So erhöhen Sie die Laufzeit von Geräten mit eigener Stromversorgung um das Vierfache

Die Geschichte, wie wir den Stromkreis autonomer Sensoren zum Sammeln, Verarbeiten und Übertragen von Informationen optimiert haben. Sie haben die Kosten für Elektronik und das Gewicht des Sensors gesenkt und seine Gesamtabmessungen leicht erhöht.

Der Artikel beschreibt die Entwicklung des Stromkreises autonomer Sensoren zum Sammeln und Verarbeiten von Informationen. Ich werde versuchen, kurz über alle Phasen der Verbesserung der Schaltung zu sprechen. Ich beginne die Geschichte mit der Entwicklung eines Prototyps, der alle Anforderungen mit Ausnahme des Hauptprototyps erfüllt. Ich werde über den Versuch sprechen, die Schaltung mit minimalem Aufwand an die Anforderungen anzupassen, indem einfach die Anzahl der Batterien erhöht wird. Ich werde die Suche und Analyse der Gründe für die Nichtübereinstimmung der Schaltungsparameter beschreiben. Im letzten Teil werde ich vorher und nachher ein optimiertes Schema und einen Vergleich geben.

Ich hoffe, meine Erfahrung ist nützlich bei der Entwicklung von Geräten mit eigener Stromversorgung.

Ich arbeite für Uniscan Research. Wir machen Hightech-Geräte zu einem Serienprodukt. Dieser Artikel beschreibt den Prozess der Optimierung des Stromversorgungssystems von eigenständigen Geräten, die im Rahmen eines unserer Projekte entwickelt wurden.

Für eines der großen Projekte mussten wir ein System zum Sammeln und Verarbeiten von Informationen entwickeln, das aus kleinen Sensoren mit autonomer Stromversorgung besteht und die gesammelten Daten drahtlos an die Bedienerkonsole überträgt.

Die wichtigsten Anforderungen an das in der Entwicklung befindliche System sind Mindestgewicht, Mindestelementgrößen, einfache und schnelle Installation am Boden, hohe Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit der Datenübertragung, verfügbare Batterien und die Möglichkeit, diese auszutauschen.

Anfänglicher Strombedarf

Eine der Hauptanforderungen ist die Batterielebensdauer im Bereich von 240 Stunden, so dass die Batterien so wenig wie möglich ausgetauscht werden müssen.

Eine grobe Schätzung des Stromverbrauchs wurde auf der Grundlage von Daten zum Verbrauch anderer eigenständiger Geräte durchgeführt. Ein Gerät, das 240 Stunden lang mit einer einzigen AA-Batterie betrieben wurde, schien durchaus machbar.

Ich habe die erste Bewertung wie folgt durchgeführt:

1. Lassen Sie uns die Kapazität kommerzieller „Batterien“ bewerten. Wir verwenden die Daten von gewissenhaften Forschern. Die Grafiken zeigen die effektive Kapazität von Batterien, wenn sie durch unterschiedliche Ströme entladen werden. Blaue Säulen - Die Kapazität der Batterien beim Entladen ist bei den durchgeführten Tests bei einem Strom von 200 mA minimal. Die Kapazität der durchschnittlichen "Batterie" wird auf 2500 mAh bei einem Entladestrom von 200 mA geschätzt.
   
   
   
2. Wir schätzen den Stromverbrauch eines ähnlichen Geräts. Es gibt ein Gerät, das etwa 1 mA von 12 V verbraucht, was 12 mW entspricht.
3. Wir berechnen die Akkulaufzeit des Geräts. Die Kapazität der "Batterie" wurde auf 2500 mAh geschätzt, die Nennspannung beträgt 1,5V, daher kann die Betriebszeit bei einem Verbrauch von 12 mW berechnet werden:

Verbrauchsstrom = (Stromverbrauch) / (Nennspannung) = 12 mW / 1,5 V = 8 mA

Batterielebensdauer = (Kapazität, mA * h) / (Stromaufnahme mA) = 2500 mA / 8 mA = 312 Stunden.

Nicht weniger als 300 Stunden. So.

Die Besonderheiten der Verwendung des Systems sind, dass handelsübliche AA-Alkalibatterien, „Finger-Batterien“, am besten für die Rolle der Hauptbatterie geeignet sind. Einer der Hauptgründe für die Wahl dieser Batterie kann in jedem Geschäft der Welt gekauft werden.

Entwicklung eines Prototyps eines Sensorstromkreises

Es ist nicht möglich, den Sensorkreis direkt über die Batterie mit Strom zu versorgen. Es ist notwendig, einen Stromkreis zu entwickeln, um die notwendigen Spannungen für die Elektronik zu bilden.

Dazu müssen wir die Eingangs- und Ausgangsspannungen der Schaltung und die erforderliche Leistung (Stromaufnahme) ermitteln.

Die Bestimmung der Ausgangsspannungen ist einfach:

• Zur Stromversorgung des Controllers und der gesamten Peripherie des Sensors ist eine Spannung von 3,3 V erforderlich.
• Zur Stromversorgung des HF-Verstärkers des Funkmodems - 3,6 V.

Wir können auch den erwarteten Stromverbrauch schätzen:

• Für einen üblichen 3,3-V-Energiebus im Standby-Modus ca. 4-6 mA.

Das Bestimmen der Spannung am Eingang der Schaltung ist ebenfalls nicht schwierig. Die Hauptbatterie ist eine alkalische "Fingerbatterie":

• Eingangsspannung von 1 bis 1,5V.

Es scheint geklappt zu haben, aber es gibt Nuancen:

• Der Stromverbrauch des Funkmodems während der Übertragung ist hoch. Eine entladene „Batterie“ kann nicht sofort erhebliche Leistung liefern. Die Spannung wird nachlassen, aufgrund des großen Innenwiderstands wird das Gerät ausgeschaltet. Wir brauchen einen Antrieb, der langsam Energie speichert, bis eine Übertragung über die Luft erfolgt. Und liefert während der Übertragung die notwendige Leistung.
• Die Größe von AA-Batterien wird nicht nur für alkalische "Batterien" verwendet. Nickel-Metallhydrid-Batterien und Saft-Lithium-Thionylchlorid-Batterien sind in derselben Größe erhältlich. Und sogar Li-Ion-Akkus der Größe 14500, was der Größe von AA entspricht. Diese Variante erhöht den Eingangsspannungsbereich. Ein voll aufgeladener Li-Ion-Akku hat eine Ausgangsspannung von bis zu 4,2V.

Damit das Stromnetz vollständig universell ist, muss es im Eingangsspannungsbereich von 1 bis 4,2 V funktionsfähig bleiben.

Eine kleine Nuance bringt schwerwiegende Komplikationen mit sich. Die Eingangsspannung kann entweder niedriger als die Ausgangsspannung oder höher sein, die Schaltung muss in der Lage sein, die Spannung zu erhöhen und zu senken. Aufgrund der sehr niedrigen Eingangsspannung von 1 V konnte ich keine geeignete Mikroschaltung finden, die gleichzeitig die Spannung senken und erhöhen konnte. Ich entwickelte eine Schaltung, die die Eingangsspannung auf einen Zwischenpegel von 5 V erhöhte und dann auf die erforderliche Spannung von 3,3 V senkte.

Die Versorgungsspannung von 3,3 V versorgt alle Elemente der Schaltung und einen speziellen Wandler, der den Superkondensator auf eine Spannung von 4 V auflädt. Der Kondensator liefert einen Energiespeicher und versorgt den Funksender über einen Buck-Boost-Wandler mit Strom.

Mit diesem Leistungsschema wurden Prototypsensoren zusammengebaut. Der Programmierer hat eine Software für Sensoren entwickelt. Nach langem Debuggen und einer Reihe von Verbesserungen wurden die ersten Geräteproben erhalten. Die Tests begannen.

Die Dauerbetriebszeit des Geräts mit einer AA DuraCell TurboMAX-Batterie betrug 33 Stunden. Von "Super-Batterien", Lithium "Energizer Ultimate Lithium" - 55 Stunden. Bei einer herkömmlichen Alkalibatterie war die Lebensdauer zehnmal kürzer als erforderlich.

Übergang zu zwei AA-Batterien

Die Akkulaufzeit war notwendig, um zu erhöhen. Am einfachsten ist es, die Anzahl der Batterien zu erhöhen. Die Anforderungen an Gewicht und Abmessungen wurden starr gestellt, so dass die Anzahl der Elemente nur auf 2 Stück erhöht werden konnte.

Die Zunahme der Anzahl der Batterien hat die Anforderungen an den Stromkreis verändert. Die Batterien sind in Reihe geschaltet, was bedeutet, dass sich die Eingangsspannung verdoppelt. Es war 1V - 4,2V, es wurde 2V - 8,4V.

Die maximal zulässige Spannung am Eingang des entwickelten Stromkreises wird vom Eingangswandler bestimmt und beträgt 5,5 V. Dies bedeutet, dass der Stromkreis nicht für den Sensor geeignet ist oder der Bereich der anwendbaren Batterien begrenzt werden muss. Wir gingen den zweiten Weg - verlassene Li-Ionen-Batterien und Saft-Lithium-Thionylchlorid-Batterien. Es war nicht möglich, das Stromversorgungsschema schnell neu zu gestalten.

Die Messung der Betriebszeit der Sensoren aus zwei Batterien ohne Änderung des Stromkreises ergab folgende Ergebnisse:

• Mit 2 Batterien "Energizer Ultimate Lithium" arbeiteten die gleichen Geräte etwa 120 Stunden.
• Ab 2 Batterien betrug die Betriebszeit von AA „DuraCell TurboMAX“ ca. 70 Stunden.

Die Dauerbetriebszeit erhöhte sich um das Zweifache, war aber immer noch unbefriedigend.

Der nächste Schritt zur Verlängerung der Batterielebensdauer war die Optimierung der Effizienz des Stromkreises.

Messung des Wirkungsgrades von Wandlern und des Gesamtwirkungsgrades des Stromkreises

Im Rahmen der Arbeit zur Optimierung des Stromkreises habe ich eine Reihe von Studien zu den Wandlern durchgeführt, auf denen der Stromkreis aufgebaut ist.

Eingangsverstärkungswandler

Der Aufwärtswandler basiert auf der linearen Mikroschaltung LTC3422EDD. In der ursprünglichen Version erzeugte der Wandler eine Ausgangsspannung von 5 V:

Für einen auf LTC3422EDD basierenden Wandler habe ich die Abhängigkeiten des Wirkungsgrads vom Laststrom des Wandlers bei einer Wandlerversorgungsspannung von 1,5 V und 3,0 V für Ausgangsspannungen von 3,3 V und 5 V gemessen:

Die Abhängigkeit des Wirkungsgrades des Umrichters von der Eingangsspannung bei konstanter Last, P = 50 mW, typisch für die Betriebsart des Sensors, mit der Ausgangsspannung des Umrichters 3,3 V und 5 V:

Die Untersuchung des Wirkungsgrads des Aufwärtswandlers zeigt, dass die Verwendung von zwei Batterien und eine Verringerung der Ausgangsspannung des Wandlers auf 3,3 V bei einem typischen Stromverbrauch von 50 mW zu einer Erhöhung des Wirkungsgrads des Umrichters um bis zu 20% führt. Bei Verwendung von 1 Batterie und einer Ausgangsspannung von 5 V beträgt der Wirkungsgrad etwa 70% (rote Grafik in Abb. 1, der Ausgangsstrom beträgt 5 bis 14 mA). Bei Verwendung von 2 Batterien und Reduzierung der Ausgangsspannung auf 3,3 V erreicht der Wirkungsgrad 89% (blaue Grafik in Abb. 2, der Ausgangsstrom liegt zwischen 5 und 19 mA).

Sie können auch eine verbesserte Effizienz über die gesamte Palette von Batterien erwarten. Für eine Batterie beträgt der Betriebsspannungsbereich 0,9-1,5 V. Der beste Wirkungsgrad für eine frische Batterie gemäß der Grafik in Abb. 3 ist 69%. Während der schlechteste Wirkungsgrad bei Verwendung von zwei entladenen Batterien mit einer Restspannung von 1,1 V + 1,1 V = 2,2 V in der Grafik von Abb. 3 etwa 79%. Für einen Satz frischer Batterien liegt der erwartete Wirkungsgrad bei bis zu 84%.

Die Ladekapazität des Konverters erhöht sich auch bei Verwendung von 2 Batterien. Bei einer Batterie sinkt der Wirkungsgrad erheblich, wenn der Stromverbrauch mehr als 20 mA beträgt, während bei Verwendung von 2 Batterien der Wandler bei einem Laststrom von mehr als 100 mA einen hohen Wirkungsgrad beibehält.

Durch Verringern der Ausgangsspannung des Aufwärtswandlers auf 3,3 V wird die Dauerbetriebszeit aufgrund einer Erhöhung des Wirkungsgrads des Wandlers um 20% erhöht.

Das Reduzieren der Ausgangsspannung erhöht auch die Lastkapazität des Wandlers.

Außerdem habe ich die Abhängigkeit des Wirkungsgrads vom Laststrom des Wandlers geschätzt, wenn die Ausgangsspannung auf 3,3 V reduziert wird:

Bei Verwendung von 2 Batterien und Reduzierung der Ausgangsspannung auf 3,3 V wird nicht nur eine Effizienzsteigerung erzielt, sondern auch eine Erhöhung der Lastkapazität des Umrichters um mehr als das Zweifache.

3,3 V Abwärtswandler

Der Tiefsetzsteller basiert auf dem linearen Chip LTC3406. In der ersten Version erzeugte der Wandler eine Spannung von 3,3 V aus einer Zwischenspannung von 5 V am Ausgang:

Für einen auf LTC3406 basierenden Wandler habe ich die Abhängigkeit des Wirkungsgrads vom Laststrom gemessen
bei einer Eingangsspannung von 5V.

Die Bewertung des Wirkungsgrades des Wandlers bei einer Versorgungsspannung von 3,3 V ergab einen Wert von ca. 70% bei einem für die Hauptbetriebsart typischen Verbrauchsstrom von 50 mW.

Bewertung des Gesamtwirkungsgrades des Stromkreises

Für die anfängliche Ausführung des Stromkreises wird eine Schätzung des Wirkungsgrads erhalten, indem der Wirkungsgrad des Aufwärtswandlers mit dem Wirkungsgrad des 3,3-V-Wandlers multipliziert wird.

Wenn Sie 2 Batterien verwenden, reduzieren Sie die Ausgangsspannung des Aufwärtswandlers auf 3,3 V und schließen Sie den Umrichter aus, der zuvor 3,3 V gebildet hat. Der Wirkungsgrad des Stromkreises entspricht dem Wirkungsgrad des Aufwärtswandlers:

** Wir erhalten die notwendigen Maßnahmen zur Optimierung des Schemas:

• Verwenden Sie 2 Batterien.
• Wandeln Sie den Aufwärtswandler in eine Ausgangsspannung von 3,3 V um.
• Buck-Konverter ausschließen. **

Optimiertes Leistungsschema

Basierend auf den Forschungsergebnissen habe ich ein vereinfachtes, aber optimaleres Sensorleistungsschema entwickelt:

Zwei in Reihe geschaltete Batterien sind mit einem Aufwärtswandler verbunden, der eine Versorgungsspannung von 3,3 V erzeugt, um die gesamte Elektronik des Geräts mit Strom zu versorgen. Ein spezieller Wandler lädt den Superkondensator auf, von dem der HF-Verstärker während der Übertragung über Luft über den Buck-Boost-Wandler gespeist wird.

Die Dauerbetriebszeit des Geräts hat sich um mehr als das 2,5-fache erhöht und eine akzeptable Batterielebensdauer von 120 Stunden gegenüber normalen „Finger-Batterien“ erreicht. Bei Verwendung von Lithiumbatterien erreichte die Batterielebensdauer "Energizer Ultimate Lithium" 200 Stunden.

Optimierungsergebnisse

Nach meiner Erfahrung ist der Stromkreis autonom arbeitender Geräte immer ein Kompromiss zwischen der erforderlichen Funktionalität und der Akkulaufzeit. Durch die Ablehnung der Universalität konnte ich die Batterielebensdauer viermal verlängern. Wir haben teure und seltene Batterien ausgeschlossen. Gleichzeitig haben wir die Anforderung beibehalten, die wir für wichtig hielten - die Batterien werden „aus dem Laden“ verwendet. Um die Batterielebensdauer zu verlängern, können Sie seltenere und teurere, aber dennoch leicht zugängliche handelsübliche Batterien verwenden.

Die Entwicklung einzigartiger Geräte ist immer eine Bewertung vieler Implementierungsoptionen. Einen Kompromiss zwischen der vollen Funktionalität, den Kosten, der Zuverlässigkeit und der Komplexität der technischen Implementierung zu finden, ist die Hauptaufgabe des Ingenieurs.