LiPo an Arduino Nano Kabeldicke

[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.

[021aet04]

Welchen R2? Und ein Kondensator überbrückt nichts, außer er ist defekt, sondern speichert. Der C lädt und entlädt sich langsam über die Widerstände, somit ist es unempfindlicher gegen schnelle Spannungsänderungen wie sie bei Störungen auftreten.

MfG Hannes

[Moppi]

Spannungsteiler R1 , R2. R1 = oben, R2 unten. Gut, vielleicht hätte ich nicht "überbrückt" sondern "parallel zu" schreiben sollen.

[xcalibur]

So, danke für die Hilfe. Da sowohl Hannes als auch der in Moppis Antwort zitierte Michael für R1=R2=10k Ohm vorschlagen würde ich die beiden Widerstände verwenden. Bei dem Potenziometer war mir nicht bewusst dass es die als einfache Bauteile gibt (kenne die nur in überdimensionierter Form am Verstärker). Falls ich im Elektronikgeschäft einen passenden finde ersetze ich R2 damit.

So stelle ich mir dann die Verkabelung vor - mit 8,4V am VIN und max. 4,2V am A0 und einem Kondensator für eine bessere Fehlertoleranz. Seid ihr damit einverstanden?

[021aet04]

Nicht ganz. Der Kondensator muss parallel zum R2. Also den Anschluss vom "A0" trennen und mit GND verbinden. Anschließend die Verbindung der Widerstände und des Kondensators zusätzlich mit "A0" verbinden. Den Kondensator würde ich noch kleiner machen (unter 1uF) und keinen Elko sondern einen keramischen nehmen.

MfG Hannes

[xcalibur]

Anschließend die Verbindung der Widerstände und des Kondensators zusätzlich mit "A0" verbinden.

Bin mir nicht sicher ob ich den Satz richtig interpretiert habe. Ist das so korrekt?

[Moppi]

Ich versuchs mal mit einer Antwort. Ich hoffe aber, da kommen noch bessere Erklärungen und genauere!


Zumindest ist die Beschaltung des C so richtiger, bitte aber den C zwischen A0 und GND - nahe am µC, schalten!
In Verbindung mit R1 wirkt der Kondensator als Tiefpass. Allerdings verändert R2 den kapazitiven Blindwiderstand und damit die Charakteristik des Filters.
Ein Tiefpass sorgt dafür, dass hohe und sehr hohe Frequenzen gedämpft werden, bis dahin, dass sie den Filter gar nicht mehr passieren.
Jetzt haben wir hier keine Wechselspannungsanteile in der Versorgung (direkt vom Akku) so dass daher nichts ausgefiltert werden muss und kann. Da eine Gleichspannung gemessen werden soll, könnte ein Filter schon bei sehr geringer Frequenz wirksam werden. Unter nicht Beachtung von R2 kann C noch größer sein. Bei R1 = 10kOhm und C = 470nF läge die Grenzfrequenz bei ca. 33Hz. Bei 220nF für C, bei 72Hz. C hat einen Blindwiderstand (Xc), nach dem sich die Grenzfrequenz richtet, der wird hier durch den Parallelwiderstand R2 beeinflusst - meine ich. Da Du Gleichspannung messen willst und höherfrequente Störungen (ab 100, 200, 300 ... 500Hz) unterdrückt werden können, sind die 220nF schon in Ordnung so - würde ich jetzt sagen. Es kommt dann auf die Störungen an, die Du hättest - hast Du keine, brauchts keinen Filter


Betrachtet man die Störeinflüsse direkt am Eingangspin zum ADC - nach dem Spannungsteiler (also nicht die am Spannungsquellenausgang - LiPo), würden Frequenzen im MHz-Bereich ausgefiltert (vermutlich ab dreistelligem MHz-Bereich).

Ich würde, wegen der Klarheit, eher vielleicht dann so eine Beschaltung wählen:


Wobei der Tiefpass dicht am µC plaziert werden sollte.




Normal wird ja VCC mit AVCC verbunden, hier kann - laut Datenblatt zum mega328 - noch ein Filter aus 100nF und 10µH eingebaut werden. Wenn es den braucht (Du hast Gleichspannung aus dem Akku). Steht bei mir im Datenblatt unter: 28.6.2. Analog Noise Canceling Techniques


Ich denke, Sicherheit bekommst Du, wenn Du im Betrieb der fertigen Schaltung mit einem Oszilloskop dran gehst und das Signal am ADC-Eingang anschaust.
Außerdem ist bis jetzt noch nicht klar, was Du mit dem Nano am Ende machen willst.




MfG