Jak obliczyć ile czasu wytrzyma dane urządzenie na baterii 9v

[tomecki]

Jak obliczyć czas jaki wytrzyma dane urządzenie na baterii 9v. Przykładowo w zestawie jest arduino nano /klon/, moduł czytnika kart sd oraz moduł sensora temperatury i wilgotności.

Wiem, że lepiej użyć baterii 1,5v, ale bateria 9v lepiej się mieści do pudełka. 

[marek1707]

3 godziny temu, tomecki napisał:

Wiem, że lepiej użyć baterii 1,5v, ale bateria 9v lepiej się mieści do pudełka. 

A skąd to wiesz? Bo ja uważam, że najlepsza jest taka która wprost pasuje do postaci zasilania jakie potrzebujesz. Praktycznie niczego nie napędzisz z 1.5V więc żeby zrobić 3.3 lub 5V będziesz musiał użyć przetwornic podwyższających a te są z definicji gorsze (mniej sprawne za te same pieniądze) niż obniżające. Bardzo dobrze, że 9V mieści się do pudełka i takiej użyj. Pomiając fakt, że ogniwa AA mają mniejszą ilość energii (objętość jest kluczowa jeśli chemia jest podobna) niż 6F22.

A tak w ogóle to odpowiedź na pytanie o czas pracy nietrywialnych systemów jest - jak się zapewne domyślasz - trudna z jednego bardzo ważnego powodu: pobór prądu nie jest stały. Zacznij od tego, że źródło ma pewien zasób energii liczony w Wh. Z drugiej strony masz (w najprostszym przypadku) układzik pobierający np. 10mA na napięciu 3.3V. To przekłada się na moc 33mW, czyli że to coś będzie zużywać 0.033Wh w godzinę. Jeżeli dobra bateria alkaliczna 9V ma w sobie powiedzmy 5Wh (mają gdzieś tak od 4 do 5.5Wh) to z prostego rachunku Twoje urządzenie będzie na niej pracować ok. 150h. To jest najprostszy rachunek, nie uwzględniający mnóstwa czynników jak chociażby:

• Sprawność przetwornicy (lub innego bloku) zasilającego system. Trzeba przecież te 9V zamienić na coś użytecznego, a czasem na kilka napięć i to zawsze kosztuje od kilku do kilkudziesięciu % strat. Dlatego tak ważne jest dopasowanie baterii do wymagań systemu i sam wybór bloku zasilania.
• Sposób poboru prądu - nie zawsze urządzenia pobierają ciągle tyle samo. Baterie lubią małe i stałe pobory i zwykle mają pewną granicę powyżej której wyraźnie "przysiadają". Akurat bateria 9V ma bardzo małą obciążalność.
• Poziom napięcia do którego można baterię "wyssać". Producenci podają wyniki swoich pomiarów dla konkretnych warunków rozładowania tj. wielkość prądu, sposób użycia (np. ile godzin dziennie) oraz końcowe napięcie. Jeżeli Twój system bedzie odmawiał pracy przy wyższym napięciu niż przewidział producent, to nie wyczerpiesz całej pojemności baterii. Przykładowo jeśli baterię 9V mierzyli do 4.8V (to standard) a Ty masz 5V procesor a na dodatek jego przetwornica DCDC potrzebuje na wejściu min. 6V, to urządzenie zdechnie właśnie przy 6V, mimo że w baterii zostanie jeszcze teoretycznie z 10-15% energii.
• Temperatura pracy. Baterie dobrze działają w temperaturach pokojowych i okolicach, powiedzmy 0..+50°C. W minusach gwałtownie rośnie im rezystancja i spada pojemność a wysoko w cieple wybuchają lub wylewają. Także jeśli urządzenie ma znosić ciężkie warunki klimatyczne to przewymiarowanie baterii np. 3-krotne nie jest niczym niezwykłym. A specjalne baterie/akumulatory dobrze radzące sobie w takich ekstremach są wielokrotnie droższe.

Do prostych obliczeń możesz wziąć pobór procesora przy danym napięciu i prędkości zegara (to bardzo ważny parametr dla układów cyfrowych) oraz koniecznie musisz się zastanowić jak będziesz używał tej karty, bo to ona będzie głównym pożeraczem prądu. Podczas zapisu może wciągać nawet 10-20 razy więcej mocy niż procesor Arduino. Czujniki zwykle potrzebują niedużo, chyba że są jakieś bardzo aktywne typu ultradźwięki, bariery opto, pomiar stężeń gazów metodami optycznymi (NDIR) lub cieplnymi. Jeśli ograniczysz się tylko do temperatury i wilgotności to na razie w ogóle możesz to pominąć w budżecie prądu.

Podsumowując: dobra wiadomość jest taka, że do obliczeń wystarczy znać średni pobór mocy i pojemność źródła. Zła, że na średni pobór mocy ma wpływ właściwie każdy element systemu począwszy od bloku zasilania przez procesor i całą resztę sprzętu a skończywszy na oprogramowaniu, które może procesor zatrzymywać, rozpędzać, usypiać i to samo robić z pozostałymi blokami. W zasadzie nie mając gotowego kodu w którym na cyzelowanie/minimalizację poborów energii nie zużyłeś 30% całego czasu pisania, to nie jesteś w stanie precyzyjnie odpowiedzieć na zadane w temacie pytanie. A z gruba to wiadomo, nie znając dokładnie tego co chcesz zrobić i co to ma robić, można pomylić się pewnie i 100 razy. Może więc napisz coś więcej? Czy jakaś interakcja z użytkownikiem? Jakieś LEDy? Czy urządzenie w pełni autonomiczne? Jak często i co ma robić? 

 

[tomecki]

Cytat

Używanie baterii 9V o małych pojemnościach jest przyczyną częstych problemów wielu początkujących. Dlatego należy unikać tych ogniw i stosować w zamian wydajniejsze źródła zasilania, takie jak baterie AA lub odpowiednie akumulatory.

https://forbot.pl/blog/sprawdzone-sposoby-zasilanie-mikrokontrolera-id2531

Moje założenie, co do małego poboru prądu przez arduino nano było jednak błędne. 

Układ jest prosty - co 15/30 minut dane z sensora wilgoci/temperatury mają być zapisywane na karcie sd. 

Już znalazłem rozwiązanie - budowa/modyfikacja własnego  arduino, bez stabilizatorów, diod itd. Należy zainstalować przetwornicę step-up, która będzie zasilała nawet napięciem 0,8 v. Taka modyfikacja spowoduje, że układ może pracować nawet rok na 2 paluszkach.

https://www.mysensors.org/build/battery 

[marek1707]

Wszystko jest względne. Nie możesz brać dosłownie takich cytatów, bo była to porada dla początkujących, próbujących odpalić z bateryjki 9V robota z dwoma silnikami. Wtedy rzecz jasna całość zdechnie, bo przekroczona jest granica zdrowego rozsądku. Jeżeli na rezystancji wewnętrznej baterii miałbyś tracić 30% albo połowę mocy to projekt jest nie do obrony - a tak właśnie jest w przypadku zasilania napędów z 6F22. Przecież takie źródełko jest polecane do naszych zestawów elektronicznych i radzi sobie dobrze, dopóki nie przyjdzie komuś do głowy odpalenie z tego serwomechanizmów czy jeżdżących robotów. To prosta zależność: pojemność (ilość energii) bierze się z objętości a jej postać (prąd/napięcie) ze struktury/organizacji stosu ogniw. Jeśli potrzebujesz dużo energii to płacisz za to czysto fizyczną objętością baterii. A z kolei postać dobierasz do tego co jest najwygodniejsze. I tak jak napisałem: jazda z napięciem pod górkę jest najgorszym rozwiązaniem więc albo dajesz mały zapasik i LDO albo przynajmniej 1.5..2-krotny i megaoszczędne DCDC buck z trybem burst lub PFM.

56 minut temu, tomecki napisał:

Moje założenie, co do małego poboru prądu przez arduino nano było jednak błędne

Znów - piszesz jakieś zasłyszane bzdur,y a poza tym bez liczb słowo "małe" jest względne. Na jakiej podstawie twierdzisz takie rzeczy? Rzeczywiście, kilka mA wydaje się dużo w porównaniu z zerem albo z prądem pobieranym przez zegarek na ręku, ale przy odrobinie sprawności programistycznej (to są te mechanizmy o których nie możesz mieć pojęcia dopóki nie wgryziesz się w strukturę systemu zarządzania zasilaniem i drzewem zegarów procesorka) możesz zejść do uA średniego prądu wciąż zachowując pełną funckjonalność takiego loggera. A wtedy czas pracy rośnie o rzędy wielkości. 

1 godzinę temu, tomecki napisał:

Układ jest prosty - co 15/30 minut dane z sensora wilgoci/temperatury mają być zapisywane na karcie sd.

To potwierdza moją tezę, że nie masz żadnych podstaw twierdzić to co wyżej. Odpowiedni projekt sprzętu i oprogramowania i lądujesz ze 100 razy dłuższym czasem pracy. Normalnie gdy zasilasz Arduino z USB albo gdy na pokładzie masz silniki to nikt takimi rzeczami się nie przejmuje i dlatego niewiele jest materiałów o oszczędzaniu, ale to nie znaczy, że nic nie ma. Nowoczesne procesory mają bardzo rozbudowane mechanizmy zmniejszania poboru mocy - to żadna magia, więc.. wystarczy czytać, chłonąć wiedzę i stosować ja w praktyce.

1 godzinę temu, tomecki napisał:

Już znalazłem rozwiązanie - budowa/modyfikacja własnego  arduino, bez stabilizatorów, diod itd. Należy zainstalować przetwornicę step-up, która będzie zasilała nawet napięciem 0,8 v. Taka modyfikacja spowoduje, że układ może pracować nawet rok na 2 paluszkach.

Biedaku, niczego się nie uczysz więc nie dziwne, że pleciesz pierwsze co przeczytasz w sieci. Budowa własnego Arduino jest zacna (choć pewnie taniej możesz kupić Nano Pro które jest właśnie takim okrojonym zestawem wyłącznie z niebędnymi rzeczami), ale już przetwornice DCDC są skrajnie nieefektywne przy bardzo małych poborach prądu a jeśli Twój układ ma budzić się raz na kwadrans na sekundę to ponad 99% czasu będzie spędzał właśnie w stanie uśpienia. To znaczy, że w ostatecznym budżecie marna  sprawność przetwornicy pracującej z zerowym obciążeniem będzie stanowić 50% całej pobieranej energii. Acha, przy okazji sprawdź jakim prądem dysponujesz na wyjściu tego swojego układu gdy dostanie <1V i czy starczy go do zasilenia choćby karty SD podczas zapisu. Nie ma sensu żyłować dwóch ogniw AA poniżej 1V/ogniwo, bo poniżej tej granicy zostaje w nich może z 0.1% energii więc drogi układ rozładowujący każdego z nich do 0.45V jest głupim pomysłem. Może zamiast podejmować losowe decyzje zacznij od obejrzenia charakterystyk rozładowania tego typu ogniw? Zarówno 6F22 jak i AA czy AAA? Każdy producent publikuje takie dane a kształt tej krzywej powinieneś zawsze mieć przed oczami gdy planujesz efektywne korzystanie z takiego zasilania. Zwisający prawie pionowo w dół ogonek po prawej stronie wykresu pokazuje, że nie ma sensu planowanie głębokich rozładowań bo nic na tym nie zyskujesz, zgodzisz się?

W podsumowaniu wskazówka: w tego typu bateryjnych i superoszczędnych projektach najlepiej sprawdza się niewielki naddatek napięcia wejściowego, np. jeśli potrzebujesz 3.3V to bierzesz 3xAAA. Do tego niskomocowy stabilizator liniowy LDO (tak, tak) dostarczający zasilania do wszystkiego. Jego prąd powinien być większy niż maksymalny prąd całości w stanie pracy, ale dziś są takie co pobierają 1uA a dają ponad 150mA i potrzebują jedynie 50mV spadku na sobie. Niewiele jest przetwornic DCDC które wygrają z takim zestawem. Do tego usypianie procesora i korzystanie tylko z niebędnych jego zasobów plus wymiana w projekcie karty SD, która jest absurdalnie duża i energochłonna jak na potrzeby tego co chcesz zapsiać na jakąś szeregową pamięć FLASH lub nawet EEPROM. Przy zapamiętywaniu kilku bajtów danych raz na kwadrans pierwszy z brzegu układzik 1Mbit starczy na lata pracy. W praktyce przekłada się to na zakup wersji 3.3V Arduino Nano Pro, ew. wymianę jego stabilizatora na oszczędniejszy (a najbardziej skrajnej wersji wywalenie go w ogóle), zasilanie tego z lekko tylko wyższego napięcia - w wersji LDO to np. 3x1.5V a bez stabilizatora - wprost z 2x1.5V i ciężka praca nad programem zarządzającym cyklem pomiarowym. Obowiązkowo warto pomyśleć nad zmianą sposobu taktowania procesora. W wersji ekstremalnej: kwarc 32kHz ale zwykle ląduje się z wewn. generatorem RC 1MHz ew. dzielonym wg. potrzeb. W wersji bez LDO trzeba się upewnić, że wszystkie układy przeżyją przy zasilaniu np. 2.5V, ale to już zmartwienie projektanta by dobrać je odpowiednio. Wersja z LDO zwalnia z tego kłopotu, ale kosztuje dodatkowe ogniwo. Trzeba dobrze wybrać. Przykład wygodnej pamięci szeregowej:

https://www.tme.eu/pl/details/24aa1025-i_p/pamieci-eeprom-szeregowe/microchip-technology/

Jeżeli jeszcze na dodatek będziesz buforować w RAMie procesora dane dla zapisu całej strony (czyli robić zapis raz na kilka godzin) to średni pobór prądu wyjdzcie może 1% większy niż prąd spoczynkowy tego chipu, który jest na poziomie uA. Nad kartą SD nie masz takiej kontroli, a skomplikowanie przekładające się na czas pracy i liczbę operacji zapisu/odczytu sektorów w bibliotece obsługi FAT także kosztuje mnóstwo cennej energii. Także jakakolwiek karta pamięci pasuje tu jak pięść do nosa. 

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[tomecki]

Dziękuję za konstruktywne uwagi. Czy ktoś może próbował już usypiać arduino? Myślę, że wybudzanie arduino np. co 30 minut znacznie zmniejszy zużycie prądu. 

[ethanak]

Jakie znowu arduino... może sprecyzujesz?

Jeśli tak jak mówiłeś chcesz zrobić "własne arduino tylko inne" to to już nie będzie arduino.

Arduino Pro Mini (oryginał, a nie klony) ma na płytce zworki, które można rozlutować tak, aby uzyskać właśnie wersję przystosowaną do usypiania. Tyle, że wtedy z całego Arduino zostaje ATmega, kwarc i przycisk reset... czy to jeszcze Arduino?

Poza tym Pro Mini stosunkowo łatwo jest "przerobić" na wersję o mniejszym poborze prądu za pomocą kombinerek (wyrywasz diody i stabilizator). Z Nano ta sztuczka nie wyjdzie bo oprócz procesora ma jeszcze ten śmieszny układ USB który też żre prąd.

Jeśli upierasz się że to ma być Arduino - użyj przerobionego Pro Mini w wersji 3.3V (nie chodzi tu o napięcie zasilania, możesz go spokojnie zasilić z 5V, ale o zegar 8 MHz zamiast 16). A poniewa EEPROM też ma dość szeroki zakres napięcia zasilania, czujnik typu DHT22 również - 3 x AAA możesz zastosować bez stabilizatora.

[tomecki]

Z tego co wiem, to praktycznie do każdej atmegi można wgrać bootloader i programować jako arduino. O takich kombinacjach myślałem - wtedy nie trzeba nic usuwać.