Baterie jednorazowe w urządzeniach elektronicznych

Urządzenia bezprzewodowe projektuje się z naciskiem na minimalizację poboru mocy, a zasilanie z baterii jednorazowych wspierane jest dodatkowo przez zasilacze konwertujące energię z otoczenia (np. świetlną). Określenie minimalnej wymaganej pojemności baterii zależy od wielu czynników, na przykład od minimalnej wartości napięcia zasilającego, przy której układ elektroniczny funkcjonuje poprawnie, określającej dolne napięcie rozładowania baterii, temperatury, typu chemii ogniwa i podobnych uwarunkowań. W większości przypadków przyjmuje się, że napięcie rozładowania dla ogniwa o wartości nominalnej napięcia 1,5V wynosi 1V.

Pojemność baterii zależy od prądu rozładowania i nie jest to zależność liniowa. Im większy prąd pobierany z baterii, tym mniejsza jest jej pojemność. Przykładowo, bateria może mieć pojemność 1Ah dla prądu rozładowania 5mA, ale już tylko 500 mAh dla prądu rozładowania 200mA. Większość użytkowników, patrząc na specyfikację baterii, przyjmuje, że podawane tam parametry znamionowe pozostają stałe dla różnych temperatur i prądów obciążenia. Jednak dzieje się tak tylko przy bardzo małych zmianach temperatury i prądu obciążenia.

Najpowszechniej spotykanym typem baterii świetnie sprawdzających się w różnych aplikacjach są ogniwa alkaliczne. Są tanie, dostępne praktycznie wszędzie i idealne do urządzeń pobierających mały prąd. Dwie najpoważniejsze wady to znaczny spadek wydajności w niskich temperaturach i przy dużych prądach rozładowania. Rysunek 1 przedstawia charakterystyki rozładowania dla typowej baterii alkalicznej R6 1,5V. Warto zauważyć, jak pojemność zależy od prądu rozładowania i temperatury. Krzywe na rysunku mają charakter funkcji kwadratowej.

W przypadku ogniw litowych na rynku występuje wiele różnych odmian, które trudno wspólnie opisać. Najpowszechniejszymi ogniwami rozmiaru AA są ogniwa Li-FeS₂. W porównaniu z alkalicznymi sprawdzają się lepiej dla większych prądów rozładowania i niższych temperatur. Na rysunku 2 zamieszczono charakterystykę typowej baterii AA Li-FeS₂ L91. Można zauważyć niewielką zależność pojemności od prądu rozładowania w stałej temperaturze.

Rys. 1. Charakterystyka rozładowania standardowego ogniwa alkalicznego rozmiaru AA

Zakładając znajomość charakterystyk prądowo-pojemnościowych wybranych ogniw, można obliczyć czas działania urządzeń bezprzewodowych w zadanych warunkach. Przykładowe obliczenia dotyczą pomiaru temperatury odczytywanej co minutę, a potem następuje przesłanie danych w czasie 200ms. Nadajnik radiowy przy braku transmisji jest przełączany w tryb uśpienia, a czas powrotu do stanu aktywnego wynosi 50ms. Zgodnie z tymi założeniami w przeciągu 24 godzin czas działania będzie równy 60s ∙ 24h ∙ 250ms = 360s, a czas uśpienia 60 ∙ 60 ∙ 24–360s = 86040s. Przy znanym poborze prądu w trybie uśpienia (np. 10μA) i w stanie aktywnym (15mA) można obliczyć średnie dzienne zużycie energii na poziomie 1,5 mAh, a średnie dobowe zużycie prądu, równe 62μA. Można teraz wyznaczyć czas działania urządzenia przy wykorzystaniu różnych ogniw. Dla baterii alkalicznej E91, prądu 69μA i temperatur 0°C oraz +20°C pojemność wynosi odpowiednio 2217 i 2839 mAh. Odpowiada to czasowi działania równemu odpowiednio 1335 i 1892 dni. Nie zawsze jednak można się spotkać z tak prostymi przykładami. W rzeczywistych układach bardzo często układ radiowy nie tylko nadaje, ale i odbiera sygnały. Obliczenia dla hipotetycznego urządzenia radiowego wyglądają wówczas następująco:

• zużycie prądu w trybie podtrzymania: 50μA,
• zużycie prądu w trybie pomiaru: 8mA,
• zużycie prądu w trybie transmisji: 18mA,
• zużycie prądu w trybie odbioru: 14mA.

Rys. 2. Charakterystyka rozładowania ogniwa litowego L91 rozmiaru AA

Pomiar dowolnej wartości następuje co 200ms, a czas pojedynczego pomiaru to 5ms. Transmisja wyników prowadzona jest co sekundę. Wysyłany jest wtedy pakiet danych o rozmiarze 200 bajtów poprzez łącze radiowe o przepustowości 9600b/s. Dodatkowo, chwilę po transmisji ma miejsce odbiór pakietu danych kontrolnych o rozmiarze 200 bajtów. W takim wypadku obliczenia wyglądają następująco:

• czas pomiaru w ciągu dnia: 5ms ∙ 5 ∙ 60 ∙ 60 ∙ 24 = 2160s = 0,025 doby,
• czas transmisji i odbioru 200B / 9600 b/s + 200B / 9600 b/s = 0,333s ∙ 3600 = 0,333 doby,
• czas działania układu w trybie uśpienia: 86400s – 28771s – 2160s = 55469s = 0,642 doby,
• pobór energii dla pojedynczej transmisji: 0,1667s ∙ 18mA = 3 mAs,
• pobór energii w trybie odbioru: 0,1667s ∙ 14mA = 2,33 mAs,
• pobór energii podczas pomiaru: 5 ∙ 0,005s ∙ 8mA = 0,2 mAs,
• pobór energii w trybie podtrzymania: 0,642s ∙ 0,05mA = 0,0321 mAs.

Po sumowaniu widać, że łącznie w ciągu doby pobierana jest energia równa 5,5621 mAh, odpowiadająca średniemu natężeniu prądu 0,232mA. Po skorzystaniu z charakterystyk można obliczyć, że dla temperatury pracy +20°C układ zasilany baterią alkaliczną będzie działał 284 dni, a zasilany baterią litową 323 dni.

Damian Krzesimowski