Kann eine Diode eine Versorgungsspannung effektiv regeln?

Die Antworten von Greg und Peter versuchen, die Frage zu beantworten, die Sie tatsächlich gestellt haben, aber sie übersehen irgendwie das Wichtige, nämlich dass Sie wahrscheinlich nicht genug Spannung haben, um das zu tun, was Sie wollen.

Sie sagen nicht, mit welcher Batteriechemie Sie es zu tun haben, also gehen wir alle gängigen Fälle durch:

Alkalisch

Diese beginnen normalerweise bei etwa 1,6 V pro Zelle, wenn sie frisch aus der Fabrik sind, fallen aufgrund der Selbstentladung etwas auf nominal 1,5 V ab, wenn Sie sie kaufen, und haben dann eine erhebliche Leistung bis auf etwa 0,9 oder 0,8 V pro Zelle.

Eine "6-V"-Alkalibatterie hat 4 Zellen, da sie beim Kauf auf der Grundlage der typischen Regalspannung verkauft werden, nicht ihrer Spitzenspannung. Das ist auch der Grund, warum Alkaline-Batterien begonnen haben, auf ihrem Etikett „mindestens haltbar bis“-Daten zu haben: An diesem Punkt wird erwartet, dass sie sich zu stark selbst entladen.

Der Abfall ist für diese Art von Chemie ziemlich linear: Die Halbzeit liegt ungefähr bei (1,6 - 0,8) ÷ 2 = 0,4 V unterhalb der Spitzenspannung oder etwa 1,2 V.

In der Zwischenzeit haben Sie auf der Lastseite 6,0 V - (5,0 V - 5 %) = 1,25 V ÷ 4 Zellen ≈ 0,3 V pro Zelle, die abgefallen sind, bevor sich der Stromkreis schlecht verhält. (5 % sind ein typischer Dropout-Wert für 5-V-TTL-Schaltungen.) Da es einen Batteriespannungsbereich von 0,8 V gibt, in dem die Batterie eine erhebliche Leistung liefert, bedeutet dies, dass Sie bei Ihrer Schaltung immer noch etwa ⅝ der Batterieleistung haben stirbt.

Sie sprechen nicht über Details Ihrer Schaltung, also läuft Ihre vielleicht tatsächlich auf 0,8 V pro Zelle oder 3,2 V insgesamt ab. Beachten Sie jedoch, dass wir noch nicht einmal angefangen haben , über den Spannungsabfall an der Reihendiode oder dem Widerstand zu sprechen.

Blei-Säure

Die Geschichte hier ist ähnlich wie bei Alkaline, außer dass die Entladekurve flacher ist und die minimale Zellenspannung stark von den Bedingungen abhängt. (Entladestrom, Temperatur, Zelltyp etc.)

Nehmen wir nur der Argumentation halber an, Ihre Batterie läuft von etwa 2,1 V, wenn sie frisch aus dem Ladegerät kommt, bis zu etwa 1,8 V, wenn sie unter Last leer ist. Da die nominale Zellenspannung für Blei-Säure 2,0 V beträgt, haben Sie eine 3-Zellen-Batterie, so dass wir die minimale Betriebsspannung der Schaltung von 4,75 ÷ 3 ≈ 1,6 V pro Zelle schätzen.

Das klingt großartig, oder? Wir brauchen nur 1,6 V pro Zelle, um unseren Lastkreis mit Strom zu versorgen, aber wir werden die gesamte Leistung mit etwa 1,7 V oder 1,8 V aus der Batterie ziehen. Aber wir haben die Reihendiode oder den Widerstand noch nicht betrachtet. Wenn wir die Batteriespannung mit einer Diode um 0,7 V vorab senken, verschieben wir die Spannungen pro Zelle um jeweils etwa 0,2 V nach unten, sodass wir jetzt genau an der Grenze sind, um die gesamte Leistung aus der Batterie zu holen, bevor die Schaltung stirbt.

Unterm Strich könnte sich hier mit dem Diodentrick ein Blei-Säure-Akku eignen. Möglicherweise können Sie sich jedoch die Masse und das Gewicht einer solchen Batterie nicht leisten.

Nickel wiederaufladbar

Wenn Sie nach kleinen und leichten wiederaufladbaren Batterien suchen, werden Sie direkt über Blei-Säure-Batterien springen. Nickelchemikalien haben eine viel bessere Energiedichte als Bleisäure, weshalb sie in tragbaren Elektrowerkzeugen verwendet werden.

Sowohl NiCd als auch NiMH verhalten sich für unsere Zwecke hier ähnlich, sodass wir sie zusammen betrachten können.

Diese haben eine nichtlineare Entladungskurve: Sie fallen sehr schnell ab, wenn sie direkt vom Ladegerät genommen werden, ebnen sich schnell ein und fallen dann ziemlich langsam über den größten Teil der Nutzungsdauer der Zelle ab. Dann beginnen sie gegen Ende der Lebensdauer der Zelle immer schneller abzufallen, bis ihre Klemmenspannung unter Last von einer Klippe abfällt.

Der nutzbare Spannungsbereich für eine Nickel-Chemie-Zelle beträgt ungefähr 1,3 V, wenn sie frisch aus dem Ladegerät kommt, bis zu 1,0 V pro Zelle, wenn sie fast leer ist. Die nominelle Zellenspannung für Nickelchemie beträgt 1,2 V, sodass eine "6 V"-Nickelchemiebatterie 5 Zellen hat.

Da die Zellen bei etwa 1,0 V meistens tot sind, ist die Batterie bei 5,0 V meistens tot. Es gibt ein bisschen mehr Saft zum Herauspressen, aber es wird nur etwa 10 % oder weniger der Nutzleistung des Akkus ausmachen. 1,0 V liegt am "Knie" der Entladekurve. Zwischen 1,0 V und 0,9 V ist die Batterielebensdauer viel kürzer als zwischen 1,1 V und 1,0 V.

Was passiert, wenn wir eine Diode oder einen Widerstand in den Weg legen, um dies auf etwas zu reduzieren, das Ihre Schaltung verarbeiten kann? Dies verschiebt die Batteriekurve effektiv um einen gewissen Betrag nach unten. Eine Diode würde den nutzbaren Batteriespannungsbereich auf 5,3 - 4,3 V verschieben. Obwohl die Entladekurve nicht linear ist, liegt der Mittelpunkt der Batterielebensdauer immer noch in der Mitte dieses neuen Bereichs oder bei etwa 4,8 V, zu diesem Zeitpunkt ist die Schaltung wahrscheinlich aufgrund von Spannungsmangel kurz vor dem Tod.

Unterm Strich ist dies in Bezug auf die Effizienz der Batterienutzung nicht wirklich viel besser als Alkalibatterien.

Lithium

Es gibt einen ganzen Zoo von Chemien auf Lithiumbasis .

Wenn Sie dort tatsächlich eine Lithiumbatterie haben, handelt es sich wahrscheinlich um eine der 1,5-V-Chemikalien, die sich vom Standpunkt des Spannungsprofils aus mehr oder weniger wie Alkali verhält, sodass Sie Ihre Antwort oben haben.

Ich bezweifle, dass Sie eine der ~ 3-4-V-Chemien haben, da sie sich in der Regel um die Mitte dieses Bereichs gruppieren, sodass eine 2-Zellen-Lithiumbatterie wahrscheinlich eher als 7-V-Batterie als als 6-V-Batterie verkauft wird.

Ein besserer Plan

Anstatt zu versuchen, Ihre 6-V-Batterie auf 5 V zu senken und zu hoffen, dass sie dort bleibt, würde ich einen DC-DC-Wandler vorschlagen , der die Batteriespannung nach Bedarf erhöhen oder verringern kann. Ein solches Design ist der Buck-Boost-Konverter , aber es gibt auch andere, wie die Typen SEPIC und Split Pi .

Die Idee hier ist, einen zu bekommen, der mit nur 3-4 V Eingang läuft und der mindestens 6-7 V Eingang toleriert, während er nominell 5,0 V ausgibt.

Ich habe bei Digi-Key ein wenig gesucht und etwa ein Dutzend passend aussehende Alternativen gefunden. Ich möchte sie hier nicht auflisten, weil die Frage so vage ist, dass ich nicht sicher sein kann, ob sie wirklich für Ihre Anwendung geeignet sind. Der Punkt ist, machen Sie Ihre eigene Suche. Dies ist ein so häufiges Problem, dass Sie sicher etwas Passendes finden werden. Hier müssen Sie das Rad nicht neu erfinden.

Aber dann erinnerte ich mich, dass meine Batterie DC ist und die Dinge ziemlich stabil sind. Sollte der Spannungsabfall dann nicht konstant sein?

NEIN.

Ihr Schema besteht darin, eine 6-V-Quelle an einen Mikrocontroller anzuschließen, der eine bestimmte Strommenge aufnimmt (50 mA, glaube ich). Dies funktioniert, wenn Ihr Mikro immer 50 mA benötigt: Ein 20-Ohm-Widerstand fällt um ein Volt ab, und das Mikro sieht glücklich 5 V.

Allerdings ist ein Mikrocontroller eine komplizierte Sache. Es werden nicht immer 50mA verwendet. Manchmal könnte es mehr verbrauchen (viele Dinge gleichzeitig ausführen), sodass die Spannung an den Stromanschlüssen weniger als 5 V betragen würde, was nicht gut ist. Manchmal könnte es weniger verbrauchen (Energiesparmodus, Start usw.), sodass die Stromanschlüsse mehr als 5 V sehen würden, was auch nicht gut ist.

Beachten Sie, dass dies nichts mit der Tatsache zu tun hat, dass die Spannungsquelle Gleichstrom ist: Wenn Sie eine nicht konstante Strommenge durch einen Widerstand ziehen, fällt eine nicht konstante Spannung daran ab.

Wie Peter Bennett erwähnt, hat eine Diode einen ziemlich konstanten Spannungsabfall (wenn Sie den Strom durch sie erhöhen oder verringern, ändert sich die Spannung darüber nicht so stark) - es könnte für Sie besser funktionieren. Ein Spannungsregler wäre hier eine ideale Lösung. Wenn Sie nach einem Spannungsregler suchen, stellen Sie sicher, dass Sie einen finden, der mit einem Abfall von ~ 1 V funktioniert! Die bekanntesten 5-V-Regler (der 7805) benötigen 7 V, um ordnungsgemäß zu funktionieren, daher ist dies keine Lösung für Sie.

Nebenbemerkung: Sie haben Recht mit der aktuellen Bewertung. Eine für 2 A ausgelegte Stromquelle funktioniert für jeden Strom von 0 bis 2 A, also sind 50 mA in Ordnung.

Der Spannungsabfall über einer Siliziumdiode beträgt 0,6 - 0,7 Volt für einen weiten Strombereich. Bei frischen Batterien sollte eine Diode die Spannung so weit senken, dass der Mikrocontroller glücklich bleibt. Wenn die Batterien entladen werden, sinkt natürlich ihre Spannung, möglicherweise bis zu einem Punkt, an dem Sie die Diode entfernen müssen, damit die Spannung am Mikrocontroller nicht zu niedrig ist.

Widerstände können auch zum Abfallen der Spannung verwendet werden, aber der Spannungsabfall variiert mit dem Strom, wie das Ohmsche Gesetz zeigt.