterspannung von T2 noch genügend Reserve zur Regelung hat. Testet man eine hohe Batteriespannung, steigt die Stromverstärkung von T1 je nach Kollektorstrom bis auf 100 oder etwas mehr. Der Basisstrom von T1 fällt. Arbeitet die Regelschaltung normal, spielt die Grösse von R2 keine Rolle. Man könnte rein funktionell auf R2 sogar verzichten. Im Störfall kann aber bei einer Batteriespannung von mehr als 15 VDC an einem 1/4-Watt-Widerstand von 1 k-Ohm eine zu hohe Leistung abfallen und diesen zerstören. Deshalb empfiehlt es sich für Batteriespannungen oberhalb von 9 VDC R2 auf 3.3 k-Ohm, ab 25 VDC auf 6.8 k-Ohm und ab 40 VDC auf 12 k-Ohm zu erhöhen. Ohne R2, würde im Störfall die Netzteilschaltung wesentlich zerstört.
Das Testen niedrigerer Batteriespannungen
Die Betriebsspannung des Batterie-Indikators gestattet, wie
bereits beschrieben, das Testen von minimal drei in Serie geschalteten
1.5 V-Batterien zu 4.5 VDC oder einer 4.5V-Flachbatterie. Niedrigere
Batteriespannungen können nicht mehr getestet werden, weil beim
Entladungswert, der mit 70% der Volladespannung definiert ist, die
minimale Dropoutspannung über T1 nicht mehr eingehalten wird. Trotzdem
besteht im Prinzip die Möglichkeit wesentlich niedrigere
Batteriespannungen mit diesem Batterie-Indikator zu testen.
Es werden je länger desto mehr Schaltungen entwickelt, welche mit nur
einer oder zwei 1.5V-Batterien auskommen. Diese 1.5 VDC oder 3 VDC
werden mittels DC-DC-Stepupconverter auf eine brauchbare konstante
Betriebsspannung hochtransformiert. Diese Spannung, falls diese exakt 3
VDC hat, kann sie direkt ohne das Netzteil der Schaltung den
Batterie-Indikator speisen. Die Testspannung wird dabei direkt an der
Batterie angezapft, wobei Rb entsprechend anzupassen ist. Diese
Anpassung genügt beim Testen einer 3 VDC-Batteriespannung. Wird die
Schaltung jedoch nur mit einer einzigen 1.5 VDC-Batteriespannung
betrieben, muss der Dreieckgenerator so redimensioniert werden, dass Up+
= 1.5 VDC und Up- = 1.05 VDC beträgt. Rb ist dann eine Drahtbrücke.
Ich habe dies in der Praxis nicht untersucht. Es empfiehlt sich in
solchen Spezialfällen mit der redimensionierten Schaltung zu
experimentieren. Der Elektronikanfänger gewinnt dabei an Erfahrung im
Umgang mit der analogen Schaltungstechnik und genau dies der eigentliche
Zweck auch dieses Elektronik-Minikurses!