स्व-संचालित वाले उपकरणों के रनटाइम को 4 गुना कैसे बढ़ाएं

जानकारी इकट्ठा करने, प्रसंस्करण और संचारण के लिए हमने स्वायत्त सेंसर के पावर सर्किट को कैसे अनुकूलित किया, इसकी कहानी। उन्होंने इलेक्ट्रॉनिक्स की लागत में कमी हासिल की, सेंसर का वजन और इसके समग्र आयामों को थोड़ा बढ़ाया।

लेख जानकारी एकत्र करने और प्रसंस्करण के लिए स्वायत्त सेंसर के पावर सर्किट के विकास का वर्णन करता है। मैं सर्किट में सुधार के सभी चरणों के बारे में संक्षेप में बात करने की कोशिश करूंगा। मैं एक प्रोटोटाइप विकसित करके कहानी शुरू करता हूँ जो मुख्य को छोड़कर सभी आवश्यकताओं को पूरा करता है। मैं केवल बैटरी की संख्या बढ़ाकर, न्यूनतम प्रयास के साथ सर्किट को लाने की कोशिश कर रहा हूं। मैं सर्किट मापदंडों के बेमेल के कारणों की खोज और विश्लेषण का वर्णन करूंगा। अंतिम भाग में, मैं पहले और बाद में एक अनुकूलित योजना और तुलना दूंगा।

मुझे आशा है कि स्व-चालित उपकरणों को विकसित करते समय मेरा अनुभव काम आता है।

मैं अनस्किन रिसर्च के लिए काम करता हूं। हम उच्च तकनीक वाले उपकरणों को एक सीरियल उत्पाद बनाते हैं। यह लेख हमारी परियोजनाओं में से एक के भाग के रूप में विकसित स्टैंड-अलोन उपकरणों की शक्ति प्रणाली के अनुकूलन की प्रक्रिया का वर्णन है।

प्रमुख परियोजनाओं में से एक के लिए, हमें जानकारी एकत्र करने और प्रसंस्करण के लिए एक प्रणाली विकसित करने की आवश्यकता है, जिसमें स्वायत्त बिजली की आपूर्ति के साथ छोटे सेंसर शामिल हों, एकत्र किए गए डेटा को हवा पर ऑपरेटर के कंसोल में संचारित करना।

विकास के तहत प्रणाली के लिए मुख्य आवश्यकताएं न्यूनतम वजन, न्यूनतम तत्व आकार, जमीन पर सरल और त्वरित स्थापना, डेटा वितरण की उच्च गति और विश्वसनीयता, उपलब्ध बैटरी और उन्हें बदलने की संभावना है।

प्रारंभिक बिजली आवश्यकताएँ

मुख्य आवश्यकताओं में से एक 240 घंटे के क्षेत्र में बैटरी जीवन है, ताकि बैटरी को बदलने के लिए जितना संभव हो उतना कम हो।

बिजली की खपत का एक मोटा अनुमान अन्य स्टैंड-अलोन उपकरणों की खपत के आंकड़ों के आधार पर किया गया था। 240 घंटे के लिए एकल AA बैटरी पर चलने वाला एक उपकरण काफी संभव था।

मैंने प्रारंभिक मूल्यांकन इस प्रकार किया:

1. आइए वाणिज्यिक "बैटरी" की क्षमता का मूल्यांकन करें। हम कर्तव्यनिष्ठ शोधकर्ताओं के डेटा का उपयोग करते हैं । विभिन्न धाराओं द्वारा डिस्चार्ज होने पर ग्राफ बैटरी का प्रभावी समाई दिखाते हैं। नीले कॉलम - 200 एमए की धारा के साथ, परीक्षण में, निर्वहन करते समय बैटरी की क्षमता न्यूनतम होती है। औसत "बैटरी" की क्षमता 200 एमएएच के निर्वहन वर्तमान के लिए 2500 एमएएच के रूप में अनुमानित है।
   
   
   
2. हम एक समान डिवाइस की बिजली खपत का अनुमान लगाते हैं। एक उपकरण है जो 12V से लगभग 1 mA की खपत करता है, जो कि 12mW है।
3. हम डिवाइस के बैटरी जीवन की गणना करते हैं। "बैटरी" की क्षमता 2500 mAh के रूप में अनुमानित की गई थी, नाममात्र वोल्टेज 1.5V है, इस प्रकार, 12 mW की खपत के साथ परिचालन समय की गणना की जा सकती है:

खपत वर्तमान = (बिजली की खपत) / (रेटेड वोल्टेज) = 12mW / 1.5V = 8 mA

बैटरी जीवन = (क्षमता, mA * h) / (वर्तमान खपत mA) = 2500 mA / 8mA = 312 घंटे।

300 घंटे से कम नहीं। वहां तुम जाओ।

सिस्टम का उपयोग करने की बारीकियां ऐसी हैं कि मुख्य बैटरी की भूमिका के लिए वाणिज्यिक एए क्षारीय बैटरी, "उंगली बैटरी" सबसे उपयुक्त थे, इस बैटरी को चुनने के मुख्य कारणों में से एक दुनिया में किसी भी दुकान पर खरीदा जा सकता है।

एक प्रोटोटाइप सेंसर पावर सर्किट का विकास

सेंसर सर्किट को सीधे बैटरी से पावर देना संभव नहीं है। इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए आवश्यक वोल्टेज बनाने के लिए एक पावर सर्किट विकसित करना आवश्यक है।

ऐसा करने के लिए, हमें सर्किट के इनपुट और आउटपुट वोल्टेज और आवश्यक शक्ति (वर्तमान खपत) को निर्धारित करने की आवश्यकता है।

आउटपुट वोल्टेज का निर्धारण सरल है:

• नियंत्रक और सेंसर की संपूर्ण परिधि को बिजली देने के लिए, 3.3V के एक वोल्टेज की आवश्यकता होती है।
• रेडियो मॉडेम के आरएफ एम्पलीफायर को बिजली देने के लिए - 3.6 वी।

हम अनुमानित वर्तमान खपत का भी अनुमान लगा सकते हैं:

• एक सामान्य 3.3V पावर बस के लिए, स्टैंडबाय मोड में, लगभग 4-6 mA।

सर्किट के इनपुट पर वोल्टेज का निर्धारण करना भी मुश्किल नहीं है। मुख्य बैटरी एक क्षारीय "फिंगर बैटरी" है:

• 1 से 1.5V तक इनपुट वोल्टेज।

ऐसा लगता है कि काम किया है, लेकिन कुछ बारीकियां हैं:

• प्रसारण के दौरान रेडियो मॉडेम की वर्तमान खपत अधिक है। डिस्चार्ज की गई "बैटरी" महत्वपूर्ण शक्ति देने में तुरंत सक्षम नहीं है। इस पर वोल्टेज "कम" होगा, बड़े आंतरिक प्रतिरोध के कारण, डिवाइस बंद हो जाएगा। हमें एक ड्राइव की आवश्यकता होती है जो धीरे-धीरे ऊर्जा का भंडारण करती है जब तक कि हवा पर संचरण न हो। और संचरण के दौरान आवश्यक शक्ति प्रदान करता है।
• एए बैटरी का आकार न केवल क्षारीय "बैटरी" के लिए उपयोग किया जाता है। निकेल-मेटल हाइड्राइड बैटरी और सैफ्ट लिथियम-थियोनाइल क्लोराइड बैटरी एक ही आकार में उपलब्ध हैं। और यहां तक ​​कि आकार की ली-आयन बैटरी 14500, जो एए के आकार से मेल खाती है। यह विविधता इनपुट वोल्टेज श्रेणी को बढ़ाती है। पूरी तरह से चार्ज ली-आयन बैटरी में 4.2 वी तक का आउटपुट वोल्टेज है।

विद्युत प्रणाली पूरी तरह से सार्वभौमिक होने के लिए, इसे 1 से 4.2 वी तक इनपुट वोल्टेज रेंज में संचालित होना चाहिए।

एक छोटी सी बारीकियों से योजना को गंभीर जटिलताएं मिलती हैं। इनपुट वोल्टेज या तो आउटपुट वोल्टेज से कम या अधिक हो सकता है, सर्किट को वोल्टेज बढ़ाने और इसे कम करने में सक्षम होना चाहिए। मुझे एक उपयुक्त माइक्रोक्रेसीट नहीं मिला जो 1 वी के बहुत कम इनपुट वोल्टेज के कारण वोल्टेज को एक साथ कम और बढ़ा सकता है। मैंने एक सर्किट विकसित किया जो इनपुट वोल्टेज को 5V के मध्यवर्ती स्तर तक बढ़ाता है, और फिर इसे 3.3V के आवश्यक वोल्टेज तक कम कर देता है।

3.3V आपूर्ति वोल्टेज सर्किट के सभी तत्वों और एक विशेष कनवर्टर को 4V के वोल्टेज के लिए सुपरकैपेसिटर चार्ज करता है। संधारित्र ऊर्जा भंडारण प्रदान करता है और एक हिरन-बूस्टर कनवर्टर का उपयोग करके रेडियो ट्रांसमीटर को शक्ति प्रदान करता है।

इस शक्ति योजना के साथ, प्रोटोटाइप सेंसर इकट्ठे किए गए थे। प्रोग्रामर ने सेंसर के लिए सॉफ्टवेयर विकसित किया है। लंबी डिबगिंग और कई सुधारों के बाद, पहले डिवाइस के नमूने प्राप्त किए गए थे। परीक्षण शुरू हुए।

एक एए ड्यूरासेल टर्बोबैक्स बैटरी से डिवाइस का निरंतर संचालन समय 33 घंटे था। "सुपर बैटरी" से, लिथियम "एनर्जाइज़र अल्टीमेट लीथियम" - 55 घंटे। एक पारंपरिक क्षारीय बैटरी के लिए, जीवन का समय आवश्यकता से 10 गुना कम था।

दो एए बैटरी में संक्रमण

बैटरी जीवन को बढ़ाने के लिए आवश्यक था। सबसे आसान तरीका है बैटरी की संख्या बढ़ाना। वजन और आयामों की आवश्यकताओं को आगे कठोर रखा गया था, इसलिए केवल 2 पीसी तक तत्वों की संख्या में वृद्धि करना संभव था।

बैटरी की संख्या में वृद्धि ने पावर सर्किट के लिए आवश्यकताओं को बदल दिया है। बैटरी श्रृंखला में जुड़े हुए हैं, जिसका अर्थ है कि इनपुट वोल्टेज दोगुना हो जाता है। यह 1 वी - 4.2 वी था, यह 2 वी - 8.4 वी बन गया।

विकसित पावर सर्किट के इनपुट पर अधिकतम स्वीकार्य वोल्टेज इनपुट कनवर्टर द्वारा निर्धारित किया जाता है और 5.5 वी है। इसका मतलब है कि पावर सर्किट सेंसर के लिए उपयुक्त नहीं है या लागू बैटरी की सीमा को सीमित करने के लिए आवश्यक है। हमने दूसरा रास्ता लिया - ली-आयन बैटरी और सैफ्ट लिथियम-थियोनाइल क्लोराइड बैटरी को त्याग दिया। बिजली योजना को जल्दी से नया रूप देना संभव नहीं था।

पावर सर्किट को बदले बिना दो बैटरी से सेंसर के ऑपरेटिंग समय का मापन निम्न परिणाम दिखाता है:

• 2 बैटरी "एनर्जाइज़र अल्टीमेट लीथियम" से समान उपकरणों ने लगभग 120 घंटे काम किया।
• 2 बैटरियों से AA "DuraCell TurboMAX" ऑपरेटिंग समय लगभग 70 घंटे था।

निरंतर संचालन का समय 2 गुना बढ़ गया, लेकिन अभी भी असंतोषजनक था।

बैटरी जीवन को बढ़ाने के लिए अगला कदम पावर सर्किट की दक्षता का अनुकूलन करना था।

कन्वर्टर्स की दक्षता और पावर सर्किट की समग्र दक्षता को मापना

पावर सर्किट के अनुकूलन पर काम के हिस्से के रूप में, मैंने कन्वर्टर्स के कई अध्ययन किए, जिस पर सर्किट बनाया गया है।

इनपुट बूस्ट कनवर्टर

बूस्टर कनवर्टर LTC3422EDD रेखीय माइक्रोक्रेसीट पर आधारित है, प्रारंभिक संस्करण में कनवर्टर 5V आउटपुट स्क्रीन उत्पन्न करता है:

LTC3422EDD पर आधारित एक कनवर्टर के लिए, मैंने 3.3V और 5V के आउटपुट वोल्टेज के लिए 1.5V और 3.0V के कनवर्टर आपूर्ति वोल्टेज पर कनवर्टर के लोड वर्तमान पर दक्षता की निर्भरता को मापा:

निरंतर लोड पर इनपुट वोल्टेज पर कनवर्टर की दक्षता की निर्भरता, P = 50mW, सेंसर के ऑपरेटिंग मोड के लिए विशिष्ट, कनवर्टर 3.3V और 5V के आउटपुट वोल्टेज के साथ:

बूस्ट कनवर्टर की दक्षता के अध्ययन से पता चलता है कि दो बैटरी के उपयोग और कनवर्टर के 3.3V में वोल्टेज में कमी से कनवर्टर की दक्षता में 50 mW की एक सामान्य बिजली की खपत के लिए 20% तक की वृद्धि होती है। 1 वी और 5 वी के आउटपुट वोल्टेज का उपयोग करते समय, दक्षता लगभग 70% है (अंजीर में लाल ग्राफ। 1., आउटपुट वर्तमान 5 से 14 एमए है)। जब 2 बैटरी का उपयोग करते हैं और आउटपुट वोल्टेज को 3.3V तक कम करते हैं, तो दक्षता 89% (छवि 2. में नीला ग्राफ) तक पहुंच जाती है, आउटपुट वर्तमान 5 से 19 एमए है)।

आप बैटरी की पूरी रेंज में बेहतर दक्षता की उम्मीद कर सकते हैं। एक बैटरी के लिए, ऑपरेटिंग वोल्टेज रेंज 0.9-1.5V है। अंजीर के ग्राफ के अनुसार, एक ताजा बैटरी के लिए सबसे अच्छी दक्षता। 3 69% है। जबकि दक्षता का सबसे खराब मूल्य, 1.1V + 1.1V = 2.2V के अवशिष्ट वोल्टेज के साथ दो डिस्चार्ज बैटरी का उपयोग करते समय, अंजीर के ग्राफ पर होगा। 3 लगभग 79%। ताजा बैटरी के एक सेट के लिए, अपेक्षित दक्षता 84% तक है।

2 बैटरी का उपयोग करते समय कनवर्टर की भार क्षमता भी बढ़ जाती है। एक बैटरी के लिए, दक्षता तब कम हो जाती है जब वर्तमान खपत 20 mA से अधिक हो, जबकि 2 बैटरी का उपयोग करते समय कनवर्टर 100 mA से अधिक के लोड लोड पर दक्षता का उच्च मूल्य बनाए रखता है।

बूस्टर कनवर्टर के आउटपुट वोल्टेज को 3.3V तक कम करने से कनवर्टर की दक्षता में वृद्धि के कारण निरंतर संचालन समय 20% बढ़ जाता है।

आउटपुट वोल्टेज को कम करने से कनवर्टर की भार क्षमता भी बढ़ जाती है।

इसके अलावा, मैंने अनुमान लगाया कि जब आउटपुट वोल्टेज 3.3V तक कम हो जाता है, तो कनवर्टर के लोड वर्तमान पर दक्षता की निर्भरता:

2 बैटरी का उपयोग करते समय और आउटपुट वोल्टेज को 3.3V तक कम करने पर, न केवल दक्षता में वृद्धि हासिल की जाती है, बल्कि कनवर्टर की भार क्षमता में भी 2 गुना से अधिक की वृद्धि होती है।

3.3V हिरन कनवर्टर

हिरन कन्वर्टर LTC3406 रैखिक चिप पर आधारित है। प्रारंभिक संस्करण में, कनवर्टर ने आउटपुट पर 5 वी के मध्यवर्ती वोल्टेज से 3.3 V का वोल्टेज उत्पन्न किया:

LTC3406 पर आधारित एक कनवर्टर के लिए, मैंने लोड करंट पर दक्षता की निर्भरता को मापा
5V के इनपुट वोल्टेज पर।

कनवर्टर की दक्षता का मूल्यांकन, 3.3V की आपूर्ति वोल्टेज का गठन, ऑपरेशन के मुख्य मोड की 50 mW विशेषता की खपत वर्तमान में लगभग 70% का मान दिखाया।

पावर सर्किट की समग्र दक्षता का आकलन

पावर सर्किट के शुरुआती निष्पादन के लिए, दक्षता का एक अनुमान बूस्ट कनवर्टर की दक्षता और 3.3.1% कनवर्टर की दक्षता को गुणा करके प्राप्त किया जाता है।

यदि आप 2 बैटरी का उपयोग करते हैं, तो 3.3V को बढ़ावा देने वाले कनवर्टर के आउटपुट वोल्टेज को कम करें और 3.3V से पहले बने कनवर्टर को बाहर करें, पावर सर्किट की दक्षता बूस्टर कनवर्टर की दक्षता के बराबर होगी:

** योजना को अनुकूलित करने के लिए हमें आवश्यक कार्यवाही करनी चाहिए:

• 2 बैटरी का उपयोग करें।
• बूस्ट कन्वर्टर को 3.3V आउटपुट वोल्टेज में बदलें।
• हिरन कनवर्टर छोड़ दें। **

अनुकूलित बिजली योजना

अनुसंधान परिणामों के आधार पर, मैंने एक सरलीकृत, लेकिन अधिक इष्टतम सेंसर पावर योजना विकसित की:

श्रृंखला में जुड़ी दो बैटरी एक बढ़ावा कनवर्टर से जुड़ी हुई हैं, जो डिवाइस के पूरे इलेक्ट्रॉनिक्स को बिजली देने के लिए 3.3V आपूर्ति वोल्टेज उत्पन्न करती है। एक विशेष कनवर्टर सुपरकैपेसिटर को चार्ज करता है, जिसमें से हिरन-बूस्टर कनवर्टर के माध्यम से हवा पर संचरण के दौरान आरएफ एम्पलीफायर को खिलाया जाता है।

डिवाइस का निरंतर संचालन समय 2.5 गुना से अधिक बढ़ गया है और साधारण "उंगली बैटरी" से 120 घंटे की स्वीकार्य बैटरी जीवन तक पहुंच गया है। लिथियम बैटरी का उपयोग करते समय "एनर्जाइज़र अल्टिमेट लिथियम" बैटरी जीवन 200 घंटे तक पहुंच गया।

अनुकूलन परिणाम

मेरे अनुभव में, स्वायत्त रूप से काम करने वाले उपकरणों की शक्ति सर्किट हमेशा आवश्यक कार्यक्षमता और बैटरी जीवन के बीच एक समझौता है। मैं सार्वभौमिकता की अस्वीकृति के माध्यम से बैटरी जीवन को 4 गुना बढ़ाने में सक्षम था। हमने महंगी और दुर्लभ बैटरियों को खारिज कर दिया। उसी समय, हमने आवश्यकता को रखा, जिसे हमने महत्वपूर्ण माना - बैटरी का उपयोग "स्टोर से" किया जाता है। अधिक बैटरी जीवन प्राप्त करने के लिए, आप अधिक दुर्लभ और महंगी का उपयोग कर सकते हैं, लेकिन फिर भी आसानी से सुलभ, वाणिज्यिक बैटरी।

अद्वितीय उपकरणों का विकास हमेशा कई कार्यान्वयन विकल्पों का आकलन होता है। पूर्ण कार्यक्षमता, लागत, विश्वसनीयता और तकनीकी कार्यान्वयन की जटिलता के बीच एक समझौता खोजने के लिए इंजीनियर का मुख्य कार्य है।