Napajanje digitalnom baterijom: 7 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 također vrlo precizan, digitalni i kontroliran putem računala?

U ovom uputstvu pokazat ću vam kako izgraditi upravo to: digitalno napajanje napajano baterijom, koje je kompatibilno s arduinom i može se upravljati putem računala putem USB -a.

Neko vrijeme unatrag izgradio sam napajanje od starog ATX PSU -a, i iako radi odlično, želio sam pojačati svoju igru digitalnim napajanjem. Kao što je već rečeno, napajaju ga baterije (točnije 2 litijske ćelije), a može isporučiti najviše 20 V pri 1 A; što je dovoljno za većinu mojih projekata koji zahtijevaju precizno napajanje.

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

Započnimo!

Korak 1: Značajke i cijena

Značajke

• Načini rada s konstantnim naponom i konstantnom strujom
• Koristi linearni regulator s niskim šumom, kojemu prethodi predregulator za praćenje radi smanjenja rasipanja energije
• Korištenje ručno sklopivih komponenti kako bi projekt bio dostupan
• Pokreće ATMEGA328P, programirano s Arduino IDE
• Komunikacija s računalom putem Java aplikacije preko mikro USB -a
• Pokreću ga 2 zaštićene 18650 litij -ionske ćelije
• 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 - 20V, koraci od 20 mV (10 bitni DAC) (pravi rad 0 V)
• Mjerenje napona: rezolucija 20 mV (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 135 USD, sa svim jednokratnim komponentama. Baterije su najskuplji dio (30 USD za 2 ćelije) jer su zaštićene 18650 litijevih ćelija. Moguće je značajno smanjiti troškove ako nije potreban rad baterije. Izostavljanjem baterija i kruga punjenja cijena pada na oko 100 USD. 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 s baterijama pala bi na 100 USD, a bez njih 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 (C9 & R26). Time se proizvodi analogni napon - između 0 i 5 V - proporcionalan željenom izlaznom naponu. Budući da je naš izlazni raspon 0 - 20 V, morat ćemo pojačati ovaj signal s faktorom 4. To se postiže neinvertirajućom konfiguracijom opampa U3C. Dobit na postavljeni pin određena je pomoću R23 // R24 // R25 i R34. Ovi otpornici su tolerantni 0,1%, kako bi se smanjile pogreške. R39 i R36 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 prigušen za prelazak iz raspona 0 - 5 V u raspon 0 - 2 V. Ovaj napon sada se uspoređuje s padom napona na otporniku osjetnika struje (ADC_Iout, vidi dolje) pomoću usporedne konfiguracije opampa U3D. Ako je struja previsoka, uključit će se LED dioda, a također će se povući postavljena linija LT3080 na masu (preko Q2), čime će se isključiti izlaz. Mjerenje struje i generiranje signala ADC_Iout vrši se na sljedeći način. Izlazna struja teče kroz otpornike R7 - R16. Ovi ukupno 1 ohm; razlog zašto se 1R ne koristi na prvom mjestu je dvostruk: 1 otpornik trebao bi imati veću snagu (mora raspršiti najmanje 1 W), a paralelnom upotrebom 10 1% otpornika dobivamo veću preciznost od s jednim 1 % otpornikom. Dobar video o tome zašto ovo radi možete pronaći ovdje: https://www.youtube.com/embed/1WAhTdWErrU&t=1s Kad struja teče kroz ove otpornike, stvara pad napona koji možemo mjeriti, a to je postavljen ispred LT3080, jer pad napona na njemu ne bi trebao utjecati na izlazni napon. Pad napona mjeri se diferencijalnim pojačalom (U3B) s pojačanjem 2. To rezultira rasponom napona od 0 - 2 V (više o tome kasnije), dakle razdjelnik napona na PWM signalu struje. Međuspremnik (U3A) je tu da osigura da struja koja teče u otpornike R21, R32 i R33 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 R41) 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. Zener dioda D3 koristi se za stezanje izlaznog napona ako pređe 22 V, a razdjelnik otpornika spusti raspon izlaznog napona od 0 - 20 V do 0 - 2 V (ADC_Vout). Nažalost, ti su krugovi na izlazu iz LT3080, što znači da će njihova struja pridonijeti izlaznoj struji koju želimo mjeriti. Srećom, te su struje konstantne ako napon ostane konstantan; tako da možemo kalibrirati struju kad je opterećenje prvo isključeno.

Pumpa za punjenje

Negativni napon koji smo prije spomenuli generira neobičan mali krug: pumpa za punjenje. Za svoj rad, pozvao bih se ovdje: https://www.youtube.com/embed/1WAhTdWErrU&t=1s Napaja se 50% PWM mikrokontrolera (PWM)

Boost Converter

Pogledajmo sada ulazni napon našeg glavnog bloka: Vboost. Vidimo da je to 8 - 24V, ali pričekajte, 2 litijeve ćelije u seriji daju maksimalno 8,4 V? Doista, i zato moramo pojačati napon, takozvanim pretvaračem pojačanja. Uvijek smo mogli povećati napon na 24 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.

Punjenje baterije

To nas dovodi do stvarnog ulaznog napona: baterije! Budući da koristimo zaštićene stanice, jednostavno ih moramo staviti u niz i gotovi smo! Ovdje je važno koristiti zaštićene stanice kako bi se izbjeglo prekomjerno strujanje ili pretjerano pražnjenje, a time i oštećenje stanica. Opet, koristimo razdjelnik napona za mjerenje napona akumulatora i njegovo spuštanje do korisnog raspona. Sada na zanimljiv dio: sklop punjenja. U tu svrhu koristimo čip BQ2057WSN: u kombinaciji s TIP32CG u osnovi sam stvara linearno napajanje. Ovaj čip puni ćelije putem odgovarajuće CV CC putanje. Budući da moje baterije nemaju temperaturnu sondu, ovaj ulaz bi trebao biti vezan za polovicu napona baterije. Time je zaključen dio regulacije napona napajanja.

5V regulator

Opskrbni napon od 5 V arduina izrađen je s ovim jednostavnim regulatorom napona. Međutim, to nije najprecizniji izlaz od 5 V, ali to će biti riješeno u nastavku.

2,048 V referentni napon

Ovaj mali čip pruža vrlo točnu referentnu vrijednost napona od 2.048 V. Ovo se koristi kao referenca za analogne signale ADC_Vout, ADC_Iout, ADC_Vbatt. Zato su nam bili potrebni razdjelnici napona da bismo te signale spustili na 2 V. Mikrokontroler Mozak ovog projekta je ATMEGA328P, to je isti čip koji se koristi u Arduino Uno. Već smo prešli većinu kontrolnih signala, no ipak postoje neki zanimljivi dodaci. Rotacijski davači spojeni su na 2 jedina vanjska prekidna pina arduina: PD2 i PD3. To je potrebno za pouzdanu implementaciju softvera. Prekidači ispod koriste unutarnji otpornik. Zatim postoji taj čudni razdjelnik napona na liniji za odabir čipa potenciometra (lonac). Razdjelnik napona na izlazu, čemu služi to; mogli biste reći. Kao što je već spomenuto, napajanje od 5 V nije strahovito točno. Stoga bi bilo dobro to točno izmjeriti i sukladno tome prilagoditi radni ciklus PWM signala. 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 čipa.

Upravljački program zaslona

Za zaslon sam želio općenito dostupan - i jeftin - hitachi LCD zaslon. Pokreće ih 6 pinova, ali budući da mi više nije bilo iglica, trebalo mi je drugo rješenje. Registar pomaka u pomoć! 74HC595 omogućuje mi korištenje SPI linije za upravljanje zaslonom, pa mi je potrebna samo 1 dodatna linija za odabir čipa.

FTDI

Posljednji dio ovog napajanja je povezanost s okrutnim vanjskim svijetom. Za to moramo pretvoriti serijske signale u USB signale. To čini FTDI čip, koji je spojen na mikro USB priključak radi lakšeg povezivanja.

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.

Prvi korak je lemljenje SMD komponenti. Većinu njih je lako izvesti ručno, osim iz FTDI čipa i mikro USB priključka. Stoga možete sami izbjeći lemljenje te 2 komponente i umjesto toga upotrijebiti FTDI razbojnu ploču. Dao sam zaglavlje igle na koje se ovo može lemiti.

Kad je rad na SMD -u završen, možete prijeći na sve komponente rupa. Ovo su vrlo jednostavni. Za čipove ćete možda htjeti koristiti utičnice umjesto da ih lemite izravno na ploču. Poželjno je koristiti ATMEGA328P s Arduino pokretačkim programom, inače ćete ga morati učitati pomoću ICSP zaglavlja (prikazano ovdje).

Jedini dio koji treba malo više pažnje je LCD zaslon jer ga je potrebno montirati pod kutom. Na njega zalemite nekoliko muških zakrivljenih zaglavlja, s plastičnim komadom okrenutim prema donjoj strani ekrana. To će omogućiti dobro postavljanje zaslona na tiskanu ploču. Nakon toga može se lemiti na mjestu kao i svaka druga komponenta kroz rupu.

Jedino što trebate učiniti je dodati 2 žice koje će se spojiti na stezaljke banane na prednjoj ploči.

Korak 4: Kućište i montaža

S izrađenim PCB -om možemo prijeći na kućište. Posebno sam dizajnirao tiskanu ploču oko ovog hamond kućišta, pa se ne preporučuje uporaba drugog kućišta. Međutim, uvijek možete 3D ispisati kućište istih dimenzija.

Prvi korak je priprema završne ploče. Morat ćemo izbušiti neke rupe za vijke, prekidače itd. To sam učinio ručno, ali ako imate pristup CNC -u to bi bila točnija opcija. Rupe sam napravio prema shemi i lupkao rupe za vijke.

Bilo bi dobro sada dodati nekoliko svilenih jastučića i držati ih na mjestu s malom kapljicom super ljepila. Oni će izolirati LT3080 i TIP32 od stražnje ploče, a istovremeno omogućiti prijenos topline. Ne zaboravite ih! Prilikom pričvršćivanja čipsa na stražnju ploču upotrijebite podlošku od tinjca kako biste osigurali izolaciju!

Sada se možemo usredotočiti na prednju ploču koja samo klizi na mjestu. Sada možemo dodati utičnice za banane i gumbi za rotacijske davače.

S obje ploče na mjestu sada možemo umetnuti sklop u kućište, dodati baterije i sve zatvoriti. Koristite zaštićene baterije jer ne želite da ćelije eksplodirati!

U ovom trenutku hardver je gotov, sada je preostalo samo upropastiti ga u softver!

Korak 5: Arduino kod

Mozak ovog projekta je ATMEGA328P, 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. Čitajte serijske podatke iz Jave
2. Gumbi za glasanje
3. Izmjerite napon
4. Izmjerite struju
5. Izmjerite struju pomoću INA219
6. Pošaljite serijske podatke u javu
7. Konfigurirajte boostconvertor
8. Napunite bateriju
9. Zaslon za ažuriranje

Rotacijskim koderima upravlja rutina prekida kako bi bili što je moguće odgovorniji.

Kôd se sada može učitati na ploču putem mikro USB priključka (ako čip ima bootloader). Ploča: Arduino pro ili pro mini Programer: AVR ISP / AVRISP MKII

Sada možemo pogledati interakciju između Arduina i računala.

Korak 6: 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 7: Uspjeh

Nakon svih ovih poslova, sada imamo potpuno funkcionalno napajanje!

Moram zahvaliti i nekim ljudima na podršci:

• Projekt se temeljio na EEVBLOG -ovom projektu uSupply i njegovoj shemi Rev C. Stoga posebna hvala Davidu L. Jonesu što je objavio svoje sheme pod licencom otvorenog koda i podijelio svo svoje znanje.
• Veliko hvala Johan Pattynu za izradu prototipova ovog projekta.
• Također Cedric Busschots i Hans Ingelberts zaslužni su za pomoć pri rješavanju problema.

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 powersupply, jako bih vam zahvalan! Https: //www.instructables.com/contest/powersupply/

Druga nagrada na natjecanju za napajanje