power-budget-calculator

電力バジェット計算ツール

組み込みプロジェクトの消費電力とバッテリー駆動時間を推定します。

リソース

• scripts/calculate_power.py - コンポーネントデータベース、デューティサイクル対応、バッテリー駆動時間の推定機能を備えた Python 計算ツール
• references/component-database.md - データシートに基づく包括的な消費電流リファレンス
• assets/example-project.json - プロジェクト設定のサンプル

クイックスタート

計算ツールを対話形式で実行します：

uv run --no-project scripts/calculate_power.py --interactive

単一のコンポーネントについて計算します：

uv run --no-project scripts/calculate_power.py --component ESP32 --mode deep_sleep --duty 95

プロジェクト設定を読み込みます：

uv run --no-project scripts/calculate_power.py --json assets/example-project.json --output report.md

データベース内のすべてのコンポーネントを一覧表示します：

uv run --no-project scripts/calculate_power.py --list

使用する場面

• 「バッテリーはどのくらい持ちますか？」
• 「どのくらいの容量のバッテリーが必要ですか？」
• 「プロジェクトの消費電流はどのくらいですか？」
• バッテリー駆動プロジェクトの計画
• 低消費電力化

ワークフロー

ステップ 1：コンポーネント一覧を確認する

ユーザーに次の情報を尋ねます：

1. マイクロコントローラー（モデルと動作モード）
2. すべてのセンサーとモジュール
3. ディスプレイ
4. アクチュエーター（モーター、LED、リレー）
5. 通信方式（WiFi、Bluetooth、LoRa）
6. 動作プロファイル（常時オンか、デューティサイクルか）

ステップ 2：電力バジェットを計算する

--interactive オプションを付けて scripts/calculate_power.py を実行すると、ガイドに沿って計算できます。または、次のテンプレートを使用します：

# Power Budget: [Project Name]

## Operating Conditions
- Supply Voltage: [V]
- Operating Modes: [Active/Sleep cycles]
- Duty Cycle: [X% active, Y% sleep]

## Component Current Draw

### Always-On Components
| Component | Voltage | Current | Power | Notes |
|-----------|---------|---------|-------|-------|
| [name] | [V] | [mA] | [mW] | [conditions] |
| ... | ... | ... | ... | ... |
| **Subtotal** | - | **[mA]** | **[mW]** | - |

### Active Mode Only
| Component | Voltage | Current | Power | Duty % |
|-----------|---------|---------|-------|--------|
| [name] | [V] | [mA] | [mW] | [%] |
| ... | ... | ... | ... | ... |
| **Subtotal** | - | **[mA]** | **[mW]** | - |

### Peak Current Events
| Event | Current | Duration | Frequency |
|-------|---------|----------|-----------|
| [WiFi TX] | [mA] | [ms] | [per hour] |
| ... | ... | ... | ... |

## Power Calculations

### Average Current

I_avg = (I_active × t_active + I_sleep × t_sleep) / t_total I_avg = ([X]mA × [Y]s + [Z]mA × [W]s) / [T]s I_avg = [result] mA

### Battery Life Estimate

容量：[X] mAh 効率係数：0.8（80%使用可能） 実効容量：[X × 0.8] mAh

駆動時間 = 実効容量 / I_avg 駆動時間 = [X] mAh / [Y] mA 駆動時間 = [Z] 時間（[days] 日）

## Recommendations
- [Power optimization suggestions]
- [Battery type recommendation]
- [Sleep mode configuration]

消費電流データベース

マイクロコントローラー

Arduino（ATmega328P @ 5V）

モード	電流	備考
アクティブ（16MHz）	15-20mA	周辺機器なし
アイドル	6mA	CPU 停止、周辺機器はオン
パワーダウン	0.1µA	WDT／外部割り込みのみ
USB-シリアル使用時	+50mA	CH340/FTDI チップは常時オン

ESP32（WROOM-32）

モード	電流	備考
アクティブ（WiFi TX）	160-260mA	送信中のピーク
アクティブ（WiFi RX）	95-100mA	受信待機中
アクティブ（WiFi なし）	20-68mA	CPU のみ
モデムスリープ	20mA	WiFi オフ、CPU はオン
ライトスリープ	0.8mA	CPU 一時停止
ディープスリープ	10µA	RTC のみ
ハイバネーション	5µA	RTC オフ

ESP32-C3

モード	電流	備考
アクティブ（WiFi TX）	320mA ピーク	短時間のスパイク
アクティブ（BLE）	50-100mA	アドバタイズ中
アクティブ（無線なし）	25-35mA	CPU 160MHz 動作時
ライトスリープ	130µA	自動ウェイクアップ
ディープスリープ	5µA	RTC オン

RP2040（Pico）

モード	電流	備考
アクティブ（両コア）	25-50mA	クロックに依存
シングルコア	15-25mA	片方のコアは休止
ドーマント	0.18mA	GPIO／RTC でウェイクアップ
スリープ	1.3mA

RP2040（Pico W）

モード	電流	備考
WiFi アクティブ	50-150mA	送信中
WiFi アイドル	30-40mA	接続中、受信待機
WiFi オフ	25-50mA	無線無効

センサー

センサー	アクティブ	スリープ	備考
DHT22	1.5mA	50µA	読み取り中
BME280	0.35mA	0.1µA	強制モード
BMP280	0.27mA	0.1µA
MPU6050	3.8mA	5µA	全軸
DS18B20	1.5mA	1µA	変換中
HC-SR04	15mA	2mA	真のスリープ機能なし
VL53L0X	19mA	5µA	測距中
MAX30102	600µA	0.7µA	低消費電力モード
BH1750	120µA	1µA	パワーダウンモード
GPS（NEO-6M）	45mA	11mA	バックアップモード

ディスプレイ

ディスプレイ	アクティブ	オフ／スリープ	備考
16x2 LCD（バックライトあり）	80-120mA	1mA	バックライトが大半を占めます
16x2 LCD（バックライトなし）	1-2mA	1mA
SSD1306 OLED 128x64	8-20mA	10µA	表示内容に依存
SSD1306 OLED 128x32	5-15mA	10µA
ST7735 TFT	20-40mA	20mA	バックライトは常時オン
ILI9341 TFT	50-80mA	50mA
E-Paper 2.9"	8mA	0µA	リフレッシュ中のみ
tags. Must include tags. Fidelity exact structure. RX/Idle header perhaps translate. module names unchanged. Deep sleep translate? notes prose yes. Values unchanged. "full white" full white. Direct to 5V systems translate. labels. formula code token. Let's craft.### 通信モジュール

モジュール	TX ピーク	RX／アイドル	スリープ	備考
ESP8266 (module)	170mA	70mA	20µA	ディープスリープ
NRF24L01	11.3mA	13.5mA	0.9µA
HC-05 Bluetooth	40mA	8mA	2mA
RFM95 LoRa	120mA	10mA	0.2µA
SIM800L GSM	2A ピーク	15mA	1mA	大容量コンデンサーが必要です！

アクチュエーター

コンポーネント	電流	備考
LED（一般的なもの）	10-20mA	抵抗を介して接続
RGB LED（各色）	20mA	チャンネルあたり
WS2812B NeoPixel	最大60mA	白色全点灯
SG90 サーボ（アイドル時）	10mA	負荷なし
SG90 サーボ（動作時）	200-500mA	負荷あり
MG996R サーボ	500-900mA	負荷あり
小型DCモーター	100-500mA	負荷によって異なります
5V リレーモジュール	70-100mA	コイル通電時
ブザー（パッシブ）	30mA

スリープモードの設定

ESP32 ディープスリープのテンプレート

#include <esp_sleep.h>

#define uS_TO_S_FACTOR 1000000ULL
#define TIME_TO_SLEEP 60  // seconds

void setup() {
    // Do measurements here
    
    // Configure wake-up source
    esp_sleep_enable_timer_wakeup(TIME_TO_SLEEP * uS_TO_S_FACTOR);
    
    // Enter deep sleep
    esp_deep_sleep_start();
}

void loop() {
    // Never reached
}

Arduino パワーダウンのテンプレート

#include <avr/sleep.h>
#include <avr/wdt.h>

void enterSleep() {
    set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN);
    sleep_enable();
    sleep_mode();  // Sleep here
    sleep_disable();
}

// Wake on watchdog or external interrupt
ISR(WDT_vect) {
    // Wake up
}

電力最適化チェックリスト

ハードウェア

• 電源 LED を取り外す（5-10mA 節約）
• バッテリー駆動時は USB-Serial チップを取り外す
• 静止電流の低い LDO（<10µA）を使用する
• 大電流の周辺機器の電源を切り替える MOSFET を追加する
• 未使用ピンにプルダウンを使用する
• 読み取り時以外は ADC を無効にする

ソフトウェア

• 読み取りの合間にスリープモードを使用する
• 可能であればクロック速度を下げる
• データをまとめ、送信頻度を下げる
• 不要なときは WiFi／BLE をオフにする
• ディープスリープ時はブラウンアウト検出器を無効にする
• ポーリングの代わりに割り込みを使用する

設計パターン

電源ゲーティング：

       VCC
        │
    [P-MOSFET] ← GPIO (LOW = ON)
        │
    [Sensor/Module]
        │
       GND

デューティサイクルの計算式：

I_average = (I_active × T_active + I_sleep × T_sleep) / T_total

Example: Sensor reads every 5 minutes
- Active: 50mA for 2 seconds
- Sleep: 10µA for 298 seconds

I_avg = (50mA × 2s + 0.01mA × 298s) / 300s
I_avg = (100 + 2.98) / 300
I_avg = 0.34mA

With 2000mAh battery:
Runtime = 2000mAh × 0.8 / 0.34mA = 4706 hours = 196 days

バッテリーの参考情報

一般的なバッテリーの種類

種類	電圧	標準容量	備考
CR2032	3V	220mAh	ごく低電流でのみ使用可能
2x AA アルカリ	3V	2500mAh	低消費電力用途に適しています
3x AA アルカリ	4.5V	2500mAh	5V システムに直接接続
4x AA アルカリ	6V	2500mAh	LDO で 5V に変換
18650 Li-ion	3.7V	2000-3500mAh	充電式で、広く使われています
LiPo 1S	3.7V	さまざま	薄型で軽量
9V アルカリ	9V	500mAh	エネルギー密度が低い

放電時の電圧

18650／LiPo の放電曲線：

Capacity%   Voltage
─────────────────────
100%        4.2V
80%         3.9V
50%         3.7V
20%         3.5V
0%          3.0V (cut-off!)

Never discharge below 3.0V - damages cell!

アルカリ単三電池の放電：

Capacity%   Voltage (per cell)
─────────────────────────────
100%        1.5V
50%         1.2V
0%          0.9V

Many devices stop working below 1.1V/cell

クイック計算ツール

Enter your values:

Always-on current: ______ mA
Active current: ______ mA
Active time: ______ seconds
Sleep current: ______ mA  
Sleep time: ______ seconds
Battery capacity: ______ mAh

Average current = (Active_mA × Active_s + Sleep_mA × Sleep_s) / Total_s
                = (_____ × _____ + _____ × _____) / _____
                = _____ mA

Runtime = Capacity × 0.8 / Average_current
        = _____ × 0.8 / _____
        = _____ hours
        = _____ days

共通の出力要件

共通の Arduino スキル契約を使用してください。 前提条件、必要なツールとバージョン、実装手順、証明段階ごとのテスト／証拠、 既知の制限事項、復旧／セキュリティに関する注意事項を明記してください。