Napájanie digitálnou batériou: 7 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 12:00

Už ste niekedy chceli napájací zdroj, ktorý môžete používať na cestách, dokonca aj bez elektrickej zásuvky v okolí? A nebolo by skvelé, keby bol aj veľmi presný, digitálny a ovládateľný pomocou počítača?

V tomto návode vám ukážem, ako presne postaviť: digitálne napájanie napájané batériou, ktoré je kompatibilné s arduino a dá sa ovládať prostredníctvom počítača cez USB.

Pred nejakým časom som postavil napájací zdroj zo starého zdroja ATX a napriek tomu, že funguje skvele, chcel som v hre posilniť digitálne napájanie. Ako už bolo povedané, je napájaný batériami (presnejšie 2 lítiové články) a môže dodávať maximálne 20 V pri 1 A; čo je dosť pre väčšinu mojich projektov, ktoré vyžadujú presné napájanie.

Ukážem celý proces návrhu a všetky súbory projektu nájdete na mojej stránke GitHub:

Začnime!

Krok 1: Vlastnosti a náklady

Vlastnosti

• Režimy konštantného napätia a konštantného prúdu
• Na minimalizáciu straty energie používa lineárny regulátor s nízkym šumom, ktorému predchádza sledovací predregulátor
• Používanie súčiastok, ktoré je možné spájkovať ručne, aby bol projekt prístupný
• Poháňaný ATMEGA328P, programovaný s Arduino IDE
• Komunikácia s počítačom prostredníctvom aplikácie Java cez micro USB
• Napájanie zaisťujú 2 chránené lítium -iónové články 18650
• Banánkové zástrčky s rozstupom 18 mm pre kompatibilitu s adaptérmi BNC

technické údaje

• 0 - 1A, kroky po 1 mA (10 bitový DAC)
• 0 - 20 V, kroky 20 mV (10 bitový DAC) (skutočná prevádzka 0 V)
• Meranie napätia: 20 mV rozlíšenie (10 bit ADC)

• Aktuálne meranie:

  • <40mA: rozlíšenie 10uA (ina219)
  • <80mA: rozlíšenie 20uA (ina219)
  • <160mA: rozlíšenie 40uA (ina219)
  • <320mA: rozlíšenie 80uA (ina219)
  • > 320mA: rozlíšenie 1mA (10 -bitový ADC)

Náklady

Kompletné napájanie ma stálo približne 135 dolárov so všetkými jednorazovými komponentmi. Batérie sú najdrahšou súčasťou (30 dolárov za 2 články), pretože sú chránené lítiovými článkami 18650. Ak nie je potrebná prevádzka na batérie, je možné výrazne znížiť náklady. Vynechaním batérií a nabíjacích obvodov cena klesá zhruba na 100 dolárov. Aj keď sa to môže zdať drahé, napájacie zdroje s oveľa menším výkonom a funkciami často stoja viac.

Ak vám nevadí objednať si komponenty z ebay alebo aliexpress, cena s batériami by klesla na 100 dolárov a 70 dolárov bez nich. Vstup dielov trvá dlhšie, ale je to životaschopná možnosť.

Krok 2: Schéma a teória prevádzky

Aby sme pochopili fungovanie obvodu, budeme sa musieť pozrieť na schému. Rozdelil som ho na funkčné bloky tak, aby bol zrozumiteľnejší; Vysvetlím teda operáciu krok za krokom. Táto časť je dosť hlboká a vyžaduje si dobré znalosti elektroniky. Ak chcete vedieť, ako zostaviť obvod, môžete prejsť na ďalší krok.

Hlavný blok

Operácia je založená na čipe LT3080: je to lineárny regulátor napätia, ktorý môže na základe riadiaceho signálu znižovať napätie. Tento riadiaci signál bude generovaný mikrokontrolérom; ako sa to robí, bude podrobne vysvetlené neskôr.

Nastavenie napätia

Obvody okolo LT3080 generujú príslušné riadiace signály. Najprv sa pozrieme na to, ako je napätie nastavené. Nastavenie napätia z mikrokontroléra je signál PWM (PWM_Vset), ktorý je filtrovaný dolným priepustným filtrom (C9 a R26). Výsledkom je analógové napätie - medzi 0 a 5 V - úmerné požadovanému výstupnému napätiu. Pretože náš výstupný rozsah je 0 - 20 V, budeme musieť tento signál zosilniť s faktorom 4. To sa deje pomocou neinvertujúcej konfigurácie operačného zosilňovača U3C. Zisk na nastavenom kolíku je určený R23 // R24 // R25 a R34. Tieto rezistory sú tolerantné 0,1%, aby sa minimalizovali chyby. Na R39 a R36 tu nezáleží, pretože sú súčasťou slučky spätnej väzby.

Aktuálne nastavenie

Tento kolík je možné použiť aj pre druhé nastavenie: aktuálny režim. Chceme zmerať odber prúdu a vypnúť výstup, keď prekročí požadovaný prúd. Začíname preto znova signálom PWM (PWM_Iset) generovaným mikrokontrolérom, ktorý je teraz dolnopriepustne filtrovaný a zoslabený, aby prešiel z rozsahu 0 - 5 V do rozsahu 0 - 2 V. Toto napätie je teraz porovnané s poklesom napätia na aktuálnom snímacom odpore (ADC_Iout, pozri nižšie) pomocou konfigurácie komparátora operačného zosilňovača U3D. Ak je prúd príliš vysoký, zapne sa LED dióda a tiež sa vytiahne nastavená čiara LT3080 na zem (cez Q2), čím sa vypne výstup. Meranie prúdu a generovanie signálu ADC_Iout sa vykonáva nasledovne. Výstupný prúd preteká cez odpory R7 - R16. Tieto celkom 1 ohm; dôvod, prečo sa v prvom rade nepoužíva 1R, je dvojaký: 1 odpor by musel mať vyšší výkon (musí rozptýliť najmenej 1 W) a súbežným použitím 10 1% odporov dostaneme vyššiu presnosť ako s jediným 1 % odporom. Dobré video o tom, prečo to funguje, nájdete tu: https://www.youtube.com/embed/1WAhTdWErrU&t=1s Keď týmito odpormi preteká prúd, vytvára pokles napätia, ktorý môžeme zmerať, a je umiestnený pred LT3080, pretože pokles napätia na ňom by nemal ovplyvniť výstupné napätie. Pokles napätia sa meria pomocou diferenciálneho zosilňovača (U3B) so ziskom 2. Výsledkom je rozsah napätia 0 - 2 V (o tom neskôr), preto je delič napätia na signáli PWM prúdu. Vyrovnávacia pamäť (U3A) má zaistiť, aby prúd tečúci do odporov R21, R32 a R33 neprechádzal cez súčasný snímací odpor, čo by ovplyvnilo jeho čítanie. Všimnite si tiež, že by to malo byť zosilňovač typu rail-to-rail, pretože vstupné napätie na kladnom vstupe sa rovná napájaciemu napätiu. Neinvertujúci zosilňovač je len na meranie kurzu, ale na veľmi presné merania máme na palube čip INA219. Tento čip nám umožňuje merať veľmi malé prúdy a je adresovaný pomocou I2C.

Doplňujúce veci

Na výstupe z LT3080 máme niekoľko ďalších vecí. V prvom rade je tu prúdový drez (LM334). Na stabilizáciu LT3080 sa čerpá konštantný prúd 677 uA (nastavený odporom R41). Nie je však pripojený k zemi, ale k zápornému napätiu VEE. To je potrebné, aby LT3080 fungoval až na 0 V. Pri pripojení k zemi by najnižšie napätie bolo asi 0,7 V. To sa zdá byť dostatočne nízke, ale majte na pamäti, že nám to bráni úplne vypnúť napájanie. Zenerova dióda D3 sa používa na upnutie výstupného napätia, ak prekročí 22 V, a delič rezistora zníži rozsah výstupného napätia z 0 - 20 V na 0 - 2 V (ADC_Vout). Tieto obvody sú bohužiaľ na výstupe z LT3080, čo znamená, že ich prúd bude prispievať k výstupnému prúdu, ktorý chceme merať. Našťastie sú tieto prúdy konštantné, ak napätie zostáva konštantné; takže môžeme kalibrovať prúd, keď je záťaž najskôr odpojená.

Nabíjacia pumpa

Záporné napätie, ktoré sme už spomenuli, je generované zvláštnym malým obvodom: nabíjacím čerpadlom. Jeho fungovanie by odkazoval sem: https://www.youtube.com/embed/1WAhTdWErrU&t=1s Je napájaný 50% PWM mikrokontroléra (PWM)

Boost Converter

Teraz sa pozrime na vstupné napätie nášho hlavného bloku: Vboost. Vidíme, že je to 8 - 24V, ale počkajte, 2 lítiové články v sérii dajú maximálne 8,4 V? Skutočne, a preto potrebujeme zvýšiť napätie takzvaným zosilňovačom. Vždy sme mohli zvýšiť napätie na 24 V, bez ohľadu na to, aký výstup chceme; v LT3080 by sa však stratilo veľa energie a veci by boli horúce! Takže namiesto toho zvýšime napätie o niečo viac ako výstupné napätie. Je vhodné asi o 2,5 V vyššie, aby sa zohľadnil pokles napätia v prúdovom snímacom odpore a výpadkové napätie LT3080. Napätie je nastavené odpormi na výstupnom signáli zosilňovača zosilňovača. Na zmenu tohto napätia za chodu používame digitálny potenciometer MCP41010, ktorý je ovládaný pomocou SPI.

Nabíjanie batérie

To nás privádza k skutočnému vstupnému napätiu: batériám! Pretože používame chránené bunky, jednoducho ich musíme zaradiť do série a máme hotovo! Je dôležité používať chránené články, aby sa zabránilo nadprúdu alebo nadmernému vybitiu a tým poškodeniu článkov. Opäť používame delič napätia na meranie napätia batérie a jeho zníženie na použiteľný rozsah. Teraz k zaujímavej časti: nabíjacie obvody. Na tento účel používame čip BQ2057WSN: v kombinácii s TIP32CG v podstate tvorí samotné lineárne napájanie. Tento čip nabíja bunky pomocou vhodnej trajektórie CV CC. Pretože moje batérie nemajú teplotnú sondu, tento vstup by mal byť viazaný na polovicu napätia batérie. Tým sa končí časť regulácie napätia napájacieho zdroja.

5V regulátor

Napájacie napätie 5 V arduina je vyrobené týmto jednoduchým regulátorom napätia. Nie je to však najpresnejší 5 V výstup, ale to bude vyriešené nižšie.

Referencia napätia 2,048 V

Tento malý čip poskytuje veľmi presnú referenciu napätia 2 048 V. Toto sa používa ako referencia pre analógové signály ADC_Vout, ADC_Iout, ADC_Vbatt. Preto sme potrebovali rozdeľovače napätia, aby sme znížili tieto signály na 2 V. Mikrokontrolér Mozgom tohto projektu je ATMEGA328P, je to ten istý čip, ktorý sa používa v Arduino Uno. Už sme prešli väčšinu ovládacích signálov, ale napriek tomu existuje niekoľko zaujímavých doplnkov. Rotačné snímače sú pripojené k 2 externým prerušovacím kolíkom arduina: PD2 a PD3. To je potrebné pre spoľahlivú implementáciu softvéru. Spínače pod ním používajú vnútorný výsuvný odpor. Potom je tu tento zvláštny delič napätia na línii výberu čipov potenciometra (Pot). Delič napätia na výstupe, na čo je to dobré; možno poviete. Ako už bolo spomenuté, 5 V napájanie nie je veľmi presné. Bolo by preto dobré to presne zmerať a zodpovedajúcim spôsobom prispôsobiť pracovný cyklus signálu PWM. Ale pretože som nemal žiadne ďalšie voľné vstupy, musel som urobiť dvojitú službu pin pull. Keď sa napájanie spustí, tento kolík je najskôr nastavený ako vstup: meria napájaciu lištu a kalibruje sa. Ďalej je nastavený ako výstup a môže poháňať riadok výberu čipu.

Ovládač displeja

Pre displej som chcel bežne dostupný - a lacný - LCD displej hitachi. Poháňa ich 6 čapov, ale keďže mi už žiadne piny nezostali, potreboval som iné riešenie. Posuvný register na záchranu! 74HC595 mi umožňuje používať riadok SPI na ovládanie displeja, takže mi stačí 1 ďalší riadok na výber čipu.

FTDI

Posledná časť tohto napájania je spojenie s krutým, vonkajším svetom. Na to potrebujeme previesť sériové signály na signály USB. Na to slúži čip FTDI, ktorý je pre ľahké pripojenie pripojený k portu micro USB.

A to je všetko, čo k tomu patrí!

Krok 3: DPS a elektronika

Teraz, keď chápeme, ako obvod funguje, môžeme ho začať stavať! PCB si môžete jednoducho objednať online u svojho obľúbeného výrobcu (môj stojí okolo 10 dolárov), súbory gerber nájdete na mojom GitHub spolu s kusovníkom. Zostavenie DPS je potom v zásade záležitosťou spájkovania komponentov na mieste podľa sieťotlače a kusovníka.

Prvým krokom je spájkovanie súčiastok SMD. Väčšinu z nich je možné vykonať ručne ručne, s výnimkou čipu FTDI a konektora micro USB. Preto sa môžete vyhnúť spájkovaniu týchto 2 komponentov sami a namiesto toho použiť oddeľovaciu dosku FTDI. Poskytol som kolíky záhlavia, na ktoré sa to dá spájkovať.

Keď je práca s SMD hotová, môžete prejsť na všetky súčasti otvorov. Tieto sú veľmi jednoduché. Pre čipy možno budete chcieť použiť zásuvky namiesto ich spájkovania priamo na dosku. Je vhodnejšie použiť ATMEGA328P s bootloaderom Arduino, inak ho budete musieť nahrať pomocou hlavičky ICSP (tu je zobrazené).

Jediná časť, ktorej je potrebné venovať väčšiu pozornosť, je obrazovka LCD, pretože musí byť namontovaná pod uhlom. Na neho spájkujte niekoľko mužských uhlových hlavičiek tak, aby plastový kus smeroval k spodnej strane obrazovky. To umožní dobré umiestnenie obrazovky na doske plošných spojov. Potom môže byť spájkovaný na mieste rovnako ako ostatné súčasti priechodnej diery.

Jediná vec, ktorú musíte urobiť, je pridať 2 vodiče, ktoré sa spoja s banánovými svorkami na prednej doske.

Krok 4: Puzdro a montáž

Keď je doska plošných spojov vyrobená, môžeme pristúpiť k puzdru. DPS som špeciálne navrhol okolo tohto puzdra hammond, takže použitie iného puzdra sa neodporúča. Vždy však môžete vytlačiť 3D puzdro s rovnakými rozmermi.

Prvým krokom je príprava koncového panelu. Budeme musieť vyvŕtať niekoľko otvorov pre skrutky, prepínače atď. Urobil som to ručne, ale ak máte prístup k CNC, bola by to presnejšia možnosť. Vytvoril som otvory podľa schémy a zaklepal na otvory pre skrutky.

Je dobré teraz pridať nejaké hodvábne podložky a držať ich na mieste malou kvapkou super lepidla. Tieto izolujú LT3080 a TIP32 od zadnej dosky, pričom stále umožňujú prenos tepla. Nezabudnite na ne! Pri skrutkovaní čipov na zadný panel použite sľudovú podložku, aby ste zaistili izoláciu!

Teraz sa môžeme zamerať na predný panel, ktorý sa len zasunie na miesto. Teraz môžeme pridať banánové zdviháky a gombíky pre rotačné enkodéry.

Keď sú oba panely na svojom mieste, teraz môžeme vložiť zostavu do puzdra, pridať batérie a všetko uzavrieť. Uistite sa, že používate chránené batérie, nechcete, aby články explodovali!

V tomto bode je hardvér hotový. Teraz už zostáva len do neho vdýchnuť život softvérom!

Krok 5: Kód Arduino

Mozgom tohto projektu je ATMEGA328P, ktorý naprogramujeme pomocou Arduino IDE. V tejto časti si prejdem základnú operáciu kódu, detaily nájdete ako komentáre vo vnútri kódu.

Kód v zásade prechádza týmito krokmi:

1. Prečítajte si sériové údaje z Java
2. Tlačidlá hlasovania
3. Zmerajte napätie
4. Zmerajte prúd
5. Zmerajte prúd pomocou INA219
6. Odoslať sériové údaje do Java
7. Konfigurujte boostconvertor
8. Nabite batériu
9. Aktualizačná obrazovka

O rotačné snímače sa stará rutina prerušenia, aby reagovali čo najskôr.

Kód je teraz možné nahrať na dosku prostredníctvom portu micro USB (ak má čip bootloader). Doska: Arduino pro alebo pro mini Programátor: AVR ISP / AVRISP MKII

Teraz sa môžeme pozrieť na interakciu medzi Arduino a PC.

Krok 6: Kód Java

Na zaznamenávanie údajov a ovládanie napájania prostredníctvom počítača som vytvoril aplikáciu java. To nám umožňuje ľahko ovládať dosku prostredníctvom GUI. Rovnako ako v kóde Arduino nepôjdem do všetkých podrobností, ale poskytnem prehľad.

Začneme tým, že vytvoríme okno s tlačidlami, textovými poľami atď.; základné GUI veci.

Teraz prichádza zábavná časť: pridanie portov USB, na ktoré som použil knižnicu jSerialComm. Keď je vybratý port, java bude počúvať všetky prichádzajúce údaje. Môžeme tiež odosielať údaje do zariadenia.

Ďalej sú všetky prichádzajúce údaje uložené do súboru csv na neskoršie spracovanie údajov.

Pri spustení súboru.jar by sme mali najskôr vybrať správny port z rozbaľovacej ponuky. Po pripojení začnú prichádzať údaje a môžeme odoslať naše nastavenia do napájacieho zdroja.

Aj keď je program celkom základný, môže byť veľmi užitočné ovládať ho prostredníctvom počítača a zaznamenávať jeho údaje.

Krok 7: Úspech

Po tejto všetkej práci máme teraz plne funkčný zdroj napájania!

Musím tiež poďakovať niektorým ľuďom za podporu:

• Projekt vychádzal z projektu uSupply spoločnosti EEVBLOG a jeho schémy Rev C. Osobitné poďakovanie patrí Davidovi L. Jonesovi za vydanie jeho schém pod licenciou open source a za zdieľanie všetkých jeho znalostí.
• Veľká vďaka Johanovi Pattynovi za výrobu prototypov tohto projektu.
• Tiež Cedric Busschots a Hans Ingelberts si zaslúžia poďakovanie za pomoc pri riešení problémov.

Teraz si môžeme užívať vlastné domáce napájanie, ktoré sa bude hodiť pri práci na ďalších úžasných projektoch! A čo je najdôležitejšie: cestou sme sa naučili veľa vecí.

Ak sa vám tento projekt páčil, hlasujte za mňa v súťaži powersupply, veľmi by som to ocenil! Https: //www.instructables.com/contest/powersupply/

Druhá cena v súťaži o napájanie