Teknik 1 · Energi och ellära · Kapitel 5

Energi i en mikrokontroller

En mikrokontroller som Adafruit Feather är en liten dator som kan styra lampor, motorer och sensorer — till exempel i en CanSat. Den drar väldigt lite ström, men batteriet är också litet. Här räknar vi på små energiförbrukare, där milliampere och milliwatt är de vanliga enheterna.

Läs genomgången och räkna exemplen först — sedan testar du i simuleringen längst ner.

Adafruit Feather

Adafruit Feather RP2040 är 5 cm lång och väger 5 gram. De viktigaste uppgifterna för energiberäkningar:

Egenskap	Värde
Logik och matning	3,3 V
3,3 V-regulator (utgången 3,3 V och GND)	högst 500 mA
En GPIO-pinne (t.ex. pinne 5)	högst ungefär 10 mA
Inbyggd batteriladdare	200 mA (batteriets nominella spänning 3,7 V)
Batteri (litiumpolymer)	3,7 V, 400 mAh

Kortet har också 21 GPIO-pinnar (varav fyra analoga ingångar), en röd lysdiod på pinne 13, en RGB-lysdiod (NeoPixel), en USB-C-kontakt och en kontakt (STEMMA QT) för sensorer.

Enheter för små förbrukare

Symbol: U
Enhet: volt (V)
Vanliga prefix: mV, V
Exempel: sensorer 0–3,3 V, batteri 3,7 V
Symbol: I
Enhet: ampere (A)
Vanliga prefix: µA, mA
Exempel: lysdiod 20 mA, sensor 200 µA
Symbol: R
Enhet: ohm (Ω)
Vanliga prefix: Ω, kΩ, MΩ
Exempel: motstånd till lysdiod 220 Ω, pull-up 10 kΩ
Symbol: P
Enhet: watt (W)
Vanliga prefix: mW
Exempel: lysdiod 40 mW, servo 1 W, hela kretsen under 2 W
Symbol: E
Enhet: joule (J), wattimme (Wh)
Vanliga prefix: mWh, Wh
Exempel: batteri 1 000 mAh ≈ 3,7 Wh

Storhet	Symbol	Enhet	Vanliga prefix	Exempel
Spänning	U	volt (V)	mV, V	sensorer 0–3,3 V, batteri 3,7 V
Ström	I	ampere (A)	µA, mA	lysdiod 20 mA, sensor 200 µA
Resistans	R	ohm (Ω)	Ω, kΩ, MΩ	motstånd till lysdiod 220 Ω, pull-up 10 kΩ
Effekt	P	watt (W)	mW	lysdiod 40 mW, servo 1 W, hela kretsen under 2 W
Energi	E	joule (J), wattimme (Wh)	mWh, Wh	batteri 1 000 mAh ≈ 3,7 Wh

Kom ihåg prefixen

m (milli) = en tusendel: 10 mA = 0,010 A
µ (mikro) = en miljondel: 200 µA = 0,000 2 A
k (kilo) = tusen: 10 kΩ = 10 000 Ω

Energin i ett batteri

Ett batteris kapacitet C anges i ampertimmar (Ah) eller milliampertimmar (mAh): hur länge batteriet kan ge en viss ström. Energin får man genom att multiplicera med spänningen:

E_{\text{bat}} = U \cdot C

E = energi (Wh), U = batteriets spänning (V), C = kapacitet (Ah)

Exempel · Batteri på 1 000 mAh

Hur mycket energi lagrar ett batteri på 3,7 V och 1 000 mAh?

Visa lösning

Kapaciteten i ampertimmar: 1 000 mAh = 1 Ah

$E = U \cdot C = 3{,}7 \cdot 1 = 3{,}7\,\text{Wh}$

I joule

$3{,}7 \cdot 3600 \approx 13\,300\,\text{J}$

Svar: 3,7 Wh.

Förkopplingsmotstånd till en lysdiod

En lysdiod (LED) har ett nästan fast spänningsfall, för en röd lysdiod ungefär 1,8 V. Resten av spänningen måste ligga över ett förkopplingsmotstånd som begränsar strömmen — utan motstånd blir strömmen för stor och lysdioden, eller GPIO-pinnen, går sönder.

Med 3,3 V från en GPIO-pinne och en röd lysdiod ligger 3,3 − 1,8 = 1,5 V över motståndet. Strömmen får man med Ohms lag.

Exempel · Röd lysdiod med 330 Ω

En röd lysdiod (1,8 V) och ett motstånd på 330 Ω seriekopplas mellan en GPIO-pinne (3,3 V) och GND. Hur stor blir strömmen, och klarar pinnen det?

Visa lösning

Spänningen över motståndet

$U_R = 3{,}3 - 1{,}8 = 1{,}5\,\text{V}$

Strömmen (Ohms lag)

$I = \frac{U_R}{R} = \frac{1{,}5}{330} \approx 0{,}0045\,\text{A} = 4{,}5\,\text{mA}$

Svar: 4,5 mA — under GPIO-pinnens gräns på ungefär 10 mA.