Zvyšujeme napětí až na pět (DC step-up)

Po menším zklamání s 9V napájením jsem se pro přenosné napájení Arduin (a jiných 5V hraček) zaměřil na tužkové monočlánky. Jaké máme možnosti, Kowalski?

Kowalski má vždy po ruce několik možností

Tak určitě můžu použít AA (nebo dokonce AAA) 1,5V články, nebo raději rovnou dobíjecí NiMH akumulátory, které mají obvykle jen 1,2 V. Mohl bych zmínit i nabíjecí články Pure Energy s 1,5 V, kterých mám doma několik desítek, ale nechci si zaneřádit blog sprostými slovy. Takže máme článek o napětí 1,2 V. Z nich by se dal postavit zdroj o vyšším napětí, když bych jich zapojil víc do série. 3 kusy jsou ještě málo (jen 3,6 V), 4 kusy už jsou moc (plně nabité by daly kolem 6 V, a to už by Arduino nebylo rádo). Navíc 3-4 kusy jsou i docela objemné a těžké...

2 NiMH akumulátory a jeden alkalický dobíjecí článek

Další možností je použít Li-Ion akumulátory, které jsou u nás v tužkové podobě dost neznámé, zatímco celá Asie na nich frčí ve velkém stylu. Dělají se v mnoha různých kapacitách a velikostech, kdy některé  (např. typ 14500) jsou prakticky stejně velké jako naše AA. V čem se ale Li-Ion od "našich" NiMH liší zásadně je napětí - Li-Ion má standardně 3,7 V. Ovšem problém je podobný jako výše - napětí polovybitého článku kolem 3 V Arduinu nestačí, a po sériovém zapojení dvou Li-Ion článků bych dostal 7,4-8,4 V a to už je zas moc.

Li-Ion 14500 a 18650 články

Třetí možností přenosného zdroje elektrické energie by mohl být solární panel. V létě jsem totiž trošku experimentoval se solárními panely z takových těch malých zahradních lampiček, co se jen zapíchnou do země a ve dne se nabíjí a v noci svítí. Změřil jsem, že v nich ten maličký, větrem ošlehaný a časem zašlý panýlek dává kolem 1 voltu, v ideální situaci plného přímého poledního Slunce pak dokonce přes dva volty. Tak jsem chvíli uvažoval i o tomto jako možném zdroji (než jsem zjistil, že ten panel není schopen dodat téměř žádný proud, což ale přičítám tomu zubu času).

1857 mV - podzimní slunce mezi mraky za oknem

Ale jak z nízkého napětí získat poctivých 5 voltů? V tu chvíli opět vstupuje na scénu měnič napětí, tentokrát ale směrem nahoru, "zvyšovač", anglicky tedy step-up DC converter. V mém oblíbeném obchodě značky Ebay.com jich mají hned několik typů, lišících se minimálním vstupním napětím a účinností. Rovnou vynechám převodníky s nastavitelným výstupním napětím a pro účely Arduina použiju měniče s výstupem na USB, tedy 5 volty.

naši tři kandidáti na holení

Konkrétně jsem našel tři typy (na fotce zleva doprava): s napětím od 0,9 V a neuvedenou účinností, dále s napětím od 0,9 V a inzerovanou až 96% účinností (juchů!) a pak třetí, který dokáže zvyšovat napětí až od 3 V. Ten jsem rovnou ze sestavy vyloučil, protože by nestačil ani na solární panel, ani na dva Ni-MH články v sérii. Takže jsem postupně kupoval jednotlivé měniče, vždy po zklamání jsem objednal další typ a tím jsem nakonec získal neobyčejnou možnost je všechny porovnat, proměřit a podělit se s vámi o dalších pár slepých uliček, které jsem s chutí prošlapal.

Nejdřív jsem si koupil ten první měnič, který vypadal tak nějak nejméně integrovaný, starší, protože jeho čip měl jen čtyři nožičky. Připojil jsem ho k solárnímu panýlku a NIC. Ukázalo se, že inzerované nejnižší napětí 0,9 V není pravdivé. Ani při 1,0 V nebylo na výstupu víc než 4,7 V. Při 1,5 V má výstup 4,91 V a indikační dioda začíná mírně žhnout. Při vstupním napětí 2 V je na výstupu 4,95 V a indikační dioda už svítí tak poloviční intenzitou. Je tedy zjevně připojena na vstupní napětí. Bohužel tak vysoko se ten solární panýlek nedostane, tak jsem ho vyřadil z možných zdrojů napětí a dál počítal už jen s nabíjecími články či bateriemi z nich.

Zároveň jsem objednal ten druhý měnič, který také tvrdí, že funguje od 0,9 V, a navíc inzeruje fantastickou účinnost až 96 %. Když dorazil, vypadal tak nějak nověji/moderněji, víc integrovaně, neboť jeho čip má šest nožiček. Test u solárního panýlku dopadl o něco lépe, alespoň vizuálně, neboť indikační dioda je u tohoto typu připojená na výstup, takže vždy svítí plnou intenzitou bez ohledu na vstupní napětí. Bohužel ta dioda sama spotřebuje poměrně dost energie - například při vstupním napětí 1 V bere převodník naprázdno celých 10 mA, které všechny vysvítí ta dioda. Nakonec jsem tedy vyměkl, rozhodl se používat pouze Li-Ion články a tak mohl objednat i třetí převodník (ten, který vyžaduje nejméně 3 volty):

Tento typ se ukázal jako zdaleka nejlépe vymyšlený. Jeho indikační dioda totiž jen rychle poblikává, takže spotřebuje 4x méně energie, což už je v trvalém provozu docela zanedbatelné. Navíc jako jediný z převodníků inzeruje výstupní proud až 1 ampér, ti druzí dva si troufají jen na 600 mA (v některých inzerátech dokonce jen 200 mA).

Přišel čas zanést všechny tři převodníky do naší laboratoře. Nejdřív jsem je všechny proměřil naprázdno (bez zátěže), abych tušil, je-li možné je nechat trvale zapnuté i bez připojeného spotřebiče. Dále jsem jim nastavil na vstupu tři různá nízká napětí, abych viděl, jestli vůbec fungují podle popisů prodejců (na výstupu měly zátěž 220R - na větší proudový odběr než pár desítek mA si rozhodně při tak nízkém vstupním napětí netroufly).
A nakonec jsem jim na vstupu nastavil tvrdé napětí 3,6 voltu (jako by měl jeden Li-Ion článek, nebo 3x NiMH) a postupně k jejich výstupům připojil rezistory o odporu 10R (pro odběr kolem 0,5 A, jako bych nabíjel mobilní telefon), 49R (pro odběr kolem 100 mA, řekněme Arduino s podsvíceným displejem) a 220R (pro odběr kolem 23 mA, řekněme nějaké úspornější zapojení Arduina s jednou LED nebo tak něco). Výsledky měření jsou v následující tabulce, která v posledních 6 řádcích ukazuje, při jakém vstupním napětí a jaké zátěži bylo jaké napětí na výstupu a s jakou účinností v tu chvíli převod napětí probíhal:

měnič	4 nohy	6 noh	od 3 V
odběr naprázdno při 4 V	2,1 mA	1,8 mA	0,43 mA
napětí naprázdno při 3,6 V	5,06 V	5,14 V	5,19 V
napětí/účinnost při 1,0 V a 220R	4,70 / 73%	5,05 / 69%
napětí/účinnost při 1,5 V a 220R	4,91 / 85%	5,07 / 74%
napětí/účinnost při 2,0 V a 220R	4,95 / 84%	5,29 / 64%
napětí/účinnost při 3,6 V a 220R	5,09 / 84%	5,39 / 78%	5,17 / 89%
napětí/účinnost při 3,6 V a 49R	5,00 / 84%	5,48 / 65%	5,17 / 88%
napětí/účinnost při 3,6 V a 10R	4,57 / 69%	4,04 / 70%	5,17 / 88%

Myslím, že výsledky jsou jasné. První dva převodníky se rozhodně nehodí na nabíjení mobilních telefonů - neudrží napětí při odběru 0,5 A. První typ dokonce ani nedosáhne plného výstupního napětí, pokud nemá na vstupu aspoň 2,5 V. Za to si ale udržuje solidní účinnost 84 %, pokud po něm nechceme příliš velký výstupní proud. Dokážu si ho představit s jedním Li-Ion článkem v nějakém zařízení, které se spokojí s max. 100 mA odběrem.

Druhý převodník, co jej prodávají s údajnou 96% účinností, v ní nakonec dopadl nejhůře - většinou klopýtá kolem či pod 70 %, jen při výjimečně dobrých podmínkách (velké vstupní napětí a minimální  zátěž) je trošku lepší, pořád ale nejhorší ze všech. Zároveň mu utíká výstupní napětí až moc vysoko (5,5 V?!). Na druhou stranu jako jediný dokázal opravdu trošku fungovat od 1 voltu, což je hrdinské. Myslím, že u tohoto typu výrobce nezamýšlel větší výstupní proud než 200 mA - těch 600 mA mu přiřadili až někteří ziskuchtiví prodejci. Pokud se někdy octnu v situaci s jen jedním či dvěma NiMH články, tak tento převodník by z nich těch 5 voltů vyždímal, za cenu 30% ztrát.

Třetí převodník je jasný vítěz: dodává stabilní výstupní napětí bez ohledu na zátěž, má nejnižší vlastní odběr a zdaleka nejvyšší účinnost dotýkající se až 90 %! Myslím, že tento kus je vhodný na stavbu nabíječek mobilních zařízení s velkým odběrem, a stejně dobře poslouží i v přenosných Arduino hračkách s odběrem minimálním. Jsem rád, že jsem se k němu nakonec prokousal, a jiné typy už teď nekupuji :-)