Worum es geht: Wie lange eine Batterie wirklich hält — und warum das fast nie an dem liegt, was die Schaltung im Betrieb zieht.
Wozu du das brauchst: Weil ein einziges falsch gewähltes Bauteil aus zehn Monaten Laufzeit zwei Wochen macht. Ein Regler mit 5 mA Ruhestrom verbraucht mehr als die ganze übrige Schaltung im Mittel, und er tut es rund um die Uhr.
Danach kannst du: die mittlere Stromaufnahme eines schlafenden Geräts ausrechnen, daraus die Laufzeit bestimmen, und die stillen Verbraucher finden, die sie auffressen.
Die Einheit, die eine Division ist
Eine Batterie wird in mAh angegeben — Milliamperestunden. Das ist keine Energiemenge, sondern eine Ladungsmenge, und sie ist als Rechenanleitung gemeint:
Laufzeit = Kapazität / Stromaufnahme
Eine Zelle mit 2000 mAh bei durchgehend 80 mA:
t = 2000 mAh / 80 mA = 25 Stunden
Einen Tag. Für ein Gerät, das jahrelang an einer Zelle hängen soll, ist das die falsche Antwort — und der Ausweg besteht nicht darin, weniger zu verbrauchen, sondern seltener.
Der wirkliche Verbrauch eines Sensorknotens sieht so aus. Die Stromachse ist logarithmisch geteilt, weil sonst nichts zu erkennen wäre — zwischen Schlafen und Wachen liegen vier Zehnerpotenzen.
Den grössten Teil der Zeit liegt der Verbrauch bei 10 µA. Alle 60 Sekunden wacht das Gerät für 200 ms auf, misst, funkt und zieht dabei 80 mA.
Der Mittelwert ist das gewichtete Mittel aus beidem:
Ī = (80 mA · 0.2 s + 10 µA · 59.8 s) / 60 s = 0.277 mA
Und damit:
t = 2000 mAh / 0.277 mA = 7230 Stunden ≈ 301 Tage
Aus einem Tag werden zehn Monate. Geändert hat sich nichts an der Schaltung — nur daran, wie oft sie wach ist.
Die gestrichelte Linie im Bild zeigt, wo dieser Mittelwert liegt: viel näher am Ruhestrom als an der Spitze. Das ist die zentrale Einsicht dieser Lektion.
Ein einziges Bauteil kann die ganze Rechnung erledigen
Rechne dasselbe noch einmal, aber mit einem Linearregler, der 5 mA Eigenverbrauch hat — und zwar dauernd, auch wenn der Rest schläft:
Ī = 0.277 mA + 5 mA = 5.277 mA
t = 2000 mAh / 5.277 mA = 379 Stunden ≈ 15.8 Tage
Aus zehn Monaten werden zwei Wochen. Der Regler verbraucht das Zwanzigfache dessen, was die eigentliche Schaltung im Mittel braucht.
Deshalb ist bei Batteriebetrieb der Ruhestrom des Reglers (im Datenblatt: I(q) oder quiescent current) die wichtigste Angabe überhaupt — wichtiger als Wirkungsgrad, Dropout oder Preis. Es gibt LDOs mit unter 1 µA.
Dasselbe gilt für alles andere, was dauernd hängt: eine Betriebs-LED mit 2 mA, ein Spannungsteiler mit 1.65 mA aus Modul 4, ein Pull-up an einem dauernd gezogenen Bus mit 617 µA aus Modul 8. Jedes einzelne davon kann grösser sein als der gesamte Mittelwert.
Die Liste der stillen Verbraucher
| Verbraucher | typisch | im Vergleich zu 0.277 mA |
|---|---|---|
| Betriebs-LED | 2 mA | siebenmal so viel |
| Ruhestrom eines gewöhnlichen LDO | 5 mA | zwanzigmal so viel |
| Spannungsteiler 2 × 1 kΩ | 1.65 mA | sechsmal so viel |
| I²C-Pull-up, dauernd gezogen | 0.6 mA | doppelt so viel |
| Spannungsteiler 2 × 100 kΩ | 16.5 µA | ein Sechzehntel |
| LDO mit kleinem Ruhestrom | 1 µA | belanglos |
Die Reihenfolge dieser Liste ist die Reihenfolge, in der du suchen solltest, wenn eine Batterie schneller leer ist als gerechnet. Fast immer steht die Ursache oben.
Dazu kommt ein Verlust, gegen den keine Schaltung hilft: Selbstentladung. Eine Zelle verliert auch unbenutzt Ladung, bei Raumtemperatur grob 2 % im Monat:
(1 − 0.02)¹² = 78.5 % nach einem Jahr
Ein Fünftel der Kapazität ist weg, ohne dass etwas eingeschaltet war. Ab etwa einem Jahr Laufzeit ist das der Punkt, an dem weiteres Sparen an der Schaltung nichts mehr bringt.
Was zu tun ist, in dieser Reihenfolge
- Ruhestrom messen, nicht schätzen. Ein Multimeter in Reihe zur Versorgung, Gerät im Schlaf. Was du misst, ist fast immer mehr als erwartet.
- Den Regler aussuchen nach I(q), nicht nach Wirkungsgrad.
- Alles Dauerhafte abschalten, was abschaltbar ist: Sensoren über einen Pin versorgen, Pull-ups nur bei Bedarf, keine Betriebs-LED.
- Seltener aufwachen, statt im Wachzustand zu sparen. Die halbe Weckfrequenz ist der halbe Mittelwert; zehn Prozent weniger Sendeleistung sind fast nichts.
Der vierte Punkt ist der wirksamste und wird am seltensten zuerst versucht.
Wovon dieser Kurs nicht handelt
Zellchemie, Ladeelektronik, Schutzschaltungen und das Verhalten von Akkus über die Lebensdauer sind ein eigenes Fachgebiet und nicht Thema dieses Kurses.
Was hier bleibt, ist die Rechnung: Kapazität geteilt durch mittlere Stromaufnahme — und das Wissen, dass der Mittelwert fast immer vom Ruhestrom bestimmt wird, nicht von der Spitze. Der Innenwiderstand einer Zelle, der aus Modul 4, gehört ebenfalls dazu: Er wächst, wenn die Zelle leer wird, und beendet die Laufzeit meist früher als die reine Ladungsbilanz.
Kurze Selbstkontrolle
Zählt nicht — nur zum Prüfen, ob es angekommen ist.
1.Ein Gerät zieht 80 mA für 200 ms und schläft dann 59.8 s lang bei 10 µA. Wie lange hält eine Zelle mit 2000 mAh?
2.Warum ist bei Batteriebetrieb der Ruhestrom des Reglers oft wichtiger als sein Wirkungsgrad?