Carichi pesanti ad impulsi con una cella a bottone

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Le celle a bottone al litio sono classificate per assorbimenti di corrente standard abbastanza bassi, nell'ordine da 1 a 5 mA. Inoltre, mentre consentono maggiori assorbimenti di corrente pulsata (ad esempio, scoppi periodici), questo sembra essere dannoso per la capacità della cella (e può anche causare una caduta della tensione durante l'impulso).

Sto sollevando questo argomento per interesse nell'applicabilità delle pile a bottone per casi d'uso generali (come i LED o la trasmissione wireless a bassa potenza più recente), quindi non ho in mente un circuito specifico.

Ma immagina due scenari, uno un ciclo a basso carico e uno un caso più impegnativo:

Caso A : il carico assorbe 25 mA per 25 millisecondi una volta ogni 2,5 secondi.
Caso B : il carico assorbe 50 mA per 100 millisecondi una volta ogni 1 secondi.

Sono interessato ad un'analisi se un serbatoio basato su condensatore può essere applicato (e quindi, se è saggio) eseguire uno dei casi di prelievo di impulsi sopra una cella a bottone.

Nota 1: In entrambi i casi, sto prendendo in considerazione una situazione generica con cella a bottone -> 3.3V Boost regulator -> LOAD [microcontrollore + LED con resistori serie + modulo Wireless + ecc]. E il Cap / Supercap parallelo all'alimentazione del carico.

Nota 2: Sono consapevole che si potrebbero usare batterie Li-ion / LiPo ma hanno una maggiore autoscarica (sia a causa della loro chimica o a causa dei loro circuiti di protezione), quindi potrebbero non essere ideali per, diciamo, un wireless registratore di temperatura che trasmette una volta ogni ora.

Documenti pertinenti: i seguenti fogli di dati mostrano varie informazioni, tra cui le caratteristiche di scarica degli impulsi, la tensione di esercizio rispetto al carico, ecc .:

Inoltre, i seguenti documenti discutono alcune valutazioni empiriche / discussioni qualitative sull'esecuzione di carichi piuttosto grandi (con assorbimento di corrente di picco dell'ordine di decine di milliampere) utilizzando una cella a bottone:

Nota sull'app TI: celle a bottone e assorbimento di corrente di picco
Nota sull'app Nordic Semiconductor: elevato impatto sul consumo di impulsi sulla capacità della batteria a bottone CR2032
Nota sull'app Freescale: considerazioni di bassa potenza per le applicazioni ZigBee gestite da batterie a bottone
Nota sull'app Jennic: utilizzo delle pile a bottone nei PAN wireless

— boardbite
fonte

Hai qualche dato del produttore riguardo alle limitazioni della corrente impulsiva sulle celle a bottone al litio? Ho una raccolta di schede tecniche con celle a bottone, ma in realtà non discutono della corrente sotto carichi di impulsi.

— segna il

@markrages: aggiunti fogli di dati (così come alcune note dell'app) alla fine della domanda, che contengono ALCUNI (anche se limitati) dati sulle caratteristiche degli impulsi.

— boardbite,

Il 25 mA, è una corrente costante come nell'interpretazione di Dave o una configurazione più comune con un resistore in serie per il LED? La fonte attuale ti offre una soluzione semplice (vedi la risposta di Dave), ma potrebbe non essere quello che vedrai in natura.

— Stevenvh,

@stevenvh: Domanda aggiornata: "Nota 1"

— boardbite

Cercato in alto e in basso per quel Jennic AN, è passato dalle interwebs. Solo riferimenti in giro, nessuna cache.

— kert,

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Il calcolo è semplice. La dimensione del condensatore è semplicemente una questione di quanta caduta di tensione è possibile tollerare durante la durata dell'impulso. La corrente media della batteria è una funzione del ciclo di lavoro.

ΔV = I × Δt / C

Risolvendo per C si ottiene:

C = I × Δt / ΔV

Supponiamo che tu possa consentire ΔV = 0.1V. Per il tuo primo esempio, questo risolve:

C = 25 mA × 25 ms / 0,1 V = 6,25 mF

L'assorbimento di corrente medio è di 25 mA * 25 ms / 2,5 s = 0,25 mA.

Per il secondo esempio, i numeri risolvono per:

C = 50 mA × 100 ms / 0,1 V = 50 mF

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

— Dave Tweed
fonte

@Dave - Non hai bisogno di resistori perché stai assumendo fonti / dissipatori di corrente costanti. Ecco come ottenere equazioni lineari anziché esponenziali. È vero, ho aggiunto resistori che non sono nella domanda, ma aggiungi anche fonti attuali che non ci sono :-)

— Stevenvh

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@stevenvh: In realtà, lo sono; la domanda originale era posta in termini di impulsi attuali. Per questo tipo di domanda di fattibilità generale, linearizzare le equazioni (pur comprendendo che si tratta di un'approssimazione) è perfettamente legittimo.

— Dave Tweed

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Il condensatore parallelo sarà adatto, ma solo se lo scegli attentamente.

Come spiegato da @stevenvh, un condensatore parallelo al carico è adatto per carichi pulsati. La caratteristica importante del condensatore (a parte la sua capacità C ) è la sua resistenza di isolamento (IR). La resistenza di isolamento determina la perdita di carica dal condensatore durante l'attesa tra gli impulsi.

{io R}_{X 5 R} \cdot C = 50 Ω \cdot F

$\mathrm{IR}_\mathrm{X5R}\cdot C = 50~\Omega\cdot\mathrm{F}$

{io R}_{X 5 R} = 50 Ω \cdot F / C = \frac{50}{1000 \cdot 10^{- 6}} = 50 K Ω

$\mathrm{IR}_\mathrm{X5R} = 50~\Omega\cdot\mathrm{F}/C = \frac{50}{1000\cdot 10^{-6}} = 50~\mathrm{k}\Omega$

A 3 V avrai una corrente di dispersione di 60 μA, che è paragonabile all'assorbimento di corrente medio del tuo carico.

{io R}_{N P 0} \cdot C = 500 Ω \cdot F

$\mathrm{IR}_\mathrm{NP0}\cdot C = 500~\Omega\cdot\mathrm{F}$

— richarddonkin
fonte

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A prima vista il caso A non sembra che ci causerà problemi (ma aspetta!). Calcolo del retro dell'inviluppo: il duty cycle è solo dell'1%, quindi i 25 mA dovranno essere compensati da una corrente di carica di 250 µA. Questo è per la corrente costante, che varia la tensione del condensatore in modo lineare con il tempo.

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

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

$C$

Ma nella maggior parte delle applicazioni del mondo reale la corrente non sarà costante e la carica / scarica del condensatore su un resistore andrà esponenzialmente. Hai solo 1 V di differenza tra 3 V del condensatore e 2 V del LED e non vuoi far cadere troppo il condensatore prima che i 25 ms siano finiti; non che lo sbiadimento sarà evidente come tale, ma lo sarà la luminosità media. Quindi supponendo che una caduta massima consentita di 200 mV in 25 ms significhi:

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

$R C$

Per la ricarica dovremo impostare una tensione finale; se vogliamo ricaricare fino a 3 V, ci vorrebbe un tempo infinito. Quindi, se impostiamo il nostro obiettivo al 99% di 3 V, possiamo scrivere un'equazione simile:

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

poi $R C$ = 1,30 s.

Sì, è diverso $R C$ volte perché il $R$ è diverso: per la scarica è la resistenza della serie LED, per la ricarica è la resistenza della batteria.

Possiamo calcolare la resistenza in serie con il LED

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

2,9 V è la tensione media durante la scarica, che ci consente di calcolare la corrente media. La corrente iniziale sarà di 27,5 mA, ma non sarà un problema. Ho calcolato i 2,9 V semplicemente come media tra 3 V e 2,8 V, ma è abbastanza OK, in questo breve periodo si può presumere che la scarica sia quasi lineare. (Ho appena fatto il calcolo con l'integrale della curva di scarica, e questo ci dà una media di 2.896 V, che lo conferma; l'errore è solo 0,13.)

Dal momento che sappiamo $R_1 C$ e $R_1$ possiamo trovare $C$ :

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

E ora possiamo trovare anche la resistenza di ricarica:

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

Si noti che la capacità è la stessa della nostra corrente di carica e scarica costante. Questo perché la scarica corta può essere approssimata e lineare, come abbiamo visto in precedenza, e ho anche arrotondato i valori.

— stevenvh
fonte

Da dove vengono tutti questi resistori? Non fanno certamente parte della domanda originale, e se tu fossi davvero preoccupato di far funzionare qualcosa da una cella a bottone, non sprecheresti una frazione significativa della tua energia in resistori!

— Dave Tweed

@Dave - Stai per cortocircuitare il condensatore sul LED? Avrai molto più di 25 mA allora. Certo, solo per poco tempo, ma il LED non lo gradirebbe. Per la ricarica dovrò vedere se posso usare la resistenza interna della batteria, ma IMO sarà comunque necessaria una resistenza in serie: altrimenti la scarica del condensatore a 2 V renderà marrone il microcontrollore, se è collegato direttamente. Ricorda che non abbiamo un 3 V rigido, ma un 3 V con una resistenza in serie, che prenderà la differenza tra 3 V e 2 V. del condensatore

— stevenvh

Un resistore è solo uno dei molti modi per controllare la corrente. I circuiti attivi appropriati saranno molto più efficienti. La domanda originale era sulla fattibilità del concetto generale.

— Dave Tweed

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È importante scegliere la cella e il fornitore della giusta dimensione per la propria applicazione e comprendere che la perdita di capacità diminuisce molto quando si supera il carico nominale. Devono fornire la capacità rispetto alla resistenza di carico per la temperatura operativa. Se non indicato, calcolare l'ESR della batteria alla tensione di interruzione nominale e caricare.

Tieni presente che l'ESR iniziale è molto più piccolo, ad es. ESR con taglio del 10% e che degrada anche dalla temperatura fredda di quasi 3 volte da 23 ° C a 0 ° C. Significa che la tua capacità è ridotta.

inserisci qui la descrizione dell'immagine

Il carico ESR aumenta con il fattore di servizio (df) ESR = V / I * 1 / df
In entrambi i casi A e B, df è 2.ms/2.5s = 0.01 (1%)

Cominciamo con questi valori e trascuriamo l'ESR della batteria.

Caso A, 3 V a 25 mA, 1% df ESR = 12 kΩ (supponendo lineare per ora)
Caso B, 3 V a 50 mA, 1% df ESR = 6 kΩ ("")

Le tue specifiche Vmin o normative ,. influenzerà notevolmente la riduzione a vita dalla capacità nominale. Molti fornitori usano dal 33 al 50%, potresti aver bisogno del 10 ~ 20%.

La nota sotto il grafico dell'ESR della batteria aumenta bruscamente con perdita di capacità dopo che si è consumato 2/3. Sorge di quasi 1 ordine di grandezza nel corso della sua capacità di vita. (5.5Ω ~ 45Ω)

inserisci qui la descrizione dell'immagine

La capacità della batteria in mAh è inversamente proporzionale all'ESR della batteria. È possibile stimarlo dalla resistenza di carico nominale e dalla tensione EOL.

Da quanto ho capito, il carico pulsato non danneggia la capacità della batteria ma piuttosto qualsiasi cosa che sollevi l'ESR che si avvicina all'ESR del carico. Ovviamente, le specifiche del tuo regolamento determinano quanto la batteria Rs può avvicinarsi all'ESR del tuo carico.

Intuitivamente sai se la tensione di interruzione è del 50% o 1,5 V l'ESR di interruzione diventa uguale alla resistenza di carico. Se il ritaglio è specificato a 2 V, la resistenza di carico nominale deve essere pari al doppio dell'ESR della batteria per fornire un punto di ritaglio di 2/3.

Quindi, se il tuo ritaglio è del 90% (calo del 10% da 3V), devi assicurarti che il tuo ESR di carico sia 9x l'ESR per quella cella alla tensione nominale di interruzione e quindi declassato dalla tua temperatura peggiore.

Se il carico viene ridotto in quel punto di interruzione, si potrebbe essere in grado di recuperare un po 'di tempo prolungato altrimenti perso aumentando l'ESR del carico aumentando l'intervallo di tempo tra le trasmissioni.

Un grande condensatore aiuta solo per una trasmissione ma non ogni pochi secondi all'1%.

Da quello che vedo, a seconda della tolleranza di dropout e delle specifiche di durata della batteria, sospetto che sia necessario considerare un CR2032 come minimo. http://www.gpbatteries.com/index.php?option=com_k2&view=item&layout=item&id=271&Itemid=686

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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