Een 3,3V module stabiel laten draaien op één LiPo cel

LP3982 op een adapterprintje

Veel modules werken op 3,3V, zoals de ESP-8266 of Arduino modules. Er zijn veel situaties denkbaar, waarbij het ideaal zou zijn om deze modules met een enkele accucel (zoals een 18650) te voeden. Maar er zijn dan wel een paar problemen:

  • Een LiPo cel heeft een uitgangsspanning tussen ca. 3,4 en 4,2V. Dat ligt maar een beetje hoger dan de gevraagde 3,3V. Zomaar aansluiten zou het module waarschijnlijk beschadigen, zeker als de LiPo cel volgeladen is.
  • Als een LiPo cel bijna ontladen is, dan is de spanning maar ca. 100mV hoger dan de gevraagde 3,3V. Toch wil je dit bereik wel benutten.
  • Een standaard lineaire spanningsregelaar (zoals de LD1117V33/AMS1117) heeft een drop-out voltage die te hoog ligt (ca. 1V). Dat valt dan buiten de bruikbare ingangsspanningen met een enkele cel.
  • Een schakelende spanningsmodule (Switched Mode Power Supply, SMPS) in de vorm van een Buck-converter hebben over het algemeen ook een te grote drop-out voltage.
  • Het moet ook nog eens efficiënt blijven, in verband met de accuvoeding.

De zoektocht
De maximale stroomopname is belangrijk. Ook of dit pulserend is, of (deels) continue. In dit voorbeeld is de ESP8266 module gebruikt op een 18650 cel. Dit moest minimaal 8 uur kunnen draaien voor een WiFi vossenjacht, die ik uitgedacht had. Het liefst nog wat langer, voor het geval een vosje zoek zou raken. De ESP module heeft geen continue stroomopname, omdat de WiFi bakens een soort pulserend karakter hebben. Gemiddeld ligt het op ongeveer 80mA.

Het bereik van een LiPo cel is dus ongeveer 3,4 – 4,2V. Dat willen we zo volledig mogelijk gebruiken. Indien de cel bijna ontladen is, dan hebben we nog maar 100mV te overbruggen. Voor een normale spanningsregelaar is dit een te klein verschil om nog goed te kunnen stabiliseren (drop-out voltage).

De SMPS (switched mode) was zeker goede kansmaker. Ze staan bekend om de goede efficiëntie (meer dan 80%). Maar met zo’n kleine spanningsval (100 – 800mV) heb je die efficiëntie helemaal niet nodig. Zeker niet als je de lage belasting van een gemiddelde Arduino module in ogenschouw neemt. In vergelijking met een lineaire regelaar is en SMPS vrij complex (spoel, diode, etc).

De bekende 1117 regelaar is niet geschikt voor low drop-out

Het vinden van een SMPS die kan werken met een drop-out voltage van minimaal 100mV viel ook nog niet mee. Een SMPS verliest zijn kracht bij een kleine drop-out voltage en kan al snel niet meer voldoende stroom leveren. Bij een redelijke SMPS was de LiPo cel tot ca. 3,7V bruikbaar.

Een standaard lineaire regelaar zoals de LD1117, heeft een ingangsspanning nodig van minimaal 4,3V. Dat valt al buiten ons bereik. Maar een zoektocht op de site van Farnell leerde mij, dat er wel degelijk lineaire spanningsregelaar zijn met een ultra low drop-out (LDO) voltage. Een voorbeeld is de LP3982. Deze heeft een gemiddelde LDO van 120mV!

 

LP3982 Voltage Regulator
1.0 MiB
1 Downloads
Details...

 

Met de 80mA stroomopname van de ESP module (met pieken tot 150mA) is de LDO nog lager (gemiddeld 50mV!):

 

 

Hiermee is de LiPo cel in zijn volledige capaciteit te gebruiken. Het is wel aan te raden, om LiPo cellen met beveiliging te gebruiken, om te diepe ontlading te voorkomen. Met een 2200mA cel kon een ESP8266 bijna een etmaal draaien!

Let op: bij aanschaf, let op de uitgangsspanning (3,3V). Er is ook een ADJ versie die met een potmeter uitgevoerd kan worden om een regelbare variant te maken. Deze spanningsregelaar is alleen in SMD te krijgen.

 

Voorbeeld schema LP3982

D1 is een bescherming tegen ompolen, plaats een zekering aan de ingang. De diode in serie is geen optie ivm de spanningsval. Zelfs in geval van een Schottky diode.

Voor experimenteren kan ook een adapterprintje gebruikt worden:

Je kan zelfs de kleine randcomponenten in bovenstaande schema op de onderzijde bouwen, zodat je een complete powermodule hebt:

En voor je het weet, heb je zomaar een lading WiFi vosjes!

PE1RQM WiFi vossen voor stichting De Jonge Onderzoekers Amersfoort

 

Veiligheid
Denk om beveiliging van de LiPo cel (op z’n minst een zekering), of koop cellen met een ingebouwde beveiliging. Ik heb 18650’s gebruikt met een ingebouwde beveiliging en daarachter nog een zekering. De cellen waren vanwege de beveiliging wel wat langer. Deze beveiliging werkt zowel tegen kortsluiting, als ook tegen te diepe ontlading van de cel.

Een reactie plaatsen