Импульсное питание тяжелых грузов с помощью батарейки типа «таблетка»

Расчет прост. Размер конденсатора - это просто вопрос того, какое падение напряжения вы можете выдержать в течение продолжительности импульса. Средний ток от батареи зависит от рабочего цикла.

ΔV = I × Δt/С

Решение для C дает:

С = I × Δt / ΔV

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

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.

Во втором примере 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 объяснил @stevenvh, конденсатор, параллельный нагрузке, подходит для импульсных нагрузок. Важной характеристикой конденсатора (кроме его емкости C ) является его сопротивление изоляции (IR). Сопротивление изоляции определяет утечку заряда из конденсатора во время ожидания между импульсами.

Керамические конденсаторы имеют высокие значения IR, и Murata предоставляет информацию в своих спецификациях, которые можно получить на http://www.murata.com/products/capacitor/design/data/property.html . Их серия X5R указана с

При напряжении 3 В у вас будет ток утечки 60 мкА, что сравнимо со средним током, потребляемым вашей нагрузкой.

Чтобы улучшить это, вы можете попробовать другой тип конденсатора. Конденсаторы NP0 или C0G имеют меньшую утечку, но они занимают гораздо больше места на печатной плате.

На первый взгляд случай A не выглядит так, как будто он доставит нам неприятности (но подождите!). Предельный расчет: рабочий цикл составляет всего 1 %, поэтому 25 мА должны быть компенсированы зарядным током 250 мкА. Это для постоянного тока, который линейно меняет напряжение конденсатора со временем.

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

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

Так$C$будет определяться допустимым падением напряжения. Если вы допускаете падение на 200 мВ до 2,8 В, вам понадобится конденсатор на 3100 мкФ.

Но в большинстве реальных приложений ток не будет постоянным, и зарядка/разрядка конденсатора через резистор будет происходить экспоненциально. У вас есть разница всего в 1 В между 3 В конденсатора и 2 В светодиода, и вы не хотите слишком сильно опускать конденсатор до истечения 25 мс; не то чтобы блеклость будет заметна как таковая, но средняя яркость будет. Таким образом, максимально допустимое падение на 200 мВ за 25 мс будет означать:

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

затем$R C$= 0,11 с.

Для подзарядки нам нужно установить конечное напряжение; если бы мы хотели перезарядиться до полных 3 В, это заняло бы бесконечное время. Итак, если мы установим нашу цель на уровне 99 % от 3 В, мы можем написать аналогичное уравнение:

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

затем$R C$= 1,30 с.

Да, это другое$R C$раз, потому что$R$бывает разным: для разряда - это последовательный резистор светодиода, для подзарядки - резистор от аккумулятора.

Для последовательного резистора со светодиодом мы можем рассчитать

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

2,9 В — это среднее напряжение при разрядке, что позволяет рассчитать средний ток. Начальный ток будет 27,5 мА, но это не проблема. Я рассчитал 2,9 В просто как среднее между 3 В и 2,8 В, но это вполне нормально, за это короткое время вы можете предположить, что разряд будет почти линейным. (Я только что сделал расчет с интегральной кривой разряда, и это дает нам среднее значение 2,896 В, что подтверждает это; ошибка составляет всего 0,13.)

Поскольку мы знаем$R_1 C$и$R_1$мы можем найти$C$:

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

А теперь мы можем найти и зарядный резистор:

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

Обратите внимание, что емкость такая же, как и при зарядке и разрядке постоянным током. Это потому, что короткий разряд может быть аппроксимирован как линейный, как мы видели ранее, а также я округлил значения.

Важно выбрать ячейку правильного размера и поставщика для вашего приложения и понимать, что потеря емкости сильно падает, когда вы превышаете номинальную нагрузку. Они должны обеспечить емкость по отношению к сопротивлению нагрузки для вашей рабочей температуры. Если не задано, рассчитайте ESR батареи при номинальном напряжении отключения и нагрузке.

Имейте в виду, что начальное ESR намного меньше, например, 10% ESR отключения, и оно также ухудшается от низкой температуры почти в 3 раза от 23°C до 0°C. Они означают, что ваша способность уменьшена.

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

Начнем с этих значений и пренебрежем ESR батареи.

• Случай A, 3 В при 25 мА, 1% df ESR = 12 кОм (сейчас предполагается линейным)
• Случай B, 3 В при 50 мА, 1% df ESR = 6 кОм (" ")

Ваш Vmin или инструкция. сильно повлияет на сокращение срока службы по сравнению с номинальной емкостью. Многие поставщики используют от 33 до 50%, вам может понадобиться от 10 до 20%.

Обратите внимание на приведенный ниже график ESR батареи, который резко возрастает с потерей емкости после того, как израсходовано 2/3. Он возрастает почти на 1 порядок по сравнению со сроком службы. (5,5 Ом ~ 45 Ом)

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

Насколько я понимаю, импульсная нагрузка не повреждает емкость батареи, а скорее все, что повышает ESR, приближаясь к ESR нагрузки. Очевидно, что ваша нормативная спецификация определяет, насколько близко Rs батареи может приблизиться к ESR вашей нагрузки.

Интуитивно вы знаете, что если напряжение отключения составляет 50% или 1,5 В, ESR отключения становится равным сопротивлению нагрузки. Если отключение рассчитано на 2 В, то номинальное сопротивление нагрузки должно быть в 2 раза больше ESR батареи, чтобы обеспечить 2/3 точки отключения.

Таким образом, если ваше отключение составляет 90% (падение на 10% от 3 В), вам необходимо убедиться, что ESR нагрузки в 9 раз превышает ESR для этой ячейки при номинальном напряжении отключения, а затем снижается в зависимости от температуры вашего наихудшего случая.

Если нагрузка снижается в этой точке отключения, можно было бы спасти некоторое длительное время, которое в противном случае было бы потеряно при повышении ESR нагрузки за счет увеличения интервала времени между передачами.

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

Судя по тому, что я вижу, в зависимости от вашей устойчивости к выпадению напряжения и характеристик времени автономной работы, я подозреваю, что вам следует рассмотреть как минимум CR2032. http://www.gpbatteries.com/index.php?option=com_k2&view=item&layout=item&id=271&Itemid=686