close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Критерии выбора дисковых элементов электропитания.

код для вставкиСкачать
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ
КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.39
Критерии выбора дисковых элементов электропитания
В.М. Артюшенко, д.т.н., профессор Российского государственного университета туризма и сервиса
(РГУТиС), г. Москва, e-mail: artuschenko@mail.ru
Рассмотрены и проанализированы критерии выбора дисковых элементов электропитания и приемы, позволяющие увеличить
срок их эксплуатации при работе в различных устройствах.
Selection criterions of power supply disk cells. Selection criterions of power supply disk cells are shown and analyzed. Different ways
of increasing operation life of the cells in different devices are shown.
Ключевые слова: элементы питания, энергия, малогабаритные устройства.
Key words: power supply cells, energy, compact devices.
Дисковые элементы питания были специально
разработаны для обеспечения надежного и продолжительного электропитания различного рода
управляющих и измерительных малогабаритных
устройств и датчиков, а также большого количества ежедневно эксплуатируемой бытовой и профессиональной техники, такой как компьютеры, калькуляторы, электронные органайзеры, ручки-указки
и т.д. [1, 2].
Дисковые литиевые элементы питания имеют
низкий уровень саморазряда (не более 2% в год) и
длительный срок хранения (более 10 лет), характеризуются стабильной работой в широком диапазоне температур (от – 30 до + 65°С и выше) [3, 4].
Высокотехнологичные параметры дисковых
элементов успешно сочетаются с миниатюрными
размерами и небольшим весом. Они полностью
соответствуют всем европейским нормам экологической безопасности.
Первые две буквы в маркировке дискового
элемента питания обозначают его электрохимическую систему, например: CR – марганцеволитиевый элемент; BR – фторуглеродно-литиевый
элемент. Марганцево-литиевые элементы, отличающиеся повышенной токоотдачей, рассчитаны
на работу в устройствах, которые характеризуются высоким потреблением тока. Фторуглеродно-
литиевые элементы рассчитаны на работу в более
широком температурном диапазоне, чем марганцево-литиевые дисковые элементы.
Типоразмер дискового литиевого элемента
состоит из четырех цифр. Первые две цифры обозначают целочисленное значение диаметра, мм, а
вторые две – высоту элемента в целых и десятых
долях миллиметра. Например: CR 1225 – марганцево-литиевый элемент диаметром 12,5 мм и высотой
2,5 мм. Точные размеры и емкость дисковых литиевых элементов питания представлены в табл. 1.
Являясь, на первый взгляд, привлекательным и
компактным источником питания, дисковый элемент имеет ряд недостатков, которые усложняют его
применение в устройствах, требующих кратковременных импульсов относительно большого тока.
К недостаткам дисковых элементов относятся
малая емкость, высокое внутреннее сопротивление, низкий уровень максимального выходного
тока, долгое время восстановления после перегрузок по току, а также падение емкости элемента при
повышенной нагрузке.
К их преимуществам можно отнести компактность и малый вес, номинальное напряжение
одного элемента 3 В, относительно постоянный
уровень выходного напряжения при разряде и
очень низкий уровень саморазряда.
Электротехнические и информационные комплексы и системы №4, т.5, 2009г.
3
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ
Таблица. 1. Стандартные параметры дисковых литиевых элементов питания
1025
Диаметр  высота,
мм  мм
10  2,5
1216
12,5  1,6
3
1220
12,5  2,0
3
1225
12,5  2,5
3
1616
16  1,6
3
1620
16  2,0
3
1632
16  3,2
3
2012
20  1,2
3
2016
20  1,6
3
2020
20  2,0
3
BR 2016
BR 2020
75
100
2025
20  2,5
3
CR 2025
130 – 170
2032
20  3,2
3
CR 2032
180 – 225
BR 2032
CR 2320
BR 2320
CR 2325
BR 2325
CR 2330
BR 2330
CR 2354
CR 2430
CR 2432
CR 2450
CR 2477
CR 3032
BR 3032
190
120 – 135
110
160 – 200
165 – 185
265 – 280
255
560
270 – 290
290
500 – 575
1000
Тип
Напряжение, В
Обозначение
Емкость мAч
3
CR 1025
CR 1216
BR 1216
CR 1220
BR 1220
CR 1225
BR 1225
CR 1616
BR 1616
CR 1620
CR 1632
BR 1632
CR 2012
30
25 – 29
25
30 – 40
35
40 – 50
48
40 – 55
48
50 – 79
125
120
50 – 58
CR 2016
65 – 80
2320
23  2,0
3
2325
23  2,5
3
2330
23  3,0
3
2354
2430
2432
2450
2477
23  5,4
24,5  3,0
24,5  3,2
24,5  5,0
24,5  7,7
3
3
3
3
3
3032
30  3,2
3
При выборе элементов питания необходимо
учитывать целый ряд ключевых параметров, определяющих кому отдать предпочтение. Рассмотрим
и проанализируем критерии выбора дисковых
элементов питания.
Средний ток потребления. Важнейшим параметром, влияющим на выбор элемента питания, является средний ток потребления устройства Iср.пот. Так
как величина отдаваемого тока зависит от состояния
системы, то для нахождения среднего значения необходимо определить потребляемый ток во всех режимах эксплуатации, а также продолжительность
работы в каждом из них.
Для подсчета среднего тока потребления необходимо определить среднее потребление для
каждого из режимов Iср.р исходя из выражения
Iср.р = Iмг[tвкл(tвкл + tотк)-1],
4
500
Другое
обозначение
–
–
DL 1220
–
–
DL 1616
–
DL 1620
–
–
DL 2016,
L-F 1/4V
–
–
DL 2025,
L-F 1/2V
DL 2032,
L-F 1/2W
–
DL 2320
–
DL 2325
–
–
–
DL 2430
–
DL 2450
–
–
где Iмг – мгновенное значение тока в данном режиме; tвкл – время потребления тока; tотк – время
покоя в цикле расчетного режима.
Рассмотрим работу устройства, в котором установлен дисковый элемент питания, имеющего
три режима работы:
1) режим ожидания – непрерывное потребление тока 4 мкА;
2) прием сигналов радиомаяка и их обработка –
пробуждение каждые 10 с на 2 мс, ток потребления при этом Iпот = 40 мА;
3) режим передачи данных – передача сообщения пять раз в день, ток потребления при этом –
40 мА в течение 100 мс.
Такие режимы работы наиболее характерны
для устройств, работающих в сетях ZigBee [5].
ZigBee является наиболее молодой и перспективной технологией для построения беспроводных
Электротехнические и информационные комплексы и системы №4, т.5, 2009 г.
Критерии выбора дисковых элементов электропитания
сетей с небольшими объемами передаваемой информации. Протокол ZigBee изначально разрабатывался для объединения в сеть большого количества автономных устройств, например датчиков и
выключателей с дисковыми элементами питания.
Таким образом:
 средний ток в состоянии ожидания Iср.ож =
= 4 мкА;
 средний ток при приеме сигналов Iср.пр =
=Iпот(tвкл/tотк) = 40 мА(2 мс/10 с) = 8 мкА;
 средний ток при передаче данных Iср.пер =
=Iпот[(5tвкл/tотк)] = 40 мА[(5×100 мс/24 ч × 60 мин ×
60 с)] = 232 нА.
Следовательно, средний ток потребления устройства будет равен:
Iср.пот = Iср.ож + Iср.пр + Iср.пер = 4 мкА + 8 мкА +
+232 нА = 12,232 мкА.
Заметим, что в реальных приложениях может
быть гораздо больше состояний, которые отличаются по величине тока потребления.
Требуемый срок службы батареи. Емкость,
требуемая для питания устройства в течение заданного времени работы, может быть найдена
исходя из выражения
Сем = Iср.пот Tраб,
где Iср.пот – средний ток потребления, А; Tраб – требуемое время работы батареи, ч.
Предположив, что требуемый срок службы батареи – 1 год, для рассмотренного выше примера,
получим:
Сем = Iср.пот Tраб = 12,232 мкА(365 дней × 24 ч) =
= 107,2 мАч.
То есть наименьшая емкость элемента питания должна быть, по крайней мере, не менее 107,2
мАч. В данном случае подходящим элементом питания может быть элемент CR2032 производства
Sanyo с номинальной емкостью около 220 мАч,
основные технические характеристики которого
приведены в табл.2.
Максимальный ток потребления. Поскольку емкость дискового элемента зависит от тока нагрузки,
то на выбор элементов питания влияет и максимальный ток, который в произвольные моменты
времени может потреблять устройство. Для дисковых элементов питания характерно очень высокое
внутреннее сопротивление и низкие показатели по
максимальной нагрузочной способности.
Пусть необходимо обеспечить питанием микросхему JN5139 контроллера беспроводной связи
компании Jennic. Согласно справочным данным она
будет работать при напряжении питания не ниже
2,2 В. Элемент питания CR2032 способен обеспе-
Таблица 2. Характеристики элемента CR2032
Характеристика
Значение
Номинальная емкость, мАч1)
220
Номинальное напряжение, В
3
Типовой ток разряда, мА
0,3
Максимальный ток разряда, мА:
4
продолжительный2);
в импульсе3)
20
от –20 до +70
Диапазон температур, С
Масса, г
3
П р и м е ч а н и е: 1) – номинальная емкость определяется
при следующих условиях: разряд до 2 В при типовом значении тока разряда и температуре 23С; 2) – значение тока
определяется при достижении 50% емкости от номинального, разряде до 2 В и температуре 23С; 3) – значение тока
при достижении разряда до 2В, длительности импульса
15с при глубине разряда 50% и температуре 23С
чить импульс тока Iмах = 20 мА в течение 15 с при
начальном напряжении 3,0 В и конечном 2,0 В. Соответственно, при падение напряжения 1 В в течение 15 с скорость падения равна 66,6666·10-3 В/с.
Поскольку нижнее значение напряжения составляет 2,2 В, то можно позволить падение не более 0,8 В. При скорости падения 66,6666·10-3 В/с
это даст продолжительность импульса Т =12 с
(0,8/66,6666·10-3) для среднего значения напряжения Uср = 2,6 В, допуская линейный характер падения напряжения.
Если преобразовать энергию импульса Е в
джоули, то:
Е = РТ = (Uср Iмах)Т = (2,6 В · 20 мА) 12 с =
=0,624 Дж.
Для данного примера можно подсчитать энергию, требуемую для импульса 40 мА продолжительностью 100 мс (допуская, что среднее напряжение импульса равно 2,6 В):
Е = РТ = (Uср Iмах)Т = (2,6 В · 40 мА) 100 мс =
= 10,4 Дж.
Поскольку это значительно меньше энергии,
которую способен обеспечить в импульсе анализируемый элемент питания, то CR2032 полностью
подходит для рассматриваемого случая. Тем не менее, следует обратиться к производителю за подтверждением этой информации, поскольку внутреннее сопротивление элемента (которое не приведено в справочных данных) может ограничить максимальный ток дискового элемента питания.
Увеличение максимального импульсного тока.
Если выбранный элемент не в состоянии обеспечить
требуемую энергию импульса, то можно дополнить
энергию элемента энергией, накопленной параллельно подключенным конденсатором.
Требуемую емкость конденсатора можно вычислить следующим образом.
Электротехнические и информационные комплексы и системы №4, т.5, 2009 г.
5
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ
1. Вычислить значение падения напряжения, В,
которое может допустить система при максимальной
импульсной нагрузке (в нашем случае U = 0,8 В,
так как начальное напряжение по условию 3,0 В, а
конечное – 2,2 В).
2. Вычислить значение максимальной энергии,
которую может обеспечить элемент в одиночном
импульсе (для рассматриваемого элемента это
значение равно 0,624 Дж) – назовем его Eпит.
3. Вычислить значение максимальной энергии
Eсис, требуемой для системы.
4. Вычислить дефицит энергии Eдеф =Eсис – Eпит.
Для данного примера, если системе требуется
импульс максимум 40 мА в течение 6,5 с:
Eсис = РТ = (Uср Iмах)Т = (2,6 В · 40 мА) 6,5 с =
=0,676 Дж.
Следовательно, дефицит энергии равен:
Eдеф = 0,676 – 0,624 = 0,052 Дж.
5. Для вычисления емкости конденсатора,
требуемой для компенсирования дефицита энергии, воспользуемся формулой
С = 2ЕдефU-2 = (2·52 мДж)(0,8 В)-2 = 162,5 мФ.
В данном случае требуемая емкость очень велика. Поэтому с экономической точки зрения целесообразнее выбрать элемент питания с большей
емкостью.
Если выбран элемент питания с очень плохими
импульсными характеристиками, но при этом требуется обеспечить большой ток I только в течение
очень коротких интервалов времени T, то можно
обеспечить весь импульсный ток конденсатором,
емкость которого может быть подсчитана по формуле
С = QU-1 = ITU-1 = (40 мА · 100 мс)(0,8 В)-1 =
= 5 000 мкФ.
Чтобы вычислить время, в течение которого
данный конденсатор может обеспечить большой
ток, следует выполнить следующее.
1. Выбрать конденсатор (для этого примера
возьмем С = 4700 мкФ).
2. Определить падение напряжения, которое может допустить система (в данном случае
U = 0,8 В).
3. Определить ток, который будет потребляться нагрузкой (в данном случае I = 40 мА).
4. Определить длительность импульса, которую может обеспечить конденсатор:
Т = Q I -1 = СU I -1 = (4 700 мкФ ·0,8 В)(40 мА)-1 =
= 94 мс.
Как видно, обычный конденсатор может обеспечить броски тока только в течение очень коротких
интервалов времени.
6
Стоимость. При поиске более дешевых дисковых
элементов электропитания всегда следует обращать
внимание на их технические параметры, так как у
однотипных элементов различных производителей
они могут отличаться (например емкости):
Производитель Емкость элемента, мАч
ЕЕМВ…………………..…………..…..210
GP Batteries…………………………….210
HB………………………………………210
Maxell…………………...………………220
Panasonic………………..………………225
Renata…………………...………………235
Sanyo……………………………………220
Varta…………………….………………230
Energizer………………...………………240
FDK…………………….……………….220
Размер. Если геометрические размеры дискового
элемента не являются приоритетом, то следует
рассмотреть возможность использования дискового элемента с большей емкостью. Это позволит
исключить многие проблемы, связанные с элементами малой емкости.
Например, элемент CR2450 ненамного больше, но обладает почти трехкратной емкостью элемента CR2032, а также имеет гораздо более широкий диапазон импульсного и непрерывного разряда. Так как CR2450 обеспечивает намного большее
время работы по сравнению с CR2032, то это привело бы к меньшей стоимости обслуживания конечного продукта, потому что менять батарею
пришлось бы реже. Меньшие эксплуатационные
расходы могут компенсировать стоимость элемента большей емкости.
Поскольку энергетический потенциал элементов с малой емкостью очень низок, то необходимо
использовать любой шанс для удержания устройства в течение как можно большего времени в режиме ожидания (при котором ток потребления
крайне мал).
Например, если при эксплуатации устройств
беспроводных сетей технологии ZigBee поток данных направлен от координатора сети к конечным
устройствам, то они должны периодически активизироваться для приема от координатора новой информации [5]. Так как желательно, чтобы конечное
устройство пробуждалось на как можно меньший
период времени, наиболее подходящей сетевой топологией была бы «звезда с маяком» (с синхронизацией доступа к каналу). В звездообразной сети с
маяком возможна синхронизация конечных устройств по сигналам маяков, а в паузах между сигна-
Электротехнические и информационные комплексы и системы №4, т.5, 2009 г.
Критерии выбора дисковых элементов электропитания
лами – их перевод в режим ожидания. После синхронизации по сигналу маяка конечное устройство
переходит в режим ожидания, активизируясь только
во время приема следующего синхросигнала и любых ожидающих сообщений. Затем устройство обрабатывает данные и возвращается в режим ожидания так быстро, насколько это возможно.
Если поток данных направлен от конечных
устройств к координатору сети, то данные устройства могут оставаться в режиме ожидания до тех пор,
пока уведомляющее сообщение не оповестит их о
том, что они должны принять данные. Так как в данном сценарии координатор включен всегда, он может оставаться в режиме приема и прослушивать сообщения от конечных устройств.
Заметим, что необходимо с должным вниманием отнестись к выбору периода синхронизации, так
как при запуске фаза начальной синхронизации
«требует», чтобы радиоканал был включен постоянно, пока не будут приняты два последовательных
сигнала маяка. При длительных периодах синхронизации возможна ситуация, когда батарея не сможет
обеспечить требуемый ток нагрузки.
Для систем, в которых синхронизация осуществляется посредством обычного маяка, применение более точного генератора вместо встроенного
RC-генератора той же частоты, но имеющего низкую точность, позволяет конечному устройству
такой сети активизироваться в моменты, более
близкие к сигналам маяка. Это, в свою очередь,
сокращает время работы конечного устройства в
режиме приема, что приводит к экономии энергии.
Тем не менее, необходимо балансировать между
сэкономленной энергией и энергией, потребляемой внешним генератором.
При попытке минимизировать потери энергии в системе необходимо уделить внимание выбору конденсаторов. Например, танталовый конденсатор NEC/Tokin 220 мкФ, 4В имеет ток утечки
до 8,8 мкА. Если такой конденсатор подключить к
источнику питания, то он мог бы, работая непрерывно, тратить больше энергии, чем требуется для
питания системы в режиме ожидания.
На потребление энергии значительное
влияние могут оказывать и программные средства управления.
Таким образом, были рассмотрены критерии выбора дисковых элементов электропитания, на
конкретных примерах проанализированы различные способы, позволяющие сохранить значительное количество энергии.
ЛИТЕРАТУРА
1.
2.
3.
4.
5.
Васильев В. Аккумуляторы: Академия для неинженеров // http://www.ixbt.com/ mobile.shtml#accum.
Скундин А., Нижняковский Е. Литиевые первичные
элементы // Электронные компоненты, 2001, №4.
Вихарев Л. О необходимости правильного питания,
или Батарейки и аккумуляторы // Компоненты и
технологии, 2004, №4.
Материалы сайта компании Tadiran: LBR01E.pdf
(Technical brochure), http://www.tadiranbatteries.de
/eng/downloads/LBR01E.pdf.
Heili В. ZibBee Alliance Tutorial // September November 2005, www.zigbee.org.
Электротехнические и информационные комплексы и системы №4, т.5, 2009 г.
Поступила 19.06.2009 г.
7
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
8
Размер файла
517 Кб
Теги
выбор, электропитания, дисковых, элементов, критерии
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа