Furnizimi me energji me bateri dixhitale: 7 hapa (me fotografi)

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:27

Keni kërkuar ndonjëherë një furnizim me energji që mund ta përdorni në lëvizje, edhe pa një prizë muri aty pranë? Dhe a nuk do të ishte mirë nëse do të ishte gjithashtu shumë e saktë, dixhitale dhe e kontrollueshme përmes PC?

Në këtë udhëzues do t'ju tregoj se si ta ndërtoni pikërisht atë: një furnizim me energji dixhitale me bateri, i cili është i pajtueshëm me arduino dhe mund të kontrollohet përmes kompjuterit përmes USB.

Pak kohë më parë, unë ndërtova një furnizim energjie nga një PSU e vjetër ATX, dhe ndërsa funksionon shkëlqyeshëm, doja të rritja lojën time me një furnizim me energji dixhitale. Siç është thënë tashmë, ai mundësohet nga bateri (2 qeliza litiumi për të qenë të saktë), dhe mund të japë një maksimum prej 20 V në 1 A; e cila është e mjaftueshme për shumicën e projekteve të mia që kërkojnë një furnizim të saktë të energjisë.

Unë do të tregoj të gjithë procesin e projektimit, dhe të gjithë skedarët e projektit mund të gjenden në faqen time në GitHub:

Le të fillojmë!

Hapi 1: Karakteristikat dhe kostoja

Karakteristikat

• Modalitetet e vazhdueshme të tensionit dhe rrymës konstante
• Përdor një rregullator linear me zhurmë të ulët, i paraprirë nga një para -rregullues gjurmues për të minimizuar shpërndarjen e energjisë
• Përdorimi i komponentëve të mbajtshëm për dorën për ta mbajtur projektin të arritshëm
• Mundësuar nga ATMEGA328P, e programuar me Arduino IDE
• Komunikimi me PC përmes aplikacionit Java përmes mikro USB
• Mundësuar nga 2 qeliza të mbrojtura 18650 litium jon
• Priza bananeje të vendosura 18 mm për pajtueshmëri me adaptorët BNC

Specifikimet

• 0 - 1A, hapa 1 mA (10 bit DAC)
• 0 - 20V, hapa prej 20 mV (10 bit DAC) (funksionim i vërtetë 0V)
• Matja e tensionit: rezolucioni 20 mV (ADC 10 bit)

• Matja aktuale:

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

Kosto

Furnizimi i plotë me energji më kushtoi rreth 135 dollarë, me të gjithë përbërësit e njëhershëm. Bateritë janë pjesa më e shtrenjtë (30 dollarë për 2 qeliza), pasi ato janë të mbrojtura 18650 qeliza litiumi. Possibleshtë e mundur të ulet kostoja në mënyrë të konsiderueshme nëse nuk nevojitet funksionimi i baterisë. Duke lënë bateritë dhe qarkun e karikimit, çmimi bie në rreth 100 dollarë. Ndërsa kjo mund të duket e shtrenjtë, furnizimet me fuqi me shumë më pak performancë dhe karakteristika shpesh kushtojnë më shumë se kjo.

Nëse nuk e keni problem të porositni përbërësit tuaj nga ebay ose aliexpress, çmimi me bateri do të bjerë në 100 dollarë, dhe 70 dollarë pa. Duhet më shumë kohë që pjesët të hyjnë, por është një opsion i zbatueshëm.

Hapi 2: Skema & Teoria e Operacionit

Për të kuptuar funksionimin e qarkut, do të duhet të shikojmë skemën. E ndava në blloqe funksionale, të tilla që të kuptohen më lehtë; Kështu unë gjithashtu do të shpjegoj operacionin hap pas hapi. Kjo pjesë është mjaft e thelluar dhe kërkon një njohuri të mirë elektronike. Nëse thjesht doni të dini se si të ndërtoni qarkun, mund të kaloni në hapin tjetër.

Blloku kryesor

Operacioni bazohet në çipin LT3080: është një rregullator linear i tensionit, i cili mund të ulë tensionet, bazuar në një sinjal kontrolli. Ky sinjal kontrolli do të gjenerohet nga një mikrokontrollues; si bëhet kjo, do të shpjegohet në detaje më vonë.

Vendosja e tensionit

Qarku rreth LT3080 gjeneron sinjalet e duhura të kontrollit. Së pari, ne do të hedhim një vështrim se si është vendosur tensioni. Vendosja e tensionit nga mikrokontrolluesi është një sinjal PWM (PWM_Vset), i cili filtrohet nga një filtër me kalim të ulët (C9 & R26). Kjo prodhon një tension analog - midis 0 dhe 5 V - proporcional me tensionin e kërkuar të daljes. Meqenëse diapazoni ynë i daljes është 0 - 20 V, ne do të duhet të amplifikojmë këtë sinjal me një faktor 4. Kjo bëhet nga konfigurimi jo përmbysës i opampit të U3C. Fitimi në kunjin e vendosur përcaktohet nga R23 // R24 // R25 dhe R34. Këta rezistorë janë 0.1% tolerantë, për të minimizuar gabimet. R39 dhe R36 nuk kanë rëndësi këtu, pasi ato janë pjesë e lakut të reagimit.

Cilësimi aktual

Ky pin i vendosur gjithashtu mund të përdoret për cilësimin e dytë: modaliteti aktual. Ne duam të matim tërheqjen aktuale dhe ta fikim daljen kur kjo tejkalon rrymën e kërkuar. Prandaj, ne fillojmë përsëri nga një sinjal PWM (PWM_Iset), i krijuar nga mikrokontrolluesi, i cili tani filtrohet dhe zbutet për të kaluar nga një interval 0 - 5 V në një interval 0 - 2 V. Ky tension tani krahasohet me rënien e tensionit në rezistencën shqisore aktuale (ADC_Iout, shih më poshtë) nga konfigurimi krahasues i opamp U3D. Nëse rryma është shumë e lartë, kjo do të ndezë një led, dhe gjithashtu do të tërheqë vijën e vendosur të LT3080 në tokë (përmes Q2), duke fikur kështu daljen. Matja e rrymës, dhe gjenerimi i sinjalit ADC_Iout bëhet si më poshtë. Rryma e daljes rrjedh nëpër rezistorët R7 - R16. Këto gjithsej 1 ohm; arsyeja e mos përdorimit të 1R në radhë të parë është e dyfishtë: 1 rezistencë do të duhet të ketë një vlerësim më të lartë të fuqisë (duhet të shpërndajë të paktën 1 W), dhe duke përdorur 10 rezistente 1% paralelisht, marrim një saktësi më të lartë se me një rezistencë të vetme 1 %. Një video e mirë se pse funksionon kjo mund të gjendet këtu: https://www.youtube.com/embed/1WAhTdWErrU&t=1s Kur rryma rrjedh nëpër këto rezistorë, krijon një rënie të tensionit, të cilën ne mund ta masim, dhe është vendosur para LT3080, meqenëse rënia e tensionit në të nuk duhet të ndikojë në tensionin dalës. Rënia e tensionit matet me një përforcues diferencial (U3B) me një fitim prej 2. Kjo rezulton në një gamë të tensionit prej 0 - 2 V (më shumë për atë më vonë), pra ndarësi i tensionit në sinjalin PWM të rrymës. Tamponi (U3A) është atje për t'u siguruar që rryma që rrjedh në rezistorët R21, R32 dhe R33 nuk po kalon përmes rezistencës shqisore aktuale, e cila do të ndikonte në leximin e saj. Gjithashtu vini re se kjo duhet të jetë një opamp hekurudhor-hekurudhor, sepse tensioni i hyrjes në hyrjen pozitive është i barabartë me tensionin e furnizimit. Përforcuesi jo përmbysës është vetëm për matjen e kursit megjithëse, për matje shumë të sakta, kemi çipin INA219 në bord. Ky çip na lejon të masim rryma shumë të vogla dhe adresohet përmes I2C.

Gjëra shtesë

Në daljen e LT3080, ne kemi disa gjëra të tjera. Para së gjithash, ekziston një lavaman aktual (LM334). Kjo tërheq një rrymë konstante prej 677 uA (e vendosur nga rezistenca R41), për të stabilizuar LT3080. Sidoqoftë, nuk është i lidhur me tokën, por me VEE, një tension negativ. Kjo është e nevojshme për të lejuar që LT3080 të funksionojë deri në 0 V. Kur lidhet me tokën, tensioni më i ulët do të ishte rreth 0.7 V. Kjo duket mjaft e ulët, por mbani në mend se kjo na pengon të fikim plotësisht furnizimin me energji elektrike. Dioda zener D3 përdoret për të fiksuar tensionin e daljes nëse shkon mbi 22 V, dhe ndarësi i rezistencës zbret gamën e tensionit të daljes nga 0 - 20 V në 0 - 2 V (ADC_Vout). Fatkeqësisht, këto qarqe janë në dalje nga LT3080, që do të thotë se rryma e tyre do të kontribuojë në rrymën e daljes që duam të matim. Për fat të mirë, këto rryma janë konstante nëse voltazhi qëndron konstant; kështu që ne mund të kalibrojmë rrymën kur ngarkesa është shkëputur së pari.

Pompë ngarkimi

Tensioni negativ që përmendëm më parë gjenerohet nga një qark i vogël kurioz: pompa e ngarkimit. Për funksionimin e tij, unë do t'i referohesha këtu: https://www.youtube.com/embed/1WAhTdWErrU&t=1s Ajo ushqehet nga një PWM 50% e mikrokontrolluesit (PWM)

Konvertuesi i Nxitjes

Tani le të hedhim një vështrim në tensionin hyrës të bllokut tonë kryesor: Vboost. Ne shohim që është 8 - 24V, por prisni, 2 qeliza litiumi në seri jep një maksimum prej 8.4 V? Në të vërtetë, dhe kjo është arsyeja pse ne duhet të rrisim tensionin, me një të ashtuquajtur konvertues të rritjes. Ne gjithmonë mund ta rrisim tensionin në 24 V, pavarësisht se çfarë dalje duam; megjithatë, kjo do të humbte shumë energji në LT3080 dhe gjërat do të nxeheshin shumë! Pra, në vend që ta bëjmë atë, ne do ta rrisim tensionin pak më shumë se tensioni i daljes. Rreth 2.5 V më e lartë është e përshtatshme, për të llogaritur rënien e tensionit në rezistencën e kuptimit aktual dhe tensionin e braktisjes së LT3080. Tensioni vendoset nga rezistorët në sinjalin dalës të konvertuesit të nxitjes. Për të ndryshuar këtë tension në fluturim, ne përdorim një potenciometër dixhital, MCP41010, i cili kontrollohet përmes SPI.

Karikimi i baterisë

Kjo na çon në tensionin e vërtetë të hyrjes: bateritë! Meqenëse ne përdorim qeliza të mbrojtura, ne thjesht duhet t'i vendosim ato në seri dhe ne kemi mbaruar! Isshtë e rëndësishme të përdorni qeliza të mbrojtura këtu, për të shmangur mbingarkesën ose mbingarkesën, dhe kështu dëmtimin e qelizave. Përsëri, ne përdorim një ndarës të tensionit për të matur tensionin e baterisë dhe për ta ulur atë në një gamë të përdorshme. Tani te pjesa interesante: qarku i karikimit. Ne përdorim çipin BQ2057WSN për këtë qëllim: në kombinim me TIP32CG, ai në thelb formon një furnizim linear vetë. Ky çip ngarkon qelizat përmes një trajektore të përshtatshme CC CC. Meqenëse bateritë e mia nuk kanë sonda të temperaturës, ky hyrje duhet të lidhet me gjysmën e tensionit të baterisë. Kjo përfundon pjesën e rregullimit të tensionit të furnizimit me energji.

Rregullator 5V

Tensioni i furnizimit 5 V i arduino bëhet me këtë rregullator të thjeshtë të tensionit. Sidoqoftë, nuk është dalja më e saktë 5 V, por kjo do të zgjidhet më poshtë.

Referenca e tensionit 2.048 V

Ky çip i vogël siguron një referencë shumë të saktë të tensionit 2.048 V. Kjo përdoret si referencë për sinjalet analoge ADC_Vout, ADC_Iout, ADC_Vbatt. Kjo është arsyeja pse na duheshin ndarës të tensionit për t'i ulur këto sinjale në 2 V. Mikrokontrolluesi Truri i këtij projekti është ATMEGA328P, ky është i njëjti çip që përdoret në Arduino Uno. Ne tashmë kemi kaluar mbi shumicën e sinjaleve të kontrollit, por megjithatë ka disa shtesa interesante. Kodifikuesit rrotullues janë të lidhur me 2 kunjat e jashtme të ndërprerjes vetëm të arduino: PD2 dhe PD3. Kjo është e nevojshme për një zbatim të besueshëm të softuerit. Çelsat nën të përdorin një rezistencë tërheqëse të brendshme. Pastaj ekziston ky ndarës i çuditshëm i tensionit në vijën e përzgjedhjes së çipit të potenciometrit (Tenxhere). Një ndarës i tensionit në një dalje, për çfarë është i mirë; mund te thuash Siç u përmend më parë, furnizimi me 5 V nuk është jashtëzakonisht i saktë. Prandaj do të ishte mirë ta matnim këtë me saktësi dhe të rregulloni ciklin e funksionimit të sinjalit PWM në përputhje me rrethanat. Por meqenëse nuk kisha më hyrje falas, më duhej të bëja një detyrë të dyfishtë me një tërheqje pin. Kur çizmet e furnizimit me energji elektrike, kjo kunj është vendosur së pari si një hyrje: mat hekurudhën e furnizimit dhe kalibron vetë. Tjetra, është vendosur si dalje dhe mund të drejtojë vijën e zgjedhjes së çipit.

Shoferi i ekranit

Për ekranin, doja një ekran LCD të zakonshëm - dhe të lirë - hitachi. Ato drejtohen nga 6 kunja, por meqenëse nuk më kishin mbetur më kunja, më duhej një zgjidhje tjetër. Një regjistër ndërrimi në shpëtim! 74HC595 më lejon të përdor linjën SPI për të kontrolluar ekranin, kështu që kam nevojë vetëm për 1 linjë shtesë të zgjedhjes së çipit.

FTDI

Pjesa e fundit e këtij furnizimi me energji është lidhja me botën mizore, të jashtme. Për këtë, ne duhet të konvertojmë sinjalet serike në sinjale USB. Kjo bëhet nga një çip FTDI, i cili është i lidhur me një portë mikro USB për lidhje të lehtë.

Dhe kjo është gjithçka që ka për të!

Hapi 3: PCB & Elektronikë

Tani që e kuptuam se si funksionon qarku, mund të fillojmë ta ndërtojmë atë! Ju thjesht mund të porosisni PCB në internet nga prodhuesi juaj i preferuar (kostoja ime është rreth 10 dollarë), skedarët gerber mund të gjenden në GitHub tim, së bashku me faturën e materialeve. Montimi i PCB -së është në thelb një çështje e bashkimit të përbërësve në vend sipas ekranit të mëndafshit dhe faturës së materialeve.

Hapi i parë është bashkimi i përbërësve SMD. Shumica e tyre janë të lehta për tu bërë me dorë, përveç çipit FTDI dhe lidhësit mikro USB. Prandaj, ju mund të shmangni bashkimin e atyre 2 përbërësve vetë, dhe në vend të tyre të përdorni një tabelë shpërthimi FTDI. Kam siguruar kunjat e kokës ku mund të ngjitet.

Kur të përfundojë puna SMD, mund të kaloni në të gjithë përbërësit e vrimës. Këto janë shumë të drejtpërdrejta. Për patate të skuqura, mund të dëshironi të përdorni bazat në vend që t'i bashkoni drejtpërdrejt në tabelë. Prefeshtë e preferueshme të përdorni një ATMEGA328P me bootloader Arduino, përndryshe do t'ju duhet ta ngarkoni duke përdorur kokën ICSP (treguar këtu).

E vetmja pjesë që kërkon pak më shumë vëmendje është ekrani LCD, pasi duhet të montohet në një kënd. Ngjitni disa kokë me kënde mashkullore mbi të, me pjesën plastike të kthyer nga ana e poshtme e ekranit. Kjo do të lejojë një vendosje të mirë të ekranit në pcb. Pas kësaj, mund të ngjitet në vend ashtu si çdo përbërës tjetër i vrimës.

E vetmja gjë që mbetet për të bërë është të shtoni 2 tela, të cilat do të lidhen me terminalet e bananeve në pjatën e përparme.

Hapi 4: Rasti & Montimi

Me PCB të bërë, ne mund të kalojmë në rastin. Unë e kam projektuar në mënyrë specifike PCB -në rreth këtij kasaforte, kështu që përdorimi i një kuti tjetër nuk rekomandohet. Sidoqoftë, gjithmonë mund të printoni një kuti me të njëjtat përmasa.

Hapi i parë është përgatitja e panelit përfundimtar. Do të na duhet të shpojmë disa vrima për vida, çelsa, etj. E bëra këtë me dorë, por nëse keni qasje në një CNC, kjo do të ishte një opsion më i saktë. I bëra vrimat sipas skemës dhe përgjova vrimat e vidhave.

Ideashtë një ide e mirë të shtoni disa jastëkë mëndafshi tani dhe t'i mbani në vend me një pikë të vogël super ngjitës. Këto do të izolojnë LT3080 dhe TIP32 nga pllaka e pasme, duke lejuar akoma transferimin e nxehtësisë. Mos i harroni! Kur vidhosni patate të skuqura në pjesën e pasme, përdorni një rondele mikë për të siguruar izolimin!

Tani mund të përqendrohemi në panelin e përparmë, i cili vetëm rrëshqet në vend. Tani mund të shtojmë kapakët e bananeve dhe çelësat për kodifikuesit rrotullues.

Me të dy panelet në vend, tani mund ta fusim montimin në kasë, të shtojmë bateritë dhe t'i mbyllim të gjitha. Sigurohuni që përdorni bateri të mbrojtura, nuk doni që qelizat të shpërthejnë!

Në këtë pikë hardueri është përfunduar, tani e vetmja gjë që mbetet është t'i jepni pak jetë asaj me softuerin!

Hapi 5: Kodi Arduino

Truri i këtij projekti është ATMEGA328P, të cilin do ta programojmë me Arduino IDE. Në këtë pjesë, unë do të kaloj nëpër funksionimin bazë të kodit, detajet mund të gjenden si komente brenda kodit.

Kodi në thelb kalon nëpër këto hapa:

1. Lexoni të dhënat serike nga java
2. Butonat e sondazhit
3. Matni tensionin
4. Matni rrymën
5. Matni rrymën me INA219
6. Dërgoni të dhëna serike në Java
7. Konfiguro boostconvertor
8. Merrni karikimin e baterisë
9. Përditëso ekranin

Kodifikuesit rrotullues trajtohen nga një rutinë shërbimi ndërprerjeje për t'i pasur ato sa më të përgjegjshëm.

Kodi tani mund të ngarkohet në tabelë përmes portës mikro USB (nëse çipi ka një bootloader). Bordi: Arduino pro ose pro mini Programues: AVR ISP / AVRISP MKII

Tani mund të hedhim një vështrim në ndërveprimin midis Arduino dhe PC.

Hapi 6: Kodi Java

Për regjistrimin e të dhënave dhe kontrollin e furnizimit me energji nëpërmjet PC, bëra një aplikacion java. Kjo na lejon të kontrollojmë me lehtësi tabelën përmes një GUI. Ashtu si me kodin Arduino, unë nuk do të hyj në të gjitha detajet, por do të jap një përmbledhje.

Fillojmë duke bërë një dritare me butona, fusha teksti etj; Gjërat bazë GUI.

Tani vjen pjesa argëtuese: shtimi i porteve USB, për të cilat kam përdorur bibliotekën jSerialComm. Pasi të zgjidhet një port, java do të dëgjojë çdo të dhënë hyrëse. Ne gjithashtu mund të dërgojmë të dhëna në pajisje.

Për më tepër, të gjitha të dhënat hyrëse ruhen në një skedar csv, për trajtim të mëvonshëm të të dhënave.

Kur drejtojmë skedarin.jar, së pari duhet të zgjedhim portën e duhur nga menyja zbritëse. Pas lidhjes së të dhënave, do të fillojmë të hyjmë dhe ne mund t'i dërgojmë cilësimet tona në furnizimin me energji.

Ndërsa programi është mjaft themelor, mund të jetë shumë i dobishëm për ta kontrolluar atë përmes një PC dhe regjistruar të dhënat e tij.

Hapi 7: Suksese

Pas gjithë kësaj pune, ne tani kemi një furnizim fuqie plotësisht funksional!

Unë gjithashtu duhet të falënderoj disa njerëz për mbështetjen e tyre:

• Projekti u bazua në projektin eEEVBLOG të uSupply dhe skemën e tij Rev C. Pra, një falënderim i veçantë për David L. Jones për lëshimin e skemave të tij nën një licencë me burim të hapur dhe ndarjen e të gjitha njohurive të tij.
• Një falënderim i madh për Johan Pattyn për prodhimin e prototipeve të këtij projekti.
• Gjithashtu Cedric Busschots dhe Hans Ingelberts meritojnë merita për ndihmën në zgjidhjen e problemeve.

Tani mund të shijojmë furnizimin me energji shtëpiake, i cili do të jetë i dobishëm gjatë punës në projekte të tjera të mrekullueshme! Dhe më e rëndësishmja: ne kemi mësuar shumë gjëra gjatë rrugës.

Nëse ju pëlqeu ky projekt, ju lutemi votoni për mua në konkursin e furnizimit me energji, do ta vlerësoja vërtet! Https: //www.instructables.com/contest/powersupply/

Çmimi i dytë në Konkursin e Furnizimit me Energji