ШИМ: LED к МК без резистора

[Seance]

Есть устройство на Arduino Pro Mini с радиомодулем NRF24, питается от батарейки и работает индикатором - зажигает несколько светодиодов в зависимости от полученного по NRF24 статуса.

Красные светодиоды c Vf 1.8 В висят напрямую на ногах и ток в 20 мА ограничивается резисторами. При питании в 5 Вольт большая часть мощности рассеивается именно на резисторах. На фоне потребления светодиодов/резисторов, потреблением МК/радиомодуля без них можно пренебречь, а хотелось бы повысить автономность устройства.

Возникла идея заменить резисторы на ШИМ в связке с индуктором и конденсатором. Подобрать скважность таким образом, чтобы усредненный индуктором ток как раз соответствовал нужному для светодиода.
С библиотекой FastPWM можно получить частоту ШИМ хоть в сотни килогерц, здесь ограничений нет, разрешение скважности 8 бит.

Напрямую с ноги питать уже не выйдет, ибо я так понимаю что импульсный ток будет большой, но поставить logic-level MOSFET тоже не проблема.

Как рассчитать нужную индуктивность и емкость при заданной частоте и рабочая ли это вообще идея?

[Seance]

Будет работать?

[Martian]

теоретически будет, но вот будет ли КПД такого решения выше - это вопрос... возможно, экономичней слать импульсы сразу на светодиод, если быстродействие порта позволит сделать импульс такой длительности, что ток не успеет вырасти сверх критичного значения. Если светодиод индикаторный и его свечение при токе 1...2 мА удовлетворяет, то можно поставить резистор из расчета ограничения до 20 мА или менее, для безопасности порта и/или светодиода, если вдруг перестанут идти импульсы в неудачном варианте, и длительность импульсов подобрать для тока 1..2 мА на светодиоде.

[Seance]

Симулятор при 50 кГц заполнением 30%, 330 мкГн с катушкой 2 Ом(такой индуктор есть в реале в наличии), 10 мкФ дает 5 мА на светодиоде и показывает КПД около 90%, что значительно лучше резистора.
В реале же надо обеспечить правильную раскачку MOSFET-а, иначе все потери будут на нем. Частоту снижать можно, но тогда импульсный ток растет до нездоровых значений и дополнительно растут потери на конденсаторе. Если выйдет хотя бы 60% в реале это все равно лучше резистора.

И еще момент что с такой индкутивностью при включении выброс может дать двухкратный ток на светодиоде, но даже если рассчитывать скважность на рабочий ток 10 мА безопасный запас все равно есть.

[Рязанцев Владислав]

Переводите схему на 3.3В, будет вам экономия.

[Seance]

Для 3.3 надо городить SEPIC.
Индуктивный выброс, кстати, 2.2 кОм параллельно светодиоду гасит в половину. Можно теперь держать светодиод на 15 мА и не превышать 20 мА при включении.

[Рязанцев Владислав]

[uquote="Seance",url="/forum/viewtopic.php?p=4144775#p4144775"]Для 3.3 надо городить SEPIC.[/uquote]
Зачем это? Питание от чего? Литий ион? Так там ниже 3.4-3.5 вредно разряжать. Вот обычная понижайка и справится.

[Seance]

Литий, да.

NRF24 требует очень чистого питания и заводится этот радиомодуль напрямую от не каждого Buck-а. Тогда как дешевый Boost на 5 В и после него копеечный AMS 1117-3.3 гарантируют стабильную работу 24/7.

У меня более наркоманская идея: модулировать MOSFET-ом ток на светодиод через индуктор напрямую от батарейки. Разницу в яркости компенсировать заполнением в зависимости от напряжения. Мониторинг напряжения чтобы показывать низкий заряд уже и так реализован, так что сколько на батарейке примерно, насколько это точно позволяет встроенный опорный источник Atmega, я и так знаю.

[Martian]

Странный способ питания. Для получения 3.3 вовсе не 3.8 минимум, уже давно существуют UltraLowDrop, например ldk120 от ST: https://www.st.com/content/st_com/en/pr ... dk120.html

В случае необходимости обеспечения максимальной длительности работы (с игнорированием минимального порога разряда, например) можно глянуть в сторону TLV61220

[AlexS4]

>У меня более наркоманская идея
Seance, ничего необычного, я удивился что это не первоначальная идея
диод навстречу и параллельно светодиоду, низковольтный шоттки чтоб ни 1 лишний uW врагам , конденсатор в утиль, gpio в двухтактный режим, конечно никаких D со стороны gpio, есличто они уже есть внутри mpu

ps если перевернуть в этой схеме LED и D то получится засвечивать LED c Vfw>Vcc, на самоиндукции, в момент перехода gpio в L.

[Рязанцев Владислав]

[uquote="Seance",url="/forum/viewtopic.php?p=4144780#p4144780"]Тогда как дешевый Boost на 5 В и после него копеечный AMS 1117-3.3 гарантируют стабильную работу 24/7.[/uquote]
Вам нужно не на резистор светодиода ругаться, а посчитать сколько вы на линейной стабилизации теряете, плюс повышайка ваша. И того куча энергии в тепло.

Используйте понижайку до 3.3 и все. И да большой-большой секрет насчет чистоты питания- повесьте емкости тыщу-две микрофарад, ну дроссель еще можно, но не нужно. 10 штучек по 100мкФ в корпусе 1206 ну совсем не много места занимают на плате(дешман вариант), ну или тантал один два(можно дернуть со старой серверной материнки).

[>TEHb<]

Схема с дросселем будет работать. Диод лишний, нижний транзистор выходного каскада порта сработает как обводной. Конденсатор тоже лучше убрать: с ним есть шанс испортить ножку при выключении диода.

[Seance]

Если все же оставить питание от порта(тогда действительно с двухтактным выходом диод не нужен), то пиковый импульсный ток, который будет гораздо выше дозволенных 40 мА этот самый порт не убьет? У меня смутные сомнения.
И еще - без конденсатора номинал индуктивности должен обеспечивать неразрывность тока через светодиод, или нет? Светодиод от таких пульсаций тоже не загнется?

[AlexS4]

Seance, не убьет, более того длительностью импульсов этот ток можно сделать любым, если верхнее (слабое) плече использовать для создания тока через индуктор (засаживать индуктор через D на землю и ловить самоиндукцию на LED анодом к земле) то имхо совершенно безопасно для стандартных avr gpio при любых длительностях импульсов, проблема может быть только по питанию при множестве таких выходов.

[>TEHb<]

неразрывность тока через светодиод, или нет?

Да, действительно, тут есть шанс выстрелить себе в ногу. В идеальной такой схеме неразрывность тока в дросселе приведёт к тому, что каскад будет представлять из себя, грубо говоря, источник напряжения, где выходное напряжение будет Uпит * коэффициент заполнения. Потому для диода с условным падением 1,8 вольт можно обеспечить "гарантированное желаемое" падение в 1,6 вольт (запас) и получим Кзап= 1,6/5= 32% . Ну и да, в пике превышать номинальный ток порта всё-таки нежелательно.

[VNS]

Менять резистор на кучу деталей это зачем? Чтобы ухудшить надёжность устройства? Или просто хочется выдумать себе проблему которую необходимо героически преодолеть? Странно как-то это выглядит с моей стороны.

[AlexS4]

VNS, "целая куча" это 1 индуктор и 1 диод. и это позволяет зажигать белые и синие светодиоды при напряжении питания напр 2.7V(литий) или 1.8V(1s свинец или 2s кадмий), что с резистором невозможно. и иногда потребление микроваттное и мощщ на светодиод относительно него просто гигантская.

[mickbell]

Диод? Так СД сам себе диод. Воткнуть его вместо диода, а дроссель другим концом на общий (в показанном варианте схемы). Другой вариант: коммутировать дроссель и СД на общий, тогда анод СД к дросселю, а катод и другой вывод дросселя на плюс. Надо только как-то контролировать ток накачки дросселя. По времени - это как-то не очень надёжно. Сразу скажу, я такого не делал.

[AlexS4]

mickbell, gpio не делают с открытыми стоками, там двухтактные выходы (полумост n-fet + p-fet). канальные диоды выходного полумоста не позволят на таком выходе получить самоиндукцию за пределы питания mcu +0.5..0.7V. чтобы это обойти нужен еще 1 диод. если же самоиндукция не используется то нужно защитить LED от обратного напряжения, посему и в этом случае нужен диод, можно еще 1 led.

[mickbell]

[uquote="AlexS4",url="/forum/viewtopic.php?p=4151744#p4151744"]mickbell, gpio не делают с открытыми стоками[/uquote]Можно ключик поставить, что-то типа BSS131. Ещё одна деталька будет.