Zelfbouw muziekspeler maken op batterijen - waar op letten?

[Atomstar]

Ik wil een muziekspeler voor kinderen maken die muziek van een SD kaartje afspeelt en op batterijen draait. Ik ben geïnspireerd door de hörbert en het lijkt me een leuk project dit zelf te bouwen op basis van een IoT bordje, waarschijnlijk ESP8266

Ik heb al ervaring met ESP8266 projecten, maar hoe kan ik het meeste uit batterijen halen? Ik heb wel veel gevonden over bordjes op batterij, maar meestal gaat dat om elk uur de temperatuur meten en tussendoor deep sleep te gebruiken.

Hieronder beschrijf ik mijn setup en verdere specifieke vragen.

Mijn huidige wensen zijn:

• Muziekkwaliteit iets beter dan 'muziekboekjes'
• Voorkeur voor AA batterijen (zodat ze makkelijk te vervangen / op te laden zijn)
• Automatisch uitschakelen/sleep mode als dat vergeten wordt

Mijn samengevatte plan is als volgt:

• Hardware: ESP8266 (Wemos D1 mini) + dfplayer + 1W speaker
• Software: esphome.io voor gemak - als alternatief zou ik me in platformio kunnen verdiepen
• Auto-off: latching-power circuit, na druk op een knop gaat het bordje aan, een on_time timer in esphome.io checkt elke minuut of er nog iets speelt en schakelt anders uit
• Tijdens gebruik: wifi uit om stroom te minimaliseren

Verdere vragen:

• Hoeveel speeltijd kan ik realistisch uit 4 AA NiMH batterijen halen? Op coolblue staat een simpele radio die 12u haalt, is er meer te bereiken?
• Hoeveel gebruikt een 1W speaker daadwerkelijk? Volgens mij moet dit veel minder zijn dan 1W, maar ik weet niet hoeveel minder
• Gaat de meeste stroom naar de ESP+dfplayer of de speaker? Mijn vermoeden is dat de speaker het meeste gebruikt en dat ik daar verder niet veel aan kan doen, helemaal met wifi uit.
• Heeft het zin om een nog kaler bordje te gebruiken dan een kant-en-klare WeMos?
• Wat is een praktische setup om stroomverbruik te meten terwijl ik alsnog seriële logging krijg (USB aan de computer)? Ik heb nu een usb kabel ontleed en daar een multimeter tussen gezet, maar ik vraag me af of dat handiger kan.

Ik hoop dat iemand wat pointers kan geven Alvast bedankt!

[Damic]

DIe box van coolblue is met lipo cellen die achter een eigen lader hangen, deze is dus niet gemakkelijk te vervangen of je moet RC batterij pak gebruiken 5000mAh/3S XT60 met een 20C ontlading is daar geen rariteit, maar minder kan natuurlijk altijd en kan je dus langer gebruikmaken van een lading (iets van een 25€ voor een batterij)

Een versterker heeft altijd meer verbruik dan aangegeven. Meestal word dit wel aangegeven hoeveel wat ie echt verbruikt. Je bent trouwens nog de versterker voor de speaker vergeten, je zal zo niet veel horen vrees ik. Had niet gelezen dat er een amp opzat.

[ Voor 10% gewijzigd door Damic op 23-11-2021 20:53 ]

[Illusion]

We hebben daar een enorme topicreeks voor: Het Krat- en Kistradio Topic [Deel 20]

[Atomstar]

@Damic : bedankt, ik bedoelde of er meer dan 12u uit een radio-ontwerp te halen is, die radio van coolblue had ik als voorbeeld genomen voor 'typische batterijduur' voor zoiets. Wat is er nodig om een muziekspeler bijv 20u of 30u op 4 AA's te laten draaien?

@Illusion : bedankt, ik zal het topic doorkijken, maar die radio's gaan meer over hoog volume dan over lange batterijduur, is er een specifiek ontwerp uit die thread die je kunt aanraden?

[wouter6022]

Atomstar schreef op dinsdag 23 november 2021 @ 20:36:
Hoeveel gebruikt een 1W speaker daadwerkelijk? Volgens mij moet dit veel minder zijn dan 1W, maar ik weet niet hoeveel minder

De speaker zal gemiddeld 1W RMS gebruiken want jouw versterker kan 2W leveren. Het is een klasse AB versterker dus je hebt 65% rendement ongeveer. Grofweg 1,5W als je de speaker inschakelt dus.
Als het systeem op 4.8V werkt (4 nimh batterijen in serie) trek je gemiddeld iets meer dan 300mA RMS stroom. Dus je hebt 300mAh per uur gewenste batterij duur nodig alleen voor de speaker. Als je 2000 mAh NiMH batterijen gebruikt is dat een speelduur van 6 uur en dan is er niks berekend voor de logica.

Je moet ook zorgen dat de spanning stabiel blijft als de batterijen leeg lopen want als de spanning inzakt neemt de stroom toe en gaan je batterijen sneller leeg. Een dc-dc converter is dus verstandig maar niet perse nodig (vanwege de acceptabele ontlaad curve van Nimh) en daarvoor kan je uitgaan van 80% rendement voor een eerste inschatting.

Je moet goed nadenken hoe je je amplifier uit zet want een klasse AB versterker gebruikt zolang er spanning op staat stroom. Als je toch een DC-DC converter gebruikt kan je die uitschakelen en als je dat niet doet omdat het te ingewikkeld is kan je een transistor gebruiken om de versterker helemaal af te schakelen in stand by.

[ Voor 6% gewijzigd door wouter6022 op 25-11-2021 02:56 ]

[Rrob]

Atomstar schreef op woensdag 24 november 2021 @ 22:07:
@Damic : bedankt, ik bedoelde of er meer dan 12u uit een radio-ontwerp te halen is, die radio van coolblue had ik als voorbeeld genomen voor 'typische batterijduur' voor zoiets. Wat is er nodig om een muziekspeler bijv 20u of 30u op 4 AA's te laten draaien?

uitgaande van 4 AA's van 2,5Ah en 1,2V:
4 * 2,5 * 1,2 = 12 Wh accucapaciteit
12 / 20 = 0,6W
Dus als je 20u op 4 AA's van 2,5Ah wilt draaien mag je muziekspeler maximaal 0,6W gebruiken.
Elk bordje dat je gebruikt (esp, kaartlezer, mp3 decoder, ...) zal snel ~50mA * 3,3V = 0,16W per stuk gebruiken dus dan blijft er weinig over voor de versterker en de luidspreker...

Ik denk dat de meeste kist / krat radio's ontworpen zijn op een hoger muziek vermogen en dus ook verbruik

[Atomstar]

@Rrob bedankt, die snap ik, ik vraag me vooral af hoeveel stroom/vermogen ik nodig heb voor logica/versterker/speakers, en hoe ik die kan minimaliseren

@wouter6022 bedankt voor de uitleg! waarom zeg je dat het verbruik de helft van het vermogen van de versterker is? Is dat een vuistregel?

Als ik je goed begrijp kan ik aan de audiokant dus stroom besparen met een klasse-D versterker en/of een kleine speaker, klopt dat? Is er qua stroomverbruik nog verschil tussen een kleinere speaker op vol volume of een grotere speaker op lager volume?

[Rrob]

Die dfplayer is gezien het formaat zeer waarschijnlijk een klasse D versterker.
Maar uiteindelijk is geluid gewoon arbeid, je brengt lucht in beweging, en dat kost energie. Oftewel voor een bepaald volume heb je gewoon altijd een bepaalde hoeveelheid stroom nodig, hoeveel je ook tweakt.

[wouter6022]

Atomstar schreef op vrijdag 26 november 2021 @ 16:18:
@wouter6022 bedankt voor de uitleg! waarom zeg je dat het verbruik de helft van het vermogen van de versterker is? Is dat een vuistregel?

De speaker heeft een maximaal vermogen van 1W, daarboven wordt de audio vervormd. Jij gaf aan dat je dacht dat de speaker minder zou verbruiken maar dat is niet zo omdat de versterker het vermogen niet begrensd (die kan dat gewoon leveren). De vuistregel is dat een speaker het vermogen heeft dat erop staat dus.

Atomstar schreef op vrijdag 26 november 2021 @ 16:18:
Als ik je goed begrijp kan ik aan de audiokant dus stroom besparen met een klasse-D versterker en/of een kleine speaker, klopt dat? Is er qua stroomverbruik nog verschil tussen een kleinere speaker op vol volume of een grotere speaker op lager volume?

Ja een klasse D versterker heeft nagenoeg 100% rendement dus dat zou zeker helpen. Een kleinere speaker zou ik niet doen voor muziek maar kan wel. Als je een speaker niet op maximaal volume gebruikt, gebruikt die minder dan het vermogen dat erop staat, onafhankelijk van de diameter (vuistregel, theoretisch gecompliceerd)

De df player is een YX5200 IC met een 8002A klasse AB versterker. Wat ik zou doen voor dit project is de YX5200 in standalone mode (zonder ESP microcontroller) gebruiken, zie datasheet. Dan heb je dat vermogen gelijk bespaard. Je kan het IC dan met een 1 of 2W klasse D versterker IC combineren en dan haal je misschien wel 10 uur als je NiMH batterijen met hoge capaciteit (tegen de 3000mah) koopt.

[ Voor 13% gewijzigd door wouter6022 op 27-11-2021 14:23 ]

[Atomstar]

@Rrob : in de datasheet staat alleen de efficiëntie, en die is bij VDD 3.3V/0.5W/8 Ohm output 70% (0.5W output + 0.2W dissipation). Het lijkt er dus op dat het geen klasse-D is zoals @wouter6022 zei:


Op basis van jullie tips en rondlezen ben ik inmiddels iets verder:

• Voor versterker heb ik de klasse-D PAM8403/PAM8302 gevonden met >90% efficiëntie voor >0.5W output.
• Voor MP3 decoder heb ik of de YX5200 (van dfplayer) of de KT403A (van Grove), beide hebben ~15mA gebruik volgens datasheet
• Voor MCU heb ik ESP8266 (Wemos D1 mini, ~35mA met wifi uit) maar beter lijkt de simpelere ATmega328P (Arduino nano, ~1mA gebruik) want ik heb de MCU alleen nodig om de knoppen via GPIO om te zetten in seriële commando's naar de mp3 decoder.

Nu kom qua verbruik op het volgende:

• 0.5W voor speaker (1W op half volume, of een nieuwe speaker zoeken)
• 10% verlies voor versterker (0.55W totaal)
• 0.17W (35mA (0.12W) + 15mA (0.05W)) voor de MCU + mp3 decoder (0.72W totaal)
• 10% verlies voor ontlading/power regulation (0.80W totaal)

Op deze manier red ik met 4 AA batterijen = 12Wh ongeveer 15 uur Grootste winst is dan nog te behalen door de ESP te vervangen door een ATmega328P, dan kom ik op 18u uit, of inderdaad de mp3 decoder direct aansturen. Mis ik hier nog iets? @wouter6022 Heb ik nog een dc-dc converter nodig als ik de voltage regulator van de het IoT bordje gebruik?

[wouter6022]

Als je kijkt naar een NiMH ontlaad curve zie je de spanning tegen de state of charge (hoe vol de batterij zit).

Een DC-DC converter helpt om het gebied boven ca. 80% en onder de 20% SoC ook te benutten, aangezien je componenten een bepaalde voedingsspanning nodig hebben die de batterijen leveren tussen bepaalde grenswaarden. Je kan dus meer energie uit de batterij nuttig gebruiken per cyclus

Alleen de de dc-dc converter zal het rendement ook negatief beïnvloeden dus je moet zelf goed uitzoeken wat de curve van jouw batterijen is en wat de voedingsspanning van jouw componenten minimaal en maximaal mag zijn om te bepalen of de batterijduur verbetert met dc-dc converter.

Ik zou plaatjes en filmpjes opzoeken want dat zegt veel meer dan wat woorden op een forum.

[Verwijderd]

.

[ Voor 102% gewijzigd door Verwijderd op 01-11-2023 01:09 ]

[Atomstar]

wouter6022 schreef op zaterdag 27 november 2021 @ 14:38:
Als je kijkt naar een NiMH ontlaad curve zie je de spanning tegen de state of charge (hoe vol de batterij zit).

Een DC-DC converter helpt om het gebied boven ca. 80% en onder de 20% SoC ook te benutten, aangezien je componenten een bepaalde voedingsspanning nodig hebben die de batterijen leveren tussen bepaalde grenswaarden. Je kan dus meer energie uit de batterij nuttig gebruiken per cyclus

Alleen de de dc-dc converter zal het rendement ook negatief beïnvloeden dus je moet zelf goed uitzoeken wat de curve van jouw batterijen is en wat de voedingsspanning van jouw componenten minimaal en maximaal mag zijn om te bepalen of de batterijduur verbetert met dc-dc converter.

Heb ik nog een DC-DC converter nodig als ik een voltage regulator heb (bijv diegene op de Arduino nano)? Ik snap dat een DC-DC/buck converter efficiënt het input voltage constant kan houden en zo de MCU langer van stroom kan voorzien, maar als het bordje zelf al een voltage regulator heeft lijkt dit dubbelop, klopt dat?

[Atomstar]

Ik ben inmiddels wat verder en heb de volgende twee setups met een 1W/8Ω speaker. TL;DR: het werkt met ~50-80mA (=30-50 uur(!) speeltijd op 2500mAh), speaker verbruikt minder dan verwacht, de rest meer

1. Sparkfun Arduino Mini 3.3V + TMRpcm library + SD module w/o amp: verbruikt 50mA, volume beetje zacht
   1. Pro: simpel, laag energieverbruik, kan gecombineerd worden met een latching circuit om uit te schakelen na x minuten idle
   2. Con: kan alleen 8bit 32kHZ PCM audio afspelen (is goed genoeg), volume beetje laag (ik ga proberen of de 5V Arduino beter werkt omdat het PWM signaal dan 5V ipv 3.3V is, en anders de loudness van mp3 iets verhogen).
2. DFPlayer mini w/ PAM8403 amp: verbruikt 80mA-90mA, goed volume mits mp3 volume gereduceerd
   1. Pro: simpel, energieverbruik ok, kan mp3 afspelen.
   2. Con: geen programmeerbare logica - kan zichzelf niet uitschakelen via latching circuit, extra weerstanden nodig om knoppen goed te verbinden op ADKEY1/2.

Wat ik verder heb gevonden:

• Versie 1 met de PAM8403 amp verbruikte 200mA (beetje veel), en was vrij hard.
• Versie 2 met gebruik van de interne (class-AB) versterker 8002A gebruikte 350mA idle en 400mA tijdens spelen, dus een AB versterker past echt niet in mijn power budget.
• De SD-module gebruikt zelf ook al 20mA
• De Arduino mini pro gebruikt 10mA (en niet 1mA zoals in de datasheet van de ATmega chip doet vermoeden)
• De speaker verbruikt veel minder dan gedacht (~20-40mA @ 5V ~ 0.15W)

Volgende stap is om een volledig prototype te gebruiken, en kijken of de 5V Arduino hoger volume geeft.

[SG]

Voor uit batterij stabiele voeding te halen heb je boost buck converter nodig.
Om meeste uit te halen zul je speaker moeten kiezen die efficient dus zeer gevoelig is. Ook de frequenties niet versterken die speaker niet goed kan weergeven. Zoals subsonic bass
Als je lipo of 18650 heb je bescherm electronica tegen diep ontladen