Mikrocontroller im Akkubetrieb: Schutzschaltung erforderlich?

    Hallo Forum,


    ich habe jetzt versuchsweise ein ESP32-Board mit einem LiFePo4-Akku in Betrieb und mir dazu extra eine passende Halterung designed und gedruckt:



    Aber zur eigentlichen Frage: Die Zellen haben, soweit ich weiß, keine Schutzschaltung eingebaut, so dass ich mir die Frage stelle, ob die bei meinem Setup (ESP32 (Affiliate-Link) + OLED-Display (Affiliate-Link)) erforderlich ist, um vor einer Tiefenentladung geschützt zu sein? Oder schalten Board und Display ohnehin vor Unterschreiten einer kritischen Spannung rechtzeitig ab? Was meint Ihr?

    Moin Herr Kaiser,


    du schreibst von LiFePo4-Akku. Haben die nicht eine Ladeschlußspannung von 3,2V ?

    Wie werden denn dann die Teile betrieben?


    Oder bin ich auf dem Holzweg?


    73 de Bernd

    Ich habe KEINE Ahnung und davon GANZ VIEL!!
    Bei einer Lösung freue ich mich über ein ":thumbup:"

    Vielleicht trifft man sich in der RPi-Plauderecke.

    Like 1

    Moinsen Herr Kaiser,


    Ich glaube anhand des Datenblattes zu diesem ESP32 Board bist du so auf dem Holzweg.
    Auf dem Board ist ein LM117-3,3V verbaut. Das heißt über den Pin +5V musst du mindestens 4,25V einspeisen, damit der ESP32 µC seine Mindestarbeitsspannung von 3,0 V erhält. Denn laut Espressif benötigt diese µC eine Vc wie auf Seite 15 Abschnitt 5.2 zu lesen zwischen 3,0 und 3,8 V.

    Wenn du allerdings das Board versucht über den +3,3V Pin zu versorgen, was seitens AZ-Delivery nicht empfohlen wird, kannst du je nach Strombedarf deiner Gesamtschaltung nur 72 % bis max. 95 % der Akkukapazität nutzen. Ausgehend von einem maximalen Strombedarf des ESP32 von 500mA (Anwendungsabhängig und von der WLAN Nutzung) sowie der des Displays von durchschnittlich 10 mA kämst du in der Summe auf einen Entladestrom der bei einer 600mAh Zelle von ungefähr 1C entspricht. Damit liegt die nutzbare Kapazität bei nur knappen 85 %, was einer Betriebszeit unter Vollastbedingungen von nicht einmal einer Stunde entsprechen würde. Wegen dem ESP32 benötigst du keine Schutzbeschaltung für den Akku- der macht einfach nichts mehr unter 3 Volt !

    Aber das Display zieht dir, wenn dann auch mit einem geringeren Entladestrom von ca. 9 mA, den Akku erbarmungslos bis unter die zulässige Entladeschlussspannung leer. Hier solltest du versuchen einen GPIO PIn des ESP32 zu nutzen, der dir im Power-ON Modus das Display aktiv zuschaltet. Also erst den GPIO zur Versorgung des Displays (Vc) auf High schalten und dann erst in der Software die Initiierungsroutine für das Display starten. Ja, dieses Display kannst du bei nur maximal 12 mA auch direkt über einen GPIO versorgen. Damit wäre gewährleistet, dass wenn der ESP32 µC seinen Dienst bei unter 3,0 V versagt, dass das Display automatisch auch mit spannungslos geschaltet wird.

    Danke für eure Hinweise, besonders Franky für deine ausführlichen Erläuterungen! :thumbup:

    Über die Effizienz der Versorgung über den 3.3V habe ich mir mangels Ahnung gar keine Gedanken gemacht. In einem ersten Test mit gut aber nicht randvoll geladenem Akku kam ich auf eine Laufzeit von ca. 7 Stunden bei Daueranzeige des Displays. Dabei hatte das Board, abgesehen von der Anzeigesteuerung, natürlich nicht viel zu tun. Im realitätsnäheren Anwendungsfall könnte ich mehrere Zellen parallel schalten. Vielleicht erreiche ich dann ja auch einen mehrstündigen Betrieb, was für manche Projekte ja dann gar keine schlechte Lösung wäre. Der Tipp mit der Stromversorgung des Displays über einen geschalteten GPIO-Pin ist super. So kann ich das ja auch mit allen anderen Verbrauchern machen, die ich zukünftig mal anhängen will.

    Vielen Dank euch allen! :)

    Moinsen Herr Kaiser,


    So einfach wie du dir das vorstellst, dass du alle möglichen Verbraucher direkt aus oder über die GPIOs direkt versorgen kannst, ist es nicht ! Du kannst zwar im Gegensatz zu einem PI oder RP2040 (PICO / PICO W) hier bis zu 20 mA mit einem GPIo schalten, aber in der Gesamtstromaufnahme darfst du dabei, besonders wenn auch die WLAN Schnittstelle genutzt wird, gewisse Grenzen nicht überschreiben. Alle GPIOs mit 20 mA OUT zu belasten wäre das Ende des Prozessors.
    Hier musst du ggf über verschiedene Schaltstufen oder Baugruppen nachdenken, die du geschlossen über wenige GPIO-Output Pins dann aber über einen MOSFET Treiber im Verbund schaltest. Hier der kleine 2N7000 / 2N7002 der bereits ab 2 Volt sein Tagwerk verrichten kann. Hier musst du allerdings auf auf den maximalen Strom von ca. 150 mA in der Dauerbelastung achten. Mehr kann dieser N-Channel-MOSET dann auch nicht schalten. Dafür ist er als SOT-23 recht klein ;)

    Franky

    @ fred0815: 4000 mAh sind ja eine Hausnummer! Allerdings auch eine ganz schöne Investition. Ich habe die 14505er-Bauform verwendet mit 600 mAh:




    franky: Da habe ich mich auch etwas blöd ausgedrückt, denn ich möchte allenfalls vielleicht noch einen Sensor und eine Low Current LED anschließen - aber es ist nie verkehrt, für die maximale Belastbarkeit der GPIOs sensibilisiert zu werden! Danke auch für deine weiteren Ideen dazu!! :thumbup: Habe inzwischen auch mal einen Satz Schutzschaltungen geordert. Die kosten ja kaum etwas und dann könnte ich im Zweifelsfall darüber das Display wieder an die Zelle hängen. Mal sehen, wie gut das funktioniert ...

    Hallo

    Noch eine Idee mit einem ADC-1 Pin die Akku Spannung messen und bei ca. 3.5 Volt den ESP32 in den Deep Sleep schicken.

    Dann noch die Hinweise von Franky07 zum Abschalten des Displays umsetzen, dann sollte der Akku keinen Schaden nehmen

    Wenn das Projekt ein WLAN benutzt sind die ADC-2 Pin nicht benutzbar siehe Bild.


    Moinsen,

    Quote from md_fg

    Noch eine Idee mit einem ADC-1 Pin die Akku Spannung messen und bei ca. 3.5 Volt den ESP32 in den Deep Sleep schicken.

    Jetzt erkläre mir mal bitte um Mißverständnisse vorzubeugen, wie du bei einem Akku mit einer Nennspannung von 3,2 V eine Spannung an diesem eine Spannung von über 3,5 V messen willst ?
    Die Ladeschlussspannung liegt jedoch bei diesem Typ bei nur ca. 3,42 V.
    Wenn also die Spannung unter 3,5 Volt sinkt, soll also das ESP in den Deep Sleep geschickt werden ?
    Also immer ?
    Dazu noch eine Anmerkung zum ESP32 selber: Wenn du entgegen der Anbieterempfehlung den ESP32 als Board über den +3,3V Port und zudem fast immer mit einer Unterspannung betreibst, wieder auf das ESP Datasheet von Espressif verwiesen, würde das auch zu einer Abweichung der internen VRef für den ADC Betrieb führen. Also mißt du mit einer nach unten abweichenden VRef die eigene Versorgungsspannung ! Was soll das bitte bringen ? Oder hast du bei diesem ESP-Board eine mir noch nicht bekannte Möglichkeit gefunden, ähnlich wie bei RP2040 ( RasPi PICO ) eine externe Referenzspannung für den ADC-Betrieb einzuspeisen, um die Eingangsunterspannung an Pin +3,3V die direkt mit dem AKKU verbunden wieder auszugleichen ?

    Franky

    Hallo

    Ich bin von einem18650 LiPo Akku mit einer Ladeschlussspannung von ca. 4.15 Volt ausgegangen und dann sind 3.5 Volt schon zu wenig.

    Meine ESP32 betreibe ich nur mit 5 Volt von 3.3 Volt am ESP32 war bei mir keine Rede.