امدادات الطاقة الرقمية التي تعمل بالبطارية: 7 خطوات (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:41

هل رغبت يومًا في الحصول على مصدر طاقة يمكنك استخدامه أثناء التنقل ، حتى بدون وجود مقبس الحائط في مكان قريب؟ ألن يكون رائعًا إذا كانت دقيقة جدًا ورقمية ويمكن التحكم فيها عبر الكمبيوتر الشخصي؟

سأوضح لك في هذا الدليل كيفية بناء ذلك بالضبط: مزود طاقة يعمل بالبطارية الرقمية ، وهو متوافق مع اردوينو ويمكن التحكم فيه عبر الكمبيوتر عبر USB.

منذ فترة ، قمت ببناء مصدر طاقة من ATX PSU قديم ، وبينما تعمل بشكل رائع ، كنت أرغب في زيادة لعبتي باستخدام مصدر طاقة رقمي. كما ذكرنا سابقًا ، يتم تشغيله بواسطة البطاريات (على وجه الدقة خليتان من الليثيوم) ، ويمكنه توصيل 20 فولت كحد أقصى عند 1 أ ؛ وهو الكثير لمعظم مشاريعي التي تتطلب إمدادًا دقيقًا للطاقة.

سأعرض عملية التصميم بأكملها ، ويمكن العثور على جميع ملفات المشروع على صفحة GitHub الخاصة بي:

هيا بنا نبدأ!

الخطوة 1: الميزات والتكلفة

سمات

• الجهد المستمر وأنماط التيار المستمر
• يستخدم منظمًا خطيًا منخفض الضوضاء ، مسبوقًا بمنظم تتبع مسبق لتقليل تبديد الطاقة
• استخدام مكونات يمكن حملها باليد لإبقاء المشروع في المتناول
• مدعوم من ATMEGA328P ، مبرمج مع Arduino IDE
• اتصال الكمبيوتر عبر تطبيق Java عبر micro USB
• مدعوم من 2 خلايا ليثيوم أيون محمية 18650
• سدادات موز متباعدة 18 مم للتوافق مع محولات BNC

تحديد

• 0-1 أمبير ، خطوات 1 مللي أمبير (10 بت DAC)
• 0 - 20 فولت ، خطوات 20 مللي فولت (10 بت DAC) (تشغيل 0 فولت حقيقي)
• قياس الجهد: دقة 20 مللي فولت (10 بت ADC)

• القياس الحالي:

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

كلفة

كلفني إمداد الطاقة الكامل حوالي 135 دولارًا ، مع جميع المكونات لمرة واحدة. البطاريات هي أغلى جزء (30 دولارًا لخليتين) ، حيث إنها محمية 18650 خلية ليثيوم ، ومن الممكن خفض التكلفة بشكل كبير إذا لم تكن هناك حاجة إلى تشغيل البطارية. عن طريق حذف البطاريات ودوائر الشحن ، ينخفض السعر إلى حوالي 100 دولار. على الرغم من أن هذا قد يبدو مكلفًا ، إلا أن إمداد الطاقة الذي يتميز بأداء وميزات أقل كثيرًا ما يكلف أكثر من ذلك.

إذا كنت لا تمانع في طلب المكونات الخاصة بك من ebay أو aliexpress ، فإن السعر مع البطاريات سينخفض إلى 100 دولار ، و 70 دولارًا بدونها. يستغرق إدخال الأجزاء وقتًا أطول ، لكنه خيار قابل للتطبيق.

الخطوة 2: تخطيطي ونظرية العملية

لفهم تشغيل الدائرة ، سيتعين علينا إلقاء نظرة على التخطيطي. قسمته إلى كتل وظيفية ، بحيث يسهل فهمها ؛ وبالتالي سأشرح العملية خطوة بخطوة ، هذا الجزء متعمق للغاية ويتطلب معرفة جيدة بالإلكترونيات. إذا كنت تريد فقط معرفة كيفية بناء الدائرة ، فيمكنك التخطي إلى الخطوة التالية.

الكتلة الرئيسية

تعتمد العملية على شريحة LT3080: وهي عبارة عن منظم جهد خطي ، يمكنه التنحي عن الفولتية ، بناءً على إشارة تحكم. سيتم إنشاء إشارة التحكم هذه بواسطة متحكم ؛ كيف يتم ذلك ، سيتم شرحه بالتفصيل لاحقًا.

ضبط الجهد

تولد الدائرة حول LT3080 إشارات التحكم المناسبة. أولاً ، سوف نلقي نظرة على كيفية ضبط الجهد. إعداد الجهد من المتحكم الدقيق هو إشارة PWM (PWM_Vset) ، والتي يتم تصفيتها بواسطة مرشح تمرير منخفض (C9 & R26). ينتج عن هذا جهدًا تناظريًا - بين 0 و 5 فولت - يتناسب مع جهد الخرج المطلوب. نظرًا لأن نطاق الإخراج لدينا هو 0 - 20 فولت ، فسيتعين علينا تضخيم هذه الإشارة بمعامل 4. يتم ذلك عن طريق تكوين opamp غير المقلوب لـ U3C. يتم تحديد كسب الدبوس المحدد بواسطة R23 // R24 // R25 و R34. هذه المقاومات تتحمل 0.1٪ لتقليل الأخطاء. لا يهم R39 و R36 هنا ، لأنهما جزء من حلقة التغذية الراجعة.

الإعداد الحالي

يمكن أيضًا استخدام دبوس المجموعة هذا للإعداد الثاني: الوضع الحالي. نريد قياس السحب الحالي ، وإيقاف تشغيل الإخراج عندما يتجاوز هذا التيار المطلوب. لذلك ، نبدأ مرة أخرى بإشارة PWM (PWM_Iset) ، التي تم إنشاؤها بواسطة وحدة التحكم الدقيقة ، والتي يتم الآن ترشيحها بمرور منخفض وتخفيفها للانتقال من نطاق 0-5 فولت إلى نطاق 0-2 فولت. تتم مقارنة هذا الجهد الآن بانخفاض الجهد عبر المقاوم المعنى الحالي (ADC_Iout ، انظر أدناه) من خلال تكوين المقارنة لـ opamp U3D. إذا كان التيار مرتفعًا جدًا ، فسيؤدي ذلك إلى تشغيل مؤشر ضوئي ، وسحب أيضًا خط ضبط LT3080 إلى الأرض (عبر Q2) ، وبالتالي إيقاف تشغيل الإخراج. يتم قياس التيار وتوليد الإشارة ADC_Iout على النحو التالي. يتدفق تيار الخرج عبر المقاومات R7 - R16. هذه مجموع 1 أوم. سبب عدم استخدام 1R في المقام الأول ذو شقين: يحتاج المقاوم الواحد إلى تصنيف طاقة أعلى (يحتاج إلى تبديد 1 وات على الأقل) ، وباستخدام مقاومات 10 1٪ بالتوازي ، نحصل على دقة أعلى من بمقاوم واحد 1٪. يمكن العثور على مقطع فيديو جيد حول سبب نجاح ذلك هنا: https://www.youtube.com/watch؟v=1WAhTdWErrU&t=1s عندما يتدفق التيار عبر هذه المقاومات ، فإنه يخلق انخفاضًا في الجهد ، يمكننا قياسه ، وهو كذلك تم وضعه قبل LT3080 ، نظرًا لأن انخفاض الجهد عبره يجب ألا يؤثر على جهد الخرج. يتم قياس انخفاض الجهد بمضخم تفاضلي (U3B) بكسب 2. ينتج عن هذا مدى جهد يتراوح بين 0-2 فولت (المزيد عن ذلك لاحقًا) ، ومن هنا يأتي مقسم الجهد عند إشارة التيار PWM. المخزن المؤقت (U3A) موجود للتأكد من أن التيار المتدفق إلى المقاومات R21 و R32 و R33 لا يمر بمقاوم الإحساس الحالي ، مما قد يؤثر على قراءته. لاحظ أيضًا أن هذا يجب أن يكون opamp من السكك الحديدية إلى السكك الحديدية ، لأن جهد الدخل عند الإدخال الموجب يساوي جهد الإمداد. المضخم غير المقلوب مخصص فقط لقياس المسار ، ولكن للقياسات الدقيقة للغاية ، لدينا شريحة INA219 على اللوحة. تسمح لنا هذه الشريحة بقياس التيارات الصغيرة جدًا ، ويتم معالجتها عبر I2C.

أشياء إضافية

عند إخراج LT3080 ، لدينا بعض الأشياء الأخرى. بادئ ذي بدء ، يوجد حوض تيار (LM334). هذا يرسم تيارًا ثابتًا قدره 677 uA (تم ضبطه بواسطة المقاوم R41) ، لتثبيت LT3080. ومع ذلك ، فهو غير متصل بالأرض ، ولكن بجهد سالب VEE. هذا ضروري للسماح لـ LT3080 بالعمل حتى 0 فولت. عند التوصيل بالأرض ، سيكون أدنى جهد حوالي 0.7 فولت. وهذا يبدو منخفضًا بدرجة كافية ، لكن ضع في اعتبارك أن هذا يمنعنا من إيقاف تشغيل مزود الطاقة تمامًا. يتم استخدام الصمام الثنائي زينر D3 لتثبيط جهد الخرج إذا تجاوز 22 فولت ، ويقوم مقسم المقاوم بإسقاط نطاق جهد الخرج من 0 - 20 فولت إلى 0-2 فولت (ADC_Vout). لسوء الحظ ، تكون هذه الدوائر عند خرج LT3080 ، مما يعني أن تيارها سيساهم في تيار الإخراج الذي نريد قياسه. لحسن الحظ ، تكون هذه التيارات ثابتة إذا ظل الجهد ثابتًا ؛ حتى نتمكن من معايرة التيار عند فصل الحمل أولاً.

مضخة الشحن

يتم إنشاء الجهد السالب الذي ذكرناه من قبل بواسطة دائرة صغيرة غريبة: مضخة الشحن. لتشغيله ، أود أن أشير إليه هنا: https://www.youtube.com/watch؟v=1WAhTdWErrU&t=1s يتم تغذيته بواسطة 50٪ PWM من المتحكم الدقيق (PWM)

دفعة تحويل

دعنا الآن نلقي نظرة على جهد الدخل لمجموعتنا الرئيسية: Vboost. نرى أنه من 8 إلى 24 فولت ، لكن انتظر ، خليتان من الليثيوم على التسلسل تعطي حدًا أقصى قدره 8.4 فولت؟ في الواقع ، ولهذا السبب نحتاج إلى زيادة الجهد ، باستخدام ما يسمى بمحول التعزيز. يمكننا دائمًا زيادة الجهد إلى 24 فولت ، بغض النظر عن الإخراج الذي نريده ؛ ومع ذلك ، فإن هذا من شأنه أن يضيع الكثير من القوة في LT3080 وستصبح الأمور ساخنة بشكل ممتع! لذا بدلاً من القيام بذلك ، سنقوم بزيادة الجهد إلى أكثر قليلاً من جهد الخرج. يعد ارتفاع حوالي 2.5 فولت مناسبًا ، لحساب انخفاض الجهد في المقاوم بمعنى التيار والجهد المتسرب في LT3080. يتم ضبط الجهد بواسطة مقاومات على إشارة خرج محول التعزيز. لتغيير هذا الجهد أثناء الطيران ، نستخدم مقياس جهد رقمي ، MCP41010 ، والذي يتم التحكم فيه عبر SPI.

البطارية تشحن

هذا يقودنا إلى جهد الإدخال الحقيقي: البطاريات! نظرًا لأننا نستخدم الخلايا المحمية ، فنحن ببساطة بحاجة إلى وضعها في سلسلة وقد انتهينا! من المهم استخدام الخلايا المحمية هنا ، لتجنب التيار الزائد أو الإفراط في التفريغ ، وبالتالي إتلاف الخلايا. مرة أخرى ، نستخدم مقسم جهد لقياس جهد البطارية ، وخفضه إلى نطاق قابل للاستخدام. لننتقل الآن إلى الجزء المثير للاهتمام: دائرة الشحن. نستخدم شريحة BQ2057WSN لهذا الغرض: بالاشتراك مع TIP32CG ، فإنها تشكل بشكل أساسي مصدر طاقة خطي بحد ذاته. تقوم هذه الرقاقة بشحن الخلايا عبر مسار CV CC مناسب. نظرًا لأن بطارياتي لا تحتوي على مسبار درجة حرارة ، يجب ربط هذا الإدخال بنصف جهد البطارية. هذا يخلص إلى جزء تنظيم الجهد من إمداد الطاقة.

5V منظم

يتم تصنيع جهد إمداد اردوينو بجهد 5 فولت باستخدام منظم الجهد البسيط هذا. ومع ذلك ، فهو ليس خرج 5 فولت الأكثر دقة ، ولكن سيتم حل هذا أدناه.

2.048 فولت مرجع الجهد

توفر هذه الشريحة الصغيرة إشارة جهد 2.048 فولت دقيقة للغاية. يستخدم هذا كمرجع للإشارات التناظرية ADC_Vout ، ADC_Iout ، ADC_Vbatt. لهذا السبب احتجنا إلى مقسمات الجهد لتخفيض هذه الإشارات إلى 2 V. Microcontroller إن عقل هذا المشروع هو ATMEGA328P ، وهي نفس الشريحة المستخدمة في Arduino Uno. لقد تجاوزنا بالفعل معظم إشارات التحكم ، ولكن هناك بعض الإضافات المثيرة للاهتمام مع ذلك. ترتبط المشفرات الدوارة بدبابيس المقاطعة الخارجية الوحيدة في اردوينو: PD2 و PD3. هذا ضروري لتنفيذ برنامج موثوق. تستخدم المفاتيح الموجودة أسفلها مقاوم سحب داخلي. ثم يوجد مقسم الجهد الغريب هذا على خط اختيار الشريحة لمقياس الجهد (وعاء). مقسم الجهد على الخرج ، ما هو مفيد ؛ يمكنك القول. كما ذكرنا من قبل ، فإن الإمداد 5 فولت ليس دقيقًا بشكل رهيب. وبالتالي سيكون من الجيد قياس هذا بدقة ، وضبط دورة عمل إشارة PWM وفقًا لذلك. ولكن نظرًا لأنه لم يكن لدي المزيد من المدخلات المجانية ، فقد اضطررت إلى القيام بواجب مزدوج لسحب الدبوس. عندما يتم تشغيل مزود الطاقة ، يتم تعيين هذا الدبوس أولاً كمدخل: فهو يقيس سكة الإمداد ويعاير نفسه. بعد ذلك ، يتم تعيينه كإخراج ويمكنه دفع خط تحديد الشريحة.

سائق العرض

بالنسبة للشاشة ، كنت أرغب في الحصول على شاشة LCD من نوع Hitachi متوفرة بشكل شائع ورخيصة. يتم تشغيلها بواسطة 6 دبابيس ، ولكن نظرًا لعدم وجود دبابيس متبقية ، كنت بحاجة إلى حل آخر. سجل التحول إلى الإنقاذ! يسمح لي 74HC595 باستخدام خط SPI للتحكم في العرض ، وبالتالي لا تحتاج إلا إلى خط اختيار شريحة واحد إضافي.

FTDI

الجزء الأخير من هذا الإمداد بالطاقة هو الارتباط بالعالم الخارجي القاسي. لهذا ، نحتاج إلى تحويل الإشارات التسلسلية إلى إشارات USB. يتم ذلك بواسطة شريحة FTDI متصلة بمنفذ USB صغير لسهولة الاتصال.

وهذا كل ما في الأمر!

الخطوة 3: ثنائي الفينيل متعدد الكلور والإلكترونيات

الآن بعد أن فهمنا كيفية عمل الدائرة ، يمكننا البدء في بنائها! يمكنك ببساطة طلب PCB عبر الإنترنت من الشركة المصنعة المفضلة لديك (تكلفتي حوالي 10 دولارات) ، ويمكن العثور على ملفات gerber على GitHub ، جنبًا إلى جنب مع فاتورة المواد. إن تجميع ثنائي الفينيل متعدد الكلور هو في الأساس مسألة لحام المكونات في مكانها وفقًا للشاشة الحريرية وفاتورة المواد.

الخطوة الأولى هي لحام مكونات SMD. من السهل القيام بمعظمها يدويًا ، باستثناء شريحة FTDI وموصل USB الصغير. لذلك ، يمكنك تجنب لحام هذين المكونين بنفسك ، واستخدام لوحة اندلاع FTDI بدلاً من ذلك. لقد قدمت دبابيس رأس حيث يمكن لحام هذا.

عند الانتهاء من عمل SMD ، يمكنك الانتقال إلى جميع مكونات الفتحات. هذه مباشرة للغاية. بالنسبة للرقائق ، قد ترغب في استخدام المقابس بدلاً من لحامها مباشرة على اللوحة ، ويفضل استخدام ATMEGA328P مع أداة تحميل التشغيل Arduino ، وإلا فسيتعين عليك تحميلها باستخدام رأس ICSP (الموضح هنا).

الجزء الوحيد الذي يحتاج إلى مزيد من الاهتمام هو شاشة LCD ، حيث يجب تركيبها بزاوية. قم بلحام بعض الرؤوس ذات الزوايا الذكرية عليها ، بحيث تواجه القطعة البلاستيكية الجانب السفلي من الشاشة. سيسمح ذلك بوضع الشاشة بشكل جيد على لوحة الدوائر المطبوعة. بعد ذلك ، يمكن لحامه في مكانه تمامًا مثل أي مكون آخر من خلال الثقب.

الشيء الوحيد المتبقي هو إضافة سلكين ، والتي ستتصل بأطراف الموز الموجودة على اللوحة الأمامية.

الخطوة 4: العلبة والتجميع

مع صنع ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، يمكننا الانتقال إلى الحالة. لقد قمت بتصميم PCB على وجه التحديد حول هذه العلبة المطرقة ، لذلك لا ينصح باستخدام علبة أخرى. ومع ذلك ، يمكنك دائمًا طباعة حافظة ثلاثية الأبعاد بنفس الأبعاد.

الخطوة الأولى هي إعداد لوحة النهاية. سنحتاج إلى حفر بعض الثقوب للبراغي والمفاتيح وما إلى ذلك ، لقد فعلت ذلك يدويًا ، ولكن إذا كان لديك وصول إلى CNC ، فسيكون هذا خيارًا أكثر دقة. لقد صنعت الثقوب وفقًا للتخطيطي واستغلت فتحات المسامير.

من الجيد إضافة بعض الفوط الحريرية الآن ، وتثبيتها في مكانها بقطرة صغيرة من الغراء الفائق. سيعزل هذا الطراز LT3080 و TIP32 عن اللوحة الخلفية ، مع السماح بنقل الحرارة. لا تنساهم! عند شد الرقائق في اللوحة الخلفية ، استخدم غسالة الميكا لضمان العزل!

يمكننا الآن التركيز على اللوحة الأمامية ، التي تنزلق في مكانها. يمكننا الآن إضافة مقابض الموز والمقابض للمشفرات الدوارة.

مع وجود كلتا اللوحتين في مكانهما ، يمكننا الآن إدخال المجموعة في العلبة ، وإضافة البطاريات وإغلاقها بالكامل. تأكد من استخدام بطاريات محمية ، فأنت لا تريد أن تنفجر الخلايا!

في هذه المرحلة ، تم الانتهاء من الأجهزة ، والآن كل ما تبقى هو إضفاء بعض الحيوية عليها باستخدام البرنامج!

الخطوة 5: كود اردوينو

العقل في هذا المشروع هو ATMEGA328P ، والذي سنبرمجه باستخدام Arduino IDE. في هذا القسم ، سوف أتناول العملية الأساسية للكود ، ويمكن العثور على التفاصيل كتعليقات داخل الكود.

يتم تكرار الكود بشكل أساسي من خلال الخطوات التالية:

1. قراءة البيانات التسلسلية من جافا
2. أزرار الاستطلاع
3. قياس الجهد
4. قياس التيار
5. قياس التيار باستخدام INA219
6. إرسال البيانات التسلسلية إلى جافا
7. تكوين المحول
8. احصل على شحن البطارية
9. شاشة التحديث

تتم معالجة المشفرات الدوارة من خلال روتين خدمة المقاطعة لجعلها تستجيب قدر الإمكان.

يمكن الآن تحميل الكود على اللوحة من خلال منفذ USB الصغير (إذا كانت الشريحة بها محمل إقلاع). اللوحة: Arduino pro أو pro mini Programmer: AVR ISP / AVRISP MKII

الآن يمكننا إلقاء نظرة على التفاعل بين Arduino والكمبيوتر الشخصي.

الخطوة 6: كود جافا

لتسجيل البيانات والتحكم في إمداد الطاقة عبر جهاز الكمبيوتر ، قمت بإنشاء تطبيق جافا. هذا يسمح لنا بالتحكم بسهولة في اللوحة من خلال واجهة المستخدم الرسومية. كما هو الحال مع كود Arduino ، لن أخوض في كل التفاصيل ، لكني أعطي نظرة عامة.

نبدأ بإنشاء نافذة بها أزرار ، وحقول نصية ، إلخ ؛ الأشياء الأساسية في واجهة المستخدم الرسومية.

الآن يأتي الجزء الممتع: إضافة منافذ USB ، التي استخدمت فيها مكتبة jSerialComm. بمجرد تحديد المنفذ ، ستستمع جافا لأي بيانات واردة. يمكننا أيضًا إرسال البيانات إلى الجهاز.

علاوة على ذلك ، يتم حفظ جميع البيانات الواردة في ملف csv ، لمعالجة البيانات لاحقًا.

عند تشغيل ملف.jar ، يجب علينا أولاً اختيار المنفذ الصحيح من القائمة المنسدلة. بعد الاتصال ، ستبدأ البيانات في القدوم ، ويمكننا إرسال إعداداتنا إلى مزود الطاقة.

على الرغم من أن البرنامج أساسي جدًا ، فقد يكون من المفيد جدًا التحكم فيه عبر جهاز كمبيوتر وتسجيل بياناته.

الخطوة 7: النجاح

بعد كل هذا العمل ، لدينا الآن مصدر طاقة يعمل بكامل طاقته!

يجب أن أشكر أيضًا بعض الأشخاص على دعمهم:

• استند المشروع إلى مشروع uSupply الخاص بـ EEVBLOG ومخطط Rev C الخاص به. لذا شكر خاص لديفيد إل جونز لإطلاقه مخططاته بموجب ترخيص مفتوح المصدر ومشاركة كل معارفه.
• شكراً جزيلاً لـ Johan Pattyn لإنتاج النماذج الأولية لهذا المشروع.
• كما يستحق كل من Cedric Busschots و Hans Ingelberts التقدير للمساعدة في استكشاف الأخطاء وإصلاحها.

يمكننا الآن الاستمتاع بإمدادات الطاقة المصنوعة منزليًا ، والتي ستكون في متناول اليد أثناء العمل في مشاريع رائعة أخرى! والأهم من ذلك: لقد تعلمنا أشياء كثيرة على طول الطريق.

إذا أعجبك هذا المشروع ، فالرجاء التصويت لي في مسابقة Powerupply ، وسأكون ممتنًا حقًا!

الجائزة الثانية في مسابقة امدادات الطاقة