Rəqəmsal Batareya ilə İşlənən Güc Təchizatı: 7 Adım (Şəkillərlə birlikdə)

2024 Müəllif: John Day | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2024-01-30 07:47

Yaxınlıqdakı divar prizi olmasa belə, yolda istifadə edə biləcəyiniz bir güc təchizatı istəmisinizmi? Həm də çox dəqiq, rəqəmsal və kompüter vasitəsi ilə idarə oluna bilsəydi, yaxşı olmazmı?

Bu təlimatda sizə tam olaraq bunu necə quracağınızı göstərəcəyəm: arduino ilə uyğun olan və USB vasitəsilə PC vasitəsilə idarə oluna bilən rəqəmsal batareya ilə işləyən güc təchizatı.

Bir müddət əvvəl köhnə bir ATX PSU -dan bir güc təchizatı qurdum və əla işləyərkən rəqəmsal güc təchizatı ilə oyununuzu artırmaq istədim. Artıq dediyimiz kimi, batareyalarla işləyir (dəqiq desək 2 litium hüceyrə) və 1 A -da maksimum 20 V verə bilər; dəqiq bir güc təchizatı tələb edən layihələrimin çoxu üçün çoxdur.

Bütün dizayn prosesini göstərəcəyəm və bütün layihə sənədlərini GitHub səhifəmdə tapa bilərsiniz:

Gəlin başlayaq!

Addım 1: Xüsusiyyətlər və Qiymət

Xüsusiyyətləri

• Sabit gərginlik və sabit cərəyan rejimi
• Güc itkisini minimuma endirmək üçün əvvəlcədən bir izləmə ön tənzimləyicisi olan aşağı səs -küylü xətti tənzimləyici istifadə edir.
• Layihənin əlçatan olması üçün əllə işləyən komponentlərin istifadəsi
• Arduino IDE ilə proqramlaşdırılmış ATMEGA328P ilə təchiz edilmişdir
• Mikro USB üzərindən Java tətbiqi ilə kompüter əlaqəsi
• 2 qorunan 18650 Lityum İon hüceyrə ilə təchiz edilmişdir
• BNC adapterləri ilə uyğunluq üçün 18 mm aralığında banan fişləri

Xüsusiyyətlər

• 0 - 1A, addımlar 1 mA (10 bit DAC)
• 0 - 20V, 20 mV (10 bit DAC) addımları (əsl 0V işləməsi)
• Gərginliyin ölçülməsi: 20 mV qətnamə (10 bit ADC)

• Cari ölçmə:

  • <40mA: 10uA qətnamə (ina219)
  • <80mA: 20uA qətnamə (ina219)
  • <160mA: 40uA qətnamə (ina219)
  • <320mA: 80uA qətnamə (ina219)
  • > 320mA: 1mA qətnamə (10 bit ADC)

Qiymət

Tam güc təminatı, birdəfəlik komponentlərlə birlikdə mənə 135 dollara başa gəldi. Batareyalar 18650 lityum hüceyrədən qorunduğu üçün ən bahalı hissədir (2 hüceyrə üçün 30 dollar) və batareyanın işləməsinə ehtiyac olmadığı təqdirdə xərcləri əhəmiyyətli dərəcədə azaltmaq mümkündür. Batareyaları və şarj sistemini buraxaraq qiymət təxminən 100 dollara enir. Bu bahalı görünsə də, çox az performansa və xüsusiyyətlərə malik olan təchizatlar çox vaxt bundan baha başa gəlir.

Komponentlərinizi ebaydan və ya aliexpress -dən sifariş etməyinizdən çəkinməsəniz, batareyaların qiyməti 100 dollara, onsuz da 70 dollara düşərdi. Parçaların daxil olması daha uzun çəkir, amma bu, uyğun bir seçimdir.

Addım 2: Əməliyyat Şeması və Nəzəriyyəsi

Dövrənin işini başa düşmək üçün sxemə baxmalıyıq. Bunu başa düşmək daha asan olacaq şəkildə funksional bloklara ayırdım; Əməliyyatı addım -addım izah edəcəyəm. Bu hissə olduqca dərindir və yaxşı bir elektronika biliyi tələb edir. Yalnız dövrənin necə qurulacağını bilmək istəyirsinizsə, növbəti addıma keçə bilərsiniz.

Əsas blok

Əməliyyat LT3080 çipi ətrafında qurulub: nəzarət siqnalına əsaslanan gərginliyi aşağı sala bilən xətti bir gərginlik tənzimləyicisidir. Bu nəzarət siqnalı bir mikro nəzarətçi tərəfindən yaradılacaq; bunun necə edildiyi, daha sonra ətraflı izah ediləcək.

Gərginlik ayarı

LT3080 ətrafındakı dövrə müvafiq nəzarət siqnalları yaradır. Əvvəlcə gərginliyin necə qurulduğunu nəzərdən keçirəcəyik. Mikro nəzarətçidən gələn gərginlik ayarı, aşağı keçid filtri (C9 & R26) ilə süzülən PWM siqnaldır (PWM_Vset). Bu, analoq bir gərginlik yaradır - 0 ilə 5 V arasında - istədiyiniz çıxış gərginliyinə mütənasibdir. Çıxış aralığımız 0 - 20 V olduğu üçün bu siqnalı 4 faktorla gücləndirməliyik. Bu, U3C -nin ters çevrilməyən opamp konfiqurasiyası ilə edilir. Ayarlanan pin üçün qazanc R23 // R24 // R25 və R34 ilə müəyyən edilir. Səhvləri minimuma endirmək üçün bu rezistorlar 0,1% dözümlüdür. R39 və R36 burada fərq etməz, çünki geribildirim döngəsinin bir hissəsidir.

Cari ayar

Bu set pimi ikinci parametr üçün də istifadə edilə bilər: cari rejim. Cari çəkilişi ölçmək və istədiyiniz cərəyanı aşdıqda çıxışı söndürmək istəyirik. Buna görə yenidən mikro nəzarətçi tərəfindən yaradılan bir PWM siqnalı (PWM_Iset) ilə başlayırıq, indi aşağı keçidlə süzülür və 0 - 5 V aralığından 0 - 2 V aralığına keçmək üçün zəiflədilir. Bu gərginlik, opamp U3D -nin müqayisəli konfiqurasiyası ilə cari hiss rezistorundakı (ADC_Iout, aşağıya baxın) gerilim düşməsi ilə müqayisə olunur. Cərəyan çox yüksəkdirsə, bu bir LED açacaq və LT3080 -in müəyyən edilmiş xəttini yerə (Q2 vasitəsilə) çəkəcək və bununla da çıxışı söndürəcək. Cərəyanın ölçülməsi və ADC_Iout siqnalının istehsalı aşağıdakı kimi aparılır. Çıxış cərəyanı R7 - R16 rezistorlarından keçir. Bu cəmi 1 ohm; ilk növbədə 1R istifadə etməməyimizin səbəbi ikiqatdır: 1 rezistorun daha yüksək güc dərəcəsinə malik olması lazımdır (ən azı 1 Vt gücündə yayılması lazımdır) və paralel olaraq 10% 1 rezistor istifadə edərək daha yüksək dəqiqlik əldə edirik. tək 1 % rezistor ilə. Bunun niyə işlədiyinə dair yaxşı bir videonu burada tapa bilərsiniz: https://www.youtube.com/embed/1WAhTdWErrU&t=1s Cərəyan bu rezistorlardan keçəndə ölçə biləcəyimiz bir gərginlik azalması yaradır və bu LT3080 -dən əvvəl yerləşdirilir, çünki üzərindəki gərginlik düşməsi çıxış gərginliyinə təsir etməməlidir. Gərginliyin düşməsi 2 mənfəətlə diferensial gücləndirici (U3B) ilə ölçülür. Bu, 0 - 2 V (daha sonra bundan sonra) aralığında gərginliklə nəticələnir, buna görə də cərəyanın PWM siqnalında gərginlik bölücüdür. Tampon (U3A), R21, R32 və R33 rezistorlarına axan cərəyanın oxunuşuna təsir edəcək cari hiss rezistorundan keçmədiyinə əmin olmaq üçün var. Həm də unutmayın ki, bu, relsdən dəmiryoluna qədər bir opamp olmalıdır, çünki müsbət girişdəki giriş gərginliyi təchizat gərginliyinə bərabərdir. Ters çevrilməyən gücləndirici yalnız kurs ölçümü üçündür, amma çox dəqiq ölçmələr üçün təyyarəmizdə INA219 çipi var. Bu çip çox kiçik cərəyanları ölçməyimizə imkan verir və I2C vasitəsi ilə həll olunur.

Əlavə şeylər

LT3080 -in çıxışında daha çox şeyimiz var. Hər şeydən əvvəl, cari bir lavabo var (LM334). Bu, LT3080 -ni sabitləşdirmək üçün 677 uA sabit bir cərəyan çəkir (R41 rezistoru tərəfindən təyin olunur). Bununla birlikdə, yerə deyil, mənfi bir gerilim olan VEE -yə bağlıdır. Bu, LT3080 -in 0 V -ə qədər işləməsini təmin etmək üçün lazımdır, yerə qoşulduqda, ən aşağı gərginlik təxminən 0,7 V olardı. Zener diod D3, 22 V -dan yuxarı çıxdıqda çıxış gərginliyini sıxmaq üçün istifadə olunur və müqavimət bölücü çıxış gərginliyi aralığını 0 - 20 V -dan 0 - 2 V -ə endirir (ADC_Vout). Təəssüf ki, bu sxemlər LT3080 -dən çıxır, yəni cərəyanını ölçmək istədiyimiz çıxış cərəyanına kömək edəcək. Xoşbəxtlikdən, gərginlik sabit qaldıqda bu cərəyanlar sabitdir; əvvəlcə yük ayrıldıqda cərəyanı kalibr edə bilərik.

Şarj nasosu

Daha əvvəl bəhs etdiyimiz mənfi gərginlik, maraqlanan kiçik bir dövrədən yaranır: şarj nasosu. İşləməsi üçün bura müraciət edərdim: https://www.youtube.com/embed/1WAhTdWErrU&t=1s 50% mikrokontrolörün (PWM) PWM ilə qidalanır.

Boost çeviricisi

İndi əsas blokumuzun giriş gərginliyinə nəzər salaq: Vboost. 8 - 24V olduğunu görürük, amma gözləyin, 2 lityum hüceyrə ardıcıl olaraq maksimum 8,4 V verir? Həqiqətən, və buna görə də sözdə bir gücləndirici çevirici ilə gərginliyi artırmalıyıq. İstədiyimiz çıxışdan asılı olmayaraq, gərginliyi həmişə 24 V -a qədər artıra bilərik; Bununla birlikdə, bu LT3080 -də çox enerji sərf edəcək və hər şey qızardı! Beləliklə, bunu etmək əvəzinə, gərginliyi çıxış gərginliyindən bir qədər çox artıracağıq. Təxminən 2,5 V daha yüksəkdirsə, cari mənada rezistorun geriləməsi və LT3080 -in düşmə gərginliyi nəzərə alınmalıdır. Gərginlik, gücləndirici çeviricinin çıxış siqnalındakı rezistorlar tərəfindən təyin olunur. Bu gərginliyi dərhal dəyişdirmək üçün SPI vasitəsilə idarə olunan MCP41010 rəqəmsal potansiyometrindən istifadə edirik.

Batareyanın doldurulması

Bu bizi real giriş gərginliyinə aparır: batareyalar! Qorunan hüceyrələrdən istifadə etdiyimiz üçün onları sadəcə seriyalaşdırmalıyıq və işimiz bitdi! Hüceyrələrin həddindən artıq cərəyan etməsini və ya həddindən artıq axmasını və bununla da zədələnməsinin qarşısını almaq üçün burada qorunan hüceyrələrdən istifadə etmək vacibdir. Yenə də, batareyanın gərginliyini ölçmək və istifadə edilə bilən aralığa endirmək üçün bir gərginlik ayırıcıdan istifadə edirik. İndi maraqlı hissəyə keçək: şarj sistemi. Bu məqsədlə BQ2057WSN çipindən istifadə edirik: TIP32CG ilə birlikdə əsasən xətti bir güc təchizatı təşkil edir. Bu çip, hüceyrələri uyğun bir CV CC traektoriyası ilə doldurur. Batareyalarımda temperatur probu olmadığından bu giriş batareyanın gərginliyinin yarısına bağlanmalıdır. Bu, güc tədarükünün gərginlik tənzimləmə hissəsini bağlayır.

5V tənzimləyici

Arduinonun 5 V təchizatı gərginliyi bu sadə gərginlik tənzimləyicisi ilə hazırlanır. Ən dəqiq 5 V çıxışı deyil, ancaq aşağıda həll ediləcək.

2.048 V gərginlikli istinad

Bu kiçik çip çox dəqiq 2.048 V gərginlik istinadını təmin edir. Bu, ADC_Vout, ADC_Iout, ADC_Vbatt analoq siqnalları üçün istinad kimi istifadə olunur. Bu siqnalları 2 V -ə endirmək üçün gərginlik bölücülərə ehtiyacımız var. Mikro nəzarətçi Bu layihənin beyni ATMEGA328P -dir, bu Arduino Uno -da istifadə olunan çipdir. Əksər nəzarət siqnallarını keçdik, amma buna baxmayaraq bəzi maraqlı əlavələr var. Döner kodlayıcılar arduinonun yalnız 2 xarici kəsmə pininə bağlıdır: PD2 və PD3. Bu, etibarlı bir proqram tətbiqi üçün lazımdır. Aşağıdakı açarlar daxili çəkmə rezistoru istifadə edir. Sonra potansiyometrin (Pot) çip seçmə xəttində bu qəribə gərginlik bölücü var. Bir çıxışda bir gərginlik bölücü, bunun nə xeyri var; deyə bilərsən. Daha əvvəl də qeyd edildiyi kimi, 5 V təchizatı heç də dəqiq deyil. Buna görə bunu dəqiq ölçmək və PWM siqnalının iş dövrünü buna uyğun olaraq düzəltmək yaxşı olardı. Ancaq artıq sərbəst girişlərim olmadığından, ikiqat vəzifəli bir pin çəkmək məcburiyyətində qaldım. Güc təchizatı çəkildikdə, bu pin əvvəlcə giriş olaraq təyin olunur: tədarük xəttini ölçür və özünü kalibr edir. Sonra, bir çıxış olaraq təyin olunur və çip seçmək xəttini idarə edə bilər.

Ekran Sürücü

Ekran üçün, ən çox satılan və ucuz - hitachi lcd ekranı istədim. 6 sancaqla idarə olunurlar, amma heç bir sancağım qalmadığı üçün başqa bir həllə ehtiyacım var idi. Xilasetmə üçün bir qeyd qeydiyyatı! 74HC595, ekranı idarə etmək üçün SPI xəttindən istifadə etməyimə imkan verir, buna görə yalnız 1 əlavə çip seçmək xəttinə ehtiyacım var.

FTDI

Bu güc tədarükünün son hissəsi qəddar, xarici dünya ilə əlaqədir. Bunun üçün serial siqnallarını USB siqnallarına çevirməliyik. Bu, asan bir əlaqə üçün mikro USB portuna qoşulmuş bir FTDI çipi tərəfindən edilir.

Və bütün bunlar var!

Addım 3: PCB və Elektronika

İndi dövrənin necə işlədiyini başa düşdükdən sonra onu qurmağa başlaya bilərik! PCB -ni onlayn olaraq ən sevdiyiniz istehsalçıdan sifariş edə bilərsiniz (mina dəyəri təxminən 10 dollar), gerber sənədləri material hesabatı ilə birlikdə GitHub -da tapıla bilər. PCB -nin yığılması, əsasən ipək ekrana və material hesabına uyğun olaraq komponentlərin lehimlənməsi məsələsidir.

İlk addım SMD komponentlərini lehimləməkdir. FTDI çipi və mikro USB konnektoru istisna olmaqla, əksəriyyəti əllə etmək asandır. Buna görə, bu 2 komponenti özünüz lehimləməkdən qaçın və bunun yerinə bir FTDI qırılma taxtası istifadə edin. Bunun lehimlənə biləcəyi başlıq pinləri verdim.

SMD işi tamamlandıqda, bütün deşik komponentlərinə keçə bilərsiniz. Bunlar çox sadədir. Çiplər üçün yuvaları birbaşa lövhəyə lehimləmək əvəzinə istifadə etmək istəyə bilərsiniz. Arduino bootloader ilə ATMEGA328P istifadə etmək daha yaxşıdır, əks halda ICSP başlığını istifadə edərək yükləməlisiniz (burada göstərilmişdir).

Bir az daha diqqətə ehtiyacı olan yeganə hissə lcd ekrandır, çünki bucaq altında quraşdırılmalıdır. Plastik parçanın ekranın alt tərəfinə baxaraq, bəzi kişi bucaqlı başlıqları üzərinə lehimləyin. Bu, ekranın PCB -də yaxşı yerləşdirilməsinə imkan verəcəkdir. Bundan sonra, hər hansı digər deşik komponenti kimi yerində lehimlənə bilər.

Qalan şey, ön lövhədəki banan terminallarına bağlanacaq 2 tel əlavə etməkdir.

Addım 4: Kassa və Montaj

Hazırlanmış PCB ilə işə davam edə bilərik. PCB -ni bu hamam qutusu ətrafında xüsusi olaraq hazırladım, buna görə başqa bir qutudan istifadə etmək tövsiyə edilmir. Ancaq eyni ölçüdə bir çantanı hər zaman 3D çap edə bilərsiniz.

İlk addım son paneli hazırlamaqdır. Vintlər, açarlar və s. Üçün bir neçə delik açmalıyıq. Bunu əllə etdim, ancaq bir CNC -ə çıxışınız varsa, bu daha doğru bir seçim olardı. Delikləri sxemə görə düzəltdim və vida deliklərini vurdum.

İndi bir az ipək yastıq əlavə etmək və kiçik bir damla super yapışqan ilə yerində saxlamaq yaxşı bir fikirdir. Bunlar LT3080 və TIP32 -ni arxa plakadan təcrid edəcək, eyni zamanda istilik ötürülməsinə imkan verəcəkdir. Onları unutmayın! Çipləri arxa panelə vidalarkən, izolyasiyanı təmin etmək üçün mika yuyucusu istifadə edin!

İndi yerində sürüşən ön panelə diqqət edə bilərik. İndi banan yuvalarını və fırlanan kodlayıcıların düymələrini əlavə edə bilərik.

Hər iki panelin yerində olması halında montajı qutuya daxil edə, batareyaları əlavə edib hamısını bağlaya bilərik. Qorunan batareyalardan istifadə etdiyinizə əmin olun, hüceyrələrin partlamasını istəmirsiniz!

Bu anda hardware tamamlandı, indi geriyə qalan yalnız proqramla bir az can atmaqdır!

Addım 5: Arduino Kodu

Bu layihənin beyni Arduino IDE ilə proqramlaşdıracağımız ATMEGA328P -dir. Bu bölmədə kodun əsas əməliyyatından keçəcəyəm, detallar kodun içərisində şərh olaraq tapıla bilər.

Kod əsasən bu addımlardan keçir:

1. Java -dan serial məlumatlarını oxuyun
2. Anket düymələri
3. Gərginliyi ölçün
4. Cərəyanı ölçün
5. INA219 ilə cərəyanı ölçün
6. Java -ya seriya məlumatları göndərin
7. Boostconvertor konfiqurasiya edin
8. Batareya şarjını alın
9. Ekranı yeniləyin

Döner kodlayıcılar, mümkün qədər cavab verməsi üçün bir fasilə xidmət qaydası ilə idarə olunur.

İndi kodu mikro USB portu vasitəsilə çipə yükləmək olar (əgər çipdə önyükləyici varsa). Board: Arduino pro və ya mini mini Proqramçı: AVR ISP / AVRISP MKII

İndi Arduino ilə PC arasındakı qarşılıqlı əlaqəyə baxa bilərik.

Addım 6: Java Kodu

Məlumatların qeydiyyatı və kompüter vasitəsilə güc tədarükünə nəzarət etmək üçün bir java tətbiqi hazırladım. Bu, GUI vasitəsilə lövhəni asanlıqla idarə etməyə imkan verir. Arduino kodunda olduğu kimi, bütün detallara girməyəcəyəm, ancaq ümumi bir məlumat verəcəyəm.

Düymələr, mətn sahələri və s. Olan bir pəncərə düzəltməklə başlayırıq; əsas GUI məhsulları.

İndi əyləncəli hissə gəlir: jSerialComm kitabxanasından istifadə etdiyim USB portlarını əlavə etmək. Bir liman seçildikdən sonra java gələn məlumatları dinləyəcək. Cihaza məlumat göndərə bilərik.

Bundan əlavə, bütün gələn məlumatlar sonrakı məlumatların işlənməsi üçün bir csv faylında saxlanılır.

. Jar faylını işləyərkən əvvəlcə açılan menyudan doğru portu seçməliyik. Bağlandıqdan sonra məlumatlar daxil olmağa başlayacaq və parametrlərimizi güc təchizatına göndərə bilərik.

Proqram olduqca sadə olsa da, onu kompüter vasitəsilə idarə etmək və məlumatlarını qeyd etmək çox faydalı ola bilər.

Addım 7: Uğur

Bütün bu işlərdən sonra artıq tam funksional güc təchizatına sahibik!

Bəzi insanlara dəstəyinə görə təşəkkür etməliyəm:

• Layihə EEVBLOG -un uSupply layihəsinə və onun Rev C sxeminə əsaslanır. Açıq mənbə lisenziyası altında sxemlərini buraxdığı və bütün biliklərini paylaşdığı üçün David L. Jones'a xüsusi təşəkkürlər.
• Bu layihənin prototiplərini hazırladığı üçün Johan Pattynə böyük təşəkkürlər.
• Həmçinin Cedric Busschots və Hans Ingelberts, problemlərin aradan qaldırılmasında köməyə görə layiqdirlər.

İndi digər zəhmli layihələr üzərində işləyərkən lazımlı olacaq öz evimizdə hazırlanan güc tədarükündən zövq ala bilərik! Və ən əsası: yol boyu çox şey öyrəndik.

Bu layihəni bəyənmisinizsə, zəhmət olmasa, səlahiyyətlər yarışmasında mənə səs verin, çox məmnun olaram! Https: //www.instructables.com/contest/powersupply/

Enerji təchizatı yarışmasında ikinci mükafat