פרויקט הפעמון האלחוטי, שהשלמתי לפני עשרה חודשים וקצת, גמר את הסוללה הרבה לפני המועד שניבאתי בהערכות הכי פסימיות שלי. לאן נעלם כל המטען החשמלי הזה?

בפוסט המקורי על הפעמון, שהצד המשדר שלו מופעל בסוללת CR123A נטענת (ליתיום יון), נשאלתי לגבי צריכת החשמל כאשר המשדר אינו פעיל, וכמה זמן הסוללה אמורה להחזיק. הערכתי שהצריכה היא בסביבות 30 מיקרו-אמפר – 20 מיקרו-אמפר למודול הרדיו במצב שינה, ועוד מיקרו-אמפרים ספורים: למיקרו-בקר במצב שינה, למחלק מתח שמשמש לבדיקת מתח הסוללה, וזרם מנוחה (ככה קוראים ל-Quiescent Current בעברית?) של מייצב המתח שבמעגל. לגבי חיי הסוללה, לקחתי הערכה פסימית הרבה יותר של צריכת הזרם הממוצעת (102uA) וחילקתי בזה את הקיבולת שכתובה על הסוללה, 2300mAh (מעוגלת כלפי מטה ל-2000). התשובה הייתה 2.24 שנים. בפועל, כאמור, זה אפילו לא היה קרוב.

הכיוון הראשון שחשבתי לבדוק היה צריכת הזרם בפועל, לא רק בתיאוריה. האם יש תקלה במעגל, או אי-הבנה שלי לגבי הרכיבים, שגורמים לצריכה הרבה יותר משמעותית? לקחתי את הפעמון וחיברתי אותו לספק כוח דרך מולטימטר מדגם AN8008, שהוא אמנם סיני וזול, אבל קיבל ביקורות מפתיעות לטובה בפורומים בחו"ל וגם מסוגל למדוד זרם ברזולוציה של מיקרו-אמפרים.

הצרה היא שברגע החיבור לחשמל כל הרכיבים מתחילים במצב פעולה רגיל, ובמצב זה הם צורכים יותר מדי זרם בשביל המולטימטר, שנתקע על OL (כלומר עומס יתר, Overload). כדי לאפשר את המדידה כשהפעמון עובר למצב שינה, חיברתי מראש חוט רגיל במקביל לפרובים של המולטימטר. החוט, בתור נתיב בעל התנגדות אפסית, העביר כמעט את כל הזרם ו"ספג" את הצריכה הגבוהה בהתחלה. רק כשהפעמון נכנס למצב שינה סילקתי ידנית את החוט. המולטימטר נותר הנתיב היחיד לזרם, שהיה עכשיו מספיק קטן בשביל מדידה ברזולוציה של uA – והתוצאה הייתה 27. אפילו יותר טוב מההערכה שלי! אז מה בכל זאת הבעיה?

כשהעליתי את השאלה לדף הפייסבוק שלי, קיבלתי מהר מאוד שתי תשובות מצוינות. הראשונה דיברה על הפריקה העצמית (Self discharge) של הסוללה. כל סוללה, מכל סוג שהוא, מאבדת חלק מהמטען שלה עם הזמן. זו אחת הסיבות, אגב, לשנת התפוגה שמופיעה על אריזות של סוללות. מסתבר שהפריקה העצמית משמעותית יותר בסוללות נטענות, במיוחד כשהטמפרטורה הסביבתית גבוהה, ועשויה להגיע לאחוזים שלמים מהמטען מדי חודש (זה מעבר לפריקה משמעותית של מספר אחוזים, שמתרחשת תוך יממה בערך מרגע סיום הטעינה). את הנתון החשוב הזה שכחתי לגמרי בחישובים הקודמים שלי, ובהתחשב בקיץ הישראלי, לא יפתיע אם הסוללה איבדה בעשרת חודשי הפעילות שלה עשרים או שלושים אחוזים מהמטען ההתחלתי, אם לא יותר, רק בגלל האפקט הזה.

עם זאת, זה לא מסביר את כל ההבדל. עם צריכה בפועל של 27 מיקרו-אמפר (גם אם נעגל בטירוף ל-40, בשביל טעויות מדידה ובשביל פעולת השידור ה"בזבזנית" מדי פעם), הסוללה הייתה אמורה להספיק להרבה יותר זמן – אפילו אם הייתה מאבדת 50% מטען בפריקה עצמית. כאן נכנסת לתמונה התשובה השנייה: מי אמר שהסוללה הזו באמת יכולה לספק 2300mAh? כאן, אני מוכרח להודות, יצאתי אהבל. את הסוללה הזו קיבלתי פעם מלקוח, לא קניתי לבד, ולכן הזנחתי את הנושא ולא שמתי לב ש-2300mAh הוא מספר לחלוטין לא ריאלי. עיון בוויקיפדיה העלה שקיבולת טיפוסית לסוללה נטענת כזו היא 700mAh, ופה אנחנו מדברים על סוללה של חברה סינית, שלא ידועה בהכרח באיכות המוצרים שלה (אני אחסוך מכם את הקישורים שמצאתי – הם לא לבעלי לב חלש).

נעשה חישוב הפוך, מקורב ופשטני מאוד: נשער שצריכת הזרם הממוצעת של המעגל היא 32uA, ושהוא פעל במשך 7500 שעות, ושהסוללה איבדה 20% מהמטען במשך הזמן הזה בגלל פריקה עצמית. נקבל קיבולת אמיתית של 300mAh – מספר סביר בהחלט ל-CR123A נטענת סינית סוג ג'!

[תוספת מאוחרת: מגיב נוסף בפייסבוק הביא קישור לבדיקה מפורטת שנערכה על סוללה כזו, רק בצבע אפור]

הצלצול הגואל

בתוכנה המקורית של הפעמון שילבתי אינדיקציה בסיסית לסוללה חלשה: כשלוחצים על הכפתור, הלד שצמוד אליו מהבהב בקצרה פעמיים במקום להאיר פעם אחת. מסתבר שמבחינת הנדסת אנוש זה היה פתרון לא חכם, כי האדם היחיד שהיה שם לב להבדל – אני – בעצם כמעט אף פעם לא מצלצל… כך פספסתי את התרוקנות הסוללה והפעמון הפסיק לעבוד לגמרי.

כדי לתקן את המצב ולתפוס את הסוללה המתרוקנת בזמן, ביצעתי שני שינויים. בצד המשדר הוספתי לפלט המשודר את התו 1 (לציון סוללה תקינה)  או 0 (חלשה). בצד הקולט, שמבוסס על ארדואינו בחיבור קבוע לחשמל, הוספתי לתוכנה טלאי קטן שקורא את התו החדש. אם הוא 0, הארדואינו משנה את הצליל האחרון במנגינה הקבועה שלו לתו אחר וצורם. את זה בטוח שלא אפספס.

לעת עתה החזרתי את אותה הסוללה, טעונה מחדש כמובן, לפעמון. לרוע המזל אי אפשר לשים בו סוללת CR123A לא נטענת עם קיבולת גדולה יותר, כי המתח של הלא-נטענות הוא 3V בלבד, והמשדר שלי צריך 3.3.