Форум РадиоКот

Мозги без тренировки ржавеют, поэтому когда задумал очередной часовой проект на кмоп логике, озадачил их снижением энергопотребления.
Изобретённые в процессе велосипеды выглядят интересно, поэтому решил поделиться с общественностью.

КМОП обладает практически нулевым статическим потреблением и основной расход энергии в типичной схеме часов приходится на кварцевый генератор и первые ступени деления.
Обычно в качестве источника (полу)секундрых импульсов применяется cd4060 или её аналог, Что-то вроде такого:


Схема прекрасно работает и повторена тысячи раз, но использует первый инвертор микросхемы как усилитель для генератора Пирса. Оба транзистора комплиментарной пары инвертора открыты при входном напряжении около половины питания, что в моменте вызывает значительный сквозной ток до нескольких миллиампер.
В моих экспериментах эта схема потребляла около 120 мкА.

Лучших результатов можно достичь, сделав генератор отдельным и оставив кмоп логику только в качестве делителя частоты. Правда, сделать экономичный генератор с хорошими фронтами и амплитудой сложнее, чем кажется.

Первое, что попробовал - схема из вот этого патента:


Потребление пары генератор+делитель получилось 55 мкА. Уже сильно лучше, но до заявленных в патенте единиц микроампер всё равно далеко.
Осциллограф показал, что тому виной довольно пологие фронты, порядка 5мкс.
Пологие они из-за эффекта Миллера и паразитных емкостей база-коллектор. При изменении напряжения на коллекторе эти емкости разряжаются на базу, создавая паразитный ток, направленный против основного и пропорциональный скорости изменения напряжения на коллекторе.
Этот же эффект приводит к увеличению емкостной нагрузки на кварц, из-за чего в оригинальной схеме последовательно с ним пришлось ставить конденсатор.

Классический способ борьбы с эффектом Миллера - каскодная схема включения транзисторов. Модифицировал схему следующим образом:

Фронты сократились до 0.5мкс, общее потребление до 22 мкА.
Существенно уменьшилась емкостная нагрузка на выходе кварца и время запуска стало заметно лучше (сократилось с 1-2с до 0.3-0.5с), что позволило отказаться от одного из резисторов, последовательного конденсатора и уменьшить емкость входного.

Тут уже стало понятно, что дальнейшего улучшения качества сигнала на выходе не получить без добавления положительной обратной связи в какой-то форме. Проще всего оказалось сделать так:

В процессе запуска до достижения амплитуды на выходе 0.6в схема работает как оригинальная. При большей амплитуде Q9 и Q10 открываются, разряжая нагрузочный конденсатор C11 на базы Q7/Q8, приводя к лавинообразоному открытию транзисторов и отличной крутизне фронтов. Разрешения китайского цифрового осциллографа не хватает для измерений фротнта, полагаю около единиц или десятков нс.
Выходной сигнал можно брать с двух точек : out1 (больше размах, но хуже форма сигнала, положительная обратная связь включается только когда здесь напряжение достигнет 1.6в) и out2 (амплитуда меньше, форма лучше).
Во втором случае входная емкость делителя тоже работает как часть нагрузки и позволяет уменьшить емкость C11.
Оптимальная емкость С11 зависит от паразитных емкостей транзисторов и схемы в целом: недостаточная емкость конденсатора не даст лавинообразного открытия и хороших фронтов, на перезарядку слишком большой будет бесполезно тратиться энергия. В моих экспериментах 22пф было достаточно для работы без нагрузки.

Общее потребление c делителем получилось 15мкА при использовании out2, из них на генератор приходится чуть больше половины.

Недостатком такой схемы с обратной связью является увеличение входной емкости (т.к. все 4 коллекторных перехода подключены ко входу). Для стабильной работы пришлось уменьшить сопротивление R7 до 330к и всё равно время старта может доходить до 2-3 секунд.

Во всех экспериментах питание 5в, транзисторы BC550/560.
В качестве делителя использовал cd4020. cd4060 тоже работает, но потребляет чуть больше из-за большего количества паразитных емкостей на входе до делителей.

Как улучшить схему дальше без сильного усложнения, я придумать уже не смог. Только если уходить с транзисторов на экономичные ОУ/компараторы или специализированные микросхемы, но это уже неспортивно как-то Мысли и идей приветствуются.

Десятки МОм в цепях базы обычных биполярников? Ой опасненько как!.. Вы пробовали собирать это живьём, или только в модели? А погреть пробовали, градусов хотя бы до 50?

Вот чего у некоторых форумов не отнять, так это тёплой доброжелательной атмосферы
Погрел конструкцию феном. Работает

Для кварцев есть понятие энергия, т.к. они механические устройства. А значит, при завышенной величине (напряжения AC на нём) кварц начнет портится. Конкретных значений для 32к кварцев я не знаю, но по аналогии с "ВЧ" кварцами они наверняка есть разной "чувствительности".
Данная схема ориентирована на микромощный режим и вообще-то не должна портить кварцы. Но ... (на подумать).
Что можно сделать - питание генератора не обязательно должно быть 5В, можно сделать и меньше. Лишь бы потом было удобно перегонять в меандр. Меньше напряжение генерации - меньше потери.

Ок. 4 года назад експ. с QN8035/75 (ЧМ-приемник). Есть генератор 32768 Hz. Кварц. Pierce осцилятор. Было достаточно, чтобы был очень маломощным.
Работает отлично, потребление тока должно быть очень низким (R4 = 1 MОм). Генератор запускается медленно (на включение уходит секунд-две).

Кварц цилиндрически, 32768 Hz: tuning fork crystal, XY-срез

u37 писал(а): Чт сен 17, 2026 19:01:29 Для кварцев есть понятие энергия, т.к. они механические устройства. А значит, при завышенной величине (напряжения AC на нём) кварц начнет портится. Конкретных значений для 32к кварцев я не знаю, но по аналогии с "ВЧ" кварцами они наверняка есть разной "чувствительности".

Про это тоже думал. Большинство производителей часовых кварцев указывает 1 мкВт как макс. допустимое значение, но в реальности его сложно померить доступным оборудованием. Можно косвенно рассчитать через ток и ESR, а ток найти через напряжение и нагрузочные емкости. Не знаю, насколько оно корректно получается. Для себя пришёл к выводу, что пока кварц работает с расчетной нагрузкой (проверяется частотомером) и напряжение не превышает нескольких вольт, проблем быть не должно.

veso74 писал(а): Чт сен 17, 2026 19:51:59 Ок. 4 года назад експ. с QN8035/75 (ЧМ-приемник). Есть генератор 32768 Hz. Кварц. Pierce осцилятор. Было достаточно, чтобы был очень маломощным.
Работает отлично, потребление тока должно быть очень низким (R4 = 1 MОм). Генератор запускается медленно (на включение уходит секунд-две).

Тоже смотрел в сторону таких схем. Они сами по себе экономичные, но на выходе синусоида с небольшой амплитудой. Сделать из неё меандр, не сильно просадив общее потребление, сложнее чем кажется.

Создайте на входе делитель напряжения из двух резисторов с высоким сопротивлением (x МОм?)и подайте сигнал генератора через конденсатор. Работает, по крайней мере, для микроконтроллера. Подаем половинное напряжение и используем уровни лог. 0/1.

Какова цель за снижение энергопотребления?

По поводу мощности, задал этот вопрос иишнице, говорит - есть кварци и 0.1 мВт. Просил расчитать напряжение, оно выдало 0.5В для 1 мВт. Для 0.1 мВт считать как-то не стал.
То, что иишница всегда врет - это понятно, но всегда есть "но" и повод задуматься.
Один аргумент можно? Есть контроллеры сетевых 220в вентиляторов, они чаще всего работают как раз от часового кварца. Так вот - замена сдохшего кварца для них типовая неисправность.

померил потребление китайских настольных часов с термометром и жк экраном - 4мкА. внутри капля, конденсаторы и часовой кварц. питание от двух батареек. лет двадцать уже им, батарейки пару раз менялись.

veso74 писал(а): Чт сен 17, 2026 21:13:33 Создайте на входе делитель напряжения из двух резисторов с высоким сопротивлением (x МОм?)и подайте сигнал генератора через конденсатор. Работает, по крайней мере, для микроконтроллера. Подаем половинное напряжение и используем уровни лог. 0/1.

Логика работать будет, но потребление у делителя будет неприятно большое из-за сквозного тока в комплиментарных парах.

veso74 писал(а): Чт сен 17, 2026 21:13:33 Какова цель за снижение энергопотребления?

Чувство прекрасного и желание использовать ионистор вместо аккумулятора как резервный источник питания.

u37 писал(а): Чт сен 17, 2026 21:55:51 По поводу мощности, задал этот вопрос иишнице, говорит - есть кварци и 0.1 мВт. Просил расчитать напряжение, оно выдало 0.5В для 1 мВт. Для 0.1 мВт считать как-то не стал.
То, что иишница всегда врет - это понятно, но всегда есть "но" и повод задуматься.

Не доверяю я ИИ математике.
Нашёл вот такую методику расчёта
https://www.allaboutcircuits.com/techni ... z-crystal/
Если предположить ESR = 40 КОм, получается допустимый ток 5 мкА и достигается он при напряжении на выводах кварца ~ 2.5в (RMS), или около 1.25в на каждом из нагрузочных конденсаторов. Кажется, примерно во всех конструкциях любительских часов получается больше.

Zang писал(а): Пт сен 18, 2026 00:26:04 Чувство прекрасного и желание использовать ионистор вместо аккумулятора

"чувство" - это одно, можно понять....))
а в реальности ничего не мешает поставить Li аккум и держать его под напряжением 4,00 постоянно, лучше ионистора (дома уже 10 лет так работает китай на АТ89С2051, ток 3 мА без сети) ....
в полностью автономных часах ещё можно объяснить потребность борьбы за мкА...
====
какие-то кит часы мерил (настольные светодиодные, мк-контроллер), в которых резерв 3*ААА, так потребление 0,4 мА при погашенном индикаторе без сети...

Zang писал(а): Пт сен 18, 2026 00:26:04 ... Чувство прекрасного и желание использовать ионистор вместо аккумулятора как резервный источник питания ...

Просто измените используемые электронные компоненты (и образ мышления ): используйте готовые, современные.
STM32, питаемый и от VBAT (батарейка). Автоматически переключается и поддерживает генератор (кварц напр. 32768 Hz), есть внутр. часы (время и дата), имеют и калибровку по времени ±ppm, + есть регистров бэкапа ...
---
Практическое измерение тока по VBAT с часов из рабочего стола на модуль STM32F401CCU6: мой старый измерительный прибор на диапазоне 2 mA, при отключенном основном источнике питания (3,3V) от литиевой батарейки CR2032 показывает ток: .000 mA .
---
Если нужно числовое значение тока, из документации (фактическое значение ниже).

Тоже голосую за современные компоненты. Если нужен отдельный кварцевый генератор, то рекомендую модели серии OM-7604-C7. Потребление 0.5 мкА. Сделать такое на дискретных транзисторах нереально. Если будете делать часы на МК, также согласен с veso74, что современные МК имеют микропотребляющий встроенный низкочастотный генератор. При подключении к нему внешнего часового кварца потребление самого генератора будет в пределах 1-2 мкА. Можно также подключить к МК отдельный генератор, рекомендованный выше или другой подобный. Кроме того, современные RTC чипы уже содержат всроенный генератор, делитель, календарь и пр.

Мне очень нравится TG3541.

Про современные модули и контроллеры согласен, на дискретных транзисторах и 4000 логике полувековой давности обогнать их физически не получится. Но так же не интересно