Pinapagana ng Digital Battery na Powersupply: 7 Hakbang (na may Mga Larawan)

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:14

Nais mo ba ang isang powerupply na maaari mong gamitin on the go, kahit na walang malapit na outlet ng pader? At hindi ba magiging cool kung ito ay napaka tumpak din, digital, at makokontrol sa pamamagitan ng PC?

Sa itinuturo na ito ay ipapakita ko sa iyo kung paano bumuo ng eksaktong iyon: isang powerupply na pinapatakbo ng digital na baterya, na katugma ng arduino at maaaring makontrol sa pamamagitan ng PC sa USB.

Ilang sandali pa ay bumuo ako ng isang powerupply mula sa isang lumang ATX PSU, at habang gumagana ito ng mahusay, nais kong itaas ang aking laro gamit ang isang digital na kapangyarihan. Tulad ng nasabi na, pinapagana ito ng mga baterya (2 lithium cells upang maging tumpak), at maaari itong maghatid ng maximum na 20 V sa 1 A; na kung saan ay marami para sa karamihan ng aking mga proyekto na nangangailangan ng isang tumpak na powerupply.

Ipapakita ko ang buong proseso ng disenyo, at ang lahat ng mga file ng proyekto ay matatagpuan sa aking pahina sa GitHub:

Magsimula na tayo!

Hakbang 1: Mga Tampok at Gastos

Mga Tampok

• Patuloy na boltahe at pare-pareho ang kasalukuyang mga mode
• Gumagamit ng isang mababang linear linear regulator, na nauna sa pamamagitan ng isang pagsubaybay sa preregulator upang i-minimize ang pagwawaldas ng kuryente
• Paggamit ng mga makakabit na bahagi upang panatilihing naa-access ang proyekto
• Pinapagana ng ATMEGA328P, na-program sa Arduino IDE
• Komunikasyon sa PC sa pamamagitan ng Java application sa micro USB
• Pinapagana ng 2 protektadong 18650 na mga cell ng Lithium Ion
• 18 mm spaced banana plugs para sa pagiging tugma sa mga adaptor ng BNC

Mga pagtutukoy

• 0 - 1A, mga hakbang ng 1 mA (10 bit DAC)
• 0 - 20V, mga hakbang ng 20 mV (10 bit DAC) (totoong operasyon ng 0V)
• Pagsukat ng boltahe: 20 mV resolusyon (10 bit ADC)

• Kasalukuyang pagsukat:

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

Gastos

Ang kumpletong powerupply ay nagkakahalaga sa akin ng humigit-kumulang na $ 135, kasama ang lahat ng mga sangkap na one-off. Ang mga baterya ay ang pinakamahal na bahagi ($ 30 para sa 2 cells), dahil protektado ang mga ito ng 18650 lithium cells. Posibleng mabawasan nang malaki ang gastos kung hindi kinakailangan ng operasyon ng baterya. Sa pamamagitan ng pag-alis ng mga baterya at pag-charge ng circuitry, ang presyo ay bumaba sa halos $ 100. Bagaman mukhang mahal ito, ang mga powerupplies na may mas kaunting pagganap at mga tampok ay madalas na nagkakahalaga kaysa dito.

Kung hindi mo alintana ang pag-order ng iyong mga bahagi mula sa ebay o aliexpress, ang presyo na may mga baterya ay bababa sa $ 100, at $ 70 nang wala. Mas matagal ito para sa mga bahagi na pumasok, ngunit ito ay isang praktikal na pagpipilian.

Hakbang 2: Skematika at Teorya ng Pagpapatakbo

Upang maunawaan ang pagpapatakbo ng circuit, titingnan natin ang eskematiko. Hinati ko ito sa mga bloke ng pag-andar, tulad ng mas madaling maunawaan ito; Ipapaliwanag ko rin ang hakbang-hakbang sa operasyon. Ang bahaging ito ay lubos na malalim at nangangailangan ng isang mahusay na kaalaman sa electronics. Kung nais mo lamang malaman kung paano bumuo ng circuit, maaari kang lumaktaw sa susunod na hakbang.

Pangunahing bloke

Ang operasyon ay batay sa paligid ng LT3080 chip: ito ay isang linear voltage regulator, na maaaring bumaba ng mga voltages, batay sa isang control signal. Ang signal ng kontrol na ito ay bubuo ng isang microcontroller; kung paano ito tapos, ipapaliwanag nang detalyado sa paglaon.

Setting ng boltahe

Ang circuitry sa paligid ng LT3080 ay bumubuo ng naaangkop na mga signal ng kontrol. Una, titingnan namin kung paano itinakda ang boltahe. Ang setting ng boltahe mula sa microcontroller ay isang PWM signal (PWM_Vset), na na-filter ng isang lowpass filter (C9 & R26). Gumagawa ito ng isang analog boltahe - sa pagitan ng 0 at 5 V - proporsyonal sa nais na boltahe ng output. Dahil ang aming saklaw ng output ay 0 - 20 V, kailangan naming palakasin ang signal na ito na may salik na 4. Ginagawa ito ng hindi inverting na pagsasaayos ng opamp ng U3C. Ang nakuha sa itinakdang pin ay natutukoy ng R23 // R24 // R25 at R34. Ang mga resistors na ito ay 0.1% mapagparaya, upang i-minimize ang mga error. Hindi mahalaga ang R39 at R36 dito, dahil bahagi sila ng feedback loop.

Kasalukuyang setting

Ang set na pin na ito ay maaari ding gamitin para sa pangalawang setting: kasalukuyang mode. Nais naming sukatin ang kasalukuyang gumuhit, at patayin ang output kapag lumampas ito sa nais na kasalukuyang. Samakatuwid, nagsisimula kaming muli sa pamamagitan ng isang signal ng PWM (PWM_Iset), na nabuo ng microcontroller, na ngayon ay lowpass na na-filter at pinalambing upang pumunta mula sa isang saklaw na 0 - 5 V sa isang saklaw na 0 - 2 V. Ang boltahe na ito ay inihambing na ngayon sa pagbaba ng boltahe sa kasalukuyang sense resistor (ADC_Iout, tingnan sa ibaba) ng kumpare ng pagsasaayos ng opamp U3D. Kung ang kasalukuyang masyadong mataas, ito ay magpapasara sa isang humantong, at hilahin din ang itinakdang linya ng LT3080 sa lupa (sa pamamagitan ng Q2), sa gayon ay patayin ang output. Ang pagsukat ng kasalukuyang, at ang pagbuo ng signal ADC_Iout ay tapos na tulad ng sumusunod. Ang kasalukuyang output ay dumadaloy sa pamamagitan ng resistors R7 - R16. Ang kabuuang 1 ohm; ang dahilan ng hindi paggamit ng 1R sa una ay dalawahan: ang 1 risistor ay kailangang magkaroon ng isang mas mataas na rating ng kuryente (kailangan itong mawala nang hindi bababa sa 1 W), at sa pamamagitan ng paggamit ng 10 1% na resistors nang kahanay, nakakakuha kami ng mas mataas na katumpakan kaysa sa na may isang solong 1% risistor. Ang isang magandang video tungkol sa kung bakit ito gumagana ay matatagpuan dito: https://www.youtube.com/embed/1WAhTdWErrU&t=1s Kapag ang kasalukuyang dumadaloy sa mga resistor na ito, lumilikha ito ng isang drop ng boltahe, na masusukat natin, at ito ay inilagay bago ang LT3080, dahil ang pagbagsak ng boltahe sa kabuuan nito ay hindi dapat naiimpluwensyahan ang output boltahe. Ang boltahe na drop ay sinusukat sa isang kaugalian na amplifier (U3B) na may nakuha na 2. Nagreresulta ito sa isang saklaw ng boltahe na 0 - 2 V (higit pa sa paglaon), samakatuwid ang boltahe na divider sa PWM signal ng kasalukuyang. Ang buffer (U3A) ay nariyan upang matiyak na ang kasalukuyang dumadaloy sa resistors na R21, R32 at R33 ay hindi dumadaan sa kasalukuyang resistor ng pakiramdam, na makakaimpluwensya sa pagbabasa. Tandaan din na ito ay dapat na isang rail-to-rail opamp, dahil ang input boltahe sa positibong input ay katumbas ng boltahe ng suplay. Ang non inverting amplifier ay para lamang sa pagsukat ng kurso kahit na, para sa napaka tumpak na mga sukat, mayroon kaming INA219 chip sa board. Pinapayagan kami ng chip na ito na sukatin ang napakaliit na mga alon, at ito ay napupunta sa pamamagitan ng I2C.

Karagdagang mga bagay

Sa output ng LT3080, mayroon kaming maraming mga bagay-bagay. Una sa lahat, mayroong isang kasalukuyang lababo (LM334). Gumuhit ito ng isang pare-pareho na kasalukuyang 677 uA (itinakda ng risistor R41), upang patatagin ang LT3080. Gayunpaman hindi ito konektado sa lupa, ngunit sa VEE, isang negatibong boltahe. Kinakailangan ito upang payagan ang LT3080 na gumana pababa sa 0 V. Kapag nakakonekta sa lupa, ang pinakamababang boltahe ay tungkol sa 0.7 V. Ito ay tila sapat na mababa, ngunit tandaan na pinipigilan tayo mula sa pag-on nang ganap ng mga powerupply. Ang zener diode D3 ay ginagamit upang i-clamp ang output boltahe kung umakyat ito sa itaas ng 22 V, at ang resistor divider ay bumaba sa hanay ng boltahe ng output mula 0 - 20 V hanggang 0 - 2 V (ADC_Vout). Sa kasamaang palad, ang mga circuit na ito ay nasa output ng LT3080, na nangangahulugang ang kanilang kasalukuyang ay mag-aambag sa kasalukuyang output na nais naming sukatin. Sa kasamaang palad, ang mga alon na ito ay pare-pareho kung ang boltahe ay mananatiling pare-pareho; kaya maaari nating mai-calibrate ang kasalukuyang kapag ang pagkarga ay unang naka-disconnect.

Charge pump

Ang negatibong boltahe na nabanggit namin dati ay nabuo ng isang mausisa na maliit na circuit: ang singil na bomba. Para sa pagpapatakbo nito, magre-refer ako dito: https://www.youtube.com/embed/1WAhTdWErrU&t=1s Pinakain ito ng isang 50% PWM ng microcontroller (PWM)

Palakasin ang Converter

Tingnan natin ngayon ang input boltahe ng aming pangunahing bloke: Vboost. Nakikita natin na ito ay 8 - 24V, ngunit maghintay, 2 mga cell ng lithium sa serye ang nagbibigay ng maximum na 8.4 V? Sa katunayan, at iyon ang dahilan kung bakit kailangan nating mapalakas ang boltahe, na may tinatawag na boost converter. Palagi naming mapapalakas ang boltahe sa 24 V, anuman ang gusto nating output; gayunpaman, mag-aaksaya ito ng maraming kapangyarihan sa LT3080 at ang mga bagay ay magiging masarap! Kaya sa halip na gawin iyon, papalakasin natin ang boltahe sa medyo higit pa sa output boltahe. Halos 2.5 V mas mataas ang naaangkop, upang maibenta ang boltahe na bumaba sa kasalukuyang risistor ng kahulugan at ang boltahe ng dropout ng LT3080. Ang boltahe ay itinakda ng mga resistors sa output signal ng boost converter. Upang baguhin ang boltahe na ito sa mabilisang, gumagamit kami ng isang digital potentiometer, ang MCP41010, na kinokontrol sa pamamagitan ng SPI.

Nagcha-charge ang Baterya

Humahantong ito sa amin sa tunay na boltahe ng pag-input: ang mga baterya! Dahil gumagamit kami ng mga protektadong cell, kailangan lang naming ilagay ang mga ito sa serye at tapos na kami! Mahalagang gumamit ng mga protektadong cell dito, upang maiwasan ang sobrang lakas o sobrang paglabas, at sa gayon ay nakakasama, ng mga cell. Muli, gumagamit kami ng isang divider ng boltahe para sa pagsukat ng boltahe ng baterya, at ibinababa ito sa isang magagamit na saklaw. Ngayon sa nakawiwiling bahagi: ang singilin sa circuitry. Ginagamit namin ang BQ2057WSN chip para sa hangaring ito: kasama ng TIP32CG, karaniwang bumubuo ito ng isang linear powerupply mismo. Siningil ng chip na ito ang mga cell sa pamamagitan ng naaangkop na CV CC tilapon. Dahil ang aking mga baterya ay walang probe ng temperatura, ang input na ito ay dapat na nakatali sa kalahati ng boltahe ng baterya. Tinatapos nito ang bahagi ng regulasyon ng boltahe ng powerupply.

5V regulator

Ang boltahe ng supply ng 5 V ng arduino ay ginawa gamit ang simpleng boltahe na ito. Hindi ito ang pinaka tumpak na output ng 5 V gayunpaman, ngunit malulutas ito sa ibaba.

2.048 V na sanggunian ng boltahe

Ang maliit na maliit na tilad na ito ay nagbibigay ng isang tumpak na 2.048 V boltahe na sanggunian. Ginagamit ito bilang isang sanggunian para sa mga analog signal na ADC_Vout, ADC_Iout, ADC_Vbatt. Iyon ang dahilan kung bakit kailangan namin ng mga divider ng boltahe upang maibaba ang mga signal na ito sa 2 V. Microcontroller Ang utak ng proyektong ito ay ang ATMEGA328P, ito ang parehong chip na ginamit sa Arduino Uno. Nalampasan na namin ang karamihan sa mga signal ng kontrol, ngunit may ilang mga kagiliw-giliw na karagdagan gayunpaman. Ang mga rotary encoder ay konektado sa 2 lamang panlabas na makagambala na mga pin ng arduino: PD2 at PD3. Kailangan ito para sa isang maaasahang pagpapatupad ng software. Ang mga switch sa ilalim ay gumagamit ng isang panloob na risistor ng pullup. Pagkatapos mayroong ganitong kakaibang boltahe na divider sa pipiliin na linya ng potensyomiter (Pot). Isang divider ng boltahe sa isang output, para saan ang mabuti; baka sabihin mo. Tulad ng nabanggit dati, ang 5 V na supply ay hindi teribbly tumpak. Sa gayon ay mabuting sukatin ito nang tumpak, at ayusin ang siklo ng tungkulin ng signal ng PWM nang naaayon. Ngunit dahil wala na akong mga libreng input, kailangan kong gumawa ng isang pin na pull pull na tungkulin. Kapag ang boots ng powerupply, ang pin na ito ay unang itinakda bilang isang input: sinusukat nito ang supply rail at ini-calibrate mismo. Susunod, itinakda ito bilang isang output at maaari nitong himukin ang pipiliin na linya.

Ipakita ang Driver

Para sa display, gusto ko ng karaniwang magagamit - at murang - hitachi lcd screen. Ang mga ito ay hinihimok ng 6 na mga pin, ngunit dahil wala akong natitirang mga pin, kailangan ko ng isa pang solusyon. Isang rehistro sa paglilipat sa pagsagip! Pinapayagan ako ng 74HC595 na gamitin ang linya ng SPI upang makontrol ang display, kaya nangangailangan lamang ng 1 karagdagang chip select line.

FTDI

Ang huling bahagi ng powerupply na ito ay ang koneksyon sa malupit, sa labas ng mundo. Para sa mga ito, kailangan naming i-convert ang mga serial signal sa mga USB signal. Ginagawa ito ng isang FTDI chip, na konektado sa isang micro USB port para sa madaling koneksyon.

At iyon lang ang mayroon dito!

Hakbang 3: PCB & Electronics

Ngayon na naiintindihan namin kung paano gumagana ang circuit, maaari na nating simulan ang pagbuo nito! Maaari mo lamang orderin ang PCB online mula sa iyong paboritong tagagawa (ang gastos sa akin ay humigit-kumulang na $ 10), ang mga gerber file ay matatagpuan sa aking GitHub, kasama ang singil ng mga materyales. Ang pagtitipon ng PCB ay karaniwang isang bagay ng paghihinang ng mga sangkap sa lugar ayon sa silkscreen at bayarin ng mga materyales.

Ang unang hakbang ay paghihinang ng mga bahagi ng SMD. Karamihan sa kanila ay madaling gawin sa pamamagitan ng kamay, maliban sa FTDI chip at ang micro USB konektor. Samakatuwid, maaari mong maiwasan ang paghihinang ng 2 sangkap na iyon mismo, at sa halip ay gumamit ng isang breakout board na FTDI. Nagbigay ako ng mga pin ng header kung saan ito maaaring solder.

Kapag tapos na ang gawaing SMD, maaari kang magpatuloy sa lahat sa pamamagitan ng mga bahagi ng butas. Napaka prangka ng mga ito. Para sa mga chips, baka gusto mong gumamit ng mga socket sa halip na idirekta ang mga ito nang direkta sa board. Mas mabuti na gumamit ng isang ATMEGA328P na may Arduino bootloader, kung hindi man ay kakailanganin mong i-upload ito gamit ang ICSP header (ipinakita dito).

Ang tanging bahagi na nangangailangan ng kaunting pansin ay ang lcd screen, dahil kailangan itong mai-mount sa isang anggulo. Naghinang ito ng ilang mga lalaking may angulo na mga header dito, na nakaharap ang plastic na piraso sa ilalim ng screen. Papayagan nito ang isang mahusay na paglalagay ng screen sa pcb. Pagkatapos nito, maaari itong solder sa lugar tulad ng anumang iba pang bahagi ng throughhole.

Ang natitirang gawin lamang ay magdagdag ng 2 wires, na makokonekta sa mga terminal ng saging sa harap na plato.

Hakbang 4: Kaso at Assembly

Sa paggawa ng pcb, maaari tayong magpatuloy sa kaso. Partikular kong dinisenyo ang PCB sa paligid ng kasong hammond na ito, kaya't ang paggamit ng ibang kaso ay hindi inirerekomenda. Gayunpaman, maaari mong palaging 3D na mai-print ang isang kaso na may parehong sukat.

Ang unang hakbang ay upang ihanda ang end-panel. Kakailanganin naming mag-drill ng ilang mga butas para sa mga turnilyo, switch, atbp. Ginawa ko ito sa pamamagitan ng kamay, ngunit kung mayroon kang access sa isang CNC na magiging isang mas tumpak na pagpipilian. Ginawa ko ang mga butas ayon sa eskematiko at tinapik ang mga butas ng tornilyo.

Mahusay na ideya na magdagdag ng ilang mga pad ng sutla ngayon, at hawakan ang mga ito sa lugar na may isang maliit na patak ng sobrang pandikit. Ihiwalay nito ang LT3080 at TIP32 mula sa backplate, habang pinapayagan pa rin ang paglipat ng init. Huwag kalimutan ang mga ito! Kapag ang pag-ikot ng mga chips sa backpanel, gumamit ng isang mika washer upang matiyak na ihiwalay!

Maaari na tayong tumuon sa front panel, na kung saan ay dumulas lamang sa lugar. Maaari na nating idagdag ang mga banana jack at mga knob para sa mga rotary encoder.

Sa parehong mga panel sa lugar maaari na nating ipasok ang pagpupulong sa kaso, idagdag ang mga baterya at isara ang lahat. Tiyaking gumagamit ka ng mga protektadong baterya, hindi mo nais na sumabog ang mga cell!

Sa puntong ito ang hardware ay tapos na, ngayon ang natitira lamang ay ang pumutok dito ng software kasama ang software!

Hakbang 5: Arduino Code

Ang utak ng proyektong ito ay ang ATMEGA328P, na ipaprogram namin sa Arduino IDE. Sa seksyong ito, dadaan ako sa pangunahing pagpapatakbo ng code, ang mga detalye ay matatagpuan bilang mga komento sa loob ng code.

Karaniwang naglo-loop ang code sa pamamagitan ng mga hakbang na ito:

1. Basahin ang serial data mula sa java
2. Mga pindutan ng poll
3. Sukatin ang boltahe
4. Sukatin ang kasalukuyang
5. Sukatin ang kasalukuyang gamit ang INA219
6. Magpadala ng serial data sa java
7. I-configure ang boostconvertor
8. Kunin ang singil sa baterya
9. I-update ang screen

Ang mga rotary encoder ay pinangangasiwaan ng isang nakakagambala na gawain sa serbisyo upang masagot sila hangga't maaari.

Maaari nang mai-upload ang code sa board sa pamamagitan ng micro USB port (kung ang chip ay may bootloader). Lupon: Arduino pro o pro mini Programmer: AVR ISP / AVRISP MKII

Ngayon ay maaari nating tingnan ang pakikipag-ugnayan sa pagitan ng Arduino at ng PC.

Hakbang 6: Java Code

Para sa pag-log ng data at pagkontrol sa powerupply sa pamamagitan ng PC, gumawa ako ng isang java application. Pinapayagan kaming madali naming makontrol ang board sa pamamagitan ng isang GUI. Tulad ng sa Arduino code, hindi ko ididagdag ang lahat ng mga detalye, ngunit magbigay ng isang pangkalahatang ideya.

Nagsisimula kami sa pamamagitan ng paggawa ng isang window na may mga pindutan, textfield atbp; pangunahing bagay sa GUI.

Dumarating ang kasiya-siyang bahagi: pagdaragdag ng mga USB port, kung saan ginamit ko ang jSerialComm library. Kapag napili ang isang port, makikinig ang java para sa anumang papasok na data. Maaari rin kaming magpadala ng data sa aparato.

Bukod dito, ang lahat ng papasok na data ay nai-save sa isang csv file, para sa paggamot sa data sa paglaon.

Kapag pinapatakbo ang.jar file, dapat muna nating piliin ang tamang port mula sa dropdown menu. Pagkatapos ng pagkonekta ng data ay magsisimulang pumasok, at maaari naming ipadala ang aming mga setting sa powerupply.

Habang ang programa ay medyo batayan, maaari itong maging napaka kapaki-pakinabang upang makontrol ito sa pamamagitan ng isang PC at i-log ang data nito.

Hakbang 7: Tagumpay

Matapos ang lahat ng gawaing ito, mayroon na kaming isang ganap na nagagamit na powerupply!

Dapat ko ring pasalamatan ang ilang mga tao para sa kanilang suporta:

• Ang proyekto ay batay sa proyekto ng uSupply ng EEVBLOG at ang kanyang iskema ng Rev C. Kaya isang espesyal na salamat kay David L. Jones para sa paglabas ng kanyang mga iskema sa ilalim ng isang bukas na lisensya ng mapagkukunan at pagbabahagi ng lahat ng kanyang kaalaman.
• Isang malaking salamat kay Johan Pattyn para sa paggawa ng mga prototype ng proyektong ito.
• Gayundin sina Cedric Busschots at Hans Ingelberts ay karapat-dapat sa kredito para sa tulong sa pagto-troubleshoot.

Masisiyahan na kami sa aming sariling homeuppuply na ginawa, na darating sa madaling gamiting habang nagtatrabaho sa iba pang mga kahanga-hangang proyekto! At pinakamahalaga: natutunan namin ang maraming mga bagay sa daan.

Kung nagustuhan mo ang proyektong ito, mangyaring iboto ako sa paligsahan sa powerupply, talagang pahalagahan ko ito!

Pangalawang Gantimpala sa Paligsahan sa Power Supply