Impulso de cargas pesadas con una celda de moneda

Las celdas de monedas de litio están clasificadas para corrientes de corriente estándar bastante bajas, del orden de 1 a 5 mA. Además, si bien permiten mayores corrientes de pulsos (es decir, ráfagas periódicas), esto parece ser perjudicial para la capacidad de la celda (y también puede causar una caída en el voltaje durante el pulso).

Estoy planteando este tema por interés en la aplicabilidad de las celdas de monedas para casos de uso general (como LED o, más recientemente, transmisión inalámbrica de baja potencia), por lo que no tengo en mente un circuito específico.

Pero imagine dos escenarios, uno un ciclo de trabajo bajo y otro un caso más exigente:

• Caso A : la carga consume 25 mA durante 25 milisegundos una vez cada 2.5 segundos.
• Caso B : la carga consume 50 mA durante 100 milisegundos una vez cada 1 segundo.

Estoy interesado en un análisis de si un depósito basado en condensador se puede aplicar (y, por lo tanto, si es conveniente) ejecutar cualquiera de los casos de extracción de pulso arriba de una celda de moneda.

Nota 1: en ambos casos, estoy considerando una situación genérica con Coin cell -> 3.3V Boost regulador -> LOAD [microcontrolador + LED con resistencias en serie + módulo inalámbrico + etc.]. Y el Cap / Supercap paralelo al suministro de carga.

Nota 2: Soy consciente de que uno podría usar baterías de iones de litio / LiPo, pero tienen una mayor autodescarga (ya sea debido a su química o debido a sus circuitos de protección), por lo que pueden no ser ideales para, por ejemplo, una conexión inalámbrica registrador de temperatura que transmite una vez cada hora.

Documentos relevantes: Las siguientes hojas de datos muestran varios datos, incluidas las características de descarga de pulso, voltaje de funcionamiento frente a carga, etc.

1. Hoja de datos de Energizer CR2032
2. Panasonic CR2032 Hoja de datos
3. Sony CR2032 Hoja de datos
4. Hoja de datos de Maxell CR2032

Además, los siguientes documentos discuten algunas evaluaciones empíricas / discusiones cualitativas sobre el funcionamiento de cargas algo grandes (con consumo de corriente pico del orden de decenas de miliamperios) usando una celda de moneda:

1. Nota de la aplicación TI: celdas de monedas y consumo de corriente pico

2. Nota de la aplicación Nordic Semiconductor: alto impacto de drenaje de pulso en la capacidad de la batería de celda de moneda CR2032

3. Nota de la aplicación Freescale: Consideraciones de baja potencia para aplicaciones ZigBee operadas por baterías de celda de moneda

4. Nota de la aplicación Jennic: Uso de celdas de monedas en PAN inalámbricos

El cálculo es sencillo. El tamaño del condensador es simplemente una cuestión de cuánta caída de voltaje puede tolerar durante la duración del pulso. La corriente promedio de la batería es una función del ciclo de trabajo.

ΔV = I × Δt / C

Resolver para C da:

C = I × Δt / ΔV

Supongamos que puede permitir ΔV = 0.1V. Para su primer ejemplo, esto funciona para:

C = 25 mA × 25 ms / 0.1 V = 6.25 mF

El consumo de corriente promedio es de 25 mA * 25 ms / 2.5 s = 0.25 mA.

Para el segundo ejemplo, los números funcionan para:

C = 50 mA × 100 ms / 0.1 V = 50 mF

Corriente promedio = 50 mA * 100 ms / 1.0 s = 5 mA.

El condensador paralelo será adecuado, pero solo si lo elige con cuidado.

Según lo explicado por @stevenvh, un condensador paralelo a la carga es adecuado para cargas pulsadas. La característica importante del condensador (aparte de su capacitancia C ) es su resistencia de aislamiento (IR). La resistencia de aislamiento determina la fuga de carga del condensador mientras espera entre pulsos.

A 3 V tendrá una corriente de fuga de 60 μA, que es comparable al consumo de corriente promedio de su carga.

A primera vista, el caso A no parece que nos vaya a causar problemas (¡pero espera!). Cálculo de la parte posterior de la envoltura: el ciclo de trabajo es solo del 1%, por lo que los 25 mA deberán compensarse con una corriente de carga de 250 µA. Eso es para corriente constante, que varía el voltaje del capacitor linealmente con el tiempo.

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

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

$C$

Pero en la mayoría de las aplicaciones del mundo real, la corriente no será constante, y la carga / descarga del condensador a través de una resistencia irá exponencialmente. Solo tiene una diferencia de 1 V entre los 3 V del condensador y los 2 V del LED, y no desea soltar demasiado el condensador antes de que pasen los 25 ms; no es que el desvanecimiento sea notable como tal, pero sí lo será el brillo promedio. Asumiendo que una caída máxima permitida de 200 mV en 25 ms significará:

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

$R C$

Para recargar tendremos que establecer un voltaje final; Si quisiéramos recargar los 3 V completos, llevaría un tiempo infinito. Entonces, si establecemos nuestro objetivo en el 99% de 3 V, podemos escribir una ecuación similar:

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

$R C$

$R C$$R$

Para la resistencia en serie con el LED podemos calcular

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

El 2.9 V es el voltaje promedio durante la descarga, lo que nos permite calcular la corriente promedio. La corriente de inicio será de 27.5 mA, pero eso no será un problema. Calculé los 2.9 V simplemente como el promedio entre 3 V y 2.8 V, pero eso está bastante bien, durante este corto tiempo puede asumir que la descarga es casi lineal. (Acabo de hacer el cálculo con la integral de la curva de descarga, y eso nos da un promedio de 2.896 V, lo que confirma eso; el error es solo 0.13.)

$R_1 C$$R_1$$C$

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

Y ahora también podemos encontrar la resistencia de carga:

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

Tenga en cuenta que la capacitancia es la misma que con nuestra carga y descarga de corriente constante. Esto se debe a que la descarga corta puede ser aproximada y lineal, como vimos anteriormente, y también redondeé los valores.

Es importante elegir la celda y el proveedor del tamaño adecuado para su aplicación y comprender que la pérdida de capacidad disminuye mucho cuando excede la carga nominal. Deben suministrar la capacidad frente a la resistencia de carga para su temperatura de funcionamiento. Si no se da, calcule la ESR de la batería con el voltaje de corte y la carga nominales.

Tenga en cuenta que la ESR inicial es mucho más pequeña, por ejemplo, un 10% de ESR de corte y eso también se degrada de la temperatura fría en casi 3 veces de 23'C a 0'C. Significan que su capacidad se reduce.

La carga ESR aumenta con el factor de trabajo (df) ESR = V / I * 1 / df
En ambos casos A y B, df es 2.ms/2.5s = 0.01 (1%)

Comencemos con estos valores y descuidemos la ESR de la batería.

• Caso A, 3V @ 25mA, 1% df ESR = 12 kΩ (suponiendo lineal por ahora)
• Caso B, 3V @ 50mA, 1% df ESR = 6 kΩ ("")

Su Vmin o especificación de regulación. afectará en gran medida la reducción de por vida de la capacidad nominal. Muchos proveedores usan del 33 al 50%, es posible que necesite del 10 al 20%.

Observe a continuación el gráfico de ESR de la batería aumenta bruscamente con la pérdida de capacidad después de consumir 2/3. Se eleva casi 1 orden de magnitud durante su vida útil. (5.5Ω ~ 45Ω)

La capacidad de la batería en mAh es inversamente proporcional a la batería ESR. Puede estimarlo a partir de la resistencia de carga nominal y el voltaje EOL.

Por lo que entiendo, la carga pulsada no daña la capacidad de la batería, sino más bien cualquier cosa que eleve el ESR acercándose al ESR de la carga. Obviamente, su especificación de regulación determina qué tan cerca pueden acercarse las baterías Rs al ESR de su carga.

Intuitivamente, sabe que si el voltaje de corte es del 50% o 1,5 V, el ESR de corte se vuelve igual a la resistencia de carga. Si el corte se especifica a 2V, la resistencia de carga nominal debe ser 2 veces la ESR de la batería para obtener un punto de corte de 2/3.

Por lo tanto, si su corte es del 90% (caída del 10% de 3V), debe asegurarse de que su ESR de carga sea 9 veces el ESR para esa celda con el voltaje nominal de corte y luego disminuya la temperatura de su peor caso.

Si la carga se reduce en ese punto de corte, uno podría recuperar algo de tiempo prolongado, de lo contrario se perdería al aumentar la carga ESR al aumentar el intervalo de tiempo entre transmisiones.

Un condensador grande solo ayuda para una transmisión, pero no cada pocos segundos al 1%.

Por lo que veo, dependiendo de su tolerancia a la caída y las especificaciones de duración de la batería, sospecho que debe considerar un CR2032 como mínimo. http://www.gpbatteries.com/index.php?option=com_k2&view=item&layout=item&id=271&Itemid=686