Impulsy zasilające duże obciążenia za pomocą ogniwa monetowego

Ogniwa litowe są oceniane dla dość niskich standardowych poborów prądu, rzędu od 1 do 5 mA. Ponadto, chociaż pozwalają one na większy pobór prądu pulsacyjnego (tj. Okresowe impulsy), wydaje się, że jest to szkodliwe dla pojemności ogniwa (a także może powodować spadek napięcia podczas impulsu).

Podchodzę do tego tematu z braku zainteresowania stosowaniem ogniw monetowych do ogólnych zastosowań (takich jak diody LED lub ostatnio transmisja bezprzewodowa małej mocy), więc nie mam na myśli konkretnego obwodu.

Ale wyobraź sobie dwa scenariusze, jeden z cyklu o niskim obciążeniu i jeden z bardziej wymagających przypadków:

• Przypadek A : Obciążenie pobiera 25 mA przez 25 milisekund raz na 2,5 sekundy.
• Przypadek B : Obciążenie pobiera 50 mA przez 100 milisekund raz na 1 sekundę.

Interesuje mnie analiza, czy zbiornik oparty na kondensatorach można zastosować do (a zatem czy rozsądnie) uruchomić którykolwiek z przypadków poboru impulsu powyżej ogniwa monety.

Uwaga 1: W obu przypadkach rozważam ogólną sytuację z ogniwem Coin -> Regulator Boost> 3,3 V -> LOAD [mikrokontroler + diody LED z rezystorami szeregowymi + moduł bezprzewodowy + itp.]. I Cap / Supercap równolegle do zasilania obciążenia.

Uwaga 2: Zdaję sobie sprawę, że można używać akumulatorów Li-ion / LiPo, ale mają one większe samorozładowanie (ze względu na chemię lub obwody ochronne), więc mogą nie być idealne do, powiedzmy, bezprzewodowego rejestrator temperatury, który przesyła raz na godzinę.

Odpowiednie dokumenty: Poniższe arkusze danych zawierają różne informacje, w tym charakterystykę wyładowania impulsowego, napięcie robocze w funkcji obciążenia itp .:

1. Arkusz danych Energizer CR2032
2. Dane techniczne Panasonic CR2032
3. Arkusz danych Sony CR2032
4. Arkusz danych Maxell CR2032

Ponadto w poniższych dokumentach omówiono niektóre oceny empiryczne / dyskusje jakościowe dotyczące działania dość dużych obciążeń (z poborem prądu szczytowego rzędu dziesiątek miliamperów) za pomocą ogniwa monetowego:

1. Uwaga aplikacji TI: Komórki monet i pobór prądu szczytowego

2. Uwaga dotycząca aplikacji Nordic Semiconductor: duży wpływ drenażu impulsów na pojemność baterii pastylkowej CR2032

3. Uwaga dotycząca aplikacji Freescale: względy niskiego zużycia energii dla aplikacji ZigBee obsługiwanych przez baterie Coin-Cell

4. Uwaga aplikacji Jennic: Korzystanie z komórek monet w bezprzewodowych sieciach PAN

Obliczenia są proste. Rozmiar kondensatora jest po prostu pytaniem o to, jak duży spadek napięcia można tolerować w czasie trwania impulsu. Średni prąd z akumulatora jest funkcją cyklu pracy.

ΔV = I × Δt / C

Rozwiązanie dla C daje:

C = I × Δt / ΔV

Załóżmy, że możesz dopuścić ΔV = 0,1 V. W pierwszym przykładzie działa to:

C = 25 mA × 25 ms / 0,1 V = 6,25 mF

Średni pobór prądu wynosi 25 mA * 25 ms / 2,5 s = 0,25 mA.

W drugim przykładzie liczby sprawdzają się w celu:

C = 50 mA × 100 ms / 0,1 V = 50 mF

Średni prąd = 50 mA * 100 ms / 1,0 s = 5 mA.

Równoległy kondensator będzie odpowiedni, ale tylko pod warunkiem, że wybierzesz go ostrożnie.

Jak wyjaśniono przez @stevenvh, kondensator równoległy do ​​obciążenia jest odpowiedni dla obciążeń pulsacyjnych. Ważną cechą kondensatora (oprócz pojemności C ) jest jego rezystancja izolacji (IR). Rezystancja izolacji określa wyciek ładunku z kondensatora podczas oczekiwania między impulsami.

Przy napięciu 3 V prąd upływu będzie wynosił 60 μA, co jest porównywalne ze średnim poborem prądu obciążenia.

Na pierwszy rzut oka sprawa A nie wygląda na to, że przysporzy nam kłopotów (ale czekaj!). Obliczanie z tyłu koperty: cykl pracy wynosi tylko 1%, więc 25 mA będzie musiało zostać skompensowane prądem ładowania 250 µA. To jest dla stałego prądu, który zmienia napięcie kondensatora liniowo z czasem.

$C = \dfrac{t_1 \times I_1}{\Delta V} = \dfrac{25 ms \times 25 mA}{\Delta V} = \dfrac{625 \mu C}{\Delta V}$

$C = \dfrac{t_2 \times I_2}{\Delta V} = \dfrac{(2.5 s - 25 ms) \times 253 \mu A}{\Delta V} = \dfrac{625 \mu C}{\Delta V}$

$C$

Ale w większości rzeczywistych aplikacji prąd nie będzie stały, a ładowanie / rozładowywanie kondensatora przez rezystor pójdzie wykładniczo. Masz tylko 1 V różnicę między 3 V kondensatora a 2 V diody LED, i nie chcesz zbyt mocno upuszczać kondensatora przed upływem 25 ms; nie że zanikanie będzie zauważalne jako takie, ale średnia jasność będzie. Zatem przyjęcie maksymalnego dozwolonego spadku 200 mV w ciągu 25 ms będzie oznaczało:

$(3 V - 2 V) \times e^{\left(\dfrac{-25 ms}{R C}\right)} + 2 V = 2.8 V$

$R C$

Do ładowania będziemy musieli ustawić napięcie końcowe; jeśli chcielibyśmy naładować do pełnego 3 V, zajęłoby to nieskończenie dużo czasu. Jeśli więc ustawimy nasz cel na 99% 3 V, możemy napisać podobne równanie:

$(3 V- 2.8 V) \times e^{\dfrac{-(2.5 s-25 ms)}{R C}} = 3 V \times 1 \%$

$R C$

$R C$$R$

Dla rezystora szeregowego z diodą LED możemy obliczyć

$R_1 = \dfrac{2.9 V - 2 V}{25 mA} = 36 \Omega$

2,9 V to średnie napięcie podczas rozładowywania, które pozwala nam obliczyć średni prąd. Początkowy prąd wyniesie 27,5 mA, ale to nie będzie problem. Obliczyłem 2,9 V po prostu jako średnią między 3 V a 2,8 V, ale to całkiem OK, w tym krótkim czasie można założyć, że wyładowanie jest prawie liniowe. (Właśnie wykonałem obliczenia z całką krzywej rozładowania, co daje nam średnią 2,896 V, co to potwierdza; błąd wynosi tylko 0,13.)

$R_1 C$$R_1$$C$

$C = \dfrac{0.11 s}{36 \Omega} = 3100 \mu F$

A teraz możemy również znaleźć rezystor ładujący:

$R_2 = \dfrac{1.30 s}{3100 \mu F} = 420\Omega$

Należy pamiętać, że pojemność jest taka sama, jak w przypadku naszego stałego ładowania i rozładowywania prądu. Jest tak, ponieważ krótkie wyładowanie można aproksymować również liniowo, jak widzieliśmy wcześniej, a także zaokrągliłem wartości.

Ważne jest, aby wybrać komórkę odpowiedniego rozmiaru i dostawcę do swojej aplikacji i zrozumieć, że utrata pojemności znacznie spada po przekroczeniu obciążenia znamionowego. Muszą podać pojemność w zależności od rezystancji obciążenia dla temperatury roboczej. Jeśli nie podano, należy obliczyć ESR akumulatora przy znamionowym napięciu wyłączenia i obciążeniu.

Należy pamiętać, że początkowa ESR jest znacznie mniejsza, np. 10% ESR wyłączenia, a także obniża się z niskiej temperatury o prawie 3x z 23'C do 0'C. Oznacza to, że Twoja pojemność jest zmniejszona.

Obciążenie ESR wzrasta ze współczynnikiem wypełnienia (df) ESR = V / I * 1 / df
W obu przypadkach A i B df wynosi 2,ms / 2,5s = 0,01 (1%)

Zacznijmy od tych wartości i pomińmy ESR baterii.

• Przypadek A, 3 V przy 25 mA, 1% df ESR = 12 kΩ (zakładając na razie liniowy)
• Przypadek B, 3 V przy 50 mA, 1% df ESR = 6 kΩ („”)

Twoja specyfikacja Vmin lub regulacji. znacznie wpłynie na zmniejszenie żywotności w stosunku do pojemności znamionowej. Wielu dostawców korzysta z 33 do 50%, możesz potrzebować 10 ~ 20%.

Uwaga poniżej wykres ESR akumulatora gwałtownie rośnie wraz ze spadkiem pojemności po zużyciu 2/3. Wzrasta prawie o 1 rząd wielkości w całym okresie eksploatacji. (5,5Ω ~ 45Ω)

Pojemność baterii w mAh jest odwrotnie proporcjonalna do ESR baterii. Można to oszacować na podstawie znamionowej rezystancji obciążenia i napięcia EOL.

Z tego, co rozumiem, obciążenie pulsacyjne nie uszkadza pojemności akumulatora, a raczej wszystko, co podnosi ESR zbliżając się do ESR obciążenia. Oczywiście, twoja specyfikacja regulacji określa, jak blisko bateria Rs może zbliżyć się do ESR twojego ładunku.

Intuicyjnie wiesz, że jeśli napięcie odcięcia wynosi 50% lub 1,5 V, ESR odcięcia staje się równe rezystancji obciążenia. Jeśli wycięcie jest podane przy 2 V, znamionowa rezystancja obciążenia musi wynosić 2x ESR akumulatora, aby dać punkt odcięcia 2/3.

Więc jeśli twoje wyłączenie wynosi 90% (10% spadek z 3V), musisz upewnić się, że twoje obciążenie ESR wynosi 9x ESR dla tego ogniwa przy napięciu znamionowym wyłączenia, a następnie jest obniżone w stosunku do najgorszego przypadku.

Jeśli obciążenie zostanie zmniejszone w tym punkcie odcięcia, można zaoszczędzić trochę dłuższego czasu, w przeciwnym razie utraconego przez zwiększenie ESR obciążenia przez zwiększenie odstępu czasu między transmisjami.

Duży kondensator pomaga tylko na jedną transmisję, ale nie co kilka sekund przy 1%.

Z tego, co widzę, w zależności od twojej tolerancji na wypadanie i specyfikacji baterii, podejrzewam, że musisz rozważyć CR2032 jako minimum. http://www.gpbatteries.com/index.php?option=com_k2&view=item&layout=item&id=271&Itemid=686