Um regulador de 7805 5 V consumiria uma bateria de 9 V?

Fazendo um bricolage como hobby, estou criando um pequeno sensor de rádio temperatura e umidade.

Um ATmega328 está lendo de um sensor DHT11 e depois transmitindo dados para um Raspberry Pi por um transmissor de rádio STX882 . É alimentado por uma bateria de 9 V usando um regulador de 7805 5 V com capacitâncias de 10 µF e 100 µF.

O código C no ATmega está lendo a umidade e a temperatura e enviando-o a cada 30 minutos:

const unsigned long DELAY = 30*60*1000UL;    // 30 minutes
void loop() {
    delay(DELAY);
    send_data(); // Maybe a little overcomplicated, but I think it is not the point
}

Isso estava funcionando como um encanto, mas a duração da bateria foi inesperadamente curta. Era novinho em folha e fiz alguns testes esporádicos com um pequeno atraso, sem calor anormal vindo de qualquer lugar.

Quando fiquei satisfeito, adiei o atraso de 30 minutos e o deixei em paz (o que talvez seja um pouco perigoso?), Mas depois de menos de 24 horas a bateria estava com 5,4 V de carga. O atraso de 30 minutos foi respeitado aproximadamente por sua vida útil.

O que poderia explicar uma vida útil da bateria tão curta? Poderia ser o regulador de 5 V? Como eu poderia construir um circuito duradouro?

PS: Eu ainda estou tentando fazer um diagrama Fritzing, mas isso leva tempo para noobs como eu ...

Usei uma bateria alcalina de 9V 6lp3146 da marca genérica que aparentemente forneceu 300-500 mAh a 100 mA de corrente, o que é muito mais do que o meu circuito usa.

Aqui estão todas as informações que eu poderia obter da folha de dados:

+-----------------+-------------+----------+-----------+---------+
|                 | DHT11       | STX882   | ATmega328 | 7805reg |
+-----------------+-------------+----------+-----------+---------+
| Voltage         | 3-5.5 V     | 1.2-6 V  | 2.7-5.5 V |         |
+-----------------+-------------+----------+-----------+---------+
| Active current  | 0.5-2.5 mA  | 34 mA    | 1.5 mA    |         |
+-----------------+-------------+----------+-----------+---------+
| Standby current | 0.1-0.15 mA | <0.01 µA | 1 µA      | 4-8 mA* |
+-----------------+-------------+----------+-----------+---------+
*"bias current"

Se eu entendi direito, meu sistema fica ativo por alguns segundos a cada 30 minutos, então a corrente de espera é tudo o que importa e é realmente acionada pelo regulador 7805.

Então, sim, no pior dos casos, com 300 mAh, devo manter o sistema ativo por apenas 40 horas.

Existe uma maneira de alimentar meu sistema com 5 V por muito mais tempo sem um tamanho muito maior?

Para que conste, aqui está um vídeo muito bom sobre reguladores lineares vs. conversores buck: Conversor buck vs regulador linear de tensão - comparação prática

O que poderia explicar uma vida útil da bateria tão curta? Poderia ser o regulador de 5v?

Como mencionado, o 7805 possui cerca de 4mA de corrente quieta. Você precisa encontrar uma folha de dados para a bateria (o Eveready possui boas folhas de dados da bateria, se você estiver usando uma célula alcalina). Provavelmente não é mais do que 100mAh - 100mAh / 4mA = 25 horas, então isso deve dizer algo para você.

Como eu poderia construir um circuito duradouro?

O 7805 é uma tecnologia antiga . Existem melhores reguladores lineares mais novos por aí. Você deve encontrar com facilidade algo que use 10 vezes menos corrente quieta e cavando ainda menos que isso.

Para usar ainda menos energia, você usaria um conversor fanfarrão projetado especificamente para baixa corrente quieta - mas entendo que você não está pronto para projetar um em uma placa no nível do componente. Não pode ser um módulo lá fora, que vai fazer o trabalho, mas você vai precisar para comprar ao redor para ele. A TI possui alguns módulos conversores dinâmicos, mas você deve prestar muita atenção às suas capacidades, tanto para a entrega máxima de corrente quanto para a corrente quieta.

Para usar menos energia ainda, faça tudo o que puder para minimizar o consumo atual de seu circuito quando ele estiver inativo. Isso exigirá o uso cuidadoso da função de suspensão do microprocessador, além de gerenciar como a placa é alimentada (por exemplo, se ela for ligada apenas uma vez a cada 30 minutos, convém desligar a energia do rádio e a leitura de umidade partes do circuito).

Meça o consumo atual em todos os modos de operação e use-o para determinar quais são os piores infratores em geral e, em seguida, concentre-se em minimizar as correntes nesses modos.

Todas essas peças podem funcionar de 3 a 5V, portanto, use uma bateria que não precisa de um regulador, uma célula de íon de lítio 16500 ou uma bateria de 3xAAA são do mesmo tamanho que os 9V e produzem tensões nessa faixa. (ou mesmo uma célula Li-po)

Sem o regulador, o microcontrolador pode desligar e o circuito precisará apenas de alguns microamperes.

A corrente inativa de um regulador 7805 é de cerca de 4 mA, portanto, armado com a capacidade de ampère-hora de sua bateria, calcule quanto tempo durará com um dreno contínuo de 4 mA.

Se você estabelecer que esse é o problema, verá que há muitos reguladores com uma corrente de repouso significativamente menor.

Uma vez que a bateria cai para cerca de 7 volts, você está em um declive escorregadio, porque o regulador 7805 exige um espaço de alguns volts para regular adequadamente e eu estimaria (um palpite rápido) que, em torno de 6,5 volts, o circuito falhará.

Dado o que acabei de mencionar, estimo que apenas 50% da capacidade declarada da bateria é utilizável antes que o circuito desista. Tenha isso em mente.

Estou executando nós de sensores semelhantes com resultados muito melhores. Minha configuração tem algumas diferenças para a sua:

• Estou executando o µc diretamente (sem regulador) das baterias recarregáveis ​​1S LiPo (3,7 V nominais) vendidas originalmente (muito baratas e com um carregador USB correspondente) para mini drones. Toda a faixa de tensão (4,3 V - 3,5 V) é aceitável para o µc. ^{1 1}
• Eu alimento os periféricos (o sensor e o transmissor no seu caso) a partir de um pino de porta que eu possa ligar antes da medição e depois desligar. (Estou usando o BME280 em vez do DHT11, mas o consumo de energia não deve ser um problema.)
• Após transmitir a medição e desligar os periféricos, envio o µc para o sono profundo . ²

^{1 Estou usando com sucesso o ESP8266s, embora, é claro, eu nunca recomendo isso porque o Vcc máximo absoluto documentado é de 3,6 VI.
2 Para que o meu ESP8266 acordar do sono profundo seja uma reinicialização, o código começará a ser executado na parte superior setup(), mas com o seu ATmega328 isso não é um problema.}

Muito parecido com "por que meu sistema solar / de bateria / inversor tem tão pouco alcance?" > porque o inversor está ligado o tempo todo. Use cargas diferentes que funcionam com bateria direta e eliminam a conversão desnecessária de tensão .

Você fez a engenharia 101, juntou os bits e eles funcionam. A engenharia 202 está fazendo com que funcionem com eficiência suficiente para serem úteis.

Como acima, junk o inverte - quero dizer regulador. Selecione baterias que possam funcionar corretamente, como três baterias de 1,5V a 4,5 volts. (Dois não seriam suficientes, pois cairiam abaixo de 3V muito cedo; ou talvez; tente!)

Pense também em baterias maiores - - 9Vs são estúpidas - capacidade pequena, especialmente ao jogar fora 2/3 da capacidade! (A eletrônica precisa de 3V, você está pegando 9V e jogando o resto fora como calor). Pense grande - células D são seus amigos se você quiser longevidade.

As câmeras Deer geralmente possuem dois bancos completos de células D, você pode usar um ou ambos, e pode executar uma temporada inteira.

Além disso, o consumo de corrente de sono do ATMega é muito impressionante, mas o STX882 e o sensor, nem tanto. Veja se é possível encontrar uma maneira de o ATMega desligar fisicamente a energia dos outros dispositivos quando não for necessário. A maneira mais barata e suja de fazer isso é um pequeno relé, mas um transistor de potência também deve fazer o truque.

Um último truque. Pode não valer a pena, dependendo do ciclo de funcionamento do sistema, mas vale a pena mencionar. Nos últimos anos, as CPUs passaram de 5V para 3.3V. Por quê? Porque eles operam com corrente; tensão acima do mínimo não ajuda na operação e apenas dissipa mais calor. À medida que as CPUs ficavam mais poderosas, os problemas térmicos se tornavam o fator limitante, e a queda da tensão para os mínimos permitia a operação mais fria e mais desempenho no mesmo dissipador de calor. O mesmo se aplica aos seus aparelhos eletrônicos.

Você pretende rodar a 5V, o lado mais alto da faixa de tensão permitida. Minha proposta 3xAA coloca você em 4,5V, mas considere fazer uma escolha de bateria diferente que é ainda mais baixa: como baterias de lítio ou três NiCd / NiMH (3,6V). O NiMH tem mais capacidade, mas o NiCD tem uma resistência incrível ao abuso e descargas profundas.

Use o conversor progressivo

É assim que faço projetos semelhantes. Eu uso 3xAA que me dá 2,5V-4,8V, isso está dentro da faixa operacional do atmega, eu conecto isso a um conversor intensivo com pino de desativação, quando desativado, o conversor consome quase nada e passa a tensão. Quando o atmega acorda e precisa fazer medições, ele liga o conversor, encontra 5V no VCC, faz medições e transmite, desativa o conversor, volta a dormir. Isso dura anos.

De acordo com seus números, você está obtendo o comportamento esperado, entre seu sensor, seu microcontrolador e seu regulador (8ma). Se você quiser melhor, desligue o controlador, desligue o sensor e obtenha um regulador mais adequado.

1. Meça qual é o consumo de corrente real nos estados ocioso e ativo. Use um amperímetro entre a bateria e a entrada do 7805. Uma nova bateria típica de 9V tem mais de 300 mAh, e a corrente quieta do 7805 por si só não pode realmente consumir tudo - algo é suspeito! Eu medi muitas baterias de 9V e elas são tipicamente 500-600 mAh. A ressalva é que eles são todos alcalinos e, se você estiver interessado em obter a maior vida útil, é claro que precisará usar baterias alcalinas.

2. Existe um motivo real para usar baterias de 9V descartáveis ​​em sua aplicação? Você já pensou em algo como 3 × ou 4 × AA?

Nas funções delaye loopparece que você está usando o código do Arduino. A delayfunção é um loop ativo, não colocará o microcontrolador em suspensão! A API do Arduino não tem suporte para o modo de suspensão.

Leia a folha de dados do ATmega328P e consulte a página 34 para saber como colocar o dispositivo no modo de suspensão.

IMPORTANTE: Se você puder desligar o sensor de umidade DHT11 entre os usos, PODE ser capaz de prolongar a vida útil da bateria por um fator de 3 ou 4.

O DHT11 possui uma corrente de repouso de 100-150 uA no modo de suspensão. Você deve projetar com o pior valor possível.
Ao ligar, é necessário 1 segundo "para limpar a cabeça" (nota 4. página 5)
e, em seguida, há tempo de configuração da interface (talvez alguns 10s de ms).
Não é óbvio na planilha de dados se o tempo de resposta é afetado pela desativação, mas provavelmente não.

Dependendo do tempo entre as ativações, o desligamento do DHT11 pode reduzir a corrente inativa do sistema de cerca de 200 uA para cerca de 50 uA.
Vale a pena olhar.

Regulador LM2936:

O LM2936 que você menciona é um excelente regulador se atender às suas necessidades. Baixa interrupção, baixa corrente quieta, faixa de tensão de saída disponível.

Eu os usei há muito tempo em um produto que precisava de baixo QI e estava muito satisfeito com eles. Hmmm - isso foi cerca de 1993 - mais de 25 anos - um oldie, mas um goody.

O Iout max é nominalmente de 50 mA - o que atende à sua necessidade tabulada.
Iq é 10 uA com carga de 100 uA - e menos com cargas muito mais baixas.
Vin é 5,5 - 40V e, de fato, provavelmente mais perto que Vout. Você pode obter as versões 5V e 3V3.

A corrente de carga do modo de suspensão é facilmente inferior a 200 uA.
A 200 uA, você terá 100 / .2 = 500 horas de operação em suspensão por 100 mAh de bateria.
Então, cerca de 20 dias por 100 mAh.
Por exemplo, digamos 60 dias ou dois meses com uma bateria alcalina "9V" de 300 - 500 mAH errando no lado conservador. Use 6 pilhas alcalinas AA de 1,5V (cerca de 3000 mAh) e você deve se aproximar de 2 anos.

A operação direta de 3 x alcalinos AA fornece Vin de 5V inicial (até 1,65V / célula) e 3,3V a 1,1V / célula (quase morto). Até cerca de 6 alcalinos AA com saída de tensão constante. Se você pode tolerar entrada de 3,3 - 5V ', basta usar 3 x alcalinos. AA por quase 2 anos de operação. AAA por menos.