PICの電源電圧低下でLED点灯

PICなどのマイコンを乾電池で動作させる場合、電池電圧を安定化させずそのままマイコンの電源として利用することがしばしばあります。こういったときマイコンに電源電圧の監視をさせたいならば、基準電圧源を用意しなければなりません。
この基準電圧源としてLEDの順方向電圧VFはそこそこの定電圧特性を持っており、電源電圧低下のインジケータの役目も兼ねられるので部品点数の削減にもつながります。

今回のエントリではLTspiceなどを用いて、この方法について検証しました。

001_20110127235631.png 002_20110127235630.png 003_20110127235630.png 004_20110127235630.png


2ちゃんねるPIC専用のスレ Part31


PIC専用のスレ Part31の>>658-677あたりの書き込み。

658 名前:774ワット発電中さん[sage] 投稿日:2011/01/24(月) 23:04:02 ID:Nx6qLASu

教えてください。

AD内蔵の8ピンのPICで、電源電圧低下したらLEDを点滅させる回路が作りたいです。
そこで質問ですが、
ADコンバータのVrefを内蔵したものはありますか?
つまり、電源電圧が変化しても(低下しても)
ADの変換値が「あんまり」変わらないようにしたいのです。
BrownOutでは、2Vの固定値になってしまうので、ADで電源の電圧低下を知りたいのです。
今は12F683を使おうと思っています。
よろしくお願いします。


667 名前:774ワット発電中さん[sage] 投稿日:2011/01/25(火) 02:45:57 ID:DxrlNeq9
>>658 >>665
LEDのVFそのものをリファレンスにするというのはどうだろう。

以下、思いつく限りでもいろいろ問題はあるけど・・・
・I/Oの節約が主目的なら駄目かもとか。
・A/Dするときはパルス的に点灯させなきゃいけないとか。
・パラメータは実測から決めないといけないかもとか。
・経年変化とか。


そこで、このアルゴリズムの部分だけをLTspiceでアナログ回路としてシミュレーションしてみました。

アナログ回路による表現


1.5Vの乾電池を2本直列で電源電圧とするという前提で、電源電圧が2.2Vを切ったら出力がHになるコンパレータ回路としてシミュレーションを行いました。
赤色LEDのモデルとして、順方向電圧VFがおよそ1.7V程度になるQTLP690Cのモデルを採用しました。


001_20110127235631.png

002_20110127235630.png

fig.1-2: アナログ回路による実装のシミュレーション


より正確にやるにはTL431等の基準電圧源を用意するところですが、部品点数が増えるという欠点があります。
電池の交換時期が分かる程度でいいので基準電圧源が正確でなくてもかまわないという考えから行くと、LED以外も電源電圧との比較対照として利用できそうです。
つまるところ、電流と電圧の関係が比例で無い(非オーミックな)素子で、その特性が既知のものであれば何であっても利用できるはずです。

ソフト上での実装


669 名前:774ワット発電中さん[sage] 投稿日:2011/01/25(火) 02:47:57 ID:DxrlNeq9 [2/3]
電源電圧をリファレンスにLEDのVFを測定の方がいいか・・・


実際にマイコンのソフトウエアで実装する場合は、電源電圧をA/D変換の基準電圧とし、LEDの順電圧VFを測定する方が好都合でしょう。


003_20110127235630.png
fig.3: 実装する場合のマイコン回路


LEDの順電圧VF=1.7Vで、一定と仮定すると、10ビットA/Dコンバータの変換値は以下のように求まります。

AD value = (1.7/VCC) * 1023


004_20110127235630.png
fig.4: 電源電圧の変化に対するA/D変換値の変化


fig.2とfig.4を比較すると、大雑把に見ると、ちょうど色の関係が反対になっているように見えます。
どちらも赤のラインがLEDのVFに対応していて、緑のラインが監視対象の電源電圧に対応しています。fig.2では、定電圧特性に近いLEDのVFに対してマイコンの電源電圧が変化しているように見えています。一方で、fig.4では変化している電源電圧を基準に、変化の小さいVFをプロットしているため、相対的にA/D変換値が変わっていっているように見えています。

673 名前:774ワット発電中さん[sage] 投稿日:2011/01/25(火) 09:15:36 ID:QD/J+SZB
俺は電源電圧をリファレンスにして、ダイオードのVFを測定して判定ってよくやるよ。
線形じゃないし、温特もあるから精度は出ないけど、電池残量の目安には十分。


674 名前:774ワット発電中さん[sage] 投稿日:2011/01/25(火) 11:54:33 ID:cHdjpw7o [3/4]
>>673
なぜ
Vrefピン==測定電圧  A/D入力ピン==一定電圧(LEDのVf)
なのでしょうか?

Vrefピン==一定電圧(LEDのVf)  A/D入力ピン==測定電圧
のような気がしますが。


675 名前:774ワット発電中さん[sage] 投稿日:2011/01/25(火) 12:24:41 ID:xgQnDYa7
横から失礼
>>674
PIC12F675のVrefは最低2.0V、10ビットの精度を確保するには最低2.5V
まして、VrefがAD変換の最高値になるのでそれより高い電圧は変換できない



関連エントリ




参考URL




付録


このエントリで使用したLTspiceのシミュレーション用ファイルを添付します。ファイル名末尾の".txt"を削除して、"_"を"."に変更すれば使えるはずです。(参考:ねがてぃぶろぐの付録)


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tag: LTspice LED PIC 

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定電圧源は、インジケータ?

最初の提案から、インジケータに使われる LED の Vf を定電圧源に使用するのかと思っていたのですが、そうはいかなかったのですね。考えてみれば、

電源電圧が十分に高い→ LED が消灯している→ Vf が発生していない→定電圧源にはならない

ということで、少々無理がありそうです。
そこで、電源電圧が十分に高い時は、 LED が点灯しているように見えない程度の電流で駆動してやれば、 Vf が発生するので、定電圧源に使えそうです。さて、実現できるかな。

Re: 定電圧源は、インジケータ?

のりたんさん、こんにちは。

> 最初の提案から、インジケータに使われる LED の Vf を定電圧源に使用するのかと思っていたのですが、そうはいかなかったのですね。

や、や、インジケータに使っているLEDのVFを定電圧源に使用しようという考えで、間違いありません。

マイコンで利用するので、A/D変換するタイミングにごく短時間、パルス状に点灯させるだけで大丈夫だと考えています。消費電力が低い回路ならチェックの周期も長くすることができるでしょうし、そんなに気にならないのではないかと。

電池切れした時は、チェック時よりもわかりやすい点灯パターンにすればいいでしょう。連続点灯は・・・電力がもったいないにせよ、点滅周期を短くするとか、Duty比を上げるとか。

のりたんさんのおっしゃる通り、連続点灯させたうえで電流値を変えるのも可能だと思いますが、マイコンでやるならパルス点灯するほうが簡単かと思います。
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