La forma menos costosa de aumentar el voltaje de CC

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¿Cuál sería la forma menos costosa de aumentar un voltaje de CC?

El objetivo es convertir 1.2 V / 1.5 V (de una celda AA / AAA) a 3.3 V para alimentar un pequeño microprocesador de 8 bits, como Atmel ATtiny45 o ATtiny2313, y también (si es posible) 6 V para alimentar un zumbador.

Además, ¿cuál sería la corriente máxima que se podría extraer de forma segura de una batería alcalina, después de aumentarla a 3.3 V / 6 V?

Finalmente, ¿cómo podría calcular la duración que duraría la batería alcalina, dado un cierto consumo?

— icarus74
fuente

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Probablemente encuentre algunas de las respuestas en una hoja de datos para la batería alcalina. Para una introducción a los convertidores DC-DC, puede consultar aquí: eevblog.com/2011/01/17/…

— 0x6d64

Parece que el attiny45 puede bajar al rango de 1.8-2V y, dependiendo de su aplicación, puede suspenderlo en un modo de baja potencia a veces para ahorrar algo de batería. Hay chips PIC y TI MSP430 baratos y pequeños en el rango inicial que ofrecen extraños pequeños consumos de energía.

— rfusca el

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Tal vez me falta algo obvio, pero la solución más simple (y menos costosa) es tomar dos / cuatro baterías de 1.5V y ponerlas en serie para obtener sus ~ 3.0V / 6.0V para alimentar sus microcontroladores.

— dr jimbob

Aunque la pregunta en sí es interesante, en la práctica, solo usaría una batería de iones de litio y un timbre que funciona en ese rango de voltaje.

— Codismo

@ 0x6d64 gracias. ¿Todas las baterías alcalinas tienen una clasificación similar, porque aparte de las marcas de primera línea, para la mayoría de los tipos de farmacias, nunca he encontrado hojas de datos. Gracias por los convertidores DC-DC.

— icarus74

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Existe una técnica llamada bomba de carga con la que puede duplicar el voltaje, pero eso solo le dará 3V de una celda de 1.5V, y aún menos de la celda de 1.2V. Todavía lo menciono porque varios microcontroladores en estos días funcionarán con voltajes de hasta 2V. Una bomba de carga solo puede suministrar corriente limitada, suficiente para alimentar el microcontrolador, pero los dispositivos de potencia adicionales como motores o relés están apagados. El voltaje también caerá bajo carga. Entonces no es ideal. El LM2660 es una bomba de carga de condensador conmutado.

La mejor solución es un regulador de conmutación . Estos existen en dos topologías principales: "ceder" para pasar de mayor a menor voltaje, y "aumentar" para pasar de menor a mayor voltaje. Entonces quieres un regulador de impulso. Los principales fabricantes incluyen Linear Technologies (más caro) y National Semiconductor (recientemente adquirido por Texas Instruments). El LM2623 puede funcionar con voltajes de entrada tan bajos como 0.8V.

Sobre corriente y duración de la batería. Asumiré que estás trabajando con baterías de 1.5V. Los que están aquí en mi mesa están clasificados para 2300 mAh, así que usemos ese valor. También digamos que su microcontrolador más extras necesitan 100mA a 3.3V. Eso es 330mW. Si el conmutador tiene un 85% de eficiencia, significa que consume 330 mW / 0.85 = 390 mW de la batería. Eso es a 1.5V, por lo que extraerá 260mA de la batería. La batería tiene una capacidad de 2300 mAh, entonces su dispositivo puede funcionar por 2300 mAh / 260 mA = 9 horas con una carga.
Si planea cargar la batería con bastante fuerza, me quedaría por debajo de 2300 mA, lo que la agotará en 1 hora.

— stevenvh
fuente

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Otra topología a considerar para algunas aplicaciones es el convertidor de retorno. En general, los convertidores de retorno se utilizan para convertir de una polaridad a otra, pero si la fuente de alimentación está 'flotando' (como sería el caso con las baterías) tienen la ventaja de que uno puede usar los mismos transistores independientemente de si el voltaje de entrada es mayor o inferior a la salida deseada. Una desventaja es que toda la energía debe ser manejada por la bobina. En comparación, si se convierte de 2 voltios a 3 voltios, solo la bobina tendría que manejar 1/3 de la energía.

— supercat el

Gracias @stevenvh, por una respuesta muy completa, con opciones. Has mencionado 2300 mAh ... ¿son estos los tipos Duracell, Energizer? Me resulta difícil determinar la clasificación de mAh de las pilas alcalinas de la farmacia habitual (no de larga duración).

— icarus74

@supercat, gracias por sugerir la opción. Necesita leer un poco más sobre la opción del convertidor de retorno.

— icarus74

@ icarus74 - El 2300mAh es un Memorex NiMH AA recargable. También tengo un paquete de AA alcalinos Duracell Plus (MN1500), pero esos no tienen información de capacidad.

— stevenvh

hmm Las curvas de descarga de baterías alcalinas / hojas de datos completas son algo que nunca he logrado encontrar para las celdas AA de las farmacias. Encontré este papel blanco genérico de células secas alcalinas de magnesio, que proporciona buena información.

— icarus74

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Para obtener un voltaje de potencia más alto de una batería como esa, se necesita un tipo particular de fuente de alimentación conmutada llamada "convertidor de refuerzo". Esto usa un inductor para hacer chorros de mayor voltaje. El concepto es el mismo que un martillo produce chorros de presión mucho más alta que la que su brazo puede entregar directamente a la uña.

Hay chips por ahí que integran gran parte de esto. Linear Technologies, ST Micro, TI y varios otros hacen tales chips. Algunas de las ofertas de Microchip son bastante agradables dentro de un rango de voltaje estrecho como usted.

Hacer un voltaje más alto está bien, pero estos chips aún están limitados a las leyes básicas de la física. No pueden proporcionar más potencia de salida que dentro. Dado que la potencia es el voltaje multiplicado por la corriente, la corriente de salida debe disminuir a medida que aumenta la tensión. Al igual que con el martillo, su brazo tiene que hacer mucho más movimiento del que se imparte al clavo a cambio de una mayor fuerza. Por supuesto, también habrá alguna pérdida. Algo superior al 90% es bastante bueno. Digamos, por ejemplo, que su conmutador de refuerzo es 80% eficiente y está produciendo 3.3V a 100mA desde 1.3V hacia adentro. 3.3V * 100mA = 330mW. Contabilizando la pérdida en el conmutador, 330mW / 80% = 413mW in. 413mW / 1.3V = 317mA, que es la corriente que se extraerá de la batería.

En este ejemplo, la corriente de la batería es de 317 mA, que está dentro del rango de lo que puede soportar un tipo AA por un tiempo. Para tener una idea de cuánto durará la batería, debe observar la capacidad de la batería. Esto se expresa en tiempo actual *, como mA-horas. Digamos que su batería AA tiene una capacidad de 2 Ah. En la primera aproximación, 2 Ah / 317 mA = 6,3 horas de tiempo de ejecución. Sin embargo, hay muchas cosas que arruinan este análisis básico. Por un lado, la corriente no será de 317 mA durante toda la vida de descarga de la batería. A medida que el voltaje de la batería disminuye, la fuente de alimentación conmutada consumirá más corriente. La temperatura también afecta en gran medida la capacidad de la batería. Si está destinado a funcionar al aire libre en un ambiente frío, es posible que solo obtenga la mitad o menos de la capacidad nominal de la batería. La corriente misma también afecta la capacidad. Probablemente, 300 mA para un AA no llegue al punto en el que degrada significativamente la capacidad, pero 1A ciertamente lo sería. Puede obtener 2.0 Ah a 300mA, pero solo 1.6 Ah a 800mA. Estoy inventando números. Probablemente no sean totalmente ridículas para la mayoría de las baterías AA, pero realmente debe consultar la hoja de datos de la batería usted mismo.

— Olin Lathrop
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Gracias @Olin. He votado a favor y desearía poder aceptar 2 respuestas. Su explicación es detallada y clara, y entre Steven y sus respuestas aprendí mucho. Acabo de elegir el orden de respuesta para ser justo.

— icarus74

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Las respuestas dadas no funcionarán en las versiones del mundo real de lo que describe o están lejos del costo más bajo.

La hoja de datos LM2623 de Steven es una opción razonable y comenzará en 1.1V y se ejecutará en 0.9V, pero el IC cuesta alrededor de 60 centavos.

Si realmente desea el costo más bajo, una buena versión del Joule Thief es un buen candidato. Uso ese nombre, ya que te llevará a muchas variantes, pero la forma original no es muy eficiente. Sin embargo, una vez que tenga la idea, puede mirar las opciones y elegir una.

El "Joule Thief" es un convertidor de impulso auto oscilante de un transistor que utiliza un devanado principal del inductor más un devanado de retroalimentación del inductor. Para el uso de bricolaje, podría construir uno de forma gratuita desde casi cualquier dispositivo electrónico desechado moderno o si comprando piezas nuevas o sobrantes podría construir uno con 10 a 20 centavos de piezas.

Aquí hay un buen ejemplo de una página de DIY Joule Thief

La imagen compuesta a continuación está compuesta por 3 imágenes de la página anterior:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Otros: puede construir convertidores de impulso con un transistor y dos inductores separados; la ventaja es que no necesita dos devanados. Y el clásico oscilador Colpitts utiliza un inductor sin explotar.
Un número aquí y

Otras versiones:

Bueno

Unos cuantos millones más

Wikipedia:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Adicional:

El ladrón básico de Joule no es un diseño maravilloso. Su característica sobresaliente es que funciona en muchos casos, por lo que introduce conversiones de energía, SMPS, convertidores de impulso y más a muchos aficionados a la electrónica relativamente inexpertos y sin educación.

Se pueden encontrar varias ideas sobre las versiones reguladas mirando a través de esta colección (YMWV).

Me topé con algunas respuestas anteriores de Joule Thief de intercambio de fichas que parecen tener cierta relevancia. La búsqueda de "Joule Thief" en este sitio mostrará algunos más.

¿Cómo puedo calcular un ladrón de Joule?

solución alternativa a: ¿Cómo puedo calcular un ladrón de Joule?

Ambos diciembre de 2012

Varios controladores de una celda a LED aquí

— Russell McMahon
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Gracias Russell Realmente me gusta este enfoque de bricolaje azul verdadero. Sin embargo, tengo algunas preguntas, publicaré cada una como un comentario aquí, y espero que puedas responder.

— icarus74

1. En los tutoriales no encontré ninguna explicación sobre la relación de vueltas, número de vueltas para el bobinado principal + bobinados de retroalimentación. Haz el no. de turnos tienen que ser iguales para principal y retroalimentación?

— icarus74

2. ¿Hay alguna manera de determinar el voltaje al que se impulsa la entrada, a través del número de vueltas? ¿O el número de vueltas solo determina la cantidad de corriente que podría extraerse?

— icarus74

3. ¿Debo suponer que la salida aumentada no está regulada y que el aumento es un factor casi constante, aplicado al voltaje de entrada?

— icarus74

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Los circuitos integrados más baratos para convertidores de impulso que conozco son el 34063 y el MCP1640. La salida del MCP1640 solo sube a 5V, pero es más eficiente y parece más fácil de usar (menos partes externas) que el 34063, excepto que el MCP1640 solo está disponible como SMD.

— starblue
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Gracias @starblue. Definitivamente lo miraré, pero como mencionas solo SMD, eso sería un problema para mí. Si bien he hecho algo de trabajo SMD, pero solo con gran dificultad. No tiene la configuración correcta (herramientas y paciencia) para hacer el trabajo SMD.

— icarus74

El 34063 está disponible como paquete DIL.

— Starblue

MC34063 no funciona con voltajes suficientemente bajos para satisfacer sus necesidades.

— Russell McMahon

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El botón del tablero

El botón [Amazon] Dash funciona a 3.3 V impulsado desde los 1.5 V nominales de la batería, extrayendo 200–300 mA de la batería cuando está encendido y 2.3 μA cuando está en reposo. Esto significa que la batería de ~ 1200 mAh debería poder alimentar el dispositivo durante al menos cuatro horas mientras está encendido y décadas mientras duerme. Dado que el botón solo está encendido durante unos segundos cuando se activa, probablemente se pueda usar cerca de 1000 veces antes de que la batería se agote. Por lo tanto, el botón debería quedar obsoleto mucho antes de que se agote la batería.

[Fue] señaló que U1 es probablemente un convertidor de impulso TI TPS61201; la huella, las marcas del paquete y el pinout parecen encajar.

Desde Amazon Dash Button Teardown

— cwd
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Hay muchos circuitos baratos y alegres (¿o desagradables?) En eBay o AliExpress si buscas un "Circuito USB Boost" o similar. Estos se venden como un dispositivo terminado por $ 0.30 - $ 2, dependiendo de la cantidad que desee, por lo general son alrededor de 25 mm x 19 mm, y si mira detenidamente las fotos, a veces puede leer el código del producto IC de control y averiguar cuál es (aunque aún mejor Los proveedores de AliExpress proporcionarán la hoja de datos en el listado). Casi cada uno de estos tendrá un divisor de resistencia que escala el voltaje de salida a un voltaje de referencia y cambiar la resistencia en una pata del divisor le permitirá obtener 3V3 en lugar de los 5V que se envían.

Compré 50 para bajar el precio, desoldeé los enchufes USB, solde en soportes dobles AA (a $ 0.19), y ahora tengo un montón de fuentes de alimentación baratas que puedo configurar a cualquier voltaje que necesite para un proyecto. No creo que realmente se pueda superar $ 0,50 por fuente de alimentación.

$15k\Omega$ $47k\Omega$ $\frac{15}{47+15}\times5V \approx 1.2V$ $27k\Omega$

— Parakleta
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¿Por qué el voto negativo? OP quería la solución menos costosa que creo que he proporcionado.

— Parakleta

Como OP, me gustó la respuesta y voté. ESE es extremadamente estricto sobre la política de "recomendación de productos". Las cosas que hablan de productos específicos, fuentes y precios están mal vistas, se han quemado un par de veces. Sin embargo, en el contexto general, creo que ha editado la respuesta para agregar la naturaleza de la información que se considera útil y genérica (por eso el voto positivo). La pregunta se hizo 5 años atrás, y el IIRC no estaba disponible fácilmente.

— icarus74

No sabía sobre la política de "recomendación de producto". Sin embargo, no me vinculé específicamente a nada, ya que solo estaba proporcionando sugerencias generales. Creo que el 90% de la ingeniería electrónica en estos días es producto / fuente / precio de componentes para lograr un producto final con la funcionalidad requerida al mejor precio. Sé que la pregunta es bastante antigua, pero desafortunadamente las preguntas se acumulan para siempre y necesitan nuevas respuestas a medida que cambian la tecnología y las soluciones. Hace 5 años, los pequeños dispositivos de refuerzo USB existían como "Cargador de emergencia USB" por $ 10 como productos terminados que tendría que desmontar.

— Parakleta

No estoy seguro si ha estado en ESE durante mucho tiempo, pero la deriva general es que esta no es realmente una comunidad de construcción de bloques de lego de Arduino (aka Maker), aunque encontrará muchas preguntas y respuestas en ese sentido. Las preguntas y respuestas que han incorporado los fundamentos de la teoría electrónica se aprecian mejor. Mientras escribía, me gustó la respuesta por la practicidad del enfoque. Sí, mucha agua ha pasado por debajo del puente en los últimos 5 años.

— icarus74

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Considere cambiar a una batería en el voltaje que desee, y posiblemente a una segunda para el timbre.

(Si realmente necesita 1.2V / 1.5V para otra cosa en el mismo circuito, entonces esto no aplica)

— Emilio M Bumachar
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gracias por responder. Múltiples baterías hacen que mi proyecto sea grande + pesado + torpe. Pero lo admito, nunca mencioné el tamaño / peso como requisito :)

— icarus74

Hay muchos zumbadores que se especifican a 3.3V y en realidad hacen ruido muy por debajo de eso.

— Jon Watte