ESP8266 i Li-ion projekt zasilania

Budowa bezprzewodowego miernika wilgotności w oparciu o chiński czujnik pojemnościowy rozkręca się powoli. Oj powoli. W tym tempie mogę nie zdążyć na kolejny sezon ogrodowy. Ale czasami ważniejsze jest by gonić króliczka ...
Więc dziś pogoń za zasilaczem bateryjnym dla ESP8266.


Temat niby ograny ale na hasło "ESP8266 Li-ion" i pokrewne trudno doszukać się w Google jednego zadowalającego rozwiązania. Jedno jest pewne. Bezpośrednie połączenie jakiegokolwiek ogniwa litowo-jonowego do modułu zakończy się jego skasowaniem (oczywiście modułu a czasem i ogniwa). Jedyny sprawdzony sposób to zasilenie ESP poprzez stabilizator LDO (Low Dropout) czyli taki z niewielkim spadkiem napięcia na układzie. Niewielkim to znaczy jakim?

Zacznijmy od początku
Zasilanie mikroporocesora z baterii to inżynierski problem nie istniejący w układach zasilanych z sieci. Tam nie mamy praktycznie żadnych ograniczeń. W większości przypadków dowolne połączenie zasilacza z układem mikroprocesorowym działa. Byle napięcie wyjściowe zasilacza zgadzało się z napięciem mikrokontrolera.

Czy powyższy schemat zasilania układu ESP jest właściwy gdy Vcc pochodzić będzie z akumulatora Li-ion? Może tak, może nie. Trzeb sprawdzić.

W zasilaniu bateryjnym podstawowym ograniczeniem jest wielkość napięcia, pojemność źródła i zmiany napięcia spowodowane jego rozładowywaniem. Stawia to wysokie wymagania wobec zastosowanego zasilacza a sam proces jego projektowania bywa kłopotliwy.

ESP można zasilać napięciem 2,5 - 3,6 V. Typową wartością  w większości układów jest 3,3V.
Akumulator Li-ion powinien pracować w zakresie 4,2- 3 V. Charakterystyka napięcia w funkcji pojemności pozwoli określić rzeczywisty zakres pracy napięciowej ogniwa

Jeśli założymy granicę rozładowania ogniwa na 20% to napięcie zmieniać się nam będzie w zakresie 4,2 do 3,6 V
Przy zasilaniu ESP napięciem  3,3 V maksymalny spadek na stabilizatorze to 0,3 V
Dla 3 V zasilania procesora spadek może być większy - 0,6 V

To już coś wiemy. Szukamy stabilizatora LDO z napięciem dropout między 0,3, a 0,6 V. To napięcie jednak w mocno zależy od prądu wyjściowego stabilizatora. Potrzebujemy więc wartości maksymalnego prądu ESP by dobrać właściwy stabilizator.

Dokumentacja ESP podaje maksymalny prąd rzędu 170 mA  (przy zasilaniu 3V).
Guzik prawda.
Przy starcie procesor potrzebuje go znacznie więcej.
I tak dla modułu ESP-01 pomierzony w praktyce pobór prądu ma taki przebieg

dla modułu D1MINI przebiegi prądu są nieco inne

Skąd te różnice w wielkości maksymalnych wartości prądu? Nie jestem pewien ale mogą one wynikać z różnych wartości pojemności blokujących zasilanie w obu modułach.

Nie jest to aż tak istotne. Ważniejsze jest iż informacja o 170 mA potrzebnych do pracy ESP nie jest prawdziwa. W rzeczywistości potrzebujemy stabilizatora o dwukrotnie większej wydajności. Możemy też dołączyć dodatkowe pojemności blokujące zdolne do przejęcia zasilania ESP w pikach poboru.

Do stabilizatora przyłączony też będzie pojemnościowy czujnik wilgotności. Zwiększy to pobór prądu o 10 mA. Bez większego znaczenia.

Czyli szukamy stabilizatora o prądzie wyjściowym co najmniej z zakresu 250 - 400 mA. Dla prądów poniżej 400 mA należy dobrać dodatkowy kondensator w zasilaniu.

Trzeci ważny element to prąd własny stabilizatora. Najlepiej by parametr Quiescent Current
czyli prąd pobierany przez stabilizator przy zerowym wyjściowym prądzie był mały. Mały to znaczy mniejszy lub porównywalny z prądem mikrokontrolera w stanie uśpienia. A to oznacza prądy rzędu dziesiątek lub setek uA.

I ostatnia rzecz - obudowa. Jak dla mnie musi być na tyle duża by dało się ją wygodnie polutować na standardowej prototypowej płytce. Ot takie TO220 np.

Szukamy więc takiego stabilizatora. CZAS START .........

popularny LF33 
I max - 1 A     (ok)
Dropout voltage 0,2V dla 0,2A  0,4V dla 0,5 A (nieźle)
Quiescent current 500 uA (sporo za dużo)
obudowa - TO220 /FP, DPAK (b dobrze)
dostępność cena - b. dostępny, tani 0,3$ dostępny też w wersji 2,5 V
https://dl.btc.pl/kamami_wa/lfxxab.pdf

LM78D33 
I max - 1 A     (ok)
Dropout voltage 0,5V dla 1 A (ok)
Quiescent current 10mA (nie do przyjęcia)
obudowa - TO220 /FP, DPAK (b dobrze)
http://www.taitroncomponents.com/catalog/Datasheet/LM78D25.pdf

TS2940CZ33
I max - 1 A     (ok)
Dropout voltage 0,3V dla 0,5 A (ok)
Quiescent current 10mA (nie do przyjęcia)
obudowa - TO220 /FP, DPAK (b dobrze)
https://www.mouser.com/ds/2/395/TS2940_D15-1115110.pdf

TC1264 -3.3
I max - 0,8 A     (ok)
Dropout voltage 0,26V dla 0,5A   (ok)
Quiescent current 80 uA (ok)
obudowa - TO220 /FP, DPAK (b dobrze)
dostępność cena -  dostępny, tani 4 zł
https://dl.btc.pl/kamami_wa/tc1264.pdf

MCP1700
I max - 0,25 A     (na granicy) max 0,4A zwarcie
Dropout voltage 0,18V dla 0,25A   (ok)
Quiescent current 1,6 uA (super)
obudowa - TO92 , SOT 23 (b dobrze)
dostępność cena -  dostępny, tani 2 zł dostępny w wersji 3V
https://docs-emea.rs-online.com/webdocs/137e/0900766b8137eacf.pdf

LDS3985
I max - 0,3 A     (na granicy) max 0,6 A zwarcie
Dropout voltage 0,15V dla 0,3A   (ok)
Quiescent current 85 uA (ok)
obudowa - , SOT 23 (ok)
dostępność cena -  dostępny, tani 4 zł dostępny w wersji 2,5V
https://dl.btc.pl/kamami_wa/lds3985xx.pdf

 LM1108
I max - 0,3 A     (na granicy) max 0,4 A max
Dropout voltage 0,3V dla 0,3A   (ok)
Quiescent current 15 uA (b.dobrze)
obudowa - , SOT 23 (ok)
dostępność cena -  dostępny, tani 1 zł
https://www.maritex.com.pl/product/attachment/41136/LM1108SF.pdf

TJ3965 ( LM3965)
I max - 1,5 A     (ok)
Dropout voltage 0,2V dla 0,5A   (ok)
Quiescent current 30 uA (b.dobrze)
obudowa - ,TO220 SOT 23 (ok)
dostępność cena -  dostępny, tani 1 zł
https://www.maritex.com.pl/product/attachment/42164/LM3965.pdf

LT1129-3.3
I max - 0,7 A     (ok)
Dropout voltage 0,45V dla 0,5A   (ok)
Quiescent current 50 uA (b.dobrze)
obudowa - ,TO220 SOT 223 (ok)
dostępność
http://www.image.micros.com.pl/_dane_techniczne_auto/st1129ltcst-3.3.pdf

MCP1825/6 /7
I max - 0,5/1/1,5A     (ok)
Dropout voltage 0,15V dla 0,6A   (ok)
Quiescent current 120 uA (ok)
obudowa - ,TO220 SOT 223 (ok)
dostępność
https://www.st.com/resource/en/datasheet/cd00000546.pdf

MIC5209
I max - 0,5     (ok)
Dropout voltage 0,35V dla 0,5A   (ok)
Quiescent current 80 uA (ok)
obudowa - ,SOT 223 (ok)
dostępność
https://www.tme.eu/pl/Document/777a673a6a95b0f7f3c91b351081be00/MIC5209-DTE.pdf

SPX3819
I max - 0,5     (ok)
Dropout voltage 0,35V dla 0,5A   (ok)
Quiescent current 90 uA (ok)
obudowa - ,SOT 223 (ok)
dostępność

MIC5501
I max - 0,3     (na granicy)
Dropout voltage 0,16V dla 0,3A   (b.dobrze)
Quiescent current 38 uA (ok)
obudowa - ,SOT 223 (ok)


Zobaczmy co jest dostępne w moim ulubionym sklepie TME. Wybrałem cztery stabilizatory
MCP1827 3,3 V i 3,0 V
TC1264 -3.3 V
MCP1700 3,3V i 3,0V
MIC5501 3,3V i 3,0V

Teraz chwilę oczekiwania na dostawę i ciąg dalszy

Przydatne strony

karta katalogowa ESP8266
zasilanie bateryjne ESP

Poprzednie wpisy w tym temacie
http://100-x-arduino.blogspot.com/2018/12/bezprzewodowy-miernik-wilgotnosci-gleby.html
http://100-x-arduino.blogspot.com/2017/03/bezprzewodowy-miernik-wilgotnosci-gleby.html