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RTCのバッテリーバックアップ回路

 マイコン工作で正確な時刻が必要な時に、リアルタイムクロック(RTC)は欠かせません。メイン電源が落ちていても時計を動かし続けるために、RTCの電源は電池でバックアップしますが、この回路の部品の選定について、電気の迷宮のFriendship 7さんが、バッテリーバックアップ回路のDiとRを厳密に選定というタイトルで詳しい解説記事を書かれています。

▼バッテリーバックアップに使うコイン電池とダイオード
コイン電池とダイオード
(この写真の電池はCR2025ですが、記事で使った電池はCR2032です)

 バッテリーバックアップ回路は、ダイオードで主電源と電池を切り替える方法が簡単です。これまで私はあまり深く考えないでショットキーバリアダイオード(SBD)を使っていましたが、Friendship 7さんの記事によると小信号用のスイッチングダイオードの方が良いそうです。

 実は2ケ月前にソーラータイマースイッチを作ったのですが、その時はSBDを使いました。良い機会なので、そのハードを使ってダイオードの違いで電池の充放電電流がどのように変わるか実測で確認することにしました。

◆測定準備
 測定する電流は10nAオーダーと微小です。テスターのテスト棒を手に持ってプロービングなどすると人体からの誘導などの影響でまともに測ることは出来ない可能性が高いです。とは言っても回路を切断して測定用の線を引っ張り出すのは面倒です。ということで、測定用に簡単な冶具を作りました。

▼電池電流測定アダプタ
電池電流測定アダプタ
 PETのシートの裏表に銅箔テープを貼り、そこに測定用のツイストペア線を接続しました。

▼使い方
電池に流れる電流測定
 電池ホルダーに入っている電池の上に測定アダプタを差し込んで電池電流を測ります。

▼電流計
バックアップ電流測定
 DMM(アドバンテスト TR6846)の電流レンジで測定しました。この写真は0.24μA(240nA)を表示中。このレベルの電流では配線を少し触っただけで値が変わるので、電流計のゼロ調(NULLセット)を頻繁に行う必要があります。なお、この写真の状態が最高感度で分解能は0.01μAですが、もうちょっと分解能の高い測定器が欲しいところです。

▼測定回路
RTCのバッテリーバックアップ回路図
 RTC-8564NBのバッテリーバックアップ関係の部分を切り出した回路図です。

◆測定結果
1) D1,D2にショットキーバリアダイオード(BAT43)を使った場合
 ・電源ON 時: Vcpu=5.19V, Vrtc=5.10V, Vbat=3.24V, iBat= -60nA
 ・電源OFF時: Vcpu=0.41V, Vrtc=3.16V, Vbat=3.25V, iBat= 240nA

2) D1,D2にスイッチングダイオード(1S4148)を使った場合
 ・電源ON 時: Vcpu=5.19V, Vrtc=4.95V, Vbat=3.25V, iBat= -10~0nA(ほぼゼロ)
 ・電源OFF時: Vcpu=0.40V, Vrtc=3.01V, Vbat=3.25V, iBat= 210nA

◆考察
・電池寿命
 電源OFF時の電池からの流れ出し電流は、BAT43を使った場合のiBat=240nAに対し1S4148を使った場合はiBat=210nAと30nA減っています。これはスイッチングダイオードにすることで、D1のリーク電流が減ったためだと思われます。なお、リーク電流が減ればその分だけ電池寿命が延びます。
 ちなみに、CR2032の容量が220mAhあるとして、BAT43を使った場合の電池寿命は 220/0.00024 = 917000h = 104年 で、全然余裕です。

・電池の充電電流
 電源ON時のiBatはBAT43を使った場合は-60nA(マイナスなので充電)です。これはSBDの逆リーク電流が大きいために電池が充電されていることになります。

 実はこうなるのは予想していて、充電されれば電池の消耗分の補給になるのでかえって好都合ではないかと思っていました。ところが、電池の充電量はライフを通じて電池の電力量の2%以内(1%、3%というSpec.もある)に抑えないといけないというスペックがあることを見逃していました。このルールを適用すると安全な期間は、(220 * 0.02)/0.00006 = 73333h = 8.4年となります。まあOKなんでしょうが、ちょっとマージンが足らない感じです。
 これが1S4148を使った場合は 充電電流は5nA程度なので、安全期間は10倍以上に伸びて全く問題無い領域になります。

・Vcpu と Vrtcの電位差
 実はこれが一番気になっていました、回路図のD1の部分です。このようにダイオードを一つ入れると普通は電圧が0.6V下がると考えます。つまりVrtc はVcpu より0.6V下がります。

 データーシートによるとRTCの入力信号(SCLやSDA)レベルはRTCの電源電圧 +0.5V までしか許容されません。ところが、CPUの電源電圧は0.6V高いのでハイレベルの信号は許容範囲を0.1V上回ることになります。たった0.1Vですが、絶対最大定格なのでちょっとでも上回ることは許されません。
 そんなことを考えて、私はD1に電圧降下が0.3Vで済むショットキーバリアダイオード使っていました。

 今回の測定結果を見ると、VcpuとVrtcの差は予想よりずっと小さくて、1S4148を使った時に0.24Vしかありません(BAT43の場合は0.09V)。これは電流が極めて少ないので、ダイオードの電圧降下も小さくて済んでいるということだと思います。これなら+0.5Vというスペックの範囲内なので安全です。

◆結論
・RTC-8564NBのバッテリーバックアップ回路に使うダイオードは、シリコンのスイッチングダイオードを使うのが正解です。SBDよりスイッチングダイオードの方が値段が安いのでSBDを使う理由は無いでしょう。

・もっと新しい設計のRTCはたぶん消費電流がもっと減っているでしょうから、この結論はたぶん変わらない気がします。

・D2がショートした場合の電池への充電電流を制限するために、抵抗を入れた方が良いそうです。アマチュアの工作なら省略してもかまわない気がしますが、判断はおまかせします。

 最後に、この件について詳しい解説記事を書いた下さった Frendship 7 さんに感謝します。とても勉強になりました。

100円ショップのバッテリーチェッカーをデジタル表示に改造

 前回の記事の続きです。100円ショップの電池チェッカーをエアーバリアブルさんの記事の真似をしてデジタル表示に改造しました。なお、今回の記事はほとんどパクリで私のオリジナリティはほとんどありません。というこで、改造事例の一つという感じで見て頂ければと思います。また、そういうことなので回路図は掲載しません。

 先に、改造後のチェッカーを使っている時の写真です。

▼完成したデジタル電池チェッカー
デジタル電池チェッカー
 オリジナルはアナログメーターですが、デジタル電圧計と交換しました。電池電圧は 1.46V と表示しています。

▼デジタル電圧計
3線式に改造
 これは、以前買っておいた秋月の、小型2線式LEDデジタル電圧計です。他にもっと安くて小型の物があるので、お好みで選べば良いと思います。

 そのままでは2線式になっていて、3V以下の電圧は測定出来ないので電池チェッカーには使えません。そこで電源と電圧測定端子を分離して3線式に改造します。

▼電圧測定精度確認
電圧精度ををチェック
 3線式でちゃんと動くかどうか確認しているところです。ここで念のために電圧測定精度をチェックしておき、もし狂っていたら半固定抵抗を廻して調整します。

▼主要部品
パーツ準部完了
 電圧計の電源はDCDCコンバーターで昇圧して作りますが、ここは定番の HT7750A を使いました。HT7750A や HT7733A は電子工作する人の常備薬みたいな物なので、常にストックしておくと安心です。

▼配線完了
DCDCコンバーターを配線
 DCDCコンバーターの回路はデーターシート通りです。なお、コイルは100μHを使用。入口側のコンデンサは10μFのタンタルを使用。出力側コンデンサは最初は10μFの積セラだけを使いましたが、電圧が不安定になることがあったので100μFの電解コンデンサをパラに追加しています。電圧計はLEDをダイナミック点灯させているために消費電流の変化が激しく、制御系との関係で発振気味になっていたようです。

▼組立中
スモークアクリル板をベースに組立て
 厚さ2mmのスモークのアクリル板をベースに使って部品を取り付けます。なお、LED電圧計はホットボンドで取り付けました。またスモークアクリル板は両面テープでケースに貼り付けました。
 なお、エアーバリアブルさんの記事ではスモークアクリル板の替わりに、元のアナログメーターの前面部分のプラスチックパーツを流用されています。

▼組み込み完了
電池チェッカー配線完了
 配線完了、部品の接着固定完了です。

▼裏蓋を閉じて完成
裏面にキャリブレーション用の穴
 裏蓋に感度調整用の半固定抵抗を廻せるように、穴を開けておきます。裏蓋は特に接着しなくても脱落しないので、そのままで使っています。なので、穴は開けなくてもよかったです。

▼表側
完成
 スモークアクリルなので、黒い窓があるだけでなかなかクールな外観です。電池のチェックをすると最初の写真のように、電圧を表示します。

▼電池電圧と負荷電流の関係
Battery Voltage VS Current

 電池電圧とチェック時に流れる電池電流の関係が上のグラフです。電池電圧が1.3Vで電流は一番多くて約120mA流れ、電圧がそれ以上でも以下でも電流は減っています。テスターなどと比べて測定電流が大きいので、この点は意識して使わないといけません。なお、電池電圧測定範囲の下限は0.75Vでした。

 1.3V以上の領域は、DCDCコンバーターの出力電圧が既定の5Vの定電圧になっている状態です。1.3V以下では出力が5Vを維持出来なくなり、その結果電流も減っているのだと思います。なお、この領域(1.3V以下の領域)でも電圧計に内蔵されているシリーズレギュレーターが働くので影響はほとんど無いようです。

 今回使った電圧計は消費電流が30mAと大きいので、こういう特性になったものと思われます。消費電流が10mA程度の電圧計ならもっと電池電流は少なくなったはずです。

◆まとめ
 なかなか使い勝手の良いバッテリーチェッカーが出来ました。電子工作好きならバッテリーの状態は〇△×とかでは無く、電圧の値で知りたいですよね。

 最後になりますが、このすばらしいアイディアを考え出したエアーバリアブルさんにあらためて感謝します。

久しぶりに秋葉原に買い物

 いろいろと買いたいパーツがあるので、久しぶりに秋葉原に出かけてみました。電車賃を考えるとネット通販で買う方が安いのですが、たまには秋葉原を歩いてみたくなります。

 今回は御徒町方面から歩いてまずは Aitendo へ。

▼Aitendo の 1F
Aitendo キット店
 1Fにキットショップが出来たらしいということは知ってたのですが、実際に見たのは初めてです。いつも反対の秋葉原側から来るのでビルのこちら側を見たことがありませんでした。

 中に入ってみましたが、とりあえず買いたい物は無し。いや、買いたい物は沢山あるけど財布が許しません。それより道路の反対側にすごい店がありました。

▼シュミット
シュミット
 Aitendo 1Fのキット店の反対側に天体望遠鏡の店があるじゃありませんか!これは知らなかったです。シュミットという名前の店なので、シュミットカメラやシュミカセの専門店か、と思ったのですが、天体望遠鏡とバードウォッチング機材の店だそうです。なお、趣味人と書いてシュミットと読むそうです。漢字の読み方はともかく、この店の名前はシュミットカメラの発明者のシュミットさんにちなんだものなんだと思いますが、違うかな。
 シュッミットの店舗のURL

 中に入ると大口径の天体望遠鏡や双眼鏡それにがっしりとした赤道儀などがいっぱい置いてありました。ラプトル50しか持ってない私にとって、このお店は極めて危険な場所です。ということで早々に外に出て Aitendo の 3F を目指します。

▼Aitendoの入口
aitendo入口
 いつもはここからから入っているので、キットの店がその先にあるのに気付きませんでした。看板をよく見ると、1F KIT STUDIOはこっちと矢印が書いてありました。

▼Aitendoでこまごました物を購入
aitendoで買い物
 よく使う値の抵抗で足りないのをまとめ買い。あと、USBシリアルアダプタなどを購入。またこの写真に写っていませんが、下の写真のUSB-9V電源ケーブルも購入。

▼USB-9V電源アダプタケーブル
USB-DC9V電源ケーブル
 下側の黒いケーブルが今回買ったやつで、昇圧機能内蔵変換ケーブル [CB-UJ912] です。

 このケーブルにはUSBから9VへのDCDCコンバーターが入っていて、最近Kitを組み立てたミニオシロ(DSO-Shell)の電源として使う予定です。ちなみに、このケーブルの情報はnekosanさんのブログで紹介されていて、こりゃー良いと思っていた物です。
 写真の上側の白いケーブルがこれまで使っていたコンバーターケーブルですが、Aitendoのケーブルはコンパクトだし中間に余分な箱が付いていないので使い易いです。ちなみに電子負荷を使ってちょっと負荷テストをやってみると、仕様通り9Vで0.5Aの出力が出ました。というか、ヤワなUSB電源だと、USB側が先にシャットダウンされます。ともかくこれくらいの容量ならミニオシロを使うには充分です。

 この後は秋月へ行ってあれこれ購入。秋月の店内の奥のど真ん中に商品テーブルが置かれていてメチャメチャ邪魔なのは何とかならないものでしょうか。

 で、今回秋月で買った部品の中で目玉は、

▼ESP-WROOM-32
ESP-32

ESP-32
 美味しそうなので、旬のうちに料理できるといいのですが。

 秋月の後は、千石やらあきばおーなどをちょっと覗いた後で、ラジオデパートとラジオセンター内をぐるっと回って様子を確認してから帰路へ。

 いやー久しぶりに秋葉原に行くと楽しいです、それに運動にもなります。でもとても寒い日で、雪がちょっと舞ってました。
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