Імпульсні сильні навантаження з монетною коміркою

Клітини монети літію оцінюються за досить низьких стандартних струмових розтяжок, порядку від 1 до 5 мА. Крім того, хоча вони дозволяють збільшувати величину імпульсного струму (тобто періодичні сплески), це, мабуть, шкодить ємності комірки (а також може спричинити падіння напруги під час імпульсу).

Мені цю тему цікаво застосувати монети клітинок для випадків загального користування (наприклад, світлодіоди або останнім часом бездротову бездротову передачу), тому я не маю на увазі конкретної схеми.

Але уявіть два сценарії: один цикл з низькою експлуатацією і один більш вимогливий випадок:

• Випадок A : Навантаження тягне 25 мА протягом 25 мілісекунд раз на 2,5 секунди.
• Випадок B : Навантаження тягне 50 мА протягом 100 мілісекунд раз на 1 секунду.

Мене цікавить аналіз того, чи можна застосовувати резервуар на основі конденсаторів (і, таким чином, чи розумно це) запускати будь-який із випадків проведення імпульсу над монетою.

Примітка 1: В обох випадках я розглядаю загальну ситуацію з осередком монети -> 3,3 В регулятор підсилення -> НАВАНТАЖЕННЯ [мікроконтролер + світлодіоди із серійними резисторами + бездротовий модуль + тощо]. А ковпачок / суперкап паралельно подачі навантаження.

Примітка 2: Я знаю, що можна використовувати Li-ion / LiPo батареї, але вони мають більшу саморозрядку (чи то через їх хімію, чи через схему захисту), тому вони можуть не бути ідеальними для, скажімо, бездротового зв'язку реєстратор температури, який передає раз на годину.

Відповідні документи: У таких таблицях даних відображаються різні відомості, включаючи характеристики розрядки імпульсу, робочу напругу проти навантаження тощо:

1. Лист даних Energizer CR2032
2. Паспорт даних Panasonic CR2032
3. Лист даних Sony CR2032
4. Лист даних Maxell CR2032

Крім того, у наступних документах обговорюються деякі емпіричні оцінки / якісні дискусії щодо запуску дещо великих навантажень (з піковим струмом в порядку десятків міліампер) з використанням монети:

1. Примітка додатка TI: клітинки монети та витяг пікового струму

2. Примітка Nordic Semiconductor: Примітка: Високий імпульсний злив впливає на ємність батареї CR2032

3. Примітка Freescale: Примітки з низькою потужністю для додатків ZigBee, що управляються батареями монетних осередків

4. Примітка Jennic App: Використання монетних комірок у бездротових панелях

Розрахунок прямолінійний. Розмір конденсатора - це просто питання про те, скільки падіння напруги ви можете терпіти протягом тривалості імпульсу. Середній струм від акумулятора є функцією робочого циклу.

ΔV = I × Δt / C

Розв’язування для C дає:

C = I × Δt / ΔV

Припустимо, ви можете дозволити ΔV = 0,1V. Для вашого першого прикладу це допомагає:

C = 25 мА × 25 мс / 0,1 В = 6,25 мФ

Середній розрив струму - 25 мА * 25 мс / 2,5 с = 0,25 мА.

У другому прикладі цифри працюють:

C = 50 мА × 100 мс / 0,1 В = 50 мФ

Середній струм = 50 мА * 100 мс / 1,0 с = 5 мА.

Підійде паралельний конденсатор, але тільки якщо ви його обережно оберете.

Як пояснив @stevenvh, конденсатор, паралельний навантаженню, підходить для імпульсних навантажень. Важливою характеристикою конденсатора (крім його ємності С ) є його опір ізоляції (ІЧ). Опір ізоляції визначає витік заряду з конденсатора під час очікування між імпульсами.

На 3 В у вас буде струм витоку 60 мкА, що можна порівняти із середньою напругою струму вашої навантаження.

На перший погляд випадок A не схожий на те, що це завдасть нам проблем (але зачекайте!). Розрахунок зворотного конверта: робочий цикл становить лише 1%, тому 25 мА доведеться компенсувати струмом зарядки 250 мкА. Це для постійного струму, який змінюється напругою конденсатора лінійно з часом.

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

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

$C$

Але в більшості реальних програм струм не буде постійним, і зарядка / розряд конденсатора через резистор буде йти експоненціально. У вас лише 1 В різниці між 3 В конденсатора і світлодіодом 2 В, і ви не хочете занадто сильно скидати конденсатор до закінчення 25 мс; не те, що згасання буде помітне як таке, але середня яскравість буде. Тож припустимо, що максимально допустиме падіння 200 мВ за 25 мс означатиме:

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

потім $R C$

Для підзарядки нам доведеться встановити кінцеву напругу; якщо ми хочемо зарядитись до повних 3 V, це займе нескінченний час. Отже, якщо ми встановимо свою ціль у 99% від 3 V, ми можемо написати аналогічне рівняння:

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

потім $R C$ = 1,30 с.

$R C$$R$ різна: для розряду - це резистор серії LED, для перезарядки - це резистор від акумулятора.

Для резистора серії зі світлодіодом ми можемо розрахувати

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

2,9 В - середня напруга під час розряду, що дозволяє обчислити середній струм. Початковий струм становитиме 27,5 мА, але це не буде проблемою. Я розрахував 2,9 В просто як середнє значення між 3 В і 2,8 В, але це цілком нормально, за цей короткий час ви можете вважати, що розряд буде майже лінійним. (Я щойно робив обчислення з інтегралом кривої розряду, і це дає нам середнє значення 2.896 В, що підтверджує це; похибка становить лише 0,13.)

$R_1 C$$R_1$$C$

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

Тепер ми можемо знайти резистор зарядки:

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

Зауважте, що ємність така ж, як і при постійному заряді та розряді струму. Це тому, що короткий розряд може бути наближений до лінійного, як ми бачили раніше, а також я округлював значення.

Важливо вибрати правильний розмір осередку та постачальника для вашої програми та зрозуміти, що втрата ємності значно падає, коли ви перевищуєте номінальне навантаження. Вони повинні забезпечити потужність проти опору навантаження для вашої робочої температури. Якщо це не дано, ви розраховуєте ШОЕ батареї при номінальній напрузі та навантаженні.

Майте на увазі, початковий показник ШОЕ набагато менший, наприклад, 10% коефіцієнт викидів, а також знижується від холодної температури майже в 3 рази від 23 ° C до 0 ° C. Це означає, що Ваша ємність знижена.

ШОЕ навантаження збільшується з коефіцієнтом заряду (df) ШОЕ = V / I * 1 / df
В обох випадках A & B, df становить 2ms/2,5s = 0,01 (1%)

Почнемо з цих значень і нехтуємо ШОЕ акумулятора.

• Випадок A, 3V @ 25mA, 1% df ESR = 12 кОм (якщо вважати лінійним зараз)
• Випадок B, 3V @ 50mA, 1% df ESR = 6 кОм ("")

Ваш Vmin або специфікація регулювання ,. значно вплине на скорочення терміну експлуатації від номінальної потужності. Багато постачальників використовують від 33 до 50%, можливо, вам знадобиться 10 ~ 20%.

Примітка нижче, графік ШОЕ батареї різко підвищується при втраті ємності після 2/3 споживання. Він піднімається майже на 1 порядок за термін експлуатації. (5,5Ω ~ 45Ω)

Ємність батареї в мАг обернено пропорційна ШОЕ батареї. Ви можете оцінити його за номінальним опором навантаження та напругою EOL.

Як я розумію, імпульсне навантаження не шкодить ємності акумулятора, а навпаки, що збільшує ШОЕ, наближаючись до ШОЕ навантаження. Очевидно, що ваш специфікація регулювання визначає, наскільки близькі батареї можуть наблизитися до ШОЕ вашого навантаження.

Інтуїтивно ви знаєте, якщо напруга вирізу становить 50% або 1,5 В, коефіцієнт ШОЕ вирізу стає рівним опору навантаження. Якщо виріз має значення 2В, то номінальний опір навантаження повинен бути 2 рази ШОЕ акумулятора, щоб дати 2/3 точки вирізу.

Отже, якщо ваш виріз становить 90% (падіння на 10% від 3В), вам потрібно забезпечити навантаження на коефіцієнт ESR 9x для цієї комірки при номінальній напрузі, а потім знизитись у найгіршому темпі.

Якщо навантаження знижується в цій точці відключення, можливо, вдасться врятувати деякий тривалий час, який інакше втратили, підвищивши ШОЕ навантаження, збільшуючи інтервал часу між передачами.

Великий конденсатор допомагає лише для однієї передачі, але не кожні кілька секунд @ 1%.

З огляду на те, що я бачу, залежно від толерантності до випаду та терміну служби акумулятора, я підозрюю, що вам потрібно розглянути CR2032 як мінімум. http://www.gpbatteries.com/index.php?option=com_k2&view=item&layout=item&id=271&Itemid=686