- Potrebni materijali
- Razmatranja dizajna pretvarača za pojačanje pojedinačne ćelije
- Kružni dijagram
- Izbor komponenata
- Dizajn i izrada PCB-a pomoću Easy EDA
- Izračunavanje i naručivanje uzoraka putem interneta
- Priprema PCB-a za pretvarač pojačanja
- Ispitivanje modula za pojačavanje novčanih stanica
Baterijske ćelije su najčešće korišteni izvor energije za napajanje prijenosne elektronike. Bila to jednostavna budilica ili čvor IoT senzora ili složeni mobitel, sve se napaja baterijama. U većini slučajeva ovi prijenosni uređaji moraju imati mali faktor oblika (veličina paketa), pa se stoga napajaju od jedne ćelijske baterije, poput popularne CR2032 litijeve ćelije ili ostalih 3,7 V litijevih polimera ili 18650 ćelija. Te se stanice pakiraju u visoku energiju zbog svoje veličine, ali uobičajeni nedostatak ovih stanica je radni napon. Tipična litijeva baterija ima nominalni napon od 3,7 V, ali taj napon može pasti i do 2,8 V kada se potpuno isprazni i do 4,2 V kada je potpuno napunjena, što nije baš poželjno za naše dizajne elektronike koji rade ili s reguliranim 3.3 V ili 5V kao radni napon.
To dovodi do potrebe za pojačivačem koji može uzeti ovu varijablu od 2,8 V do 4,2 V kao ulazni napon i regulirati ga na konstantnih 3,3 V ili 5 V. Srećom iako postoji IC pod nazivom BL8530 koji radi potpuno isto s vrlo malo vanjskih komponenata. Dakle, u ovom ćemo projektu izgraditi povoljni 5V pojačivački krug koji osigurava konstantno regulirani izlazni napon od 5V iz CR2032 ćelijske kovanice; također ćemo dizajnirati kompaktnu PCB za ovaj pojačivač, tako da se može koristiti u svim našim budućim prijenosnim projektima. Maksimalna izlazna struja pojačala pretvarača bit će 200mAšto je dovoljno dobro za napajanje osnovnih mikrokontrolera i senzora. Još jedna prednost ovog kruga je ta što se, ako vaš projekt zahtijeva regulirano 3,3 V umjesto 5 V, isti krug također može koristiti za regulaciju 3,3 V samo zamjenom jedne komponente. Ovaj sklop može raditi i kao Power Bank za napajanje malih ploča poput Arduina, STM32, MSP430 itd. Prethodno smo napravili sličnu vrstu pojačivača s litij-baterijom za punjenje mobitela.
Potrebni materijali
- IC pojačivač BL8530-5V (SOT89)
- Induktor od 47 uH (5 mm SMD)
- SS14 dioda (SMD)
- Tantalski kondenzator 1000uF 16V (SMD)
- Nosač ćelije novčića
- USB ženski priključak
Razmatranja dizajna pretvarača za pojačanje pojedinačne ćelije
Zahtjevi za dizajn pretvarača za pojačanje pojedinačne ćelije razlikovat će se od zahtjeva za običnim pojačivačem. To je zato što se ovdje energija iz baterije (novčane ćelije) pojačava u izlazni napon da bi naš uređaj mogao raditi. Stoga treba paziti da pojačivački krug koristi maksimum baterije s visokom učinkovitošću kako bi uređaj bio što duže uključen. Kada odabirete pomoćnu IC za svoje dizajne, možete uzeti u obzir sljedeća četiri parametra. Također možete pročitati članak o dizajnu regulatora pojačanja da biste saznali više o njemu.
Startni napon: Ovo je minimalno potreban ulazni napon baterije da bi pretvarač pojačanja počeo raditi. Kada uključite pojačivač pretvarača, baterija bi barem trebala biti u stanju pružiti ovaj startni napon za rad vašeg pojačala. U našem dizajnu potreban je početni napon 0,8 V koji je ispod bilo kojeg potpuno ispražnjenog napona ćelije novčića.
Zadržani napon: Nakon što se uređaj napaja s vašim pojačanim krugom, napon baterije počet će opadati jer odaje snagu. Napon do kog će pomoćni IC zadržati svoj učinak naziva se zadržani napon. Ispod ovog napona IC će zaustaviti funkciju i nećemo dobiti izlazni napon. Imajte na umu da će zadržani napon uvijek biti manji od početnog napona. To znači da će IC-u trebati više napona da bi započeo svoj rad, a tijekom svog radnog stanja može isprazniti bateriju ispod toga. Zadržani napon u našem krugu je 0,7 V.
Struja mirovanja: Količina struje koju naš pojačivački krug crpi (troši) čak i kada na izlaznoj strani nije priključeno opterećenje naziva se struja mirovanja. Ova bi vrijednost trebala biti što niža, za naš IC vrijednost struje mirovanja je između 4uA do 7uA. Vrlo je važno imati ovu vrijednost nisku ili nulu ako uređaj dulje vrijeme neće biti povezan s opterećenjem.
Otpor pri uključivanju : Svi krugovi pretvarača pojačanja uključivat će u sebi sklopni uređaj poput MOSFET-a ili drugih FET-ova. Ako koristimo IC pretvarača, tada će ovaj sklopni uređaj biti ugrađen unutar IC-a. Važno je da ovaj prekidač ima vrlo mali otpor. Na primjer, u našem dizajnu ovdje, IC BL8530 ima unutarnju sklopku s otporom na uključivanje od 0,4Ω, što je pristojna vrijednost. Ovaj otpor će spustiti napon na prekidaču na temelju struje kroz njega (Ohmov zakon), smanjujući tako učinkovitost modula.
Postoji mnogo načina za povišenje napona, neki od njih prikazani su u našoj seriji punjača ovdje.
Kružni dijagram
Kompletna shema sklopa za 5V pojačivački krug prikazana je u nastavku, sheme su nacrtane pomoću EasyEDA-e.
Kao što vidite, sklop zahtijeva vrlo malo komponenata, jer sav naporan posao izvodi BL8530 IC. Postoje mnoge verzije BL8530 IC, ona koja se ovdje koristi "BL8530-50", gdje 50 predstavlja izlazni napon 5V. Slično tome, IC BL8530-33 imat će izlazni napon od 3,3 V, tako da samo zamjenom ovog IC možemo dobiti potreban izlazni napon. Na tržištu su dostupne verzije ovog IC-a od 2,5 V, 3 V, 4,2 V, 5 V, pa čak i 6 V. U ovom uputstvu usredotočit ćemo se na verziju od 5 V. IC za rad zahtijeva samo kondenzator, prigušnicu i diodu, da vidimo kako odabrati komponente.
Izbor komponenata
Induktor: Dostupni izbor vrijednosti induktora za ovaj IC je od 3uH do 1mH. Korištenje visoke vrijednosti induktora pružit će visoku izlaznu struju i visoku učinkovitost. Međutim, loša je strana što za rad zahtijeva visoki ulazni napon iz ćelije, pa upotreba visoke vrijednosti induktora možda neće učiniti da pojačani krug radi dok se baterija potpuno ne isprazni. Stoga se mora napraviti kompromis između izlazne i minimalne ulazne struje u izvedbi. Ovdje sam koristio vrijednost od 47uH, jer mi treba velika izlazna struja, možete smanjiti ovu vrijednost ako će vam struja opterećenja biti manja za vaš dizajn. Također je važno odabrati prigušnicu s niskom ESR vrijednosti za visoku učinkovitost vašeg dizajna.
Izlazni kondenzator: Dopuštena vrijednost kondenzatora je od 47uF do 220uF. Funkcija ovog izlaznog kondenzatora je filtriranje izlaznih valova. Vrijednost toga treba odrediti na temelju prirode tereta. Ako se radi o induktivnom opterećenju, preporučuje se kondenzator velike vrijednosti za otporna opterećenja kao što su mikrokontroleri ili većina senzora kondenzator male vrijednosti. Nedostatak korištenja kondenzatora velike vrijednosti je povećani trošak, a također usporava sustav. Ovdje sam upotrijebio tanulski kondenzator od 100 uF, jer su tantalni kondenzatori bolji u valovitom upravljanju od keramičkih.
Dioda: Jedina briga o diodi je ta da bi trebala imati vrlo nizak pad napona. Poznato je da Schottky-jeve diode imaju mali pad napona prema naprijed od normalnih ispravljačkih dioda. Stoga smo koristili SS14D SMD diodu koja ima prednji pad napona manji od 0,2V.
Ulazni kondenzator: Slično izlaznom kondenzatoru, i ulazni kondenzator može se koristiti za kontrolu napona valova prije ulaska u pojačani krug. Ali ovdje, budući da kao izvore napona koristimo bateriju, neće nam trebati ulazni kondenzator za kontrolu mreškanja. Budući da baterije po svojoj prirodi pružaju čisti istosmjerni napon bez ikakvog mreškanja.
Ostale komponente su samo pomoćne. Držač baterije koristi se za držanje Coin ćelije, a UCB priključak predviđen je za izravno povezivanje USB kabela s našim pojačivačkim modulom, tako da možemo lako napajati uobičajene razvojne ploče poput Arduino, ESP8266, ESP32 itd.
Dizajn i izrada PCB-a pomoću Easy EDA
Sad kad je sklop pretvarača za pojačavanje novčanih stanica spreman, vrijeme je da se on izradi. Budući da su ovdje sve komponente dostupne samo u SMD paketu, morao sam izraditi PCB za svoj krug. Kao i uvijek, koristili smo mrežni EDA alat EasyEDA kako bismo izradili našu PCB, jer je vrlo prikladan za upotrebu jer ima dobru kolekciju otisaka i otvoren je izvor.
Nakon dizajniranja PCB-a, uzorke PCB-a možemo naručiti putem njihovih jeftinih usluga izrade PCB-a. Oni također nude uslugu nabave komponenata gdje imaju veliku zalihu elektroničkih komponenata, a korisnici mogu naručiti njihove potrebne komponente zajedno s narudžbom PCB-a.
Dok dizajnirate svoje sklopove i PCB-ove, također možete učiniti svoj dizajn kruga i PCB-a javnim, tako da ih drugi korisnici mogu kopirati ili uređivati i imati koristi od vašeg rada, također smo za ovaj sklop učinili javnim cijeli raspored krugova i PCB-a, provjerite donja poveznica:
easyeda.com/CircuitDigest/Single-Cell-Boost-Converter
Možete pregledati bilo koji sloj (gornji, donji, gornji dio dna, dno itd.) PCB-a odabirom sloja iz prozora "Slojevi". Nedavno su uveli i opciju 3D prikaza, tako da možete vidjeti i Multicell PCB za mjerenje napona, kako će izgledati nakon izrade pomoću gumba 3D View u EasyEDA-i:
Izračunavanje i naručivanje uzoraka putem interneta
Nakon završetka dizajna ovog 5V pojačivačkog kruga za novčanice, PCB možete naručiti putem JLCPCB.com. Da biste PCB naručili od JLCPCB, potrebna vam je datoteka Gerber. Da biste preuzeli Gerber datoteke s PCB-a, samo kliknite gumb Generiraj fabričku datoteku na stranici EasyEDA uređivača, a zatim odatle preuzmite datoteku Gerber ili možete kliknuti na Naruči na JLCPCB kako je prikazano na donjoj slici. Ovo će vas preusmjeriti na JLCPCB.com, gdje možete odabrati broj PCB-a koje želite naručiti, koliko slojeva bakra trebate, debljinu PCB-a, težinu bakra, pa čak i boju PCB-a, poput snimke prikazane u nastavku. Još jedna dobra vijest je da od JLCPCB sada možete dobiti sve PCB u boji po istoj cijeni. Stoga sam odlučila svoju dobiti u crnoj boji samo za neki estetski izgled, možete odabrati svoju omiljenu boju.
Nakon klika na gumb za narudžbu na JLCPCB, odvest će se na web mjesto JLCPCB gdje možete naručiti bilo koju PCB u boji po vrlo niskoj cijeni koja iznosi 2 USD za sve boje. Njihovo vrijeme izrade također je vrlo manje, što je 48 sati s DHL-ovom isporukom od 3-5 dana, u osnovi ćete dobiti svoje PCB-ove u roku od tjedan dana od narudžbe. Štoviše, nude i popust od 20 USD na dostavu za vašu prvu narudžbu.
Nakon narudžbe PCB-a možete provjeriti napredak u proizvodnji PCB-a s datumom i vremenom. Provjerite je tako da odete na stranicu računa i kliknete vezu "Napredak proizvodnje" ispod PCB-a kao što je prikazano na donjoj slici.
Nakon nekoliko dana naručivanja PCB-a, dobio sam uzorke PCB-a u lijepom pakiranju kao što je prikazano na slikama ispod.
Priprema PCB-a za pretvarač pojačanja
Kao što možete vidjeti iz gornjih slika, ploča je bila u vrlo dobrom stanju, tako da će svi otisci stopala i ostaci biti na mjestu u točno potrebnoj veličini. Nastavio sam s lemljenjem svih SMD komponenata na ploči, a zatim i onih kroz provrte. Za nekoliko minuta moj PCB je spreman za akciju. Moja ploča sa svim zalemljenim komponentama i ćelijom novčića prikazana je u nastavku
Ispitivanje modula za pojačavanje novčanih stanica
Sad kad je naš modul postavljen i pokrenut, možemo ga početi testirati. Pojačani 5V izlaz s ploče može se dobiti putem USB priključka ili preko muškog zaglavlja u blizini. Multimetar sam koristio za mjerenje izlaznog napona i kao što vidite bio je blizu 5V. Stoga možemo zaključiti da naš modul za pojačavanje radi ispravno.
Ovaj se modul sada može koristiti za napajanje ploča mikrokontrolera ili za napajanje drugih malih senzora ili sklopova. Imajte na umu da je maksimalna struja koju može isporučiti samo 200 mA, stoga nemojte očekivati da će voziti velika opterećenja. Međutim, bio sam zadovoljan napajanjem svojih Arduino ploča i ESP ploča ovim malim i kompaktnim modulom. Sljedeće slike prikazuju pojačivač koji napaja Arduino i STM.
Baš kao i prethodni modul napajanja, i ovaj će modul za pojačavanje novčića biti dodan u moj inventar kako bih ih mogao koristiti u svim svojim budućim projektima gdje god mi je potreban prijenosni kompaktni izvor napajanja. Nadam se da vam se svidio projekt i naučili ste nešto korisno u procesu izrade ovog modula. Kompletan rad možete pronaći u video linku dolje.
Ako imate bilo kakvih problema s postizanjem rezultata, slobodno ih ispustite u odjeljak za komentare ili upotrijebite naše forume za druga tehnička pitanja.