Stromquellen für Funkanwendungen
Auswahlhilfe für Akkus und Batterien
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Testen- und Berechnen der Batterielebensdauer
Entwicklern wird empfohlen, die Eigenschaften der Batterie zu überprüfen, ob sie den Herstellerspezifikationen entspricht. Einige der für diese Aufgabe nützlichen Geräte sind ein Digitalmultimeter (DMM), ein Oszilloskop mit einer Stromsonde, ein Gleichstromanalysator, eine präzise Quelle (SMU, Source Measure Unit) und ein Leistungsanalysator zur Erfassung des vom Gerät aufgenommenen Stromverlaufs.
In der Tabelle sind zum Vergleich die Eigenschaften häufig verwendeter elektrochemischer Zellen für IoT-Anwendungen mit geringer Stromaufnahme gelistet. Diese wichtigen Parameter sollten bei der Auswahl berücksichtigt werden.
Zur schnellen Berechnung der Batterielebensdauer hat Semtech die Schritte und Formeln zusammengefasst – siehe Kasten: Berechnung von Batterielebensdauer und Kapazität.
Beispiel für die Batterieauswahl
Basierend auf den zuvor erläuterten Informationen folgt nun beispielhaft die Batterieauswahl für eine Sensoranwendung: den Tür- und Fenstersensor von Tabs, TBDW100-915 [3].
Die wesentlichen Parameter für die Wahl der Batterie sind:
- Baugröße: 50 mm × 20 mm × 50 mm
- Betriebstemperaturbereich: –20 bis +50 °C
- Maximale Spannung: 3,6 V
- Mindestspannung: 3,1 V
- Mindeststrom/Ruhestrom: 5 µA
- Maximaler Strom (Sendestrom): 135 mA
- Häufigkeit, mit der das Gerät pro
- Tag in Betrieb ist: 36
- Erwartete Batterielebensdauer: vier Jahre
Für die Funkübertragung wird LoRa eingesetzt, basierend auf der Sensorfunktion lässt sich nun die Stromaufnahme pro Stunde bei aktivem Gerät berechnen.
Die Parameter der LoRa-Funkkommunikation können konservativ geschätzt werden: Nutzlast = 8 Byte, Spreizfaktor SF = 10 und Bandbreite b = 125 kHz.
Basierend auf der Spezifikation des Transceiver-ICs SX12xx ergibt sich:
- Maximaler Strom/Sendestrom: 135 mA
- Sendezeit: 250 ms (berechnet mit LoRa-Rechner)
- Empfangszeit:
- Empfangsstromaufnahme: 13 mA
- Basierend auf der Sensor-IC-Spezifikation sind:
- Messstrom: ca. 4 mA
- Messzeit: 10 ms
- Zeitdauer, in der das IoT-Gerät pro Stunde in Betrieb ist: Sendezeit + Empfangszeit + Messzeit = 391 ms
- Stromaufnahme bei aktivem Gerät: Sendestrom + Empfangsstrom + Messstrom = 148 mA
- Entladung [%]: 15 % – Normalerweise wird die Batterie nicht vollständig genutzt.
Werden diese Werte für die Batterieberechnung (siehe Kasten: Berechnung von Batterielebensdauer und Kapazität) verwendet, ergibt sich eine erforderliche minimale Batteriekapazität zu 1200 mAh.
Basierend auf den in diesem Beispiel gesammelten Informationen lassen sich nun die wichtigsten Anforderungen für die Batteriewahl definieren:
- Für diese Anwendung, bei der es sich um einen Tür-/Fenstersensor handelt, ist kein Akku erforderlich. Stattdessen sollten Primärzellen gewählt werden.
- In Anbetracht der Abmessungen des Sensors wird eine Knopfzelle oder eine Zelle der Größe ½ AA in Betracht gezogen.
- Unter Berücksichtigung des Temperaturbereichs von –20 bis +50 °C und der Nennspannung 3,6 V muss man sich für eine Batteriebauart entscheiden, die diese Kriterien unterstützt.
- Der maximale Strom beträgt 135 mA, daher ist eine Batterie mit einem Spitzenlaststrom von >135 mA erforderlich. Die maximale Entladerate der Batteriespezifikation ist daher zu überprüfen. Weist die Batterie mit einer Kapazität von 1200 mAh eine maximale Entladerate von C auf, beträgt der unterstützte Spitzenstrom 1200 mA.
- Die erwartete Batterielebensdauer beträgt vier Jahre, und basierend auf der obigen Berechnung wird eine Batterie mit einer Kapazität von 1200 mAh und mehr benötigt.
Mit diesen wesentlichen Anforderungen lassen sich die Eigenschaften verfügbarer Batterien mit den Batterieanforderungen vergleichen und die richtige Batterie auswählen. Für das obige Beispiel wurde demnach eine Batterie mit 3,6 V; ½AA; Li-SOCI2; 1200 mAh ausgewählt, die alle Anforderungen erfüllt.
Unabhängig davon, ob bei der Wahl eines elektrochemischen Energiespeichers Primär- oder Sekundärzellen in Betracht gezogen werden, steht der Entwickler vor einer Vielzahl von Modellen.
Daher kann die Wahl der richtigen Batterie nicht auf exakte Wissenschaft reduziert werden. Nur selten erfüllt ein Batteriesystem alle Anforderungen für eine bestimmte Anwendung. Folglich beinhaltet der Auswahlprozess meist Kompromisse zwischen den Batterieanforderungen und -eigenschaften.
Die beschriebenen Schritte zur Wahl einer Batterie können Entwickler die Arbeit erleichtern:
- Die Batterieanforderungen feststellen.
- Ordnen der Anforderungen in der Reihenfolge ihrer Wichtigkeit und
- Vergleichen der Eigenschaften der verfügbaren Batterien mit den Batterieanforderungen.
Mit diesen drei Schritten lässt sich dann der erforderliche Kompromiss für die richtige Batterie finden.
Literatur
[1] Lithium Ion NCR18650B. Panasonic, Datenblatt, 2012, https://www.batteryspace.com/prod-specs/NCR18650B.pdf.
[2] Battery University. A freeeducational website, sponsored by Cadex Electronics Inc., https://batteryuniversity.com.
[3] Door & Window Sensor. TrackNet Inc, Reference Manual TBDW100-915 TBDW100-868, 2017.
[4] Calculate battery life. Semtech, Developer Portal, https://lora-developers.semtech.com/library/tech-papers-and-guides/the-book/calculate-battery-life#.
Die Autoren
Srinivas Naik
ist ein HF-Applikationsingenieur bei Semtech für Funk- und HF-ICs (LoRa und FSK) für den Einsatz in IoT-Anwendungen.
Vor seiner Tätigkeit bei Semtech arbeitete er bei der Broadcom Corporation. Naik hat einen Master-Abschluss in Elektrotechnik von der University of Texas, Dallas, USA.
snaik@semtech.com
Steven Jillings
ist leitender HF-Ingenieur im Bereich für Funk- und Sensor-ICs von Semtech. Er hat über 20 Jahre Erfahrung in der Elektronikentwicklung und war bei verschiedenen Unternehmen wie Phillips und Advantra tätig.
sjillings@semtech.com
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