Impulsbetrieb schwerer Lasten mit einer Knopfzelle

Die Berechnung ist einfach. Die Kondensatorgröße ist einfach eine Frage, wie viel Spannungsabfall Sie über die Dauer des Impulses tolerieren können. Der durchschnittliche Strom aus der Batterie ist eine Funktion des Tastverhältnisses.

ΔV = I × Δt / C

Auflösen nach C ergibt:

C = I × Δt / ΔV

Nehmen wir an, Sie können ΔV = 0,1 V zulassen. Für Ihr erstes Beispiel funktioniert dies wie folgt:

C = 25 mA × 25 ms / 0,1 V = 6,25 mF

Die durchschnittliche Stromaufnahme beträgt 25 mA * 25 ms / 2,5 s = 0,25 mA.

Für das zweite Beispiel errechnen sich die Zahlen zu:

C = 50 mA × 100 ms / 0,1 V = 50 mF

Durchschnittlicher Strom = 50 mA * 100 ms / 1,0 s = 5 mA.

Der Parallelkondensator ist geeignet, aber nur, wenn Sie ihn sorgfältig auswählen.

Wie von @stevenvh erklärt, ist ein Kondensator parallel zur Last für gepulste Lasten geeignet. Die wichtige Eigenschaft des Kondensators (neben seiner Kapazität C ) ist sein Isolationswiderstand (IR). Der Isolationswiderstand bestimmt den Ladungsverlust aus dem Kondensator, während zwischen Impulsen gewartet wird.

Keramikkondensatoren haben einen hohen IR, und Murata gibt Informationen in seinen Datenblättern, die unter http://www.murata.com/products/capacitor/design/data/property.html abgerufen werden können . Ihre X5R-Serie ist mit angegeben

Bei 3 V haben Sie einen Leckstrom von 60 μA, was mit der durchschnittlichen Stromaufnahme Ihrer Last vergleichbar ist.

Um dies zu verbessern, können Sie einen anderen Kondensatortyp ausprobieren. NP0- oder C0G-Kondensatoren haben weniger Leckage, nehmen aber viel mehr Platz auf der Leiterplatte ein.

Auf den ersten Blick sieht Fall A nicht so aus, als würde er uns Ärger bereiten (aber warte!). Back-of-Envelope-Berechnung: Das Tastverhältnis beträgt nur 1 %, also müssen die 25 mA durch einen Ladestrom von 250 µA kompensiert werden. Das gilt für Konstantstrom, der die Kondensatorspannung linear mit der Zeit verändert.

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

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

So$C$wird durch den Spannungsabfall bestimmt, den Sie zulassen. Wenn Sie einen Abfall von 200 mV auf 2,8 V zulassen würden, benötigen Sie einen Kondensator von 3100 µF.

In den meisten realen Anwendungen ist der Strom jedoch nicht konstant, und das Laden / Entladen des Kondensators über einen Widerstand verläuft exponentiell. Sie haben nur 1 V Unterschied zwischen den 3 V des Kondensators und den 2 V der LEDs, und Sie möchten den Kondensator nicht zu stark fallen lassen, bevor die 25 ms vorbei sind. nicht dass Fading als solches auffällt, wohl aber die durchschnittliche Helligkeit. Unter der Annahme eines maximal zulässigen Abfalls von 200 mV in 25 ms bedeutet dies:

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

dann$R C$= 0,11 s.

Zum Aufladen müssen wir eine Endspannung einstellen; wenn wir auf die vollen 3 V aufladen möchten, würde das unendlich lange dauern. Wenn wir also unser Ziel auf 99 % von 3 V setzen, können wir eine ähnliche Gleichung schreiben:

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

dann$R C$= 1,30 s.

Ja, das ist anders$R C$mal weil die$R$ist anders: Zum Entladen ist es der Vorwiderstand der LED, zum Nachladen der Widerstand der Batterie.

Für den Vorwiderstand mit der LED können wir rechnen

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

Die 2,9 V ist die durchschnittliche Spannung während des Entladens, wodurch wir den durchschnittlichen Strom berechnen können. Der Startstrom beträgt 27,5 mA, aber das ist kein Problem. Ich habe die 2,9 V einfach als Durchschnitt zwischen 3 V und 2,8 V berechnet, aber das ist ganz in Ordnung, über diese kurze Zeit kann man davon ausgehen, dass die Entladung nahezu linear ist. (Ich habe gerade die Berechnung mit dem Integral der Entladungskurve durchgeführt, und das ergibt einen Durchschnitt von 2,896 V, was dies bestätigt; der Fehler beträgt nur 0,13.)

Da wir wissen$R_1 C$und$R_1$wir können finden$C$:

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

Und jetzt können wir auch den Ladewiderstand finden:

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

Beachten Sie, dass die Kapazität die gleiche ist wie bei unserem Laden und Entladen mit konstantem Strom. Das liegt daran, dass die kurze Entladung gut linear angenähert werden kann, wie wir zuvor gesehen haben, und außerdem habe ich die Werte gerundet.

Es ist wichtig, die richtige Zellengröße und den richtigen Lieferanten für Ihre Anwendung auszuwählen und zu verstehen, dass der Kapazitätsverlust stark abfällt, wenn Sie die Nennlast überschreiten. Sie müssen die Kapazität gegenüber dem Lastwiderstand für Ihre Betriebstemperatur liefern. Wenn nicht angegeben, berechnen Sie den ESR der Batterie bei Nennabschaltspannung und Last.

Denken Sie daran, dass der anfängliche ESR viel kleiner ist, z. B. 10 % Ausschnitt-ESR, und dass er sich auch bei kalten Temperaturen um fast das Dreifache von 23 °C auf 0 °C verschlechtert. Sie bedeuten, dass Ihre Kapazität reduziert ist.

Der Last-ESR steigt mit dem Tastverhältnis (df) ESR = V/I * 1/df
In beiden Fällen A und B beträgt df 2,0 ms/2,5 s = 0,01 (1 %).

Beginnen wir mit diesen Werten und vernachlässigen den ESR der Batterie.

• Fall A, 3 V bei 25 mA, 1 % df ESR = 12 kΩ (vorerst linear angenommen)
• Fall B, 3 V bei 50 mA, 1 % df ESR = 6 kΩ ( " ")

Ihre Vmin- oder Regulierungsspezifikation. wirkt sich stark auf die Reduzierung der Lebensdauer gegenüber der Nennkapazität aus. Viele Lieferanten verwenden 33 bis 50 %, Sie benötigen möglicherweise 10 bis 20 %.

Beachten Sie unten, dass das Diagramm des ESR der Batterie mit Kapazitätsverlust stark ansteigt, nachdem 2/3 verbraucht sind. Sie steigt während ihrer Kapazitätslebensdauer um fast 1 Größenordnung an. (5,5 Ω ~ 45 Ω)

Die Batteriekapazität in mAh ist umgekehrt proportional zum Batterie-ESR. Sie können ihn anhand des Nennlastwiderstands und der EOL-Spannung abschätzen.

Soweit ich weiß, beschädigt eine gepulste Last nicht die Kapazität der Batterie, sondern alles, was den ESR erhöht und sich dem ESR der Last nähert. Offensichtlich bestimmt Ihre Regulierungsspezifikation, wie nahe sich die Batterie-Rs dem ESR Ihrer Last nähern können.

Intuitiv wissen Sie, ob die Abschaltspannung 50 % oder 1,5 V beträgt, der Abschalt-ESR wird gleich dem Lastwiderstand. Wenn die Abschaltung auf 2 V festgelegt ist, muss der Nennlastwiderstand das 2-fache des Batterie-ESR betragen, um einen 2/3-Abschaltpunkt zu erhalten.

Wenn Ihr Ausschnitt also 90 % beträgt (10 % Abfall von 3 V), müssen Sie sicherstellen, dass Ihr Last-ESR das 9-fache des ESR für diese Zelle bei der Ausschnitt-Nennspannung beträgt und dann um Ihre Worst-Case-Temperatur reduziert wird.

Wenn die Last an diesem Unterbrechungspunkt reduziert wird, kann man möglicherweise etwas längere Zeit retten, die andernfalls durch Erhöhen des Last-ESR verloren geht, indem man das Zeitintervall zwischen den Übertragungen verlängert.

Ein großer Kondensator hilft nur für eine Übertragung, aber nicht alle paar Sekunden bei 1%.

Soweit ich sehe, müssen Sie je nach Ausfalltoleranz und Batterielebensdauer mindestens einen CR2032 in Betracht ziehen. http://www.gpbatteries.com/index.php?option=com_k2&view=item&layout=item&id=271&Itemid=686