Мощные импульсные нагрузки с монетоприемником

Литиевые монеты рассчитаны на довольно низкое стандартное потребление тока, порядка от 1 до 5 мА. Кроме того, хотя они допускают большее потребление импульсного тока (т. Е. Периодические всплески), это, по-видимому, отрицательно влияет на емкость элемента (а также может вызвать падение напряжения во время импульса).

Я поднимаю эту тему из интереса к применимости монетных ячеек для общих случаев использования (таких как светодиоды или совсем недавно беспроводная передача с низким энергопотреблением), поэтому я не имею в виду конкретную схему.

Но представьте себе два сценария: один цикл с низкой нагрузкой, а другой - более сложный:

• Случай A : нагрузка составляет 25 мА в течение 25 миллисекунд каждые 2,5 секунды.
• Случай B : нагрузка составляет 50 мА в течение 100 миллисекунд один раз в 1 секунду.

Меня интересует анализ того, может ли резервуар на основе конденсатора применяться (и, следовательно, целесообразно ли) для запуска любого из случаев вытягивания импульсов выше ячейки монеты.

Примечание 1: В обоих случаях я рассматриваю общую ситуацию с ячейкой Coin -> 3.3V Boost regulator -> LOAD [микроконтроллер + светодиоды с последовательными резисторами + беспроводной модуль + и т. Д.]. И Cap / Supercap параллельно нагрузке питания.

Примечание 2: Мне известно, что можно использовать литий-ионные / литий-ионные аккумуляторы, но они имеют более высокий уровень саморазряда (будь то из-за их химического состава или из-за их схемы защиты), поэтому они могут быть не идеальны, скажем, для беспроводной регистратор температуры, который передает один раз в час.

Соответствующие документы: В следующих таблицах данных представлена ​​различная информация, включая характеристики импульсного разряда, рабочее напряжение в зависимости от нагрузки и т. Д .:

1. Energizer CR2032 Лист данных
2. Panasonic CR2032 Лист данных
3. Sony CR2032 Лист данных
4. Maxell CR2032 Лист данных

Кроме того, в следующих документах обсуждаются некоторые эмпирические оценки / качественные дискуссии о запуске несколько больших нагрузок (с пиковым током, потребляемым порядка десятков миллиампер) с использованием ячейки монеты:

1. Примечание к приложению TI: клетки монет и пиковое потребление тока

2. Примечание к приложению Nordic Semiconductor: влияние сильного импульсного разряда на емкость батарейки типа CR2032

3. Примечание к приложению Freescale: соображения низкой мощности для приложений ZigBee, управляемых батарейками типа Coin Cell

4. Примечание приложения Jennic: использование монетных ячеек в беспроводных панелях

Расчет прост. Размер конденсатора - это просто вопрос того, сколько падения напряжения вы можете терпеть в течение длительности импульса. Средний ток от батареи является функцией рабочего цикла.

ΔV = I × Δt / C

Решение для C дает:

C = I × Δt / ΔV

Предположим, вы можете разрешить ΔV = 0,1 В. Для вашего первого примера это работает для:

C = 25 мА × 25 мс / 0,1 В = 6,25 мФ

Среднее потребление тока составляет 25 мА * 25 мс / 2,5 с = 0,25 мА.

Для второго примера числа работают так:

C = 50 мА × 100 мс / 0,1 В = 50 мФ

Средний ток = 50 мА * 100 мс / 1,0 с = 5 мА.

Параллельный конденсатор подойдет, но только если вы тщательно его выберете.

Как объясняет @stevenvh, конденсатор, параллельный нагрузке, подходит для импульсных нагрузок. Важная характеристика конденсатора (кроме его емкости C ) является его сопротивление изоляции (IR). Сопротивление изоляции определяет утечку заряда из конденсатора во время ожидания между импульсами.

При напряжении 3 В ток утечки составляет 60 мкА, что сопоставимо со средним потреблением тока в вашей нагрузке.

На первый взгляд случай А не выглядит так, как будто он доставит нам неприятности (но подождите!). Расчет с обратной огибающей: рабочий цикл составляет всего 1%, поэтому 25 мА придется компенсировать зарядным током 250 мкА. Это для постоянного тока, который линейно меняет напряжение на конденсаторе.

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

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

$C$

Но в большинстве реальных приложений ток не будет постоянным, и зарядка / разрядка конденсатора через резистор будет идти в геометрической прогрессии. У вас разница только в 1 В между 3 В конденсатора и 2 В светодиода, и вы не хотите слишком сильно падать на конденсатор до истечения 25 мс; не то, что выцветание будет заметно как таковое, но средняя яркость будет. Таким образом, предполагая, что максимально допустимое падение напряжения 200 мВ за 25 мс будет означать:

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

$R C$

Для подзарядки нам нужно установить конечное напряжение; если мы хотим перезарядить до 3 В, это займет бесконечное время. Поэтому, если мы установим нашу цель на 99% от 3 В, мы можем написать аналогичное уравнение:

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

then $R C$ = 1.30 s.

Yes, that's different $R C$ times because the $R$ is different: for the discharge it's the LED's series resistor, for the recharging it's the resistor from the battery.

For the series resistor with the LED we can calculate

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

The 2.9 V is the average voltage during discharging, which allows us to calculate the average current. The begin current will be 27.5 mA, but that's not going to be a problem. I calculated the 2.9 V simply as the average between 3 V and 2.8 V, but that's quite OK, over this short time you can assume the discharge to be nearly linear. (I just did the calculation with the integral of the discharge curve, and that gives us 2.896 V average, which confirms that; the error is only 0.13 .)

Since we know $R_1 C$ and $R_1$ we can find $C$:

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

And now we can find the charging resistor too:

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

Note that the capacitance is the same as with our constant current charging and discharging. That's because the short discharge can be approximated well as linear, like we saw earlier, and also I rounded the values.

It is important to choose the right size cell and supplier for your application and understand the loss of capacity drops a lot when you exceed the rated load. They need to supply the capacity vs load resistance for your operating temperature. If not given you calculate the battery's ESR at rated cutout voltage and load.

Keep in mind the initial ESR is much smaller e.g. 10% cutout ESR and that also degrades from cold temperature by almost 3x from 23'C to 0'C. They means your capacity is reduced.

ESR нагрузки увеличивается с коэффициентом заполнения (df) ESR = V / I * 1 / df.
В обоих случаях A и B df составляет 2 мс / 2,5 с = 0,01 (1%).

Давайте начнем с этих значений и пренебрегаем ESR батареи.

• Случай A, 3 В при 25 мА, 1% df ESR = 12 кОм (предполагается, что на данный момент линейный)
• Случай B, 3 В при 50 мА, 1% от ЭСН = 6 кОм ("")

Ваш Vmin или норматив спец. значительно повлияет на сокращение срока службы от номинальной мощности. Многие поставщики используют от 33 до 50%, вам может понадобиться от 10 до 20%.

Примечание ниже график ESR батареи резко возрастает с потерей емкости после того, как 2/3 потребляется. Он увеличивается почти на 1 порядок в течение срока службы. (5.5Ω ~ 45Ω)

Емкость аккумулятора в мАч обратно пропорциональна ESR аккумулятора. Вы можете оценить это по номинальному сопротивлению нагрузки и напряжению EOL.

Из того, что я понимаю, импульсная нагрузка не повреждает емкость батареи, а скорее всего, что повышает ESR, приближаясь к ESR нагрузки. Очевидно, ваша спецификация регулирования определяет, насколько близко Rs батареи могут приближаться к ESR вашей нагрузки.

Интуитивно понятно, что если напряжение отключения составляет 50% или 1,5 В, ESR отключения становится равным сопротивлению нагрузки. Если для отключения предусмотрен уровень напряжения 2 В, то номинальное сопротивление нагрузки должно быть в 2 раза больше ESR батареи, чтобы получить точку отключения 2/3.

Поэтому, если ваше отключение составляет 90% (падение на 10% по сравнению с 3 В), вы должны убедиться, что ESR нагрузки в 9 раз превышает ESR для этого элемента при номинальном напряжении отключения, а затем снижается в зависимости от вашей наихудшей температуры.

Если нагрузка в этой точке отключения снижается, можно было бы спасти некоторое продолжительное время, в противном случае вы потеряли бы повышение ESR нагрузки, увеличив интервал времени между передачами.

Большой конденсатор помогает только для одной передачи, но не каждые несколько секунд при 1%.

Из того, что я вижу, в зависимости от вашего допуска на выпадение и срока службы батареи, я подозреваю, что вам нужно рассмотреть CR2032 как минимум. http://www.gpbatteries.com/index.php?option=com_k2&view=item&layout=item&id=271&Itemid=686