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EDV-Dompteur

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  • »EDV-Dompteur« ist der Autor dieses Themas

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Freitag, 16. Dezember 2016, 20:58

Spannungsversorgung für tragbare ESP8266-Geräte

Nicht immer kann man ein ESP8266-Modul aus einem (hier beschriebenen) LiFePo4-Akku betreiben, weil nur eine recht kleine Auswahl an Bauformen dieses Typs existiert.
- Wohingegen es preisgünstige LiPo-Akkus in so ziemlich jeder Größe und Bauform gibt.
Aber bei LiPo gibt es das lästige Problem der unpassenden Spannung ...

Ein ESP8266 benötigt eine Spannung von nominal 3,3V.
Erlaubt ist laut Datenblatt ein Bereich von 3,0 bis 3,6V.

Eine maximal aufgeladene 3,7V LiPo-Zelle hingegen, liefert eine Ausgangsspannung von 4,2V, die im Laufe des Entladens bis auf 2,4V sinkt.
(Wird diese Tiefentladegrenze unterschritten, so nimmt der Akku Schaden.)

Jedenfalls liegt die Zellspannung im Laufe des Entladens anfangs oberhalb dessen, was der ESP noch verkraftet. Der ESP könnte daher Schaden nehmen, klemmt man ihn direkt an einen voll aufgeladenen LiPo-Akku.
Bereits lange vor dem Entladeschluss ist die Akkuspannung dahingegen zu tief, um den ESP noch versorgen zu können.

Zusammengefasst:
LiPo-Akku: 2,4V - 4,2V.
ESP8266: 3,0V - 3,6V.
- Problem!

Ein Lösungsansatz wäre, die Spannung des LiPos zunächst mit einem Step-up Wandler auf 5V anzuheben, um diese Zwischenspannung dann, mittels eines Step-down Wandlers, auf die benötigten, stabilen 3,3V herunter zu konvertieren.
Also zwei Wandler ...

Es gibt aber auch elegantere Konverterschaltungen, die im Resultat das gleiche Ergebnis erzielen, die also stabile 3,3V erzeugen, aus einer variablen Eingangsspannung, die sowohl tiefer, als auch höher liegen kann.

Eine dieser Schaltungsvarianten nennt sich SEPIC:
https://de.wikipedia.org/wiki/SEPIC

Alternativ gibt es noch Ćuk:
https://de.wikipedia.org/wiki/%C4%86uk-Wandler

... und Zeta:
https://de.wikipedia.org/wiki/Zeta-Wandler

Ein typisches Erkennungsmerkmal solcher Konverter ist, dass sie zwei Induktivitäten bestückt haben.
Es gibt aber auch Varianten, wo zwei getrennte Spulen auf einen einzelnen Kern gewickelt sind.

Hier ein eBay-Angebot, für einen Wandler, der aus einer Eingangsspannung im Bereich von 2,7V bis 18V eine per Poti einstellbare Ausgangsspannung von 2,5V bis 8V erzeugt:
http://www.ebay.de/itm/281994686847

Die Beschreibung im obigen Angebot ist schön aussagekräftig und mit vertrauenswürdig wirkenden Diagrammen untermauert; sehr lobenswert!

Es gibt auch eine Variante ohne Trimmpoti, die eine fixe Ausgangsspannung von 3,3V liefert, bei mindestens 500mA Belastbarkeit:
http://www.ebay.de/itm/201747788483



Das Ding ist es!
Die wirklich winzige Schaltung ist deutlich kleiner, als ein ESP8266-12 und nur einseitig bestückt. So lassen sich der ESP und dieses Modul platzsparend, Rücken an Rücken, zusammen kleben.
Angenehm ist der SHDN-Eingang, mit dem sich der Wandler abschalten lässt. So ließe sich ein Tiefentladeschutz für den Akku realisieren (obwohl der Wandler offiziell ja unterhalb von 2,7V Eingangsspannung ohnehin den Dienst quittieren sollte).

Der Hersteller dieser Module, Pololu, macht aus der Schaltung übrigens kein Geheimnis, siehe dieses PDF:
https://www.pololu.com/file/0J791/s7v8x-schematic.pdf

Wie man sieht, ist dort ein TPS6301 bestückt, von Texas Instruments:
http://www.ti.com/product/TPS63061

Interessant ist, dass dieser Schaltregler tatsächlich nur eine einzige Spule benötigt, obwohl ich weiter oben doch derer zwei als das typische Erkennungsmerkmal bezeichne. Hmmm?!


Tiefentladeschutz:
Wie man dem bei Texas Instruments verlinkten Datenblatt entnehmen kann, schaltet der Chip bei Unterschreitung von nominal 1,9V ab (1,8V bis 2,2V).
Damit ist die "under voltage lockout threshold" leider zu tief angesiedelt, um einen LiPo-Akku wirksam vor Tiefentladung schützen zu können, ohne weitere Maßnahmen zu ergreifen.

Sicherheitsfunktionen sollte man zwar grundsätzlich nicht ausschließlich in Software realisieren, aber folgende, betont simple Vorgehensweise wäre denkbar, beim Betrieb eines ESP:

Der Enable-Eingang des Wandlers muss normalerweise auf High-Pegel liegen, was die Pololu-Module mit einem 100k-Widerstand zur Eingangsspannung erledigen.
Statt des Widerstands, könnte man dort einen Kondensator einlöten, der nach dem Anschließen des Akkus kurzzeitig den Enable-Eingang auf High legt, so dass der ESP starten kann.
Dieser nun, setzt einen GPIO auf high, der über einen Widerstand den Enable des Wandlers nundauerhaft auf high hält.
Weiterhin überwacht der ESP die Akkuspannung mit seinem ADC (Spannungsteiler auf 1V erforderlich!). Bei Unterschreitung von z. B. 2,5V zieht er den Enable des Wandlers auf GND, wodurch der Wandler abschaltet.
Die Schaltung sollte sich erst wieder einschalten lassen, nachdem der Akku entfernt und ein frischer Akku angeklemmt wurde.

Obiger Schaltungsvorschlag ist etwas primitiv und nicht für alle Einsatzzwecke tauglich, aber in simpleren Fällen sollte man damit auskommen können.

Weil die per ADC gemessene Spannung aber schwanken kann, wenn das ESP-Modul gerade sendet, darf eine einzelne Messung das Gerät noch nicht abschalten.
Es sollten also mehrere Messungen in die Entscheidung einfließen, ob die Tiefentladegrenze allmählich erreicht ist.
Macht Technik dir das Leben schwör, ruf' schnell den EDV-Dompteur! ;-)

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Desi

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2

Freitag, 17. März 2017, 15:16

Der hier ist ebenfalls interessant:

DC/DC Converter 1.8V 3V 3.7V 5V to 3.3V Boost & Buck Step Regulated Charge Pump

Dieser Wandler ist mit 7,6 x 11mm noch winziger und beherrscht ebenfalls die Modi Buck und Boost.
Der Eingangsspannungsbereich ist optimal für LiPo-Akkus und ähnlich.



Der Ausgangsstrom könnte gerne etwas höher sein (100mA Dauerstrom, 150mA Puls), ist für den ESP aber ausreichend (jedoch fast ohne Reserve).

Wegen der Strom-Schwächlichkeit und dem zu erwartenden Ripple würde ich dem am Ausgang aber noch 'ne Pufferkapazität verpassen, wenn ein ESP8266 damit betrieben werden soll - obwohl der ESP in den angegebenen Daten sogar als Einsatzzweck aufgeführt wird.
.
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