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!



Thomas Schaerer, 21.11.2001 ; 29.04.2002 ; 15.03.2003(dasELKO) ; 18.12.2003 ; 07.10.2006 ; 27.11.2007