Zasilanie urządzeń elektronicznych z baterii - poradnik

Rys. 1. Napięcie baterii alkalicznej rozładowywanej stałym prądem 0,1A w funkcji czasu

Wybór optymalnego rozwiązania wymaga rozważenia szeregu czynników, takich jak: nominalne napięcie, pojemność, gęstość energii, utrata pojemności w funkcji czasu czy możliwość pracy z układami zasilanych prądem impulsowym. Napięcie nominalne, mierzone między zaciskami baterii, jest istotnym kryterium pozwalającym na właściwą pracę urządzenia.

Nie można również zapominać, że rozładowanie ogniwa pociąga za sobą spadek napięcia. Może ono spowodować, że urządzenie nie będzie w stanie prawidłowo funkcjonować pomimo pozostałej w baterii energii. Skróci to czas eksploatacji układu, co z punktu widzenia konsumentów nie jest zjawiskiem korzystnym.

Bateria wytwarza energię elektryczną dzięki przemianom chemicznym zachodzącym w jej wnętrzu. Niektóre z tych reakcji są bardziej efektywne od innych i wpływają na gęstość energii (stosunek zgromadzonej energii do masy ogniwa), co znajduje przełożenie w rozmiarach i masie. Nietrudno zauważyć, że zwiększanie gęstości energii pozwala produkować mniejsze i lżejsze baterie, ale najczęściej pociąga to za sobą wzrost kosztów.

Konieczne staje się znalezienie kompromisu pomiędzy ceną a wymiarami i masą. Nawet w nieużywanych bateriach zachodzą reakcje chemiczne powodujące stopniową utratę pojemności, która jest zależna od wykorzystanej technologii i użytych materiałów.

Przykładowo ogniwa alkaliczne zachowują swoją przydatność do pracy przez około 10 lat, podczas gdy dla baterii litowych okres ten wynosi nawet 15 lat. Jeszcze lepsze pod tym względem okazują się ogniwa litowo- chlorkowo-tionylowe zdolne przechować energię elektryczną nawet przez 20 lat.

Okres ten jest uzależniony również od warunków użytkowania, na które składa się temperatura otoczenia oraz charakter dołączonego obciążenia - impulsowy pobór prądu skraca żywotność ogniwa. Czynniki te również muszą zostać uwzględnione, aby dobrać baterię, która najlepiej poradzi sobie w docelowej aplikacji.

Rys. 2. Napięcie baterii cynkowo-węglowej obciążonej impedancją 39Ω w funkcji czasu

Kolejnym, znaczącym czynnikiem jest impedancja wewnętrzna mająca szczególne znaczenie, gdy pobór prądu przez urządzenie jest duży lub ma charakter impulsowy. Przykład stanowią choćby inteligentne liczniki mediów pozostające przez większość czasu w trybie uśpienia lub o obniżonej aktywności i pobierające znikomy prąd.

Podczas komunikacji drogą radiową, będącą następstwem zdalnego odczytu, pobór prądu wzrasta. Ogniwa o wysokiej impedancji nie będą w stanie prawidłowo zasilać tego typu urządzeń. Problem można rozwiązać poprzez zastosowanie równolegle dołączonego kondensatora gromadzącego energię, gdy nadajnik jest wyłączony i oddającego ją podczas zwiększonego zapotrzebowania.

To najprostsze wyjście pociąga za sobą konieczność właściwego doboru pojemności kondensatora, jego wymiarów, charakterystyki ładowania czy upływności ładunku. Warto uwzględnić czynniki związane z ochroną środowiska w kontekście obowiązujących i przyszłych regulacji prawnych. Stosowane baterie nie mogą być toksyczne ani zawierać niebezpiecznych związków. Łatwość recyklingu całego urządzenia stanowi krok w stronę "zielonej elektroniki" i może stanowić znaczący argument za wyborem takiego, a nie innego urządzenia.

Technologie produkcji baterii

Rys. 3. Charakterystyka rozładowania baterii litowej CR2032

Od długiego czasu baterie znajdują zastosowanie we współczesnej elektronice, jednakże nie powstała do tej pory technologia ich wytwarzania, która byłaby pozbawiona wad. Ich różnorodność wynika z materiałów, jakie zostały użyte do wytworzenia elektrod oraz związków chemicznych zapewniających powstawanie reakcji uwalniających energię elektryczną.

Jednym z najpopularniejszych rodzajów baterii są baterie alkaliczne powszechnie spotykane w przenośnym sprzęcie. Mają one elektrody wykonane z cynku oraz dwutlenku manganu i jako elektrolit stosowany jest alkaliczny (zasadowy) roztwór wodorotlenku potasu. Napięcie nominalne wynosi 1,5 V i stopniowo spada do około 0,9 V podczas utraty pojemności (rysunek 1).

Obok baterii alkalicznych popularne są również ogniwa cynkowo-węglowe przeznaczonych przede wszystkim do mniej wymagających urządzeń. Z mniejszą pojemnością jest związana także niższa cena, ale znajduje to swoje odzwierciedlenie w krótszej żywotności.

Podobnie do alkalicznych odpowiedników nominalne napięcie wynosi 1,5 V i sukcesywnie obniża się do poziomu 0,9 V w trakcie rozładowywania - rysunek 2. Osobną grupę baterii stanowią ogniwa litowe i często mające postać płaskich i okrągłych "pastylek" (stąd potoczne określenie ogniwa guzikowe).

Tabela 1. Popularne rodzaje baterii

Stosowane są przede wszystkim w urządzeniach elektronicznych o znikomym zużyciu energii, a poszczególne ich rodzaje mają oznaczenie najczęściej zaczynające się od liter CR bądź BR. W tego typu aplikacjach głównym założeniem jest bardzo niskie zużycie energii, aby bateria musiała być wymieniana jak najrzadziej, idealnie nigdy w czasie życia produktu.

Ogniwa tego typu mają elektrody wykonane z litu i monofluorku węgla (BR) lub dwutlenku manganu (CR). Wykonanie katody z innego materiału wpłynęło na zmniejszenie wewnętrznej impedancji, dzięki czemu ogniwa CR lepiej sprawdzają się w układach cechujących się impulsowym poborem prądu.

Wadą okazuje się jednak gorsza charakterystyka temperaturowa i wzrost prądu samorozładowania. Wśród najważniejszych zalet należy wymienić małą utratę pojemności wskutek samorozładowania oraz dobrą charakterystyką temperaturową. Nominalna wartość napięcia wynosi 3 V i obniża się do 2,2 V w końcowej fazie rozładowania baterii.

Charakterystykę dla popularnej baterii CR2032 przedstawiono na rysunku 3. Stosunkowo nowym rodzajem baterii są baterie litowo-chlorkowo-tionylowe, zwracające uwagę przede wszystkim znikomym prądem samorozładowania, pozwalającym zachować okres przydatności nawet do 20 lat.

Rys. 4. Charakterystyka rozładowania baterii litowo-chlorkowo-tionylowej

Ponadto płaska charakterystyka rozładowania pozwala przyjąć, że napięcie będzie praktycznie stałe przez cały czas. Jest to szczególnie istotne przy zasilaniu podzespołów cechujących się wąskim zakresem napięcia pracy.

Ogniwa wytwarzane w tej technologii są znacząco droższe niż litowe odpowiedniki, stąd są przeznaczone głównie do najbardziej wymagających aplikacji obejmujących liczniki mediów, rozwiązania przemysłowych czy militarnych. Baterie litowo-chlorkowo-tionylowe nie są powszechnie spotykane na rynku konsumenckim i pozostają w dużej mierze zarezerwowane dla producentów OEM.

Napięcie nominalne wynosi 3,6 V i po rozładowaniu ogniwa obniża się do około 2,0 V. Na rysunku 4 pokazano charakterystykę rozładowania takiego ogniwa. Zwrócić należy uwagę na zależność napięcia nominalnego od temperatury, co przedstawiono na rysunku 5.

Wysoki współczynnik gęstości energii mają baterie cynkowo-powietrzne, dzięki czemu przy wymiarach porównywalnych z innymi ogniwami oferują znacząco większą pojemność. Powszechnie spotykane są w aparatach słuchowych, ale znajdują również zastosowanie w przenośnych kamerach czy systemach nawigacji wykorzystywanych przez marynarkę oraz koleje.

Napięcie nominalne baterii cynkowo-powietrznej wynosi 1,4 V i obniża się do 0,9 V w końcowej fazie rozładowania (rys. 6). Katoda wykonana jest ze sproszkowanego cynku, natomiast anodę stanowi tlen zawarty w powietrzu. Dopływ tlenu wyzwala reakcje chemiczne w ogniwie i powoduje wytwarzanie energii elektrycznej.

Taka konstrukcja ma oczywistą wadę w postaci stosunkowo szybkiej utraty pojemności, nawet gdy ogniwo nie jest użytkowane (rzędu paru miesięcy). Nowe baterie są wyposażone w zabezpieczenie w postaci naklejki odcinającej dopływ powietrza, dzięki czemu utrata pojemności zachodzi znacznie wolnej i okres przechowywania wydłuża się nawet do kilku lat.

Zabezpieczenie jest usuwane dopiero przed umieszczeniem ogniwa w urządzeniu. Zestawienie parametrów poszczególnych rodzajów baterii zawarto w tabeli 1.

Projektowanie

Tabela 2. Szacunkowe zużycie energii w urządzeniu zasilanym baterią litową (stałe napięcie zasilania 3 V)

Jednym z najważniejszych aspektów związanych z wyborem baterii jest jej napięcie nominalne, które musi być wystarczające do zasilenia podzespołów elektronicznych z jakich zbudowane jest urządzenie. Z niektórych ogniw urządzenia mogą być zasilane bezpośrednio, gdyż napięcie nominalne przekracza minimalną wartość podawaną przez producenta.

Najgorzej pod tym względem wypadają baterie alkaliczne oraz cynkowo-węglowe, których napięcie nominalne wynosi tylko 1,5 V i często nie wystarcza do zasilenia np. mikrokontrolera. Problem ten można obejść łącząc szeregowo kilka ogniw, co w rezultacie podniesie napięcie wyjściowe, ale nie zawsze jest to satysfakcjonujące rozwiązanie.

Najbardziej skrajnym przykładem są paralizatory elektryczne dające na wyjściu kilkadziesiąt kilowoltów. Wartość taka jest praktycznie niemożliwa do uzyskania w wyniku szeregowego łączenia ogniw. Współczesna elektronika radzi sobie z tym problemem, stosując różnego rodzaju przetwornice DC-DC.

Typowa aplikacja przetwornicy jest prosta dzięki zintegrowaniu większości elementów wewnątrz struktury układu scalonego. Elementy tego typu często mają wejście monitorujące baterię, aby określić moment jej całkowitego rozładowania oraz wejście sterujące umożliwiające ich wyłączenie, aby oszczędzać energię, gdy wyższe napięcie nie jest potrzebne.

Kolejny kluczowy czynnik stanowi pojemność znajdująca swoje przełożenie w żywotności układu. Jednym z przykładów są aparaty słuchowe wykorzystujące baterie cynkowo-powietrzne. Ich duża gęstość energii (1,69 MJ/kg) umożliwia działanie urządzenia przez miesiąc, a ponadto ogniwa tego typu radzą sobie z prądem impulsowym.

Rys. 5. Charakterystyka temperaturowa baterii litowo-chlorkowo-tionylowej

Pojemność baterii przeznaczonych do aparatów słuchowych zawiera się najczęściej w granicach 90-650 mAh zależnie od typu i rozmiaru. Ograniczony czas pracy ogniwa po zerwaniu naklejki zabezpieczającej jest w tym przypadku akceptowalny, a okresowa wymiana baterii mieści się w zakresie czynności eksploatacyjnych.

Napięcie nominalne baterii cynkowo-powietrznych wynosi jedynie 1,4 V, więc aparaty słuchowe muszą być tak zaprojektowane, aby bezproblemowo pracowały w takich warunkach. Pojemność baterii wyrażona w mAh determinuje czas zasilania urządzenia prądem o określonym natężeniu. Oczywiste jest, że większa pojemność wydłuża ten czas i jest pożądana, aby urządzenie mogło pracować jak najdłużej bez wymiany baterii.

Całkowita energia zgromadzona w ogniwie jest uzależniona zarówno od napięcia nominalnego, jak i pojemności. W sytuacji, gdy wykorzystane są układy do przekształcania energii (przetwornice napięcia step-down/step-up), łatwiej porównać możliwości poszczególnych ogniw po przeliczeniu pojemności na energię wyrażoną w dżulach. Wykorzystuje się do tego następujący wzór:

E=C·VT·3,6 [J]

gdzie: E - energia wyrażona w [J], VT - napięcie nominalne [V], C - pojemność w [mAh].

Warto wiedzieć, że energię zużywaną przez pracujący układ wyraża wzór:

E=I·U·t [J]

gdzie: I - prąd pobierany przez urządzenie, U - napięcie zasilania (napięcie ogniwa), t - czas, przez jaki dany prąd jest pobierany.

Rys. 6. Charakterystyka rozładowania baterii cynkowo-powietrznej

Na podstawie powyższych wzorów można łatwo zauważyć, że wydłużenie czasu pracy układu pobierającego do pracy stałą energię można osiągnąć poprzez zwiększenie pojemności C bądź napięcia nominalnego VT.

Dokładniejsza analiza tych prostych wzorów pozwala ponadto stwierdzić, że nawet bez zwiększania pojemności czy napięcia nominalnego można wydłużyć czas działania urządzenia, obniżając napięcie zasilania, np. za pomocą przetwornicy step-down (musi mieć ona dużą sprawność, aby zyski były większe od strat).

Dolną granicę będzie stanowić najniższe napięcie pozwalające na poprawną pracę wszystkich elementów urządzenia. Niekiedy takie postępowanie jest utrudnione, gdyż część podzespołów nie może być zasilana bardzo niskim napięciem. Warto wtedy rozważyć dynamiczną zmianę napięcia, które będzie zależne od wymagań aktywnych w danym momencie podzespołów.

Warto prześledzić ten schemat postępowania na przykładzie prostego czujnika chroniącego mieszkanie przed zalaniem wodą. Przyjmując, że czujnik taki wyposażony jest w mikrokontroler, moduł komunikacji radiowej (nadajnik i odbiornik) oraz brzęczyk, będzie on w stanie informować o zdarzeniach (zalanie podłogi, rozładowanie baterii) oraz odbierać komunikaty od stacji bazowej.

Tabela 3. Szacunkowe zużycie energii w urządzeniu zasilanym baterią alkaliczną (zmienne napięcie zasilania - przetwornica DC-DC)

Protokół komunikacji powinien być starannie dobrany, aby zminimalizować liczbę przesyłanych komunikatów. Pozwoli to utrzymywać mikrokontroler w stanie uśpienia przez większość czasu i ograniczy zużycie prądu przed nadajnik. W przedstawionej, przykładowej aplikacji można wyróżnić cztery fazy pracy:

• tryb uśpienia - wszystkie podzespoły są nieaktywne, podtrzymywana jest zawartości pamięci RAM, do czego wymagane jest niskie napięcie (od 0,9 V dla niektórych mikrokontrolerów - w praktyce napięcie nominalne ogniwa), aktywny pozostaje zegar czasu rzeczywistego (całość może być zasilana z jednej baterii alkalicznej),
• tryb nadawania - okresowo do modułu nadrzędnego wysyłane będą komunikaty o stanie czujnika oraz baterii, do pracy nadajnika niezbędne jest napięcie 3 V,
• tryb odbioru - ze stacji bazowej odbierane będą polecenia sterujące i komunikaty, w tym przypadku niezbędne jest napięcie 1,8 V,
• tryb przetwarzania - mikrokontroler jest okresowo wybudzany, aby sprawdzić stan czujnika i napięcie baterii, wykonać niezbędne obliczenia, po czym ponownie jest ustawiany w tryb uśpienia; w tej fazie operacji wystarczające będzie napięcie 1,8 V.

Założono, że fazy nadawania, odbioru oraz przetwarzania będą wykonywane raz na minutę, a przez pozostały czas układ będzie uśpiony. Zasilanie z baterii może być zrealizowane dwojako:

• poprzez użycie baterii litowej o napięciu nominalnym 3 V, co zapewni właściwy poziom napięcia w każdym ze stanów pracy układu,
• z wykorzystaniem baterii alkalicznej i przetwornicy DC-DC - napięcie będzie podwyższane adekwatnie do potrzeb.

Rys. 7. Zależność poboru prądu od napięcia i częstotliwości taktowania w układzie ATmega88P

Oczywiste jest, że przetwornica wprowadza straty podczas przetwarzania energii, które można oszacować na 10%. W tabeli 2 zgromadzono dane dla układu zasilanego z baterii litowej, podczas gdy tabela 3 zawiera dane dla baterii alkalicznej i przetwornicy. Na podstawie zawartych tam informacji obliczono zużycie energii dla każdego stanu pracy i całkowite zużycie energii.

Zakładając, że bateria litowa 3 V będzie miała pojemność 620 mAh, a alkaliczna 1,5 V pojemność 1125 mAh, można obliczyć czas pracy czujnika. W pierwszym przypadku urządzenie będzie funkcjonowało około 4,3 roku, a w drugim okres ten wydłuży się do 4,6 roku (około 7%).

Warto zauważyć, że dynamiczna zmiana napięcia zasilania umożliwia zwiększenie efektywności zużycia energii o około 16%, a ponadto umożliwia użycie tańszych baterii alkalicznych. Końcowe wyniki są uzależnione w znaczącym stopniu od czasu, przez jaki mikrokontroler pozostaje uśpiony. Oczywiste jest, że im jest on dłuższy, tym dłuższy będzie czas eksploatacji baterii.

Warto zauważyć, że wydłużenie fazy przetwarzania i/lub odbioru danych z toru radiowego spowoduje wzrost efektywności rozwiązania opartego na baterii alkalicznej oraz przetwornicy napięcia - zużycie prądu, a co za tym idzie i energii, jest niższe, niż miałoby to miejsce dla baterii litowej.

Ponadto przetwornica pozwala wytworzyć napięcie 3,3 V przydatne, gdy trzeba uzyskać większą moc nadajnika albo stosować podzespoły wymagające takiego napięcia.

Warto również wspomnieć, że w sporej części przypadków obniżenie napięcia powoduje zmniejszenie poboru prądu przez mikrokontroler (a co za tym idzie - również energii). Zależność tę dobrze ilustruje wykres z rysunku 7 zaczerpnięty z dokumentacji układu ATmega88P.

Podsumowanie

Rys. 8. Schemat blokowy mikrokontrolera C8051F930 produkowanego przez Silicon Labs

Duża różnorodność baterii spotykanych na rynku stanowi niezaprzeczalny dowód na brak rozwiązania idealnego. Każde z ogniw ma wady i zalety, spośród których należy wybrać kompromisowe rozwiązanie najlepiej spełniające wymogi projektowanego urządzenia.

Wśród kryteriów, jakie należy wziąć pod uwagę, można wymienić: napięcie nominalne, pojemność, wymiary, masę, utratę pojemności w funkcji czasu, impedancję wewnętrzną czy cenę.

Wybór staje się jeszcze bardziej złożony, gdy trzeba wziąć pod uwagę ogniwa o napięciu nominalnym wyższym od napięcia minimalnego podanego przez producenta podzespołów. W takiej sytuacji warte rozważenia stają się przetwornice napięcia, które mogą pozwolić znacznie efektywniej wykorzystać energię zgromadzoną w ogniwach.

Jakub Borzdyński