¿Calculando la caída de voltaje de dos diodos Zener en serie? (conducción inversa)

Como nadie ha abordado tu pregunta básica, intentaré explicarte:

Usted no puede calcular el voltaje a través de un Zener a baja corriente. La tensión inversa es una característica del dispositivo y depende de la construcción / arquitectura.
No he encontrado una referencia mejor que el folleto de Teoría de Zener de OnSemi y debes comenzar leyendo esto

Los zeners vienen típicamente en una de dos arquitecturas distintas, el efecto Zener y el efecto Avalanche. Usted está usando a los zeners en la región del efecto Zener, que se puede caracterizar a corrientes muy bajas y el voltaje a través de ellos variará de manera predecible.

Del documento de OnSemi, aquí hay una gráfica muy pertinente de la característica Vz:

Notequeloszenerspordebajode6VVrtienencurvasVrbastantediferentes.Losqueestánpordebajode6Vtienenunapendientemuygrandey,amedidaquedisminuyelacorrientehaciaellímitedefuga,elvoltajeVrvaría.Lacorrientedefugaesnormalmenteestable(aunatemperaturadada)paravoltajessuperioresa1V.

Ahoraatuespaciodeproblemas,poniendo3Zenersenserie.

LacorrientedefugaparacadaunodelosZenersserádiferente.EldispositivoZeneractúacomounafuentedecorrienteconstanteunavezquetienesuficienteVryhastaquecomienzalatunelización.Lacorrientedefugageneralmenteestaráenelrangode10-200aAyencontraráelmáximoespecificadoenlahojadedatosparaalgunosdispositivos.

Parasusdispositivos( 1N728A y 1N729A ) la corriente de fuga será inferior a 100uA @ 1V y comenzará el efecto Zener entre aproximadamente 1 V y la tensión nominal.

ParasuconfiguraciónUNOdelosZenerstendrálacorrientedefugamásbaja,loquerestringiráalosotrosdospordebajodesucorrientedefuga.Estosignificaqueacorrientesmuybajas(cualquieraqueseaelvalordefuga),elvoltajeentrelosdosZenersserámuchomenorquesuclasificaciónypuedecaerpordebajode1V.

ElprimergolpeenlacarreteraesunATTinyconunacorrientemuchomásbajacuandoestádormido

Ensuconfiguración,elATTiny85consumiráunacorrientemuybajacuandoestéenmododesuspensiónydesde hoja de datos puede ver que cuando está dormido con el temporizador de vigilancia utilizado para la activación, puede esperar menos de 10 uA.

EstacorrientemuybajaparaelATTiny85restringirálacorrienteatravésdelosZenerspordebajodelacorrientedefugadecualquieradeellos.

EstopuedehacerqueelVCCparaATTinyaumenteporencimadelacalificaciónmáximaabsolutade6Vyresulteenunafalladeldispositivo.Ydehecho,yademostróqueelVCCsubea5.1V.

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

Esta baja caída de voltaje en los Zeners explica por qué su circuito funciona hasta 7VDC con la batería, pero no es un buen modo de operación y podría dañar fácilmente la MCU. Mi suposición aquí es que realmente tiene un condensador a través de la MCU que no ha mostrado, y está ejecutando efectivamente el ATTiny cuando se despierta.

Solución viable basada en un regulador

Su mejor apuesta sería invertir en un regulador de serie lineal. Hay muchas variantes disponibles que tienen una corriente de reposo muy baja, como MCP1703 que proporcionaría una sola solución de chip a bajo costo (

Es dudoso que encuentre un regulador de conmutación por el mismo precio y bajo consumo.

Si realmente necesita ahorrar energía, debe usar el regulador de potencia en modo de conmutación. Todo lo demás quemará corriente, con divisores pasivos, estabilizadores paramétricos Zener o reguladores LDO.

Para obtener un diseño óptimo, mi consejo es ir a TI.com , ingrese sus parámetros de diseño (DC 6V-13V Vin, 5V 0.02A fuera), e inicie su WEBBENCH Power Designer gratis. Aquí está la parte superior de sus 162 variantes que cumplen con sus parámetros:

Sinoquieresmetertecon7componenteseinductor,aquíhayundiseñodeunasolapiezausandosumóduloconinductorintegrado:

Pero este último es más caro. Ambos diseños encajarán en el área de 7x7mm.

Es posible que desee considerar alternativas como LTC3642 o ADP2360, solo necesitan un inductor. Estoy seguro de que hay muchas otras opciones dependiendo de la localidad del mercado.

Fundamentalmente, el problema que está teniendo es que tiene un voltaje de entrada que varía en un amplio rango, y su circuito exige una variación de voltaje mucho menor. Los diodos descargan una cantidad fija de voltaje, por lo que ha visto, mientras funcionan bien para reducir su voltaje de entrada máximo a donde quiere que esté, se apagarán cuando caiga su voltaje.

Lo que necesita es un Regulador de voltaje . Un simple regulador lineal debería funcionar bien, dado su bajo consumo de corriente, pero para una máxima eficiencia podría considerar un regulador de voltaje de conmutación.

Esta configuración no ahorra energía y proporciona un voltaje inestable. Incluso podría contribuir a una mayor corriente de reposo porque el voltaje aumenta cuando la corriente cae. No se puede hacer nada para mejorar la eficiencia energética, ya que en esta configuración la potencia siempre se multiplica por la tensión de alimentación y toda la sobrecarga de tensión se desperdicia como calor en los diodos. Cualquier otra solución lineal solo agregaría un consumo adicional para alimentar los circuitos de regulación. Por lo tanto, la única forma de reducir el consumo total de energía es utilizar un regulador de conmutación.

Deberías usar un regulador. Es posible hacer un regulador crudo con una referencia de micropoder shunt y un BJT, pero sugeriría que no lo haga.

LT3970 es un regulador de conmutación que utiliza 2.5uA quiescente. La eficiencia será aproximadamente del 71% a 1 mA, 3.3V.

TPS709 es un regulador lineal que utiliza 1uA de corriente inactiva. La eficiencia será de aproximadamente el 27% a 1 mA, 3.3V.

Ambos son muy compactos y fáciles de usar. La mejor opción (de estas o muchas otras partes similares) estará determinada por los requisitos exactos de su aplicación.

Otra solución es cambiar las cadenas de LED a < cadenas de derivación de 3V, luego use la celda de CR123A 3V 1500mAh Li-ion frente a su A23 12V 55mAh.

El ATtiny85 funciona hasta 1.85V a tasas más bajas.

CR123A's enlace

Al cambiar los diodos zener a valores más bajos y al usar 3 en serie, así como al mover la posición del capacitor, el siguiente circuito mejora el rango de voltaje de suministro utilizable entre 12V y 9V.

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

Una vez iniciado, el circuito continúa funcionando hasta que la tensión alcanza aproximadamente 7.5. Esta es una gran mejora con respecto al rango del circuito original y mantiene la característica de baja potencia de la conversión de voltaje de CC a CC. Este circuito reduce el voltaje de entrada de la batería en un 6V más o menos constante.

La caída de voltaje introducida por cada diodo varía según el valor de Zenier. El circuito anterior utiliza un diodo Zener de 3.6V y dos de 3.3V. Los diodos Zener con voltajes de ruptura más altos tienen caídas de voltaje más grandes cuando se conducen en reversa.

El ATtiny85 funciona en un amplio rango de voltaje (1.8V - 6V), por lo que no se necesita una fuente de voltaje regulado. Con un consumo de corriente promedio de 0,2 mA, la batería A23 debería durar alrededor de 275 horas.

Aquí está el esquema completo, funciona bien a pesar de los cambios de voltaje en Vcc, que están entre 6 V cuando están inactivos y tan bajos como 3,5 V cuando los LED están pulsando rápidamente.