Digitális USB C tápellátású Bluetooth tápegység: 8 lépés (képekkel)

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:43

Szeretett volna valaha tápegységet, amelyet útközben is használhat, még a közeli fali aljzat nélkül is? És nem lenne jó, ha ez is nagyon precíz, digitális és PC -n és telefonon keresztül vezérelhető lenne?

Ebben az oktatható útmutatóban megmutatom, hogyan kell pontosan ezt felépíteni: egy digitális tápegységet, amely USB C -ről táplálkozik. Arduino -kompatibilis, és PC -n keresztül USB -n keresztül, vagy telefonon keresztül Bluetooth -on keresztül vezérelhető.

Ez a projekt a korábbi tápegységem fejlesztése, amely elemmel működött, kijelzővel és gombokkal rendelkezik. Nézd meg itt! Viszont kisebbre akartam menni, ezért készítettem ezt!

A tápegység USB C akkumulátorról vagy telefon töltőről táplálható. Ez akár 15 W teljesítményt tesz lehetővé, ami elegendő a legtöbb kis teljesítményű elektronika áramellátásához! Ahhoz, hogy egy ilyen kis eszközön jó felhasználói felület legyen, a Bluetooth -t és az Android -alkalmazást is beépítettem a kezelőszervekhez. Ez teszi a tápegységet rendkívül hordozhatóvá!

Megmutatom a teljes tervezési folyamatot, és az összes projektfájl megtalálható a GitHub oldalamon:

Lássunk neki!

1. lépés: Jellemzők és költségek

Jellemzők

• USB C tápellátással
• Androidon keresztül, Bluetooth -on keresztül vezérelhető
• Java -n keresztül vezérelhető USB C -n keresztül
• Állandó feszültség és állandó áram módok
• Alacsony zajszintű lineáris szabályozót használ, amelyet követő előszabályozó előz meg az energiaveszteség minimalizálása érdekében
• Powered by ATMEGA32U4, programozva Arduino IDE -vel
• Tápellátása USB C akkumulátortöltővel lehetséges, hogy hordozható legyen
• USB C és Apple töltőérzékelés
• 18 mm -es banán dugók a BNC adapterekkel való kompatibilitás érdekében

Specifikációk

• 0 - 1A, 1 mA lépések (10 bites DAC)
• 0 - 25 V, 25 mV lépések (10 bites DAC) (valódi 0 V -os működés)
• Feszültségmérés: 25 mV felbontás (10 bit ADC)
• Árammérés: <40mA: 10uA felbontás (ina219) <80mA: 20uA felbontás (ina219) <160mA: 40uA felbontás (ina219) <320mA: 80uA felbontás (ina219)> 320mA: 1mA felbontás (10 bites ADC)

Költség

A teljes tápegység körülbelül 100 dollárba került, minden egyszeri komponenssel együtt. Bár ez drágának tűnhet, a jóval kisebb teljesítményű és funkciójú tápegységek gyakran ennél többe kerülnek. Ha nem bánja, hogy megrendeli az alkatrészeket az ebay -ről vagy az aliexpressről, akkor az ár körülbelül 70 dollárra csökken. Hosszabb ideig tart, amíg az alkatrészek beérkeznek, de ez egy életképes lehetőség.

2. lépés: A működés vázlata és elmélete

Az áramkör működésének megértéséhez meg kell vizsgálnunk a vázlatot. Funkcionális blokkokra osztottam, így könnyebben érthető; Így lépésről lépésre elmagyarázom a műveletet is. Ez a rész elég mélyreható, és jó elektronikai ismereteket igényel. Ha csak tudni szeretné, hogyan építse fel az áramkört, ugorjon a következő lépésre.

Fő blokk

A művelet az LT3080 chipen alapul: ez egy lineáris feszültségszabályozó, amely egy vezérlőjel alapján le tudja csökkenteni a feszültséget. Ezt a vezérlőjelet egy mikrokontroller generálja; hogyan történik ez, később részletesen kifejtjük.

Feszültség beállítás

Az LT3080 körüli áramkör a megfelelő vezérlőjeleket generálja. Először is megvizsgáljuk a feszültség beállítását. A mikrokontroller feszültségbeállítása egy PWM jel (PWM_Vset), amelyet aluláteresztő szűrő (C23 és R32) szűr. Ez analóg feszültséget eredményez - 0 és 5 V között -, amely arányos a kívánt kimeneti feszültséggel. Mivel a kimeneti tartományunk 0 - 25 V, ezt a jelet 5 -ös tényezővel kell erősítenünk. Ezt az U7C nem invertáló opamp konfigurációja teszi lehetővé. A beállított csap erősítését az R31 és az R36 határozza meg. Ezek az ellenállások 0,1% -ban tolerálják a hibákat. Az R39 és R41 itt nem számít, mivel a visszacsatolási hurok részét képezik.

Aktuális beállítás

Ez a rögzítőcsap használható a második beállításhoz is: aktuális mód. Meg akarjuk mérni az áramfelvételt, és kikapcsoljuk a kimenetet, ha ez meghaladja a kívánt áramot. Ezért kezdjük újra a mikrokontroller által generált PWM jellel (PWM_Iset), amely most aluláteresztő szűrésű és gyengített, hogy 0-5 V tartományból 0 - 2,5 V tartományba lépjen. Ezt a feszültséget most összehasonlítják az áramérzékelő ellenállás feszültségcsökkenésével (ADC_Iout, lásd alább) az U1B opamp összehasonlító konfigurációjával. Ha az áram túl magas, ez bekapcsol egy LED -et, és az LT3080 beállított vonalát a földre húzza (a Q1 -en keresztül), és ezzel kikapcsolja a kimenetet. Az áram mérése és az ADC_Iout jel generálása az alábbiak szerint történik. A kimeneti áram az R22 ellenálláson keresztül áramlik. Amikor az áram áthalad ezen az ellenálláson, feszültségcsökkenést hoz létre, amelyet meg tudunk mérni, és az LT3080 elé helyezzük, mivel a rajta levő feszültségesés nem befolyásolhatja a kimeneti feszültséget. A feszültségcsökkenést egy differenciális erősítővel (U7B) mérik, 5 erősítéssel. Ez 0 - 2,5 V feszültségtartományt eredményez (erről bővebben később), tehát a feszültségosztó az áram PWM jelénél. A puffer (U7A) azért van, hogy megbizonyosodjon arról, hogy az R27, R34 és R35 ellenállásokba áramló áram nem megy át a jelenlegi érzékelő ellenálláson, ami befolyásolhatja annak leolvasását. Vegye figyelembe azt is, hogy ez egy sín-sín opamp legyen, mert a pozitív bemenet bemeneti feszültsége megegyezik a tápfeszültséggel. A nem invertáló erősítő csak a pályamérésre szolgál, de nagyon pontos mérésekhez az INA219 chip van a fedélzeten. Ez a chip lehetővé teszi, hogy nagyon kicsi áramokat mérjünk, és az I2C -n keresztül címezzük.

További dolgok

Az LT3080 kimenetén van még néhány dolog. Először is van egy árammosó (LM334). Ez 677 uA állandó áramot vesz fel (az R46 ellenállás állítja be) az LT3080 stabilizálása érdekében. Ez azonban nem a földhöz, hanem a VEE -hez van csatlakoztatva, negatív feszültség. Erre azért van szükség, hogy az LT3080 0 V -ig működjön. A földhöz csatlakoztatva a legalacsonyabb feszültség körülbelül 0,7 V. Ez elég alacsonynak tűnik, de ne feledje, hogy ez megakadályozza, hogy teljesen kikapcsoljuk a tápegységet. Sajnos ez az áramkör az LT3080 kimeneténél van, ami azt jelenti, hogy az áram hozzá fog járulni a mérni kívánt kimeneti áramhoz. Szerencsére állandó, így kalibrálhatjuk ezt az áramot. A D7 Zener dióda a kimeneti feszültség rögzítésére szolgál, ha meghaladja a 25 V -ot, és az ellenállásosztó csökkenti a kimeneti feszültség tartományát 0 - 25 V - 0 - 2,5 V (ADC_Vout) között. A puffer (U7D) biztosítja, hogy az ellenállások ne vonjanak áramot a kimenetből.

Töltse fel a szivattyút

Az előzőekben említett negatív feszültséget egy furcsa kis áramkör generálja: a töltőszivattyú. A mikrokontroller (PWM) 50% -os PWM táplálja.

Boost konverter

Nézzük most a fő blokk bemeneti feszültségét: VCC. Látjuk, hogy 5 - 27 V, de várjon, az USB maximum 5 V -ot ad? Valóban, és ezért kell növelni a feszültséget egy úgynevezett boost konverterrel. A feszültséget mindig 27 V -ra emelhetjük, függetlenül attól, hogy milyen kimenetet akarunk; ez azonban sok energiát pazarolna az LT3080 -ban, és a dolgok nagyon melegek lesznek! Tehát ahelyett, hogy ezt tennénk, egy kicsit megnöveljük a feszültséget, mint a kimeneti feszültség. Körülbelül 2,5 V -kal magasabb, figyelembe véve az áramérzékelő ellenállás feszültségcsökkenését és az LT3080 kiesési feszültségét. A feszültséget az erősítők konverter kimeneti jelén lévő ellenállások állítják be. Ennek a feszültségnek a menet közbeni megváltoztatásához digitális potenciométert, az MCP41010 -et használunk, amelyet SPI vezérl.

USB C

Ez elvezet minket a valódi bemeneti feszültséghez: az USB porthoz! Az USB C (pontosabban a 3.1 -es USB -típus, az USB C csak a csatlakozó típusa) használatának oka az, hogy lehetővé teszi a 3A -es áramot 5 V -nál, ami már elég sok energia. De van egy bökkenő, az eszköznek kompatibilisnek kell lennie ahhoz, hogy lehúzza ezt az áramot, és „tárgyaljon” a gazdaeszközzel. A gyakorlatban ez úgy történik, hogy két 5.1k lehúzható ellenállást (R12 és R13) csatlakoztatnak a CC1 és CC2 vezetékhez. Az USB 2 kompatibilitás tekintetében a dokumentáció kevésbé világos. Röviden: tetszőleges áramot rajzol, amíg a házigazda biztosítja. Ezt ellenőrizheti az USB busz feszültségének megfigyelésével: az egyik feszültség 4,25 V alá csökken, a készülék túl sok áramot vesz fel. Ezt az U1A összehasonlító észleli, és letiltja a kimenetet. Ezenkívül jelet küld a mikrokontrollernek a maximális áram beállításához. Bónuszként ellenállásokat is hozzáadtak az alma és a Samsung töltők azonosítójának felderítéséhez.

5V szabályozó

Az arduino 5 V -os tápfeszültsége általában közvetlenül az USB -ről érkezik. De mivel az USB feszültsége az USB specifikáció szerint 4,5 és 5,5 V között változhat, ez nem elég pontos. Ezért 5V -os szabályozót használnak, amely 5V -ot képes generálni alacsonyabb és magasabb feszültségekből. Ennek ellenére ez a feszültség nem szörnyen pontos, de ezt egy kalibrálási lépés oldja meg, ahol a PWM jel munkaciklusát ennek megfelelően állítják be. Ezt az e feszültséget az R42 és R43 alkotta feszültségosztó méri. De mivel nem volt több szabad bemenetem, dupla feladatot kellett végeznem. Amikor a tápegység elindul, ezt a csapot először bemenetként állítják be: méri a tápegységet és kalibrálja magát. Ezután kimenetként van beállítva, és meghajthatja a potenciométer chipválasztó vonalát.

2,56 V feszültség referencia

Ez a kis chip nagyon pontos 2,56 V feszültségreferenciát biztosít. Ez referenciaként szolgál az ADC_Vout, ADC_Iout, ADC_Vbatt analóg jelekhez. Ezért volt szükség feszültségosztókra, hogy ezeket a jeleket 2,5 V -ra csökkentsük.

FTDI

Ennek az energiaellátásnak az utolsó része a kapcsolat a kegyetlen, külvilággal. Ehhez a soros jeleket USB jelekké kell alakítanunk. Szerencsére ezt az ATMEGA32U4 végzi, ez ugyanaz a chip, amelyet az Arduino Micro -ban is használnak.

Bluetooth

A Bluetooth rész nagyon egyszerű: hozzáadunk egy kész Bluetooth-modult, amely gondoskodik helyettünk. Mivel logikai szintje 3,3 V (VS 5V a mikrokontroller esetében), a jel szinteltolásához feszültségosztót használnak.

És ez minden!

3. lépés: PCB és elektronika

Most, hogy megértettük az áramkör működését, elkezdhetjük építeni! A PCB -t egyszerűen megrendelheti online a kedvenc gyártójától (az enyém ára körülbelül 10 USD), a gerber fájlok megtalálhatók a GitHub -on, az anyaglevéllel együtt. A NYÁK összeszerelése alapvetően az alkatrészek forrasztása a selyemnyomás és az anyagjegyzék szerint.

Míg a korábbi tápegységem csak átmenő alkatrészeket tartalmazott, az új méret korlátozása ezt lehetetlenné tette. A legtöbb alkatrész még viszonylag könnyen forrasztható, ezért ne féljen. Illusztrációként: egy barátomnak, aki még soha nem forrasztott, sikerült feltöltenie ezt az eszközt!

A legegyszerűbb először az elülső oldalon, majd a hátsó részen elvégezni az alkatrészeket, és befejezni a lyukas alkatrészeket. Ennek során a NYÁK nem inog, amikor a legnehezebb alkatrészeket forrasztja. Az utolsó forrasztandó alkatrész a Bluetooth modul.

Minden alkatrész forrasztható, kivéve a 2 banán aljzatot, amelyeket a következő lépésben szerelünk fel!

4. lépés: tok és összeszerelés

Az elkészült NYÁK -val továbbléphetünk a tokhoz. A NYÁK-ot kifejezetten egy 20x50x80 mm-es alumínium ház köré terveztem (https://www.aliexpress.com/item/Aluminium-PCB-Instr…), ezért nem ajánlott másik tok használata. Mindazonáltal mindig nyomtathat 3D -s tokot azonos méretekkel.

Az első lépés a véglap előkészítése. Furatokat kell fúrnunk a banán aljzatokhoz. Ezt kézzel csináltam, de ha van hozzáférése CNC -hez, az pontosabb megoldás lenne. Helyezze be a banán aljzatokat ezekbe a lyukakba, és forrasztja őket a NYÁK -ra.

Célszerű most néhány selyempárnát hozzáadni, és egy csepp szuperragasztóval a helyükön tartani. Ezek lehetővé teszik a hőátadást az LT3080 és LT1370 és a ház között. Ne felejtsd el őket!

Most az előlapra koncentrálhatunk, amely csak csavarja a helyére. Ha mindkét panel a helyén van, most behelyezhetjük a szerelvényt a tokba, és bezárhatjuk. Ezen a ponton a hardver elkészült, most már csak annyi marad, hogy életet fúj a szoftverrel!

5. lépés: Arduino kód

Ennek a projektnek az agya az ATMEGA32U4, amelyet az Arduino IDE -vel fogunk programozni. Ebben a részben a kód alapvető működését fogom végigvenni, a részletek megjegyzésként találhatók a kódon belül.

A kód alapvetően a következő lépéseken keresztül hajtódik végre:

1. Adatok küldése az alkalmazásba
2. Adatok olvasása az alkalmazásból
3. Mérje meg a feszültséget
4. Mérje meg az áramot
5. Szavazás gomb

Az USB túláramot egy megszakítási szolgáltatási rutin kezeli, hogy a lehető legjobban reagáljon.

Mielőtt a chip USB -n keresztül programozható lenne, a rendszerbetöltőt el kell égetni. Ez az ISP/ICSP porton (a 3x2 -es férfi fejlécen) keresztül történik egy internetszolgáltató programozóján keresztül. Az opciók az AVRISPMK2, USBTINY ISP vagy arduino, mint ISP. Győződjön meg arról, hogy a tábla kap áramot, és nyomja meg a „boot bootloader” gombot.

A kód most feltölthető a táblára az USB C porton keresztül (mivel a chip rendelkezik rendszerbetöltővel). Tábla: Arduino Mikro programozó: AVR ISP / AVRISP MKII Most megnézzük az Arduino és a PC közötti kölcsönhatást.

6. lépés: Android -alkalmazás

Teljesen működőképes tápegységgel rendelkezünk, de még nem tudjuk szabályozni. Nagyon bosszantó. Így készítünk egy Android -alkalmazást a Bluetooth -on keresztüli áramellátás szabályozására.

Az alkalmazás az MIT app feltaláló programjával készült. Minden fájl beilleszthető a projekt klónozásához és módosításához. Először töltse le a MIT AI2 kísérőalkalmazást a telefonjára. Ezután importálja a.aia fájlt az AI webhelyen. Ezenkívül lehetővé teszi az alkalmazás letöltését saját telefonjára a "Build> App (QR -kód megadása.apk)" lehetőség kiválasztásával

Az alkalmazás használatához válasszon egy Bluetooth-eszközt a listából: HC-05 modulként jelenik meg. Ha csatlakoztatva van, minden beállítás megváltoztatható, és a tápegység kimenete kiolvasható.

7. lépés: Java kód

Az adatok naplózásához és a tápellátás PC -n keresztüli vezérléséhez Java alkalmazást készítettem. Ez lehetővé teszi számunkra, hogy könnyen vezéreljük a táblát egy grafikus felületen keresztül. Az Arduino kódhoz hasonlóan nem részletezem minden részletet, de áttekintést adok.

Kezdjük azzal, hogy ablakot készítünk gombokkal, szövegmezőkkel stb.; alapvető grafikus felhasználói felület.

Most jön a szórakoztató rész: az USB -portok hozzáadása, amelyekhez a jSerialComm könyvtárat használtam. Miután kiválasztotta a portot, a java figyeli a bejövő adatokat. Adatokat is küldhetünk a készülékre.

Továbbá az összes bejövő adat egy csv fájlba kerül mentésre a későbbi adatkezelés érdekében.

A.jar fájl futtatásakor először a legördülő menüből válasszuk ki a megfelelő portot. A csatlakoztatás után az adatok elkezdenek érkezni, és el tudjuk küldeni a beállításokat a tápegységnek.

Bár a program meglehetősen alapvető, nagyon hasznos lehet PC -n keresztül irányítani és naplózni az adatait.

8. lépés:

Ennyi munka után most teljesen működőképes tápegységgel rendelkezünk!

Most élvezhetjük saját, házi készítésű tápegységünket, amely jól jön, amikor más fantasztikus projekteken dolgozunk! És ami a legfontosabb: sok mindent megtanultunk az út során.

Ha tetszett ez a projekt, kérem, szavazzon rám a zsebméretű és mikrokontroller versenyen, nagyon megköszönném!