Raqamli batareya bilan ishlaydigan quvvat manbai: 7 qadam (rasmlar bilan)

2024 Muallif: John Day | [email protected]. Oxirgi o'zgartirilgan: 2024-01-30 13:27

Siz hech qachon yo'lda, hatto devor prizisiz ham, ishlatishingiz mumkin bo'lgan quvvat ta'minotini xohlaganmisiz? Agar u juda aniq, raqamli va kompyuter orqali boshqariladigan bo'lsa, yaxshi bo'larmidi?

Bu yo'riqnomada men sizga aynan qanday qilib qurish kerakligini ko'rsataman: raqamli batareyali quvvat manbai, u arduino bilan mos keladi va uni kompyuter orqali USB orqali boshqarish mumkin.

Biroz oldin men eski ATX PSU -dan quvvat manbasini qurdim va u juda yaxshi ishlayotganda, men raqamli quvvat manbai bilan o'yinimni kuchaytirishni xohlardim. Aytganimizdek, u batareyalar bilan ishlaydi (aniqrog'i 2 lityum xujayrali) va u 1 A da maksimal 20 V etkazib berishi mumkin; bu aniq quvvat ta'minotini talab qiladigan ko'plab loyihalarim uchun juda ko'p.

Men butun dizayn jarayonini ko'rsataman va barcha loyiha fayllarini GitHub sahifamda topish mumkin:

Qani boshladik!

1 -qadam: Xususiyatlar va narx

Xususiyatlari

• Doimiy kuchlanish va doimiy oqim rejimlari
• Quvvat sarfini minimallashtirish uchun past shovqinli chiziqli regulyatorni ishlatadi, undan oldin kuzatuvni oldindan sozlash moslamasi o'rnatiladi.
• Loyihaga kirishni ta'minlash uchun qo'lda ishlaydigan komponentlardan foydalanish
• ATMEGA328P tomonidan quvvatlanadi, Arduino IDE bilan dasturlashtirilgan
• Mikro USB orqali Java dasturi orqali kompyuter bilan aloqa
• 18650 ta 2 ta himoyalangan lityum -ionli hujayralar bilan quvvatlanadi
• BNC adapterlari bilan mosligi uchun 18 mm oraliqdagi banan vilkalari

Xususiyatlar

• 0 - 1A, qadamlar 1 mA (10 bitli DAC)
• 0 - 20V, 20 mV (10 bitli DAC) qadamlari (haqiqiy 0V ishlashi)
• Voltaj o'lchami: 20 mV o'lchamlari (10 bit ADC)

• Joriy o'lchov:

  • <40mA: 10uA piksellar sonini (ina219)
  • <80mA: 20uA o'lchamlari (ina219)
  • <160mA: 40uA piksellar sonini (ina219)
  • <320mA: 80uA o'lchamlari (ina219)
  • > 320mA: 1mA piksellar sonini (10 bit ADC)

Narx

To'liq quvvat manbai menga 135 dollarga tushdi, barcha komponentlar bir martalik. Batareyalar - 18650 lityum xujayralar bilan himoyalanganligi sababli, eng qimmat qismi (2 xujayraga 30 dollar), agar batareyani ishlatishga hojat bo'lmasa, uning narxini sezilarli darajada pasaytirish mumkin. Batareyalar va zaryadlash sxemalarini tashlab, narx taxminan 100 dollarga tushadi. Bu qimmat tuyulishi mumkin bo'lsa -da, ishlash ko'rsatkichlari ancha past bo'lgan quvvat manbalari odatda undan ham qimmat turadi.

Agar siz o'z komponentlarini ebay yoki aliexpress -dan buyurtma qilishga qarshi bo'lmasangiz, batareyalar narxi 100 dollarga, 70 dollargacha tushadi. Qismlarga kirish uchun ko'proq vaqt kerak bo'ladi, lekin bu variant.

2 -qadam: Operatsion sxemasi va nazariyasi

Zanjirning ishlashini tushunish uchun biz sxemaga qarashimiz kerak bo'ladi. Men uni funktsional bloklarga ajratdim, shuning uchun tushunish osonroq; Men bu jarayonni bosqichma -bosqich tushuntirib beraman, bu qism juda chuqur va elektronikadan yaxshi bilim talab qiladi. Agar siz faqat sxemani qanday qurishni bilmoqchi bo'lsangiz, keyingi bosqichga o'tishingiz mumkin.

Asosiy blok

Amaliyot LT3080 chipi atrofida amalga oshiriladi: bu nazorat signaliga asoslangan kuchlanishlarni pasaytiradigan chiziqli voltaj regulyatori. Bu nazorat signalini mikrokontroller yaratadi; bu qanday amalga oshiriladi, keyinroq batafsil tushuntiriladi.

Voltajni sozlash

LT3080 atrofidagi sxemalar tegishli boshqaruv signallarini ishlab chiqaradi. Birinchidan, biz kuchlanish qanday o'rnatilishini ko'rib chiqamiz. Mikrokontrollerdan kuchlanish sozlamasi PWM signalidir (PWM_Vset), u past o'tkazgichli filtr (C9 & R26) orqali filtrlanadi. Bu analog kuchlanish hosil qiladi - 0 dan 5 V gacha - kerakli chiqish voltajiga mutanosib. Chiqish diapazoni 0 - 20 V bo'lgani uchun biz bu signalni 4 koeffitsient bilan kuchaytirishimiz kerak bo'ladi. Bu U3C inverting bo'lmagan opamp konfiguratsiyasi orqali amalga oshiriladi. O'rnatilgan pin uchun daromad R23 // R24 // R25 va R34 bilan belgilanadi. Bu qarshiliklar xatolarni minimallashtirish uchun 0,1% bardoshli. R39 va R36 bu erda muhim emas, chunki ular teskari aloqa davrining bir qismi.

Joriy sozlash

Bu o'rnatilgan pinni ikkinchi sozlash uchun ham ishlatish mumkin: joriy rejim. Biz joriy chizishni o'lchashni va kerakli oqimdan oshib ketganda chiqishni o'chirishni xohlaymiz. Shunday qilib, biz yana mikrokontroller tomonidan ishlab chiqarilgan PWM signalidan (PWM_Iset) boshlaymiz, u past o'tkazgichli filtrlangan va 0 - 5 V diapazonidan 0 - 2 V diapazoniga o'tish uchun susaytirildi. Bu kuchlanish opamp U3D komparator konfiguratsiyasi bo'yicha hozirgi sezgich rezistoridagi (ADC_Iout, pastga qarang) kuchlanish pasayishi bilan taqqoslanadi. Agar oqim juda yuqori bo'lsa, bu chiroqni yoqadi, shuningdek LT3080 -ning o'rnatilgan chizig'ini erga tortadi (Q2 orqali) va shu bilan chiqish o'chadi. ADC_Iout oqimini o'lchash va ishlab chiqarish quyidagicha amalga oshiriladi. Chiqish oqimi R7 - R16 rezistorlari orqali oqadi. Bularning barchasi 1 ohm; 1Rni birinchi navbatda ishlatmaslikning sababi ikki xil: 1 rezistor yuqori quvvat ko'rsatkichiga ega bo'lishi kerak (u kamida 1 Vtni tarqatishi kerak) va parallel ravishda 10% rezistorlar yordamida biz aniqlikdan ko'ra yuqori aniqlikka ega bo'lamiz. bitta 1 % qarshilik bilan. Bu nima uchun bu haqida yaxshi videoni bu erda topish mumkin: https://www.youtube.com/embed/1WAhTdWErrU&t=1s Bu rezistorlar orqali oqim o'tganda, biz kuchlanish o'lchagichini tushiramiz va uni o'lchay olamiz. LT3080 oldiga qo'yilgan, chunki u orqali kuchlanish pasayishi chiqish voltajiga ta'sir qilmasligi kerak. Kuchlanishning pasayishi differentsial kuchaytirgich (U3B) yordamida 2 ga teng daromad bilan o'lchanadi. Buning natijasida 0 - 2 V kuchlanish oralig'ida bo'ladi (bundan keyinroq), shuning uchun tokning PWM signalidagi kuchlanish bo'luvchi. Bufer (U3A) R21, R32 va R33 rezistorlariga oqayotgan oqim hozirgi sezgich qarshiligidan o'tmasligiga ishonch hosil qilish uchun mavjud, bu uning o'qilishiga ta'sir qiladi. Shuni ham yodda tutingki, bu temir yo'l-temir yo'l opampi bo'lishi kerak, chunki musbat kirishda kirish voltaji besleme zo'riqishiga teng. Qaytib ketmaydigan kuchaytirgich faqat yo'nalishni o'lchash uchun mo'ljallangan, lekin juda aniq o'lchovlar uchun bizda bortda INA219 chipi bor. Bu chip bizga juda kichik oqimlarni o'lchash imkonini beradi va I2C orqali hal qilinadi.

Qo'shimcha narsalar

LT3080 chiqishida bizda yana bir qancha narsalar bor. Avvalo, hozirgi lavabo (LM334) mavjud. Bu LT3080 ni barqarorlashtirish uchun 677 uA (R41 qarshiligi bilan o'rnatilgan) doimiy oqimini tortadi. Biroq, u erga emas, balki salbiy kuchlanishli VEE ga ulangan. Bu LT3080 ning 0 V gacha ishlashiga ruxsat berish uchun kerak, erga ulanganda, eng past kuchlanish 0,7 V atrofida bo'ladi. Bu etarli darajada past ko'rinadi, lekin shuni yodda tutingki, bu bizga elektr ta'minotini to'liq o'chirishga to'sqinlik qiladi. D3 zener diodi, agar u 22 V dan oshsa, chiqish voltajini mahkamlash uchun ishlatiladi va rezistor ajratuvchi chiqish voltaj diapazonini 0 - 20 V dan 0 - 2 V gacha (ADC_Vout) tushiradi. Afsuski, bu sxemalar LT3080 o'chirilishida, ya'ni ularning oqimi biz o'lchashni istagan chiqish oqimiga yordam beradi. Yaxshiyamki, agar kuchlanish doimiy bo'lib qolsa, bu oqimlar doimiydir; shuning uchun biz yukni birinchi bo'lib uzib qo'yganimizda oqimni sozlashimiz mumkin.

Zaryad pompasi

Biz ilgari aytib o'tgan manfiy zo'riqish kichik zanjir orqali hosil bo'ladi: zaryad nasosi. Uning ishlashi uchun men bu erga murojaat qilardim: https://www.youtube.com/embed/1WAhTdWErrU&t=1s U 50% mikrokontroller (PWM) PWM bilan oziqlanadi.

Boost konvertori

Keling, asosiy blokimizning kirish kuchlanishini ko'rib chiqaylik: Vboost. Biz bu 8 - 24V ekanligini ko'ramiz, lekin kuting, ketma -ket 2 lityum hujayralar maksimal 8,4 V beradi? Darhaqiqat, shuning uchun biz kuchlanishni konvertor deb atashimiz kerak. Biz har qanday kuchlanishni har doim 24 V ga ko'tarishimiz mumkin, biz xohlagan chiqishdan qat'iy nazar; ammo, bu LT3080 -da ko'p kuch sarflaydi va narsalar qizib ketadi! Shunday qilib, biz buni amalga oshirish o'rniga, biz kuchlanishni chiqish voltajidan bir oz ko'proq oshiramiz. Qarshilik qarshiligining kuchlanish pasayishi va LT3080 tushish voltajini hisobga olish uchun taxminan 2,5 V yuqori mos keladi. Kuchlanish kuchaytirgichning chiqish signalidagi rezistorlar tomonidan o'rnatiladi. Bu kuchlanishni tezda o'zgartirish uchun biz SPI orqali boshqariladigan raqamli potentsiometr MCP41010 dan foydalanamiz.

Batareyani zaryadlash

Bu bizni haqiqiy kirish kuchlanishiga olib keladi: batareyalar! Biz himoyalangan hujayralarni ishlatganimiz uchun, biz ularni ketma -ket joylashtirishimiz kerak va biz tugatdik! Bu erda hujayralarning haddan tashqari oqishi yoki haddan tashqari to'kilmasligi va shu bilan zararlanishiga yo'l qo'ymaslik uchun himoyalangan hujayralardan foydalanish muhim ahamiyatga ega. Shunga qaramay, biz batareya zo'riqishini o'lchash va uni foydalanish mumkin bo'lgan diapazonga tushirish uchun kuchlanish taqsimlagichidan foydalanamiz. Endi qiziqarli qismga o'ting: zaryadlash sxemasi. Biz bu maqsadda BQ2057WSN chipidan foydalanamiz: TIP32CG bilan birgalikda u asosan chiziqli quvvat ta'minotini tashkil qiladi. Bu chip hujayralarni tegishli CV CC traektoriyasi orqali zaryad qiladi. Mening batareyalarimda harorat sensori yo'qligi sababli, bu kirish batareyaning kuchlanishining yarmiga ulangan bo'lishi kerak. Bu kuchlanishni tartibga soluvchi qismini yakunlaydi.

5V regulyator

Arduino -ning 5 V kuchlanishli kuchlanishi shu oddiy voltaj regulyatori yordamida amalga oshiriladi. Bu eng aniq 5 V kuchlanish emas, lekin bu quyida hal qilinadi.

2.048 V kuchlanishli mos yozuvlar

Bu kichik chip juda aniq 2.048 V kuchlanishli mos yozuvlar beradi. Bu ADC_Vout, ADC_Iout, ADC_Vbatt analog signallariga mos yozuvlar sifatida ishlatiladi. Shuning uchun bizga signallarni 2 V ga tushirish uchun kuchlanish bo'luvchi kerak edi. Mikrokontroller Bu loyihaning miyasi ATMEGA328P, bu Arduino Uno -da ishlatiladigan chip. Biz allaqachon ko'pgina nazorat signallarini ko'rib chiqdik, lekin shunga qaramay, ba'zi qiziqarli qo'shimchalar mavjud. Aylanadigan enkoderlar arduinoning ikkita tashqi uzilish pimiga ulangan: PD2 va PD3. Bu ishonchli dasturiy ta'minotni amalga oshirish uchun kerak. Pastdagi kalitlar ichki tortish qarshiligidan foydalanadi. Keyin potentsiometrning (Pot) chipini tanlash chizig'ida g'alati kuchlanish bo'luvchi mavjud. Chiqishdagi kuchlanish bo'luvchi, bu nima uchun yaxshi; deyishingiz mumkin. Yuqorida aytib o'tilganidek, 5 V kuchlanish aniq emas. Buni aniq o'lchash va PWM signalining ish aylanishini mos ravishda sozlash yaxshi bo'lardi. Ammo menda bo'sh kirish yo'qligi sababli, men pinni ikki martalik yuklashga majbur bo'ldim. Quvvat manbai etganda, bu pin birinchi navbatda kirish sifatida o'rnatiladi: u ta'minot tarmog'ini o'lchaydi va o'zini sozlaydi. Keyinchalik, u chiqish sifatida o'rnatiladi va u chip tanlash liniyasini boshqarishi mumkin.

Displey haydovchi

Displey uchun men oddiy va arzon - hitachi LCD displeyini xohlardim. Ular 6 pin bilan boshqariladi, lekin menda pin qolmaganligi uchun menga boshqa yechim kerak edi. Qutqarish uchun smenali registr! 74HC595 displeyni boshqarish uchun SPI chizig'idan foydalanishga imkon beradi, shuning uchun faqat bitta qo'shimcha chip tanlash liniyasi kerak.

FTDI

Bu quvvat ta'minotining oxirgi qismi - shafqatsiz, tashqi dunyo bilan aloqa. Buning uchun ketma -ket signallarni USB signallariga aylantirishimiz kerak. Bu oson ulanish uchun mikro USB portiga ulangan FTDI chipi yordamida amalga oshiriladi.

Va bu erda hamma narsa bor!

3 -qadam: PCB va elektronika

Endi biz sxemaning qanday ishlashini tushunib, uni qurishni boshlashimiz mumkin! Siz PCB -ni o'zingiz yoqtirgan ishlab chiqaruvchidan onlayn buyurtma qilishingiz mumkin (meniki narxi 10 dollar atrofida), gerber fayllarini mening GitHub -da, materiallar ro'yxati bilan birga topish mumkin. PCBni yig'ish, asosan, ipak ekran va materiallar ro'yxatiga ko'ra, komponentlarni lehimlash masalasidir.

Birinchi qadam - SMD komponentlarini lehimlash. Ularning ko'pchiligini qo'l bilan bajarish oson, faqat FTDI chipi va mikro USB ulagichidan tashqari. Shunday qilib, siz ushbu ikkita komponentni lehimlashdan qochishingiz mumkin va buning o'rniga FTDI panelini ishlatishingiz mumkin. Men uni lehimlash mumkin bo'lgan sarlavhali pinlarni taqdim qildim.

SMD ishi tugagach, siz teshik qismlariga o'tishingiz mumkin. Bular juda sodda. Chiplar uchun rozetkalarni to'g'ridan -to'g'ri taxtaga lehimlash o'rniga, Arduino bootloader bilan ATMEGA328P ishlatgan ma'qul, aks holda uni ICSP sarlavhasi yordamida yuklashingiz kerak bo'ladi (bu erda ko'rsatilgan).

Biroz ko'proq e'tibor talab qiladigan yagona narsa - bu LCD displey, chunki uni burchak ostida o'rnatish kerak. Plastmassa bo'lak ekranning pastki tomoniga qaragan holda, unga erkak burchakli sarlavhalarni lehimlang. Bu ekranni kompyuterga yaxshi joylashtirish imkonini beradi. Shundan so'ng, u boshqa teshik elementlari singari joyida lehimlanishi mumkin.

Qolgan narsa - oldingi plastinkadagi banan terminallariga ulanadigan 2 ta simni qo'shish.

4 -qadam: Koson va montaj

Kompyuterni yaratgan holda, biz ishni davom ettira olamiz. Men bu gumbaz qutisi atrofida PCBni maxsus ishlab chiqdim, shuning uchun boshqa korpusdan foydalanish tavsiya etilmaydi. Biroq, har doim bir xil o'lchamdagi sumkani 3D bosib chiqarish mumkin.

Birinchi qadam-oxirgi panelni tayyorlash. Biz vintlardek, kalitlarga va hokazolarga burg'ulashimiz kerak bo'ladi, men buni qo'l bilan qildim, lekin agar sizda CNC -ga kirish imkoni bo'lsa, bu aniqroq variant bo'ladi. Men teshiklarni sxemaga muvofiq qildim va vintli teshiklarni urdim.

Bir oz shoyi yostiqchalarni qo'shib, ularni ozgina tomchi yopishtiruvchi bilan mahkamlang. Ular LT3080 va TIP32 -ni orqa paneldan ajratib turadi, shu bilan birga issiqlik uzatish imkonini beradi. Ularni unutmang! Chipsni orqa panelga burab qo'yganda, izolyatsiyani ta'minlash uchun slyuda yuvish vositasidan foydalaning!

Endi biz diqqatni old panelga qaratamiz, u faqat joyida siljiydi. Endi biz banan krikolari va aylanadigan kodlovchi tugmalarini qo'shishimiz mumkin.

Ikkala panel ham joyida, endi biz korpusga korpusni joylashtiramiz, batareyalarni qo'shamiz va hammasini yopamiz. Himoyalangan batareyalardan foydalanganingizga ishonch hosil qiling, hujayralar portlashini xohlamaysiz!

Bu erda apparat tugadi, endi faqat dasturiy ta'minot bilan hayotga zarba berish qoldi!

5 -qadam: Arduino kodi

Ushbu loyihaning miyasi ATMEGA328P bo'lib, biz uni Arduino IDE bilan dasturlashtiramiz. Ushbu bo'limda men kodning asosiy ishini ko'rib chiqaman, tafsilotlarni kod ichidagi izoh sifatida topish mumkin.

Kod asosan quyidagi bosqichlarni bajaradi:

1. Java -dan ketma -ket ma'lumotlarni o'qing
2. So'rov tugmalari
3. Voltajni o'lchash
4. Oqimni o'lchash
5. INA219 yordamida oqimni o'lchang
6. Java -ga ketma -ket ma'lumotlarni yuboring
7. Boost konvertorini sozlang
8. Batareya zaryadini oling
9. Ekranni yangilash

Aylanadigan kodlovchi qurilmalar, iloji boricha sezgir bo'lishi uchun, uzilishlar xizmati bilan ishlaydi.

Endi kodni mikro USB port orqali taxtaga yuklash mumkin (agar chipda yuklovchi bo'lsa). Kengash: Arduino pro yoki mini mini Dasturchi: AVR ISP / AVRISP MKII

Endi biz Arduino va kompyuter o'rtasidagi o'zaro ta'sirni ko'rib chiqamiz.

6 -qadam: Java kodi

Ma'lumotlarni yozish va kompyuter orqali quvvat ta'minotini boshqarish uchun men java dasturini yaratdim. Bu bizga GUI orqali boshqaruv panelini osongina boshqarish imkonini beradi. Arduino kodida bo'lgani kabi, men ham tafsilotlarni aytmayman, lekin umumiy nuqtai nazarni beraman.

Biz tugmalar, matn maydonlari va boshqalar bilan oyna yasashdan boshlaymiz; asosiy GUI elementlari.

Endi qiziqarli qism keladi: men jSerialComm kutubxonasidan foydalangan USB portlarini qo'shish. Port tanlangach, java kiruvchi ma'lumotlarni tinglaydi. Shuningdek, biz qurilmaga ma'lumotlarni yuborishimiz mumkin.

Bundan tashqari, barcha kiruvchi ma'lumotlar keyinchalik ma'lumotlarni qayta ishlash uchun csv fayliga saqlanadi.

. Jar faylini ishga tushirganda, avval ochiladigan menyudan to'g'ri portni tanlashimiz kerak. Ulanishdan so'ng ma'lumotlar kira boshlaydi va biz sozlamalarni quvvat ta'minotiga yuborishimiz mumkin.

Dastur juda oddiy bo'lsa -da, uni kompyuter orqali boshqarish va uning ma'lumotlarini yozib olish juda foydali bo'lishi mumkin.

7 -qadam: muvaffaqiyat

Bu ishlardan so'ng, bizda to'liq funktsional quvvat ta'minoti mavjud!

Qo'llab -quvvatlaganlari uchun men ham minnatdorchilik bildirishim kerak:

• Loyiha EEVBLOGning uSupply loyihasi va uning Rev C sxemasiga asoslangan edi. Devid L. Jonsga o'z sxemalarini ochiq manba litsenziyasi ostida chiqargani va barcha bilimlari bilan bo'lishgani uchun alohida rahmat.
• Ushbu loyihaning prototiplarini ishlab chiqargani uchun Yoxan Pattinga katta rahmat.
• Bundan tashqari, Sedrik Bushshots va Xans Ingelberts muammolarni bartaraf etishda yordamga loyiqdir.

Endi biz o'z uyimizda ishlab chiqarilgan elektr ta'minotidan bahramand bo'lishimiz mumkin, bu boshqa ajoyib loyihalar ustida ishlashda yordam beradi! Va eng muhimi: biz yo'l davomida ko'p narsalarni o'rgandik.

Agar sizga bu loyiha yoqqan bo'lsa, iltimos, menga kuchlar tanlovida ovoz bering, men buni juda qadrlayman! Https: //www.instructables.com/contest/powersupply/

Elektr ta'minoti tanlovining ikkinchi mukofoti