Akut ja akkupankit ovat lähes jokaisen siirrettävän elektroniikkaprojektin heikoin lenkki, koska ne mitoitetaan usein pelkän mAh-luvun perusteella. Kun ESP32-sääasema sammuu kahden päivän jälkeen tai Arduino-robotti hidastuu kesken testin, syy löytyy yleensä akun kapasiteetin ja tehon sekoittamisesta. Tässä artikkelissa käydään läpi, miten akun kapasiteetti lasketaan oikein, milloin akkupankki sopii projektin virtalähteeksi ja miten kennot kytketään turvallisesti.
Kapasiteetti ja teho ovat eri asioita
Kapasiteetti kertoo, kuinka paljon varausta akkuun mahtuu. Se ilmoitetaan milliampeeritunteina (mAh). Teho taas kertoo, kuinka nopeasti energiaa voidaan ottaa ulos, ja sitä rajoittaa kennon sisäinen resistanssi ja suurin sallittu purkuvirta.
Pelkkä mAh-luku ei riitä vertailuun, koska siitä puuttuu jännite. Vertailukelpoinen suure on wattitunti (Wh), joka saadaan kertomalla ampeeritunnit nimellisjännitteellä. Litiumioniakun 3000 mAh kenno 3,6 voltin nimellisjännitteellä sisältää noin 10,8 Wh. Neljä 1,2 voltin 2000 mAh NiMH-kennoa sarjassa antaa 4,8 V ja noin 9,6 Wh, vaikka mAh-luku on pienempi.
Purkukykyä kuvataan C-arvolla. 1C tarkoittaa virtaa, jolla akku tyhjenisi tunnissa: 2000 mAh akulle 2 A. Moottoriohjaimen ja kahden DC-moottorin robotti voi vetää käynnistyshetkellä useita ampeereja, ja jos kenno ei anna tätä virtaa, jännite romahtaa ja mikrokontrolleri käynnistyy uudelleen. Tämä näyttää ohjelmointivirheeltä, mutta kyse on virransyötöstä.
Akkutyypit harrastusprojekteissa
Yleisin valinta on litiumioniakku, kuten 18650-kenno. Sen täyteen ladattu jännite on 4,2 V, nimellisjännite 3,6-3,7 V ja purun alaraja tyypillisesti 2,5-3,0 V valmistajasta riippuen. Laadukas merkkikenno maksaa noin 5-12 € kappaleelta, ja kapasiteetti on yleensä 2500-3500 mAh.
LiPo-akut ovat ohuita pussikennoja, joita käytetään droneissa ja pienissä puettavissa laitteissa. Ne antavat suuria virtoja mutta ovat herkkiä kolhuille ja turpoamiselle. LiFePO4-kennot (nimellisesti 3,2 V) kestävät enemmän latauskertoja ja ovat lämpöstabiilimpia, joten niitä näkee aurinkopaneelijärjestelmissä ja mökkiprojekteissa. NiMH-kennot (1,2 V) sopivat edelleen kouluprojekteihin ja Micro:bitin kaltaisiin laitteisiin, joissa käytetään AA-kokoa.
Akun kapasiteetin laskeminen käytännössä
Kokenut rakentaja aloittaa mittaamalla laitteen todellisen virrankulutuksen yleismittarilla, ei arvaamalla sitä datalehden perusteella. Mittari kytketään sarjaan syöttöjohtimen kanssa ja virta mitataan jokaisessa toimintatilassa: aktiivisena, radion lähettäessä ja unitilassa.
Esimerkkinä ESP32-sääasema DHT22-anturilla. Jos keskimääräinen kulutus on 20 mA ja akkuna on 2000 mAh kenno, teoreettinen käyntiaika on 100 tuntia. Todellisuudessa kannattaa laskea 70-80 prosentilla, koska jännitteensäätimen häviöt, kennon ikääntyminen ja kylmyys syövät kapasiteettia. Käyntiajaksi jää noin 70-80 tuntia.
Suurin säästö tulee syväunesta. Pelkkä ESP32-moduuli voi kuluttaa syväunessa kymmeniä mikroampeereja, mutta kehityskortin USB-sarjamuunnin, virtaledi ja jännitteensäädin voivat nostaa lepovirran useisiin milliampeereihin. Akkukäyttöön tarkoitettu laite rakennetaan siksi usein pelkän moduulin ja vähävirtaisen LDO-säätimen ympärille. Tarkat lepovirrat kannattaa tarkistaa säätimen datalehdestä.
Akkupankki projektin virtalähteenä
USB-akkupankki on aloittelijalle helpoin tapa syöttää Raspberry Pi tai Arduino kenttäkäytössä. Se sisältää valmiiksi latauspiirin, suojauksen ja 5 voltin hakkurin. Hyvän 10 000 mAh akkupankin saa noin 20-40 €, hinnat vaihtelevat myyjän ja kampanjoiden mukaan.
Akkupankkien rajatapaus yllättää monen: useimmat sammuttavat itsensä, kun kuormavirta laskee alle muutaman kymmenen milliampeerin. Syväunessa nukkuva ESP32 näyttää akkupankille irrotetulta laitteelta, ja virta katkeaa. Ratkaisuksi on myyty ”always on” -tilalla varustettuja malleja, mutta varmempaa on käyttää suoraan litiumkennoa ja latausmoduulia.
Raspberry Pi 5 on toinen ääripää. Se tarvitsee USB-C-syötön, joka antaa 5 V jännitteellä jopa 5 A, ja tavallisesta akkupankista se saa usein vain rajoitetun virran oheislaitteille. USB-C-syötön ja virtaprofiilien yhteensopivuutta on käsitelty tarkemmin artikkelissa USB-C ja muut nykypäivän liittimet.
Myytti: 20 000 mAh lataa puhelimen viisi kertaa
Akkupankin kyljessä oleva luku ilmoitetaan sisäisten kennojen 3,6-3,7 voltin jännitteellä. Ulostulossa jännite nostetaan 5 volttiin ja hakkuri hukkaa 10-20 prosenttia energiasta. 10 000 mAh akkupankista saadaan 5 voltin puolelle käytännössä noin 6000-6500 mAh.
Sama koskee nettikauppojen 18650-kennoja, joiden kyljessä lukee 9900 mAh. Tämän kokoluokan litiumionikennon todellinen kapasiteetti jää noin 3500 mAh:iin, joten tällaiset luvut ovat väärennöksiä. Kaukoidästä tilatessa kannattaa huomioida toimitusaika, tulli ja arvonlisävero, mutta ennen kaikkea tuotteen aitous. Kotimaisesta tai eurooppalaisesta elektroniikkakaupasta ostettu merkkikenno on lähes aina halvempi ratkaisu kuin kaksi väärennöstä.
Kennojen kytkeminen sarjaan ja rinnan
Sarjaankytkentä kasvattaa jännitettä, rinnankytkentä kapasiteettia. Kolme litiumkennoa sarjassa (3S) antaa nimellisesti noin 11,1 V ja täytenä 12,6 V, mikä sopii 12 voltin LED-nauhoille ja moottoreille. Kaksi kennoa rinnan säilyttää jännitteen mutta tuplaa ampeeritunnit.
Ammattilainen rakentaa akkupaketin seuraavassa järjestyksessä:
1. Valitaan samanmallisia ja saman ikäisiä kennoja samasta erästä.
2. Ladataan kennot samaan jännitteeseen ennen kytkemistä.
3. Lisätään sarjakytkentään sopiva BMS-suojapiiri, joka valvoo jokaista kennoa.
4. Liitetään kennot pistehitsatuilla nikkeliliuskoilla tai kennopidikkeillä.
5. Mitoitetaan sulake ja johdinpaksuus suurimman purkuvirran mukaan.
Yksittäisen kennon lataamiseen riittää edullinen TP4056-pohjainen latausmoduuli, jonka hinta on 1-3 €. Kannattaa valita versio, jossa on mukana myös suojapiiri ylipurkausta vastaan.
Yleisimmät virheet akkuprojekteissa
Juottaminen suoraan kennoon. Juotoskolvin pitkäaikainen kuumuus vahingoittaa kennon sisärakennetta. Juotettavilla kielekkeillä varustetut kennot tai kennopidikkeet ovat turvallisempi valinta.
9 voltin paristo Arduinon virtalähteenä. Tavallisessa 9 voltin alkaliparistossa on vain noin 400-600 mAh, ja Arduino Unon lineaarinen säädin muuttaa ylimääräisen jännitteen lämmöksi. Paristo tyhjenee usein jo vuorokaudessa.
Eri-ikäisten kennojen yhdistäminen. Heikoin kenno määrää koko paketin keston. Sarjakytkennässä se voi ilman BMS:ää purkautua turvarajan alapuolelle.
Turvallisuus litiumakkujen kanssa
Litiumkennoa ei saa koskaan oikosulkea, ja turvonnut, kolhiintunut tai kuumeneva akku poistetaan käytöstä heti eikä sitä ladata enää. Keskeneräinen akkuprojekti ladataan palamattomalla alustalla valvotusti, ei yön yli. Pienjännitteiset 5 ja 12 voltin järjestelmät ovat harrastajan turvallinen alue. Verkkojännitteeseen kytkettävät kiinteät asennukset, kuten mökin aurinkosähköjärjestelmän liittäminen talon sähköverkkoon, kuuluvat sähköturvallisuuslain mukaan sähköalan ammattilaiselle.
Käytetyt kennot palautetaan kauppaan tai keräyspisteeseen, ja napojen päälle laitetaan teippiä oikosulkujen estämiseksi. Palautuspaikoista kerrotaan artikkelissa kierrätettävät akut ja paristot.
UKK
Miten lasken, kuinka kauan akku riittää projektilleni?
Jaa akun kapasiteetti (mAh) laitteen keskimääräisellä virrankulutuksella (mA) ja kerro tulos 0,7-0,8:lla häviöiden huomioimiseksi. Mittaa kulutus yleismittarilla kaikissa toimintatiloissa.
Voiko Arduinoa tai ESP32:ta käyttää suoraan 18650-kennolla?
Voi, kun välissä on sopiva jännitteensäädin. ESP32 toimii 3,3 voltilla, joten 4,2-3,0 voltin kennolle tarvitaan matalan pudotusjännitteen LDO-säädin tai buck-boost-muunnin. Arduino Uno tarvitsee 5 V, jolloin käytetään step-up-muunninta.
Miksi akkupankki sammuu kesken projektin?
Useimmat akkupankit katkaisevat virran, kun kuormavirta on hyvin pieni. Unitilassa oleva mikrokontrolleri ei kuluta tarpeeksi pitääkseen akkupankin päällä.
Mitoita akku wattitunneilla ja mitatulla kulutuksella
Akun valinta on yksinkertaista, kun sen tekee wattitunneilla ja mitatulla virrankulutuksella eikä myyntipakkauksen suurimmalla luvulla. Projektiin sopiva akku löytyy, kun kapasiteetti mitoitetaan keskikulutuksen ja purkukyky virtapiikkien mukaan. Lisäksi tarvitaan suojapiiri, joka estää kennon ylipurkauksen. Akkukemian ja tehoelektroniikan perusteita voi syventää alan oppikirjoista, joita löytyy elektroniikan kirjojen osastolta. Ensimmäiseen akkuprojektiin riittää yksi laadukas 18650-kenno, suojattu latausmoduuli ja yleismittari.