Überlegungen zur Strom-/ Leistungsaufnahme von oXs
Zum Aufbau eines oXs-Sensors werden ja meist Arduino Nano (mit µUSB-Buchse) und Arduino Pro Mini (der kleinste) genutzt.
Ebenso gibt es die originalen Arduino und die sicherlich häufiger verwendeten Klone aus China.
In Abhängikeit davon, ob "nur" der Variosensor, ein Doppel-Vario, ein GPS-Modul oder weiteres angeschlossen werden, variiert natürlich auch die Stromaufnahme.
Ein Ergebnis vorweg, bei "Vollausbau" ist es wichtig, den passenden Arduino zu verwenden, da sonst die Spannungregelung leicht überfordert ist, herunterregelt und dann z.B. Spannungsmessungen (die meist auf einer stabilen 5V-Versorgung aufbauen) "auf einmal" stark abweichen.
Drei verschiedene Arduino Nano (derzeit im Handel erhältliche) Varianten bezüglich Spannungsversorgung betrachtet (alle Spannungsregler im SOT-223 Gehäuse (ca. 6.5 x 3.5mm²):
1. Arduino Nano V3.0 mit 5V-Regler UA78M05 (Original):
- maximaler Strom 500mA, Drop-Out Spannung bei 5mA ~1.5V, bei 500mA ~2.0V
- maximaler Strom am 3.3V-Ausgang 25/ 40mA (vom FT232-RL bereitgestellt)
2. Arduino Nano V3.2 mit 5V-Regler LM1117 MPX-5.0 (Original):
- maximaler Strom 800mA, Drop-Out Spannung bei 100mA ~1.3V, bei 500mA ~1.35V und bei 800mA ~1.40V
- maximale Verlustleistung bei 75° Umgebungstemperatur und ohne Kühlfläche ~400mW
- maximaler Strom am 3.3V-Ausgang 25/ 40mA (vom FT232-RL bereitgestellt)
3. Arduino Nano CN-Klon, aktuell mit 5V-Regler xx1117 MPX-5.0 und 3.3V-Regler xx1117 MPX-3.3V:
- maximaler Strom 800mA, Drop-Out Spannungen vergleichbar zu LM1117
- maximale Verlustleistung bei 75° Umgebungstemperatur und ohne Kühlfläche ebenfalls ca. 400mW
- maximaler Strom am 3.3V-Ausgang 500mA
- maximale Verlustleistung bei 75° Umgebungstemperatur und ohne Kühlfläche ebenfalls ca. 400mW
Allen Reglern hier ist gemein, daß sie unter normalen Umständen "unkaputtbar" sind, d.h. sie schützen sich und die dahinter liegende Schaltung bei Überlastung auf der Ausgangsseite. Dabei wird die Ausgangsspannung/ -strom reduziert, bis der Chip nicht mehr überhitzt.
Wie viel Leistung wird im Regler wirklich umgesetzt - die entscheidende Frage:
Dazu brauchen wir die Stromaufnahme der einzelnen Komponenten, die Verlustleistung (Wärme) ergibt sich aus der Differenz von Eingangsspannung (Empfängerspannung vom Akku oder BEC) und der erzeugten Spannung 5V (und auch 3.3V) sowie dem Gesamtstrom.
Nehmen wir folgende Werte an (worst case für den schlechtesten Fall):
- Arduino Nano: Stromaufnahme 25 bis 50mA (unter Betriebsbedingungen, Wert aus verschiedenen Quellen, nicht gemessen unter oXs)
- GPS: ca. 40 bis 60mA (erstes Muster, keine breite Wertebasis)
- GY-86 Vario-/ Beschleunigungsmodul: ca. 30mA (geschätzt) oder
- GY-63 Variomodul: ca. 1.4mA Sensor + I² Pegelwandler + 3.3V Regler >> ~10mA (geschätzt)
Typische Variante mit Arduino Nano + GPS + GY-86 >> ~140mA. Die 140mA können die oben genannten Arduinos erst einmal locker.
Die Verlustleistung (Wärme):
P= U * I
P= (2* 4.25V - 5V) * (I_ardu + I_GY86 + I_GPS); Versorgung aus voll geladenen 2 LiPo-Zellen
P= 3.5V * 140mA
P~ 490mW
Oh, damit sind wir schon 90mW (23%) über der maximal zulässigen Leistung des 5V-Spannungreglers.
Was bedeutet das?
Beim Eintreten dieser Bedingungen regelt der 5V-Regler schon die Ausgangsspannung herunter, was letztlich auch Auswirkungen auf die Sensoren hat, die aber durchaus noch funktionieren können, aber insbesondere für Spannungmessungen zu stark verfälschten Werten führen kann.
2 Punkte zur Beruhigung:
- das sind Maximalannahmen und typische Werte aus Datenblättern,
reale Messungen der Teile
sollten folgen.
- diese worst case Bedingungen werden in der Praxis oft nie erreicht, KÖNNEN aber auftreten.
Bedeutet aber auch, daß bei Einsatz eines GPS-Moduls die Belastungsgrenze des Spannungsreglers ausgereizt sein wird.
Für hochwertige Meßergebnisse, auch im Zusammenhang mit Spannungmessungen durch oXs, sollte eine sparate 5V-Erzeugung für das GPS angedacht werden.
Der bezüglich der Stromversorgung optimale Nano ist der CN-Klon mit 3 Chips auf der Unterseite (5V-Regler, 3V3-regler, CH340 serieller Baustein)
Der ebenfalls oft verwendete Arduino Pro Mini, der ca. 10mm kürzer ist, sollte nicht ohne weiteres für Anwendungen mit GPS versendet werden, solange der Spannungsregler nicht ein SOT-223-Gehäuse aufweist (bei meinen vorhandenen und verbauten Platinen ist immer ein kleineres Gehäuse verbaut, welches mit GPS und der Eingangsspannung von ~8V sicher überlastet ist, bei Ue von <6V kann ja jeder mal selbst nachrechnen).
Ich bitte im konstruktive Diskussion.
Gruß, Bussard
