Napajanje napajanjem putem digitalnog USB C napajanja Bluetooth: 8 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:37

Jeste li ikada poželjeli napajanje koje možete koristiti u pokretu, čak i bez zidne utičnice u blizini? I ne bi li bilo super da je i vrlo precizan, digitalni i kontroliran putem računala i telefona?

U ovom uputstvu pokazat ću vam kako izgraditi upravo to: digitalno napajanje koje se napaja preko USB -a C. Kompatibilno je s arduinom i može se upravljati putem računala putem USB -a ili putem telefona putem Bluetootha.

Ovaj je projekt evolucija mog prethodnog napajanja, koje je radilo na baterije i ima zaslon i gumbe. Ovdje provjerite! Međutim, htio sam se smanjiti, pa sam zato i napravio ovo!

Napajanje se može napajati iz USB C baterije ili punjača za telefon. To omogućuje do 15 W snage, što je dovoljno za napajanje većine elektronike male snage! Da bih imao dobro korisničko sučelje na tako malom uređaju, uključio sam Bluetooth i aplikaciju za Android za kontrole. To čini ovo napajanje ultra prenosivim!

Prikazat ću cijeli proces dizajna, a sve projektne datoteke mogu se pronaći na mojoj stranici GitHub:

Započnimo!

Korak 1: Značajke i cijena

Značajke

• Pokreće USB C
• Upravlja se putem Android aplikacije putem Bluetootha
• Upravlja se putem Jave preko USB -a C
• Načini rada s konstantnim naponom i konstantnom strujom
• Koristi linearni regulator s niskim šumom, kojemu prethodi predregulator za praćenje radi smanjenja rasipanja energije
• Pokreće ATMEGA32U4, programirano s Arduino IDE
• Može se napajati iz USB C baterije kako bi bio prenosiv
• Otkrivanje USB C i Apple punjača
• Utikači za banane s razmakom od 18 mm za kompatibilnost s BNC adapterima

Tehnički podaci

• 0 - 1A, koraci od 1 mA (10 bitni DAC)
• 0 - 25V, koraci od 25 mV (10 bitni DAC) (pravi rad 0 V)
• Mjerenje napona: 25 mV rezolucija (10 bitni ADC)
• Mjerenje struje: <40mA: rezolucija 10uA (ina219) <80mA: rezolucija 20uA (ina219) <160mA: rezolucija 40uA (ina219) <320mA: rezolucija 80uA (ina219)> 320mA: rezolucija 1mA (10 -bitni ADC)

Trošak

Potpuno napajanje koštalo me oko 100 USD, sa svim jednokratnim komponentama. Iako se ovo može činiti skupim, napajanja s daleko manjim performansama i značajkama često koštaju više od ovoga. Ako vam ne smeta da svoje komponente naručite s ebaya ili aliexpressa, cijena bi pala na oko 70 USD. Dijelovi ulaze dulje, ali to je održiva opcija.

Korak 2: Shema i teorija rada

Da bismo razumjeli rad sklopa, morat ćemo pogledati shemu. Podijelio sam ga u funkcionalne blokove, tako da ih je lakše razumjeti; Također ću objasniti rad korak po korak. Ovaj dio je prilično dubok i zahtijeva dobro poznavanje elektronike. Ako samo želite znati izgraditi krug, možete prijeći na sljedeći korak.

Glavni blok

Rad se temelji na čipu LT3080: to je linearni regulator napona, koji može smanjiti napone, na temelju upravljačkog signala. Ovaj upravljački signal generirat će mikrokontroler; kako se to radi, bit će detaljno objašnjeno kasnije.

Podešavanje napona

Krug oko LT3080 generira odgovarajuće upravljačke signale. Prvo ćemo pogledati kako se postavlja napon. Postavka napona iz mikrokontrolera je PWM signal (PWM_Vset), koji se filtrira pomoću niskopropusnog filtra (C23 & R32). Time se proizvodi analogni napon - između 0 i 5 V - proporcionalan željenom izlaznom naponu. Budući da je naš izlazni raspon 0 - 25 V, morat ćemo pojačati ovaj signal s faktorom 5. To se postiže neinvertirajućom konfiguracijom opampa U7C. Dobit na postavljeni pin određena je pomoću R31 i R36. Ovi otpornici su tolerantni 0,1%, kako bi se smanjile pogreške. R39 i R41 ovdje nisu bitni jer su dio povratne sprege.

Trenutna postavka

Ovaj postavljeni pin se također može koristiti za drugu postavku: trenutni način rada. Želimo izmjeriti trenutnu potrošnju i isključiti izlaz kada to premaši željenu struju. Stoga ponovno započinjemo PWM signalom (PWM_Iset), generiranim od mikrokontrolera, koji je sada filtriran na niskim prolazima i oslabljen za prelazak iz raspona 0 - 5 V u raspon 0 - 2,5 V. Ovaj napon sada se uspoređuje s padom napona na otporniku osjetnika struje (ADC_Iout, vidi dolje) pomoću usporedne konfiguracije opampa U1B. Ako je struja previsoka, ovo će uključiti LED diodu, a također će povući postavljenu liniju LT3080 na masu (preko Q1), čime će se isključiti izlaz. Mjerenje struje i generiranje signala ADC_Iout vrši se na sljedeći način. Izlazna struja teče kroz otpornik R22. Kada struja teče kroz ovaj otpornik, stvara pad napona koji možemo mjeriti i postavlja se ispred LT3080, jer pad napona na njemu ne bi trebao utjecati na izlazni napon. Pad napona mjeri se diferencijalnim pojačalom (U7B) s pojačanjem 5. To rezultira rasponom napona od 0 - 2,5 V (o tome kasnije), dakle razdjelnik napona na PWM signalu struje. Međuspremnik (U7A) je tu da osigura da struja koja teče u otpornike R27, R34 i R35 ne prolazi kroz trenutni osjetnik otpornika, što bi utjecalo na njegovo očitanje. Također imajte na umu da bi ovo trebao biti opamp od tračnice do tračnice, jer je ulazni napon na pozitivnom ulazu jednak naponu napajanja. Neinvertirajuće pojačalo služi samo za mjerenje kursa, no za vrlo precizna mjerenja imamo ugrađen čip INA219. Ovaj čip nam omogućuje mjerenje vrlo malih struja, a adresira se putem I2C.

Dodatne stvari

Na izlazu LT3080 imamo još nekih stvari. Prije svega, tu je sudoper (LM334). Time se vuče konstantna struja od 677 uA (podešena otpornikom R46) za stabilizaciju LT3080. Međutim, nije spojen na masu, već na VEE, negativni napon. To je potrebno kako bi LT3080 mogao raditi do 0 V. Kad je spojen na masu, najniži napon bio bi oko 0,7 V. To se čini dovoljno niskim, ali imajte na umu da nas to sprječava da potpuno isključimo napajanje. Nažalost, ovaj se krug nalazi na izlazu iz LT3080, što znači da će njegova struja pridonijeti izlaznoj struji koju želimo mjeriti. Srećom, konstanta je pa možemo kalibrirati za ovu struju. Zener dioda D7 koristi se za stezanje izlaznog napona ako pređe 25 V, a razdjelnik otpornika spusti raspon izlaznog napona od 0 - 25 V do 0 - 2,5 V (ADC_Vout). Međuspremnik (U7D) osigurava da otpornici ne crpe struju s izlaza.

Pumpa za punjenje

Negativni napon koji smo prije spomenuli generira neobičan mali krug: pumpa za punjenje. Napaja se pomoću 50% PWM mikrokontrolera (PWM).

Boost Converter

Pogledajmo sada ulazni napon našeg glavnog bloka: VCC. Vidimo da je 5 - 27V, ali čekajte, USB daje maksimalno 5 V? Doista, i zato moramo pojačati napon, takozvanim pretvaračem pojačanja. Uvijek smo mogli povećati napon na 27 V, bez obzira na izlaz koji želimo; međutim, to bi u LT3080 trošilo puno energije i stvari bi se jako zagrijale! Pa ćemo umjesto toga povećati napon na malo više od izlaznog napona. Prikladno je oko 2,5 V više, kako bi se objasnio pad napona u otporniku osjetnika struje i ispadni napon LT3080. Napon se postavlja otpornicima na izlaznom signalu pretvarača pojačanja. Za promjenu ovog napona u hodu koristimo digitalni potenciometar, MCP41010, kojim se upravlja putem SPI -ja.

USB C

To nas dovodi do stvarnog ulaznog napona: USB priključka! Razlog korištenja USB C (USB tip 3.1 točnije, USB C je samo tip priključka) je u tome što dopušta struju od 3A na 5V, što je već prilično velika snaga. Ali postoji kvaka, uređaj mora biti usklađen kako bi izvukao ovu struju i 'pregovarao' s uređajem domaćinom. U praksi se to postiže spajanjem dva otporna otpornika od 5.1k (R12 i R13) na liniju CC1 i CC2. Za USB 2 kompatibilnost, dokumentacija je manje jasna. Ukratko: crtate koliko god želite, sve dok vam domaćin to može pružiti. To se može provjeriti praćenjem napona USB sabirnice: ako napon padne ispod 4,25 V, uređaj povlači previše struje. To otkriva usporednik U1A i onemogućit će izlaz. Također šalje signal mikrokontroleru za postavljanje maksimalne struje. Kao bonus, dodani su otpornici koji podržavaju otkrivanje ID -a punjača jabučnih i samsung punjača.

5V regulator

Napon napajanja od 5 V arduina obično dolazi izravno s USB -a. No budući da USB napon može varirati između 4,5 i 5,5 V prema USB specifikacijama, to nije dovoljno precizno. Stoga se koristi regulator 5V, koji može generirati 5V iz nižih i viših napona. Ipak, ovaj napon nije strašno precizan, ali to se rješava korakom kalibracije gdje se radni ciklus PWM signala prilagođava u skladu s tim. Ovaj e napon mjeri se razdjelnikom napona koji čine R42 i R43. No, budući da nisam imao više besplatnih ulaza, morao sam izvesti pin pull double duty. Kada se napajanje napaja, ovaj pin se prvo postavlja kao ulaz: mjeri dovodnu tračnicu i sam se kalibrira. Zatim se postavlja kao izlaz i može pokretati liniju za odabir čipova potenciometra.

Referenca napona 2,56 V

Ovaj mali čip pruža vrlo točnu referentnu vrijednost napona od 2,56 V. Ovo se koristi kao referenca za analogne signale ADC_Vout, ADC_Iout, ADC_Vbatt. Zato su nam bili potrebni razdjelnici napona kako bismo te signale spustili na 2,5 V.

FTDI

Posljednji dio ovog napajanja je povezanost s okrutnim vanjskim svijetom. Za to moramo pretvoriti serijske signale u USB signale. Srećom, to radi ATMEGA32U4, to je isti čip koji se koristi u Arduino Micro.

Bluetooth

Bluetooth dio je vrlo jednostavan: dodaje se modul Bluetooth koji je u ponudi i brine se za sve umjesto nas. Budući da je njegova logička razina 3,3 V (VS 5 V za mikrokontroler), razdjelnik napona se koristi za pomicanje signala po razini.

I to je sve što treba!

Korak 3: PCB i elektronika

Sada kada razumijemo kako krug funkcionira, možemo ga početi graditi! Možete jednostavno naručiti tiskanu ploču na mreži od vašeg omiljenog proizvođača (moj je koštao oko 10 USD), gerber datoteke se mogu pronaći na mom GitHubu, zajedno s popisom materijala. Sastavljanje PCB -a tada je u osnovi pitanje lemljenja komponenti na mjestu prema sitotisku i opisu materijala.

Dok je moj prethodni izvor napajanja imao samo komponente kroz rupe, ograničenje veličine za moj novi to je učinilo nemogućim. Većina komponenti je još uvijek relativno lako lemiti pa se nemojte bojati. Ilustracije radi: moj prijatelj koji nikada prije nije lemio uspio je napuniti ovaj uređaj!

Najjednostavnije je najprije izraditi komponente s prednje strane, zatim stražnje i završiti dijelovima s rupama. Pritom se PCB neće njihati pri lemljenju najtežih komponenti. Posljednja komponenta za lemljenje je Bluetooth modul.

Sve komponente se mogu lemiti, osim 2 priključka za banane, koje ćemo montirati u sljedećem koraku!

Korak 4: Kućište i montaža

S izrađenim PCB -om možemo prijeći na kućište. Posebno sam dizajnirao PCB oko aluminijskog kućišta dimenzija 20x50x80mm (https://www.aliexpress.com/item/Aluminium-PCB-Instr…), pa se ne preporučuje korištenje drugog kućišta. Međutim, uvijek možete 3D ispisati kućište istih dimenzija.

Prvi korak je priprema završne ploče. Morat ćemo izbušiti neke rupe za priključke za banane. To sam učinio ručno, ali ako imate pristup CNC -u to bi bila točnija opcija. Umetnite priključke za banane u ove rupe i lemite ih na tiskanu ploču.

Bilo bi dobro sada dodati nekoliko svilenih jastučića i držati ih na mjestu s malom kapljicom super ljepila. To će omogućiti prijenos topline između LT3080 i LT1370 i kućišta. Ne zaboravite ih!

Sada se možemo usredotočiti na prednju ploču koja se samo zašrafljuje. S obje ploče na mjestu sada možemo umetnuti sklop u kućište i sve zatvoriti. U ovom trenutku hardver je gotov, sada je preostalo samo upropastiti ga u softver!

Korak 5: Arduino kod

Mozak ovog projekta je ATMEGA32U4, koji ćemo programirati s Arduino IDE -om. U ovom odjeljku ću proći kroz osnovne operacije koda, pojedinosti se mogu pronaći kao komentari unutar koda.

Kod se u osnovi ponavlja kroz ove korake:

1. Pošaljite podatke aplikaciji
2. Čitanje podataka iz aplikacije
3. Izmjerite napon
4. Izmjerite struju
5. Gumb za glasanje

Prekomjernom strujom USB -a upravlja rutina usluge prekida kako bi bila što je moguće osjetljivija.

Prije nego se čip može programirati putem USB -a, pokretački program treba snimiti. To se radi putem ISP/ICSP porta (muški zaglavlja 3x2) putem ISP programera. Opcije su AVRISPMK2, USBTINY ISP ili arduino kao ISP. Provjerite dobiva li ploča napajanje i pritisnite tipku 'burn bootloader'.

Kôd se sada može učitati na ploču putem USB C priključka (budući da čip ima bootloader). Ploča: Arduino Micro Programer: AVR ISP / AVRISP MKII Sada možemo pogledati interakciju između Arduina i računala.

Korak 6: Android aplikacija

Sada imamo potpuno funkcionalno napajanje, ali još nemamo način da ga kontroliramo. Veoma naporan. Napravit ćemo Android aplikaciju za kontrolu napajanja putem Bluetootha.

Aplikacija je izrađena s programom izumitelja aplikacija MIT. Mogu se uključiti sve datoteke za kloniranje i izmjenu projekta. Prvo preuzmite prateću aplikaciju MIT AI2 na svoj telefon. Zatim uvezite.aia datoteku na web mjesto umjetne inteligencije. Ovo vam također omogućuje preuzimanje aplikacije na svoj telefon odabirom "Build> App (navedite QR kôd za.apk)"

Da biste koristili aplikaciju, odaberite Bluetooth uređaj s popisa: prikazat će se kao HC-05 modul. Kad ste povezani, sve se postavke mogu promijeniti i očitati izlaz napajanja.

Korak 7: Java kod

Za bilježenje podataka i kontrolu napajanja putem računala napravio sam java aplikaciju. To nam omogućuje jednostavno upravljanje pločom putem grafičkog sučelja. Kao i kod Arduino koda, neću ulaziti u sve detalje, već ću dati pregled.

Počinjemo izradom prozora s gumbima, tekstualnim poljima itd; osnovne GUI stvari.

Sada slijedi zabavni dio: dodavanje USB priključaka, za koje sam koristio knjižnicu jSerialComm. Kad odaberete port, java će osluškivati sve dolazne podatke. Također možemo poslati podatke na uređaj.

Nadalje, svi dolazni podaci spremaju se u csv datoteku radi kasnije obrade podataka.

Prilikom pokretanja.jar datoteke prvo bismo trebali odabrati odgovarajući port s padajućeg izbornika. Nakon povezivanja podaci će početi pristizati, a naše postavke možemo poslati napajanju.

Iako je program prilično jednostavan, može biti vrlo korisno kontrolirati ga putem računala i bilježiti njegove podatke.

Korak 8:

Nakon svih ovih poslova, sada imamo potpuno funkcionalno napajanje!

Sada možemo uživati u vlastitom napajanju, koje će nam dobro doći tijekom rada na drugim izvrsnim projektima! I što je najvažnije: usput smo naučili mnoge stvari.

Ako vam se svidio ovaj projekt, glasajte za mene na natječaju za džepnu veličinu i mikrokontroler, jako bih vam zahvalan!