Digitális elemmel működő tápegység: 7 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 keresztül vezérelhető lenne?

Ebben az oktatóanyagban megmutatom, hogyan kell pontosan ezt felépíteni: egy digitális elemmel működő tápegységet, amely arduino -kompatibilis, és PC -n keresztül USB -n keresztül vezérelhető.

Nemrégiben tápegységet építettem egy régi ATX tápegységből, és bár remekül működik, fel akartam erősíteni a játékomat egy digitális tápegységgel. Mint már említettük, akkumulátorról működik (pontosabban 2 lítiumcellával), és legfeljebb 20 V feszültséget tud leadni 1 A -nál; ami bőven elegendő a legtöbb, precíz tápellátást igénylő projektemhez.

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

Lássunk neki!

1. lépés: Jellemzők és költségek

Jellemzők

• Állandó feszültség és állandó áram módok
• Alacsony zajszintű lineáris szabályozót használ, amelyet követő előszabályozó előz meg az energiaveszteség minimalizálása érdekében
• Kézzel összeállítható alkatrészek használata a projekt hozzáférhetővé tételéhez
• Powered by ATMEGA328P, programozva Arduino IDE -vel
• Számítógépes kommunikáció Java alkalmazáson keresztül micro USB -n keresztül
• 2 védett 18650 lítium -ion cellával működik
• 18 mm -es banán dugók a BNC adapterekkel való kompatibilitás érdekében

Specifikációk

• 0 - 1A, 1 mA lépések (10 bites DAC)
• 0 - 20 V, 20 mV lépések (10 bites DAC) (valódi 0 V -os működés)
• Feszültségmérés: 20 mV felbontás (10 bit ADC)

• Jelenlegi mérés:

  • <40mA: 10uA felbontás (ina219)
  • <80mA: 20uA felbontás (ina219)
  • <160mA: 40uA felbontás (ina219)
  • <320mA: 80uA felbontás (ina219)
  • > 320 mA: 1 mA felbontás (10 bites ADC)

Költség

A teljes tápegység körülbelül 135 dollárba került, minden egyszeri komponenssel együtt. Az akkumulátorok a legdrágább alkatrészek (30 dollár 2 celláért), mivel 18650 lítiumcellás védett. Ha nincs szükség akkumulátor működtetésre, akkor jelentősen csökkenthető a költség. Az akkumulátorok és a töltési áramkör kihagyásával az ár körülbelül 100 dollárra csökken. 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 elemekkel együtt az ár 100 dollárra csökken, anélkül pedig 70 dollárra. 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 (C9 és R26) szűr. Ez analóg feszültséget eredményez - 0 és 5 V között -, amely arányos a kívánt kimeneti feszültséggel. Mivel a kimeneti tartományunk 0 - 20 V, ezt a jelet 4 -es tényezővel kell erősítenünk. Ezt az U3C nem invertáló opamp konfigurációja teszi lehetővé. A beállított csap erősítését az R23 // R24 // R25 és R34 határozza meg. Ezek az ellenállások 0,1% -ban tolerálják a hibákat. Az R39 és R36 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 aluláteresztő szűréssel és csillapítással 0-5 V tartományból 0-2 V tartományba lép. Ezt a feszültséget az opamp U3D összehasonlító konfigurációja összehasonlítja az áramérzékelő ellenállás feszültségcsökkenésével (ADC_Iout, lásd alább). Ha az áram túl magas, ez bekapcsol egy LED -et, és az LT3080 beállított vonalát a földre húzza (a Q2 -n keresztül), és ezzel kikapcsolja a kimenetet. Az áram mérése és az ADC_Iout jel generálása az alábbiak szerint történik. A kimeneti áram az R7 - R16 ellenállásokon keresztül áramlik. Ezek összesen 1 ohm; az 1R használatának elsődleges oka kettős: 1 ellenállásnak nagyobb teljesítményűnek kell lennie (legalább 1 W -ot kell eloszlatnia), és 10 1% -os ellenállások párhuzamos használatával nagyobb pontosságot kapunk, mint egyetlen 1 % -os ellenállással. Egy jó videó arról, hogy ez miért működik, itt található: https://www.youtube.com/embed/1WAhTdWErrU&t=1s Amikor az áram átfolyik ezen az ellenállásokon, feszültségcsökkenést hoz létre, amelyet meg tudunk mérni, és az LT3080 elé kell helyezni, mivel a feszültségcsökkenés nem befolyásolhatja a kimeneti feszültséget. A feszültségcsökkenést egy differenciális erősítővel (U3B) mérik, 2 erősítéssel. Ez 0 - 2 V feszültségtartományt eredményez (erről bővebben később), ezért a feszültségosztó az áram PWM jelénél. A puffer (U3A) azért van, hogy megbizonyosodjon arról, hogy az R21, R32 és R33 ellenállásokba áramló áram nem megy át az aktuális érzékelő ellenálláson, ami befolyásolná 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 R41 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. A D3 Zener dióda a kimeneti feszültség rögzítésére szolgál, ha az meghaladja a 22 V -ot, és az ellenállásosztó csökkenti a kimeneti feszültség tartományát 0-20 V -ról 0-2 V -ra (ADC_Vout). Sajnos ezek az áramkörök az LT3080 kimeneténél vannak, ami azt jelenti, hogy áramuk hozzájárul ahhoz a kimeneti áramhoz, amelyet meg akarunk mérni. Szerencsére ezek az áramok állandóak, ha a feszültség állandó marad; így kalibrálhatjuk az áramot, amikor a terhelést először leválasztjuk.

Töltse fel a szivattyút

Az előzőekben említett negatív feszültséget egy furcsa kis áramkör generálja: a töltőszivattyú. Működéséhez itt hivatkoznék: https://www.youtube.com/embed/1WAhTdWErrU&t=1s A mikrokontroller (PWM) 50% -os PWM -je táplálja

Boost konverter

Most vessünk egy pillantást a fő blokk bemeneti feszültségére: Vboost. Látjuk, hogy 8 - 24 V feszültségű, de várjon, 2 lítiumcella sorban maximum 8,4 V -ot ad? Valóban, és ezért kell növelni a feszültséget egy úgynevezett boost konverterrel. A feszültséget mindig 24 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.

Akkumulátor töltés

Ez elvezet minket a valódi bemeneti feszültséghez: az elemekhez! Mivel védett cellákat használunk, egyszerűen sorba kell tennünk őket, és kész! Fontos, hogy itt védett cellákat használjunk, hogy elkerüljük a túláramot vagy a túlfeszültséget, és ezáltal a cellák károsodását. Ismét egy feszültségosztót használunk az akkumulátor feszültségének mérésére, és a használható tartományba való leengedésére. Most térjünk át az érdekes részre: a töltési áramkörre. Erre a célra a BQ2057WSN chipet használjuk: a TIP32CG -vel együtt alapvetően lineáris tápegységet képez. Ez a chip a megfelelő CV CC pályán keresztül tölti fel a sejteket. Mivel az akkumulátoraimban nincs hőmérséklet -érzékelő, ezt a bemenetet az akkumulátor feszültségének felére kell kötni. Ezzel befejeződik a tápegység feszültségszabályozó része.

5V szabályozó

Az arduino 5 V -os tápfeszültsége ezzel az egyszerű feszültségszabályzóval készül. Ez azonban nem a legpontosabb 5 V -os kimenet, de ezt az alábbiakban megoldjuk.

2,048 V feszültség referencia

Ez a kis chip nagyon pontos 2,048 V feszültségreferenciát biztosít. Ez referenciaként szolgál az ADC_Vout, ADC_Iout, ADC_Vbatt analóg jelekhez. Ezért volt szükség feszültségosztókra, hogy ezeket a jeleket 2 V -ra csökkentsük. A legtöbb vezérlőjelet már áttekintettük, de ennek ellenére vannak érdekes kiegészítések. A forgó jeladók az arduino 2 külső megszakítócsapjához vannak csatlakoztatva: PD2 és PD3. Ez szükséges a megbízható szoftver megvalósításhoz. Az alatta lévő kapcsolók belső felhúzó ellenállást használnak. Aztán ott van ez a furcsa feszültségosztó a potenciométer (Pot) chipválasztó vonalán. Feszültségosztó a kimeneten, mire jó ez; mondhatnád. Amint korábban említettük, az 5 V -os tápellátás nem rettentően pontos. Ezért jó lenne ezt pontosan mérni, és ennek megfelelően beállítani a PWM jel működési ciklusát. 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 chipválasztó sort.

Kijelző illesztőprogram

A kijelzőhöz egy általánosan beszerezhető - és olcsó - hitachi lcd képernyőt szerettem volna. 6 csap hajtja őket, de mivel nem maradt csapom, más megoldás kellett. Műszaknyilvántartás a mentéshez! A 74HC595 lehetővé teszi az SPI vonal használatát a kijelző vezérléséhez, így csak 1 további chipválasztó sorra van szükségem.

FTDI

Ennek az energiaellátásnak az utolsó része a kapcsolat a kegyetlen, külvilággal. Ehhez a soros jeleket USB jelekké kell alakítanunk. Ezt egy FTDI chip végzi, amely a mikro USB porthoz van csatlakoztatva a könnyű csatlakoztatás érdekében.

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.

Az első lépés az SMD alkatrészek forrasztása. A legtöbbjük könnyen elvégezhető kézzel, kivéve az FTDI chipet és a mikro USB -csatlakozót. Ezért elkerülheti a két komponens forrasztását, és használhat egy FTDI törőlapot. Adtam fejlécet, ahol ezt fel lehet forrasztani.

Az SMD munka befejezése után továbbléphet az összes átmenő lyukkomponensre. Ezek nagyon egyszerűek. A chipekhez érdemes aljzatokat használni ahelyett, hogy közvetlenül a táblához forrasztaná őket. Célszerű ATMEGA328P -t használni Arduino rendszerbetöltővel, ellenkező esetben az ICSP fejléc segítségével kell feltöltenie (itt látható).

Az egyetlen rész, amely kissé nagyobb figyelmet igényel, az LCD képernyő, mivel szögben kell felszerelni. Forrasztjon rá néhány ferde fejű fejlécet, úgy, hogy a műanyag darab a képernyő alsó része felé nézzen. Ez lehetővé teszi a képernyő jó elhelyezését a PCB -n. Ezt követően a helyére forrasztható, mint bármely más lyukalkatrész.

Már csak 2 vezetéket kell hozzáadni, amelyek az előlap banánkapcsaihoz csatlakoznak.

4. lépés: tok és összeszerelés

Az elkészült NYÁK -val továbbléphetünk a tokhoz. Kifejezetten erre a hammond tokra terveztem a NYÁK -ot, ezért nem ajánlott másik tok használata. Mindazonáltal mindig nyomtathat 3D -s tokot azonos méretekkel.

Az első lépés a véglap előkészítése. Furatokat kell fúrnunk a csavarok, kapcsolók stb. Számára. Ezt kézzel csináltam, de ha van hozzáférése egy CNC -hez, akkor pontosabb megoldás lenne. A lyukakat a vázlat szerint készítettem el, és megcsaptam a csavarfuratokat.

Célszerű most néhány selyempárnát hozzáadni, és egy csepp szuperragasztóval a helyükön tartani. Ezek elkülönítik az LT3080 -at és a TIP32 -t a hátlaptól, miközben lehetővé teszik a hőátadást. Ne felejtse el őket! Amikor a forgácsot a hátlaphoz csavarja, használjon csillámmosót, hogy biztosítsa az elszigeteltséget!

Most az előlapra koncentrálhatunk, amely csak a helyére csúszik. Most hozzáadhatjuk a banán emelőket és a forgó jeladók gombjait.

Ha mindkét panel a helyén van, most behelyezhetjük a szerelvényt a tokba, hozzáadhatjuk az elemeket, és lezárhatjuk az egészet. Ügyeljen arra, hogy védett elemeket használjon, ne akarja, hogy a cellák felrobbanjanak!

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 ATMEGA328P, 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. Soros adatok olvasása a java -ból
2. Szavazási gombok
3. Mérje meg a feszültséget
4. Mérje meg az áramot
5. Mérje meg az áramot az INA219 segítségével
6. Soros adatok küldése a Java -nak
7. A boostconvertor konfigurálása
8. Töltse fel az akkumulátort
9. Frissítés képernyő

A forgó jeladókat egy megszakítási szerviz rutin kezeli, hogy a lehető legjobban reagáljanak.

A kód most feltölthető a táblára a mikro -USB porton keresztül (ha a chip rendelkezik rendszerbetöltővel). Tábla: Arduino pro vagy pro mini Programozó: AVR ISP / AVRISP MKII

Most megnézhetjük az Arduino és a PC közötti kölcsönhatást.

6. 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.

7. lépés: Siker

Ennyi munka után most teljesen működőképes tápegységgel rendelkezünk!

Ezenkívül meg kell köszönnöm néhány ember támogatását:

• A projekt az EEVBLOG uSupply projektjén és az Rev C sematikusán alapult. Tehát külön köszönet David L. Jones -nak, hogy nyílt forráskódú licenc alatt kiadta vázlatait és megosztotta minden tudását.
• Hatalmas köszönet Johan Pattynnek a projekt prototípusainak elkészítéséért.
• Cedric Busschots és Hans Ingelberts is megérdemlik a hibaelhárításban nyújtott segítséget.

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 powersupply versenyen, nagyon hálás lennék érte! Https: //www.instructables.com/contest/powersupply/

Második díj a tápegység versenyen