¿Un regulador de voltaje 7805 de 5 V drenaría una batería de 9 V?

Question

Haciendo algo de bricolaje como pasatiempo, estoy haciendo un pequeño sensor de humedad y temperatura por radio.

Un ATmega328 está leyendo de un sensor DHT11 y luego transmitiendo datos a una Raspberry Pi por un transmisor de radio STX882. Está alimentado por una batería de 9 V usando un regulador de 5 V 7805 con capacitancias de 10 µF y 100 µF.

El código en C en el ATmega está leyendo humedad y temperatura y luego enviándolo cada 30 minutos:

const unsigned long DELAY = 30*60*1000UL;    // 30 minutos
void loop() {
    delay(DELAY);
    send_data(); // Tal vez un poco complicado, pero creo que no es el punto
}

Esto funcionaba perfectamente, pero la duración de la batería ha sido inesperadamente corta. Era nueva y hice algunas pruebas esporádicas con un corto retraso, sin calor anormal proviniendo de ningún lugar.

Cuando estaba satisfecho, puse el retraso de 30 minutos y lo dejé solo (¿quizás un poco arriesgado?), pero después de menos de 24 horas, la batería estaba muerta a 5.4 V. Sin embargo, el retraso de 30 minutos aproximadamente se respetó para su vida útil.

¿Qué podría explicar una duración tan corta de la batería? ¿Podría ser el regulador de 5 V? ¿Cómo podría construir un circuito de larga duración?

PD: Todavía estoy intentando crear un diagrama en Fritzing, pero esto lleva tiempo para novatos como yo...

Usé una batería alcalina genérica de 9 V de marca 6lp3146 que aparentemente proporciona 300-500 mAh a 100 mA de corriente, que es mucho más de lo que utiliza mi circuito.

Aquí está toda la información que pude recopilar del datasheet:

+-----------------+-------------+----------+-----------+---------+
|                 | DHT11       | STX882   | ATmega328 | 7805reg |
+-----------------+-------------+----------+-----------+---------+
| Voltaje         | 3-5.5 V     | 1.2-6 V  | 2.7-5.5 V |         |
+-----------------+-------------+----------+-----------+---------+
| Corriente activa | 0.5-2.5 mA  | 34 mA    | 1.5 mA    |         |
+-----------------+-------------+----------+-----------+---------+
| Corriente en espera | 0.1-0.15 mA | <0.01 µA | 1 µA      | 4-8 mA* |
+-----------------+-------------+----------+-----------+---------+
*"corriente de polarización"

Si entiendo correctamente, mi sistema está activo durante unos segundos cada 30 minutos, por lo que la corriente en espera es todo lo que debería importar, y efectivamente es controlada por el regulador 7805.

Por lo tanto, sí, en el peor de los casos, con 300 mAh debería poder mantener el sistema funcionando durante solo 40 horas.

¿Hay alguna forma en la que podría alimentar mi sistema con 5 V durante mucho más tiempo sin aumentar mucho el tamaño?

Para que quede constancia, aquí hay un video muy bueno sobre los reguladores LM frente a los convertidores buck: Convertidor buck vs. regulador de voltaje lineal - comparación práctica

Answer 1

 

¿Qué podría explicar una duración de la batería tan corta? ¿Podría ser el regulador de 5v?

Como se mencionó, el 7805 tiene aproximadamente 4 mA de corriente en reposo. Necesitas encontrar una hoja de datos para la batería (Eveready tiene hojas de datos agradables sobre baterías, si estás utilizando una celda alcalina). Probablemente no sea más de 100mAh: 100mAh / 4 mA = 25 horas, así que eso debería decirte algo.

 

¿Cómo podría construir un circuito de larga duración?

El 7805 es una tecnología antigua. Hay reguladores lineales nuevos y mejores disponibles. Deberías poder encontrar algo que use 10 veces menos corriente en reposo, y con una búsqueda incluso menos que eso.

Para utilizar aún menos energía, usarías un convertidor buck diseñado específicamente para corriente en reposo baja, pero supongo que no estás listo para diseñar uno en un tablero a nivel de componente. Puede haber un módulo que haga el trabajo, pero tendrás que buscarlo. TI tiene algunos módulos de convertidor buck, pero deberás prestar mucha atención a sus capacidades, tanto para la entrega máxima de corriente como para la corriente en reposo.

Para usar aún menos energía, haz todo lo posible para minimizar el consumo de corriente de tu circuito cuando esté en reposo. Esto requerirá un uso cuidadoso de la función de reposo del microprocesador, así como gestionar cómo se alimenta la placa (por ejemplo, si solo se enciende una vez cada 30 minutos, es probable que quieras apagar la alimentación de la radio y las partes del circuito que leen la humedad).

Mide el consumo de corriente en todos los modos de funcionamiento y úsalo para determinar qué modos son los peores infractores en general, luego concéntrate en minimizar las corrientes en esos modos si puedes.

Answer 2

Todas esas piezas pueden funcionar de 3 a 5V, así que utiliza una batería que no necesite un regulador, una celda de 16500 Li-ion, o un paquete de baterías 3xAAA son aproximadamente del mismo tamaño que la de 9V y producen voltajes en ese rango. (o incluso una celda Li-po)

Sin el regulador, el microcontrolador puede apagarse y el circuito solo necesitará unos pocos microamperios.

Answer 3

La corriente en reposo de un regulador 7805 es de alrededor de 4 mA, por lo tanto, armado con la capacidad en amperios-hora de tu batería, calcula cuánto tiempo durará con un consumo continuo de 4 mA.

Si determinas que ese es el problema, encontrarás que hay muchos reguladores con una corriente de reposo significativamente más baja.

Una vez que la batería llegue a alrededor de 7 voltios, estarás en una pendiente descendente resbaladiza porque el regulador 7805 requiere un par de voltios de margen para regular correctamente y estimaría (una suposición rápida) que alrededor de 6.5 voltios el circuito fallará.

Considerando lo que acabo de mencionar, estimo que solo el 50% de la capacidad declarada de la batería es utilizable antes de que el circuito se rinda. Tenlo en cuenta.

Answer 4

Estoy ejecutando nodos de sensor similares con resultados mucho mejores. Mi configuración tiene algunas diferencias con la tuya:

• Estoy ejecutando el µc directamente (sin regulador) desde baterías LiPo 1S recargables (3.7 V nominal) originalmente vendidas (muy baratas y con un cargador USB correspondiente) para mini drones. Todo el rango de voltaje (4.3 V - 3.5 V) es aceptable para el µc. 1
• Alimento los periféricos (el sensor y el transmisor en tu caso) desde un pin de puerto que puedo encender antes de la medición y apagar después. (Estoy usando BME280 en lugar de DHT11 pero el consumo de energía no debería ser un problema.)
• Después de transmitir la medición y apagar los periféricos, envío el µc a sueño profundo. 2

1 Estoy usando con éxito ESP8266, aunque por supuesto nunca lo recomendaría porque su Vcc máximo absoluto documentado es de 3.6 V, creo.
2 Para mi ESP8266 despertar del sueño profundo es como un reinicio, por lo que el código comenzará a ejecutarse en la parte superior de setup(), pero con tu ATmega328 esto no es un problema.

Answer 5

Muy similar a "¿cómo es que mi sistema solar/batería/inversor tiene tan poco alcance?" porque el inversor está encendido todo el tiempo. Utilice diferentes cargas que funcionen directamente con la batería y elimine la conversión de voltaje innecesaria.

Has completado el curso de ingeniería 101, has juntado las piezas y funcionan. La ingeniería 202 es hacer que funcionen lo suficientemente eficientes como para ser útiles.

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Como se mencionó anteriormente, deshazte del inversor - quiero decir, del regulador. Selecciona baterías que puedan funcionar directamente, como tres baterías de 1.5V @ 4.5 voltios. (Dos no serían suficientes ya que caerían por debajo de 3V muy pronto; o tal vez ¡inténtalo!).

También piensa en baterías más grandes - las baterías de 9V tienen una capacidad ridículamente pequeña, ¡especialmente cuando desperdicias 2/3 de la capacidad! (La electrónica necesita 3V, estás tomando 9V y desperdiciando el resto como calor). Piensa a lo grande: las baterías tipo D serán tus amigas si buscas durabilidad.

Las cámaras para ciervos típicamente tienen dos bancos completos de baterías D, puedes usar uno o ambos, y pueden durar toda una temporada.

Además, el consumo de corriente en reposo del ATMega es impresionante, pero el STX882 y el sensor, no tanto. Intenta encontrar una manera de hacer que el ATMega apague físicamente la alimentación a los otros dispositivos cuando no se necesiten. La forma más barata y cutre de hacer esto es con un pequeño relé, pero un transistor de potencia también haría el trabajo.

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Un último truco. Puede que no valga la pena hacerlo dependiendo de cuál sea el ciclo de trabajo por el que el sistema está encendido, pero vale la pena mencionarlo. En los últimos años, las CPUs pasaron de 5V a 3.3V. ¿Por qué? Porque operan con corriente; el voltaje más allá de lo mínimo no ayuda en la operación y solo disipa más calor. A medida que las CPUs se volvieron más potentes, los problemas térmicos se convirtieron en el factor limitante, por lo que reducir el voltaje a los mínimos permitió un funcionamiento más fresco y más rendimiento con el mismo disipador de calor. Lo mismo se aplica a tu electrónica.

Estás apuntando a funcionar a 5V, en el límite superior del rango de voltaje permitido. Mi propuesta de 3xAA te coloca en 4.5V pero considera hacer una elección de batería diferente que vaya aún más bajo: como las baterías de Litio o tres NiCd/NiMH (3.6V). NiMH tiene más capacidad, pero NiCD tiene una resistencia verdaderamente increíble al abuso y a la descarga profunda.