Projektowanie oszczędnych układów elektronicznych cz.1. Analiza układu pod kątem oszczędności energi

52 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 6/2010 notatnik konstruktora W  ciągu minionych 20 lat nastąpił olbrzymi postęp w  technologii podzespołów, ale stosunkowo niewielkie zmiany nastąpiły w technologii i cenie źródeł zasilania. Koszt zakupu kilku kompletów baterii do urządze- nia elektronicznego może być wyższy od wartości wszystkich elementów w nim użytych. Zainwestowanie kilku dodatkowych złotówek w nowo- czesne elementy i dodatkowych godzin na dopracowanie projektu urzą- dzenia bardzo szybko zwróci się wskutek niższych kosztów jego eksploata- cji. Można oczywiście stosować akumulatory, ale jednorazowy duży wyda- tek na komplet akumulatorów i ładowarkę też jest znaczący ekonomicznie. Najlepsze efekty oszczędnościowe można więc osiągnąć na etapie projek- towym nowego urządzenia, ale także w gotowych urządzeniach możliwe jest usunięcie jego słabych energetycznie punktów i znaczne zmniejszenie pobieranego prądu. Szczegółowa analiza układu może wykazać, że bateria jest na przykład rozładowywana przez układ kontroli jej napięcia. Na rys.  1 zamieszczono schemat układu monitorowania napięcia baterii w zasilaczach dla modelarzy (EP 5/2009). W zależności od liczby ogniw i stanu ich naładowania, napięcie zasilania VCC może zmieniać się w przedziale 4,4...12 V. Szczegółowa analiza poboru prądu dla najlepszego i najgorszego przypadku daje wartości od 2 mA (4,8 V w stanie czuwania) do 15,2 mA (11 V w stanie alarmu). Oczywiście, można twierdzić, że kilka mA to niewiele, ale jest to przecież wartość natężenia prądu wystarczają- ca do zasilania kompletnego sterownika z mikrokontrolerem 8-bitowym. W przedstawionym układzie, poprzez dobór odpowiednich elementów, można zmniejszyć pobór prądu co najmniej 4-krotnie w stanie czuwania i 10-krotnie w stanie alarmu. Źródło napięcia odniesienia. Źródło napięciowe LM385 jest najwięk- szym konsumentem prądu w tym układzie. Z karty katalogowej LM385 wynika, że może on pracować przy prądach z zakresu od 20 mA do 20 mA. Wartość rezystora R4 dobieramy tak, aby prąd układu LM385 wynosił 40 mA (tab. 1). Dioda LED. Zwykłe sygnalizacyjne diody LED świecą wystarczająco jasno przy prądach o wartościach z przedziału 5...15 mA (parametry kata- logowe podawane są dla 10 mA). Jest to duża wartość, jak na zasilanie bate- ryjne. Mimo to konstruktorzy bardzo często stosują rozwiązanie rutynowe zawierające ?dowolną diodę LED plus szeregowo włączony rezystor 1 kV?. W tym przypadku nie jest to dobry pomysł: przy zasilaniu 11 V dioda LED będzie rozładowywać akumulatory prądem 9 mA, natomiast przy 4,4 V prąd ten wyniesie 2,5 mA i w słoneczny dzień świecenie diody będzie led- wo zauważalne. Niektórzy producenci mają w ofercie niskoprądowe diody LED, lecz ich parametry nie są rewelacyjne. Na przykład WP7104L (King- bright) ma katalogową światłość 2...5 mcd przy prądzie 2 mA. W takich zastosowaniach doskonale sprawdzają się superjasne diody LED. Przykła- dowo, czerwona dioda WP7113SEC/J3 ma światłość ok. 10000 mcd przy prądzie 20 mA. Dla prądu 1 mA sprawność diody jest mniejsza ? jasność świecenia wynosi ok. 2% nominalnej, ale i tak jest to 200 mcd, co z dużym zapasem wystarczy do zastosowań sygnalizacyjnych. Diody superjasne czerwone i pomarańczowe świecą zadowalająco przy prądach 0,5...1 mA. Jeszcze lepsze efekty można uzyskać z diodami zielonymi, wykonanymi z InGaN, które świecą nawet przy prądach 0,1...0,2 mA (testy wykonano dla diod NSPG320C firmy Nichia). W tab. 1 podano wartości rezystora R5 dla diody czerwonej: UF=1,8 V; IF=0,5 mA. W praktyce może być konieczna korekta wartości rezystora, zależnie od typu posiadanych diod. Na koniec kilka uwag dotyczących stosowania superjasnych diod LED jako sygnalizacyjnych: ? te diody zwykle mają przezroczyste obudowy i stosunkowo wąski kąt świecenia. Jeżeli świecenie diody ma być dobrze widoczne z boku, Projektowanie oszczędnych układów elektronicznych (1) Analiza układu pod kątem oszczędności energii Zminimalizowanie prądu pobieranego przez urządzenia elektroniczne powinno być jednym z  głównych założeń projektowych, niestety nie zawsze przyjmowanym w  praktyce. Wprawdzie konstruktorzy nowoczesnych układów scalonych starają się maksymalnie ograniczać ich pobór mocy, ale już autorzy projektów z  tymi układami, publikowanych także w  EP, zazwyczaj nie potrafią tego wykorzystać i  ich projekty bywają niedopracowane pod względem energetycznym. Ten cykl artykułów jest pomyślany jako poradnik dla konstruktorów, którzy muszą optymalizować opracowywane urządzenia ze względu na pobór energii. Tab. 1. Wartości elementów dla zmodyfikowanego układu z  rys.1 Liczba ogniw 4 6 8 10 Napięcie nominalne [V] 4,8 7,2 9,6 12 Napięcie rozładowania [V] 4,4 6,6 8,8 11 Wartość rezystora R1 68 k 150 k 240 k 330 k Wartość rezystora R4 47 k 100 k 150 k 200 k Wartość rezystora R5 5,1 k 9,1 k 13 k 18 k Rys. 1. Układ kontroli napięcia baterii 53ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 6/2010 Analiza układu pod kątem oszczędności energii Dla układu o schemacie z rys. 1 prawidłowe podłączenie nieużywane- go wzmacniacza można uzyskać poprzez zwarcie wyprowadzeń 6?7 i 3?5 układu LM358. Kondensatory blokujące. Przy małych prądach obciążenia stosowanie kondensatora elektrolitycznego C2 jest zbyteczne. Nie używając go, unik- niemy dodatkowego prądu upływu o wartości do kilkunastu mA. Wystar- czy kondensator C1 o pojemności 100 nF. Należy przyjąć jako stałą zasadę stosowanie w układach z prądami o wartości mikroamperów wyłącznie kondensatorów tantalowych, poliestrowych i ceramicznych. Jeżeli pobór prądu całego układu jest rzędu 100 mA, to kilka kiepskiej jakości konden- satorów elektrolitycznych w obwodach zasilania może zniweczyć swoimi prądami upływu cały efekt oszczędności. Według danych katalogowych markowych producentów, prąd upływu kondensatora elektrolitycznego 100 mF/16 V wynosi od 1 do 10 mA, a dla elementów ?no name? wartość ta może być nawet 10-krotnie większa. Parametry zmodyfikowanego układu. Po zmianie wartości rezysto- rów R4 i R5 zgodnie z tab. 1 oraz zastosowaniu superjasnej diody LED, układ z rys. 1 będzie pobierał ok. 0,57 mA w stanie czuwania oraz 1,1 mA w stanie alarmu (niezależnie od napięcia zasilania). Alternatywny projekt układu monitorującego Układ o schemacie przedstawionym na rys. 3 może być alternatyw- nym dla omówionego wyżej. Pobór prądu w stanie czuwania wynosi ok. 15 mA, czyli ponad 100 razy mniej niż układu z rys. 1. W stanie alarmu prąd zależy od zastosowanej diody LED i jej rezystora szeregowego (dla podanych wartości R3 jest to 0,5 mA). Wartości rezystorów R1 i R3 po- dano w  tab.  2. Użyty w  projekcie układ ICL7665S jest komparatorem okienkowym z wewnętrznym źródłem napięcia referencyjnego o wartości 1,3 V i wyjściami w układzie otwartego drenu. Zamiast ICL7665S moż- na zastosować podobne układy innych producentów: MAX8211, LT6703, LMP7300. Jeżeli ograniczymy się do 8 ogniw, to można użyć też kompa- ratorów MAX931 lub LTC1540 (maksymalne napięcie zasilania 11 V). Dla układów innych niż ICL7665S konieczne będzie przeliczenie wartości rezystora R1, odpowiedniego dla wartości wewnętrznego napięcia refe- rencyjnego. W  bardziej krytycznych zasileniowo zastosowaniach warto zastanowić się nad wprowadzeniem histerezy progu przełączania. Każdy z wymienionych powyżej komparatorów umożliwia wykorzystanie histe- rezy poprzez dodanie jednego rezystora. Podsumowanie Analiza powyższego układu ilustruje dobitnie, że najlepsze efekty w ograniczaniu poboru prądu można osiągnąć wtedy, gdy właściwe de- cyzje zostaną podjęte już na etapie wstępnych założeń projektowych. W kolejnych artykułach cyklu zostaną przedstawione ogólne zasady pro- jektowania układów niskoprądowych i  wybrane przykłady rozwiązań praktycznych. Jacek Przepiórkowski warto zastosować element rozpraszający światło, na przykład matowe okienko z pleksi, ? diody LED z materiału InGaN są wrażliwe na ładunki elektrostatycz- ne! Podczas montażu należy zachować szczególną ostrożność, ? dla prądów poniżej 1 mA napięcie przewodzenia diod zielonych i nie- bieskich zawiera się w granicach 2,5...2,8 V, co umożliwia ich stosowa- nie przy napięciu zasilania 3 V, ? dalsze ograniczenie prądu przy zachowaniu dobrej widoczności można uzyskać poprzez pulsację świecenia. Dioda migająca bardziej zwraca uwagę niż świecąca światłem ciągłym. Wystarczy błysk o cza- sie trwania 100...150  ms co 1...2 sekundy (sygnał o  częstotliwości 1...0,5 Hz z wypełnieniem około 10%), aby średni pobór prądu był przynajmniej 10-krotnie mniejszy niż przy świeceniu ciągłym. Wzmacniacz operacyjny. Na początku nasuwa się wątpliwość do- tycząca użycia wzmacniacza operacyjnego w  konfiguracji komparatora (z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego). Wady stosowania wzmacniaczy operacyjnych w funkcji komparatorów były już wielokrotnie opisywane w literaturze. Jeżeli jednak decydujemy się na takie rozwiązanie, to wybór układu LM358 jest dobrym kompromisem. Pobór prądu wynosi 0,5 mA, a ponadto jest to układ tani i popularny. Odpowiedniki o znacznie mniej- szym poborze prądu (np. OP290 ? 0,04 mA) są drogie i trudno dostępne. Jednak nie wolno zapominać, że LM358 zawiera dwa wzmacniacze opera- cyjne. Nieużywany wzmacniacz nie może pracować w układzie z otwar- tą pętlą sprzężenia zwrotnego i wejściami niedołączonymi do ustalone- go potencjału. Wejścia o dużej czułości i wysokiej impedancji są bardzo wrażliwe na zakłócenia zewnętrzne, co może prowadzić do zatrzaskiwa- nia wzmacniacza (latch-up), a w skrajnym przypadku do przekroczenia dopuszczalnych wartości napięć wejściowych (sumacyjnych lub różnico- wych) i zniszczenia układu. Poza tym nieprzewidywalne zmiany stanów wejść i wyjścia wzmacniacza skutkują znacznie zwiększonym poborem prądu. Wzmacnianie zakłóceń może też spowodować niepożądaną modu- lację prądu zasilania, wpływając w ten sposób na pracę użytego wzmac- niacza operacyjnego. Prawidłowym rozwiązaniem jest połączenie nieużywanego wzmac- niacza w układzie wtórnikowym: wyjście zwarte z wejściem odwracają- cym. Wejście nieodwracające należy połączyć z punktem o stałym poten- cjale, zawartym pomiędzy wartościami napięcia zasilania (rys. 2). W kon- figuracji z symetrycznym zasilaniem może to być masa (rys. 2a), natomiast przy pojedynczym zasilaniu dowolny punkt o  potencjale wyższym od masy, lecz niższym od napięcia zasilania (rys. 2b) ? najlepiej połowa na- pięcia zasilania. Chodzi o to, aby wyjście wzmacniacza operacyjnego nie znajdowało się w żadnym ze skrajnych stanów nasycenia. Przeciwsobne stopnie wyjściowe wzmacniaczy operacyjnych są optymalizowane do liniowego wzmacniania małych sygnałów, a nie do pracy w trybie dwu- stanowych układów przełączających. W stanie nasycenia wyjścia, pobór prądu przez wzmacniacz jest znacznie większy niż w zakresie liniowym, nawet przy braku obciążenia (to jedna z wad stosowania wzmacniaczy operacyjnych jako komparatorów). Nie jest prawidłowym rozwiązaniem zwieranie wejść nieużywanego wzmacniacza lub łączenie ich z liniami zasilania. W pierwszym przypadku wzmacniacz nasyci się ze względu na napięcie niezrównoważenia wejść, w drugim przypadku dodatkowo ist- nieje ryzyko przekroczenia dopuszczalnego zakresu napięć wejściowych. Rys. 3. Alternatywny układ kontroli napięcia baterii Rys. 2. Połączenia nieużywanego wzmacniacza operacyjnego z zasilaniem symetrycznym a) i pojedynczym b) Tab. 2. Wartości elementów dla układu z  rys. 3 Liczba ogniw 4 6 8 10 Napięcie nominalne [V] 4,8 7,2 9,6 12 Napięcie rozładowania [V] 4,4 6,6 8,8 11 Wartość rezystora R1 510 k 910 k 1,2 M 1,6 M Wartość rezystora R3 5,1 k 9,1 k 13 k 18 k