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

Como nadie ha abordado su pregunta básica, intentaré explicar:

No puede calcular el voltaje a través de un Zener a baja corriente. El voltaje inverso es una característica del dispositivo y depende de la construcción/arquitectura.
No hay mejor referencia que he encontrado que el folleto OnSemi Theory of Zener y deberías comenzar leyendo esto.

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

Del documento OnSemi, aquí hay un gráfico muy pertinente de la característica Vz:

Tenga en cuenta que los Zeners por debajo de 6 V Vr tienen curvas Vr bastante diferentes. Los que están por debajo de 6V tienen una pendiente muy grande y, a medida que baja la corriente hacia el límite de fuga, el voltaje Vr varía. La corriente de fuga es normalmente estable (a una temperatura dada) para voltajes superiores a 1V.

Ahora a su espacio problemático, poniendo 3 Zeners en serie.

La corriente de fuga para cada uno de los Zeners será diferente. El dispositivo Zener actúa como una fuente de corriente constante una vez que tiene suficiente Vr y hasta que comienza la tunelización. La corriente de fuga estará típicamente en el rango de 10-200 uA y encontrará el máximo especificado en la hoja de datos para algunos dispositivos.

Para sus dispositivos ( 1N728A y 1N729A ), la corriente de fuga será inferior a 100 uA a 1 V y comenzará el efecto Zener entre aproximadamente 1 V y el voltaje nominal.

Para su configuración, UNO de los Zeners tendrá la corriente de fuga más baja, lo que restringirá a los otros dos por debajo de su corriente de fuga. Esto significa que a corrientes muy bajas (cualquiera que sea el valor de fuga), el voltaje entre los dos Zener será mucho menor que su clasificación y puede caer por debajo de 1V.

El primer bache en el camino es un ATTiny con mucha menos corriente cuando está dormido

En su configuración, el ATTiny85 consumirá una corriente muy baja cuando esté en modo de suspensión y, a partir de la hoja de datos , puede ver que cuando está dormido con el temporizador Watchdog utilizado para despertar, puede esperar menos de 10 uA.

Esta corriente muy baja para el ATTiny85 restringirá la corriente a través de los Zeners por debajo de la corriente de fuga de cualquiera de ellos.

Esto puede resultar en que el VCC para el ATTiny se eleve por encima de la clasificación máxima absoluta de 6 V y resulte en una falla del dispositivo . Y de hecho ya mostraste que el VCC sube a 5.1V.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Esta baja caída de voltaje en los Zeners explica por qué su circuito funciona a 7 V CC en la batería, pero no es un buen modo de operación y podría dañar fácilmente la MCU. Mi suposición aquí es que en realidad tiene un capacitor a través de la MCU que no ha mostrado, y está ejecutando efectivamente el ATTiny desde eso 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 el MCP1703 , que proporcionaría una solución de un solo 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 de 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 , ingresar sus parámetros de diseño (DC 6V-13V Vin, 5V 0.02A out) e iniciar su WEBBENCH Power Designer gratuito. Aquí está la parte superior de sus 162 variantes que cumplen con sus parámetros:

Si no quiere meterse con 7 componentes e inductor, aquí hay un diseño de una sola pieza que usa su módulo con inductor integrado:

Pero este último es más caro. Ambos diseños caben en un área de 7x7 mm.

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.

Básicamente, el problema que tiene 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 dejan caer una cantidad fija de voltaje, por lo que, como ha visto, si bien funcionan bien para reducir su voltaje de entrada máximo hasta donde desea que esté, se apagarán cuando baje su voltaje.

Lo que necesitas es un regulador de voltaje . Un regulador lineal simple debería funcionar bien, dado su bajo consumo de corriente, pero para obtener la 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 sueño porque el voltaje crece cuando cae la corriente. No hay nada que se pueda hacer para mejorar la eficiencia energética, porque en esta configuración, la potencia siempre es corriente multiplicada por el voltaje de suministro y toda la sobrecarga de voltaje se desperdicia como calor en los diodos. Cualquier otra solución lineal solo agregaría un consumo extra para alimentar el circuito de regulación. Por lo tanto, la única forma de reducir el consumo total de energía es usar un regulador de conmutación.

Deberías usar un regulador. Es posible hacer un regulador crudo con una referencia de derivación de micropotencia y un BJT, pero sugeriría no hacerlo.

LT3970 es un regulador de conmutación que utiliza 2,5 uA en reposo. La eficiencia será de alrededor del 71 % a 1 mA de salida, 3,3 V.

TPS709 es un regulador lineal que utiliza una corriente de reposo de 1uA. La eficiencia será de alrededor del 27 % a 1 mA de salida, 3,3 V.

Ambos son muy compactos y fáciles de usar. La mejor elección (de estas u otras piezas similares) estará determinada por los requisitos exactos de su aplicación.

Otra solución es cambiar sus cadenas de LED a cadenas de derivación <3V y luego usar CR123A cell 3V 1500mAh Li Ion vs. su A23 12V 55mAh.

El ATtiny85 funciona hasta 1,85 V a tasas más bajas.

CR123A https://www.amazon.ca/Batteries-RAVPower-Non-Rechargeable-Flashlight-Microphones/dp/B01N650KOK/ref=sr_1_14?ie=UTF8&qid=1544468603&sr=8-14&keywords=cr123+battery

Al cambiar los diodos zener a valores más bajos y usar 3 en serie, además de 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 con CircuitLab}

Una vez iniciado, el circuito continúa funcionando hasta que el voltaje alcanza alrededor de 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 6V más o menos constantes.

La caída de voltaje introducida por cada diodo varía según el valor de Zenier. El circuito de arriba usa 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 conducen en sentido inverso.

El ATtiny85 funciona en un amplio rango de voltaje (1,8 V - 6 V), por lo que no se necesita una fuente de voltaje regulada. 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 oscila entre 6 V cuando está inactivo y tan bajo como 3,5 V cuando los LED parpadean rápidamente.