安物のノギスに自動スリープ機能を付ける
◆まえがき
Amazonで買った安物のノギスの電池がすぐに空になるので、外部の単三電池で動かすように改造しました。それをツイッターで紹介すると、単に電源スイッチを付ければ良かったのでは？という指摘をいくつか頂きました。
言われてみると確かにその通りで、重たい電池を背負わせないで済むので使い易いはずです。ただ、新たに電源スイッチを取り付けるためには、ちょっと面倒な工作が必要になります。ということで、既存の電源スイッチ（プッシュスイッチ）で電源を入れ、一定時間経ったら自動的にパワーオフする回路をノギスの中に組み込むことにしました。
◆電源制御の考え方
このようなことをやる場合、MOS FETを電源スイッチとして使うのが一般的ですが、1.5V動作のFETが必要で手持ちがありません。ということで、昔ながらのバイポーラトランジスタを使うことにしました。
以下開発の経緯を順に示します。2回目の試作でやっとうまく行っています。
◆最初に試した回路
前述のようにPNPのトランジスタを電源スイッチとして使い、そのベース電圧をCRタイマーで制御してみました。
・回路図
Powerスイッチはノギスに付いているONスイッチをそのまま使います（要パターンカット）。但し導電ゴム接点のスイッチで接触抵抗が高いので、Q1を使ってC1を放電させる方式にしました。
Powerスイッチを押すとQ1が導通してC1を放電。これでQ2のベースがR3経由でGNDに落ちるのでQ2が導通してノギスに電源が入ります。
C1はR3,R4で徐々に充電されるのでその間はノギスのON状態が続き、C1の電圧が0.9V（1.5 - 0.6V)くらいまで上がるとQ2がOFFになってノギスの電源が切れる、と言う仕掛けです。
・実装
全てチップ部品で作りました、配線はUEWです。
・テスト結果はダメ
動かしてみるとタイマーは正常に動いて自動的に電源が切れるのですが、再度ONにしようとしてもノギスに電源が入りませんでした。
パワーOFFの際に電圧がゆっくり下がるため、ノギスの内部の回路のどこかが変な状態にラッチされてしまうのではないかと思います。10分くらい待ってから電源スイッチを押すと電源が入りますが、それでは使い物になりません。
負荷（ノギス）に並列にダミー抵抗を付けて電圧が下がる速度を上がてやったのですが、33kΩくらいでは効果はありませんでした。もっと重い負荷を付ければ電圧の低下が速くなって対策出来るのかも知れません。でも、その分Q2のベース電流を増やす必要があり、そうなるとタイマーの時定数が短くなって、C1を増やさないと時間が確保出来なくなる。ということになって、あまり筋の良い対策では無い気がします。
・対策案
ツイッターに状況を書くと、時計などの回路で電源OFFした時に回路が変な状態に嵌る現象は良く知られているそうで、対策としてはOFF時に負荷側の電源間をショートさせるのだそうです。そう言えば、電源スイッチに3Pスイッチを使っている回路で、OFF時に負荷側の回路をGNDに落としている物を見たことがあります。たぶん同じ問題を回避するための処置だったのでしょう。
また、対策としては、リセットIC(SII S5470)を使う手、低電圧動作のタイマーICを使う手など対策の提案を頂きました。いずれもCMOSのICなので消費電流は小さくて済みます。
確かにそういうチップを使えばスマートに解決出来そうですが、新たに部品を調達する必要があるのが面倒です。ということで、手持ちの部品だけで何とかするために、以下のような回路を考えてみました。
◆対策回路
LTspiceを使って以下のような回路の検討を行いました。
・回路図
出力スイッチ(Q3)をスパッとOFFにすれば良いので、タイマーの回路との間にQ1,Q2で構成するシュミットトリガ回路を入れました。
消費電流を出来るだけ減らしたいので各部の抵抗値を出来るだけ高くしています。
電池電圧が1.0Vまで下がっても、問題無く動くようにチューニングしています。
・各部波形
各部の波形を示します。一番上のグラフはC1の電圧変化で、シュミットトリガ回路の動作により電圧が引き戻されている様子が見えます。
一番下は各部の電流変化です。シュミットトリガの動作に伴い、R2とR4の電流が反対方向に変化していることが判ります。なお、待機時の消費電流（R3の電流）は0.92μAと非常に小さくなっています。というかそういう状態になるようにチューニングしました。
・実際の回路図
トランジスタはチップトランジスタを使うため、シミュレーションした時の物と変わっています。(2SA1015→2SA1162、2SC1815→2SC2712）
・実装状態
ノギス内部の基板に部品を実装しています。
狭い空きスペースに入れるため、全部チップ部品で作りました。配線はAWG30のUEWです。なお部品を実装する場所の基板面には絶縁用にポリイミドテープを貼り、はんだ付けは実体顕微鏡で見ながら行いました。
・動作確認
安定化電源から電源を供給し、問題無く動くことを確認しました。
自動電源OFFになった後に電源スイッチを押せばすぐに表示を再開して使用可能になります。ということで、対策前の問題が解決されていることが確認出来ました。なお、電源ON後2分50秒で自動的にパワーOFFになりました。
最初の回路では電源電圧が徐々に低下するので液晶表示もゆっくりと薄くなり、最後は点滅を始めてから消灯していましたが、この回路ではスリープに入る直前まで液晶表示の濃さが変わらなくなりました。
・動作時電流
23.8μAです。改造前の回路は20μA程度だったので少し増えています。
・待機時電流
0.86μAでした。シミュレーション結果（0.92μA）とほぼ同じ電流になっていることが確認出来ました。
元の回路では18μA流れていたので、約1/20に消費電流を減らすことが出来ました。
◆まとめ
ノギスに自動パワーOFF回路を追加することが出来ました。待機時の消費電流は0.86μAなので80mAhのボタン電池で10年はスタンバイ状態を維持できるはずです。なお、1日10回使うと仮定すると平均消費電流は1.33μAに増えて電池寿命は6.8年という計算になりますが、まあ私はそんなには使わないと思います。
このような低消費電流の回路はFETで作るのが定石だと思いますが、マイクロアンペア程度ならバイポーラトランジスタでもなんとかなることが判りました。ただ、そうは言っても1.5V駆動のチップFETは手に入れておいた方が何かと便利そうです。
