Время работы от батареи — это её ёмкость, делённая на средний ток потребления. Ёмкость в миллиампер-часах (мА·ч) показывает, какой заряд элемент отдаёт до полного разряда: 2000 мА·ч — это 100 мА в течение 20 часов или 2 мА в течение 1000 часов. На деле элемент отдаёт меньше номинала, поэтому калькулятор учитывает используемую долю ёмкости.
Формулы
где C — ёмкость, мА·ч; k — используемая доля ёмкости; Iср — средний ток; D — доля времени в активном режиме; E — энергия, Вт·ч, при напряжении U.
Почему реальная ёмкость меньше номинальной
- Ток разряда. Номинальную ёмкость измеряют при небольшом токе: для литий-ионных аккумуляторов — обычно 0,2 C, то есть за 5 часов. При большем токе элемент отдаёт меньше, особенно щелочные батарейки и монетные элементы.
- Напряжение отключения. Устройство перестаёт работать, когда напряжение падает ниже минимума для стабилизатора или микроконтроллера, — часть заряда остаётся неиспользованной.
- Температура и возраст. На холоде ёмкость заметно падает, аккумуляторы теряют её с каждым циклом заряда.
- Саморазряд. При сроке работы в несколько лет он сравним с потреблением устройства и тоже съедает ёмкость.
Поэтому в расчёт закладывают 70–90 % номинала, а для критичных устройств проверяют время работы на образце.
Пример: датчик на монетном элементе
Монетный элемент CR2032 имеет номинальную ёмкость около 220–240 мА·ч в зависимости от производителя; возьмём 225 мА·ч. Датчик просыпается на 0,6 секунды раз в минуту — это 1 % времени, — потребляет 20 мА в работе и 10 мкА во сне.
- Средний ток: 20 мА · 0,01 + 0,01 мА · 0,99 ≈ 0,21 мА.
- Время работы с запасом 80 %: 225 · 0,8 / 0,21 ≈ 858 часов, около 36 суток.
Вклад сна здесь мал — 0,0099 мА из 0,21 мА. Если сократить активное время до 0,1 %, средний ток упадёт до 0,03 мА, и тот же элемент проработает около 8 месяцев. Короткие импульсы в 20 мА монетный элемент при этом выдаёт с просадкой напряжения, поэтому в таких устройствах ставят буферный конденсатор.
Пересчёт в ватт-часы
Миллиампер-часы удобны, пока напряжение одинаковое. Чтобы сравнить батареи разного напряжения или посчитать, сколько энергии получит нагрузка через преобразователь, переходите к ватт-часам: E = C · U / 1000. Литий-ионный элемент 3000 мА·ч на 3,6 В хранит 10,8 Вт·ч. Если нагрузка питается от 5 В через повышающий преобразователь с КПД 90 %, на выходе останется 10,8 · 0,9 / 5 · 1000 ≈ 1940 мА·ч при 5 В.
Подобрать стабилизатор или преобразователь для батарейного питания поможет раздел «Питание», посчитать ток и мощность нагрузки — калькулятор закона Ома.
Частые вопросы
Сколько проработает устройство от аккумулятора 2000 мА·ч при токе 100 мА?
Идеально — 2000 / 100 = 20 часов. На практике реальная ёмкость меньше номинальной: её измеряют при небольшом токе и комнатной температуре, а устройство отключается раньше полного разряда. С запасом 80 % получится около 16 часов.
Как перевести мА·ч в Вт·ч?
Умножьте ёмкость на напряжение и разделите на 1000: аккумулятор 3000 мА·ч на 3,6 В хранит 3000 · 3,6 / 1000 = 10,8 Вт·ч. Сравнивать батареи с разным напряжением можно только по ватт-часам: 1000 мА·ч при 12 В — это втрое больше энергии, чем 1000 мА·ч при 3,7 В.
Почему пауэрбанк на 10 000 мА·ч заряжает телефон меньше, чем обещано?
Ёмкость пауэрбанка указывают при напряжении его литиевых элементов, около 3,7 В: это 37 Вт·ч. На выходе USB 5 В, а преобразователь теряет часть энергии, поэтому при КПД 85–90 % на выходе остаётся 6300–6700 мА·ч при 5 В. Ещё часть теряется при заряде телефона.
Как увеличить время работы устройства на микроконтроллере?
Почти всегда выгоднее всего сократить время в активном режиме и ток во сне: при работе 1 % времени средний ток определяют именно они. Переводите микроконтроллер в глубокий сон, отключайте неиспользуемую периферию и делители напряжения, снижайте тактовую частоту и выбирайте стабилизатор с малым собственным током потребления.
Обновлено . Нашли ошибку в расчёте? Напишите нам.