- Potrebni materiali
- Premisleki glede zasnove pretvornika za pospeševanje ene celice
- Shema vezja
- Izbira komponent
- Oblikovanje in izdelava tiskanih vezij s pomočjo EDA
- Izračun in naročanje vzorcev prek spleta
- Priprava tiskalne plošče Boost Converter
- Testiranje modula za ojačanje kovancev
Baterijske celice so najpogosteje uporabljeni vir energije za napajanje prenosne elektronike. Naj bo to preprosta budilka ali vozlišče senzorja IoT ali zapleten mobilni telefon, vse napajajo baterije. V večini primerov morajo imeti te prenosne naprave majhen faktor faktorja (velikost paketa), zato se napajajo iz enocelične baterije, kot je priljubljena litijeva celica CR2032 ali druge 3,7 V litijeve polimere ali 18650 celic. Te celice pakirajo veliko energije zaradi svoje velikosti, vendar je pogosta pomanjkljivost teh celic njihova delovna napetost. Tipična litijeva baterija ima nazivno napetost 3,7 V, vendar se lahko ta napetost spusti do 2,8 V, ko je popolnoma izpraznjena, in do 4,2 V, ko je popolnoma napolnjena, kar ni zelo zaželeno za naše elektronske zasnove, ki delujejo z reguliranim V ali 5V kot delovna napetost.
To zahteva potrebo po povečevalnem pretvorniku, ki lahko sprejme to spremenljivko 2,8 V do 4,2 V kot vhodno napetost in jo regulira na konstantno 3,3 V ali 5 V. Na srečo obstaja IC, imenovan BL8530, ki počne popolnoma enako z zelo majhnimi zunanjimi komponentami. Torej, v tem projektu bomo zgradili poceni 5V ojačevalno vezje, ki zagotavlja konstantno regulirano izhodno napetost 5V iz kovanske celice CR2032; za ta povečevalni pretvornik bomo zasnovali tudi kompaktno tiskano vezje, da ga bomo lahko uporabili v vseh naših prihodnjih prenosnih projektih. Največji izhodni tok ojačevalnega pretvornika bo 200mAkar je dovolj dobro za napajanje osnovnih mikrokrmilnikov in senzorjev. Druga prednost tega vezja je, da če vaš projekt zahteva reguliran 3.3V namesto 5V, lahko isto vezje uporabite tudi za regulacijo 3.3V s samo zamenjavo ene komponente. To vezje lahko deluje tudi kot Power Bank za napajanje majhnih plošč, kot so Arduino, STM32, MSP430 itd. Pred tem smo z litijevo baterijo za polnjenje mobilnega telefona zgradili podoben pretvornik.
Potrebni materiali
- BL8530-5V ojačevalnik IC (SOT89)
- Induktor 47uH (5 mm SMD)
- Dioda SS14 (SMD)
- Tantalov kondenzator 1000uF 16V (SMD)
- Nosilec kovancev
- USB ženski priključek
Premisleki glede zasnove pretvornika za pospeševanje ene celice
Zahteve za zasnovo pretvornika z enoceličnim ojačevalnikom se bodo razlikovale od zahtev običajnega pretvornika za povečanje. To je zato, ker se tukaj energija iz baterije (gumbaste celice) poveča v izhodno napetost, da naša naprava deluje. Zato je treba paziti, da bo ojačevalno vezje z največjo učinkovitostjo izkoristilo največ baterije, da bo naprava čim dlje vklopljena. Pri izbiri ojačevalne IC za vaše modele lahko upoštevate naslednje štiri parametre. Če želite izvedeti več o tem, lahko preberete tudi članek o zasnovi regulatorja pospeševanja.
Zagonska napetost: to je najmanjša potrebna vhodna napetost iz akumulatorja, da bo pretvornik za povečanje moči lahko deloval. Ko vklopite ojačevalni pretvornik, mora biti baterija vsaj sposobna zagotoviti to zagonsko napetost, da bo vaš ojačevalnik deloval. V naši zasnovi je zahtevana zagonska napetost 0,8 V, kar je pod katero koli popolnoma izpraznjeno napetostjo kovanskih celic.
Zadrževalna napetost: Ko se naprava napaja z vašim povečevalnim krogom, bo napetost akumulatorja začela upadati, saj oddaja moč. Napetost, do katere bo ojačevalna IC ohranila svojo zmogljivost, se imenuje zadrževalna napetost. Pod to napetostjo bo IC ustavil funkcijo in ne bomo dobili izhodne napetosti. Upoštevajte, da bo zadrževalna napetost vedno manjša od zagonske napetosti. To pomeni, da bo IC za začetek svojega delovanja potreboval več napetosti, med delovanjem pa lahko akumulator izprazni pod to. Zadrževalna napetost v našem vezju je 0,7 V.
Mirovalni tok: Količina toka, ki ga naše ojačevalno vezje črpa (zapravlja), tudi če na izhodni strani ni priključena nobena obremenitev, se imenuje mirovalni tok. Ta vrednost naj bo čim nižja, za naš IC je vrednost mirujočega toka med 4uA do 7uA. Zelo pomembno je, da je ta vrednost nizka ali nič, če naprava dlje časa ne bo priključena na obremenitev.
On-Resistance: Vse vezje pretvornika boost bodo vključevale preklopno napravo, kot je MOSFET ali drugi FET. Če uporabljamo pretvornik IC, bo ta preklopna naprava vdelana znotraj IC. Pomembno je, da ima to stikalo zelo majhno upornost. Na primer, v naši zasnovi tukaj ima IC BL8530 notranje stikalo z odpornostjo 0,4Ω, kar je dostojna vrednost. Ta upor bo spustil napetost na stikalu glede na tok skozi njega (Ohmov zakon) in s tem zmanjšal učinkovitost modula.
Obstaja veliko načinov za povečanje napetosti, nekateri od njih so predstavljeni v naši seriji polnilnih vezij tukaj.
Shema vezja
Celoten diagram vezja za 5V ojačevalno vezje je prikazan spodaj, sheme so bile narisane s pomočjo EasyEDA.
Kot vidite, vezje zahteva zelo malo komponent, saj vso trdo delo vleče IC BL8530. Obstaja veliko različic BL8530 IC, tukaj uporabljene "BL8530-50", kjer 50 predstavlja izhodno napetost 5V. Podobno ima IC BL8530-33 izhodno napetost 3,3 V, tako da lahko z zamenjavo tega IC dobimo zahtevano izhodno napetost. Na trgu je na voljo 2.5V, 3V, 4.2V, 5V in celo 6V različica tega IC. V tej vadnici se bomo osredotočili na različico 5V. Za delovanje IC potrebujejo le kondenzator, induktor in diodo, poglejmo, kako izbrati komponente.
Izbira komponent
Induktor: Razpoložljiva vrednost induktorja za to IC je od 3uH do 1mH. Uporaba visoke vrednosti induktorja bo zagotovila visok izhodni tok in visoko učinkovitost. Slaba stran pa je, da za delovanje potrebuje visoko vhodno napetost iz celice, zato uporaba visoke vrednosti induktorja morda ne bo omogočila delovanja povečevalnega vezja, dokler se baterija popolnoma ne izprazni. Zato je treba narediti kompromis med izhodnim in najmanjšim vhodnim tokom pri načrtovanju. Tu sem uporabil vrednost 47uH, ker potrebujem visok izhodni tok, lahko to vrednost zmanjšate, če bo vaš obremenitveni tok manjši za vašo zasnovo. Pomembno je tudi, da izberete induktor z nizko vrednostjo ESR za visoko učinkovitost vaše zasnove.
Izhodni kondenzator: Dovoljena vrednost kondenzatorja je od 47uF do 220uF. Funkcija tega izhodnega kondenzatorja je filtriranje izhodnih valov. Vrednost tega je treba določiti glede na naravo obremenitve. Če gre za induktivno obremenitev, je priporočljiv kondenzator visoke vrednosti za uporovne obremenitve, kot so mikrokrmilniki ali večina senzorjev, kondenzator z nizko vrednostjo bo deloval. Pomanjkljivost uporabe kondenzatorja visoke vrednosti je povečan strošek in upočasni sistem. Tu sem uporabil tantalni kondenzator 100uF, ker so tantalski kondenzatorji boljši pri nadzoru valovanja kot keramični kondenzatorji.
Dioda: Edina ugotovitev pri diodi je, da mora imeti zelo padec nizke napetosti. Znano je, da imajo Schottkyjeve diode nizke padce napetosti naprej kot običajne usmerniške diode. Zato smo uporabili diodo SS14D SMD, ki ima padec napetosti naprej manj kot 0,2 V.
Vhodni kondenzator: Podobno kot izhodni kondenzator lahko tudi vhodni kondenzator nadzoruje napetost valovanja pred vstopom v ojačevalni krog. Ampak tukaj, ker za svoje napetostne vire uporabljamo baterijo, za nadzor valovanja ne bomo potrebovali vhodnega kondenzatorja. Ker baterije po naravi zagotavljajo čisto enosmerno napetost, brez valovanja v njih.
Ostale komponente so le pomožne. Nosilec baterije se uporablja za držanje Coin celice, vrata UCB pa so namenjena neposredni povezavi kablov USB z našim ojačevalnim modulom, tako da lahko enostavno napajamo običajne razvojne plošče, kot so Arduino, ESP8266, ESP32 itd.
Oblikovanje in izdelava tiskanih vezij s pomočjo EDA
Zdaj, ko je vezje Coin Cell Boost Converter pripravljeno, je čas, da ga izdelamo. Ker so vse komponente tukaj na voljo samo v paketu SMD, sem moral izdelati tiskano vezje za svoje vezje. Tako kot vedno smo za izdelavo našega tiskanega vezja uporabili spletno orodje EDA EasyEDA, saj je zelo priročno za uporabo, saj ima dobro zbirko odtisov in je odprtokodno.
Po zasnovi PCB lahko naročimo vzorce PCB z njihovimi poceni storitvami izdelave PCB. Ponujajo tudi storitev nabave komponent, kjer imajo veliko zalogo elektronskih komponent in uporabniki lahko naročijo njihove zahtevane komponente skupaj z naročilom PCB.
Med načrtovanjem vezij in tiskanih vezij lahko svoje načrte vezij in tiskanih vezij objavite tudi tako, da jih lahko drugi uporabniki kopirajo ali urejajo in izkoristijo vaše delo. Za to vezje smo objavili tudi celotno postavitev vezij in tiskanih vezij, preverite spodnja povezava:
easyeda.com/CircuitDigest/Single-Cell-Boost-Converter
Lahko si ogledate katero koli plast (zgoraj, spodaj, zgornjo svilo, spodnjo sliko itd.) PCB-ja tako, da v oknu »Plasti« izberete plast. Pred kratkim so uvedli tudi možnost 3D-pogleda, tako da si lahko ogledate tudi PCB za merjenje napetosti Multicell, kako bo videti po izdelavi z gumbom 3D View v EasyEDA:
Izračun in naročanje vzorcev prek spleta
Po končanem oblikovanju tega 5V ojačevalnega vezja na kovance lahko PCB naročite prek JLCPCB.com. Če želite naročiti PCB pri JLCPCB, potrebujete datoteko Gerber. Za prenos Gerberjevih datotek s tiskanega vezja na strani urejevalnika EasyEDA kliknite gumb Ustvari datoteko za izdelavo, nato od tam prenesite datoteko Gerber ali pa kliknite Naročilo pri JLCPCB, kot je prikazano na spodnji sliki. To vas bo preusmerilo na JLCPCB.com, kjer lahko izberete število PCB-jev, ki jih želite naročiti, koliko bakrenih plasti potrebujete, debelino PCB-ja, težo bakra in celo barvo PCB-ja, kot je spodnji posnetek. Druga dobra novica je, da lahko zdaj od JLCPCB dobite vse barvne tiskane plošče po isti ceni. Tako sem se odločila, da svojo dobim v črni barvi samo za nekaj estetskega videza, lahko izberete svojo najljubšo barvo.
Po kliku na gumb za naročilo na JLCPCB vas pripelje na spletno mesto JLCPCB, kjer lahko naročite katero koli barvno tiskano ploščo po zelo nizki ceni, ki znaša 2 USD za vse barve. Njihov čas izdelave je prav tako zelo manjši, kar znaša 48 ur, ko DHL dobavi 3-5 dni, v bistvu boste svoje PCB dobili v enem tednu po naročilu. Poleg tega ponujajo tudi 20 USD popusta pri pošiljanju za vaše prvo naročilo.
Po naročilu PCB lahko preverite proizvodni napredek PCB z datumom in uro. To preverite tako, da greste na strani z računom in kliknete povezavo "Potek proizvodnje" pod PCB, kot je prikazano na spodnji sliki.
Po nekaj dneh naročanja PCB-jev sem dobil vzorce PCB v lepi embalaži, kot je prikazano na spodnjih slikah.
Priprava tiskalne plošče Boost Converter
Kot lahko vidite iz zgornjih slik, je bila plošča v zelo dobri obliki, tako da bodo vsi odtisi stopal in vijaki na točno določeni velikosti. Tako sem nadaljeval s spajkanjem vseh komponent SMD na plošči in nato tistih skozi luknje. V nekaj minutah je moj PCB pripravljen za akcijo. Spodaj je prikazana moja tabla z vsemi spajkanimi komponentami in kovansko celico
Testiranje modula za ojačanje kovancev
Zdaj, ko je naš modul že pripravljen in ga poganjamo, ga lahko začnemo preizkušati. Ojačani 5-voltni izhod s plošče lahko dobite prek vrat USB ali moškega zatiča v bližini. Z multimeterom sem izmeril izhodno napetost in kot vidite je bila blizu 5V. Zato lahko sklepamo, da naš modul za dvig deluje pravilno.
Ta modul lahko zdaj uporabljate za napajanje plošč mikrokrmilnikov ali za napajanje drugih majhnih senzorjev ali vezij. Upoštevajte, da je največji tok, ki ga lahko odda, le 200 mA, zato ne pričakujte, da bo vozil težka bremena. Vendar sem bil zadovoljen z napajanjem svojih Arduino plošč in plošč ESP s tem majhnim in kompaktnim modulom. Spodnje slike prikazujejo pretvornik pospeševanja, ki napaja Arduino in STM.
Tako kot prejšnji modul napajalne plošče bo tudi ta modul za dvig kovancev dodan v moj inventar, da jih bom lahko uporabljal pri vseh svojih prihodnjih projektih, kjer koli potrebujem prenosni kompaktni vir energije. Upam, da vam je bil projekt všeč in ste se v procesu gradnje tega modula naučili kaj koristnega. Celotno delo najdete v spodnjem videoposnetku.
Če imate kakršne koli težave s tem, da stvari delujejo, jih spustite v odsek za komentarje ali uporabite naša forum za druga tehnična vprašanja.