Nguồn cung cấp năng lượng hoạt động bằng pin kỹ thuật số: 7 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:35

Bạn đã bao giờ muốn có một nguồn cung cấp năng lượng mà bạn có thể sử dụng khi đang di chuyển, ngay cả khi không có ổ cắm trên tường gần đó? Và sẽ không tuyệt nếu nó cũng rất chính xác, kỹ thuật số và có thể điều khiển thông qua PC?

Trong hướng dẫn này, tôi sẽ chỉ cho bạn cách xây dựng chính xác: nguồn cung cấp năng lượng hoạt động bằng pin kỹ thuật số, tương thích với arduino và có thể được điều khiển thông qua PC qua USB.

Một thời gian trước, tôi đã xây dựng một nguồn cung cấp năng lượng từ một PSU ATX cũ và mặc dù nó hoạt động tốt, tôi muốn nâng cấp trò chơi của mình bằng một nguồn cung cấp năng lượng kỹ thuật số. Như đã nói, nó được cung cấp năng lượng bởi pin (chính xác là 2 tế bào lithium) và nó có thể cung cấp tối đa 20 V ở 1 A; rất nhiều cho hầu hết các dự án của tôi yêu cầu nguồn cung cấp năng lượng chính xác.

Tôi sẽ hiển thị toàn bộ quy trình thiết kế và tất cả các tệp dự án có thể được tìm thấy trên trang GitHub của tôi:

Bắt đầu nào!

Bước 1: Tính năng & Chi phí

Đặc trưng

• Chế độ điện áp không đổi và chế độ dòng điện không đổi
• Sử dụng bộ điều chỉnh tuyến tính có độ ồn thấp, đi trước là bộ điều chỉnh trước theo dõi để giảm thiểu tiêu hao điện năng
• Sử dụng các thành phần có thể giải quyết bằng tay để giữ cho dự án có thể truy cập được
• Được cung cấp bởi ATMEGA328P, được lập trình với Arduino IDE
• Giao tiếp PC thông qua ứng dụng Java qua micro USB
• Được cung cấp năng lượng bởi 2 pin Lithium Ion 18650 được bảo vệ
• Các phích cắm chuối cách nhau 18 mm để tương thích với bộ điều hợp BNC

Thông số kỹ thuật

• 0 - 1A, bước 1 mA (10 bit DAC)
• 0 - 20V, các bước 20 mV (10 bit DAC) (hoạt động 0V thực)
• Đo điện áp: Độ phân giải 20 mV (10 bit ADC)

• Đo lường hiện tại:

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

Trị giá

Việc cung cấp năng lượng hoàn chỉnh có giá khoảng 135 đô la, với tất cả các thành phần một lần duy nhất. Pin là phần đắt nhất ($ 30 cho 2 cell), vì chúng được bảo vệ 18650 tế bào lithium, có thể giảm chi phí đáng kể nếu không cần vận hành pin. Bằng cách loại bỏ pin và mạch sạc, giá giảm xuống còn khoảng 100 đô la. Mặc dù điều này có vẻ đắt tiền, nhưng các nguồn cung cấp năng lượng có hiệu suất và tính năng kém hơn nhiều thường có giá cao hơn mức này.

Nếu bạn không ngại đặt hàng linh kiện của mình từ ebay hoặc aliexpress, giá với pin sẽ giảm xuống còn 100 đô la và 70 đô la nếu không có. Mất nhiều thời gian hơn để các bộ phận đi vào hoạt động, nhưng đó là một lựa chọn khả thi.

Bước 2: Sơ đồ & Lý thuyết hoạt động

Để hiểu hoạt động của mạch, chúng ta sẽ phải nhìn vào sơ đồ. Tôi chia nó thành các khối chức năng, sao cho dễ hiểu hơn; Do đó, tôi cũng sẽ giải thích từng bước hoạt động, phần này khá sâu và đòi hỏi kiến thức điện tử tốt. Nếu bạn chỉ muốn biết cách xây dựng mạch, bạn có thể chuyển sang bước tiếp theo.

Khối chính

Hoạt động dựa trên chip LT3080: đó là một bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính, có thể giảm điện áp, dựa trên tín hiệu điều khiển. Tín hiệu điều khiển này sẽ được tạo ra bởi một vi điều khiển; Làm thế nào điều này được thực hiện, sẽ được giải thích chi tiết sau.

Cài đặt điện áp

Mạch điện xung quanh LT3080 tạo ra các tín hiệu điều khiển thích hợp. Đầu tiên, chúng ta sẽ xem xét cách đặt điện áp. Cài đặt điện áp từ bộ vi điều khiển là tín hiệu PWM (PWM_Vset), được lọc bằng bộ lọc thông thấp (C9 & R26). Điều này tạo ra một điện áp tương tự - từ 0 đến 5 V - tỷ lệ với điện áp đầu ra mong muốn. Vì phạm vi đầu ra của chúng tôi là 0 - 20 V, chúng tôi sẽ phải khuếch đại tín hiệu này với hệ số là 4. Điều này được thực hiện bởi cấu hình opamp không đảo ngược của U3C. Độ lợi cho chân đặt được xác định bởi R23 // R24 // R25 và R34. Các điện trở này có dung sai 0,1%, để giảm thiểu sai số. R39 và R36 không quan trọng ở đây, vì chúng là một phần của vòng phản hồi.

Thiết lập hiện tại

Chân cài đặt này cũng có thể được sử dụng cho cài đặt thứ hai: chế độ hiện tại. Chúng tôi muốn đo mức hòa hiện tại và tắt đầu ra khi điều này vượt quá dòng mong muốn. Do đó, chúng tôi bắt đầu lại bằng tín hiệu PWM (PWM_Iset), được tạo ra bởi bộ vi điều khiển, hiện đã được lọc thông thấp và suy giảm để đi từ dải 0 - 5 V sang dải 0 - 2 V. Điện áp này bây giờ được so sánh với điện áp giảm trên điện trở cảm nhận hiện tại (ADC_Iout, xem bên dưới) bằng cấu hình so sánh của opamp U3D. Nếu dòng điện quá cao, điều này sẽ bật đèn LED, đồng thời kéo dòng đặt của LT3080 xuống đất (thông qua Q2), do đó tắt đầu ra. Việc đo dòng điện và tạo tín hiệu ADC_Iout được thực hiện như sau. Dòng điện đầu ra chạy qua các điện trở R7 - R16. Tổng số 1 ohm; lý do không sử dụng 1R ngay từ đầu là gấp đôi: 1 điện trở sẽ cần có định mức công suất cao hơn (nó cần tiêu tán ít nhất 1 W) và bằng cách sử dụng song song 10 điện trở 1%, chúng tôi nhận được độ chính xác cao hơn với một điện trở 1% duy nhất. Bạn có thể tìm thấy video hay về lý do tại sao tính năng này hoạt động tại đây: https://www.youtube.com/embed/1WAhTdWErrU&t=1s Khi dòng điện chạy qua các điện trở này, nó tạo ra điện áp sụt giảm mà chúng ta có thể đo được và được đặt trước LT3080, vì điện áp rơi trên nó sẽ không ảnh hưởng đến điện áp đầu ra. Sự sụt giảm điện áp được đo bằng bộ khuếch đại vi sai (U3B) với độ lợi là 2. Điều này dẫn đến dải điện áp 0 - 2 V (nhiều hơn về sau), do đó bộ chia điện áp ở tín hiệu PWM của dòng điện. Bộ đệm (U3A) ở đó để đảm bảo rằng dòng điện chạy vào các điện trở R21, R32 và R33 không đi qua điện trở cảm nhận hiện tại, điều này sẽ ảnh hưởng đến việc đọc của nó. Cũng lưu ý rằng đây phải là opamp đường sắt, vì điện áp đầu vào ở đầu vào dương bằng với điện áp cung cấp. Tuy nhiên, bộ khuếch đại không đảo ngược chỉ dành cho phép đo khóa học, đối với các phép đo rất chính xác, chúng tôi có chip INA219 trên bo mạch. Con chip này cho phép chúng ta đo dòng điện rất nhỏ và được định địa chỉ qua I2C.

Những điều bổ sung

Ở đầu ra của LT3080, chúng tôi có thêm một số thứ. Trước hết, có một bồn rửa hiện tại (LM334). Điều này tạo ra một dòng điện không đổi 677 uA (đặt bởi điện trở R41), để ổn định LT3080. Tuy nhiên, nó không được kết nối với đất, mà là VEE, một điện áp âm. Điều này là cần thiết để cho phép LT3080 hoạt động xuống 0 V. Khi kết nối với đất, điện áp thấp nhất sẽ là khoảng 0,7 V. Điều này có vẻ đủ thấp, nhưng hãy nhớ rằng điều này ngăn chúng ta tắt hoàn toàn nguồn cung cấp năng lượng. Diode zener D3 được sử dụng để kẹp điện áp đầu ra nếu nó vượt quá 22 V và bộ chia điện trở giảm phạm vi điện áp đầu ra từ 0 - 20 V xuống 0 - 2 V (ADC_Vout). Thật không may, các mạch này nằm ở đầu ra của LT3080, có nghĩa là dòng điện của chúng sẽ góp phần tạo ra dòng điện đầu ra mà chúng ta muốn đo. May mắn thay, các dòng điện này không đổi nếu điện áp không đổi; vì vậy chúng ta có thể hiệu chỉnh dòng điện khi ngắt tải trước.

Sạc máy bơm

Điện áp âm mà chúng ta đã đề cập trước đây được tạo ra bởi một mạch nhỏ kỳ lạ: máy bơm tích điện. Đối với hoạt động của nó, tôi sẽ tham khảo tại đây: https://www.youtube.com/embed/1WAhTdWErrU&t=1s Nó được cung cấp bởi 50% PWM của bộ vi điều khiển (PWM)

Bộ chuyển đổi Boost

Bây giờ chúng ta hãy xem xét điện áp đầu vào của khối chính của chúng ta: Vboost. Chúng tôi thấy rằng nó là 8 - 24V, nhưng chờ đợi, 2 pin lithium mắc nối tiếp cho tối đa 8,4 V? Thật vậy, và đó là lý do tại sao chúng ta cần tăng điện áp, với cái gọi là bộ chuyển đổi tăng cường. Chúng tôi luôn có thể tăng điện áp lên 24 V, bất kể đầu ra nào chúng tôi muốn; tuy nhiên, điều này sẽ lãng phí rất nhiều năng lượng trong LT3080 và mọi thứ sẽ trở nên nóng hơn! Vì vậy, thay vì làm điều đó, chúng tôi sẽ tăng điện áp lên một chút so với điện áp đầu ra. Cao hơn khoảng 2,5 V là thích hợp, để giải thích sự sụt giảm điện áp trong điện trở cảm nhận hiện tại và điện áp rơi của LT3080. Điện áp được đặt bằng điện trở trên tín hiệu đầu ra của bộ chuyển đổi tăng áp. Để thay đổi điện áp này một cách nhanh chóng, chúng tôi sử dụng một chiết áp kỹ thuật số, MCP41010, được điều khiển thông qua SPI.

Sạc pin

Điều này dẫn chúng ta đến điện áp đầu vào thực: pin! Vì chúng tôi sử dụng các ô được bảo vệ, chúng tôi chỉ cần đặt chúng theo chuỗi là xong! Điều quan trọng là sử dụng các tế bào được bảo vệ ở đây, để tránh quá dòng hoặc phóng điện quá mức, và do đó làm hỏng các tế bào. Một lần nữa, chúng tôi sử dụng một bộ chia điện áp để đo điện áp của pin và giảm nó xuống một phạm vi có thể sử dụng được. Bây giờ đến phần thú vị: mạch sạc. Chúng tôi sử dụng chip BQ2057WSN cho mục đích này: kết hợp với TIP32CG, về cơ bản nó tạo thành một nguồn cung cấp năng lượng tuyến tính. Con chip này sạc các tế bào thông qua quỹ đạo CV CC thích hợp. Vì pin của tôi không có đầu dò nhiệt độ, đầu vào này phải được gắn với một nửa điện áp của pin. Điều này kết thúc phần điều chỉnh điện áp của nguồn cung cấp năng lượng.

Bộ điều chỉnh 5V

Điện áp cung cấp 5 V của arduino được thực hiện bằng bộ điều chỉnh điện áp đơn giản này. Tuy nhiên, đây không phải là đầu ra 5 V chính xác nhất, nhưng điều này sẽ được giải quyết bên dưới.

Tham chiếu điện áp 2.048 V

Con chip nhỏ này cung cấp tham chiếu điện áp 2.048 V rất chính xác. Điều này được sử dụng làm tham chiếu cho các tín hiệu tương tự ADC_Vout, ADC_Iout, ADC_Vbatt. Đó là lý do tại sao chúng tôi cần bộ chia điện áp để đưa những tín hiệu này xuống 2 V. Bộ vi điều khiển Bộ não của dự án này là ATMEGA328P, đây là con chip tương tự được sử dụng trong Arduino Uno. Chúng tôi đã xem xét hầu hết các tín hiệu điều khiển, nhưng vẫn có một số bổ sung thú vị. Các bộ mã hóa quay được kết nối với 2 chân ngắt bên ngoài duy nhất của arduino: PD2 và PD3. Điều này là cần thiết để triển khai phần mềm đáng tin cậy. Các công tắc bên dưới sử dụng một điện trở pullup bên trong. Khi đó trên vạch chọn chip của chiết áp (Pot) xuất hiện bộ chia điện áp lạ này. Một bộ chia điện áp trên một đầu ra, điều đó tốt cho những gì; bạn có thể nói. Như đã đề cập trước đây, nguồn cung cấp 5 V không chính xác. Do đó, sẽ rất tốt nếu đo chính xác điều này và điều chỉnh chu kỳ hoạt động của tín hiệu PWM cho phù hợp. Nhưng vì tôi không còn đầu vào miễn phí nữa, tôi phải thực hiện nhiệm vụ kép kéo pin. Khi bộ nguồn khởi động, đầu tiên chân này được đặt làm đầu vào: nó đo đường ray cung cấp và tự hiệu chỉnh. Tiếp theo, nó được đặt làm đầu ra và nó có thể điều khiển dòng chọn chip.

Trình điều khiển hiển thị

Đối với màn hình, tôi muốn có một màn hình LCD hitachi thông dụng - và giá rẻ. Chúng được điều khiển bởi 6 chân, nhưng vì tôi không còn chân, tôi cần một giải pháp khác. Một ca đăng ký để giải cứu! 74HC595 cho phép tôi sử dụng dòng SPI để điều khiển màn hình, do đó chỉ cần thêm 1 dòng chọn chip.

FTDI

Phần cuối cùng của cuộc cung cấp sức mạnh này là mối liên hệ với thế giới bên ngoài tàn nhẫn. Đối với điều này, chúng ta cần chuyển đổi các tín hiệu nối tiếp thành tín hiệu USB. Điều này được thực hiện bởi chip FTDI, được kết nối với cổng micro USB để dễ dàng kết nối.

Và đó là tất cả những gì cần làm!

Bước 3: PCB & Điện tử

Bây giờ chúng ta đã hiểu cách thức hoạt động của mạch, chúng ta có thể bắt đầu xây dựng nó! Bạn có thể đơn giản đặt mua PCB trực tuyến từ nhà sản xuất yêu thích của mình (giá của tôi khoảng 10 đô la), các tệp mầm có thể được tìm thấy trên GitHub của tôi, cùng với hóa đơn vật liệu. Sau đó, lắp ráp PCB về cơ bản là vấn đề hàn các thành phần tại chỗ theo màn lụa và bảng giá vật liệu.

Bước đầu tiên là hàn các thành phần SMD. Hầu hết chúng đều dễ dàng thực hiện bằng tay, ngoại trừ chip FTDI và đầu nối micro USB. Do đó, bạn có thể tránh tự hàn 2 thành phần đó và thay vào đó hãy sử dụng bảng đột phá FTDI. Tôi đã cung cấp các chân tiêu đề, nơi này có thể được hàn vào.

Khi công việc SMD hoàn thành, bạn có thể chuyển sang tất cả các thành phần lỗ. Đây là những điều rất đơn giản. Đối với các chip, bạn có thể muốn sử dụng các ổ cắm thay vì hàn trực tiếp vào bo mạch. Tốt nhất là sử dụng ATMEGA328P với bộ nạp khởi động Arduino, nếu không bạn sẽ phải tải nó lên bằng tiêu đề ICSP (hiển thị ở đây).

Phần duy nhất cần chú ý hơn một chút là màn hình LCD, vì nó cần được gắn ở một góc. Hàn một số tiêu đề có góc cạnh của nam giới lên nó, với miếng nhựa hướng vào mặt dưới của màn hình. Điều này sẽ cho phép một vị trí tốt của màn hình trên pcb. Sau đó, nó có thể được hàn tại chỗ giống như bất kỳ thành phần lỗ thông nào khác.

Việc duy nhất còn lại cần làm là thêm 2 sợi dây, chúng sẽ kết nối với các cực chuối ở mặt trước.

Bước 4: Vỏ & lắp ráp

Với pcb được thực hiện, chúng ta có thể chuyển sang trường hợp. Tôi đặc biệt thiết kế PCB xung quanh trường hợp hammond này, vì vậy không nên sử dụng một trường hợp khác. Tuy nhiên, bạn luôn có thể in 3D một trường hợp có cùng kích thước.

Bước đầu tiên là chuẩn bị bảng kết thúc. Chúng tôi sẽ cần phải khoan một số lỗ cho vít, công tắc, v.v. Tôi đã làm điều này bằng tay, nhưng nếu bạn có quyền truy cập vào máy CNC đó sẽ là một lựa chọn chính xác hơn. Tôi tạo các lỗ theo sơ đồ và khai thác các lỗ vít.

Bạn nên thêm một số miếng lụa vào và giữ chúng cố định bằng một giọt keo siêu nhỏ. Chúng sẽ cách ly LT3080 và TIP32 khỏi tấm nền, trong khi vẫn cho phép truyền nhiệt. Đừng quên chúng! Khi vặn các chip vào tấm ốp lưng, hãy sử dụng máy rửa mica để đảm bảo cách ly!

Bây giờ chúng ta có thể tập trung vào bảng điều khiển phía trước, bảng điều khiển này chỉ cần trượt tại chỗ. Bây giờ chúng ta có thể thêm các giắc cắm chuối và các nút cho bộ mã hóa quay.

Với cả hai tấm tại chỗ, bây giờ chúng ta có thể lắp cụm vào vỏ, thêm pin và đóng tất cả lại. Hãy chắc chắn rằng bạn sử dụng pin được bảo vệ, bạn không muốn các tế bào phát nổ!

Tại thời điểm này, phần cứng đã hoàn thành, bây giờ tất cả những gì còn lại là thổi một chút sức sống vào nó bằng phần mềm!

Bước 5: Mã Arduino

Bộ não của dự án này là ATMEGA328P, chúng tôi sẽ lập trình với Arduino IDE. Trong phần này, tôi sẽ đi qua các hoạt động cơ bản của mã, các chi tiết có thể được tìm thấy như là bình luận bên trong mã.

Về cơ bản, mã lặp qua các bước sau:

1. Đọc dữ liệu nối tiếp từ java
2. Các nút thăm dò ý kiến
3. Đo điện áp
4. Đo dòng điện
5. Đo dòng điện bằng INA219
6. Gửi dữ liệu nối tiếp tới java
7. Định cấu hình bộ chuyển đổi tăng cường
8. Sạc pin
9. Cập nhật màn hình

Các bộ mã hóa quay được xử lý theo quy trình dịch vụ ngắt để chúng đáp ứng nhanh nhất có thể.

Mã hiện có thể được tải lên bảng thông qua cổng micro USB (nếu chip có bộ nạp khởi động). Bo mạch: Arduino pro hoặc pro mini Lập trình: AVR ISP / AVRISP MKII

Bây giờ chúng ta có thể xem xét sự tương tác giữa Arduino và PC.

Bước 6: Mã Java

Để ghi dữ liệu và kiểm soát nguồn cung cấp năng lượng qua PC, tôi đã tạo một ứng dụng java. Điều này cho phép chúng tôi dễ dàng điều khiển bảng thông qua GUI. Giống như với mã Arduino, tôi sẽ không đi vào tất cả các chi tiết mà chỉ đưa ra một cái nhìn tổng quan.

Chúng tôi bắt đầu bằng cách tạo một cửa sổ với các nút, trường văn bản, v.v.; nội dung GUI cơ bản.

Bây giờ đến phần thú vị: thêm các cổng USB, mà tôi đã sử dụng thư viện jSerialComm. Khi một cổng được chọn, java sẽ lắng nghe mọi dữ liệu đến. Chúng tôi cũng có thể gửi dữ liệu đến thiết bị.

Hơn nữa, tất cả dữ liệu đến được lưu vào tệp csv, để xử lý dữ liệu sau này.

Khi chạy tệp.jar, trước tiên chúng ta nên chọn cổng phù hợp từ menu thả xuống. Sau khi kết nối dữ liệu sẽ bắt đầu đến và chúng tôi có thể gửi cài đặt của mình đến nguồn cung cấp năng lượng.

Mặc dù chương trình khá cơ bản, nhưng nó có thể rất hữu ích để điều khiển nó qua PC và ghi dữ liệu của nó.

Bước 7: Thành công

Sau tất cả công việc này, giờ đây chúng ta đã có một nguồn cung cấp năng lượng đầy đủ chức năng!

Tôi cũng phải cảm ơn một số người đã ủng hộ:

• Dự án dựa trên dự án uSupply của EEVBLOG và sơ đồ Rev C của anh ấy. Vì vậy, xin đặc biệt cảm ơn David L. Jones đã phát hành các sơ đồ của anh ấy theo giấy phép nguồn mở và chia sẻ tất cả kiến thức của anh ấy.
• Rất cảm ơn Johan Pattyn vì đã sản xuất các nguyên mẫu của dự án này.
• Ngoài ra, Cedric Busschots và Hans Ingelberts cũng xứng đáng được ghi nhận vì đã giúp khắc phục sự cố.

Giờ đây, chúng ta có thể tận hưởng nguồn cung cấp năng lượng tại nhà của riêng mình, sẽ rất hữu ích khi làm việc trên các dự án tuyệt vời khác! Và quan trọng nhất: chúng tôi đã học được nhiều điều trong suốt chặng đường.

Nếu bạn thích dự án này, hãy bình chọn cho tôi trong cuộc thi cung cấp năng lượng, tôi thực sự đánh giá cao nó! Https: //www.instructables.com/contest/powersupply/

Giải nhì cuộc thi Cung cấp điện