Akumulator do zasilania elektroniki na mrozie

[NoUserName]

Witam,

Mam pytanie do doświadczonych elektroników - jaki akumulator wybrać w celu zasilania elektroniki w temperaturach, które mogą schodzić poniżej -20 st. C? Chodzi o pomiary terenowe, gdzie czujniki zagrzebane są w śniegu, na powierzchni wystaje nadajnik radiowy (ZigBee), całość zasilana jest właśnie z akumulatora. Bateria słoneczna odpada, ponieważ potrzebna jest ciągłość pomiarów, a niestety oświetlenie jest gorsze niż liche lub może okresowo go nie być. Elektronika ma działać na napięciu 3.6V - 5V, poprzez jakiś stabilizator, musiałbym również mieć informację o niskim poziomie zasilania. Prosiłbym o pomoc w tej kwestii, ponieważ nie jestem obeznany w tym temacie, a sytuacja też nie jest typowa.

Dziękuję i pozdrawiam!

[zaba]

O jakich prądach mówimy?? Sądzę, że o niewielkich, co utrudnia sprawę, niech kolega sprawdzi czy reszta układów w ogóle wytrzyma taką temperaturę.

Pomiar napięcia nie jest trudny i jest wiele układów stworzonych wprost do tego, ewentualnie można kombinować z jakimiś innymi rozwiązaniami, ale nie wiem czy jest sens.

Głównym problemem jest czy akumulator w ogóle wytrzyma pracę w takiej temperaturze, jak kolega wie akumulatory kwasowe sobie radzą na mrozie w samochodowych instalacjach, ale tam są nie porównywalnie większe prądy.
Może kolega rozważyć budowę pudełka trzymającego temperaturę, i ewentualnie coś, co mogłoby grzać całość do pewnej temperatury, tak jest to starta mocy, ale trzeba zaznaczyć, że przy niskiej temperaturze reakcje w akumulatorze przebiegają wolniej, co powoduje szybsze rozładowywanie i mniejszą trwałość akumulatora

[NoUserName]

Dziękuję za odpowiedź,

Prądy niewielkie - ZigBee w szale transmisji "pożera" ~25mA, czujniki ok. kilkunastu w sumie, co jakiś okres czasu to się dzieje, kilka razy na godzinę, a w międzyczasie urządzenia udają się na (nie)zasłużony odpoczynek.

Temperatura średnia roczna ok. -5 stopni C, ale mogą być ciężkie chwile, kiedy może zejść poniżej -20 np. na całą noc, dlatego takie wymagania.

Budowanie pudełka do konsumowania energii raczej nie wchodzi w grę, wolałbym mniejszy akumulatorek lub jakieś ogniwo bateryjne, ale żeby działało kilka miesięcy co najmniej, niż hiper-pojemny akumulator, którego trzeba będzie grzać. W grę wchodzą również koszty

Napięcie z akumulatora szłoby przez stabilizator jakiś z funkcją informacji o przekroczeniu pewnego progowego poziomu napięcia, więc to tutaj akurat tylko było wspomniane, wszystko zależy od akumulatora i napięcia przez niego oferowanego.

[atelszewski]

Witam,

czy reszta układów w ogóle wytrzyma taką temperaturę

Dla przykładu zerknąłem do noty atmega8: minimalna temperatura działania -55*C. Pewnie większość scalaków bez problemu poradzi sobie z temperaturą -20*C, a zwróciłbym szczególną uwagę, czy kwarce i kondensatory sobie poradzą.

[NoUserName]

@atelszewski

Nie będzie zbyt dużo zewnętrznej elektroniki. Układ ZigBit Atmela będzie dawał zegar na resztę rzeczy; czujniki Maxima oparte na 1-Wire podłączone będą poprzez driver serial <-> 1Wire do RS w układzie ZigBit (tam jest wbudowana ATmega128). Ot cała skomplikowana elektronika (swoją drogą i tak mam z tym problemy, bo jakkolwiek umiem sobie jako programista wybrać elementy i wiem jak mają działać od strony logicznej, to kondensatorki, rezystorki i inne rzeczy zwyczajowo umieszczane na PCB są dla mnie czarną magią - obecnie poszukuję dobrej duszy która mi to zaprojektuje więc uwagi co do kondensatorów są mile widziane i na miejscu). Tak wyglądała będzie sekcja pomiarowa. Ew. punkty pośrednie transmisji w postaci modułu ZigBit w trybie routera, które tak na prawdę nie będą miały żadnej elektroniki towarzyszącej. Ale najważniejsze jest zasilanie takiej sekcji pomiarowej, bo bez niej routery i tak nie będą miały co robić..

[atelszewski]

Witam,

Z tego, co widzę, to:
a) ZigBit może pracować od -20*C lub od -40*C (stabilność zegara może nieznacznie spaść),
b) np. DS1820 mierzy temperaturę od -55*C, czyli -20*C spokojnie wytrzyma,
c) DS2480B (serial <-> 1-wire) może pracować od -40*C więc wystarczy (btw, jeśli ZigBit ma wolny jeden port szeregowy, to sprawdź możliwość wykorzystania tego portu jako hardware-owy driver 1-wire, wtedy nie będziesz musiał stosować konwertera tylko ze dwa tranzystory, jest odpowiednia nota aplikacyjna Atmel-a na ten temat),

Do całości będziesz pewnie potrzbował z 4 kondensatory - nie wiem jak dokładnie wygląda z nimi sprawa, ale na tme.eu bez problemu znajdziesz tantala i ceramiczny, których minimalna temperatura zaczyna się od -55*C - polecam poszukać, a coś się na pewno znajdzie.

W sprawie zasilania, polecam artykuł z bierzącego numeru EP (12/2010) pt. "Projektowanie energooszczędnych układów elektronicznych".

Jeśli chodzi o akumulatorek, to z tego, co widzę na tme, najniższe temperatury wynoszą -20*C, czyli bylibyśmy na granicy, bez zapasu. Myślę, że pozostaje ci poszukiwać, bo coś się powinno znaleźć. Np. zerknij tutaj.

[NoUserName]

Witam ponownie,

ad. a) Konkretny wybrany moduł to ZigBit-900, tak, stabilność zegara może spaść, ale generalnie zakładam, że to będzie rzadka stosunkowo sytuacja

ad. c) biorąc pod uwagę problem z timingami przy komunikacji 1-wire i możliwą niestabilność zegara wolałbym użyć zewnętrznego układu; co prawda układ się kalibruje poprzez wysłanie polecenia na początku z prędkością 9600bps, więc i tak zależy od uC, ale przy większej ilości czujników łatwiej jest wysyłać i odbierać dane przez USART niż bezpośrednio bawić się timingami, kiedyś to przeszedłem na ATmega88 i szczerze mówiąc nie chciałbym już z tym się bawić

Dziękuję za literaturę i linki, skorzystam na pewno.

W razie pytań wrócę do tego tematu tutaj.

Pozdrawiam!

[atelszewski]

Witam,

ad. c) twój wybór, nie będę naciskał;) Ale jak zauważyłeś, master 1-wire kalibruje się na podstawie zegara UART, czyli czasy i tak będą zależały od tego, jak jest taktowany procesor. Z tego, co podaje producent, wynika, że niestabilność zegara może wystąpić przy temperaturze poniżej -20*C.

niż bezpośrednio bawić się timingami

Nie wiem, czy dobrze się zrozumieliśmy, ale w nocie, którą ci podesłałem jest opisany sposób jak wykorzystać UART do generowania czasów dla 1-wire, uwalniając programistę od dbania o czasy - trzeba by to tylko dobrze oprogramować. Myślę, że powinieneś tutaj rozważyć koszt wykorzystania UART-u jako driver-a do kosztu wykorzystania dedykowanego driver-a: tj. czas napisania oprogramowania, koszt rozwiązania układowego, czy PCB.

Na marginesie dodam, że nie realizowałem nigdy driver-a 1-wire z wykorzystaniem wyłącznie UART.

[kayron]

Jak masz możliwość to akumulator umieść blisko radiatora, jeżeli w urządzeniu grzeją się jakieś elementy, to na pewno zimą mu pomoże. Dodatkowo warto go zaizolować, aby sie nie wychładzał.

[NoUserName]

@atelszewski

IMHO czas napisania programu dla DS2480B będzie krótszy niż oprogramowania samego UARTa - ale mogę być w błędzie, czas pokaże Notkę przeczytałem, sprawa wygląda ciekawie, kiedyś pewnie to wypróbuję. Co do kosztów układów, to cały pomysł zostanie wykonany raz, może kilka razy, więc nie jest to aż tak ważny czynnik, jeżeli różnica będzie wynosiła kilka zł. Lwią część kosztów i tak będą generowały moduły radiowe.


@kayron
Dziękuję za podpowiedź, postaram się to wykorzystać również.

[zaba]

Dodam od siebie, izolacja to nie marny wydatek, akumulator skróci swoją żywotność i to już będzie koszt, poza tym niech kolega uważa na temperatury z pogranicza zera stopni, para lubi się wtedy skraplać i może doprowadzić do groźnych zwarć

[joon]

@zaba to punkt rosy, jest zwykle na poziomie paru stopni powyżej zera.
@kayron to ma być zasilane z baterii/aku przez dłuższy czas więc liniowego stabilizatora z duzymi stratami raczej nie będzie...
@atelszewski kwarc albo rtc lub podobne układy można bardzo prosto odizolować cieplnie od reszty układu i podgrzewać z wykorzystaniem naprawdę minimalnych układów
@NoUserName jeśli gabarytowo nie jesteś ograniczony to polecam kwasówkę na 6V plus szeregowo diody do ograniczenia napięcia (tanio) lub stabilizator impulsowy (wykorzystasz pojemność aku w prawie 100%).
Jeśli natomiast z miejscem jest lipton to połączenie aku nicd plus kondek o dużej pojemności plus wysyłanie danych jak najrzadziej. Wraz ze spadkiem temperatury wbrew pozorom nie maleje pojemność akumulatora lecz wzrasta jego rezystancja wewnętrzna dlatego odpowiednio dobrany kondensator będzie buforem energii podczas transmisji. Polecam poczytanie o modułach gsm gdzie prąd podczas impulsu wynosi 2A nawet.

[zaba]

Wzrost rezystancji spowoduje pozorny spadek pojemności ze względu na straty na rezystancji wewnętrznej.

Wracając, woda ma w niektórych dziwne właściwości i dobrze sublimuje i resublimuje w odpowiednich warunkach, poza tym na elementach pochłaniających światło temperatura szybko rośnie przy niewielkim oświetleniu, a przypomnę, że śnieg świetnie odbija promieniowanie, trzeba też pamiętać, że pracujące elementy wytwarzają ciepło, moja uwaga sprowadza się tylko do tego żeby użyć silikonu i uszczelnić wyprowadzenia, silikon łatwo usunąć w razie potrzeby.

[kayron]

@kayron to ma być zasilane z baterii/aku przez dłuższy czas więc liniowego stabilizatora z dużymi stratami raczej nie będzie...

A to tylko stabilizatory liniowe się grzeją ?? Wystarczy dowolny element mocy sterowany impulsowo. Jak by było tak pięknie jak ty piszesz to procesor by radiatora nie potrzebował.
A tak co do propozycji użycia silikonu, to w elektronice się go nie używa, bo ją niszczy.
Ogólnie najlepiej akumulatorowi zafundować sarkofag z styropianu, aby nie wychładzał się zbytnio i po części problemów.

[zaba]

Chodzi mi o coś uszczelniającego, wiem, że jest coś takiego właśnie do układów scalonych, można to spotkać przy podkręcanych do granic możliwości procesorach chłodzonych ciekłym azotem lub helem, albo podłączonych z układem z pompą ciśnieniową