Napajanje napajanjem putem digitalnog USB C napajanja Bluetooth: 8 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:08

Jeste li ikada poželjeli napajanje koje možete koristiti u pokretu, čak i bez zidne utičnice u blizini? I zar ne bi bilo super da je i vrlo precizan, digitalni i kontroliran putem računala i vašeg telefona?

U ovom uputstvu pokazat ću vam kako izgraditi upravo to: digitalno napajanje, koje se napaja preko USB -a C. Kompatibilno je s arduinom i može se kontrolirati putem računala putem USB -a ili putem telefona putem Bluetootha.

Ovaj projekat je evolucija mog prethodnog napajanja, koje je radilo na baterije i ima ekran i dugmad. Provjerite ovdje! Međutim, htio sam se smanjiti, pa sam zato i napravio ovo!

Napajanje se može napajati iz USB C baterije ili punjača za telefon. To omogućuje do 15 W snage, što je dovoljno za napajanje većine elektronike male snage! Da bih imao dobro korisničko sučelje na tako malom uređaju, uključio sam Bluetooth i aplikaciju za Android za kontrole. To čini ovo napajanje ultra prenosivim!

Prikazat ću cijeli proces dizajna, a sve projektne datoteke mogu se pronaći na mojoj stranici GitHub:

Hajde da počnemo!

Korak 1: Karakteristike i cijena

Karakteristike

• Pokreće USB C
• Kontrolirano putem Android aplikacije putem Bluetootha
• Upravlja se putem Jave preko USB -a C
• Režimi konstantnog napona i konstantne struje
• Koristi linearni regulator s niskim šumom, kojem prethodi predregulator za praćenje kako bi se smanjilo rasipanje energije
• Pokreće ATMEGA32U4, programirano sa Arduino IDE
• Može se napajati iz USB C baterije kako bi bio prenosiv
• Otkrivanje USB C i Apple punjača
• Utikači za banane sa razmakom od 18 mm za kompatibilnost sa BNC adapterima

Specifikacije

• 0 - 1A, koraci od 1 mA (10 bitni DAC)
• 0 - 25V, koraci od 25 mV (10 -bitni DAC) (pravi rad 0V)
• Mjerenje napona: 25 mV rezolucija (10 bitni ADC)
• Mjerenje struje: <40mA: rezolucija 10uA (ina219) <80mA: rezolucija 20uA (ina219) <160mA: rezolucija 40uA (ina219) <320mA: rezolucija 80uA (ina219)> 320mA: rezolucija 1mA (10 -bitni ADC)

Cost

Potpuno napajanje koštalo me je oko 100 dolara, sa svim jednokratnim komponentama. Iako ovo može izgledati skupo, napajanje sa daleko manjim performansama i značajkama često košta više od ovoga. Ako vam ne smeta da svoje komponente naručite s ebaya ili aliexpressa, cijena bi pala na oko 70 USD. Potrebno je više vremena za ulazak dijelova, ali to je održiva opcija.

Korak 2: Shema i teorija rada

Da bismo razumjeli rad kola, morat ćemo pogledati shemu. Podijelio sam ga u funkcionalne blokove, tako da ih je lakše razumjeti; Tako ću i objasniti rad korak po korak. Ovaj dio je prilično dubok i zahtijeva dobro poznavanje elektronike. Ako samo želite znati kako izgraditi krug, možete prijeći na sljedeći korak.

Glavni blok

Rad se temelji na čipu LT3080: to je linearni regulator napona, koji može smanjiti napone, na osnovu upravljačkog signala. Ovaj kontrolni signal generirat će mikrokontroler; kako se to radi, bit će detaljno objašnjeno kasnije.

Podešavanje napona

Krug oko LT3080 generira odgovarajuće upravljačke signale. Prvo ćemo pogledati kako se postavlja napon. Postavka napona iz mikrokontrolera je PWM signal (PWM_Vset), koji se filtrira pomoću niskopropusnog filtera (C23 & R32). Time se proizvodi analogni napon - između 0 i 5 V - proporcionalan željenom izlaznom naponu. Budući da je naš izlazni raspon 0 - 25 V, morat ćemo pojačati ovaj signal s faktorom 5. To se postiže neinvertirajućom konfiguracijom opampa U7C. Pojačanje postavljenog pina određeno je pomoću R31 i R36. Ovi otpornici su tolerantni 0,1%, kako bi se smanjile greške. R39 i R41 ovdje nisu bitni jer su dio povratne sprege.

Trenutna postavka

Ovaj postavljeni pin se može koristiti i za drugu postavku: trenutni način rada. Želimo izmjeriti trenutno napajanje i isključiti izlaz kada on premaši željenu struju. Stoga ponovno započinjemo PWM signalom (PWM_Iset), generiranim od mikrokontrolera, koji je sada filtriran na niskim frekvencijama i prigušen za prelazak iz raspona 0 - 5 V u raspon 0 - 2,5 V. Ovaj napon se sada uspoređuje sa padom napona na otporniku osjetnika struje (ADC_Iout, vidi dolje) pomoću konfiguracije komparatora opampa U1B. Ako je struja previsoka, ovo će uključiti LED diodu, a također će povući postavljenu liniju LT3080 na masu (preko Q1), čime će se isključiti izlaz. Mjerenje struje i generiranje signala ADC_Iout vrši se na sljedeći način. Izlazna struja protiče kroz otpornik R22. Kada struja protiče kroz ovaj otpornik, stvara pad napona koji možemo izmjeriti i postavlja se ispred LT3080, jer pad napona na njemu ne bi trebao utjecati na izlazni napon. Pad napona mjeri se diferencijalnim pojačalom (U7B) s pojačanjem 5. To rezultira rasponom napona od 0 - 2,5 V (o tome kasnije), dakle razdjelnik napona na PWM signalu struje. Međuspremnik (U7A) je tu da osigura da struja koja teče u otpornike R27, R34 i R35 ne prolazi kroz trenutni osjetnik otpornika, što bi uticalo na očitavanje. Također imajte na umu da bi ovo trebao biti opamp od šine do šine, jer je ulazni napon na pozitivnom ulazu jednak naponu napajanja. Neinvertirajuće pojačalo služi samo za mjerenje kursa, iako za vrlo precizna mjerenja imamo ugrađen čip INA219. Ovaj čip nam omogućava mjerenje vrlo malih struja, a adresira se putem I2C.

Dodatne stvari

Na izlazu LT3080 imamo još nekih stvari. Prije svega, tu je sudoper (LM334). Ovo vuče konstantnu struju od 677 uA (podešenu otpornikom R46), za stabilizaciju LT3080. Međutim, nije spojen na masu, već na VEE, negativni napon. Ovo je potrebno kako bi se omogućilo da LT3080 radi do 0 V. Kad je spojen na masu, najniži napon bio bi oko 0,7 V. Ovo se čini dovoljno niskim, ali imajte na umu da nas to sprječava da potpuno isključimo napajanje. Nažalost, ovo kolo je na izlazu iz LT3080, što znači da će njegova struja doprinijeti izlaznoj struji koju želimo mjeriti. Srećom, konstanta je pa možemo kalibrirati za ovu struju. Zener dioda D7 koristi se za stezanje izlaznog napona ako pređe 25 V, a razdjelnik otpornika spusti raspon izlaznog napona od 0 - 25 V do 0 - 2,5 V (ADC_Vout). Međuspremnik (U7D) osigurava da otpornici ne crpe struju s izlaza.

Pumpa za punjenje

Negativni napon koji smo ranije spomenuli stvara čudan mali krug: pumpa za punjenje. Napaja se pomoću 50% PWM mikrokontrolera (PWM).

Boost Converter

Pogledajmo sada ulazni napon našeg glavnog bloka: VCC. Vidimo da je 5 - 27V, ali čekajte, USB daje maksimalno 5 V? Zaista, i zato moramo pojačati napon, takozvanim pretvaračem pojačanja. Uvijek smo mogli povećati napon na 27 V, bez obzira na izlaz koji želimo; međutim, ovo bi potrošilo mnogo energije u LT3080 i stvari bi postale jako vruće! Pa ćemo umjesto toga povećati napon na malo više od izlaznog napona. Prikladno je oko 2,5 V više, kako bi se objasnio pad napona u otporniku osjetnika struje i ispadni napon LT3080. Napon se postavlja otpornicima na izlaznom signalu pretvarača pojačanja. Za promjenu ovog napona u hodu koristimo digitalni potenciometar, MCP41010, kojim se upravlja putem SPI -ja.

USB C

To nas dovodi do stvarnog ulaznog napona: USB priključka! Razlog korištenja USB C (USB tip 3.1 točnije, USB C je samo tip konektora) je u tome što dopušta struju od 3A na 5V, što je već prilično velika snaga. Ali postoji kvaka, uređaj mora biti usklađen za crtanje ove struje i „pregovaranje“s uređajem domaćinom. U praksi se to postiže spajanjem dva otporna otpornika od 5.1k (R12 i R13) na liniju CC1 i CC2. Za USB 2 kompatibilnost, dokumentacija je manje jasna. Ukratko: crtate koliko god želite, sve dok domaćin to može pružiti. To se može provjeriti praćenjem napona USB sabirnice: ako napon padne ispod 4,25 V, uređaj povlači previše struje. To otkriva komparator U1A i onemogućit će izlaz. On takođe šalje signal mikrokontroleru za postavljanje maksimalne struje. Kao bonus, dodani su otpornici koji podržavaju otkrivanje ID -a punjača jabučnih i samsung punjača.

5V regulator

Napon napajanja od 5 V arduina obično dolazi direktno s USB -a. Ali budući da USB napon može varirati između 4,5 i 5,5 V prema specifikacijama USB -a, to nije dovoljno precizno. Stoga se koristi regulator od 5 V, koji može generirati 5 V iz nižih i viših napona. Ipak, ovaj napon nije strašno precizan, ali to se rješava korakom kalibracije gdje se radni ciklus PWM signala prilagođava u skladu s tim. Ovaj e napon se mjeri razdjelnikom napona koji čine R42 i R43. Ali pošto nisam imao više besplatnih unosa, morao sam da izvršim dvostruko opterećenje. Kada se napajanje pokrene, ovaj pin se prvo postavlja kao ulaz: mjeri dovodnu šinu i sam se kalibrira. Zatim se postavlja kao izlaz i može pokretati liniju za odabir čipova potenciometra.

Referenca napona 2,56 V

Ovaj mali čip pruža vrlo preciznu referentnu vrijednost napona od 2,56 V. Ovo se koristi kao referenca za analogne signale ADC_Vout, ADC_Iout, ADC_Vbatt. Zato su nam bili potrebni razdjelnici napona da bismo te signale spustili na 2,5 V.

FTDI

Posljednji dio ovog napajanja je veza sa okrutnim vanjskim svijetom. Za to moramo pretvoriti serijske signale u USB signale. Srećom, to radi ATMEGA32U4, to je isti čip koji se koristi u Arduino Micro.

bluetooth

Bluetooth dio je vrlo jednostavan: dodaje se modul Bluetooth koji je u ponudi i brine se za sve umjesto nas. Budući da je njegov logički nivo 3,3 V (VS 5 V za mikrokontroler), razdjelnik napona se koristi za pomicanje signala.

I to je sve!

Korak 3: PCB i elektronika

Sada kada razumijemo kako krug funkcionira, možemo ga početi graditi! Možete jednostavno naručiti PCB putem interneta od vašeg omiljenog proizvođača (moj košta oko 10 USD), gerber datoteke se mogu pronaći na mom GitHubu, zajedno sa popisom materijala. Sastavljanje PCB -a tada je u osnovi pitanje lemljenja komponenti na mjestu prema sitotisku i opisu materijala.

Dok je moj prethodni izvor napajanja imao samo komponente kroz rupe, ograničenje veličine za moj novi to je učinilo nemogućim. Većina komponenti je još uvijek relativno lako lemiti pa se nemojte bojati. Ilustracije radi: moj prijatelj koji nikada prije nije lemio uspio je napuniti ovaj uređaj!

Najjednostavnije je najprije izraditi komponente s prednje strane, zatim stražnje i završiti s dijelovima s rupama. Pritom se PCB neće njihati pri lemljenju najtežih komponenti. Posljednja komponenta za lemljenje je Bluetooth modul.

Sve komponente se mogu lemiti, osim 2 priključka za banane, koje ćemo montirati u sljedećem koraku!

Korak 4: Kućište i montaža

S izrađenom pločom možemo prijeći na kućište. Posebno sam dizajnirao PCB oko aluminijskog kućišta 20x50x80mm (https://www.aliexpress.com/item/Aluminium-PCB-Instr…), pa se ne preporučuje korištenje drugog kućišta. Međutim, uvijek možete 3D ispisati kućište istih dimenzija.

Prvi korak je priprema završne ploče. Morat ćemo izbušiti neke rupe za priključke za banane. To sam učinio ručno, ali ako imate pristup CNC -u to bi bila točnija opcija. Umetnite priključke za banane u ove rupe i lemite ih na PCB.

Bilo bi dobro dodati sada neke svilene jastučiće i držati ih na mjestu s malom kapljicom super ljepila. To će omogućiti prijenos topline između LT3080 i LT1370 i kućišta. Ne zaboravite ih!

Sada se možemo usredotočiti na prednju ploču koja se samo zašrafljuje. S obje ploče na mjestu sada možemo umetnuti sklop u kućište i sve zatvoriti. U ovom trenutku hardver je gotov, sada je ostalo samo upropastiti ga u softver softverom!

Korak 5: Arduino kod

Mozak ovog projekta je ATMEGA32U4, koji ćemo programirati s Arduino IDE -om. U ovom odjeljku ću proći kroz osnovne operacije koda, detalji se mogu pronaći kao komentari unutar koda.

Kod se u osnovi ponavlja kroz ove korake:

1. Pošaljite podatke aplikaciji
2. Čitanje podataka iz aplikacije
3. Izmjerite napon
4. Izmjerite struju
5. Dugme za glasanje

Prekomjernom strujom USB -a upravlja rutina servisa prekida kako bi bila što je moguće osjetljivija.

Prije nego se čip može programirati preko USB -a, pokretački program treba snimiti. To se radi putem ISP/ICSP porta (3x2 muška zaglavlja) preko ISP programatora. Opcije su AVRISPMK2, USBTINY ISP ili arduino kao ISP. Uvjerite se da ploča prima napajanje i pritisnite dugme 'burn bootloader'.

Kôd se sada može učitati na ploču putem USB C porta (budući da čip ima bootloader). Ploča: Arduino Micro Programer: AVR ISP / AVRISP MKII Sada možemo pogledati interakciju između Arduina i računara.

Korak 6: Android aplikacija

Sada imamo potpuno funkcionalno napajanje, ali još nemamo način da ga kontroliramo. Vrlo dosadno. Napravit ćemo Android aplikaciju za kontrolu napajanja putem Bluetootha.

Aplikacija je napravljena s programom pronalazača aplikacija MIT. Mogu se uključiti sve datoteke za kloniranje i izmjenu projekta. Prvo preuzmite prateću aplikaciju MIT AI2 na svoj telefon. Zatim uvezite.aia datoteku na web mjesto umjetne inteligencije. Ovo vam također omogućava da preuzmete aplikaciju na svoj telefon odabirom "Build> App (navedite QR kôd za.apk)"

Da biste koristili aplikaciju, odaberite Bluetooth uređaj s popisa: prikazat će se kao HC-05 modul. Kada ste povezani, sve postavke se mogu promijeniti i očitati izlaz napajanja.

Korak 7: Java kod

Za bilježenje podataka i kontrolu napajanja putem računara napravio sam java aplikaciju. To nam omogućuje jednostavno upravljanje pločom putem grafičkog sučelja. Kao i kod Arduino koda, neću ulaziti u sve detalje, ali ću dati pregled.

Počinjemo tako što ćemo napraviti prozor sa dugmadima, tekstualnim poljima itd; osnovne stvari sa GUI -jem.

Sada slijedi zabavni dio: dodavanje USB portova za koje sam koristio jSerialComm biblioteku. Kada odaberete port, java će slušati sve dolazne podatke. Takođe možemo poslati podatke na uređaj.

Nadalje, svi dolazni podaci se spremaju u csv datoteku radi kasnije obrade podataka.

Prilikom pokretanja.jar datoteke prvo bismo trebali odabrati odgovarajući port s padajućeg izbornika. Nakon povezivanja podaci će početi pristizati, a naše postavke možemo poslati napajanju.

Iako je program prilično jednostavan, može biti vrlo korisno kontrolirati ga putem računala i evidentirati njegove podatke.

Korak 8:

Nakon svih ovih radova, sada imamo potpuno funkcionalno napajanje!

Sada možemo uživati u vlastitom napajanju, koje će nam dobro doći dok radimo na drugim sjajnim projektima! I što je najvažnije: usput smo naučili mnoge stvari.

Ako vam se svidio ovaj projekat, glasajte za mene na takmičenju za džepne mikrokontrolere, zaista bih vam zahvalan!