He construido algunos prototipos y trato de recopilar algunos datos de ellos. Salta debajo de las dos líneas horizontales para leer más al respecto.

---

Pregunta inicial

Breve resumen

Me gustaría saber si es beneficioso agregar un capacitor en paralelo a una celda de moneda CR2032 para aumentar su vida útil y protegerla de picos de corriente ocasionales (15 mA) si el circuito está en modo de apagado (unos pocos µA) durante la abrumadora mayoría de las veces.

en que estoy trabajando

Estoy diseñando un sensor de puerta / ventana de baja potencia que transmite el estado actual (abierto / cerrado) de forma inalámbrica. El dispositivo estará en modo de ahorro de energía la mayor parte del tiempo y se activa cuando un sensor de efecto Hall conectado detecta un cambio, transmite e inmediatamente vuelve a dormir.

Para mantenerlo lo más compacto posible y de bajo costo*, estoy usando los siguientes componentes principales (enlaces a hojas de datos):

• Atmega328P-ES
• Radio NRF24L01+ (como módulo "SMD" preconstruido)
• TI DRV5032FB
• Una celda tipo moneda CR2032 como fuente de 3V

El consumo de energía

Si echamos un vistazo a las hojas de datos de los dispositivos, el consumo de energía es bastante bajo cuando están en modo de apagado.

• Atmega328P (@ 1 MHz int. Osc., WDT desactivado): 0,1 µA
• NRF24L01+: < 1 µA
• DRV5032: 0,7 µA (promedio)

Eso es menos de 2 µA en total durante el sueño. Pero eso es solo teórico, por supuesto, ya que los condensadores de desacoplamiento et al. agregará un poco a ella.

Por otro lado, cuando el dispositivo está activo, especialmente cuando la radio está transmitiendo, el consumo de corriente puede aumentar hasta 15 mA :

• Atmega328P: ~0,5 mA
• NRF24L01+: 12mA
• DRV5032: 2 mA (pico durante la detección)

El problema: maximizar la capacidad utilizable

Se supone que las celdas tipo moneda CR2032 se descargan continuamente a tasas muy por debajo de un mA. No manejan bien las ráfagas de corrientes bastante altas, ya que esto reducirá considerablemente la capacidad utilizable y puede provocar caídas de voltaje más grandes.

Para maximizar la capacidad disponible de una celda tipo moneda, un documento técnico de TI sugiere agregar un capacitor (de 100 uF o incluso mayor) al circuito, que proporciona la mayor parte de la energía durante esas fases de ráfaga. Hace seis años, alguien hizo una pregunta similar en esta comunidad ( cargas pesadas impulsadas por pulsos con una celda de moneda ).

Pero, ¿qué pasa con los ciclos de trabajo muy bajos?

Ambas fuentes mencionadas asumen un ciclo de trabajo bastante "alto" de 1 - 5%. Pero, ¿qué pasa con un sensor de puerta/ventana, en el que el dispositivo solo se enciende 10 o 20 veces al día, lo que da como resultado un ciclo de trabajo del 0,001 % o incluso menos?

Si bien el condensador parece aliviar la celda de moneda durante las fases de alto consumo de corriente y, por lo tanto, aumenta la capacidad utilizable, también introduce una fuente de corriente de fuga.

Teniendo en cuenta que usaría un condensador electrolítico de 220 uF de la serie UWX de Nichicon (son bastante baratos en volúmenes bajos y solo tienen una altura de 5,4 mm), la hoja de datos especifica una corriente de fuga de hasta 3 µA. Esto duplicaría aproximadamente mi consumo de corriente promedio . (Los MLCC de gran capacidad con dieléctrico X7R pueden tener una corriente de fuga < 0,5 µA, pero cuestan más de 20 USD por pieza).

La pregunta es... ¿Es tan importante proteger una celda tipo moneda de los picos de corriente altos, incluso si esto da como resultado un consumo de corriente promedio que es el doble que sin esta protección? ¿Es mejor que no use un condensador?

(*) No se trata tanto de ahorrar centavos sino, a falta de una palabra mejor, de proporcionalidad: si un MCU de 2 dólares y una radio de 1 dólar hacen el trabajo, no hay necesidad de usar un chip de la serie NRF5 de más de 10 dólares ( ejemplar).

---

---

Actualizar

Ahora he construido dos prototipos del dispositivo con componentes similares a los que mencioné anteriormente. Uno de ellos tiene un capuchón electrolítico de 220 µF, 10V de la serie ULD de Nichicon, el otro no. Se alimentan con celdas tipo botón de Sony , ambas del mismo paquete.

Desafortunadamente, solo tengo un DMM para tomar medidas, lo que significa que medir corrientes en el rango inferior de µA no será preciso. Así que traté de obtener una estimación usando una resistencia de 100k Ω en línea con la fuente de alimentación y medí la caída de voltaje mientras los componentes estaban en modo de apagado, lo que resultó en aproximadamente 9 µA sin y 11 µA con el capacitor adicional. Esos valores pueden ser razonables, pero son un poco más altos de lo esperado con respecto a los valores especificados en las hojas de datos. (Nota: tomé esas medidas mientras el circuito todavía estaba en una placa de prueba (bastante grande).)

---

Editar: ¡ Siempre verifique dos veces sus bits de fusible! Después de pensar en cuál podría ser la causa de esas corrientes de apagado bastante altas, me di cuenta de que no deshabilité la detección de caídas de voltaje a través del fusible extendido. BOD consume algo entre 10 y 35 µA en AVR, que es mucho si desea funcionar durante años con 220 mAh. Ahora tengo un valor más razonable de 1,5 µA sin y 3 µA con el capacitor.

(Sí, el cambio de BOD puede ser malo, pero a) la funcionalidad de estos dispositivos no es crítica, b) todos los componentes pueden funcionar con voltajes por debajo de 2 V, momento en el cual la celda de moneda está muy atrasada para un reemplazo y c ) Estoy monitoreando el voltaje constantemente de forma remota y puedo establecer un cierto umbral (digamos 2.2V), cuando el sistema debería enviarme una notificación recordándome que reemplace la batería pronto).

---

De todos modos, mido el voltaje a través de la referencia interna de 1.1V de Atmega y transmito ese valor por radio cada vez que se abre o cierra la ventana y lo almaceno en una base de datos. Para verificar si esas lecturas son precisas, también mediré el voltaje manualmente con el DMM de manera regular.

Mirar una duración estimada de la batería es difícil siempre y cuando no se conozcan las corrientes reales de apagado. Si asumimos que los 9 a 11 µA medidos son correctos, puedo esperar ~ 2 años para ambas unidades. (Calculando con una corriente de 12 mA mientras está activo durante 100 ms una vez por hora con una capacidad de batería de ~185 mAh (220 mAh según la hoja de datos - 15%). Si asumimos que la corriente de apagado está más cerca de los valores indicado en las hojas de datos (2 µA sin; 5 µA con capacitor), estamos viendo una diferencia bastante grande de 4 a 9 años de duración de la batería.

Seguramente tomará un tiempo descubrir cuál resulta estar más cerca de la verdad. Podría actualizar esta pregunta / agregar una respuesta tan pronto como tenga al menos una indicación de si el capacitor es beneficioso o no en mi caso particular.

Pero aún así, siéntase libre de compartir sus experiencias si ya ha pasado por esto o si tiene algo más que agregar.

Supongo que continuaré diseñando la versión PCB de este proyecto mientras tanto con el condensador adicional en mente; aún puedo decidir no soldarlo después.