Wenn es etwas nicht gibt, basteln wir es einfach selbst. Die Frage eines Kunden war: Ich habe eine Akku-Weiche, aber will die zwei Batteriespannungen am Eingang der Weiche wissen. Wie machen wir das? (2 x 2S-Lion)
Das geht ziemlich gut, wenn man eine Weiche hat, bei der die Minusleitung durchgehend ist. Dann braucht man nur einen RP2040, Spannungswandler, eine selbst entworfene Platine, etwas handfestes Löten (kleiner als 0805 geht bei mir nicht mehr), ein bisschen oXs-Software – und schon ist alles fertig.
Jaja, Herr Blokland, alles einfach. Wir kennen das. Du hattest keine Lust, einen langen Post zu schreiben.
Das Ziel war: Wenn die Anlage (Empfänger usw.) ausgeschaltet ist, soll das Messgerät absolut keinen Strom aus den Batterien ziehen. Null, nichts. Die normalen Jeti Lipo-Sensoren entladen die Batterien. Woher ich das sicher weiß? Tja, man lernt..
Und das ist der Trick, den ich hier gebaut habe. Wenn die Anlage abschaltet, schaltet auch dieser Sensor die Messeingänge ab.
Muss ich da natürlich noch ein Kästchen drum bauen und ‘ne Anleitung schreiben.
So, der Kaffee ist durchgelaufen. Später kommt vielleicht mehr, oder nicht.
Und alles von (nicht ganz so fester) Hand gelötet.
Und was mein Freund alles sagt: Schaltungsanalyse
1. Konstruktionsanforderungen
Kritische Anforderung: Ultra-niedriger Ruhestrom für Winterlagerung (Monate)
Ziel: Vernachlässigbare Batterieentladung im Ruhezustand
ADC: RP2040 (3,3V max, 50kΩ Quellimpedanz-Anforderung)
Anwendungskontext: Im Aktivbetrieb verbrauchen die Servos mehrere Ampere, wodurch der Messstrom irrelevant wird. Allerdings vergessen Benutzer häufig, die Batterien über den Winter abzuklemmen, was zu entladenen Batterien im Frühjahr führt. Die Schaltung muss dies verhindern.
2. Schaltungstopologie
Schaltbarer Spannungsteiler mit P-Kanal-MOSFET (BSS84), gesteuert durch NPN-Transistor (BC547):
- Sens_OUT = LOW: Q1 AUS → Spannungsteiler vollständig von Batterie getrennt
- Sens_OUT = HIGH: Q1 EIN → Spannungsteiler aktiv, Spannungsmessung aktiviert
- Hauptvorteil: Physische Trennung eliminiert Teilerstrom während der Lagerung
3. Schaltungsauslegung
3.1 Spannungsteiler-Spezifikation
| Bauteil | Wert | Bemerkung |
|---|---|---|
| R1 (oberer Widerstand) | 47kΩ | 0805 SMD, 1% |
| R2 (unterer Widerstand) | 22kΩ | 0805 SMD, 1% |
| C1 (Filterkondensator) | 100nF | Keramik X7R, 0805 |
| Teilerverhältnis | 0,319 | 22k/(47k+22k) |
| Thévenin-Impedanz | 15kΩ | RP2040-kompatibel ✓ |
| Tiefpassfilter | 106Hz | Gute Störfestigkeit |
3.2 Spannungsskalierung (2S LiPo)
| Batteriezustand | Spannung | ADC_IN | RP2040 sicher? |
|---|---|---|---|
| Voll geladen | 8,4V | 2,68V | ✓ (0,62V Sicherheitsabstand) |
| Nominal | 7,4V | 2,36V | ✓ |
| Entladen | 6,0V | 1,91V | ✓ |
3.3 Stromverbrauch
| Betriebszustand | Strom | Bemerkung |
|---|---|---|
| Winterlagerung (AUS) | <200nA | ~1,75mAh pro Jahr |
| Aktiv mit Servos (EIN) | 122µA | Vernachlässigbar vs. Servo-Ampere |
4. Winterlagerung Leckstromanalyse
Kritisches Konstruktionsmerkmal: Physische Batterietrennung
Bei Sens_OUT = LOW ist der P-Kanal-MOSFET (Q1) vollständig ausgeschaltet und trennt den Spannungsteiler physisch von der Batterie. Dies eliminiert den primären Stromverbrauchspfad. Sens_OUT wird von den RP2040 getrieben, und ist immer LOW sobald der RP2040 kein Strom bekommt. (Anlage ausgeschaltet.)
4.1 AUS-Zustand Strombudget
| Leckstromquelle | Typischer Strom | Anmerkungen |
|---|---|---|
| Q1 (BSS84) Drain-Source-Leckstrom | <10nA | MOSFET Aus-Zustand Leckstrom |
| Q2 (BC547) Kollektor-Leckstrom | <100nA | BJT Aus-Zustand Leckstrom |
| Leiterplatten-Oberflächenleckstrom | <50nA | Saubere PCB, Schutzlack empfohlen |
| R1, R2 Spannungsteiler | 0nA | Durch Q1 getrennt ✓ |
| GESAMT RUHESTROM | <200nA | ~1,75mAh pro Jahr |
Das hier sind wirklich keine Strom die man messen kann, Die Berechnung ist nicht ganz korrekt, aber es reicht.
4.2 Winterlagerung Auswirkung (6-Monats-Zeitraum)
| Parameter | Wert | Prozent einer 2000mAh Batterie |
|---|---|---|
| Schaltungsverbrauch (6 Monate) | ~0,9mAh | 0,045% ✓✓✓ |
| LiPo-Selbstentladung (6 Monate) | 180-540mAh | 9-27% |
| Schaltungsanteil an Gesamtentladung | <0,5% der Gesamtentladung | |
FAZIT: Der Schaltungsverbrauch ist 100× niedriger als die Batterie-Selbstentladung. Benutzer können die Batterien sicher über den Winter angeschlossen lassen, ohne Risiko einer schaltungsinduzierten Entladung. Die Batterie-Selbstentladung dominiert; die Schaltung ist vernachlässigbar.
5. Zusammenfassung und Empfehlungen
• RP2040 ADC-kompatibel (15kΩ Quellimpedanz)
• Ausgezeichnete Störfestigkeit (106Hz Tiefpassfilter)
• Aktivstrom (122µA) irrelevant im Vergleich zum Servobetrieb