Het emuleren van een batterij in een IoT-apparaat; een lastige taak

Wie ooit heeft geworsteld met het emuleren van een batterij in een IoT-apparaat mag zijn hand opsteken. En ja, we weten het - een opstelling maken die net zo realistisch is als die van het afgewerkte product, met de batterij vlakbij de elektronica, is verre van simpel. Vandaag willen we enkele waardevolle tips delen over hoe je dit voor elkaar kunt krijgen.

Hierbij een TL; DR-samenvatting voor degenen die haast hebben:

• Hoe langer de afstand, hoe hoger de weerstand – vergeet niet dat de batterij in het product zich waarschijnlijk zeer dicht bij de elektronica bevindt, terwijl je testopstelling waarschijnlijk langere kabels heeft die een dergelijke nauwe verbinding in de weg staan.
• Pas op voor hoge weerstand – deze kan fataal blijken te zijn, bijvoorbeeld wanneer een plotselinge stroomstoot een spanningsval in de draden veroorzaakt, waardoor het systeem wordt gereset.
• Weerstand-hack #1: Minimaliseer de weerstand door korte en massieve kabels te kiezen.
• Weerstand-hack #2: Zorg voor een reservoir-energiebron door een of meerdere condensators rechtstreeks op de spanningsingang van het apparaat aan te sluiten.
• Vergeet niet dat het belangrijk is om de juiste condensator te kiezen (optimale ESR + condensatorgrootte).
• Check je gegevens – weerstand-hack #2 zal je metingen beïnvloeden.

Voel je je weer helemaal opgeladen en klaar om alles te weten te komen? Fantastisch! We beginnen meteen.

Hoe langer de afstand, hoe hoger de weerstand

In echte producten is de batterij (bijna) altijd dicht in de buurt van de elektronica aangesloten. Deze opstelling is niet toevallig – korte bedrading zorgt voor een lage weerstand in het stroompad tussen de batterij en de belasting. Klinkt goed, of niet?

Wanneer we een batterij simuleren, hebben we uiteindelijk echter vaak te maken met lange(re) draden die voor ongewenste weerstand zorgen. Big deal? Ja eigenlijk wel! De stroomstoot veroorzaakt een spanningsval als gevolg van de weerstand in de kabels. Als de daling te groot is, kan dit een correcte werking van de elektronica belemmeren.

Waardoor wordt een stroomstoot veroorzaakt?

Wanneer een apparaat een tijdje wordt afgesloten van een spanningsbron, krijgen we te maken met een worst-case scenario. De situatie wordt fataal omdat de condensators op het bord leeg zijn en opnieuw met energie moeten worden gevuld.

Tijdens de eerste nanoseconden van een onverwachte stroomstoot werken alle ontkoppelingscondensators – voordat ze worden opgeladen– als kortgesloten circuits. En ja, dit geldt voor alle condensators verspreid over de printplaat, van die van 100 nF tot de grotere. De condensators veroorzaken een zeer grote inschakelstroom, die een tijdelijke spanningsval veroorzaakt in alle resistieve componenten die toevallig in de weg zitten, zoals kabels, connectors, PCB-sporen.

Vergeet dus niet om te checken welke weerstanden zich er op het stroompad bevinden

Hoe check je op weerstanden? Sommige apparaten gebruiken een brandstofmeter, waarbij de stroom wordt gemeten over een weerstand die in serie is geschakeld met de batterij. Li-Po- en Li-Io-batterijen moeten altijd voorzien zijn van een circuit ter bescherming van de batterij. Als je opstelling zo'n circuit bevat, zal het ook een weerstand in het stroompad bezitten.Ook het retourpad van de stroom moet niet worden vergeten. Alle weerstand in het pad telt, ook die van massavlakken.

Twee simpele weerstand-hacks

Om bovenstaande problemen te vermijden, raden we je aan de volgende veiligheidsmaatregelen te treffen wanneer je een batterij in een IoT-apparaat emuleert:

1. Kies korte en massieve kabels om de weerstand in de draden tussen je batterij-emulator en je apparaat tot het minimum te beperken (zie Afbeelding 1). Bekijk deze handige Draadgroottetabel eens.
2. Zorg voor een reservoir-energiebron door een of meerdere condensators direct met de stroomingang van het apparaat te verbinden.

Afbeelding 1: weerstand-hack #1: minimaliseer de weerstand door korte en massieve kabels te kiezen. (Bron afbeelding: Qoitech)

Het aansluiten van de condensator (s) creëert een lading-reservoir, dat lokaal in de directe vraag van de circuits voorziet. Met andere woorden, de lading hoeft niet door de weerstand van de stroomdraden te reizen.

Laten we eens naar het volgende voorbeeld kijken: een mobiele telefoon kan gemakkelijk 4 A verbruiken in een korte puls gedurende het opstarten. In dit geval is het belangrijk om een groot energiereservoir met lage weerstand te creëren, dicht in de buurt van de batterijconnector (zie Afbeelding 2).

Afbeelding 2: vergeet niet een groot energiereservoir met lage weerstand te creëren, dicht in de buurt van de batterijconnector. (Bron afbeelding: Qoitech)

Hoe kies je de juiste condensator(s)

Voordat je begint, willen we nog iets zeggen over het kiezen van de juiste condensator(s) voor je apparaat. Stel jezelf de volgende vragen:

1. Wat is de optimale ESR (Equivalent Serial Resistance, oftewel equivalente seriële weerstand)?
   De juiste ESR van de condensator is, samen met het aantal microFarad ervan, van cruciaal belang. Voor toepassingen met korte. hoge stroompieken kies je een lage ESR. Als je de ESR omlaag moet brengen, kun je meerdere parallel geschakelde condensators gebruiken. Bekijk deze tabel met typische waarden voor ESR-condensators maar eens.
2. Wat is de optimale condensatorgrootte?
   Om eerlijk te zijn is het beantwoorden van deze vraag vaak een kwestie van trial-and-error. Kies een condensator die groot genoeg is om te verzekeren dat je apparaat goed opstart. Maar hij moet ook weer niet te groot zijn, want de condensator zal als een laagdoorlaatfilter werken en de stijgtijd van je stroompulsen veranderen en je metingen beïnvloeden (lees verder voor meer informatie). Zorg ook dat je een condensator met minimale lekstroom kiest. De grootte van het reservoir is afhankelijk van de benodigde energietoevoer (piekstroom en tijd) en de acceptabele spanningsval zonder dat het systeem wordt gereset.

Even iets over metingen

Een condensator die direct op de spanningsingang van het apparaat wordt geplaatst, zal invloed hebben op je metingen. De reden is dat de condensator zich moet vullen met energie, en dit kost enige tijd. Als je weerstand-hack #2 gebruikt, zullen de stijg- en daaltijden van de stroompulsen vertragen. De resultaten lijken op wanneer een laagdoorlaatfilter in serie is geschakeld tussen je batterijmeetapparatuur en je apparaat. Maar maak je geen zorgen – als je de juiste condensators gebruikt, is de enige meetfout de kleine lekstroom van de condensator.

Wil je nog meer weten over de stroomvoorziening van IoT-apparaten?

Lees dit artikel over hoe een efficiënt systeem voor voedingsbeheer je in staat stelt om de batterijprestaties te maximaliseren. En check dit, als je dat niet al gedaan hebt: de Otii Battery Toolbox van Qoitech! Deze tool transformeert uw Otii Standard van een DC-voeding naar een uitgebreide batterij-profiler en -emulator, waardoor een realistische bron voor uw real-life projecten wordt gecreëerd.