- Tarvittavat materiaalit
- Yhden solun Boost Converter -näkökohdat
- Piirikaavio
- Komponenttien valinta
- Piirilevyjen suunnittelu ja valmistus Easy EDA: lla
- Näytteiden laskeminen ja tilaaminen verkossa
- Boost Converter PCB: n valmistelu
- Kolikkosolujen vahvistinmoduulin testaaminen
Akkukennot ovat yleisimmin käytetty kannettava elektroniikan virtalähde. Olipa kyseessä yksinkertainen herätyskello tai IoT-anturisolmu tai monimutkainen matkapuhelin, kaikki toimii paristoilla. Useimmissa tapauksissa näillä kannettavilla laitteilla on oltava pieni muoto (pakkauskoko), ja siksi ne saavat virtansa yhden kennon paristosta, kuten suosittu CR2032-litiumkenno tai muu 3,7 V: n litiumpolymeeri tai 18650-kenno. Nämä kennot pakkaavat suurta energiaa kooltaan, mutta näiden solujen yleinen haitta on sen käyttöjännite. Tyypillisen litiumpariston nimellisjännite on 3,7 V, mutta tämä jännite voi laskea jopa 2,8 V täysin tyhjennettynä ja jopa 4,2 V täyteen ladattuna, mikä ei ole kovin toivottavaa elektroniikkamallillemme, jotka toimivat joko säänneltyjen 3.3 V tai 5 V käyttöjännitteenä.
Tämä tuo esiin tarpeen tehonmuuntimeksi, joka voi ottaa tämän muuttujan 2,8 V - 4,2 V sisään tulojännitteeksi ja säätää sen vakiona 3,3 V tai 5 V. Onneksi vaikka olemassa on IC, nimeltään BL8530, joka toimii täsmälleen samalla tavalla hyvin pienillä ulkoisilla komponenteilla. Joten tässä projektissa rakennamme edullisen 5 V: n tehostinpiirin, joka tuottaa vakiona säädetyn 5 V: n lähtöjännitteen CR2032-kolikkokennosta; me myös suunnitella pienikokoinen PCB tämän lisämuuntimen jotta sitä voidaan käyttää kaikissa tulevaisuuden kannettavat projekteja. Boost-muuntimen suurin lähtövirta on 200mAjoka on tarpeeksi hyvä virtansa perusmikrokontrollereita ja antureita. Toinen piirin etu on, että jos projektisi vaatii säädetyn 3,3 V: n 5 V: n sijasta, samaa virtapiiriä voidaan käyttää myös 3,3 V: n säätämiseen vaihtamalla vain yksi komponentti. Tämä piiri voi toimia myös PowerBank valtaan jopa pienet levyt kuin Arduino, STM32, MSP430 jne Olemme aikaisemmin rakennettu samantyyppinen lisämuuntimen käyttää litiumakku ladata matkapuhelin.
Tarvittavat materiaalit
- BL8530-5V Booster IC (SOT89)
- 47uH induktori (5mm SMD)
- SS14-diodi (SMD)
- 1000uF 16 V tantaalikondensaattori (SMD)
- Kolikkopidike
- USB-naarasliitin
Yhden solun Boost Converter -näkökohdat
Yhden kennon Boost-muuntimen suunnitteluvaatimukset poikkeavat tavallisesta Boost-muuntimesta. Tämä johtuu siitä, että tässä paristosta (kolikkokennosta) tulevaa energiaa nostetaan lähtöjännitteeksi, jotta laite toimisi. Joten on huolehdittava siitä, että tehostinpiiri käyttää akun enimmäismäärää korkealla hyötysuhteella, jotta laite pysyy päällä mahdollisimman pitkään. Kun valitset tehostekomponentin malleillesi, voit ottaa huomioon seuraavat neljä parametria. Voit myös lukea lisää Boost Regulator Design -artikkelista.
Käynnistysjännite: Tämä on pienin vaadittu tulojännite akusta, jotta tehostinmuunnin voi alkaa toimia. Kun käynnistät tehonmuuntimen, akun pitäisi ainakin pystyä tarjoamaan tämä käynnistysjännite, jotta tehosterokotus toimii. Suunnittelussamme vaaditaan käynnistysjännite 0,8 V, mikä on täysin tyhjentyneen kolikkojännitteen alapuolella.
Pidätysjännite: Kun laitteeseen on syötetty tehostuspiiri, akun jännite alkaa laskea, koska se antaa virtaa. Jännitettä, johon asti tehostin-IC pitää suorituskykynsä, kutsutaan pitojännitteeksi. Tämän jännitteen alapuolella IC pysähtyy ja emme saa lähtöjännitettä. Huomaa, että pitojännite on aina pienempi kuin käynnistysjännite. Toisin sanoen IC vaatii enemmän jännitettä aloittaakseen toimintansa ja toimintatilassaan se voi tyhjentää akun alle sen. Piirimme pitojännite on 0,7 V.
Lepotila: Virta, jota tehostinpiirimme vetää (hukkaan), vaikka lähtöpuolelle ei olisi kytketty kuormaa, kutsutaan lepovirraksi. Tämän arvon tulisi olla mahdollisimman pieni, IC: n osalta lepovirran arvo on välillä 4uA - 7uA. On erittäin tärkeää, että tämä arvo on pieni tai nolla, jos laitetta ei aiota kytkeä kuormitukseen pitkään aikaan.
On-Resistance: Kaikissa boost-muunninpiireissä on kytkentälaite, kuten MOSFET tai muut FET: t. Jos käytämme muunnin-IC: tä, tämä kytkentälaite upotetaan IC: n sisään. On tärkeää, että tällä kytkimellä on erittäin pieni vastus. Esimerkiksi tässä suunnittelussa IC BL8530: ssa on sisäinen kytkin, jonka vastus on 0,4Ω, mikä on kunnollinen arvo. Tämä vastus laskee jännitteen kytkimen yli sen läpi kulkevan virran perusteella (Ohmin laki), mikä vähentää moduulin tehokkuutta.
On monia tapoja lisätä jännitettä, jotkut niistä on esitetty tässä Laturipiirisarjassa.
Piirikaavio
Täydellinen kytkentäkaavio 5V tehosterokotus piiri on esitetty jäljempänä, jota vedettiin käyttäen EasyEDA.
Kuten näette, piiri vaatii erittäin vähän komponentteja, koska BL8530 IC vetää kaiken kovan työn. BL8530 IC: stä on monia versioita, jota käytetään tässä ”BL8530-50”, jossa 50 edustaa lähtöjännitettä 5 V. Samoin IC BL8530-33: n lähtöjännite on 3,3 V, joten vain korvaamalla tämä IC voimme saada tarvittavan lähtöjännitteen. Tästä IC: stä on saatavana 2,5 V, 3 V, 4,2 V, 5 V ja jopa 6 V: n versioita. Tässä opetusohjelmassa keskitymme 5V-versioon. IC vaatii vain kondensaattorin, induktorin ja diodin toimimaan yhdessä, katsotaanpa, miten komponentit valitaan.
Komponenttien valinta
Induktori: Tämän IC : n käytettävissä oleva induktoriarvon muoto on 3uH - 1mH. Induktorin korkean arvon käyttäminen tuottaa korkean lähtövirran ja korkean hyötysuhteen. Haittapuoli on kuitenkin se, että se vaatii suurta syöttöjännitettä kennosta toimiakseen, joten korkean induktoriarvon käyttö ei välttämättä saa tehostinpiiriä toimimaan ennen kuin akku on täysin tyhjä. Siksi lähtövirran ja pienimmän tulovirran välillä on tehtävä kompromissi ulostulosuunnittelussa. Täällä olen käyttänyt arvoa 47uH, koska tarvitsen suurta lähtövirtaa, voit pienentää tätä arvoa, jos kuormitusvirta on pienempi suunnittelullesi. On myös tärkeää valita induktori, jolla on matala ESR-arvo, jotta suunnittelusi tehokas.
Lähtökondensaattori : Kondensaattorin sallittu arvo on välillä 47uF - 220uF. Tämän lähtökondensaattorin tehtävänä on suodattaa ulostulon aaltoilua. Tämän arvo tulisi päättää kuorman luonteen perusteella. Jos se on induktiivinen kuormitus, suositellaan suuriarvoista kondensaattoria resistiivisille kuormille, kuten mikro-ohjaimille tai useimmille antureille, joiden pieniarvoinen kondensaattori toimii. Suuriarvoisen kondensaattorin käytön haittana ovat lisääntyneet kustannukset ja se myös hidastaa järjestelmää. Täällä olen käyttänyt 100uF tantaalikondensaattoria, koska tantaalikondensaattorit ovat parempia aaltoilussa kuin keraamiset kondensaattorit.
Diodi: Ainoa huomio diodilla on, että sillä pitäisi olla hyvin eteenpäin matala jännitehäviö. Tiedetään, että Schottky-diodeilla on pienet eteenpäin suuntautuvat jännitehäviöt kuin tavallisilla tasasuuntaajadiodeilla. Siksi olemme käyttäneet SS14D SMD -diodia, jonka eteenpäin suuntautuva jännitehäviö on alle 0,2 V.
Tulokondensaattori: Samanlaista kuin lähtökondensaattori, tulokondensaattoria voidaan käyttää ohjaamaan aaltoilujännitteitä ennen tehopiiriin tuloa. Mutta täällä, koska käytämme akkua jännitelähteinä, emme tarvitse tulokondensaattoria aaltoilua varten. Koska paristot luonteensa vuoksi tuottavat puhdasta tasajännitettä ilman heilumista.
Muut komponentit ovat vain apukomponentteja. Akkupidikettä käytetään kolosolun pitämiseen, ja UCB-portti on tarkoitettu USB-kaapelien liittämiseen suoraan boost-moduuliin, jotta voimme helposti virtaa tavallisille kehityskortille, kuten Arduino, ESP8266, ESP32 jne.
Piirilevyjen suunnittelu ja valmistus Easy EDA: lla
Nyt kun Coin Cell Boost Converter -piiri on valmis, on aika saada se valmistettua. Koska kaikki komponentit ovat saatavana vain SMD-paketissa, jouduin valmistamaan piirilevyni piirilevyn. Joten, kuten aina, olemme käyttäneet online-EDA-työkalua nimeltä EasyEDA saadaksemme piirilevymme valmistettua, koska se on erittäin kätevä käyttää, koska sillä on hyvä kokoelma jalanjälkiä ja se on avoimen lähdekoodin.
Piirilevyn suunnittelun jälkeen voimme tilata piirilevynäytteet niiden edullisten piirilevyjen valmistuspalveluiden avulla. Ne tarjoavat myös komponenttien hankintapalvelua, jossa heillä on suuri määrä elektronisia komponentteja ja käyttäjät voivat tilata tarvittavat komponentit piirilevytilauksen mukana.
Piirejä ja piirilevyjä suunniteltaessa voit myös tehdä piireistä ja piirilevyistä julkisia, jotta muut käyttäjät voivat kopioida tai muokata niitä ja hyötyä työstäsi. Olemme myös julkistaneet koko piirin ja piirilevyasettelut tälle piirille, tarkista alla oleva linkki:
easyeda.com/CircuitDigest/Single-Cell-Boost-Converter
Voit tarkastella mitä tahansa piirilevyn kerrosta (ylä-, ala-, yläsilkki-, pullonsilkki- jne.) Valitsemalla kerroksen 'Tasot' -ikkunasta. Viime aikoina he ovat myös ottaneet käyttöön 3D-näkymävaihtoehdon, joten voit myös tarkastella monisoluisen jännitteen mittaavaa piirilevyä siitä, miten se näyttää valmistuksen EasyEDA: n 3D-näkymä- painikkeella:
Näytteiden laskeminen ja tilaaminen verkossa
Valmistuttuasi tämän 5 V: n kolikkosolujen tehostinpiirin suunnittelun, voit tilata piirilevyn JLCPCB.com-sivuston kautta. Jos haluat tilata piirilevyn JLCPCB: ltä, tarvitset Gerber-tiedoston. Lataa PC: n Gerber-tiedostot napsauttamalla Luo valmistustiedosto -painiketta EasyEDA-editorisivulla, lataa sitten Gerber-tiedosto sieltä tai voit napsauttaa Tilaa JLCPCB: ssä alla olevan kuvan mukaisesti. Tämä ohjaa sinut osoitteeseen JLCPCB.com, josta voit valita tilattavien piirilevyjen määrän, kuinka monta kuparikerrosta tarvitset, piirilevyn paksuuden, kuparin painon ja jopa piirilevyn värin, kuten alla oleva tilannekuva. Toinen hyvä uutinen on, että nyt voit saada kaikki värikortit samaan hintaan JLCPCB: ltä. Joten päätin hankkia minun musta väri vain esteettisen ilmeen vuoksi, voit valita suosikkivärisi.
Kun olet napsauttanut tilausta JLCPCB-painikkeella, se vie sinut JLCPCB: n verkkosivustolle, josta voit tilata minkä tahansa värikortin erittäin alhaisella hinnalla, joka on 2 dollaria kaikille väreille. Niiden rakennusaika on myös hyvin lyhyt, mikä on 48 tuntia, kun DHL-toimitus on 3-5 päivää, periaatteessa saat piirilevyt viikon kuluessa tilauksesta. Lisäksi he tarjoavat myös 20 dollarin alennuksen toimituksesta ensimmäiselle tilauksellesi.
Kun olet tilannut piirilevyn, voit tarkistaa piirilevyn tuotannon edistymisen päivämäärän ja kellonajan kanssa. Tarkistat sen siirtymällä Tilisivulle ja napsauttamalla piirilevyn alla olevaa "Tuotannon edistyminen" -linkkiä, kuten alla olevassa kuvassa näkyy.
Muutaman päivän PCB: n tilaamisen jälkeen sain PCB-näytteet mukavissa pakkauksissa alla olevien kuvien mukaisesti.
Boost Converter PCB: n valmistelu
Kuten yllä olevista kuvista näet, lauta oli erittäin hyvässä kunnossa, joten kaikki jalanjäljet ja läpiviennit ovat paikallaan tarkalleen vaaditussa koossa. Joten jatkoin kaikkien SMD-komponenttien juottamista levylle ja sitten läpireikiä. Muutamassa minuutissa minun PCB valmiina toimintaan. Tauluni, jossa on kaikki juotetut komponentit ja kolikkokenno, on esitetty alla
Kolikkosolujen vahvistinmoduulin testaaminen
Nyt kun moduulimme on asetettu ja virtana, voimme aloittaa sen testaamisen. Tehostettu 5 V: n lähtö piirilevyltä voidaan saada joko USB-portista tai urospuolisen otsikkotapin lähellä. Käytin yleismittarini lähtöjännitteen mittaamiseen ja kuten näette, se oli lähellä 5 V. Siksi voimme päätellä, että boost-moduulimme toimii oikein.
Tätä moduulia voidaan nyt käyttää mikro-ohjainkorttien tai muiden pienten anturien tai piirien virtalähteisiin. Pidä mielessä, että suurin sen tuottama virta on vain 200 mA, joten älä odota sen kuljettavan raskaita kuormia. Olin kuitenkin tyytyväinen Arduino-levyjen ja ESP-levyjen virtalähteeseen tällä pienellä ja pienikokoisella moduulilla. Seuraavissa kuvissa näkyy tehostinmuunnin, joka käyttää Arduinoa ja STM: ää.
Aivan kuten edellinen leipälevyn virtalähdemoduuli, tämä kolikkosolujen tehostinmoduuli lisätään myös varastooni, jotta voin käyttää niitä kaikissa tulevissa projekteissani missä tarvitsen kannettavan pienikokoisen virtalähteen. Toivottavasti pidit projektista ja opit jotain hyödyllistä tämän moduulin rakentamisessa. Koko työ löytyy alla olevasta videosta.
Jos sinulla on ongelmia saada asiat toimimaan, pudota ne vapaasti kommenttiosioon tai käytä foorumeitamme muihin teknisiin kysymyksiin.