Zasilanie zegarka AA 1,5 V zewnętrznie z podtrzymaniem akumulatora

Pytanie

Jak zasilić z zewnątrz zegarek zasilany jedną baterią 1.5V AA tak, by nie musieć się martwić rozładowaniem baterii? Ale by w momencie zaniku zewnętrznego zasilania wciąż praca zegarka była podtrzymana - a więc z użyciem jakiegoś akumulatora?

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

Tak, da się to zrobić, ale najlepsze rozwiązanie zależy od tego, czy podtrzymanie ma działać przez minuty, godziny, czy miesiące.

Krótka, precyzyjna odpowiedź

Dla zegarka zasilanego z jednej baterii AA 1,5 V najpraktyczniejsze są trzy warianty:

1. Najbardziej niezawodne i najprostsze:
   zasilacz zewnętrzny 5 V + stabilizator 1,5 V o bardzo małym poborze własnym + bateria AA jako backup przez układ automatycznego przełączania.
   To jest rozwiązanie, które realnie daje najmniej kłopotów.

2. Jeśli koniecznie ma być akumulator:
   ogniwo LiFePO4 lub Li-Ion + układ ładowania + przetwornica / LDO 1,5 V.
   Działa dobrze, ale jest wyraźnie bardziej złożone.

3. Jeśli podtrzymanie ma być tylko krótkie:
   superkondensator zamiast akumulatora.
   To bardzo eleganckie rozwiązanie, ale zwykle nie na długi zanik zasilania.

Kluczowe punkty

• Nie polecam prostego „ładowania akumulatorka AA NiMH na stałe”, jeśli układ ma być bezobsługowy przez lata.
• Nie polecam TP4056 do NiMH — to układ do Li-Ion/LiPo, nie do NiMH.
• Nie polecam AMS1117 ani LM317 do tak małego obciążenia — ich prąd własny jest za duży względem poboru zegarka.
• Nie polecam zasilacza beztransformatorowego z 230 V do zegarka — to rozwiązanie nieizolowane i niebezpieczne.

Szczegółowa analiza problemu

To zagadnienie jest w praktyce miniaturowym układem UPS DC dla obciążenia 1,5 V. Kluczowe są cztery kwestie:

1. jakie napięcie naprawdę toleruje mechanizm zegarka,
2. jaki jest jego średni pobór prądu,
3. jak wykonać bezprzerwowe przełączanie źródeł,
4. czy magazyn energii ma być ładowalny, czy po prostu zapasowy.

1. Co naprawdę pobiera taki zegarek

Typowy prosty zegar kwarcowy na 1×AA:

• ma bardzo mały prąd średni,
• ale występują krótkie impulsy prądu przy przestawianiu mechanizmu,
• średnia bywa rzędu dziesiątek do setek mikroamperów,
• impulsy mogą sięgać kilku miliamperów.

To bardzo ważne, bo:

• układ zasilania musi mieć mały prąd własny,
• ale jednocześnie musi wytrzymać chwilowe impulsy obciążenia,
• zwykły pomiar multimetrem nie zawsze pokaże prawdziwy charakter poboru.

2. Dlaczego „akumulator 1,5 V” nie jest prosty

Tu leży główny problem. Pojedyncza bateria AA 1,5 V to zwykle ogniwo pierwotne. Natomiast typowe akumulatory mają inne napięcia nominalne:

Czyli: nie istnieje wygodny, prosty, standardowy akumulator AA „1,5 V”, który można bezproblemowo ładować i równocześnie traktować jak idealny zamiennik baterii.

3. Co jest najlepsze w praktyce

Wariant rekomendowany: zasilanie zewnętrzne + bateria zapasowa

Choć pyta Pan o akumulator, z inżynierskiego punktu widzenia najbardziej bezobsługowe rozwiązanie to nie akumulator, tylko zwykła bateria backupowa, używana tylko awaryjnie.

Układ:

Zasilacz 5 V
   |
   +--> LDO / stabilizator 1,5...1,6 V o ultramałym Iq
             |
             +--> układ OR-ing / ideal diode ---> + zegarka
Bateria AA ---+

Dlaczego to jest najlepsze

• przy obecnym zasilaniu zewnętrznym zegar pracuje z zasilacza,
• bateria prawie się nie zużywa,
• przy zaniku zasilania następuje automatyczne przełączenie,
• nie ma problemu starzenia od ciągłego ładowania,
• układ jest prostszy i bardziej niezawodny niż wersja z akumulatorem.

Jeżeli zanik zasilania zdarza się rzadko, bateria backupowa może wystarczyć na bardzo długo.

Jak wykonać przełączanie

Są dwie możliwości:

1. Schottky OR-ing
   Proste, tanie, ale występuje spadek napięcia.

2. Ideal diode na MOSFET-ach P-channel
   Lepsze technicznie, bo spadek napięcia jest minimalny.

Dla zegarka 1,5 V każdy spadek napięcia jest istotny. Dlatego:

• zwykłe diody krzemowe, np. 1N4148, są słabym wyborem,
• Schottky są akceptowalne,
• MOSFET ideal-diode jest rozwiązaniem najlepszym.

Uwaga praktyczna

Jeśli zastosuje Pan Schottky, trzeba uwzględnić spadek rzędu około:

• 0,15–0,30 V dla małych prądów.

To oznacza, że stabilizator może wymagać ustawienia np. na:

• 1,60–1,65 V przed diodą,
  aby na zegarku było około 1,4–1,5 V.

To zwykle działa poprawnie, ale trzeba zmierzyć napięcie na samym zegarku, nie tylko na wyjściu stabilizatora.

Wariant z akumulatorem: gdy ładowalność jest konieczna

Jeżeli wymogiem jest rzeczywiście akumulator, to polecam następującą architekturę:

5 V z zasilacza
   |
   +--> ładowarka akumulatora
   |
Akumulator LiFePO4 / Li-Ion
   |
   +--> przetwornica lub LDO 1,5 V o bardzo małym poborze
   |
   +--> zegarek

To rozwiązanie jest poprawne, bo:

• akumulator jest stale podłączony,
• przy zaniku 5 V nie trzeba „przełączać” źródła na wyjściu zegarka,
• cały układ zachowuje się jak mały UPS.

Co wybrać: Li-Ion czy LiFePO4

• LiFePO4
  lepszy pod względem bezpieczeństwa i trwałości chemicznej,
• Li-Ion / LiPo
  łatwiej dostępny, ale wymaga bardziej ostrożnego podejścia.

Problem tego wariantu

Dla tak małego obciążenia głównym problemem staje się nie sam zegarek, lecz:

• prąd własny ładowarki,
• prąd własny przetwornicy,
• prądy upływu.

Przy bardzo małym poborze odbiornika łatwo zbudować układ, który sam zjada więcej niż zegar.

Dlatego trzeba dobierać elementy z parametrem:

• ultralow quiescent current,
• najlepiej w zakresie pojedynczych µA.

Dlaczego NiMH AA nie jest moją główną rekomendacją

Na pierwszy rzut oka wydaje się idealny:

• rozmiar AA,
• napięcie blisko 1,5 V,
• łatwa dostępność.

Ale w praktyce są problemy:

1. Napięcie nominalne 1,2 V
   Nie każdy zegarek będzie stabilnie pracował przy końcu rozładowania.

2. Ciągłe doładowywanie NiMH nie jest idealne
   Zwłaszcza jeśli ma to działać stale przez długi czas.

3. Przy separacji diodą robi się za mało napięcia
   1,2–1,3 V minus spadek na diodzie to może być za mało.

4. Trickle charge trzeba dobrać ostrożnie
   Zbyt duży prąd skróci żywotność; zbyt mały może nie rekompensować samorozładowania.

Wniosek:
NiMH można użyć, ale to nie jest wariant „zamontuj i zapomnij” na lata.

Superkondensator jako podtrzymanie

To rozwiązanie jest bardzo dobre, jeśli chodzi o:

• brak zużycia cyklicznego,
• prostotę,
• natychmiastowe ładowanie po powrocie zasilania.

Ale trzeba realistycznie policzyć czas podtrzymania.

Obowiązuje zależność:

\[
t = \frac{C \cdot \Delta U}{I}
\]

gdzie:

• \( C \) — pojemność superkondensatora,
• \( \Delta U \) — dopuszczalny spadek napięcia,
• \( I \) — średni pobór prądu.

Przykład

Załóżmy:

• \( C = 10 \, \text{F} \)
• \( \Delta U = 1{,}55 - 1{,}10 = 0{,}45 \, \text{V} \)
• \( I = 150 \, \mu\text{A} \)

Wtedy:

\[
t = \frac{10 \cdot 0{,}45}{150 \cdot 10^{-6}} \approx 30000 \, \text{s}
\]

czyli około:

\[
8{,}3 \, \text{h}
\]

To pokazuje, że superkondensator:

• świetnie nadaje się na krótkie zaniki,
• ale niekoniecznie zastąpi baterię/akumulator na wiele dni.

W niektórych odpowiedziach przykładowych podtrzymanie z 1 F oszacowano bardzo optymistycznie — to jest prawdziwe tylko dla wyjątkowo małego poboru prądu. Dla typowego mechanizmu ściennego wynik bywa znacznie krótszy.

Korekta błędów z przykładowych odpowiedzi

Poniżej najważniejsze sprostowania techniczne:

1. TP4056 nie służy do ładowania NiMH
   To ładowarka do pojedynczego ogniwa Li-Ion / LiPo 4,2 V.

2. AMS1117 nie jest dobrym stabilizatorem do takiego układu
   Ma zbyt duży prąd własny jak na ultraniskomocowy zegar.

3. LM317 również nie jest tu dobrym wyborem
   Z tego samego powodu — zbyt duży pobór własny.

4. 1N4148 jako główna dioda OR-ing dla 1,5 V jest kiepskim pomysłem
   Spadek napięcia jest zbyt duży w stosunku do dostępnego budżetu napięciowego.

5. Zasilacz beztransformatorowy z 230 V nie powinien być polecany do takich zastosowań amatorskich
   To rozwiązanie nieizolowane od sieci i stwarza realne zagrożenie porażeniem.

Aktualne informacje i trendy

Najważniejsze aktualne wnioski techniczne

W nowoczesnych małomocowych układach podtrzymania zasilania dominują trzy zasady:

• stosuje się elementy o ultraniskim prądzie spoczynkowym,
• unika się „starych” regulatorów typu LM317 / AMS1117 przy obciążeniach mikroamperowych,
• coraz częściej używa się układów ideal-diode na MOSFET-ach, zamiast zwykłych diod.

Obecne trendy w branży

Dla układów bardzo małej mocy praktyka projektowa idzie w kierunku:

• ograniczania prądów upływu do pojedynczych µA,
• stosowania LDO o bardzo małym Iq zamiast przetwornic, jeśli moc jest minimalna,
• używania superkondensatorów do krótkiego backupu,
• pozostawiania ogniwa pierwotnego jako awaryjnego tam, gdzie liczy się niezawodność, a nie codzienne ładowanie.

Potencjalne przyszłe kierunki

Można się spodziewać coraz lepszych:

• przetwornic buck/boost o poborze własnym w zakresie pojedynczych µA,
• zintegrowanych PMIC do energy harvesting i backupu,
• gotowych modułów „battery eliminator” z podtrzymaniem.

Wspierające wyjaśnienia i detale

Dlaczego LDO często jest tu lepszy niż buck

Z 5 V na 1,5 V LDO ma niską sprawność energetyczną w sensie procentowym, ale:

• zegarek pobiera śladową moc,
• straty cieplne są pomijalne,
• układ jest prostszy,
• prąd własny może być bardzo mały,
• zakłócenia są mniejsze niż z przetwornicy impulsowej.

W tak małym układzie prostota i niski Iq są ważniejsze niż sprawność procentowa.

Dlaczego warto dodać kondensator przy zegarku

Mechanizm krokowy pobiera impulsy prądu. Dlatego warto dodać przy zaciskach zegarka:

• np. 47–220 µF kondensatora o małym upływie.

To:

• stabilizuje napięcie przy impulsach,
• odciąża źródło zasilania,
• poprawia pewność startu mechanizmu.

Jak fizycznie podłączyć zasilanie

Najwygodniej zrobić:

• „atrapę baterii AA”,
• czyli walec o rozmiarze AA z wyprowadzonymi przewodami,
• albo wykorzystać pustą obudowę starej baterii.

To znacznie lepsze niż lutowanie bezpośrednio do styków mechanizmu.

Aspekty etyczne i prawne

Bezpieczeństwo

Najważniejsze:

• używać tylko izolowanego, certyfikowanego zasilacza 5 V,
• nie budować zasilacza bezpośrednio z 230 V bez izolacji,
• zabezpieczyć przewody przed wyrwaniem,
• zadbać o poprawną polaryzację.

Regulacje praktyczne

Jeżeli to urządzenie ma pracować w domu stale przez lata:

• warto użyć zasilacza USB markowego lub przemysłowego,
• nie zostawiać prowizorycznych połączeń sieciowych bez obudowy,
• unikać chemii akumulatorów wymagających bardziej złożonej ochrony, jeśli nie ma takiej potrzeby.

Prywatność

W tym projekcie aspekt prywatności praktycznie nie występuje, chyba że zegar byłby częścią większego systemu automatyki.

Praktyczne wskazówki

Metoda implementacji — wariant zalecany

Najrozsądniejszy układ:

1. Zasilacz 5 V USB
2. LDO 1,5 V lub 1,6 V o bardzo małym Iq
3. OR-ing na Schottky lub MOSFET
4. Bateria AA backup
5. Kondensator przy wejściu zegarka

Najlepsze praktyki

• projektować na napięcie mierzone przy samym zegarku,
• sprawdzić działanie zegarka w zakresie:
  • około 1,0–1,6 V,
• wykonać test zaniku zasilania przez wielokrotne odłączanie zasilacza,
• zmierzyć, czy nie występuje reset lub zatrzymanie sekundnika.

Potencjalne wyzwania i jak je pokonać

Jak to przetestować

1. Zmierzyć napięcie na stykach zegarka przy pracy normalnej.
2. Odłączyć zasilanie zewnętrzne i obserwować, czy nie ma przerwy.
3. Zmierzyć napięcie podczas impulsu sekundowego.
4. Zostawić układ na 24–72 h i sprawdzić stabilność.
5. Jeśli używany jest akumulator — sprawdzić temperaturę podczas ładowania.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

Ograniczenia obecnych rozwiązań

• bez znajomości konkretnego mechanizmu nie da się zagwarantować, że będzie poprawnie działał przy 1,2 V,
• niektóre bardzo tanie mechanizmy są bardziej wrażliwe na spadki napięcia,
• prądy impulsowe bywają większe, niż wynika z pomiaru średniego.

Obszary niepewności

Największa niepewność dotyczy:

• rzeczywistego prądu średniego,
• minimalnego napięcia pracy konkretnego zegarka,
• zachowania przy impulsie krokowym.

Alternatywne perspektywy

Jeżeli zanik zasilania trwa zwykle sekundy lub minuty, to superkondensator może być lepszy od akumulatora.
Jeżeli zanik może trwać dni, bateria backupowa jest zwykle lepsza niż mały akumulator stale podtrzymywany.

Sugestie dalszych badań

Warto dalej sprawdzić:

• minimalne napięcie pracy konkretnego mechanizmu,
• średni i impulsowy pobór prądu,
• układy ideal diode na MOSFET,
• superkondensatory o małym prądzie upływu,
• LDO o prądzie własnym poniżej kilku µA.

Jeżeli chciałby Pan zbudować to „porządnie”, kolejnym krokiem byłoby:

• dobranie konkretnego LDO,
• dobór topologii OR-ing,
• policzenie realnego czasu backupu.

Krótkie podsumowanie

Synteza kluczowych punktów

• Technicznie da się zrobić zasilanie zewnętrzne + podtrzymanie bezprzerwowe.
• Najlepsze praktycznie rozwiązanie to:
  5 V z zasilacza + LDO 1,5 V low-Iq + automatyczne przełączanie + bateria AA backup.
• Jeśli backup musi być ładowalny, to lepiej użyć:
  LiFePO4 / Li-Ion + poprawny układ ładowania + konwersję do 1,5 V.
• NiMH AA nie jest rozwiązaniem idealnym do ciągłego podtrzymania bezobsługowego.
• Nie stosować TP4056 do NiMH, AMS1117/LM317 do ultra-low-power ani zasilaczy beztransformatorowych z 230 V.

Końcowa refleksja

Jeżeli celem jest po prostu „nie martwić się baterią”, to paradoksalnie najmniej problemów sprawia układ bez akumulatora, ale z baterią awaryjną.
Jeżeli jednak chce Pan, przygotuję w następnym kroku konkretny schemat ideowy w dwóch wersjach:

1. wersja najprostsza i najpewniejsza — z baterią backup,
2. wersja z akumulatorem — w pełni ładowalna.

Pytanie

Uszczegóławiając - zegarek jest zwykłym zegarem tarczowym umieszczonym w nieogrzewanym warsztacie, w którym zimą temperatura spada czasem poniżej zera. Blisko niego dostępne są przewody 5V oraz 12V (wraz z zerem) z zasilacza Meanwell. Koncepcja z superkondensatorem brzmi ciekawie, chociaż wymagałaby również jakiejś przetwornicy step-down dla zasilania, prawda? Nie mam nic przeciwko koncepcji z załączaną awaryjnie bateryjką AA. Jak dokładnie wyglądałby optymalny schemat takiego układu, zakładając w/w dostępne napięcia? Wolałbym uniknąć lutowania powierzchniowego elementów - wolę przewlekane.

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

Tak — przy superkondensatorze sensowny układ zwykle wymagałby nie tylko samego magazynu energii, ale także kontroli ładowania i w praktyce również takiego sposobu stabilizacji, aby zegar nadal dostawał napięcie zbliżone do 1,5 V podczas rozładowywania. W Pana zastosowaniu prostsze, pewniejsze i bardziej „warsztatowe” będzie podtrzymanie bateryjne AA z automatycznym przełączaniem. (ww1.microchip.com)

Dla zegara tarczowego zasilanego normalnie z jednej baterii AA, umieszczonego w zimnym warsztacie, proponuję taki optymalny wariant THT:

• zasilanie główne z 5 V, nie z 12 V,
• stabilizator MCP1702-1802E/TO w obudowie TO-92,
• dwie diody BAT85 jako OR-ing źródeł,
• bateria awaryjna AA litowa pierwotna Li/FeS₂,
• przy zegarze duży kondensator buforowy 220–470 µF plus 100 nF. (ww1.microchip.com)

Nie polecam tu:

• LM317 — działałby, ale wymaga minimalnego obciążenia rzędu kilku mA, więc sam układ zużywałby wielokrotnie więcej niż mechanizm zegara. TI podaje minimum load current 3,5 mA typ. / 10 mA max oraz zaleca około 3 V zapasu (V_IN - V_OUT). (ti.com)
• 1N5817 w gałęzi bateryjnej — to dioda mocy, ale przy tak małych prądach ma niekorzystny parametr prądu wstecznego; datasheet Vishay dopuszcza 1 mA prądu wstecznego przy znamionowym napięciu blokowania, podczas gdy BAT85 ma 2 µA max przy 25 V i niski spadek przewodzenia przy małych prądach. W układzie mikroprądowym BAT85 jest znacznie sensowniejsza. (assets.nexperia.com)

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie Szczegółowa analiza problemu

Rekomendowany schemat

                 +5 V z Meanwell
                        |
                    F1 100 mA
                  (opcjonalnie)
                        |
                       C1
                     1 µF
                        |
                 U1 MCP1702-1802E/TO
                +--------------------+
      GND ------| GND            OUT |----->|----+---- +ZEGARA
      +5 V ------| VIN               |   D1 BAT85 |
                +--------------------+            |
                         |                        |
                        C2                       C3
                      1 µF                     220...470 µF
                         |                        |
                        GND                      GND
                                                  |
                                                 C4
                                               100 nF
                                                  |
                                                 GND
   B1: bateria AA litowa 1,5 V
   B1(+) ------------------------------->|--------+
                                      D2 BAT85   |
   B1(-) ----------------------------------------+---- GND / -ZEGARA

Jak to działa

1. Gałąź główna
   Z 5 V zasilany jest LDO MCP1702-1802E/TO. To daje stałe 1,8 V na wyjściu regulatora. Następnie napięcie przechodzi przez BAT85, więc na samym zegarze otrzyma Pan około 1,5–1,6 V zależnie od chwilowego prądu impulsowego mechanizmu i temperatury. MCP1702 ma bardzo mały prąd własny, około 2 µA typ., jest dostępny w TO-92, pracuje od -40°C do +125°C, przyjmuje wejście 2,7–13,2 V i wymaga tylko około 1 µF na wejściu i wyjściu. To bardzo dobrze pasuje do tego zadania. (ww1.microchip.com)

2. Gałąź awaryjna
   Bateria AA jest dołączona przez drugą BAT85. Gdy 5 V jest obecne, napięcie z głównej gałęzi jest wyższe lub porównywalne, więc bateria praktycznie nie pracuje. Gdy 5 V zniknie, gałąź z LDO przestaje zasilać wyjście, a zegar płynnie przechodzi na baterię przez D2. To jest klasyczny pasywny OR-ing, ale wykonany z diod odpowiednich do mikroprądów. (assets.nexperia.com)

3. Dlaczego 1,8 V, a nie 1,5 V na regulatorze
   Gdyby zastosować LDO 1,5 V bez diody w torze głównym, a bateria była świeża i litowa, mogłaby ona częściowo „podpierać” wyjście już podczas normalnej pracy. Wariant 1,8 V + BAT85 po stronie głównej jest elegantszy: główna gałąź ma własny spadek i z punktu widzenia mechanizmu zachowuje się bardziej jak „dobra bateria AA”. Dodatkowo dioda D1 odcina wyjście zegara od samego LDO przy pracy bateryjnej, więc nie ma problemu z pompowaniem napięcia wstecz do wyjścia stabilizatora. To jest ważne, bo datasheet MCP1702 podaje, że piny wejść/wyjść nie powinny wychodzić poza zakres do około VIN + 0,3 V względem układu. (ww1.microchip.com)

4. Dlaczego 5 V, a nie 12 V
   MCP1702 akceptuje wprawdzie wejście aż do 13,2 V, więc technicznie 12 V jest możliwe, ale 5 V jest lepsze praktycznie: mniejsze straty mocy, większy zapas bezpieczeństwa względem maksimum wejściowego i mniejsze ryzyko, jeśli zasilacz ma lekką nadwyżkę napięcia. (ww1.microchip.com)

5. Dlaczego BAT85, a nie 1N5817
   Przy zegarze nie chodzi o ampery, tylko o:

   • mały spadek napięcia przy bardzo małym prądzie,
   • mały prąd upływu wstecznego,
   • element przewlekany.
     BAT85 w wersji osiowej ma przy 0,1 mA maksymalny spadek 240 mV, a prąd wsteczny 2 µA max przy 25 V. Dla porównania 1N5817 to duża dioda prostownicza; datasheet podaje 1 mA prądu wstecznego przy znamionowym napięciu blokowania. W obwodzie, gdzie sam zegar bierze bardzo mało, taka „mocna” dioda jest po prostu gorszym wyborem. (assets.nexperia.com)

6. Dlaczego nie LM317
   Jeden z przykładowych wariantów z LM317 jest funkcjonalny, ale nieoptymalny. LM317 wymaga minimalnego obciążenia, aby regulacja była poprawna; TI podaje 3,5 mA typ. / 10 mA max minimum load current. Dla zegarka to absurdalnie dużo — sam regulator z rezystorami zużywałby więcej energii niż mechanizm. Dodatkowo TI zaleca około 3 V headroomu dla poprawnej pracy w pełnym zakresie. To nie dyskwalifikuje LM317 całkowicie, ale czyni go rozwiązaniem „młotkiem do pinezki”. (ti.com)

7. Bateria do mrozu
   Do warsztatu, gdzie temperatura spada poniżej zera, rekomenduję AA litową pierwotną Li/FeS₂ zamiast zwykłej alkalicznej. Datasheet Energizer L91 podaje zakres pracy -40°C do +60°C oraz 20 lat trwałości składowania przy 21°C. To dokładnie chemia do zastosowań „włożyć i zapomnieć”. (data.energizer.com)

Lista elementów

Dobór C1 i C2 wynika wprost z wymagań MCP1702 dotyczących stabilności. C3 i C4 nie są wymogiem stabilności samego LDO, lecz praktycznym buforem dla impulsów prądu cewki mechanizmu zegara. (ww1.microchip.com)

Uwaga krytyczna do jednej z przykładowych odpowiedzi

Przykład sugerujący podanie na zegar prawie 5 V przez samą diodę jest po prostu błędny dla mechanizmu przewidzianego do jednej baterii AA 1,5 V. Taki układ nie jest „backupem”, tylko ryzykiem uszkodzenia mechanizmu. To trzeba skorygować jednoznacznie.

Aktualne informacje i trendy

• Wciąż są dostępne bardzo sensowne THT LDO o mikromocowym poborze, a MCP1702 pozostaje jednym z lepszych kandydatów do prostych układów zasilania pomocniczego: TO-92, niski prąd własny, szeroki zakres wejściowy i temperatura pracy do -40°C. (ww1.microchip.com)
• Dla niskoprądowych torów podtrzymania coraz częściej unika się „dużych” diod Schottky klasy 1N5817/18/19 na rzecz małosygnałowych elementów o mniejszym upływie, takich jak BAT85. (assets.nexperia.com)
• W środowiskach zimnych chemia Li/FeS₂ w formacie AA pozostaje praktycznym standardem dla podtrzymań nieładowalnych. (data.energizer.com)

Wspierające wyjaśnienia i detale

Jakich napięć się spodziewać

Orientacyjnie:

• z zasilania głównego:
  (V_{zegara} \approx 1{,}8\text{ V} - V_F(D1))
• z baterii:
  (V{zegara} \approx V{bat} - V_F(D2))

Dla BAT85 spadek zależy od prądu; datasheet podaje maksymalnie 240 mV przy 0,1 mA i 320 mV przy 1 mA w 25°C. W praktyce oznacza to poziom napięcia bardzo zbliżony do tego, co zegar i tak widzi podczas pracy z realną baterią. (assets.nexperia.com)

Jak oszacować czas podtrzymania

Najuczciwiej:

1. wyjąć baterię z zegara,
2. zasilić go z zasilacza laboratoryjnego 1,5 V,
3. wstawić amperomierz szeregowo,
4. sprawdzić średni prąd.

Potem:
[
t \,[h] \approx \frac{C\,[mAh]}{I_{avg}\,[mA]}
]

W praktyce warto przyjąć zapas 30–50% na temperaturę, starzenie baterii i spadek na diodzie.

Aspekty etyczne i prawne

W tym projekcie aspekt prawny jest marginalny, ale są dwa aspekty bezpieczeństwa:

• nie stosować akumulatora litowo-jonowego jako prostego zamiennika AA bez pełnego układu ładowania i ochrony,
• dobrze zaizolować połączenia w warsztacie, gdzie możliwa jest wilgoć, pył metaliczny i przypadkowe zwarcia.

Jeśli użyje Pan baterii pierwotnej Li/FeS₂, układ pozostaje prosty i nie ma problemu z ładowaniem w niskiej temperaturze. (data.energizer.com)

Praktyczne wskazówki

• Płytka uniwersalna THT będzie tu w pełni wystarczająca.
• C3 i C4 proszę dać jak najbliżej przewodów idących do zegara.
• D1 i D2 też warto umieścić blisko wspólnego węzła wyjściowego.
• Jeśli warsztat bywa wilgotny, warto płytkę po testach pokryć lakierem ochronnym albo zamknąć w małej puszce.
• Jeżeli ma Pan tylko zwykłą alkaliczną AA i zaniki są rzadkie oraz krótkie, układ też zadziała; po prostu wariant litowy będzie pewniejszy zimą. (data.energizer.com)

Procedura uruchomienia

1. Zmontować sam U1 + C1 + C2.
2. Zmierzyć napięcie na wyjściu U1: powinno być około 1,8 V. (ww1.microchip.com)
3. Dodać D1 i sprawdzić napięcie na węźle wyjściowym bez zegara.
4. Dodać D2 i baterię.
5. Podłączyć zegar.
6. Odłączyć 5 V i sprawdzić, czy sekundnik nie gubi kroku.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Rzeczywisty pobór prądu zależy od konkretnego mechanizmu. Nie każdy tani chiński mechanizm zachowuje się identycznie.
• Elektrolity w niskiej temperaturze zwiększają ESR, więc warto wybrać element z wyraźnie podanym dolnym zakresem temperatury.
• Jeżeli mechanizm okaże się wyjątkowo wrażliwy na napięcie powyżej 1,6 V, wtedy można przejść na wariant bardziej „precyzyjny”, np. z regulatorem ustawionym bliżej 1,55–1,60 V i tylko jedną diodą po stronie baterii. To jednak komplikuje układ.

Sugestie dalszych badań

Jeżeli chce Pan dopracować rozwiązanie „na 100%”, warto jeszcze:

• zmierzyć średni prąd mechanizmu,
• sprawdzić, przy jakim napięciu minimalnym mechanizm jeszcze pracuje,
• wykonać test w chłodzie, np. w temperaturze około -5°C do -10°C.

Na tej podstawie można dobrać:

• pojemność C3,
• rodzaj baterii,
• ewentualnie bardziej precyzyjny poziom napięcia zasilania głównego.

Krótkie podsumowanie

Najlepszy praktycznie układ THT do Pana przypadku to:

• 5 V z Meanwell
• MCP1702-1802E/TO
• BAT85 + BAT85 jako OR-ing
• AA litowa pierwotna jako backup
• 220–470 µF + 100 nF przy zegarze. (ww1.microchip.com)

To rozwiązanie jest:

• proste,
• przewlekane,
• odporne na mróz,
• energooszczędne,
• wyraźnie lepsze od wariantu z LM317,
• i bezpieczne dla mechanizmu zegara, w przeciwieństwie do pomysłu podawania mu niemal 5 V. (ti.com)

Jeśli Pan chce, mogę w następnym kroku narysować ten sam układ jako pełny schemat ideowy ASCII z numerami wyprowadzeń TO-92 i polaryzacją wszystkich elementów, tak żeby dało się go od razu zmontować na płytce uniwersalnej.