Моя история мобильной энергии и навигации Дата: 20.02.2009 Раздел: Электроника
Небольшая история использования в походах различных самодельных электронных устройств - источников питания и GPS
Хочу поведать свою историю использования электроники вдали от дома – так сказать поделится опытом.
Несколько лет назад случайно наткнулся в сети на сайт Николая (http://vampirchik-sun.nm.ru/), который в то время стал источником идеи и информации о "мобильной энергии". Собственно необходимость в "мобильной энергии" появилась у меня с развитием 2-х смежных технологий: мобильной связи и мобильной навигации GPS.
Когда GPS приемник мне перестал казаться чем-то мега-запретным, что можно было хранить под подушкой и включать ночами, чтобы посмотреть как работает Selective Availability, а телефон Motorola 3788 начал работать и в туристически интересных местах – необходимость питать этих прожорливых "друзей" вдали от дома встала особенно остро.
Задача мобильной электроники в походе сводится для меня к таким:
Обеспечение связи с домом (мобильный, а в последствии и спутниковый телефон);
Обеспечение записи маршрута GPS-ом, желательно непрерывной;
Зарядка фотоаппарата;
Прочие зарядки: зарядка фотобанка, раций, радиоприемника, телефонов друзей и т.п.
Интересно заметить, что задачи зарядить пальчиковые AA/AAA аккумуляторы в реальности не встречалось, однако допускаю, что это мне так повезло с устройствами: они все на Li-Ion-аккумуляторах.
Далее попытаюсь описать мои походные поделки, в скобках указана дата первого "боевого" испытания. Большинство из этих комплектов применялось и в других походах, и не мной, а так же для вылазок выходного дня, велопокатушек и прочих маломасштабных мероприятий.
Итак, попытка первая ( Крым, Май, 2005):
С собой телефон Motorolla T260, GPS Garmin 12 + Palm Vx, фотоаппарат Olimpus 1.3 Mpix.
Надо сказать, что это первая попытка взять электронику в поход, причём подстегнутая подарком шефа (вот угадал ведь) – солнечной батареи PowerFlex 10W (неизвестного, якобы американского происхождения). Батарея представляла собой гибкий коврик-ламинат. В качестве накопителя была использована гелевая свинцовая батарея 7 А*ч, 12 В от UPS.
Для преобразования питания в нужный вид я использовал готовый преобразователь МПА 12B->5B (для телефона и Palm’a) и линейный стабилизатор 5 В -> 4.2 В для зарядки фотоаппарата. GPS работал от пальчиковых батареек АА, которых ему нужно было 1 комплект (4 шт) в неделю. Связь с Palm была по кабелю, причем только когда очень надо, поэтому Palm заряжать не пришлось. Телефон так же включался… и выключался, т.к. в те годы рассчитывать не покрытие не приходилось. Основным потребителем оказался фотоаппарат.
Результаты использования всего этого хозяйства в принципе все задачи решали, но вкус и цвет вес и габариты были суровы. (Тут следует отметить – я здесь и далее я говорю об автономных пеших походах, в которых всё тащится на себе, включая еду на все время в пути.) Мои спутники не разделяли восторгов по поводу мобильности телефона, и только статистка дня с ответом на извечный вопрос "сколько до привала/конца" удерживали их от расправы надо мной.
Вес аккумулятора был очень большой (ок.2.7 кг!), использовать солнечную батарею толком удавалось только на привалах днём из-за больших габаритов.
Однако концептуально идея была абсолютно правильной, и опыт был получен довольно ценный, что и определило дальнейшие попытки развития в этом направлении.
Гибкая батарея PowerFlex 10W
Вот так она выглядит живьём, в собранном виде и на рюкзаке. (Это не я :-)
Попытка вторая ( Крым, Май, 2006):
Анализируя опыт перовой попытки, к следующему походу я решил подойти более основательно. Хотя первый комплект и работал, недостатков у него было много, попробую их перечислить:
Высоковольтная (20В) солнечная батарея при зарядке буферного
аккумулятора работает не на 100%, нужен зарядный преобразователь.
Батарею большой площади невозможно использовать в движении, поскольку
даже частичное затенение сильно ухудшает параметры, а закрепить ее её
надежно на рюкзаке не получается.
Фиксированное выходное напряжение – не гут. Нужно изменяемое, чтобы можно было подстраивать под устройство.
Нужна индикация напряжения на выходе/входе, и токов.
Вес буферного аккумулятора нужно минимизировать.
Надежность разъемов разъёмов важна. Все мои штыревые соединители,
такие как, например, на компьютером кулере нещадно подгорели и
окислились.
Низкий КПД "фирменного" преобразователя.
Для второго варианта была выбрана батарея из 8-и NiMH аккумуляторов размера D марки Chamelion емкостью ёмкостью 10Ач. Веc снизился примерно в 2 раза, ёмкость чуть возросла, но выглядела это конструкция все всё равно внушительно. (На пограничном контроле по этому поводу даже случился небольшой инцидент. В конце похода один из членов группы улетал в Москву на самолете, и ему сбагрили по максимуму вещей, которые были не нужны для жизни на берегу моря. В том числе и эти элементы, собранные изолентой в пачки по 3 шт. Не знаю что там увидел оператор ренгеноскопа, но товарища задержали и долго осматривали это китайское чудо. Отпустили с миром через 5 мин после объяснения, что это всего лишь батарейки.)
В качестве преобразователей использовались все всё те же МПА, но уже 2-шт – зарядный и разрядный.
За 5-и вольтовым стоял линейный LDO-стабилизатор (с низким падением напряжения вход-выход), режим которого можно было изменять переключателями, на фиксированные напряжения. Всего было 8 таких переключателей, 4 – задание режима, и еще 4 – индицируемые значения. В качестве индикатора использовалась ЖКИ-индикаторная головка Velleman.
Монстр получился страшный. Преобразователи добавили веса, что свело на нет преимущества Ni-Mh аккумуляторов над кислотным.
Изменился и состав оборудования – в группе появился спутниковый телефон Thuraya – странная машинка, для зарядки которой нужен источник тока, а не напряжения. Впрочем, достаточно непривередливый. Фотоаппарат так же сменился на Sony DSC, жаждущий 4.22В на вход, причем достаточно точно. Больше или меньше – отключает зарядку. GPS комплект тоже обновился: Garmin 12 уступил место "BluetoothBT-мышке" и смартфону iMate SP3 Windows CE Smartphone edition. Программа навигации OZI CE на такой машине не запустилась, пришлось писать свой растровый карто-рисовальшик и логгер. В последствии это легло в основу другого логгера, тупиковой ветви развития моих GPS.
Этот комплект послужил мне какое-то время, и был последним в серии разработок без программного управления микроконтроллером.
Недостатки у комплекта так же были:
Низкий КПД "фирменного" преобразователя, добавилось ещё и потребление на собственные нужды индикации.
Особенно низкий КПД в режиме зарядки спутникового телефона, источник
тока на LDO-стабилизаторе – плохая идея. Даже корпус потемнел.
Очень сложное управление 8-ю переключателями.
Отсутствие автоматики управление, нужно следить за окончанием процесса, собственное потребление ненагруженного "фирменного" "преобразователя –
20 мА, так что забыть его работающим на ночь – расточительно.
Аккумуляторы оказались редкостной фигнёй - ёмкость падала на
глазах с каждым циклом. Это называется – не попадайтесь на маркетинг. У
большинства производителей ёмкость "D" элемента – не более 6 Ач, а у
этих аж 10Aч. Десять он выдал ровно два раза.
Основным разочарованием в этом походе стала собственно солнечная батарея. После года хранения с прошлого похода её мощность снизилась примерно в 10 раз. По сути, я протаскал её зря. Подозреваю, что мега хваленая американская батарея оказалась китайским барахлом. Восстановить её так и не удалось – внутренние соединения были сделаны напылением металла на полимерную пленку, и сопротивление этого безобразия за год подросло. До похода я этого не заметил – напряжение было нормальным, а ток на московском балконе особенно и не измеришь…
Выводы были примерно такие:
Батарея не должна быть большой, а скорее "Небольшой – но работать постоянно", в том числе и при пешем движении.
Аккумуляторы должны быть максимально легкими, пусть и ценой ёмкости. Это следует из первого.
Нет необходимости тащить с собой перезаряжаемый запас ёмкости на всё
время похода. Частично он восполняется солнцем, а частично –
исчерпаемыми: батарейки – это выход!
Тут следует сделать комментарий относительно использования батареек. Обычная (качественная алкалиновая) батарейка размера АА имеет ёмкость порядка 3Ач! Правда, при относительно небольшом токе разряда (300-400 мАа), при больших токах - ёмкость падает, сказывается высокое внутреннее сопротивление. А большая "D" - 20-25 Aч. Это больше, чем любой аккумулятор аналогично размера, и, что немаловажно, существенно легче. В последнее время я беру в походы блок из 8-и АА батареек, и держу его в резерве, на случай плохой погоды. С экологической точки зрения, разрубленная пополам батарейка в костре сгорает бесследно.
Попытка три (неудачная):
Решение о переходе на Li-Ion аккумуляторы вынудило меня искать технические решения для их зарядки, и первая же ссылка была на микроконтроллер Atmega406. Однако, уже после разработки я понял, что ни применяемый мной компилятор (Avr-Gcc), ни, что совсем плохо, программатор – не поддерживают этот чип. Сейчас ситуация изменилась, и возможно, это перспективное направление для разработки мощного преобразователя для ноутбука, где требуется работа нескольких последовательных Li-Ion банок.
Что я хочу от универсального преобразователя:
Входное напряжение от 2В до 25В ( идеально), от 3В до 15В (нормально).
Выходной ток до 2А (идеально), 1.3А(нормально).
Выходное напряжение 3В – 14 В.
Высокий КПД при работе 3..5 B в 5 В ( работа от Li-Ion – блока).
Алгоритмы работы с различными типами выхода – по напряжению и по току.
Алгоритм для зарядки Li-Ion аккумуляторов, интеллектуальное отключение по окончанию зарядки аккумулятора или устройства.
Алгоритмы работы ( в основном – возобновление работы) при нестабильном входе от солнечной батареи.
Надёжность, в том числе и при экстремальном использовании.
Попытка четыре ( Крым, Май, 2007):
Идея использования последовательно соединенных Li-Ion банок была реализована без использования специализированного микроконтроллера – был взят аналоговый frontend BQ29312 и обычный Atmega128. Эта связка использовалась для контроля напряжения на каждой из банок, балансировки и т.п. Наконец-то были реализованы такие сервисные функции, как отключение выхода по таймеру или по снижению потребляемого тока, профили выхода, индикация режимов на ЖКИ и т.п… Можно было изменять зарядный ток, использовать внешний источник от 2 до 15В для заряда или для работы на выход. В общем, мечта - устройство получилось довольно удачное, но концепция встроенных аккумуляторов 6 шт. (3 последовательных секции по 2 аккумулятора) размера 18650 сделала его громоздким, и поэтому неудачным для коротких вылазок.
Одновременно с этим источником питания продолжались работы над GPS: Был сделана "Bluetooth-мышка" на Sirf-3 III с внешним 3-х вольтовым питанием (в источнике – отдельный, не отключаемый выход), с особенностью: приёмник включался только при активном Bluetooth соединении, что позволяло быть программно управлять энергопотреблением. В качестве собственно логгера использовался коммуникатор Qtek S200. Это был довольно удачный вариант логгера – он мог бы стать финальным, если бы не старания дядюшки Гейтса. Windows Mobile 5 (да и 6 тоже) экономичными быть не умеют.
В принципе алгоритм работе с таким железом достаточно прост:
1. раз в N минут КПК должен проснутся
2. поднять Bluetooth – линк
3. подождать когда приемник определится
4. записать координаты
5. отключить Bluetooth
6. заснуть до следующего раза.
Так вот реализация этого всего на КПК – большая проблема, решения которой у меня просто нет. Программно уснуть можно, установить таймер, по которому КПК проснется в заданное время – тоже можно, все программы-будильники это делают. Проблема в том, что после 200-300 таких циклов (видимо нормально для будильника, но у нас-то цикл это не день, а 3-4 минуты :-) машинка виснет намертво. Т.е. в момент очередного "пробуждения" процессор стартует, это видно по возрастающему энергопотреблению и все… дальше никакой реакции ни на что, кроме аппаратного Reset. Я пробовал разные версии прошивки КПК, пытался запускать не свое, а встроенные приложения, чтобы исключить свои ошибки…. в общем, не вышло. Баг сидит где-то в ядре ОС, и уверенно повторяется на разных устройствах с Win Mobile.
Второе решение с КПК – полная противоположность. Нужно исключить "засыпание". Программа должна перехватить кнопку "Power": заниматься управлением потреблением сама. Единственная проблема этого варианта - это CPU, который не хочет потреблять менее 40 мА, что довольно много. Программно можно отключить в КПК абсолютно все, остается только CPU. Этот вариант успешно работал, но такое решение меня не устраивало энергоемкостью. Следующим решением был аппаратный логгер, но об этом в другой статье.
Для этого варианта я приобрел у Николая собственно аккумуляторы, и батарею на жестких фотоэлементах в зеленом чемодане, 5 Ватт (снята с производства). Батарея отлично показала себя в работе, обеспечивая работу всего хозяйства без использования батареек, но на ходу использовать её было всё ещё затруднительно. Крепление постоянно сбивалось, кроме того, при густой растительности я боялся её разбить/ободрать.
Постепенно пришло осознание того, что вся конструкция "мобильной энергетики" должна быть модульной. В зависимости от условий похода, длительности, вероятного солнца, наличия розеток и т.д. состав оборудования должен легко изменятся.
С пониманием этого факта и приближающимся походом в Гималаи я занялся делать очередную и последнюю на данный момент версию.
Попытка пять ( Непал, Гималаи, Октябрь, 2008):
Устройство было устроено как 2 независимых преобразователя (один повышающий, один понижающий) с общими входом и выходом, и системы управления ими на микроконтроллере Atmega32. Две сенсорных кнопки позволяли сделать устройство герметичным, режимы отображал графический ЖКИ. В общем, получилось довольно удачно, но независимость преобразователей сыграла злую шутку – устройство не может работать при близких значениях напряжения входа и выхода, т.е. зарядить фотоаппарат 4.2 В от накопительной батареи, у которой тоже 4.2 В – не получается.
Внешний вид, меню настройки входа и выхода.
Габариты устройства всего 80 на 60 мм, толщина 15 мм. По эргономике есть проблемы – разъёмы входа и выхода в корпус не поместились, и их пришлось подвесить на проводах снаружи. Это довольно некрасиво. Устройство отлично показало себя в реальной работе, но из-за досадной ошибки при монтаже (поставил 50 мкГн вместо 500), уже ближе концу частично вышла из строя схема питания процессора, после чего работать от низких напряжений оно уже не могло.
В качестве солнечной батареи выступила 6Вт от SunCharger, которая наконец удовлетворила меня целиком и полностью: легкая, гибкая, компактная, достаточно мощная: на горном солнце выходной ток поднимался до 1.2 А, при 6 вольтах.
Батарейный блок представляет собой 4 шт Li-Ion аккумуляторов размера 18650, соединённых параллельно, и схему зарядки, т.е. эта штука живет автономно он преобразователя.
Параллельное соединение аккумуляторов позволяет практически без потерь заряжать их от солнечных батарей 4.7 и 6 Ватт от SunCharger. Так же с собой брался батарейный блок 8xAA, который можно было подключить к устройству.
Информационный экран-подтверждение перед началом работы.