Если вам хоть раз доводилось видеть, как двухколесный робот школьника на Arduino ползет вперед восемь минут, вздрагивает и внезапно перезагружается каждый раз, когда ультразвуковой датчик запускает поворот, вы столкнулись с проблемой 9-вольтовой батарейки типа PP3 («Крона»). Батарейка не бракованная. Просто от нее требуют работы, для которой законы физики ее не предназначали.

Стандартная прямоугольная батарейка на 9 В быстро садится в школьных проектах по робототехнике из-за трех взаимосвязанных факторов: крошечной энергоемкости, высокого внутреннего сопротивления, вызывающего катастрофическую просадку напряжения при нагрузке от моторов, и тепловых потерь на встроенном линейном стабилизаторе напряжения Arduino. Понимание математики этих процессов позволяет легко подобрать более дешевые и надежные схемы питания для учебного класса.

Что внутри 9-вольтовой батарейки?

Если снять металлический корпус со стандартной щелочной батарейки 9 В (PP3), внутри обнаружатся шесть крошечных цилиндрических элементов на 1,5 В (часто типоразмера AAAA), соединенных последовательно. Из-за миниатюрности элементов их общая химическая емкость крайне мала — обычно от 400 до 550 миллиампер-часов (мА·ч) при очень медленном разряде.

Что принципиально важно, производители указывают эту емкость для идеальных условий: постоянной нагрузки всего в 15–25 миллиампер (мА), характерной для детектора дыма или цифрового мультиметра. Когда же такую батарейку устанавливают в проект на Arduino, где работают два желтых мотор-редуктора TT (потребляющих от 200 до 400 мА каждый), микроконтроллер, ультразвуковой датчик и H-мостовой драйвер двигателей, общий ток потребления легко превышает 500–800 мА. При такой высокой нагрузке полезная емкость 9-вольтовой батарейки падает до доли от номинального значения.

Математика просадки напряжения и перезагрузок (brownout)

Каждый источник питания обладает внутренним сопротивлением ($R_{int}$). У свежей щелочной батарейки 9 В внутреннее сопротивление составляет от $1.5\,\Omega$ до $2.0\,\Omega$ и резко возрастает по мере разряда.

При потреблении тока ($I$) напряжение на клеммах батарейки ($V_{terminal}$) падает по формуле:

$$V_{terminal} = V_{open} - (I \times R_{int})$$

Посмотрим, что происходит, когда робот на Arduino трогается с места. Пусковой ток двух небольших двигателей постоянного тока в момент блокировки (stall current) может легко достичь 1,0 А:

• Напряжение холостого хода: 9.0V
• Падение напряжения на внутреннем сопротивлении: $1.0\text{A} \times 2.0\,\Omega = 2.0\text{V}$
• Мгновенное напряжение на клеммах: $9.0\text{V} - 2.0\text{V} = 7.0\text{V}$

Когда батарейка немного разряжается за десять минут и ее внутреннее сопротивление возрастает до $3.5\,\Omega$, тот же бросок тока в 1,0 А просаживает напряжение на клеммах до $5.5\text{V}$. Платы Arduino Uno и Nano используют встроенные линейные стабилизаторы (такие как AMS1117 или LM1117) для формирования стабильной 5-вольтовой шины, необходимой микроконтроллеру ATmega328P. Этим стабилизаторам требуется запас по напряжению (dropout voltage) порядка 1,0–1,2 В. Когда входное напряжение падает ниже примерно 6,2 В, шина 5 В проседает, что приводит к срабатыванию схемы сброса микроконтроллера при просадке питания (brownout reset). Робот сбрасывается, моторы останавливаются, нагрузка исчезает, напряжение подскакивает обратно до 8 В, Arduino перезагружается, и цикл повторяется бесконечно.

Потери на линейном стабилизаторе

Даже до того, как напряжение батарейки просядет до порога сброса, питание Arduino от 9 В через контакт VIN или разъем питания впустую рассеивает почти половину энергии батарейки в виде тепла.

Линейный стабилизатор понижает напряжение, работая как переменный резистор. Он рассеивает избыточное напряжение ($V_{in} - V_{out}$), умноженное на протекающий через него ток:

$$P_{loss} = (V_{in} - 5\text{V}) \times I$$

При понижении с 9 В до 5 В теряются 4 В из каждых поданных 9 В — электрический КПД составляет всего 55%. Остальные 44% дорогостоящей энергии батарейки сгорают в виде тепла на крошечном чипе стабилизатора поверхностного монтажа.

Сравнение источников питания для школьной робототехники

Что использовать в классе вместо батарейки 9 В

Для начальных и средних школ, выполняющих проекты в рамках официальной учебной программы по программированию и робототехнике (Coding and Robotics), отказ от 9-вольтовых батареек экономит немалую часть бюджета и избавляет от траты урочного времени на поиск неполадок.

1. Батарейный отсек на 4xAA или 6xAA

Стандартные элементы типа AA обладают примерно в четыре-пять раз большей емкостью по сравнению с 9-вольтовой батарейкой и существенно меньшим внутренним сопротивлением. Блок из 4 элементов AA выдает 6,0 В (щелочные) или 4,8 В (NiMH), чего достаточно для прямого питания драйверов двигателей постоянного тока при одновременной подаче питания на стабилизированную шину логики. Блок из 6 элементов AA (7,2–9,0 В) обеспечивает достаточный запас напряжения для контакта VIN платы Arduino, не допуская просадок до сброса при включении моторов.

2. Двухконтурное питание (изоляция моторов от микроконтроллеров)

Наиболее грамотное инженерное решение — раздельное питание логической части и силовой цепи моторов. Питайте микроконтроллер Arduino через USB-порт от недорогого перезаряжаемого повербанка на 5 В. Моторы и H-мостовой драйвер запитайте от отдельного батарейного блока 4xAA. Обязательно объедините линии заземления (GND) обоих источников. При резких бросках тока или блокировке моторов просадка напряжения затронет только батарею моторов, а 5-вольтовая шина микроконтроллера останется идеально стабильной.

3. Сборки 2S Li-ion 18650 с понижающим импульсным преобразователем (Buck Converter)

Для команд старшей школы, участвующих в соревнованиях на открытых платформах (таких как WRO RoboMission), стандартные литий-ионные аккумуляторы 18650 в конфигурации 2S (номинал 7,4 В) обеспечивают наибольшую удельную энергоемкость. Вместо подачи 7,4 В на неэффективный линейный стабилизатор Arduino подключите аккумулятор через недорогой импульсный понижающий преобразователь (buck converter), настроенный на 5,0 В. Импульсные стабилизаторы работают с КПД от 85% до 95% и не рассеивают лишнее напряжение в виде тепла.

Убедитесь, что любой батарейный отсек для элементов 18650, используемый в школе, оснащен встроенной платой защиты (BMS) для предотвращения глубокого разряда, короткого замыкания и переполюсовки при работе учащихся.

Экономическая выгода перехода

В ЮАР одна щелочная батарейка на 9 В стоит от R40 до R65. В классе из 30 учеников, работающих парами в течение десятинедельной четверти, замена севших 9-вольтовых батареек каждые три практических занятия легко обходится школе более чем в R2,500 за четверть только на расходные материалы. Оснащение шасси роботов перезаряжаемыми аккумуляторами NiMH AA или защищенными литий-ионными сборками из каталога компонентов Sheen Robotics окупается уже за два проектных цикла, избавляя от досадных перезагрузок роботов прямо во время демонстрации.