מחשב נייד Raspberry Pi המופעל על ידי קבלים: 5 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:11

בהתאם לעניין הכללי בפרויקט זה, אוכל להוסיף עוד שלבים וכו 'אם זה עוזר לפשט רכיבים מבלבלים.

תמיד סיקרן אותי שטכנולוגיית הקבלים החדשה יותר צצה במהלך השנים וחשבתי שיהיה כיף לנסות ליישם אותם כסוללה מסוג כיף. היו הרבה בעיות מוזרות שנתקלתי בהן בעבודה בנושא מכיוון שהן אינן מתוכננות מתוך מחשבה על יישום זה, אלא רציתי לשתף במה שגיליתי ובדקתי.

זה יותר כדי להדגיש את הקשיים של טעינה, ושליפת כוח מבנק של קבלים -על ביישום סלולרי (אם כי כמה שהיא כבדה, היא לא כל כך ניידת …).

ללא ההדרכות הנהדרות להלן, זה לא היה יוצא לפועל:

• www.instructables.com/id/Lets-learn-about-Super-Ca…-מידע מעמיק על קבלים-על
• www.instructables.com/id/How-to-Make-Super…-הדרכה לבניית מעגל טעינה ופריקה
• אנסה לחפור יותר בה השתמשתי אם אוכל למצוא/לזכור אותם.
• אם יש לך הדרכות שלדעתך רלוונטיות, הודע לי על כך שאוכל לזרוק אותה לכאן.

הסיבות העיקריות שרציתי לנסות את זה הן:

• הטעינה במלואה בתוך SECONDS (הספק גבוה מעורב מגביל את המערכת לדקות … בבטחה).
• מאות אלפי מחזורי טעינה ללא התדרדרות (למעלה ממיליון בתנאים הנכונים).
• טכנולוגיה נישה מאוד שיכולה למצוא את דרכה לתעשיית הסוללות המרכזית.
• תנאי הפעלה סביבתיים. טמפרטורות של +60C עד -60C עבור הקבלים המשמשים כאן.
• יעילות הטעינה היא> 95% (הסוללות בממוצע <85%)
• אני מוצא אותם מעניינים?

עכשיו לאזהרה הנחוצה כל הזמן בעבודה עם חשמל … למרות שיש סיכוי קטן מאוד לפציעה בעבודה עם מתחים נמוכים של ~ 5V, הכמות המדהימה של אמפר שקבלים על יכולים להוביל תגרום לכוויות ולטגן רכיבים באופן מיידי. המאמר הראשון שהוזכר מספק הסבר מצוין ושלבים בבטחה. בניגוד לסוללות, קיצור מלא של המסופים אינו מסכן פיצוץ (אם כי הוא יכול לקצר את חייו של קבל העל בהתאם למד החוט). בעיות אמיתיות יכולות להתעורר כאשר מתח יתר (נטען מעבר למתח המרבי המסומן) שבו קבלים העל יתגוששו, 'יקפצו' וימותו בבלגן מעושן. מקרים קיצוניים יכולים להיות המקום שבו החותם צץ בקול די חזק.

כדוגמה לכמה כוח ניתן לשחרר, הורדתי חוט נחושת בגודל 16 מד על הבנק הטעון במלואו במהירות 5V (בטעות כמובן) ועיוורתי אותי מעט מהחוט שהתפוצץ בהבזק לבן וירוק בזמן שנשרף. תוך פחות משנייה חתיכת חוט של 5 ס מ נעלמה. מאות אמפר נוסעים על החוט הזה תוך פחות משנייה.

התיישבתי על מחשב נייד כפלטפורמה כיוון שהייתה לי פיי פטל שוכב, מזוודת אלומיניום, מקלדת קיוסק ומדפסת תלת מימד להדגמת אב טיפוס. הרעיון במקור היה לבנות מחשב נייד זה רק כך שיוכל לפעול במשך 10-20 דקות במינימום מאמץ. עם החדר שהיה לי תוספת במזוודה, היה מפתה מדי לנסות ולדחוף יותר מהפרויקט הזה על ידי דחיסה של יותר קבלים על.

נכון לעכשיו, כמות ההספק הניתנת לשימוש היא מתחת לסוללת ליתיום יון יחידה 3.7V 2Ah. כוח של כ- 7Wh בלבד. לא מדהים, אבל עם זמן טעינה של פחות מ -15 דקות מהריק, זה מעניין לפחות.

למרבה הצער, רק כ- 75% מהספק המאוחסן בקבלים ניתן לשלוף עם מערכת זו … ניתן בהחלט ליישם מערכת יעילה בהרבה כדי למשוך כוח במתח נמוך בסביבות 1V או פחות. פשוט לא רציתי להוציא יותר כסף על זה, כמו גם תחת 2V בקבלים משאיר רק כ 2Wh כוח זמין מתוך סך 11Wh בסך הכל.

באמצעות ממיר הספק נמוך של 0.7-5V ל -5V (~ 75-85% יעילות) הצלחתי לטעון את סוללת הסלולר 11Wh שלי מ -3% עד 65% באמצעות בנק הקבלים (אם כי טלפונים לא יעילים במיוחד בטעינה, כאשר 60-80 % מכוח הכניסה מאוחסן בפועל).

לחלקים המשמשים בפרויקט זה, יש כנראה חלקים טובים יותר לשימוש ממה שהיה לי בהישג יד. אבל הנה הם:

• 6x קבלים על (2.5V, 2300 Farad - ממערכת בלימה מחדשת לרכב. ניתן למצוא ב- Ebay וכו ')
• 1x פטל פי 3
• צג מופעל 1x5V (אני משתמש במסך 5.5 אינץ 'AMOLED עם לוח בקר HDMI)
• 2x מיקרו-בקרי ATTiny85 (אני אכלול את התכנות)
• ממירים של 0.7V-5V עד 5V קבועים 500mA DC-DC
• ממירים של 1.9V-5V ל- 5V 1A קבועים של DC-DC
• 1x מזוודה
• 3x 6A PWM מסוגלים פוסטים
• 2x 10A דיודות שוטקי
• מסגרת חריץ T 10x מאלומיניום (עם חיבורים וכו 'תלוי במה אתה רוצה להשתמש כדי להחזיק דברים במקום)
• מקלדת קיוסק
• פאנל סולארי 20W 5V
• כבלי USB למיקרו USB
• כבל HDMI
• מבחר רכיבים חשמליים בסיסיים ולוחות אב טיפוס.
• חלקים רבים המודפסים בתלת מימד (אני אכלול את קבצי.stl)

ניתן בקלות להחליף חלקים אלה לחלקים מתאימים/יעילים יותר, אבל זה מה שהיה לי בהישג יד. כמו כן, אילוצי הממדים ישתנו בהתאם לרכיבים הנבחרים.

אם יש לך משוב על העיצוב, אל תהסס להשאיר תגובה!

שלב 1: מאפייני כוח

כדי לתת מושג למה לצפות מבחינה כוחנית בעת שימוש בקבלים למשהו שהם בהחלט לא נועדו עבורו:

כאשר מתח בנק הקבלים יורד נמוך מדי (1.9V), ה- ATTinys תוכנתו לא להפעיל אף רכיב מערכת. זה רק כדי להבטיח שהרכיבים אינם מושכים כל כוח כאשר הם אינם יכולים לפעול בעקביות במתח נמוך יותר.

מערכת זו פועלת באמצעות ממירים DC-DC ברמות מתח של 4.5V עד 1.9V מבנק הקבלים.

מתח טעינת כניסה יכול להיות בין 5V ל 5.5V (לא גבוה מ -5A ב 5.5V). מתאמים של 5V 10A ומעלה יפגעו ב- mosfet וישרפו אותו בחצי קצב טעינה של PWM.

עם מאפייני הטעינה של הקבלים, קצב טעינה לוגריתמי/מעריכי יהיה הטוב ביותר, מכיוון שיהיה יותר קשה לדחוף את הכוח ככל שתגיע לטעינה מלאה … אך לעולם לא אוכל לגרום לפונקציית המתמטיקה לעבוד עם משתנים מסוג צף על ATTiny מסיבה כלשהי. משהו שאוכל להסתכל עליו אחר כך…

בעוצמת עיבוד מלאה, זמן ההפעלה המשוער הוא שעה. במצב סרק, שעתיים.

שימוש במקלט LowRa מקצר את החיים בכ -15%נוספים. שימוש בעכבר לייזר חיצוני מקצר את החיים בעוד ~ 10%.

מתח בנק קבלים נמוך יותר = פחות יעילות המרה ל- 5V לרכיבי כוח. כ -75% בטעינת קבלים 2V, שבהם כוח רב הולך לאיבוד כחום בממירים.

כשהוא מחובר לחשמל, המחשב הנייד יכול לפעול ללא הגבלת זמן באמצעות מתאם 5.3V 8A. באמצעות מתאם 2A, המערכת דורשת טעינה מלאה לפני ההפעלה לשימוש בלתי מוגבל. קצב הטעינה של ATTiny PWM הוא 6.2% בלבד מכניסת החשמל כאשר בנק הקבלים הוא 1.5V או פחות מטפס באופן לינארי ל -100% קצב טעינה בטעינה מלאה.

מערכת זו לוקחת זמן רב יותר לטעינה באמצעות מתאם אמפר נמוך יותר. זמן טעינה מ -2 V ל -4.5 V ללא שום דבר שבורח מבנק הקבלים:

• מתאם 5.2V 8A הוא 10-20 דקות (בדרך כלל בסביבות 13 דקות).
• מתאם 5.1V 2A הוא 1-2 שעות. מכיוון שהדיודות מורידות את המתח בכ -0.6 וולט, חלק מהמתאמים במהירות של 5 וולט לעולם לא יטעינו את המערכת הזו במלואה. זה בסדר אם כי המתאם לא יושפע לרעה.
• פאנל סולארי 20W באור שמש מלא הוא 0.5-2 שעות. (הרבה שונות במהלך הבדיקה).

ישנה הבעיה הטמונה בשימוש בקבלים שבהם הם אינם מחזיקים את המטען שלהם זמן רב ככל שאתה קרוב יותר למתח המרבי.

במהלך 24 השעות הראשונות, בנק הקבלים מתפרק בעצמו מ- 4.5V ל -4.3V בממוצע. ואז במהלך 72 השעות הבאות ירדו לאט ל -4.1V קבוע למדי. ה- ATTinys יחד עם פריקה עצמית קטנה יורידו את המתח ב-0.05-0.1V ליום לאחר 96 השעות הראשונות (איטי באופן אקספוננציאלי ככל שהמתח יורד לאפס). כאשר 1.5V ומטה מתח בנק הקבלים יורד בסביבות 0.001-0.01V ליום בהתאם לטמפרטורה.

עם כל זה נלקח בחשבון, משוער שמרני יהיה פריקה ל- 0.7V תוך ~ 100 ימים. השארתי את הישיבה הזו למשך 30 יום ועדיין נשארתי עם קצת יותר מ -3.5 וולט.

מערכת זו יכולה לפעול ללא הגבלת זמן באור שמש ישיר.

* * * לתשומת לב: * * המתח הקריטי של מערכת זו הוא 0.7V כאשר ממירים DC-DC המפעילים את ATTinys ייכשלו. למרבה המזל, קצב הטעינה השולט ב- mosfet ימשוך את עצמו ~ 2% גבוה כאשר החשמל מחובר במתח זה או נמוך יותר, ומאפשר טעינה איטית. עדיין לא הבנתי למה זה קורה, אבל זה בונוס בר מזל.

הייתי צריך לטעון ולפרוק את בנק הקבלים במלואו ~ 15 פעמים לפני שהם יתאזנו כימית והחזיקו מטען הגון. כאשר חיברתי אותם לראשונה, הייתי מאוד מתוסכל מכמות הטעינה המאוחסנת, אך היא משתפרת בהרבה במהלך 15 מחזורי הטעינה הראשונים.

שלב 2: בקר כוח Pi

על מנת להדליק ולכבות את ה- Pi היה עלי ליישם בקר כוח עם 4 ממירים DC-DC ו- mosfet.

למרבה הצער, ה- Pi שואב בערך 100mA גם כשהוא כבוי, אז הייתי צריך להוסיף את המוספט כדי לנתק אותו לחלוטין. כאשר בקר הכוח פועל, רק ~ 2mA מבוזבזים בטעינה מלאה (~ 0.5mA בטעינה נמוכה).

הבקר בעצם עושה את הפעולות הבאות:

1. מסדיר את רמת המתח מתחת ל -2.5 קבלים כדי למנוע מתח יתר בזמן הטעינה.
2. ארבעה DC-DC (1A מקסימום כל אחד, 4A סה"כ) מושכים ישירות מהקבלים מ- 4.5V ל- 1.9V עבור 5.1V קבוע.
3. בלחיצת כפתור, המוספט מאפשר לזרום כוח לפי. עיתונות אחרת מנתקת את החשמל.
4. ה- ATTiny צופה ברמת המתח של בנק הקבלים. אם הוא נמוך מדי, לא ניתן להפעיל את המוספט.

כפתור הכסף, כאשר הוא לחוץ מציין את הכוח שנותר בבנק הקבלים. 10 מהבהבים ב -4.5 וו ואחד ב -2.2 וולט. הפאנל הסולארי יכול לטעון עד 5V המלא ומהבהב 12 פעמים ברמה זו.

מתח הקבלים מוסדר באמצעות הרגולטורים של הדיסק הירוק 2.5V שמזרקים כל עודף כוח. זה חשוב מכיוון שהפאנל הסולארי טוען באופן פסיבי את הקבלים באמצעות דיודה 10A ישירות עד 5.2V אשר תטעין אותם יתר על המידה.

ממירים DC-DC מסוגלים לספק עד 1A כל אחד והם פלט מתח קבוע משתנה. באמצעות הפוטנציומטר הכחול בחלקו העליון ניתן להגדיר את המתח לכל רמה שתדרש. הגדרתי אותם ל- 5.2V כל אחד אשר יורד בערך 0.1V לרוחב המוספט. האחד יהיה פלט המתח הקטן ביותר מהאחרים ויתחמם בינוני, אך האחרים יתמודדו עם קפיצי כוח מהפי. כל 4 הממירים יכולים להתמודד עם קוצים חשמליים עד 4A בטעינת קבלים מלאה, או 2A בטעינה נמוכה.

הממירים שואבים ~ 2mA זרם שקט בטעינה מלאה.

מצורפת הסקיצה של Arduino שבה אני משתמש כדי לעשות זאת עם ה- ATTiny (שפע הערות נוספו). הכפתור מחובר להפסקה כדי להוציא את ה- ATTiny מהשינה ולהפעיל את ה- Pi. אם הכוח נמוך מדי, נורית ההפעלה מהבהבת 3 פעמים וה- ATTiny מוחזר לשינה.

אם לוחצים על הכפתור בפעם השנייה, כיבוי ה- Pi יכבה וה- ATTiny יחזור לישון עד ללחוץ על הכפתור הבא. זה משתמש בכמה מאות אמפר ננו במצב שינה. ה- ATTiny פועל מממיר 500mA DC DC שיכול לספק 5V קבוע מתנופת מתח של 5V-0.7V.

בית החשמל תוכנן ב- TinkerCAD (כמו כל שאר ההדפסים התלת -ממדיים) והודפס.

למעגל, עיין בסכימה המצוירת בגסות.

שלב 3: מערכת טעינה

בקר הטעינה מורכב משלושה חלקים:

1. מעגל הבקר המונע על ידי ATTiny
2. המוספות והדיודות (ומאוורר לקירור)
3. אני משתמש במטען קיר של 5.2V 8A כדי להפעיל את המחשב הנייד

מעגל הבקר מתעורר כל 8 שניות כדי לבדוק אם יש חיבור לאדמה ביציאת הטעינה. אם כבל הטעינה מחובר, המאוורר מופעל ותהליך הטעינה מתחיל.

ככל שבנק הקבלים מתקרב יותר ויותר לטעינה מלאה, אות ה- PWM השולט על המוספט גדל באופן לינארי ל- 100% ON ב -4.5V. לאחר הגעת מתח המטרה, אות ה- PWM כבוי (4.5V). לאחר מכן המתן עד להגעה לגבול התחתון המוגדר כדי להתחיל בטעינה מחדש (4.3V).

מכיוון שהדיודות מורידות את מתח הטעינה מ 5.2V עד ~ 4.6V, תיאורטית אני יכול להשאיר את המטען פועל 24/7 כשהמתח יסתיים בסביבות 4.6-4.7V. זמן הטעינה עד לפריקה כאשר הוא מלא או כמעט מלא הוא כ <1 דקות טעינה ו -5 דקות פריקה.

כאשר כבל הטעינה מנותק, ה- ATTiny הולך לישון שוב.

המוספות הם מ- eBay. הם יכולים להיות מונעים על ידי אות PWM 5V ויכולים להתמודד עם עד 5A כל אחד. זה בקו החיובי באמצעות שלוש דיודות שוטקי 10A למניעת זרימה אחורה למטען הקיר. בדוק שוב את כיוון הדיודה לפני החיבור למטען הקיר. אם הוא מכוון לא נכון לאפשר לזרימת הכוח מהקבלים למטען הקיר, המטען יתחמם מאוד וכנראה יימס כאשר הוא מחובר למחשב הנייד.

מאוורר 5V מונע על ידי מטען הקיר ומקרר את שאר הרכיבים מכיוון שהם מתחממים מאוד מתחת למחצית הטעינה.

טעינה באמצעות מטען 5.2V 8A אורכת מספר דקות בלבד, כאשר מטען 5V 2A לוקח יותר משעה.

אות ה- PWM ל- mosfet מאפשר רק 6% מהספק דרך 1.5V או פחות מטפס לינארית ל -100% בטעינה מלאה של 4.5V. הסיבה לכך היא שקבלים פועלים כקצר מת במתח נמוך יותר, אך הופכים להיות קשים יותר באופן אקספוננציאלי לטעינה ככל שמתקרבים לשוויון.

הפאנל הסולארי 20W מניע מעגל מטען USB קטן של 5.6V 3.5A. זה ניזון ישירות דרך דיודה 10A לבנק הקבלים. הרגולטורים של 2.5V מונעים מהקבלים טעינת יתר. עדיף לא להשאיר את המערכת בשמש לפרקי זמן ממושכים מכיוון שהרגולטורים ומעגל המטען יכולים להתחמם למדי.

עיין בסקוט Arduino המצורף, עוד תרשים מעגלים גרוע וקבצי. STL לחלקים המודפסים בתלת מימד.

כדי להסביר כיצד המעגל מחובר יחד, לבקר הטעינה יש קו אחד לבדיקת מתח הכניסה מהמטען וקו אחד לסיכות pwm במודולי mosfet.

המודולים של mosfet מקורקעים לצד השלילי של בנק הקבלים.

מעגל זה לא יכבה ללא חיבור המאוורר מהצד השלילי של הקבלים לצד הגבוה של כניסת המטען. מכיוון שהצד הגבוה נמצא מאחורי הדיודות והפוסטים, מעט מאוד כוח יתבזבז מכיוון שההתנגדות היא מעל 40k התנגדות. המאוורר מושך את הצד הגבוה בזמן שהמטען אינו מחובר, אך אינו לוקח מספיק מהזרם כדי להוריד אותו בזמן שהמטען מחובר לחשמל.

שלב 4: בנק קבלים + הדפסות תלת מימד נוספות בשימוש

הקבלים המשמשים הם 6x 2.5V @ 2300F קבלים על. הם מסודרים ב -2 סטים בסדרה של 3 במקביל. זה מגיע לבנק של 5V @ 3450F. אם ניתן היה לשלוף את כל האנרגיה מהקבלים, הם יכולים לספק ~ 11Wh כוח או סוללת ליתיום של 3.7V 2.5Ah.

קישור לגליון הנתונים:

המשוואות בהן השתמשתי לחישוב הקיבול ולאחר מכן שעות הוואט הזמינות:

(C1*C2) / (C1+C2) = Ctotal2.5V 6900F+2.5V 6900F (6900*6900) / (6900+6900) = 3450F @ 5V באמצעות 4.5V עד 1.9V של פוטנציאל זמין בקבלים של 3450F ((C* (Vmax^2)) / 2) - ((C * (Vmin^2)) / 2) = סה כ ג'ול ((3450 * (4.5^2)) / 2) - ((3450 * (1.9^2)) / 2) = 28704JJoules / 3600 שניות = שעות ואט 28704 /3600 = 7.97 וואט (הספק מקסימלי תיאורטי זמין)

הבנק הזה גדול מאוד. בגובה 5 ס"מ על 36 ס"מ על רוחב 16 ס"מ. זה די כבד כאשר כולל את מסגרת האלומיניום שבה השתמשתי … בערך 5 ק"ג או 11 ק"ג, לא כולל המזוודה וכל שאר הציוד ההיקפי.

חיברתי את מסופי הקבלים באמצעות מחברי מסוף 50A המולחמים יחד עם חוט נחושת של 12 מד. זה ימנע צוואר בקבוק מתנגד במסופים.

בעזרת מסגרת אלומיניום T-bar, המחשב הנייד חסון להפליא (אם כי גם כבד מאוד). כל הרכיבים מוחזקים במקומם באמצעות מסגרת זו. תופס מקום מינימלי בתוך המחשב הנייד מבלי לקדוח חורים בכל מקום בארנק.

פרויקטים רבים המודפסים בתלת מימד שימשו בפרויקט זה:

• מחזיקי בנק קבלים מלאים
• מחזיקי מחזיקי בנק קבלים
• תחתית מחזיקי קבלים
• מפריד בין מסופי קבלים חיוביים ושליליים
• צלחת מחזיק פטל פטל
• כיסויים עליונים סביב מקלדת וקבלים (לאסתטיקה בלבד)
• מחזיק מסך וכיסוי AMOLED
• מחזיק לוח בקר AMOLED
• מדריכי חוט HDMI ו- USB לתצוגת בקר מ- Pi
• כפתור וצלחת לד לגשת למעלה לשליטה בחשמל
• אחרים יתווספו תוך כדי הדפסה

שלב 5: מסקנה

אז מכיוון שזה היה רק פרויקט תחביב, אני מאמין שהוכיח שניתן להשתמש בכלי -על להפעלת מחשב נייד, אך כנראה שלא צריך להיות אילוצי גודל. צפיפות ההספק של הקבלים המשמשים בפרויקט זה צפופה יותר מפי 20x מסוללות ליתיום. כמו כן, המשקל מופרך.

עם זאת, זה יכול להיות שימושים שונים מאשר מחשב נייד רגיל. לדוגמה, אני משתמש במחשב הנייד הזה בעיקר מטעינה סולארית. ניתן להשתמש בו ביער מבלי לדאוג יותר מדי מטעינה ופריקה של ה'סוללה 'שוב ושוב, מספר פעמים ביום. שיניתי מעט את המערכת מאז הבנייה הראשונית לשילוב שקע 5V 4A בצד אחד של המארז כדי להדליק תאורה ולהטעין טלפונים בעת בדיקת חיישנים ביער. המשקל עדיין הורג כתפיים …

מכיוון שמחזור הטעינה כל כך מהיר, לעולם אל תדאג להיגמר החשמל. אני יכול לחבר אותו למשך 20 דקות (או פחות בהתאם לרמה הנוכחית) בכל מקום ולהיות טוב במשך יותר משעה של שימוש אינטנסיבי.

חסרון אחד בעיצוב זה שהוא נראה חשוד מאוד לעובר אורח … לא הייתי לוקח את זה בתחבורה ציבורית. לפחות לא להשתמש בו ליד קהל. כמה חברים אמרו לי שהייתי צריך לגרום לזה להיראות קצת פחות 'מאיים'.

אבל בסך הכל היה לי כיף לבנות את הפרויקט הזה, ולמדתי לא מעט כיצד ליישם טכנולוגיית קבלים -על על פרויקטים אחרים בעתיד. כמו כן, התאמת כל דבר במזוודה הייתה חידה תלת מימדית שלא הייתה מתסכלת מדי, אפילו אתגר די מעניין.

אם יש לך שאלות, הודע לי!