Energieeffiziente Gestaltung eines

Energieeffiziente Gestaltung eines Höhenmessgerätes
Til Meyer und Johannes Argiropoulos
Aufgabe und Vorgehen
Der Auftrag für diese Arbeit lautete:
„Der Eigenstromverbrauch des Höhenmessgerätes soll effektiv und kostengünstig minimiert
werden, ohne die Messgenauigkeit zu beeinflussen. Die dazu ausgeführten Messungen und
Massnahmen sollen ansprechend und übersichtlich dokumentiert werden. Bleibt nach
Abschluss der Arbeit noch genügend Zeit, sollen die erarbeiteten Massnahmen auch am
vorhandenen Höhenmessgerät vorgenommen werden.“
Um diese Aufgabe zu bearbeiten, sind die folgenden Schritte nötig:
-
Messung oder Simulation des aktuellen Stromverbrauches der einzelnen Bauteile
und Schaltungen
-
Identifizierung der Möglichkeiten, den Eigenstromverbrauch zu reduzieren
-
Berechnung und Simulation des reduzierten Eigenstromverbrauches
Messungen
Damit der Gesamtstromverbrauch des Gerätes wirkungsvoll reduziert werden kann, muss
zuerst bekannt sein, wo im Gerät wieviel Strom verbrauch wird. Eine Messung des
Strombedarfes des gesamten Höhenmessgerätes ergab einen Strombedarf von 16mA. Um
diesen Gesamtstrombedarf auf die verschiedenen Schaltungsteile aufzuteilen, wurden die
Ströme mit Hilfe der Datenblätter und des Schemas des Höhenmessgerätes berechnet und
diese Berechnungen mit einer Simulation überprüft. Eine Messung am echten Höhengerät
hätte eine komplette Demontage der Schaltung nötig gemacht.
Die Berechnungen und Simulationen ergaben für die einzelnen Bauteile und Schaltungen
den in Tabelle 1 angegeben Stromverbrauch. Die Messung des Eigenstromverbrauches des
gesamten Gerätes stimmt mit diesen Berechnungen gut überein.
Tabelle 1: Stromverbrauch der einzelnen Bauteile und Schaltungen
Bauteil/Schaltungsteil
Stromverbrauch
Drucksensor *
7mA
Display DMP961 *
2mA
Operationsverstärker LM358 *
0.5mA
GND Schaltung °
4.6mA
5V Regler °
1.6mA
Total
15.7mA
* Die Werte wurden aus den jeweiligen Datenblätter entnommen. Es wurden jeweils die
die typischen Werte verwendet wie sie angeben waren, sonst wurden die Maximalwerte
verwendet.
° Die Werte wurden berechnet und mit einer Simulation überprüft.
Möglichkeiten zur Optimierung
Aus den Berechnungen in Tabelle 1 ist schnell ersichtlich, dass der grösste Stromverbrauch
durch die Bauteile verursacht wird. Da die Stromreduzierung jedoch kostengünstig sein soll,
ist es viel zu teuer, diese Bauteile zu ersetzen. Hingegen kann der Stromverbrauch durch
Optimierungen der Schaltungen nur in geringem Masse reduziert werden.
Grundsätzlich sind die folgenden Anpassungen möglich:

Der Stromverbrauch der GND-Schaltung kann reduziert werden. Es muss jedoch
darauf geachtet werden, dass die Spannung über der Diode stabil bleibt. Sonst
führen kleine Stromänderungen durch die Diode zu grossen Spannungsänderungen
am GND, was für die Genauigkeit der Schaltung fatal wäre.

Der Stromverbrauch des 5V-Reglers kann reduziert werden. Die Referenz Diode für
2.5V benötig keinen so hohen Diodenstrom wie berechnet. Auch hier muss darauf
geachtet werden, dass die Spannung über der Referenzdiode (Z1) stabil auf 2.5V
bleibt. Die Widerstandsgrössen im Umfeld des Operationsverstärkers (OPV) U2
müssen berücksichtigt werden.

Die Widerstandsgrössen um den OPV sind sehr tief gewählt. Es würde sich für den
Stromverbrauch lohnen, diese zu erhöhen. Es gilt jedoch zu beachten, dass das
Widerstandsverhältnis beibehalten werden muss, um die Genauigkeit nicht zu
beeinflussen. Mit Erhöhen der Widerstände muss auch der BIAS-Strom im Auge
behalten werden. Dieser könnte zu grossen Spannungsabfällen an den Widerständen
führen und so die Schaltung negativ beeinflussen.

Der wahrscheinlich beste Weg, Energie zu sparen, ist, das Höhenmessgerät nicht
ständig laufen zu lassen. Das Höhenmessgerät wird während einer Wanderung nur
für kurze Zeit benutzt. So wie es ursprünglich konzipiert wurde, läuft es jedoch rund
um die Uhr. Daraus entstand die Idee einer automatischen Abschaltung. Durch
Betätigung eines Schalters soll das Höhenmessgerät für einen Zeitraum von 5
Sekunden eingeschaltet bleiben und sich danach wieder von selbst ausschalten.
Grafik in gross einfügen mit Schaltungsplan und eingezeichneten Optimierungsmöglichkeiten
Abbildung 1: Schema der bestehenden Schaltungen mit eingezeichneten
Optimierungsmöglichkeiten
Realisierung der Optimierungen
GND Potential tiefer legen
Der Stromverbrauch der Ground (GND) Schaltung [Teil der Schaltung, welcher als 0 Volt
definiert wird] kann optimiert werden, indem der Strom, der durch die Diode fliesst,
verkleinert wird. Es muss jedoch darauf geachtet werden, dass die Spannung über der Diode
stabil bleibt. Sonst führen kleine Stromänderungen zu grossen Spannungsänderungen am
GND, was sich auf die Genauigkeit des Messgerätes negativ auswirken würde.
In einem ersten Schritt wird der Arbeitspunkt (AP) der Diode in das logarithmische Diagramm
eingezeichnet (AP Aktuell). Dadurch zeigt sich, dass ein reduzierter Strom die oben
genannten Probleme verursachen würde. Als Beispiel: Wenn der Arbeitspunkt (Beispiel AP)
auf 1mA reduziert würde und eine Stromschwankung von +/-0.5mA auftritt, würde dies zu
einer Spannungsänderung von +25mV bis -50mV führen. Weil die Schaltung mit 1mV/m
rechnet, resultieren aus solchen Schwankungen Messfehlern von +25m bis -50m.
Da die Messgenauigkeit durch diese Massnahme stark negativ beeinflusst wird, wird der
aktuelle AP in diesem Schaltungsteil nicht verändert.
Abbildung 2: U/I Diagramm der Diode
5V-Regler anpassen
Der Stromverbrauch des 5V-Reglers lässt sich dadurch reduzieren, dass der Strom, der
durch die Referenz Diode fliesst, verkleinert wird.
Aus dem Datenblatt des Bauteils ist ersichtlich, dass der minimale Dioden-Strom IZmin für den
Anwendungsbereich von 2.5V bei 45μA liegt. In diesem Fall wird jedoch ein Strom von 75μA
gewählt, damit auch bei etwaigen Schwankungen und unter Berücksichtigung des BiasStromes der Wert nicht unter 45μA fallen kann.
Da Höhenmessgeräte auf Wanderungen mitgenommen werden und diese sowohl im Winter
wie im Sommer unternommen werden, stellt sich die Frage der Temperaturstabilität. Das
Datenblatt zeigt aber, dass diese Referenzdiode für einen erweiterten Temperaturbereich von
-40°C - 85°C ausgelegt wurde. Somit ist die Temperaturbeständigkeit kein Problem.
Widerstandsgrössen im Umfeld des Operationsverstärker erhöhen
Die Widerstandsgrössen im Umfeld des OPV wurden sehr tief gewählt. Der Stromverbrauch
der OPV-Schaltung kann reduziert werden, indem diese Widerstände erhöht werden. Hierbei
sind zwei Punkte zu beachten:
-
Da die ursprünglich gewählte Dimensionierung des Differenzverstärkers eine gute
Messgenauigkeit zeigte, sollen die Verhältnisse der Widerstände nicht verändert
werden.
-
Grosse Differenzen der Widerstandswerte zwischen den beiden Eingängen des OPV
können zu Fehlern führen, da die Bias-Eingangsströme direkt von den jeweiligen
Beschaltungswiderständen abhängen und sich bei Differenzen nicht gegenseitig
kompensieren.
Unter Berücksichtigung der beiden Punkte wird entschieden, die Widerstände nicht zu
hochohmig zu dimensionieren und alle Widerstandswerte gleichermassen (nur) um den
Faktor 10 zu erhöhen. Eine überprüfende Simulation ergibt, dass die Messgenauigkeit
dadurch nur sehr geringfügig beeinflusst wird.
Schaltung erweitern, um das Gerät abschalten zu können
Die Automatische Abschaltung hat wahrscheinlich das grösste Potential den Stromverbrauch
zu reduzieren. Das Höhenmessgerät läuft durch die automatische Abschaltung nur über
einen gewissen Zeitraum. Das sorgt für eine wesentliche Entlastung der Batterie und
reduziert somit den gesamten Stromverbrauch drastisch.
Für die Umsetzung wird folgendes Funktionsprinzip gewählt: Durch betätigen eines Tasters
wird ein Kondensator über einen kleinen Widerstand geladen. Dieser Kondensator stellt die
Gate-Source-Spannung (UGS) für einen selbstsperrenden Metall-Oxid-HalbleiterFeldeffekttransistor (MOS-FET) zur Verfügung. Der MOS-FET leitet nun und schliesst den
Stromkreis des Höhenmessgerätes.
Wird der Taster losgelassen, entlädt sich der Kondensator über einem grossen Widerstand
wieder und die UGSmin wird nach ca. 5 Sekunden unterschritten. Nachdem der Taster
gedrückt wurde, bleibt das Höhenmessgerät damit 5 Sekunden lang eingeschaltet, bevor es
sich wieder ausschaltet und kein Strom mehr fliesst.
Diese Erweiterung ist kostengünstig, da MOS-FET und Taster günstig erhältlich sind. Im
Gehäuse und der Platine sollte auch genügend Platz vorhanden sein, die Bauteile aufzulöten
und zu montieren.
Resultate
Ein Vergleich des Eigenstromverbrauches zwischen alter und optimierter Schaltung Tabelle
2, zeigt, dass der Eigenstrombedarf des optimierten Gerätes um knapp 12% reduziert ist.
Tabelle 2: Vergleich des Stromverbrauchs der einzelnen Bauteile und Schaltungen im alten
und neuen Gerät
Bauteil/Schaltungsteil
Drucksensor *
Display DMP961 *
Operationsverstärker LM358 *
GND Schaltung °
5V Regler °
Total
Stromverbrauch alt
7mA
2mA
0.5mA
4.6mA
1.6mA
15.7mA
Stromverbrauch optimiert
7mA
2mA
0.2mA
4.6mA
0.075mA
13.875mA
Wenn zusätzlich die automatische Abschaltung des Gerätes berücksichtigt wird, wird
deutlich, dass die Optimierungen zu einem vielfach tieferen Energieverbrauch führen. Dies
soll anhand einer Rechnung dargestellt werden:
Auf einer Wanderung von 4h und 15min wurde acht Mal das Höhenmessgerät gezückt, um
die aktuelle Höhe zu bestimmen. Während das alte Gerät während der gesamten Zeit
eingeschaltet ist, läuft das optimierte Gerät nur während 40 Sekunden.
Die verwendete 9V Batterie hat eine Kapazität von 410mAh. Dies entspricht einer
elektrischen Ladung von Q (Q = I x t) von 0.420Ah.

Die alte Schaltung benötigt für die Messungen während der gesamten Wanderung
eine elektrische Ladung von 15.7mA x 4.25h = 66.725 mAh. Dies sind 15.88% von
der der ganzen elektrischen Ladung der Batterie.

Die optimierte Schaltung hingegen benötigt eine elektrische Ladung von 13.875mA x
0.011h = 154.17μAh. Dies entspricht nur 0.036% der Batterieladung.
Die optimierte Schaltung ist dadurch 432 Mal effizienter als die bestehende Schaltung.