Pokus popsaný v následujícím článku nemá konkrétní praktický účel, jde jen o zábavné předvedení, jak jednoduše vyrobit elektrochemický zdroj elektrické energie schopný napájet i mikrokontrolér PICAXE. Můžeme jej ale brát také jako příklad, jak lze účinně snižovat spotřebu zařízení a „vyjít“ s omezeným množstvím energie. A věřte nebo ne, toto je problém, který zaměstnává mnoho špičkových odborníků, a na němž závisí projekty za miliardy dolarů.
Zinko-uhlíkové tužkové baterie zná každý. Zinkový obal tvoří záporný pól, pod ním je papírový separátor a v něm uhlíkový prášek napuštěný roztokem elektrolytu, uprostřed jako výstup kladného pólu uhlíková elektroda s kovovou čepičkou. Konstrukce využívá to, co je jako průmyslová surovina dostupné a relativně levné, nicméně pohled na dostupnost se o hodně změní, když chceme vycházet z materiálů, které najdeme doma, případně snadno seženeme. Zkuste koupit uhlíkovou destičku (ne slitinu uhlíku s mědí, která se používá na „uhlíky“ v motorech) nebo třeba jen čistý zinkový plech.
K funkčnosti článku v podstatě stačí vybrat dva kovy s různým elektrochemickým potenciálem a umístit je do elektrolytu, přitom na konkrétním druhu elektrolytu až tak moc nesejde. Zinek a uhlík mají výhodu v tom, že jejich kombinace dává poměrně velké napětí kolem 1,5 V. Když se spokojíme s menším napětím článku, můžeme najít dostupnější materiály. Známý je třeba „školní“ pokus se zinkovým a měděným plíškem zabodnutým do citrusu nebo do brambory. Měď místo uhlíku nás připraví asi o 0,5 V, ale měděný plíšek se dá snadněji sehnat například v podobě zemnícího pásku. Kdo by to chtěl zkusit, tak třeba zlato se chová podobně jako měď, ovšem články z něj by se docela prodražily.
Jediný článek s napětím kolem 1 V prokáže funkci, ale abychom z něj mohli něco reálně napájet, budeme jich potřebovat víc, řekněme čtyři. Napětí bude navíc velmi měkké a se zatížením klesne, i to je důvod pro větší počet článků. Optimální by bylo sehnat asi 3 mm silný zinkový plech a podobně silný měděný plech, nastříhat si z nich čtverečky přibližně 3×3 cm. Jeden článek potom tvoří dva čtverečky z různých kovů, mezi nimiž je silnější savý papír (lépe kousek látky) jako separátor napuštěný octem, ten se doma určitě najde.
Hotové články můžeme poskládat sériově na sebe a zvýšit výsledné napětí. Mezi články se také stýkají různé kovy, tato styčná plocha však musí být suchá! Zastavme se u toho, proč by čtverečky měly být ze silného plechu. Z hlediska jednoho článku na tom nesejde, z hlediska vícečlánkové baterie už ano. Separátor musí pokrývat celou styčnou plochu kovů, takže musí mírně přečnívat na okraji. A právě to je problém, pokud jsou plechy příliš slabé, sousední okraje separátorů se vzájemně dotknou (nebo jen elektrolyt přeteče přes okraj) a článek mezi sebou zkratují. Použijeme-li plechy různé tloušťky, ten tenčí by měl být větší a separátor nepřesahuje jeho okraj, naopak vlhký separátor přihladíme na plochu před přiložením silnějšího druhého plechu, to také zabrání nechtěnému dotyku.
Zinkový plech nahradíme plechem pozinkovaným, z něhož se dělají třeba okapy a střechy. Vrstva zinku na povrchu je tenká a dlouho nevydrží, ale na pokus stačí, a zbytky pozinkovaného plechu jsou dobře dostupné. Z tohoto plechu vystřihneme čtverečky. Místo měděného plechu použijeme desetikorunové mince, mají sice jádro ze železa, ale na povrchu silnou vrstvu mědi, a jsou vhodně silné. Nebudeme-li mince používat dlouho, nijak se pokusem neznehodnotí, když po pokusu otřeme tenkou zoxidovanou vrstvu, budou dál sloužit.
Připravené díly na čtyřčlánek: desetikoruny jako silné měděné elektrody, separátor z látky, čtverečky pozinkovaného plechu, měděné pásky pro připojení a svorka, aby to vše drželo u sebe
„Suché“ sestavení jednoho článku
Dolů měděný pásek, na něj pozinkovaný plech, na plech opatrně přihladit separátor namočený v octě …
… a na separátor položit minci. Kolem už jsou tři další stejně připravné články, takže můžeme sestavit sadu.
Čtyřčlánek sestavený ve svorce, zde při zkoušce bez elektrolytu.
Kontrola napětí, čtyřčlánek má téměř 4V
Pozinkovaný plech se může nahradit plechem hliníkovým, kombinace hliník – měď ovšem vytvoří jen poloviční napětí (asi 0,5 V), takže pro stejný zdroj budeme muset vyrobit dvojnásobný počet článků. Jako separátor doporučuji měkkou látku, z papíru ocet podstatně rychleji vysychá (je tenčí a je ho v něm méně) a článek přestane brzy fungovat. Životnost baterie je jen několik hodin. Hned po sestavení je schopna poskytnout proud až jednotky mA, ale už po několika minutách vzroste vnitřní odpor, takže napájené zařízení by mělo mít odběr v řádu jen desítek μA. Během několika dalších hodin vyschne elektrolyt.
„Mokrý“ článek s elektrolytem ve vaničce
Vyšší proud než předchozí uspořádání článku dává „mokrá“ verze, kdy elektrolyt (ocet) nalijeme do malé plastové vaničky, například misky od marmelády, a pozinkovaný i měděný plech do něj ponoříme ve vzdálenosti asi tak 3 mm bez separátoru. K uchycení elektrod můžeme použít třeba kousek měkkého plastu se zářezy. Samozřejmě čím větší je ponořená plocha, tím je napětí tvrdší. Nevýhodou je to, že se články snadno vylijí, kromě toho musí být samostatné, do baterie je musíme pospojovat vodiči.
Co můžeme naší čtyřčlánkovou baterií z mincí napájet? Například malou LED, svit ale bude slabý a ani nebude potřeba předřadný rezistor, o omezení proudu se postará velký vnitřní odpor článků. Podstatně efektnější výsledek vyžaduje akumulovat energii delší dobu a pak ji v krátkém intenzivním záblesku uvolnit. Vhodné zapojení s operačním zesilovačem TS271C vyšlo v časopise Elektor 4/2004, jeho výhodou je to, že neužitečná spotřeba obvodu činí jen kolem 15 μA.
Blikač s extrémně malou spotřebou
V zapojení se přes odpor 1 MΩ pomalu nabíjí kondenzátor, když jeho napětí vzroste nad 3/4 napětí zdroje (určeno děličem připojeným na neinvertující vstup OZ), výstup OZ spustí náhradu UJT tranzistoru vytvořenou ze dvojice bipolárních tranzistorů a energie akumulovaná v kondenzátoru se vybije přes LED. Záblesky jsou celkem intenzivní a mnohem efektnější, než trvalý slabý svit LED.
Pokud nemáte při ruce OZ TS271 s velmi nízkou spotřebou, dá se použít i časovač 555 v CMOS provedení, i když jeho vlastní (neužitečná) spotřeba je zhruba 6x větší, než spotřeba OZ. Zapojení vytváří bliknutí se střídou zhruba 1:30. Energie se akumuluje v elektrolytickém kondenzátoru připojeném přímo na zdroj. Při delších bliknutích je už znát, že svit LED je zpočátku opravdu intenzivní (je dokonce proudově přetížená), pak rychle slábne. Kvůli vyšší spotřebě je výdrž s tímto zapojením citelně menší.
Blikač s obvodem CMOS 555
Tříčlánkovou baterií „posílenou“ kondenzátorem 470 μF lze na chvíli nahradit napájení některých přístrojů, které používají oblíbené články CR2032, například stolních hodin, malých digitálních vah nebo teploměru.
Dostáváme se k tomu, co sliboval už titulek. Sestavíme si nejjednodušší zapojení blikače s PICAXE 08M2. LED použijeme raději s nízkou spotřebou (2 mA), i když bude v zapojení v podstatě přetížená. Vzhledem k tomu, že bliknutí je proti „odpočinku“ mnohem kratší, nijak výrazně to nevadí. Zavedeme program navržený tak, jak se to běžně dělá:
do ;smyčka programu pause 2300 ;čekání 2,3s high 4 ;zapnout LED pause 30 ;čekání 30ms low 4 ;vypnout LED loop ;konec smyčky
Když toto zapojení vyzkoušíme na napětí 4 V, tedy stejné, které dává náš čtyřčlánek, bude jeho průměrný odběr kolem 580 μA bez vlivu LED a asi 800 μA včetně LED (se špičkou kolem 10 mA). To je na naši baterii příliš, možná jednou nebo dvakrát blikne, ale pak napětí spadne a mikrokontrolér přestane fungovat. Musíme nějak snížit odběr.
Blikač s PICAXE 08M2. Základní průměrná spotřeba proudu je 0,58 mA bez LED, asi 0,8 mA včetně LED. Půjde snížit?
Zkusíme programově snížit hodinový kmitočet až na dolní mez 31 kHz (tj. 128x). Pomůže to, ale ještě máme rezervy. Po dobu, kdy je LED zhasnutá, se nemusí počítat doba čekání programem, ale stačí mikrokontrolér uspat a nechat v činnosti jen časovač, který jej po 2,3 s (nebo násobcích této základní doby) probudí. To spotřebu dál omezí, ve spánku bere PICAXE 08M2 méně než 20 μA. Jenže současně se zpomalením hodinového kmitočtu nastane problém s odměřením krátké doby zapnutí LED. I pokud bychom nastavili čekání jen na 1 ms příkazem pause 1, bude doba příliš dlouhá, protože vše nyní běží 128x pomaleji než při základní frekvenci 4 MHz. Musíme tedy sáhnout ke kratšímu čekání příkazem „pauseus“, který bere parametr v desítkách μs. To by už mělo stačit.
setfreq k31 ;hodiny 31kHz do ;smyčka programu sleep 1 ;uspání na 2,3s high 4 ;rozsvítit LED pauseus 10 ;počkat low 4 ;zhasnout LED loop ;konec smyčky
Uvedené změny sníží spotřebu samotného mikrokontroléru na asi 20 μA (bez odběru LED), to je přibližně 30x ! Tím jsme se dostali na nejméně 4x lepší (nižší) spotřebu, než lze dosáhnout samotným obvodem 555 v provedení CMOS. Pokud by šlo o to jen generovat signál, mohli bychom napájet PICAXE bez „posílení“ zdroje kondenzátory, ale protože naše LED představuje výraznou pulzní zátěž, musíme použít kondenzátor, který po celou dobu zhasnutí akumuluje energii a při bliknutí ji vydá. S kondenzátorem 470 μF, který stačí svojí kapacitou pokrýt skoro dvě bliknutí a má malý svod pod 2 μA, vychází průměrná spotřeba blikajícího obvodu kolem 140 μA. Na to naše „octová“ baterie s desetikorunami stačí. Kolísání napětí asi o 0,6 V nevadí. Při napájení z baterie se ale pochopitelně nedá mikrokontrolér programovat, to vyžaduje podstatně větší proud.
Jak už jsem uvedl na začátku, praktický význam konstrukce „octové“ ZnCu baterie asi těžko najdeme a koupeným bateriím se nevyrovnáme, ale jako zajímavý pokus může zaujmout zejména děti. Zkušenější uživatelé PICAXE se mohou pokusit napsat další jednoduché programy, které bude tentokrát nutné optimalizovat na to, aby dokázaly fungovat s velmi omezeným zdrojem energie. Když se energie déle akumuluje, můžeme krátce využívat i plné rychlosti mikrokontroléru, ale vždy jen tak, aby napájecí napětí příliš nepokleslo. Tyto úlohy jsou velmi podobné těm, které se řeší v kosmickém výzkumu, vždyť celý provoz výzkumých automatů na Marsu nebo dnes už i modulu Philae na kometě 67P (Churyumov–Gerasimenko) stojí a padá s tím, jak vytěžit co nejvíce z omezeného zdroje energie.