Отработка узлов: Часы-Будильник-Таймер-Секундомер на МК ATtiny85V (часть 2)

«Москва не сразу строилась. Не сразу всё устроилось...» (с)

Отработка узлов

Содержание:


Осторожно: в статье «много буков»! Кого это напрягает — идите мимо. Данная статья написана не для читателей — в ней автор разговаривает со своим «учителем»: поставленной задачей... (протоколы экспериментов)


Схема Источника Питания (батарейный отсек) и Защита от переполюсовки


Защита от переполюсовки

Защитная Цепь от включения Напряжения Питания обратной полярности:

Хуже всего придётся схеме — если будет включено напряжение питания обратной полярности. (А конструкция батарейного отсека на 2шт. x AA батарейки — это технически дозволяет!) При этом выгорят ВСЕ цифровые микросхемы: и микроконтроллер и все шесть сдвиговых регистров! А учитывая нетехнологичность конструкции, сложность распайки на макетке, и то что все соединения сделаны навесными монтажными проводами — это будет крах! Конструкция восстановлению подлежать не будет!!! Поэтому необходимы защитные цепи по питанию…

Возможные решения:

Решение 1) Лучше всего было бы: в проводник Vcc последовательно включить диод, в прямом включении.
Плюсы: Тогда, при обратном включении — ток гарантированно заблокируется, схема будет защищена. Конструкция примитивно проста.
Минусы: Однако, на открытом диоде, в прямом включении, будет падать ощутимое напряжение: 0.4-0.5V (для Шоттки) или 0.6-0.8V (для обычного выпрямительного). А в данной схеме — напряжение питания уже предельно низкое: батареи выдают 2-3V, что впритык хватает для работы схемы (и на это уже рассчитаны все компоненты). Напряжение питания понижать нельзя!

Решение 2) Можно применить промежуточный импульсный DC-DC стабилизатор, для фиксации рабочего напряжения прикладной схемы, вне зависимости от плавания батарейного питания.
Плюсы: Заодно, можно будет использовать любые всевозможные ВСТРОЕННЫЕ защитные цепи (от перенапряжения, от переполюсовки, даже от перегрузки)…
Минусы: Но это слишком сложное и дорогое решение, требующее доп.компонент и проектирования… А ещё у нас очень малый объём корпуса, в котором места уже практически нет! (Таким образом, «решение 2» было отложено...)

Решение 3) Остаётся обойтись, опять таки, единственным Защитным Диодом, но включённым обратно-параллельно источнику питания (шунтирующим).
Замечу, что данное решение используется во всех микросхемах (слабенькими внутренними диодами), для защиты входов ОТ ПОМЕХ (маломощных и малотоковых) — поэтому его стоит рассмотреть! Но что будет, если экстраполировать данный принцип на защиту силовых цепей, от переполюсовки по питанию?
Плюсы: При прямом включении полярности питания — он не оказывает влияния на схему, не понижает напряжения питания. При обратном включении полярности питания — он шунтирует весь ток через себя, сам разрушается, но схему защищает! При этом, в качестве «защитного диода» — возьмём силовой (на несколько Ампер) диод Шоттки, с малым прямым падением напряжения (до 0.45V)… Главное, чтобы прямое падение напряжения на нём — было меньше <0.5V, т.к. по Datasheet на компоненты, Electrical Characteristics Микроконтроллера «ATTINY85» и Сдвигового регистра «74HC164» — допускают минимальное напряжение по входам Vcc и др.: до -0.5V !
Минусы: При неправильном включении — батарейкам, а особенно аккумуляторам — конечно, приходит песец… Но главное — схему защитить! Также, при срабатывании защиты, через Диод идёт большой ток (до 10А), он сильно греется и сгорает — поэтому надо брать диод с запасом мощности.

Примечание: Тестирование схем защиты производилось только в реальном железе (симулятор тут не подмога)...

Решение 3: «Параллельно, Защитный Диодовый Шунт» (изврат)

Устройство питается от двух пальчиковых батареек по 1.5V (или аккумуляторов по 1.2V) — соответственно, с учётом разряда батарей, схема рассчитана на питание от 2..3VDC.

Решение3. Обратно-параллельно силовой Диод (изврат)

Тестирование Решения 3)
/слабое место: здесь наиболее критичен перегрев диода — максимальный ток через него, и падение напряжения на диоде <0.5V/

Использовались в прямом включении:
  • Силовой Выпрямительный диод SF56 (5A, 400V)
  • Диод Шоттки 1N5817 (1A, Vfmax=0.45V)
  • Диод Шоттки SBL2040CT Сдвоенный, с общим катодом, ограничительный (If=20A, Vfmax=0.7V) — выковырян из горелого компового БП
Источники напряжения:
  • Старые соляные батарейки SONY 2xAA (с высоким внутренним сопротивлением) ЭДС = 2.8V, на нагрузке = 2.76V
  • новые алкалиновые батарейки Energizer 2xAA (с низким внутренним сопротивлением и высоким ЭДС — самые опасные для схемы!) ЭДС = 3.0V, на нагрузке = 3.2V
  • Старые Аккумуляторы NiMH Energizer 2xAA (со средним внутренним сопротивлением и средним ЭДС) ЭДС = 2.9V, на нагрузке = 3.0V
  • Новые Аккумуляторы NiMH GP 2xAA (с низким внутренним сопротивлением и средним ЭДС — гораздо опаснее для схемы!) ЭДС = 2.7V, на нагрузке = 2.85V

Тест:
  1. параллельно Выпрямительный диод SF56 + соляные батарейки = прямое падение 0.8V (много), ток через диод 1A (норма)
    Вывод: выпрямительный диод — однозначно не подходит!
  2. параллельно диод Шоттки 1N5817 + соляные батарейки = прямое падение 0.42V (ок), ток через диод 1.2A (чуть выше нормы)
  3. параллельно диод Шоттки 1N5817 + старые аккумуляторы Energizer = прямое падение 0.42V (ок), ток через диод 1.2A (чуть выше нормы)
  4. параллельно 2ш. диода Шоттки 1N5817 + старые аккумуляторы Enegizer = прямое падение 0.38V (отлично), ток через диод 1.25A (норма)
    Вывод: если питать только от соляных батареек или убитых аккумуляторов, то вариант «2шт диода Шоттки» сработает. Но это ненадёжное условие...
  5. параллельно 2ш. диода Шоттки 1N5817 + новые аккумуляторы GP = прямое падение 0.485V (ок), ток через диод 4.6A (очень много!)
    (Странно, но на поверку: для схемы, аккумулятор GP оказался злее, чем аккумулятор Energizer — не смотря на его худшие характеристики...)
    Вывод: старичок аккумулятор Energizer — уже не держит большой ток. (снимается с тестов)
  6. параллельно 2ш. диода Шоттки 1N5817 + новые алкалиновые батарейки Energizer = прямое падение 0.53V (много), ток через диод 5.6A (очень много!)
    Вывод: новые алкалиновые батарейки оказались самыми злыми для схемы.
    Вывод: направление правильное… Но надо взять диод Шоттки помощнее!
    (Предупреждение: правда, с возрастанием мощности пропускаемого тока, также возрастает и прямое падение Vf — надо смотреть...)
  7. Сборка-сдвоенный (задействованы оба) ограничительный диод Шоттки SBL2040CT параллельно + новые алкалиновые батарейки Energizer = прямое падение 0.36V (отлично), ток через диод 4.2A (отлично)
  8. Сборка-сдвоенный (задействованы оба) ограничительный диод Шоттки SBL2040CT параллельно + новые аккумуляторы GP = прямое падение 0.36V (отлично), ток через диод 3.8A (отлично)
    Вывод: Силовой ограничительный диод Шоттки SBL2040CT — это подходящее решение, в данной схеме! (хотя и чуток избыточное)

Общий вывод: Итак, да, этот принцип возможен также для защиты силовых цепей! Но только для малых Vcc (с повышением напряжения — КЗ через защитный диод будет становится гораздо деструктивнее) и с рядом побочных эффектов (перегрев диода и перегруз источника напряжения)...

Решение 1: «Последовательно, Выпрямительный Диод» (обычное)

Устройство питается от двух пальчиковых батареек по 1.5V (или аккумуляторов по 1.2V) — соответственно, с учётом разряда батарей, схема рассчитана на питание от 2..3VDC.

Решение1. Последовательно выпрямительный Диод (обычное)

Тестирование Решения 1)
/здесь наиболее критично: только чтобы было малое прямое падение напряжения на диоде, особенно при малом Vcc; а ток через диод будет мал (ток потребления схемы = на новых батарейках макс. до 150mA, а обычно 30мА)/

  1. последовательно диод Шоттки 1N5817 + соляные батарейки = при Vcc 2.7V (среднее), на диоде падает 0.26V (немного — на малом токе), на схему остаётся 2.44V (работает).
    Примечание: Vcc = 2.7V (батарейки средней разряженности)
  2. последовательно диод Шоттки 1N5817 + старые аккумуляторы Energizer = при Vcc 2.78V (среднее), на диоде падает 0.26V (немного — на малом токе), на схему остаётся 2.52V (работает).
  3. последовательно диод Шоттки 1N5817 + новые аккумуляторы GP = при Vcc 2.72V (среднее), на диоде падает 0.26V (немного — на малом токе), на схему остаётся 2.46V (работает).
    Вывод: защитный диод вносит очень предсказуемое занижение = всегда 0.26V.
    МК отключится BOD-схемой при Vcc=1.8V. Итак, батареи должны давать, как минимум = 1.8+0.26 = 2.1V (что есть по 1,05V на один элемент) Это много или мало? Достаточно?

«Слабое место» этого решения — понижение напряжения питания схемы. А аккумуляторы выдают меньшее напряжение, чем батарейки — поэтому являются «более слабым местом» при таком решении.

Замечание!Сколько напряжения дают убито-разряженные аккумуляторы?
Судя по материалам статьи «Олег Артамонов — Тестирование Ni-MH аккумуляторов формата AA» — см. «Графики разряда постоянным током 500 мА» для разных моделей аккумуляторов…

Обвал выдаваемого напряжения ниже 1.1V наступает — при уже практически полном разряде аккумулятора. Все модели аккумуляторов (новые, не убитые), при малом токе разряда — НЕ ПРОСАЖИВАЮТСЯ НИЖЕ >1.1V, до полного разряда. (т.е. не будет ситуации, что схема уже отключается, а аккумулятор ещё недожат)
Вывод: аккумуляторы также отлично подходят!

А с другой стороны: Ток потребления схемы — довольно мал (замечу, что так я думал ДО того, как протестировал потребление LED-индикаторов). Батарейный отсек на 2хAA (был в первой итерации Устройства) — даёт очень значительную энергоёмкость. Так что, тут и батарейки будут рентабельны… Может, и вовсе, не рассчитывать на использование аккумуляторов?

Общий вывод: Решение 1 — ДОПУСТИМОЕ, РАБОЧЕЕ!

Решение 1.5: «Последовательно, МОП-ключ в инверсном включении» (самое лучшее!)

Примечание: этот вариант решения «защиты от переполюсовки» использовал DI HALT для
Pinboard II REV 2...

Вместо диода (D9), здесь использован полевой транзисторный ключ (Q3), с очень малым сопротивлением Rds_on, и как следствие, с очень малым паразитным падением напряжения питания. Что позволит выжать из батареек, драгоценные, ещё +0.26V питания — что очень существенно, при моей «бедноте»!

P-канальный MOSFET включается в обратном порядке (инверсно) Drain-Source, чем в традиционных ключевых коммутирующих схемах. При этом, у него даже побочный защитный диод между Drain-Source работает на пользу: помогает транзистору быстрее открыться, вначале работы, пропуская «плюс» питания на Подложку(Исток) транзистора… А в обратном направлении — всё закрывается. Вообще говоря, это гениальное решение!

Устройство питается от двух пальчиковых батареек по 1.5V (или аккумуляторов по 1.2V) — соответственно, с учётом разряда батарей, схема рассчитана на питание от 2..3VDC.

Поддерживающий Конденсатор C1 пусть будет подключён: к первичному контуру (непосредственно к батарее, до ключа), а не во вторичный (к нагрузке, коммутируемый, после ключа) — чтобы не мучить Q3-ключ высокими стартовыми токами на зарядку этого большого конденсатора.

Вариант схемы, на P-канальном МОП-транзисторе:

Решение1.5. Последовательно P-канальный МОП-ключ, в инверсном включении (самое лучшее)

Заметим, хоть это и не принципиально, что N-канальный МОП открывается «положительным смещением» (потенциал Затвора > Истока), а P-канальный МОП аналогично открывается «отрицательным смещением» (потенциал Затвора < Истока). Поэтому данная схема абсолютно так же будет работать и на N-канальном МОП, только подключать его следует между отрицательным полюсом батареи и нагрузкой, и также в «инверсном включении»: Затвор будет на «Плюсе», а Исток на «Минусе» батареи питания. Вариант этой схемы, на N-канальном МОП-транзисторе:

Решение1.5. Последовательно N-канальный МОП-ключ, в инверсном включении (самое лучшее)

Транзистор подбирал по следующим критериям, в порядке убывания важности:
  • Vds поменьше, и как следствие, Vgs и Vgs_th поменьше; (чтобы легче управлять и чтобы ключ полностью открывался малым напряжением)
  • Rds самый малый что есть; (чтобы на открытом — была мизерная просадка, даже при большом токе)
  • Id побольше, с запасом. (Ведь irlml6401 пропускает до 4-5А, но только в полностью открытом, ключевом режиме; Однако, ещё нужно учесть, у меня этот транзистор будет болтаться на проводках, а не припаян к плате — нарушен режим охлаждения! Запас мощности на порядок — будет не лишним.)

Перерыв ассортимент ближайших Интернет-магазинов, я нашёл, среди SMD (logic level) MOSFET, мне доступны и наиболее интересны по характеристикам, следующие:
  • irlml0040pbf (N-Channel, Vds=40V, Id=3.6A, Rds=0.078 Ohms, Vgs=16V)
  • irlml0060pbf (N-Channel, Vds=60V, Id=2.7A, Rds=0.116 Ohms, Vgs=16V)
  • irlml2402 (N-Channel, Vds=20V, Id=1.2A, Rds=0.25 Ohms, Vgs=12V, Vgs_th=0.7V!)
  • irlml2502 (N-Channel, Vds=20V, Id=4.2A, Rds=0.045 Ohms, Vgs=12V Vgs_th=0,6..1,2V)
  • irlml2803 (N-Channel, Vds=30V, Ud=1.2A, Rds=0.25 Ohms, Vgs=20V Vgs_th=1V)
  • irlml5103 (P-Channel, Vds=30V, Id=0.76A, Rds=0.6 Ohms, Vgs=20V Vgs_th=1V)
  • irlml5203 (P-Channel, Vds=30V, Id=3A, Rds=0.165 Ohms, Vgs=20V Vgs_th=1..2,5V) — для сравнения: этот, DI HALT поставил на DevBoard2, как защиту по питанию от переполюсовки
  • irlml6302 (P-Channel, Vds=20V, Id=0.78A, Rds=0.6 Ohms, Vgs=12V Vgs_th=0.7V!)
  • irlml6344pbf (N-Channel, Vds=30V, Id=5A, Rds=0.037 Ohms, Vgs=12V Vgs_th=0,5..1,1V)
  • irlml6401 (P-Channel, Vds=12V, Id=4.3A, Rds=0.05 Ohms, Vgs=8V Vgs_th=0,4..0,95V!!!) — мощный, низковольтно управляемый. Мой выбор!
  • irlml6402 (P-Channel, Vds=20V, Id=3.7A, Rds=0.065 Ohms, Vgs=12V Vgs_th=0,4..1,2V!)
  • irlml9301pbf (P-Channel, Vds=30V, Id=3.6A, Rds=0.103 Ohms, Vgs=20V Vgs_th=1,3..2,4V)
  • MGSF3441VT1 (P-Channel, Vds=20V, Id=3.3A, Rds=0.135 Ohms, Vgs=8V Vgs_th=0.45V!)корпус TSOP6, супер ключ для миниатюрных силовых схем


Принцип действия:

МОП-транзистор открывается разницей потенциалов (смещением) между его Затвором и Подложкой. (Подложка — всегда соединяется с Истоком. Поэтому, далее, будем всегда говорить: «смещение между Затвором и Истоком».)
Заметим, хоть это и не принципиально, что N-канальный МОП открывается «положительным смещением» (потенциал Затвора > Истока), а P-канальный МОП аналогично открывается «отрицательным смещением» (потенциал Затвора < Истока). Поэтому данная схема абсолютно так же будет работать и на N-канальном МОП, только подключать его следует между отрицательным полюсом батареи и нагрузкой, и также в «инверсном включении»: Затвор будет на «Плюсе», а Исток на «Минусе» батареи питания.

В данной схеме (см. случай использования P-канального МОП) есть странность: Затвор и Исток подключены к одному полюсу батареи! Откуда же возьмётся «смещение» напряжений? Вторая странность: Затвор (электрод, которым обычно управляют ключом) наглухо подключён к Земле (полюсу «Минус» питания) — т.е. он «не смещаемый», зафиксирован по уровню напряжения.
Ну и ничего: хоть и недвижим Затвор — то смещается Исток, относительно первого, и ключ управляем, таким образом! Смещение (разница потенциалов) же возникает автоматически от протекания тока через полезную Нагрузку (основное питаемое устройство): есть ток — есть смещение, нет тока — нет смещения (это важный момент, запомним!) Причём, в каком направлении возникает смещение? Смещение следует рассматривать только относительно полюса (точки), на котором закреплён Затвор: здесь, при протекании тока через Нагрузку, потенциал Истока поднимется относительно Земли (а на Затворе, соответственно, появится отрицательный потенциал, относительно Истока — что и открывает P-канальный МОП-транзистор).

Симуляция показывает:

При подключении батареи обратной полярности (B1_NEG) — на Затворе и Истоке ключа появляется и удерживается ОДИНАКОВОЕ напряжение (положительной полярности, в данном случае). [Замечу: Это похоже на обычный цифровой ключ (построенный на P-канальном МОП), запертый подачей ему на Затвор уровня лог.«1»...] канал Сток-Исток закрыт, потому ток через нагрузку не идёт — смещения нет. Защитный диод, между Стоком-Истоком, также включён навстречу неправильному напряжения — блокирует ток через ключ и, косвенно, через нагрузку. Статус кво — сохраняется…

Даже если, в начальный момент при включении ключа, на Затворе уже был отрицательный заряд относительно Истока? (Например, оставшийся от предыдущего, правильного режима работы схемы… Хотя так не бывает! Такой заряд бы давно стёк с Затвора и уравнялся с потенциалом Истока, через цепь нагрузки… Но предположим, что вдруг заряд есть?)
На какую-то мельчайшую долю секунды — через цепь протечёт таки ток в обратном направлении: на время, в течение которого Затвор перезарядится положительным потенциалом, из «плюса» источника питания (который сейчас обозначен на схеме как «Земля», к которой и подключён Затвор). За эту же мельчайшую долю секунды — потенциал Истока станет немного меньше, чем потенциал «плюс» питания (за счёт естественного падения напряжения на Нагрузке, при течении через неё тока). Потенциал Затвора > Истока? Такое смещение ЗАКРЫВАЕТ P-канальный МОП! Далее, устанавливается динамическое равновесие потенциалов и «статус кво» сохраняется…

При подключении батареи правильной полярности (B1_NORM): Затвор быстро перезаряжается до нуль-потенциала «Земли». И теперь, чтобы ключ открылся, требуется чтобы на Истоке появился положительный потенциал. Вся Нагрузка приобретает потенциал «отрицательного» полюса Земли (поскольку подключена к нему непосредственно). Но ключ пока закрыт, ток через Нагрузку не идёт — смещения потенциалов нет… На какое-то время…
Однако, на Сток (Drain) транзистора уже поступает положительный потенциал! И токи утечки «Drain-to-Source Leakage Current» (Idss=1..25uA) — хоть и малы, но есть! И через какое-то (продолжительное) время, заряд станет проникать на Исток, а значит и понемногу накапливаться на Подложке. Если, конечно, не будет успевать стекать через Нагрузку на Землю: «токи утечки» то мизерные -> падение напряжения на Нагрузке также мизерное -> смещение практически нулевое. Нет, транзистор не сможет открыться токами утечки!

И тут (тадам!) на сцену выходит «побочный защитный диод» между Drain-Source и шунтирует закрытый ключ, пропуская значительный ток на Нагрузку: он способен протащить через себя аж «Continuous Source Current MOSFET symbol (Body Diode)» Is=1.3A /замечу: такой ток способен вызвать на Нагрузке уже значительное напряжение!/ Да, на диоде падает, конечно, какое-то напряжение «Diode Forward Voltage» Vsd=1.2V… Но тот потенциал что остался, заряжает Исток/Подложку непосредственно -> возникает уверенное «смещение» и ключ открывается.
Вся эта драма продолжается, конечно, мельчайшую долю секунды. Но диод здесь играет очень важную роль! Без него бы ключ мог и не открыться, или открываться неуверенно, или долго… Так что, если в вашем МОП-транзисторе такого диода нет (хотя современный техпроцесс изготовления МОП-транзисторов этого не допускает) — то его следовало бы добавить в схему дискретно — он полезен и важен.

Тестирование Решения 1.5:

При ЭДС батареек = 2V
Ток потребляемый устройством, при этом = 20мА
Падение напряжения на открытом ключе (паразитное) < 10mV

При ЭДС батареек = 3V
Ток потребляемый устройством, при этом < 110мА
Падение напряжения на открытом ключе (паразитное) < 80mV

Разделительный Конденсатор по питанию

Внимание важно!
И конечно, по всем правилам монтажа: рядом с каждой Цифровой Микросхемой запаивается Разделительный Конденсатор по питанию!

Какого номинала ставится?
  1. Я читал в статьях, общие рекомендации говорят: «по 100nF на микросхему».
  2. На старых совковых платах замечено: попарно стоят, рядом с каждой микрухой, 100nF и 47nF.
  3. Также, читал продвинутые статьи по теме:

И пришёл к выводу, что эту тему можно развозить бесконечно сложно (выбор номинала и типа для разделительного конденсатора). Но что очень заморачиваться этим — имеет пользу только в высокочастотных, аналогово-измерительных, и ответственных случаях (а для меня — это слишком).

В итоге, решил установить, рядом с каждой цифровой микросхемой, по одному 100nF. Думаю это оптимально: места на плате у меня мало, а питание стабильное. Кроме того, источники питания (батарейки) — также зашунтированы электролитом на 47мкФ.


Цифровой Инкрементальный Энкодер «RE1203XC1-H01»


Ручку управления «Цифровой Энкодер» — смоделируем с помощью стандартной модели MOTOR-ENCODER… (замечу: модели отдельного энкодера нет в стандартной библиотеке Proteus)

Рецепт взят с форума Kazus:
Подключение: Один конец мотора на землю, на второй две кнопы с +12V и -12V;
В свойствах мотора выставить: массу ротора минимальную Effective Mass=1u,
нагрузку тоже Load/Max Torque %=1, чтобы он по инерции не крутился.
Оборотики уменьшите под себя: например, Zero Load RPM=20,
ну, и количество импульсов на оборот: Pulses per Revolution=24 (для RE1203XC1-H01: 24pulses/360°) — тоже под себя
(обычно для ручных контактных энкодеров от 12 до 15, иногда и побольше)...


Требуется эмулировать: «Энкодер RE1203XC1-H01 (с кнопкой, вертикальный, металл.вал)»
Даташит на «Энкодер RE1203XC1-H01» есть! В нём: диаграмма импульсов на выводах — соответствует выходной на графике MOTOR-ENCODER (сверено).

Аналоговый График выходов с MOTOR-ENCODERАналоговый График выходов с Итоговой Модели Энкодера

Но отличия «MOTOR-ENCODER» в том, что на выходе своего энкодера (Q1, Q2) — он даёт уже логические уровни напряжений (до VCC). А Энкодер «RE1203XC1-H01» — лишь попарно замыкает ножки, из трёх выводных (A, B,C)… Поэтому, в модели, для преобразования схемотехники под требуемое поведение — требуется задействовать ещё и каскад выходных ключей/реле.

Энкодер RE1203XC1-H01 - моделирование в Proteus

ПОДКЛЮЧЕНИЕ к целевой схеме:

Для энкодера «RE1203XC1-H01», даташит предлагает ещё аналоговую обвязку в виде буферных RC-цепочек — для минимизации дребезга контактов. Но в данном случае, опрос энкодера будет производиться динамически: периодически, очень быстро (за единицы мкс) напряжение будет подаваться на пары контактов (положение кнопки «прозванивается») и тут же сниматься — при такой схеме работы, RC-цепочка (очень инертная) будет тупить и только мешать работе.

В случае данного применения, эта обвязка использоваться не будет — дребезг контактов будет устранятся программно-логическим образом, в МК: все кнопки будут пропускаться через процедуру «ректификации дребезга» (Интегратор Канала)...


LED-индикатор семисегментный одноразрядный «SM420361N/8»



Куплен в ЧП «Ворон»:
Индикатор «SM420361N/8», цвет «Красный ультра», ОК (ОБЩИЙ КАТОД), высота символа 9,144мм

Характеристики «SM420361N»: Даташита в сети нет! Только краткие общие характеристики/графики на официальном сайте, см. «Ultra Bright Red Typical Electrical-Optical Characteristics Curves».

Для справки:


Подключение и согласование

Практический тест 1 (режим светодиода):
  • При меньшем напряжении — закрыт и не светит...
  • Диод открывает при 1.7V (падение напряжение на открытом = 1,7V)
  • При 1.8V — светит уже вполне заметно (не очень ярко, но достаточно). Потребляет до <2mA на сегмент.
  • При 1.9V — светит заметно ярче, чем ранее, но ненамного (это не нужно). Потребляет до <6,5mA на сегмент.
  • Выше — нельзя (слишком ярко светит: риск сгореть, и много потребляет)!


Задача:
Подобрать токоограничивающий резистор, при напряжении питания VCC=2-3V (+-0,5V).
Решение:
  • При Vcc=2V (низшее питание), нужно обеспечить, как минимум: 1.8V на диоде (и ток должен быть около 2mA)...
  • На диоде упадёт, судя по графикам «даташита», в зависимости от степени открытия: 1,7..2 VDC
  • Питание обеспечивает: 2..3 VDC
  • На резисторе будет падать: (2..3)-(1,7..1,9) VDC
  • Ток будет течь: от 2mA и более (чтобы LED не погас)
  • Следовательно, сопротивление должно быть, максимум: Rmax=(Vcc_min-Vdrop)/Imin= (2-1.8)/0.002 = 100 Ом
Выводы:
  • R = 68-100 Ом
  • где 100 Ом — экономичнее потребление (и распространённее резистор) — ОПТИМУМ!
  • а при выборе 68 Ом — индикатор однозначно будет светить ярко, даже при самом низком питании.
    Низкое питание может быть из-за: разряженных батареек… или ещё возможны:
    падения напряжения в выходном каскаде сдвигового регистра, питающего LED (по его даташиту: Vout = VCC +-0.5V).


Практический тест 2 (на готовом устройстве):
  • Токоограничивающий резистор, на каждом сегменте: 100 Ом (обеспечивает отличную яркость, но без излишеств, во всём диапазоне питания)
  • Питание: Vcc=~3V
Полный ток экрана из 5шт. индикаторов: Iвсе = 60-70mA, при засветке примерно 23шт. сегментов. Следовательно, потребление каждого сегмента: I1 = 2.6-3мА (что является, в пределах расчётного)

Но, блин, какой же большой ток потребления у LED-индикатора, в целом! В итоге, всё устройство потребляет до 100мА — и сжирает новые батарейки на раз! (Для справки:
светодиодный фонарь GP LOE206, с одним сверхярким 3W светодиодом, потребляет, от 3хAAA, также 100мА.)

Вывод: нужно предусмотреть в устройстве режимы энергосбережения (пригашения/выключения экрана после таймаута).

Моделирование в Proteus

Для моделирования «одноразрядного семисегментного LED-индикатора» с общим катодом («Common Cathode»=CC) в Proteus доступны две модели: «7SEG-COM-CATHODE» (аналоговая) и «7SEG-MPX1-CC» (цифровая).

LED-индикатор семисегментный одноразрядный - моделирование в Proteus

Внимание: Нижний индикатор «7SEG-MPX1-CC» — является «цифровым»! На нём нельзя моделировать ток через диод. Он будет использоваться только для отладки программы в МК, причём только в случае: без «динамической индикации».


Звукоизлучатель (Бузер с генератором): моделирование и тестирование, особенности питания


Бузер «KPX1203B» — тестирование

Паспортные характеристики:
Product ID               KPX-G1203B
  Rated Voltage 		3VDC
  Operating Voltage 		2..5VDC
  Max.Rated Current 		30mA/3VDC
  Resonant Frequency 		3100±500Hz
  Min.Sound Pressure Level 	85dB/10cm
  Operating Temperature 	-20~+70°C
  D(mm) 			Ø12
  H(mm) 			7.5
  weight 			2g


Условия тестирования:
  • при напряжении питания 2..3V
  • бузер с «рабочим напряжением»=2..5VDC (рекомендуемое = 3VDC) (пищать начинает: от 2VDC)
  • Внутреннее сопротивление бузера = 160..180 Ом (на самом деле, нелинейное — изменяется в диапазоне рабочих напряжений питания: от 180Ом при питании 2VDC; до 160Ом при 4VDC...)


Результаты тестирования одиночного элемента:
U,VDC	I,mA	R,Ом
1.5	7.6	197	(не пищит)
2	11	180	(начал генерировать)
2.5	14.7	170
3	18.1	166	(с возрастанием напряжения 2..3VDC: тон незначительно меняется - становится ниже; но громкость - так же)
3.5	21.4	164	(далее >Vcc, тестировать нет смысла...)
4	24.8	161
4.5	28	160
5	31	161


Выводы:
  • При 2VDC питания, бузер выходит на режим.
  • Ниже — нельзя, бузер сбоит и не пищит.
  • Выше — не стоит: с повышением напряжения, громкость бузера не увеличивается! Только чуть-чуть повышается звуковой тон (конденсаторы генератора заряжаются быстрее, но в целом, резонатор генератора держит частоту неизменной).
  • Но, при повышении напряжения питания — увеличивается потребление тока в 2-3 раза (и вероятно, также, повышает износ элемента).
  • Итак, оптимум питания: 2..3VDC (что соответствует батарейкам 2xAA: при их разрядке, напряжение будет падать от ~3V до ~2V. Также поддерживаются аккумуляторы: 2xAA по 1.2V = от 2.4V)


Бузер «KPX1203B» — моделирование

Чтобы прощупать границы возможностей генерирующей схемы Бузера — также, была промоделирована возможность ограничения питания Бузера, за счёт подключения последовательного токоограничивающего резистора:

Звукоизлучатель KPX1203B - моделирование в Proteus

Выводы: Подключать последовательный резистор бессмысленно!
  • Маленький резистор (4.7 Ом) не оказывает существенного влияния (при, на порядок, большем сопротивлении бузера).
  • А большой резистор (47 Ом) — нарушает работу схемы: фактически бузер не сможет пищать из-за пониженного напряжения питания на нём.


Бузер «KPX1201B» — тестирование

Паспортные характеристики: (хотя, тесты их опровергают)
Product ID             KPX-G1201B1
  Rated Voltage              1.5VDC
  Operating Voltage          1.6~3VDC
  Max.Rated Current          30mA/1.5VDC
  Resonant Frequency         3100±500Hz
  Min.Sound Pressure Level   75dB/10cm
  Operating Temperature      -20~+70°C
  D(mm)                      Ø12
  H(mm)                      7.5
  weight                     2g


Результаты тестирования одиночного элемента:
U,VDC	I,mA	
1.5	11	(Нижняя граница рабочего напряжения! Меньше нельзя - звук затухает.)
1.6	12.8	
2	18.7	(Вышел на режим! При 2..3V - звук уже не меняется, от напряжения.)
3	31


Выводы:
  • Однако, учитывая, что уровень «лог.1» < Vcc = 1,8… 2,8V.
  • Кроме того, бузер подключается через каскад усиливающего транзистора Q1 (а на нём, открытом, падает до полувольта) (и возможно, последовательно, будет ещё один ключ «отключения земли»?)
  • То, в итоге, в схеме, был использован бузер KPX1201B — более оптимальный по питанию Vcc=2..3V


Особенности питания Бузера

Бузер требует усиленного питания

0) Вначале, была использована схема подключения: Бузер вешался прямо на выход сдвигового регистра, без усилительного каскада на транзисторе (Q1); да ещё и, на этот выход, параллельно, был повешен сегмент точки последнего разряда индикатора. (Предполагалось: при зажигании последнего сегмента индикатора — также будет выдаваться звуковой сигнал.)

По результатам макетного моделирования: эксперимент показал, что нагрузочная способность сдвигового регистра недостаточна для питания Пищалки и Светодиода одновременно — вывод не справляется, перегружен, напряжение падает (до ~1.75V, при питании 3V) и Пищалка не пищит…

1) Поэтому, сперва, было принято решение: отключить светодиод точки на последнем индикаторе! Однако, при этом, сдвиговый регистр всё равно выдавал недостаточную мощность…

2) Тогда пришлось внести усилительный транзисторный каскад (стандартное решение): РЕАЛИЗАЦИЮ КАСКАДА
смотри на общей схеме — ключ Q1.

Замечу: В такой ситуации, все используют биполярный транзистор, для Q1.
Но я пробовал поставить полевой транзистор «2N7000» (такой же как и Q2 — думал, пусть в схеме будет поменьше разнотипных деталей). Однако узнал, что на открытом полевике 2N7000 просаживается аж до Vds=0.5-1V (против Vce<0.1V у открытого биполярного) — это из-за слишком большого Rds=5Ohms…
Потому передумал, и поменял Q1 обратно, на обычный биполярный «BC547» (NPN).



Последнее предупреждение: дальше, лучше не читать...


Попытки сгладить пульсации тока потребления Бузера (неудачные)

Поначалу, для прерывания шины «Альтернативной земли», я использовал МОП-ключ (Q2) с плохими характеристиками: 2N7000 (N-Channel, Vds=60V, Id=200mA, Rds=5 Ohms, Vgs=20V, Vgs_th=0,8..3V) — маленький дешёвый, выводной (не SMD), доступный мне. Причём, у меня не было в наличии, и не мог купить, никакого другого небольшого/маломощного МОП-транзистора в выводном исполнении (не SMD)!
Но из-за того, что у 2N7000 такое большое сопротивление открытого канала (Rds) — на нём просаживается очень большое напряжение (аж до Vds=0.5-1V), ведь ток с индикаторов идёт большой. Поэтому, я имел множество трудностей согласования элементов схемы. Особенно, при разряженных батарейках и пониженном напряжении питания — индикация начинала глючить: в частности, притухали LED, хрипел и затыкался бузер. Вот это я и пытался преодолеть всякими нестандартными ухищрениями...

Осциллографом было замечено, что Бузер потребляет неравномерно: напряжение питания на нём представляет собой хаотичную гребёнку, из-за просадок напряжения на (Q1+Q2), при пиках его токового потребления. (Примечание: Эта пульсация была особенно заметна, когда я сперва неправильно собрал ключ Q1: поставил NPN-биполярный, но Бузер втулил ему в Эмиттерную цепь — так на пиках потребления потенциал Эмиттера подскакивал, транзистор призакрывался, ток зажимало — Бузер хрипел и затыкался.)
На осциллограммах, ниже, отчётливо заметно: когда Бузер включается, здесь напряжение падает до ~0.5V, то отчётливо заметны «акульи плавники» (пики потребления)…

В общем, я не знаю как устроена внутренняя схема Бузера, но решил попробовать втулить ему разделительный конденсатор по питанию (как и на всех цифровых микросхемах), чтобы сгладить пики потребления генератора…

Каким номиналом разделительного конденсатора достаточно зашунтировать Пищалку, чтобы сгладить пики потребления?
Расчёт:
  • Пищалка потребляет минимум I=10мА, при питании U=2V.
  • Пусть, хочу, чтобы конденсатор питал Пищалку не более 2мс (чтобы не пролонгировать звук пищалки далеко за тайминги обновления индикатора).
  • C*U=q=I*t => C=I*t/U. Тогда C=10мкФ...
  • Блин, да чё я буду электролит туда ставить? Нет! Значит, будет: C=1.5мкФ (самая большая «керамика» в моих загашниках)… Или нет, пусть будет: C=1мкФ (просто, под руку первая попалась). Я хотел увидеть хоть какой-то эффект от этого конденсатора — поэтому номинал, здесь, не очень важен!


Макетное моделирование (осциллограммы уровня «Альтернативной Земли»):

Бузер, шунтированный разделительным конденсатором — включён между «Питанием» и «Альтернативной Землей», как и будет работать в целевой схеме (создаёт большие помехи на «Альтернативной Земле»):
Бузер, шунтированный разделительным конденсатором

Бузер, НЕ шунтированный разделительным конденсатором — включён между «Питанием» и «Альтернативной Землей», как и будет работать в целевой схеме (выглядит практически так же, как и с конденсатором):
Бузер, НЕ шунтированный разделительным конденсатором

(Не, ну, кондёр на 100мкФ, думаю, значительно сгладил бы картинку пульсаций на бузере, хотя и не убрал бы полностью. Вот только ценой больших побочных эффектов. А кому ж такое надо?..)

Вывод: конденсатор — убрать оттуда нафиг! ;-) Т.к. он не помогает ни Бузеру, ни шине «Альтернативной Земли», но создаёт дополнительную ёмкостную нагрузку…

На самом деле, причина этих «акульих плавников» — они порождались падением напряжения в открытом канале «2N7000», с его большим сопротивлением. Поэтому, эта проблема с Бузером решилась автоматически, когда я перешёл на «правильный» МОП-ключ Q2: irlml6344 (N-Channel, Vds=30V, Id=5A, Rds=0.037 Ohms, Vgs=12V Vgs_th=0,5..1,1V).


Продолжение следует…
Переход к следующей части статьи -->
  • 0
  • 23 декабря 2013, 21:23
  • Celeron
  • 2
Файлы в топике: proteus.zip, осциллограммы.zip

Комментарии (0)

RSS свернуть / развернуть
Автор топика запретил добавлять комментарии