Nízkospotřebový LED blikač 3

Spotřeba v řádu mikroampérů, očakávaná životnost baterie 5 let (CR2032)

1. Úvod

Toto je další nízkospotřebový blikač sestavený z diskrétních součástek. Spotřeba je nižší než 5 µA (typicky 3-4 µA). Perioda blikání LED je 2-3 sekundy.

Tento obvod je trochu podobný minulému nízkospotřebovému LED blikači 2, ale je předělaný od základu a optimalizovaný pomocí SPICE simulací, navíc nemá funkci nábojové pumpy, takže na rozdíl od minulého obvodu, který byl schopný provozu z jednoho 1,5 V článku, potřebuje vyšší napětí.

Spotřeba 4 µA by měla vést k životnosti 50000 hodin (5,7 roku) s jedním CR2032 článkem, budeme-li uvažovat využitelnou kapacitu 200 mAh (jmenovitá kapacita je 210-230 mAh).

Možná využití: falešný alarm, hračky, indikátor umístění, atd.

Vnitřní modelové označení: TFEL-LPFL3-v1.

Deska plošných spojů (držák baterie je na druhé straně) (klikněte pro plné rozlišení)

2. Schéma zapojení a popis funkce obvodu

Schéma zapojení (klikněte pro plné rozlišení)

2.1 Funkční princip

Pro jednoduchost uvažujme U_BE≈0,4-0,5 V při nízkém proudu, jinak 0,6-0,7 V, U_NAP=3 V, U_CE-sat=0,2 V.

1. Kondenzátor C2 (1 µF) se nabije přes rezistory R5, R3 (470 kΩ). Časová konstanta R3+R5, C2 je řádově kratší než časová konstanta R1, C1.
2. C1 (1 µF) se pomalu nabíjí přes rezistor R1 (10 MΩ).
3. Napětí na bázi NPN tranzistoru Q1 vzroste, uvažujme U_BE≈0,4~0,5 V. Napětí na rezistorech R2+R3 také vzroste a mírně posune napětí na emitoru Q1 proti zemi (skrz kondenzátor C2 mírně i na emitoru Q2).
4. Q1 (BC847B, stejný jako Q3) začne postupně odebírat větší proud skrz bázi PNP tranzistoru Q2 (BC857B) skrz rezistor R4 (4,7 kΩ). R6 (1 MΩ) určuje minimální kolektorový proud tranzistoru Q1 pro sepnutí tranzistoru Q2 a omezuje vliv zbytkových/svodových proudů - na R6 musí vzniknout dostatečný napěťový úbytek. Uvažujme, že C2 je již téměř plně nabitý.
5. Q2 začne spínat/vést větší proud, napětí na emitoru Q1 oproti zemi klesne (pulz z emitoru Q2 se přenese na emitor Q1 skrz kondenzátor C2), čímž vzroste napětí U_BE a proud I_B tranzistoru Q1 - pozitivní zpětná vazba plně sepne Q1 a Q2 zvýšením (-)U_BE a (-)I_B. R2, R4 (4,7 kΩ) omezují proudy a nastavují proud skrz C1, C2. Při sepnutí Q2 dojde k sepnutí Q3 (minimální proud pro jeho sepnutí je dán R7).
6. Napětí na rezistoru R3 klesne na -(U_NAP-U_{BE_Q3}-U_{CE-sat_Q2}).
7. Mezi kondenzátory C1 a C2 dojde k přenosu části náboje skrz B-E přechod tranzistoru Q1. Proud skrz emitor Q1 je omezen pomocí rezistoru R2 (toto omezí proud kolektorem i bází Q1).
   • Uvažujme, že C2 je plně nabitý (3 V) a vybije se na napětí U_{BE_Q1}+U_{BE_Q3}-U__{CE-sat_Q2}≈1,2 V → napětí na C2 spadne o ΔV_C2≈-1,8 V
   • Uvažujme napětí na C1 ≈ 0,5 V
   • Uvažujme, že se přesune zhruba 1/3 náboje z C2 skrz C1 & C1 se "nabije" v opačné polaritě & kapacity C1 a C2 jsou stejné: U_C1 klesne: 0,5→-0,1 V. Během tohoto přesunu náboje jsou C1 a C2 de-facto v sérii - R2 určí čas nastavením proudu, R3 je mnohem vyšší a tak ho zde můžeme zanedbat.
8. Jak se přenos náboje blíží dokončení, proudy budou klesat, až se vypnou tranzistory Q1&Q2 (za asistence kladné zpětné vazby skrz C2). Během doby, kdy jsou Q1 a Q2 sepnuté, je LED buzena tranzistorem Q3, jehož báze je buzena tranzistorem Q2.
9. Celý cyklus se opakuje.

Hrubý odhad časů (uvažujme, že C1=C2=C, R4=R2): $t_{vyp}$ = $k_1 \cdot R_1 \cdot C$, respektive $t_{zap} = k_2 \cdot R_2 \cdot C$ ($k_1 \approx \textrm{0,22}$; $k_2 \approx \textrm{0,65}$), během $t_{vyp}$ se kondenzátor C1 nabíjí a LED nesvítí, během $t_{zap}$ se kondenzátor C1 vybíjí a LED svítí.. Tyto konstanty byly zvoleny na základě simulací. Časová konstanta R3+R5 a C2 by měla být přibližně 5-10x nižší než časová konstanta C1 a R1. Větší změny hodnot těchto součástek (<50%; >200%) či změny jiných součástek by měly být ověřeny konstrukcí či simulací.

2.2 Další poznámky

Hodnoty R9 a C3 lze upravit pro snížení spotřeby. V prototypu byly použity hodnoty 220 Ω a 10 µF. LED1 by měla být vysocesvítivá červená LED s úbytkem napětí pod 2 V. Transily D1, D2 nejsou nutné, ale jsou ve schématu zahrnuté pro případ, že by LED a baterie byly k desce připojeny skrz delší vodiče v prostředí s rizikem silného výboje kvůli statické elektřině. Pokud je obvod napájen ze "silného" zdroje (např. článku CR123), je vhodné sériově s napájením zapojit pojistku (cca 100-200 mA).

Tento obvod byl odsimulován s velkým rozsahem β a dle výsledků simulace by měl fungovat se všemi typy tranzistorů ze série BC847/BC857 (BC847A/BC847B/BC847C, BC857A/BC857B/BC857C), ale v praxi byl otestován pouze s BC847B/BC857B. THT ("nožičkový") ekvivalent tranzistorů BC847/857 je BC547/557.

Kvůli velmi nízkým proudům a vysokým odporům je obvod náchylný na kontaminaci a vlhkost, deska by měla být po osázení dobře očištěna.

C3 a C4 mají ve schématu stejnou roli a stačí osadit jen jeden (oba dva tam jsou z důvodu návrhu DPS).

Prototyp byl zkonstruován převážně se součástkami v pouzdrech 0603, ale typ (velikost) pouzder součástek není kritický.

2.3 Výsledky simulace:

Poznámka: hodnoty se budou mírně lišit dle nastavení simulace (timestep - časový krok, atd). Špičkový proud LED se pohybuje v jednotkách mA.

2.4 Další obrázky:

Záblesk (snímek z videa, nízká kvalita) (klikněte pro plné rozlišení)

3. Soubory ke stažení

Archiv - Projekt v KiCadu a LTspice simulace. Poznánka, parametry simulace je potřeba upravit pro rozumné výsledky (max. timestep nastavit na <100 µs, doporučeno cca 10 µs).