Разряжай меня полностью! Cнова о батарейках

Всем привет. Сегодня пойдет речь об очередном устройстве, позволяющим разряжать батарейки практически до нуля, только на этот раз это будет не готовое покупное устройство, а полностью самодельное. Такой вот олдскульный диайвай.

Интересно? Тогда садитесь поудобнее и поехали.

---

Идея выжимать из батарейки всё до последней капли далеко не нова. Для этой цели существуют как промышленные решения (MCP1640, NCP1402, TLV61225, ME2188 и др.), так и народное творчество, огромное разнообразие которого легко ищется в интернете по странному словосочетанию «Джоуль-вор» (ага, как будто мы действительно собираемся что-то украсть). Полноценному разряду батареек в свое время был даже посвящен один стартап, но не взлетело. Почему – да потому, что многие современные устройства сами прекрасно умеют разряжать батарейки как надо, и никакой Batteriser тут не нужен. А еще экономически и экологически разумно использовать аккумуляторы и устройства на них, тогда вопрос разряда тоже будет закрыт.

Так зачем же топтать истоптанное и снова поднимать эту тему? TL;DR: китайские инженеры. Есть у меня на кухне обычный термометр с достаточно крупными цифрами. Вот такой:


Не особо модный (без Bluetooth и WiFi), к умному дому не подключается, альтушка в комплект не входит, но температуру показывает нормально и крупными цифрами. В общем, устраивает. Но есть у него одна проблема – при снижении питания (разряде батарейки) контрастность изображения заметно падает:


И если при 1.3 В пользоваться им еще возможно, то при 1.2 В яркость разных сегментов цифр при просмотре под некоторым углом начинает отличаться, и смотреть на такой экран становится психологически больно. А так как обычно в термометр вставляется старая батарейка, вытащенная из современного модного восточного устройства, которое отказалось работать от 1.25 В/элемент, ситуация оказывается еще более печальной. Можно, конечно, на это не обращать внимания, старую батарейку выкинуть в помойку у дома, а самому купить свежий пак на вайборис (благо стоит он даже по нынешним меркам недорого), но это не наш путь.

А наш путь – попытаться разрядить батарейку до конца с помощью повышайки, получив от этого и практическую пользу в виде всегда контрастного изображения температуры, и моральное удовлетворение от закрытого батарейного гештальта. То есть, это как раз тот самый редкий случай, когда Batteriser мог быть реально пригодиться. Но его нет, поэтому берем специализированную микросхему, добавляем пару деталей и уже через 15 минут объявляем проект закрытым. Но это лишь в том случае, когда специализированная микросхема есть в наличии. А иначе придется ждать месяц, пока заказ приедет из поднебесной.

Да и найти готовый преобразователь на 1.5 В у меня сходу тоже не вышло – всё, что попадалось, выдает от 1.8 В, а уже даже при 1.6 В контрастность на термометре начинает падать, но уже в другую сторону – начинают темнеть выключенные сегменты. И вот тут вдруг разгорелся спортивный интерес к самой задаче – а возможно ли «тряхнуть стариной» и собрать такой преобразователь самому на доступных дискретных компонентах? Давайте попробуем.

Т.к. без ТЗ получается, в основном, ХЗ, в начале следует определиться с требованиями к преобразователю. А для этого, прежде всего, надо замерить текущее потребление термометра. По внешнему виду лучше всего он работает от 1.4 — 1.5 В, потребляя при этом от 20 до 60 мкА в обычном режиме и до примерно 5 мА при включении зуммера. То есть, для нормальной работы преобразователь должен уметь выдавать 1.5 В и ток до 10 мА (возьму с запасом).

Поскольку сам термометр потребляет достаточно мало, преобразователь должен потреблять еще меньше. Скажем, одной типовой батарейки ААА с емкостью 1 Ач должно хватить на 10 лет холостой работы. Это соответствует потреблению примерно 11.4 мкА. Ну и диапазон рабочих входных напряжений преобразователя возьмем 0.9 – 1.6 В.

Итого, с требованиями определились. Не слишком ли амбициозно получилось для простой поделки на «рассыпухе»? Посмотрим.

В качестве стартовой точки я взял простейшую схему джоуль-вора и проанализировал её недостатки в разрезе поставленной задачи:


Первый и основной недостаток – она построена на биполярном транзисторе. Биполярный транзистор управляется током и поэтому плохо подходит для устройств малого потребления: допустим, на выходе нужно иметь 10 мА, значит, при коэффициенте усиления 100 в базовую цепь надо подать 100 мкА. А это уже в 10 раз больше требуемого потребления всего преобразователя без нагрузки. То есть, схему надо усложнять, чтобы изменять базовый ток в зависимости от нагрузки. И просто поставить составной транзистор тоже нельзя из-за более высокого напряжения его открывания (1.2 – 1.4 В).

Второй недостаток – полное отсутствие стабилизации напряжения на выходе схемы. Задача джоуль-вора – зажечь светодиод. Насколько ярко он будет светиться, и как свечение будет меняться по мере разряда батарейки – авторов таких схем не интересует.

Но, в остальном (если так можно сказать) – схема рабочая. Она запускается от разряженной батарейки и выдает на выходе более высокое напряжение, достаточное даже для зажигания белого светодиода. Таким образом, можно за основу устройства взять блокинг-генератор, выполненный на полевом транзисторе и добавить в него стабилизацию выходного напряжения. Начнем с первого.

Я накидал вот такую схему генератора:


Схема работает следующим образом. При подаче питания напряжение на затворе полевого транзистора начинает повышаться, доходит до порогового напряжения транзистора, сопротивление его канала снижается, транзистор приоткрывается и напряжение питания подается на первичную обмотку трансформатора. В этот момент на вторичной обмотке появляется напряжение, которое еще больше открывает транзистор, сопротивление канала еще снижается, это дополнительно увеличивает открывающее напряжение на вторичной обмотке и, в итоге, приводит к полному открыванию транзистора. Ток в первичной обмотке начинает линейно возрастать, а в сердечнике трансформатора накапливается энергия.

Этот процесс продолжается до тех пор, пока ток в первичной обмотке не начнет вводить сердечник трансформатора в насыщение. В этот момент открывающее напряжение на вторичной обмотке начнет падать, транзистор немного закроется, что приведет к некоторому падению тока в первичной обмотке, что, в свою очередь, еще уменьшит напряжение на вторичной обмотке, транзистор еще закроется и т.д. В конечном счете, транзистор закроется полностью, трансформатор превратится в источник тока, а напряжения на его обмотках поменяют полярность.

Обратное напряжение на первичной обмотке сложится с напряжением питания схемы и зажжет светодиод на выходе. Трансформатор начнет отдавать запасенную энергию в нагрузку. В это время обратное напряжение на вторичной обмотке будет удерживать транзистор в закрытом состоянии. Этот процесс продолжится до тех пор, пока трансформатор не отдаст всю запасенную энергию, после чего напряжение на вторичной обмотке упадет до нуля и процесс повторится снова.

Здесь следует отметить, что процесс открывания и закрывания транзистора в блокинг-генераторе носит лавинообразный характер и происходит достаточно быстро. Поэтому КПД самого генератора достаточно высок.

Из описания работы генератора можно выделить основной момент – сердечник трансформатора должен входить в насыщение, т.к. именно в это время осуществляется переключение генератора в закрытое состояние. Учитывая, что на выходе преобразователя требуется получить 10 мА, можно ткнуть отверткой в плату пальцем в небо и предположить, что сердечник должен входить в насыщение при 30 мА в первичной обмотке.

Это очень небольшой ток, поэтому здесь понадобится замкнутый сердечник из материала с высокой магнитной проницаемостью. Где проще всего такой взять – в старой компактной люминесцентной лампе. В балласте лампы используется генератор, переключение состояний которого также происходит по насыщению сердечника трансформатора, поэтому он отлично подойдет и для блокинг-генератора. Внимание, брать следует не основной дроссель, а именно маленький трансформатор на ферритовом кольце. Изначально на нем намотано три обмотки (на моем была основная из 10 витков и две дополнительные по 3 витка), и выглядит он примерно так:


Теперь следует понять, сколько витков необходимо намотать, чтобы получить ток насыщения в 30 мА. Для этого собирается такая схема:


И подключается к небольшому источнику питания, генератору импульсов и осциллографу. За момент насыщения сердечника берется точка, где ток через обмотку начинает возрастать быстрее. В моем случае на существующей обмотке из 10 витков это оказалось порядка 100 мА, что вполне логично – 100 мА*250 В = 25 Вт, что примерно соответствует мощности разобранной КЛЛ:


Итак, значит, для достижения насыщения при токе 30 мА в первичной обмотке понадобится примерно 30 витков. Напряжения вторичной обмотки должно хватать для уверенного открывания и закрывания транзистора, поэтому можно для начала сделать в ней то же самое количество витков, что и в первичной. По факту, здесь можно поэкспериментировать и сравнить результаты работы как при большем, так и при меньшем количестве витков, но мне не пришлось – вариант 1:1 оказался достаточным. Такой трансформатор и был намотан.

Теперь вернемся к транзистору. Устройство должно работать от 0.9 В, значит, пороговое напряжение на затворе должно быть меньше, желательно раза в два. Для поиска подходящего транзистора удобно воспользоваться сайтом Digikey. Выбираем Products -> Semiconductors -> Discrete -> Transistors — FETs, MOSFETs – Single. В поле Vgs(th) (Max) @ Id выбираем несколько минимальных значений, например, 400 mv @ 1 mA, после чего запускаем процесс поиска:


Теперь предстоит нелегкая задача – последовательно пробежаться по результатам, посмотреть детально даташиты, а также понять, где, за какое время и сколько денег найденные транзисторы можно приобрести. Для меня подходящим вариантом оказался транзистор BSH103, имеющий пороговое напряжение 0.4 В и доступный для покупки по умеренной стоимости как на али, так и в чиподипе. Он и был заказан, а пока осуществлялась доставка (3-5 дней в моем случае), я решил поэкспериментировать с имеющимися в наличии 2N7000.

Тест на пороговое напряжение показал, что сопротивление канала 2N7000 начинает падать до интересных значений при напряжении на затворе порядка 1.25 В. Это много для готового устройства, но достаточно для построения тестовой схемы, которая и была собрана.

Схема заработала, светодиод зажегся, а стартовое напряжение составило около 1.3 В, что явно много. После запуска генератора он продолжал работать и при снижении питающего напряжения до примерно 1 В, но это уже не так важно, всё равно нужен транзистор с меньшим Vgs(th). Зато теперь можно перейти к решению второй задачи преобразователя – стабилизации выходного напряжения.

Основная проблема, не позволяющая использовать классические подходы здесь та же – требуется очень низкое потребление. А ведь даже простой делитель напряжения сопротивлением 150 КОм будет кушать те самые 10 мкА. Поэтому мне показалось перспективным попробовать в качестве стабилизирующего элемента использовать другой полевой транзистор в пограничном режиме открывания. Понятно, что Vgs(th) сильно зависит от температуры, и такое решение не будет термостабильным, но этого и не требуется – будет на выходе 1.5 В или 1.45 В, большой разницы нет. В итоге была придумана и собрана вот такая схема:


Здесь напряжение со стока транзистора выпрямляется диодом D1 и сглаживается конденсатором С3, после чего подается на затвор полевого транзистора Q2 через диод D2, который необходим для поднятия порогового напряжения 2N7000 до подходящего значения. Как только Q2 начинает открываться, он снижает напряжение, подающееся на затвор Q1, мешая ему нормально работать. При этом Q2 не шунтирует вторичную обмотку трансформатора напрямую, чтобы минимизировать потери энергии. Вот и вся стабилизация, только за счет использования полевых транзисторов удалось уложиться в минимальные токи.

Испытания показали, что такой подход действительно работает, и преобразователь выдает на своем выходе что-то около 1.5 В. При этом из-за специфики схемы алгоритм работы оказался не классическим PWM, где требуемый результат достигается изменением ширины импульса, а неким подобием PFM, где регулировка осуществляется частотой или количеством колебаний. А без нагрузки преобразователь вообще работает одиночными импульсами, возникающими где-то раз в секунду. Напряжение на выходе, конечно, имеет достаточно большой размах пульсаций (0.1 В), но, забегая вперед, скажу, что для термометра это некритично.

Пока проводились пробные тесты с 2N7000, подъехали заказанные BSH103 и можно было поставить в схему их. Само «устройство» на этот момент выглядело следующим образом:


Результат с BSH103 даже превзошел ожидания – без нагрузки схема запускалась где-то от 0.8 В и продолжала работать при снижении напряжения питания до 0.6 В. Осциллограммы работы на стоке ключа и на выходе преобразователя:


Тогда я нагрузил преобразователь на резистор 552 Ом (2.7 мА). Осциллограммы работы под нагрузкой:


Затем произвел тестирование выходного напряжения и КПД при разных значениях напряжения питания. Результаты получились такие:


Видно, что средний КПД схемы составляет 70%, и это обусловлено, прежде всего, падением напряжения на диоде выпрямителя – на нем теряется порядка 20% полезной энергии. То есть, ставить новую батарейку в такой преобразователь не особо целесообразно, т.к. мы гарантированно потеряем треть емкости, а получим ли назад больше – еще вопрос. В теории, конечно, можно попробовать прикрутить к преобразователю синхронный выпрямитель и поднять КПД, но это улучшение я оставлю для следующей версии.

Также видно, что стабилизация напряжения работает весьма неплохо и выходное напряжение меняется лишь на 9% при изменении входного в два раза (от 0.73 В до 1.46 В). Кстати, такие «странные» значения входного напряжения обусловлены методом измерения тока потребления – так как инженеры Uni-T криворуки, мне пришлось подключить последовательно со схемой резистор 10 Ом и измерять падение напряжения на нем, а потом уже вычесть его из напряжения, установленного на БП.

Далее я замерил максимальные возможности преобразователя по току. Мне удалось снять с него 1.43 В 20.1 мА при входном напряжении 1 В и потреблении порядка 40 мА. Это дает всё тот же КПД в 72%. При снижении входного напряжения до 0.7 В удалось снять с преобразователя только 5.1 мА при напряжении 1.3 В. КПД составил 73%. Можно считать, что исходный план в 10 мА выполнен, а сохранять полноценную работоспособность (включая зуммер) термометр сможет при снижении напряжения питающей батарейки до 0.7 В.

Теперь перейдем к потреблению холостого хода. Замерить его традиционным способом оказалось невозможным, т.к. потребление носит импульсный характер и ни один амперметр не смог усреднить его до постоянных значений. А если бы и смог – то большой вопрос, правильно ли. Тогда я взял электролитический конденсатор емкостью 4700 мкФ, зарядил его до 1.5 В, подключил к преобразователю и наблюдал за скоростью падения напряжения, а ток уже вычислил позже по формуле.

За первые 30 секунд конденсатор разрядился до 1.449 В, что означает среднее потребление преобразователя 8 мкА. За следующие 60 секунд конденсатор разрядился до 1.346 В, что равняется потреблению 8.1 мкА. Дальнейшие замеры показали, что при напряжении 1.1 В потребление вырастает до 9.2 мкА, а при напряжении 0.9 В – до 10.2 мкА. В данном измерении я не учел ток утечки конденсатора, его заниженную реальную емкость относительно номинальной, а также ток, потребляемый вольтметром и осциллографом, поэтому можно смело сказать, что полученные значения – максимальные, и реальное потребление превышать их точно не будет. Что ж, снова отличный результат.

Теперь осталось перенести схему на печатную плату и разместить внутри термометра, свободного места в котором, кстати, вполне достаточно:


Плату я уже нарисовал, выглядит она следующим образом:


Плата предназначена для установки в полость глубиной 8 мм между тыльной стороной дисплея термометра и задней стенкой корпуса. Поскольку у меня в наличии есть только обычные электролитические конденсаторы, запланировал использовать их. А чтобы они без проблем влезли в полость, решил разместить их сбоку от платы в лежачем положении. Так их толщина (6.4 мм) не будет складываться с толщиной платы (1.6 мм). Остальные детали – SMD, кроме трансформатора, транзистора Q2 и конденсатора С2. С трансформатором, понятно, без вариантов, а в качестве Q2 решил использовать выводной 2N7000 т.к. у SMD-варианта 2N7002 чуть ниже Vgs(th), а, значит, устройство будет выдавать более низкое напряжение. Все выводные детали размещу со стороны дорожек печатной платы, чтобы дополнительно не увеличивать толщину устройства.

Так как вытаскивать фотополимерник с дальней полки было лень, а FDM-принтер категорически отказался печатать на медной фольге, изготовил плату «дедовским» методом ЛУТ на термотрансферной бумаге и ламинаторе. В принципе, для небольших плат ЛУТ оказывается проще всей возни с фоторезистом, но при чуть более низком качестве:


Далее, в меру своей криворукости собрал плату – самым сложным здесь оказалось впаять трансформатор. Еще пришлось согнуть выводы и установить вместо LL4148 обычный 1N4148, т.к. с SMD-диодом выходное напряжение поднялось до, примерно, 1.58 В. Возможно, надо было просто подобрать другой экземпляр, но мне было проще установить именно ту деталь, с которой проводилось тестирование. Также, удалил медный полигон под трансформатором «на всякий случай», всё же тут речь о микроамперах:


(Если что, мелкие волосики на фото – следы от попыток протереть плату нетканым материалом и спиртом после пайки.)

И, наконец, установил устройство на финальное место с помощью двухстороннего скотча, после чего подключил к термометру вместо батарейки:


Больше никаких дополнительных действий не понадобилось, термометр заработал как положено. Изменения в показаниях термометра за счет нестабильного питания если и произошли, то незначительные, на практике незаметные.

Подводя итоги, можно сказать, что результатом я очень доволен. Мне удалось на дискретных компонентах создать схему, которая не только полностью соответствует исходным требованиям, но и местами их превышает. А это означает, что схема сможет работать в реальном устройстве и приносить пользу. В процессе работы над схемой я также получил положительные эмоции, вспомнив то время, когда потребность в самодельных устройствах еще была актуальной.

К основному недостатку схемы можно отнести низкий КПД, однако, здесь есть куда двигаться в случае возникновения необходимости его улучшить.

На этом у меня всё, берегите себя и природу.