Schwere Lasten mit einer Knopfzelle treiben

Lithium-Knopfzellen sind für eine relativ niedrige Standardstromaufnahme in der Größenordnung von 1 bis 5 mA ausgelegt. Auch wenn sie größere gepulste Stromentnahmen (dh periodische Bursts) ermöglichen, scheint dies nachteilig für die Zellkapazität zu sein (und kann auch einen Spannungsabfall während des Pulses verursachen).

Ich habe dieses Thema aus Interesse an der Anwendbarkeit von Knopfzellen für allgemeine Anwendungsfälle (wie LEDs oder neuere drahtlose Übertragung mit geringem Stromverbrauch) zur Sprache gebracht, daher habe ich keine spezielle Schaltung im Sinn.

Stellen Sie sich zwei Szenarien vor, eines mit niedrigem Arbeitszyklus und eines mit höheren Anforderungen:

• Fall A : Die Last zieht alle 2,5 Sekunden 25 mA für 25 Millisekunden.
• Fall B : Die Last zieht alle 1 Sekunde 100 Millisekunden lang 50 mA.

Ich bin an einer Analyse interessiert, ob ein Reservoir auf Kondensatorbasis auf einen der Pulsentnahmefälle über einer Münzzelle angewendet werden kann (und ob es daher sinnvoll ist, dies zu tun).

Hinweis 1: In beiden Fällen erwäge ich eine generische Situation mit Coin Cell -> 3,3 V Boost-Regler -> LOAD [Mikrocontroller + LEDs mit Vorwiderständen + Funkmodul + usw.]. Und das Cap / Supercap parallel zur Lastversorgung.

Anmerkung 2: Ich bin mir bewusst, dass man Li-Ion / LiPo-Akkus verwenden kann, diese jedoch eine höhere Selbstentladung aufweisen (sei es aufgrund ihrer Chemie oder ihrer Schutzschaltung). Daher sind sie möglicherweise nicht ideal für beispielsweise drahtlose Geräte Temperaturlogger, der einmal pro Stunde sendet.

Relevante Dokumente: In den folgenden Datenblättern sind verschiedene Informationen aufgeführt, darunter Impulsentladungseigenschaften, Betriebsspannung im Verhältnis zur Last usw .:

1. Energizer CR2032 Datenblatt
2. Panasonic CR2032 Datenblatt
3. Sony CR2032 Datenblatt
4. Maxell CR2032 Datenblatt

Darüber hinaus werden in den folgenden Dokumenten einige empirische Bewertungen / qualitative Diskussionen zum Betrieb größerer Lasten (mit einer Spitzenstromaufnahme in der Größenordnung von einigen zehn Milliampere) unter Verwendung einer Knopfzelle erörtert:

1. TI-App-Hinweis: Münzzellen und Spitzenstromverbrauch

2. Hinweis zur Nordic Semiconductor-App: Hoher Stromverbrauch beeinträchtigt die Kapazität der Knopfzellenbatterie CR2032

3. Hinweis zur Freescale-App: Überlegungen zu geringem Stromverbrauch für ZigBee-Anwendungen, die mit Knopfzellen betrieben werden

4. Hinweis zur Jennic-App: Verwenden von Münzzellen in drahtlosen PANs

Die Berechnung ist unkompliziert. Die Kondensatorgröße ist einfach eine Frage der Höhe des Spannungsabfalls, den Sie über die Dauer des Impulses tolerieren können. Der durchschnittliche Strom aus der Batterie ist eine Funktion des Arbeitszyklus.

ΔV = I × Δt / C

Auflösen nach C ergibt:

C = I × Δt / ΔV

Nehmen wir an, Sie können ΔV = 0.1V zulassen. Für Ihr erstes Beispiel gilt Folgendes:

C = 25 mA × 25 ms / 0,1 V = 6,25 mF

Die durchschnittliche Stromaufnahme beträgt 25 mA * 25 ms / 2,5 s = 0,25 mA.

Für das zweite Beispiel ergeben die Zahlen:

C = 50 mA × 100 ms / 0,1 V = 50 mF

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

Der Parallelkondensator ist geeignet, aber nur, wenn Sie ihn sorgfältig auswählen.

Wie von @stevenvh erklärt, ist ein Kondensator parallel zur Last für gepulste Lasten geeignet. Die wichtige Eigenschaft des Kondensators (abgesehen von seiner Kapazität C ) ist sein Isolationswiderstand (IR). Der Isolationswiderstand bestimmt den Ladungsverlust aus dem Kondensator während der Wartezeit zwischen den Impulsen.

Bei 3 V haben Sie einen Leckstrom von 60 μA, was mit der durchschnittlichen Stromaufnahme Ihrer Last vergleichbar ist.

Auf den ersten Blick sieht Fall A nicht so aus, als würde er uns Probleme bereiten (aber warte!). Back-of-Envelope-Berechnung: Das Tastverhältnis beträgt nur 1%, so dass die 25 mA durch einen Ladestrom von 250 µA ausgeglichen werden müssen. Das ist für konstanten Strom, der die Kondensatorspannung linear mit der Zeit ändert.

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

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

$C$

In den meisten realen Anwendungen ist der Strom jedoch nicht konstant, und das Laden / Entladen des Kondensators über einen Widerstand erfolgt exponentiell. Sie haben nur 1 V Unterschied zwischen den 3 V des Kondensators und den 2 V der LED, und Sie möchten den Kondensator nicht zu sehr fallen lassen, bevor die 25 ms vorbei sind; nicht, dass das Fading als solches auffällt, aber die durchschnittliche Helligkeit wird es sein. Wenn also ein maximal zulässiger Abfall von 200 mV in 25 ms angenommen wird, bedeutet dies:

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

$R C$

Zum Aufladen müssen wir eine Endspannung einstellen; Wenn wir die vollen 3 V aufladen möchten, würde dies unendlich viel Zeit in Anspruch nehmen. Wenn wir also unser Ziel auf 99% von 3 V setzen, können wir eine ähnliche Gleichung schreiben:

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

$R C$

$R C$$R$

Für den Vorwiderstand mit der LED können wir rechnen

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

Die 2,9 V sind die Durchschnittsspannung während des Entladens, mit der der Durchschnittsstrom berechnet werden kann. Der Anfangsstrom wird 27,5 mA betragen, aber das wird kein Problem sein. Ich habe die 2,9 V einfach als Mittelwert zwischen 3 V und 2,8 V berechnet, aber das ist in Ordnung. In dieser kurzen Zeit kann man davon ausgehen, dass die Entladung nahezu linear ist. (Ich habe gerade die Berechnung mit dem Integral der Entladungskurve durchgeführt, und das ergibt einen Durchschnitt von 2,896 V, was dies bestätigt; der Fehler beträgt nur 0,13.)

$R_1 C$$R_1$$C$

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

Und jetzt können wir auch den Ladewiderstand finden:

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

Beachten Sie, dass die Kapazität die gleiche ist wie beim Laden und Entladen mit konstantem Strom. Das liegt daran, dass die Kurzentladung, wie wir zuvor gesehen haben, gut linear angenähert werden kann und ich die Werte gerundet habe.

Es ist wichtig, die richtige Zellengröße und den richtigen Lieferanten für Ihre Anwendung zu wählen und zu verstehen, dass der Kapazitätsverlust bei Überschreitung der Nennlast stark abnimmt. Sie müssen die Kapazität im Verhältnis zum Lastwiderstand für Ihre Betriebstemperatur liefern. Wenn nicht angegeben, berechnen Sie den ESR der Batterie bei Nennspannung und Nennlast.

Beachten Sie, dass der anfängliche ESR-Wert viel kleiner ist, z. B. 10% des ESR-Werts, und dass sich der ESR-Wert von 23 ° C auf 0 ° C gegenüber der kalten Temperatur um fast das Dreifache verschlechtert. Sie bedeuten, dass Ihre Kapazität reduziert wird.

Der Last-ESR steigt mit dem Tastverhältnis (df). ESR = V / I * 1 / df.
In beiden Fällen A und B beträgt df 2 ms / 2,5 s = 0,01 (1%).

Beginnen wir mit diesen Werten und vernachlässigen den ESR der Batterie.

• Fall A, 3 V bei 25 mA, 1% df ESR = 12 kΩ (vorerst als linear vorausgesetzt)
• Fall B, 3 V bei 50 mA, 1% df ESR = 6 kΩ ("")

Ihre Vmin oder Vorschrift spec. wird die Lebensdauerreduzierung der Nennkapazität stark beeinflussen. Viele Lieferanten verwenden 33 bis 50%, möglicherweise benötigen Sie 10 bis 20%.

Beachten Sie, dass die ESR-Kurve des Akkus nach dem Verbrauch von 2/3 mit dem Verlust der Kapazität stark ansteigt. Es steigt im Laufe seiner Lebensdauer um fast 1 Größenordnung an. (5,5 Ω ~ 45 Ω)

Die Batteriekapazität in mAh ist umgekehrt proportional zum Batterie-ESR. Sie können es aus dem Nennlastwiderstand und der EOL-Spannung abschätzen.

Nach meinem Verständnis beeinträchtigt die gepulste Last nicht die Kapazität der Batterie, sondern alles, was den ESR in Richtung des ESR der Last anhebt. Offensichtlich bestimmt Ihre Vorschrift, wie nahe die Batterie Rs dem ESR Ihrer Last kommen kann.

Intuitiv wissen Sie, dass bei einer Abschaltspannung von 50% oder 1,5 V der Abschalt-ESR gleich dem Lastwiderstand ist. Wenn die Abschaltung auf 2 V spezifiziert ist, muss der Nennlastwiderstand das 2-fache des Batterie-ESR betragen, um einen 2/3 Abschaltpunkt zu erhalten.

Wenn Ihre Abschaltung also 90% beträgt (10% Abfall von 3 V), müssen Sie sicherstellen, dass Ihr Last-ESR das 9-fache des ESR für diese Zelle bei der Nennspannung der Abschaltung beträgt und dann um Ihre Worst-Case-Temperatur verringert wird.

Wenn die Last an diesem Abschaltpunkt reduziert wird, kann möglicherweise eine längere Zeit eingespart werden, die andernfalls durch Erhöhen des Last-ESR durch Erhöhen des Zeitintervalls zwischen den Übertragungen verloren geht.

Ein großer Kondensator hilft nur für eine Übertragung, aber nicht alle paar Sekunden bei 1%.

Nach dem, was ich sehe, müssen Sie, abhängig von Ihrer Ausfalltoleranz und der Batterielebensdauer, einen CR2032 als Minimum in Betracht ziehen. http://www.gpbatteries.com/index.php?option=com_k2&view=item&layout=item&id=271&Itemid=686