Signální LED + 2 AA

[HonzaD]

Renovuji autíčko na dálkové ovládání. Plán je takový, že komunikace bude přes nRF24L01+, potenciometry v ovládači bude číst ATTiny104. Na napájení ovladače stačí 2 AA(A) baterky, odběr bude tak 200 uA + spotřeba toho nRF; odhaduji průměrně do 1 mA. Chtěl bych přidat stavovou LED diodu, čímž se dostávám k jádru problému. Pokud to má fungovat až k 2 V (skoro vybité baterky), což by pro nRF ani ATTiny neměl být problém, co s tou LED diodou? Jednoduchým řešením by bylo použít červenou, ta však na rozumnou (venku viditelnou) intenzitu potřebuje mnoho miliampér. Lepší by bylo dát "moderní" InGaN zelenou LED diodu, která ale potřebuje skoro 3 V. Možností, jak jich dosáhnout, je mnoho, nicméně mám volný PWM pin, který k tomu mohu využít. Protože si myslím, že podobný problém se řeší již desítky let, říkal jsem si, že místo vymýšlení kola se poptám, jak to dělají ostatní. Možností je spousta, ale jak udělat, aby účinnost byla rozumná (řekněme nad 50%) a proud se změnou napětí vcelku konstantní (I_max < 2 I_min). Bonusové body jsou za regulovatelnost jasu pomocí plnění PWM.

[petr-kubac]

Jestli nevadí tlumivka - doporučuju heslo pro google "Floating buck-boost converter"
Zní to jako "výzkumný projekt" Evropské unie, ale je to zapojení s pár součástkami, které na rozdíl od nábojových pump (se kterými mám špatné zkušenosti) dopravdy funguje (mám v tomto stylu zapojenou lampičku).

https://kubac.jecool.net/petr-kubac.blo ... picka.html

[HonzaD]

Tak moc účastníků se do soutěže nepřihlásilo, prezentuji tedy krátce(?) výsledky svého bádání. Pro malé proudy je obecně výhodnější nábojová pumpa, protože jí stačí menší frekvence a celé je to takové klidnější. Nejprve jsem se tedy zaměřil na to. Vymyslel jsem dvě řešení.

Pumpa 1.png (4.56 KiB) Zobrazeno 544 x

Bez Q1 by to bylo minimalistické řešení. Bohužel moje LED dioda začíná nepatrně žhnout už od 2 V (proud je asi 1 uA), přičemž na 1 mA potřebuje asi 2,4 V a při 3 voltech je její spotřeba cca 20 mA. Q1 je tedy nezbytné, nevymyslel jsem, jak udělat aby bez něj LED dioda nesvítila stále, je-li napětí baterií větší než V_f_LED + V_f_D2.

Pumpa 2.png (2.94 KiB) Zobrazeno 544 x

Tohle je alternativa s nejjednodušším zapojením, které jsem vymyslel, ale potřebuje 2 PWM piny. Druhý pin vlastně "nahrazuje" Q1 z prvního obrázku.

Nábojová pumpa teoreticky udělá z napětí 2 ~ 3 V napětí 4 ~ 6 V. LED dioda potřebuje víceméně konstantních 2,4 V, takže účinnost je 60 ~ 40 %. Nic moc. Z generovaného napětí "spotřebuje" LED 2,4 V, dalších 0,3 V Schottkyho dioda a na odpor tedy zbývá 1,3 ~ 3,3 V. Při vybitých bateriích bude proud asi 2,5 krát menší než u plných. To skoro splňuje výchozí požadavky, ale pod vlivem Kubáčova příspěvku jsem se ještě jednou zamyslel nad řešením s cívkou a vymyslel toto:

S cívkou.png (5.53 KiB) Zobrazeno 544 x

R2 a R3 jsou jen na měření proudu osciloskopem (10 Ohm), takže ve finále jsou třeba jen tři součástky. Teoreticky je účinnost stoprocentní. Při fixovaném PWM je proud cívkou přímo úměrný napětí, energie předaná LED diodě je tedy úměrná druhé mocnině napětí. Tedy (hodně teoretický) poměr svítivostí je 3^2/2^2 = 2,25; to je o kousek lepší než u nábojové pumpy. Přináší to dva problémy - pokud se MCU zasekne a Q2 zůstane otevřený, bude to malér. Druhý problém je v tom, že proud je generován v pulzech a LED nemají rády moc velké proudy. Ta moje je z Číny bez datasheetu, ale víc než 20 mA se nezdá být dobrý nápad. Tím se ale v jednom PWM cyklu předá relativně málo energie. Proto je třeba vysoká frekvence PWM, což by nevadilo, kdyby ATTiny104 mělo víc než jeden časovač nebo jsem ho nepoužíval k časování jiných činností. Oboje řeší cívka, kterou jsem kdysi dávno koupil "od slona", podobná této. Moje má papírově 6,8 mH a asi 40 Ohmů. Tím pádem ani při trvalém otevření Q2 nemůže téct moc velký proud a frekvence stačí "snesitelná". Pro testování jsem použil 50 us pulzy s frekvencí 2 kHz. Při 2 V průběh proudů vypadá takto:

2V.jpg (38.5 KiB) Zobrazeno 544 x

Zeleně je proud z baterky přes R2, žlutě proud přes LED a R3. Při větším napětí je maximální proud větší, při 3 V je maximální proud asi 16 mA, průměrný proud 560 uA; při 2 V je průměrný proud 270 uA, poměr je tedy dvojnásobek. V celém rozsahu je účinnost (nepočítaje spotřebu ATTiny) zhruba 60%. LED dioda svítí až do napájecího napětí 1,45 V, nicméně od 1,6 V už není průběh proudu trojúhelníkový, protože Q2 se neotevře dostatečně. Při 1,45 V to vypadá takto:

1V45.jpg (37.18 KiB) Zobrazeno 544 x

Ještě podotknu, že nRF24L01 modul funguje ještě při 1,5 V, byť nevím, s takým dosahem. (Statečně jsem před zapájením modul nevyzkoušel, a zabralo mi několik hodin zjistit, že ač má nastavený kanál 76, ostatní nRF se s ním dorozumí na kanále 77 a 78. Asi tedy vysílá na kanále 77,5. Umělý inteligent mi poradil vyměnit krystal, já však podezřívám kondenzátory, tak váhám.)