كيفية زيادة وقت تشغيل الأجهزة بأربعة أضعاف

قصة كيف قمنا بتحسين دائرة الطاقة لأجهزة الاستشعار المستقلة لجمع ومعالجة ونقل المعلومات. لقد حققوا انخفاضًا في تكلفة الأجهزة الإلكترونية ووزن المستشعر وزاد من أبعاده الإجمالية زيادة طفيفة.

توضح هذه المقالة تطور دائرة الطاقة من أجهزة استشعار الحكم الذاتي لجمع ومعالجة المعلومات. سأحاول التحدث بإيجاز عن جميع مراحل تحسين الدائرة. سأبدأ القصة من خلال تطوير نموذج أولي يلبي جميع المتطلبات ، باستثناء الشرط الرئيسي. سأتحدث عن محاولة تحويل الدائرة إلى متطلبات بأقل جهد ممكن ، وذلك ببساطة عن طريق زيادة عدد البطاريات. سوف أصف البحث والتحليل لأسباب عدم تطابق معلمات الدائرة. في الجزء الأخير ، سأقدم مخططًا ومقارنة محسنين قبل وبعد.

آمل أن تكون تجربتي في متناول يدي عند تطوير الأجهزة ذاتية التشغيل.

أنا أعمل في Uniscan Research. نجعل الأجهزة عالية التقنية منتجًا تسلسليًا. هذه المقالة هي وصف لعملية تحسين نظام الطاقة للأجهزة المستقلة التي تم تطويرها كجزء من أحد مشاريعنا.

بالنسبة إلى أحد المشاريع الكبرى ، نحتاج إلى تطوير نظام لجمع ومعالجة المعلومات ، يتكون من أجهزة استشعار صغيرة مزودة بإمداد طاقة مستقل ، ونقل البيانات التي تم جمعها إلى وحدة تحكم المشغل عبر الهواء.

المتطلبات الأساسية للنظام قيد التطوير هي الحد الأدنى للوزن والحد الأدنى من أحجام العناصر والتركيب البسيط والسريع على الأرض والسرعة العالية والموثوقية في تسليم البيانات والبطاريات المتاحة وإمكانية استبدالها.

متطلبات الطاقة الأولية

أحد المتطلبات الرئيسية هو عمر البطارية في المنطقة التي تبلغ 240 ساعة ، بحيث تكون هناك حاجة إلى استبدال البطاريات بأقل قدر ممكن.

تم إجراء تقدير تقريبي لاستهلاك الطاقة على أساس بيانات حول استهلاك الأجهزة المستقلة الأخرى. يبدو أن الجهاز الذي يعمل على بطارية AA واحدة لمدة 240 ساعة ممكن تمامًا.

لقد أجريت التقييم الأولي على النحو التالي:

1. لنقم بتقييم قدرة "البطاريات" التجارية. نحن نستخدم بيانات الباحثين الضميري. توضح الرسوم البيانية السعة الفعالة للبطاريات عند تفريغها بتيارات مختلفة. الأعمدة الزرقاء - قدرة البطاريات عند التفريغ ضئيلة ، في الاختبارات التي أجريت ، بتيار 200 مللي أمبير. تقدر سعة "البطارية" المتوسطة بـ 2500 مللي أمبير في الساعة ، لتفريغ تيار يبلغ 200 مللي أمبير.
   
   
   
2. نحن نقدر استهلاك الطاقة لجهاز مماثل. هناك جهاز يستهلك حوالي 1 مللي أمبير من 12V ، وهو 12 ميجا واط.
3. نحسب عمر البطارية للجهاز. تقدر سعة "البطارية" بـ 2500 مللي أمبير ، والجهد الاسمي هو 1.5 فولت ، وبالتالي ، يمكن حساب وقت التشغيل باستهلاك 12 ميجاوات:

الاستهلاك الحالي = (استهلاك الطاقة) / (الفولطية المقدرة) = 12mW / 1.5V = 8 مللي أمبير

عمر البطارية = (السعة ، مللي أمبير * ساعة) / (الاستهلاك الحالي مللي أمبير) = 2500 مللي أمبير / 8 مللي أمبير = 312 ساعة.

لا تقل عن 300 ساعة. ها أنت ذا.

تفاصيل استخدام النظام هي أن البطاريات القلوية التجارية AA ، "بطاريات الأصابع" ، كانت الأنسب لدور البطارية الرئيسية ، ويمكن شراء أحد الأسباب الرئيسية لاختيار هذه البطارية من أي متجر في العالم.

تطوير دائرة الطاقة استشعار النموذج

لا يمكن تشغيل دائرة المستشعر مباشرة من البطارية. من الضروري تطوير دائرة كهربائية لتشكيل الفولتية اللازمة للإلكترونيات.

للقيام بذلك ، نحتاج إلى تحديد الفولتية المدخلات والمخرجات للدائرة والطاقة المطلوبة (الاستهلاك الحالي).

تحديد الفولتية الإخراج بسيط:

• لتشغيل وحدة التحكم والأطراف بأكملها من المستشعر ، يلزم جهد 3.3 فولت.
• لتشغيل مكبر للصوت RF للمودم اللاسلكي - 3.6V.

يمكننا أيضًا تقدير الاستهلاك الحالي المتوقع:

• لحافلة طاقة 3.3V شائعة ، في وضع الاستعداد ، حوالي 4-6 مللي أمبير.

تحديد الجهد عند مدخل الدائرة هو أيضا ليست صعبة. البطارية الرئيسية هي "بطارية الأصابع" القلوية:

• مساهمة الجهد من 1 إلى 1.5V.

يبدو أنه نجح ، لكن هناك فروق دقيقة:

• الاستهلاك الحالي للمودم اللاسلكي أثناء الإرسال مرتفع. "البطارية" المصروفة ليست قادرة على توفير طاقة كبيرة على الفور. سوف "تهدأ" الجهد ، بسبب المقاومة الداخلية الكبيرة ، سيتم إيقاف تشغيل الجهاز. نحتاج إلى محرك يخزن الطاقة ببطء إلى أن يحدث انتقال على الهواء. وخلال انتقال يوفر الطاقة اللازمة.
• لا يتم استخدام حجم بطاريات AA في "البطاريات" القلوية فقط. بطاريات هيدريد النيكل المعدنية وبطاريات كلوريد الليثيوم ثيونيل صفط متوفرة بنفس الحجم. وحتى بطاريات Li-Ion بحجم 14500 ، وهو ما يتوافق مع حجم AA. هذا التنوع يزيد من نطاق مساهمة الجهد. تتميز بطارية Li-Ion المشحونة بالكامل بجهد خرج يصل إلى 4.2V.

من أجل أن يكون نظام الطاقة عالميًا تمامًا ، يجب أن يظل قابلاً للتشغيل في نطاق جهد الدخل من 1 إلى 4.2 فولت.

فارق بسيط يجلب مضاعفات خطيرة للمخطط. يمكن أن يكون جهد الدخل إما أقل من جهد الخرج أو أعلى ، ويجب أن تكون الدائرة قادرة على زيادة الجهد وتخفيضه. لم أتمكن من العثور على دائرة كهربائية صغيرة مناسبة يمكن أن تخفض وتزيد من الجهد في وقت واحد ، بسبب الجهد المنخفض للغاية للإدخال من 1 فولت. قمت بتطوير دائرة زادت من جهد الدخل إلى مستوى متوسط ​​5V ، ثم خفضته إلى الجهد المطلوب البالغ 3.3V.

يوفر فولت التيار الكهربائي بجهد 3.3 فولت جميع عناصر الدائرة ومحول متخصص يشحن المكثف الفائق بجهد 4 فولت. يوفر المكثف تخزينًا للطاقة ويوفر الطاقة لجهاز الإرسال اللاسلكي باستخدام محول زيادة الضغط.

مع نظام الطاقة هذا ، تم تجميع أجهزة استشعار النموذج الأولي. وقد وضعت مبرمج البرمجيات لأجهزة الاستشعار. بعد تصحيح الأخطاء المطول وعدد من التحسينات ، تم الحصول على عينات الجهاز الأولى. بدأت الاختبارات.

كان وقت التشغيل المستمر للجهاز من بطارية AA DuraCell TurboMAX 33 ساعة. من "البطاريات الفائقة" ، الليثيوم "Energizer Ultimate Lithium" - 55 ساعة. بالنسبة للبطارية القلوية التقليدية ، كان عمر البطارية أقل 10 مرات من الوقت المطلوب.

الانتقال إلى بطاريتين AA

كان عمر البطارية ضروريًا لزيادة. أسهل طريقة هي زيادة عدد البطاريات. تم وضع متطلبات الوزن والأبعاد بشكل صارم ، لذلك كان من الممكن زيادة عدد العناصر فقط حتى 2 جهاز كمبيوتر.

لقد أدت الزيادة في عدد البطاريات إلى تغيير متطلبات دائرة الطاقة. يتم توصيل البطاريات بشكل متسلسل ، مما يعني أن جهد الدخل يتضاعف. كان 1V - 4.2V ، أصبح 2V - 8.4V.

يتم تحديد الحد الأقصى المسموح به من الجهد عند إدخال دائرة الطاقة المتقدمة من قبل محول الإدخال وهو 5.5V. هذا يعني أن دائرة الطاقة ليست مناسبة للمستشعر أو أنه من الضروري الحد من نطاق البطاريات القابلة للتطبيق. أخذنا المسار الثاني - بطاريات Li-Ion المهجورة وبطاريات كلوريد الليثيوم - thionyl الليفتية. لم يكن من الممكن إعادة تصميم نظام الطاقة بسرعة.

أظهر قياس وقت تشغيل المستشعرات من بطاريتين دون تغيير دائرة الطاقة النتائج التالية:

• من بطاريتين "Energizer Ultimate Lithium" ، عملت الأجهزة نفسها لمدة 120 ساعة تقريبًا.
• من بطاريتين ، كان وقت تشغيل AA "DuraCell TurboMAX" حوالي 70 ساعة.

زاد وقت التشغيل المستمر بنسبة 2 مرات ، لكنه كان غير مرضٍ.

كانت الخطوة التالية لزيادة عمر البطارية هي تحسين كفاءة دائرة الطاقة.

قياس كفاءة المحولات والكفاءة الكلية لدائرة الطاقة

كجزء من العمل على تحسين دائرة الطاقة ، قمت بإجراء عدد من الدراسات حول المحولات التي بنيت عليها الدائرة.

تحويل دفعة المدخلات

يعتمد محول التعزيز على الدائرة الكهروضوئية LTC3422EDD Linear ، في الإصدار الأولي ، قام المحول بتوليد جهد خرج 5V:

بالنسبة للمحول الذي يعتمد على LTC3422EDD ، قمت بقياس اعتماد الكفاءة على الحمل الحالي للمحول عند فولطية إمداد المحول 1.5 فولت و 3.0 فولت ، لجهد خرج يبلغ 3.3 فولت و 5 فولت:

اعتماد كفاءة المحول على جهد الدخل عند الحمل الثابت ، P = 50mW ، نموذجي لوضع تشغيل المستشعر ، مع الجهد الناتج من المحول 3.3V و 5 V:

تشير دراسة كفاءة محول التعزيز إلى أن استخدام بطاريتين وانخفاض في الجهد الناتج للمحول إلى 3.3 فولت يؤدي إلى زيادة في كفاءة المحول بنسبة تصل إلى 20٪ لاستهلاك طاقة نموذجي يبلغ 50 ميجاوات. عند استخدام بطارية واحدة وفولطية إخراج تبلغ 5 فولت ، تبلغ الكفاءة حوالي 70٪ (الرسم البياني الأحمر في الشكل 1. ، يتراوح خرج التيار من 5 إلى 14 مللي أمبير). عند استخدام بطاريتين وتقليل جهد الخرج إلى 3.3 فولت ، تصل الكفاءة إلى 89٪ (الرسم البياني الأزرق في الشكل 2. ، تيار الخرج من 5 إلى 19 مللي أمبير).

يمكنك أيضًا توقع تحسين الكفاءة على نطاق البطاريات بالكامل. بالنسبة لبطارية واحدة ، يتراوح نطاق جهد التشغيل من 0.9 إلى 1.5 فولت. أفضل كفاءة لبطارية جديدة ، وفقا للرسم البياني للتين. 3 هو 69 ٪. في حين أن أسوأ قيمة للكفاءة ، عند استخدام بطاريتين مفرغتين بجهد متبقي يبلغ 1.1 فولت + 1.1 فولت = 2.2 فولت ، ستكون على الرسم البياني في الشكل. 3 حوالي 79 ٪. بالنسبة لمجموعة من البطاريات الجديدة ، تصل الكفاءة المتوقعة إلى 84٪.

تزيد سعة تحميل المحول أيضًا عند استخدام بطاريتين. بالنسبة للبطارية الواحدة ، تنخفض الكفاءة بشكل كبير عندما يزيد الاستهلاك الحالي عن 20 مللي أمبير ، بينما يحتفظ المحول عند استخدام بطاريتين بقيمة عالية من الكفاءة عند حمل يبلغ أكثر من 100 مللي أمبير.

يؤدي تقليل الجهد الناتج لمحول التعزيز إلى 3.3 فولت إلى زيادة وقت التشغيل المستمر بنسبة 20٪ ، بسبب زيادة كفاءة المحول.

يؤدي تقليل الجهد الناتج أيضًا إلى زيادة سعة تحميل المحول.

أيضًا ، قدرت اعتماد الكفاءة على الحمل الحالي للمحول عند خفض جهد الخرج إلى 3.3 فولت:

عند استخدام بطاريتين وتقليل جهد الخرج إلى 3.3 فولت ، لا يتم تحقيق زيادة في الكفاءة فحسب ، بل أيضًا زيادة في سعة تحميل المحول بأكثر من مرتين.

3.3V باك المحول

يعتمد محول باك على رقاقة LTC3406 Linear. في الإصدار الأولي ، تولد المحول جهد 3.3 فولت من جهد متوسط ​​يبلغ 5 فولت عند الخرج:

لمحول يعتمد على LTC3406 ، قمت بقياس اعتماد الكفاءة على الحمل الحالي
في مساهمة الجهد من 5V.

أظهر تقييم كفاءة المحول ، الذي يشكل فولطية إمداد 3.3 فولت ، قيمة حوالي 70٪ عند تيار استهلاك يبلغ 50 ميغاواط مميزًا للوضع الرئيسي للتشغيل.

تقييم الكفاءة الكلية لدائرة الطاقة

للتنفيذ الأولي لدائرة الطاقة ، يتم الحصول على تقدير للكفاءة من خلال ضرب كفاءة محول التعزيز وكفاءة المحول 3.3V.

إذا كنت تستخدم بطاريتين ، قم بتخفيض جهد إخراج محول التعزيز إلى 3.3 فولت واستبعد المحول الذي شكل 3.3 فولت من قبل ، فإن كفاءة دائرة الطاقة ستكون مساوية لكفاءة محول التعزيز:

** نحصل على الإجراءات اللازمة لتحسين المخطط:

• استخدام 2 البطاريات.
• تحويل دفعة المحول إلى 3.3V الناتج الجهد.
• استبعاد محول باك. **

مخطط الطاقة الأمثل

بناءً على نتائج البحث ، قمت بتطوير نظام طاقة مستشعر مبسط ولكنه أكثر أمثل:

يتم توصيل بطاريتين متصلتين في سلسلة بمحول تعزيز ، والذي يولد جهد تزويد 3.3 فولت لتشغيل الإلكترونيات الكاملة للجهاز. يقوم المحول المتخصص بشحن supercapacitor ، والذي يتم من خلاله تغذية مضخم الترددات اللاسلكية أثناء النقل عبر الهواء عبر محول باك باك.

زاد وقت التشغيل المستمر للجهاز بأكثر من 2.5 مرة ووصل إلى عمر بطارية مقبول يبلغ 120 ساعة من "بطاريات الأصابع" العادية. عند استخدام بطاريات الليثيوم ، وصل عمر بطارية "Energizer Ultimate Lithium" إلى 200 ساعة.

نتائج التحسين

في تجربتي ، تعد دارة الطاقة للأجهزة العاملة بشكل مستقل حلاً وسطًا بين الوظيفة المطلوبة وعمر البطارية. كنت قادرا على زيادة عمر البطارية 4 مرات من خلال رفض العالمية. استبعدنا البطاريات باهظة الثمن ونادرة. في الوقت نفسه ، احتفظنا بالشرط الذي اعتبرناه مهمًا - نحن نستخدم البطاريات "من المتجر". للحصول على عمر أطول للبطارية ، يمكنك استخدام بطاريات تجارية أكثر ندرة ومكلفة ، ولكن لا يزال من السهل الوصول إليها.

يعد تطوير الأجهزة الفريدة دائمًا بمثابة تقييم للعديد من خيارات التنفيذ. المهمة الأساسية للمهندس هي إيجاد حل وسط بين الوظيفة الكاملة والتكلفة والموثوقية وتعقيد التنفيذ الفني.