SmartPIP - Wybór źródła zasilania

Autor: Dondu

Artykuł jest częścią cyklu: SmartPIP - Elektroniczny dręczyciel


Teoretycznie możemy rozważać zasilanie SmartPIP'a z akumulatora lub baterii. Jednakże z powodu znacznie większej upływności akumulatorów i naszego wymogu dot. maksymalizowania czasu pracy SmartPIP'a, nie mamy wyboru i powinniśmy zastosować baterię.

Każda bateria ma określoną pojemność, a nam zależy na jak najdłuższej pracy SmartPIP'a liczonej co najmniej w miesiącach, a nawet w latach. Długość pracy zależeć będzie więc od tego jaki prąd będziemy z baterii pobierać. W poprzednim artykule określiliśmy jakie będzie zapotrzebowanie prądowe  SmartPIP'a w czasie jego snu lub pracy.

Jednakże minimalizowanie prądów to tylko część rozwiązań, które pozwolą nam na osiąganie długiego czasu pracy urządzenia. Nie mniej istotnym jest dobór odpowiedniej baterii.

Dlaczego?
Dlatego, że bateria także nie jest idealna i ma swoją charakterystykę, a tam bywają niespodzianki:

Przy nagłym wzroście poboru prądu (wybudzenie mikrokontrolera) może nastąpić spadek napięcia baterii, co może skutkować niewłaściwą pracą mikrokontrolera, a nawet jego resetem. Pisałem o tym w tym cyklu artykułów: Bateria zasila mikrokontroler.

Dlatego nasze urządzenie należy rozpatrywać jako układ złożony z mikrokontrolera i źródła zasilania.

Będziemy oczywiście posiłkować się kondensatorami filtrującymi zakłócenia, ale one generują nam problem dodatkowej utraty ładunku baterii poprzez prąd ich upływu.

---

Którą baterię wybrać?

Skoro SmartPIP będzie poprawnie pracował w przedziale napięć zasilania od 2,7V do 5,5V, to znacznie ułatwia nam wybranie baterii. Będzie nam tym łatwiej, że założenie przewiduje oszczędzanie energii poprzez usypianie mikrokontrolera. Sądzę także, ze uznamy za sukces jeśli SmartPIP będzie dręczył swoją ofiarę przez rok i nie da się wykryć :-)

Możemy więc uznać, że pojemność baterii nie musi być znaczna, a dzięki takim założeniom możemy pokusić się o dodatkowe ograniczenia, którymi będą:

• dostępność, 
• niska cena.

Dlatego proponuję, aby rozważyć wybranie popularnej i taniej baterii CR2032 o napięciu 3V i pojemności zbliżonej do 225mAh oraz cenie około 1,50-2,50zł (2013r.). Można oczywiście zastosować inne pojemności z tej rodziny nawet CR2450 zbliżoną do 550mAh. Będzie ona oczywiście odpowiednio grubsza:

Bateria ta ma jedną istotną dla nas wadę - trudno do niej przylutować przewody :-)

Ale tutaj z pomocą przychodzą nam podstawki, które można zakupić lub wymontować ze starej płyty głównej komputera PC.

Nie mam podstawki :-(

Jeżeli nie masz oryginalnej podstawki można wykonać płytkę PCB w taki sposób, by z jednej strony był duży obszar miedzi stanowiący plus zasilania (Vcc), który będzie dotykać dodatniego bieguna baterii. Drugą stronę baterii (minus) można połączyć z płytką konstrukcją z drutu miedzianego (o średnicy zbliżonej do 1-1,5mm) w taki sposób, że drut oprócz przewodzenia prądu będzie także konstrukcją obejmującą i trzymającą baterię na swoim miejscu.

Należy jednak pamiętać, że miedź się utlenia. Można więc pokryć ją cyną, co daje nieco większą pewność styku. Inwencję w tym zakresie pozostawiam Wam :-)

---

Parametry baterii CR2032

Przyglądnijmy się bliżej tej baterii, a zrobimy to na przykładzie "litowopochodnej" CR2032 firmy Energizer.


Simulated Application test

Zaczniemy od zapoznania się z tabelką parametrów testowych:

Tabelka pokazuje nam jakie typowe parametry testowe dla tej baterii znajdziemy na wykresach. Testy pojemności baterii przeprowadzano dla obciążenia (ang. load) 15kΩ, co daje przy napięciu 2,9V prąd o wartości 190µA (0,19mA).

Istotnym parametrem baterii jest parametr cutoff. Parametr ten producenci baterii podają jako napięcie, przy którym powinno nastąpić wyłączenie zasilanego urządzenia, ponieważ oznacza to osiągnięcie progu całkowitego rozładowania baterii. Dalsza praca może być kompletnie nieprzewidywalna. Napięcie to w tej baterii wynosi 2V, ale przy prądzie 190µA.


Typical Discharge Characteristics

Zerkamy na wykres:

Co możemy z niego odczytać?

Po pierwsze, że jest to wykres charakterystyki czasu rozładowania baterii dla warunków testowych przy stałym obciążeniu określonych w tabeli powyżej. Dla innych warunków, wykres będzie oczywiście wyglądał inaczej.

Po drugie zauważamy, że oś rzędnych (napięcie) nie zaczyna się od zera. To dość istotne, by porównując datasheet różnych baterii nie odnieść mylnego wrażenia co do ich charakterystyk po pierwszym "rzucie okiem".

Po trzecie możemy odczytać, jak długo pracowałby nasz SmartPIP, gdyby pobierał ciągle 190µA. Czerwonymi liniami zaznaczyłem nasze graniczne napięcie 2,7V (minimalne przy jakim SmartPIP będzie pracował poprawnie) oraz odpowiadającą mu ilość godzin, która wynosi około 1040. Policzmy więc jaki teoretycznie byłoby to okres:

Ale oczywiście nasz SmartPIP nie będzie pobierał aż 190µA przez cały czas. Większą część czasu będzie spał zużywając zaledwie 10µA. Policzmy więc, jaki jest teoretycznie najdłuższy możliwy okres pracy zakładając, że SmartPIP ma jedynie włączony Timer2 i jest uśpiony do trybu Power Save, ale nie odlicza czasu, nie generuje dźwięków, ani nie dokonuje pomiarów, czyli gdy pobierać będzie tylko 10µA. Ustaliliśmy to w tym artykule.

Jak to obliczymy? Najpierw policzmy z powyższego wykresu jaki ładunek został pobrany z baterii podczas testów, przez 1040 godzin pracy z prądem 190µA. Skorzystamy ze wzoru:

Q = I • t

stąd:

Czyli przy prądzie 190µA i 1040h pracy z baterii pobrano 711C (kulombów). Innymi słowy pobranie z baterii ładunku 711C rozładuje ją tak bardzo, że gdy będziemy chcieli z niej uzyskać 190µA, to napięcie spadnie do 2,7V.

Możemy więc z pewnym przybliżeniem sprawdzić na ile czasu pracy naszego mikrokontrolera z prądem 10µA będzie wystarczył ładunek 711C. Ponownie skorzystamy z powyższego wzoru przekształcając go i otrzymujemy:

Możemy więc przyjąć, że czas pracy SmartPIP'a, będzie nie dłuższy niż 2 lata i 3 miesiące. Jednakże jest to tylko teoretyczna wartość, ponieważ nie uwzględnia pracy impulsowej układu, gdy SmartPIP budzi się, by:

• odliczyć następny odcinek czasu,
• dokonać pomiaru i przeanalizować dane,
• wykonać atak (generowanie dźwięku).

Spróbujemy to oszacować w następnych artykułach.



Internal Resistance Characteristics

Zerkamy na drugi wykres dostępny w dokumentacji baterii:

Dane zawarte na tym wykresie są dla nas nie mniej istotne niż na poprzednim. Pokazuje on bowiem oprócz charakterystyki baterii obciążonej stałym prądem rozładowania o wartości 190µA także zachowanie baterii przy pracy impulsowej. SmartPIP będzie przecież pracował właśnie impulsowo budząc się co jakiś czas i wykonując określone zadania wymienione powyżej.

Cóż możemy wyczytać z tych wykresów?


Wykresy Bkgnd Drain i Pulse

Przede wszystkim, że warunki testowe dla stałego obciążenia podane są dla tych samych parametrów co w całym datasheet i nazwane są tutaj jako: Bkgnd Drain. Na wykresie mamy niebieską linię przedstawiającą charakterystykę pojemności baterii dla Bkgnd Drain.

Mamy także podane wartości dla drugiego testu, tym razem pulsacyjnego rozładowywania baterii oznaczony jako Pulse. Warunki testu określone są jako dwusekundowe impulsy prądowe o wartości 6,8mA (generowane przez rezystor 400Ω) przy napięciu 2,7V występujące 12 razy na dobę. Wykres pokazujący zależność napięcia i pojemności baterii dla tego testu oznaczony jest kolorem czerwonym.

Z porównania wykresów Bkgnd oraz Puls, możemy wywnioskować, że przy impulsowej pracy z dużym prądem pojemność baterii jest nieco mniejsza oraz (co jest oczywiste) następuje spadek napięcia o około 0,1-0,2V niż w przypadku Bkgnd. Należy zauważyć także, że pod koniec rozładowania baterii różnica spadków napięcia (Bkgnd vs Puls) jest o wiele większa. Dla nas jest to o tyle istotne, że SmartPIP będzie korzystać z baterii także w sposób impulsowy.


Wykres IR

Pozostał nam ostatni wykres koloru zielonego oznaczony jako IR. Jak wszystkie elementy elektroniczne, także i bateria nie jest idealna, a wykres ten pokazuje zmianę wartości rezystancji wewnętrznej baterii (Internal Resistance) zmieniającej się wraz z jej rozładowaniem.

Jakie to ma dla nas znaczenie?

Kolosalne, ponieważ uświadamia nam, że wraz z rozładowaniem energii rezystancja wewnętrzna baterii wzrasta (od pewnego momentu w bardzo szybkim tempie), a to oznacza zgodnie z prawem Ohm'a, że wydajność prądowo-napięciowa baterii radykalnie spada. Innymi słowy, pod koniec pracy baterii możemy nie osiągnąć wystarczającego prądu i/lub spodziewać się spadku napięcia do wartości bliskiej 0V.

Bardzo często początkujący przekonują się o istnieniu tego zjawiska, gdy sprawdzają baterię woltomierzem. Może się zdarzyć, że dla rozładowanej baterii 1,5V podłączonej bez obciążenia do woltomierza pokazuje on, że bateria ma prawie 1,5V. Szczęśliwy początkujący po włożeniu baterii do urządzenia uruchamia je i ... jest zdziwiony, że nic nie działa.

Biegnie więc na forum i pyta, dlaczego?
Dowiaduje się że:

gonzalo
... wystarczy zmierzyć napięcie na baterii podczas obciążenia. Prawdopodobnie jest na tyle duży spadek, że układ nie reaguje. Tak więc ta bateria swoją świetność może mieć za sobą.

Dzieje się tak dlatego, że przy rozładowanej baterii, jej rezystancja wewnętrzna jest bardzo duża, co zgodnie z prawem Ohm'a powoduje bardzo duży spadek napięcia.


Jaką wiedzę daje nam ten fragment datasheet?

Prawie żadną, ponieważ SmartPIP będzie miał zupełnie inne wymagania dot. pulsacyjnego korzystania z baterii. Daje nam jednak pewność, że w przypadku, gdy będziemy z baterii pobierali kilka mA w czasie generowania dźwięku, to bateria poradzi sobie z tym bez problemu, nawet wtedy, gdy przez 2 sekundy będziemy pobierać aż 6,8mA.

---

Podsumowanie

Najważniejsze jest abyś zapamiętał, że urządzenia zasilane z baterii należy rozpatrywać jako jedną nierozerwalną całość złożoną w uproszczeniu z mikrokontrolera i baterii. Rozpatrywanie problemu wydłużania czasu pracy osobno na przykładzie mikrokntrolera i osobno dla baterii, będzie prowadziło do niewłaściwych wniosków.

W powyższym datasheet nie ma niestety informacji o procesie samorozładowania baterii (ang. self discharge). W niektórych bardziej specjalistycznych bateriach, takie informacje lub nawet wykresy są oczywiście podawane.


Artykuł jest częścią cyklu: SmartPIP - Elektroniczny dręczyciel