Cargas pesadas que alimentam o pulso com uma célula tipo moeda

As células de moeda de lítio são classificadas para consumos de corrente padrão razoavelmente baixos, da ordem de 1 a 5 mA. Além disso, embora eles permitam maiores consumos de corrente pulsada (ou seja, explosões periódicas), isso parece ser prejudicial à capacidade da célula (e também pode causar uma queda na tensão durante o pulso).

Estou levantando esse tópico por interesse na aplicabilidade de células de moedas para casos de uso em geral (como LEDs ou, mais recentemente, transmissão sem fio de baixa potência), para não ter um circuito específico em mente.

Mas imagine dois cenários, um ciclo de baixa carga e um caso mais exigente:

• Caso A : A carga consome 25 mA por 25 milissegundos uma vez a cada 2,5 segundos.
• Caso B : A carga consome 50 mA por 100 milissegundos uma vez a cada 1 segundo.

Estou interessado em analisar se um reservatório baseado em capacitor pode ser aplicado (e, portanto, se é sensato) executar qualquer um dos casos de extração de pulso acima de uma célula moeda.

Nota 1: Nos dois casos, estou considerando uma situação genérica com célula tipo moeda -> regulador de 3.3V Boost -> LOAD [microcontrolador + LEDs com resistores de série + módulo sem fio + etc]. E o Cap / Supercap paralelo ao suprimento de carga.

Nota 2: Estou ciente de que é possível usar baterias Li-ion / LiPo, mas elas têm maior autodescarga (seja devido à química ou ao circuito de proteção), por isso podem não ser ideais para, por exemplo, uma conexão sem fio registrador de temperatura que transmite uma vez a cada hora.

Documentos relevantes: As folhas de dados a seguir mostram várias informações, incluindo características de descarga de pulso, tensão operacional x carga, etc .:

1. Ficha técnica do Energizer CR2032
2. Panasonic CR2032 Ficha técnica
3. Sony CR2032 Ficha técnica
4. Maxell CR2032 Ficha técnica

Além disso, os documentos a seguir discutem algumas avaliações empíricas / discussões qualitativas sobre a execução de cargas um pouco grandes (com consumo de corrente de pico da ordem de dezenas de miliamperes) usando uma célula de moeda:

1. Nota sobre o aplicativo TI: células de moeda e consumo de corrente de pico

2. Nota da aplicação Nordic Semiconductor: Alto impacto do dreno de pulso na capacidade da bateria de célula tipo moeda CR2032

3. Nota da Freescale App: considerações sobre baixa energia para aplicativos ZigBee operados por baterias de célula tipo moeda

4. Jennic App note: Usando células-moeda em PANs sem fio

O cálculo é direto. O tamanho do capacitor é simplesmente uma questão de quanta queda de tensão você pode tolerar durante a duração do pulso. A corrente média da bateria é uma função do ciclo de trabalho.

ΔV = I × Δt / C

A resolução para C fornece:

C = I × Δt / ΔV

Vamos supor que você pode permitir ΔV = 0,1V. Para o seu primeiro exemplo, isso funciona para:

C = 25 mA × 25 ms / 0,1 V = 6,25 mF

O consumo médio de corrente é de 25 mA * 25 ms / 2,5 s = 0,25 mA.

Para o segundo exemplo, os números funcionam para:

C = 50 mA × 100 ms / 0,1 V = 50 mF

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

O capacitor paralelo será adequado, mas somente se você escolher com cuidado.

Conforme explicado por @stevenvh, um capacitor paralelo à carga é adequado para cargas pulsadas. A característica importante do capacitor (além de sua capacitância C ) é sua resistência de isolamento (IR). A resistência de isolamento determina o vazamento de carga do capacitor enquanto espera entre pulsos.

Em 3 V, você terá uma corrente de fuga de 60 μA, que é comparável ao consumo médio de corrente da sua carga.

À primeira vista, o caso A não parece que vai nos causar problemas (mas espere!). Cálculo do verso do envelope: o ciclo de trabalho é de apenas 1%, portanto os 25 mA deverão ser compensados ​​por uma corrente de carga de 250 µA. Isso é para corrente constante, que varia linearmente a tensão do capacitor com o tempo.

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

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

$C$

Mas, na maioria das aplicações do mundo real, a corrente não será constante e o carregamento / descarregamento do capacitor sobre um resistor aumentará exponencialmente. Você tem apenas 1 V de diferença entre os 3 V do capacitor e os 2 V do LED, e não deseja diminuir muito o capacitor antes dos 25 ms; não que o desbotamento seja perceptível como tal, mas o brilho médio será. Portanto, supondo que uma queda máxima permitida de 200 mV em 25 ms signifique:

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

$R C$ = 0,11 s.

Para recarregar, teremos que definir uma tensão final; se gostaríamos de recarregar até os 3 V completos, levaria um tempo infinito. Portanto, se definirmos nossa meta em 99% de 3 V, podemos escrever uma equação semelhante:

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

$R C$ = 1,30 s.

$R C$$R$ é diferente: para a descarga é resistor série do LED, para a recarga é a resistência da bateria.

Para o resistor em série com o LED, podemos calcular

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

Os 2,9 V são a tensão média durante a descarga, o que nos permite calcular a corrente média. A corrente inicial será de 27,5 mA, mas isso não será um problema. Eu calculei os 2,9 V simplesmente como a média entre 3 V e 2,8 V, mas tudo bem, nesse curto período de tempo você pode assumir que a descarga é quase linear. (Acabei de fazer o cálculo com a integral da curva de descarga, e isso nos dá uma média de 2,896 V, o que confirma isso; o erro é de apenas 0,13.)

$R_1 C$$R_1$ , podemos encontrar$C$:

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

E agora também podemos encontrar o resistor de carga:

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

Observe que a capacitância é a mesma que com nossa carga e descarga de corrente constante. Isso ocorre porque a descarga curta pode ser aproximada e linear, como vimos anteriormente, e também arredondei os valores.

É importante escolher a célula e o fornecedor de tamanho certo para sua aplicação e entender que a perda de capacidade diminui muito quando você excede a carga nominal. Eles precisam fornecer a capacidade versus resistência à carga para sua temperatura operacional. Caso contrário, calcule o ESR da bateria com a tensão e carga nominal de corte.

Lembre-se de que a ESR inicial é muito menor, por exemplo, 10% de ESR de recorte e que também se degrada da temperatura fria em quase 3x de 23'C a 0'C. Eles significam que sua capacidade é reduzida.

A ESR de carga aumenta com o fator de serviço (df) ESR = V / I * 1 / df
Nos dois casos A e B, df é 2ms / 2,5s = 0,01 (1%)

Vamos começar com esses valores e negligenciar a ESR da bateria.

• Caso A, 3V a 25mA, 1% df ESR = 12 kΩ (assumindo linear por enquanto)
• Caso B, 3V a 50mA, 1% df ESR = 6 kΩ ("")

Seu Vmin ou especificação de regulamento. afetará significativamente a redução da vida útil da capacidade nominal. Muitos fornecedores usam 33 a 50%, talvez você precise de 10 a 20%.

Observe abaixo o gráfico da ESR da bateria aumenta acentuadamente com a perda de capacidade após consumir 2/3. Aumenta quase 1 ordem de magnitude ao longo da vida útil da capacidade. (5.5Ω ~ 45Ω)

A capacidade da bateria em mAh é inversamente proporcional à ESR da bateria. Você pode calculá-lo a partir da resistência de carga nominal e da tensão EOL.

Pelo que entendi, a carga pulsada não danifica a capacidade da bateria, mas qualquer coisa que eleva a ESR se aproximando da ESR da carga. Obviamente, suas especificações de regulamentação determinam o quão perto os Rs da bateria podem se aproximar do ESR da sua carga.

Intuitivamente, você sabe se a tensão do recorte é de 50% ou 1,5V, a ESR do recorte torna-se igual à resistência da carga. Se o recorte for especificado em 2V, a resistência de carga nominal deverá ser 2x a VHS da bateria para fornecer um ponto de recorte de 2/3.

Portanto, se o seu recorte for 90% (queda de 10% de 3V), você precisará garantir que sua carga ESR seja 9x a ESR para essa célula na tensão nominal do recorte e depois diminuída pela pior temperatura possível.

Se a carga for reduzida nesse ponto de interrupção, é possível recuperar algum tempo prolongado, caso contrário, você poderá aumentar a ESR da carga aumentando o intervalo de tempo entre as transmissões.

Um capacitor grande ajuda apenas a uma transmissão, mas não a cada poucos segundos a 1%.

Pelo que vejo, dependendo da tolerância ao abandono e das especificações da vida útil da bateria, suspeito que você precise considerar um CR2032 no mínimo. http://www.gpbatteries.com/index.php?option=com_k2&view=item&layout=item&id=271&Itemid=686