אספקת חשמל Bluetooth דיגיטלית USB C: 8 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:16

תמיד רצית ספק כוח שתוכל להשתמש בו תוך כדי תנועה, גם בלי שקע בקיר בקרבת מקום? והאם זה לא יהיה מגניב אם זה יהיה גם מדויק מאוד, דיגיטלי וניתן לשליטה באמצעות המחשב והטלפון שלך?

במדריך זה אראה לך כיצד לבנות בדיוק את זה: ספק כוח דיגיטלי שמופעל באמצעות USB C. הוא תואם ארדואינו וניתן לשלוט בו באמצעות המחשב באמצעות USB או באמצעות הטלפון שלך באמצעות בלוטות '.

פרויקט זה הוא אבולוציה של אספקת החשמל הקודמת שלי, שהופעלה באמצעות סוללה ויש לה תצוגה וכפתורים. בדוק את זה כאן! עם זאת, רציתי ללכת קטן יותר, אז בגלל זה הכנתי!

ניתן להפעיל את ספק הכוח מבנק סוללות USB C או ממטען טלפוני. זה מאפשר הספק של עד 15W, וזה מספיק בכדי להניע את רוב האלקטרוניקה בהספק נמוך! כדי שיהיה לי ממשק משתמש טוב במכשיר כל כך קטן, כללתי Bluetooth ואפליקציית Android לבקרות. זה הופך את ספק הכוח הזה לנייד במיוחד!

אני אראה את כל תהליך העיצוב, ואת כל קבצי הפרויקטים ניתן למצוא בדף GitHub שלי:

בואו נתחיל!

שלב 1: תכונות ועלות

מאפיינים

• מופעל באמצעות USB C
• נשלט באמצעות אפליקציית אנדרואיד באמצעות בלוטות '
• נשלט באמצעות ג'אווה באמצעות USB C
• מתח קבוע ומצבי זרם קבוע
• משתמש בווסת ליניארי בעל רעש נמוך, לפניו קדם מעקב קדם מעקב כדי למזער את פיזור הכוח
• מופעל על ידי ATMEGA32U4, מתוכנת עם Arduino IDE
• יכול להיות מופעל על ידי בנק סוללות USB C כדי להפוך אותו לנייד
• זיהוי מטען USB C ו- Apple
• תקעי בננה מרווחים של 18 מ"מ לתאימות עם מתאמי BNC

מפרטים

• 0 - 1A, שלבים של 1 mA (10 סיביות DAC)
• 0 - 25V, שלבים של 25 mV (10 סיביות DAC) (פעולה אמיתית של 0V)
• מדידת מתח: רזולוציה של 25 mV (10 סיביות ADC)
• מדידת זרם: <40mA: רזולוציית 10uA (ina219) <80mA: רזולוציה של 20uA (ina219) <160mA: רזולוציה של 40uA (ina219) <320mA: רזולוציה של 80uA (ina219)> 320mA: 1mA (10 bit ADC)

עֲלוּת

ספק הכוח המלא עלה לי בסביבות 100 $, עם כל הרכיבים החד פעמיים. למרות שזה עשוי להיראות יקר, אספקת חשמל עם הרבה פחות ביצועים ותכונות לרוב עולות יותר מזה. אם לא אכפת לך להזמין את הרכיבים שלך מ- ebay או aliexpress, המחיר יירד לסביבות 70 $. לוקח יותר זמן עד שהחלקים נכנסים, אבל זו אפשרות כדאית.

שלב 2: סכמטי ותורת הפעולה

כדי להבין את פעולת המעגל, נצטרך להסתכל על הסכימה. חילקתי אותו לגושים פונקציונאליים, כך שקל יותר להבין אותם; לפיכך אסביר גם את הפעולה שלב אחר שלב. חלק זה הוא לעומק ודורש ידע טוב באלקטרוניקה. אם אתה רק רוצה לדעת כיצד לבנות את המעגל, תוכל לעבור לשלב הבא.

בלוק ראשי

הפעולה מבוססת סביב שבב LT3080: זהו ווסת מתח ליניארי, שיכול להוריד את המתחים, המבוסס על אות בקרה. אות בקרה זה ייווצר על ידי מיקרו -בקר; כיצד הדבר נעשה, יוסבר בפירוט בהמשך.

הגדרת מתח

המעגלים סביב ה- LT3080 מייצרים את אותות הבקרה המתאימים. ראשית, נבחן כיצד נקבע המתח. הגדרת המתח מהמיקרו -בקר היא אות PWM (PWM_Vset), אשר מסונן על ידי מסנן נמוך (C23 & R32). זה מייצר מתח אנלוגי - בין 0 ל -5 V - ביחס למתח היציאה המבוקש. מכיוון שטווח הפלט שלנו הוא 0 - 25 וולט, נצטרך להגביר את האות הזה עם גורם 5. הדבר נעשה על ידי תצורת אופמפ לא הפוכה של U7C. הרווח לסיכה המוגדרת נקבע על ידי R31 ו- R36. נגדים אלה הם 0.1% סובלניים, כדי למזער טעויות. R39 ו- R41 אינם חשובים כאן, מכיוון שהם חלק מלולאת המשוב.

ההגדרה הנוכחית

סיכה זו יכולה לשמש גם להגדרה השנייה: מצב נוכחי. אנו רוצים למדוד את השיווי הנוכחי ולכבות את הפלט כאשר זה חורג מהזרם המבוקש. לכן, אנו מתחילים מחדש באות PWM (PWM_Iset), שנוצר על ידי המיקרו -בקר, שמסנן כעת ונחלש לעבור ממגוון 0 - 5 V לטווח של 0 - 2.5 V. מתח זה מושווה כעת לירידת המתח על פני הנגד החוש הנוכחי (ADC_Iout, ראה להלן) על ידי תצורת המשווה של opamp U1B. אם הזרם גבוה מדי, זה יפעיל מנורה, וגם ימשוך את הקו המוגדר של ה- LT3080 לקרקע (דרך Q1), ובכך יכבה את הפלט. מדידת הזרם וייצור האות ADC_Iout נעשים כדלקמן. זרם הפלט זורם דרך הנגד R22. כאשר הזרם זורם דרך הנגד הזה, הוא יוצר ירידת מתח, אותה אנו יכולים למדוד, והיא ממוקמת לפני ה- LT3080, מכיוון שירידת המתח על פניו לא אמורה להשפיע על מתח המוצא. ירידת המתח נמדדת עם מגבר דיפרנציאלי (U7B) בעל רווח של 5. זה גורם לטווח מתח של 0 - 2.5 V (עוד על כך בהמשך), ומכאן מחלק המתח באות PWM של הזרם. המאגר (U7A) נמצא שם כדי לוודא שהזרם הזורם לנגדים R27, R34 ו- R35 אינו עובר בנגד החושים הנוכחי, מה שישפיע על קריאתו. שים לב גם שזה אמור להיות מסלול של מסילה למסילה, מכיוון שמתח הכניסה בכניסה החיובית שווה למתח האספקה. המגבר הלא הפוך מיועד רק למדידת הקורס, אם כי למדידות מדויקות מאוד יש לנו שבב INA219 על הסיפון. שבב זה מאפשר לנו למדוד זרמים קטנים מאוד, ומטופל באמצעות I2C.

דברים נוספים

בתפוקת ה- LT3080, יש לנו עוד כמה דברים. קודם כל, יש כיור נוכחי (LM334). זה שואב זרם קבוע של 677 uA (נקבע על ידי הנגד R46), כדי לייצב את LT3080. אולם הוא אינו מחובר לקרקע, אלא ל- VEE, מתח שלילי. זה נחוץ כדי לאפשר ל- LT3080 לפעול עד 0 V. כאשר הוא מחובר לאדמה, המתח הנמוך ביותר יהיה בערך 0.7 V. זה נראה מספיק נמוך, אך זכור כי הדבר מונע מאיתנו לכבות את ספק הכוח לחלוטין. למרבה הצער, מעגל זה נמצא ביציאה מה- LT3080, כלומר הזרם שלו יתרום לזרם הפלט אותו אנו רוצים למדוד. למרבה המזל, הוא קבוע כדי שנוכל לכייל את הזרם הזה. דיודת הזנר D7 משמשת לחיזוק מתח המוצא אם הוא עולה על 25 וולט, ומחלק הנגדים מוריד את טווח מתח היציאה מ -0 - 25 וולט ל- 0 - 2.5 וולט (ADC_Vout). המאגר (U7D) מבטיח שהנגדים אינם שואבים זרם מהפלט.

משאבת טעינה

המתח השלילי שהזכרנו קודם נוצר על ידי מעגל קטן ומוזר: משאבת הטעינה. הוא מוזן על ידי PWM של 50% מהמיקרו -בקר (PWM).

ממיר Boost

בואו נסתכל כעת על מתח הכניסה של הבלוק הראשי שלנו: VCC. אנחנו רואים שזה 5 - 27V, אבל רגע, USB נותן מקסימום 5 V? אכן, ובגלל זה עלינו להגביר את המתח, עם מה שמכונה ממיר בוסט. תמיד נוכל להגביר את המתח ל -27 וולט, לא משנה איזה פלט נרצה; עם זאת, הדבר יבזבז הרבה כוח ב- LT3080 והדברים יתחממו! אז במקום לעשות זאת, נעלה את המתח לקצת יותר ממתח המוצא. כ -2.5 V גבוה יותר מתאים, כדי להסביר את ירידת המתח בנגד החוש הנוכחי ואת מתח הנשירה של LT3080. המתח נקבע על ידי נגדים באות הפלט של ממיר ההגברה. כדי לשנות את המתח הזה תוך כדי תנועה, אנו משתמשים בפוטנציומטר דיגיטלי, MCP41010, הנשלט באמצעות SPI.

USB C

זה מוביל אותנו למתח הכניסה האמיתי: יציאת ה- USB! הסיבה לשימוש ב- USB C (USB 3.1 ליתר דיוק, USB C הוא רק סוג המחבר) היא מכיוון שהוא מאפשר זרם של 3A ב -5V, זה כבר די כוח. אבל יש תפס, המכשיר צריך להיות תואם כדי לצייר את הזרם הזה ול'נהל משא ומתן 'עם המכשיר המארח. בפועל, הדבר נעשה על ידי חיבור שני נגדי הנעה 5.1k (R12 ו- R13) לקו CC1 ו- CC2. לתאימות USB 2, התיעוד פחות ברור. בקיצור: אתה מצייר כל זרם שאתה רוצה, כל עוד המארח יכול לספק אותו. ניתן לבדוק זאת על ידי ניטור מתח האוטובוס USB: כאשר המתח יורד מתחת ל- 4.25V, המכשיר שואב יותר מדי זרם. זה מזוהה על ידי המשווה U1A ויבטל את הפלט. הוא גם שולח אות לבקר המיקרו כדי לקבוע את הזרם המרבי. כבונוס, נוספו נגדים לתמיכה באיתור מזהה המטען של מטענים של אפל וסמסונג.

רגולטור 5V

מתח האספקה של 5 V של הארדואינו מגיע בדרך כלל ישירות מה- USB. אך מכיוון שמתח ה- USB יכול להשתנות בין 4.5 ל -5.5 וולט לפי מפרט ה- USB, זה לא מספיק מדויק. לכן, נעשה שימוש בווסת 5V, שיכול ליצור 5V ממתחים נמוכים וגבוהים יותר. ובכל זאת, מתח זה אינו מדויק במיוחד, אך הדבר נפתר על ידי שלב כיול שבו מחזור הפעולה של אות ה- PWM מותאם בהתאם. מתח e זה נמדד על ידי מחלק המתח שנוצר על ידי R42 ו- R43. אבל מכיוון שלא היו לי יותר תשומות פנויות, הייתי צריך לעשות סיכה למשוך כפולה. כאשר אספקת החשמל מתחילה, סיכה זו מוגדרת לראשונה כקלט: היא מודדת את מסילת האספקה ומכיילת את עצמה. לאחר מכן, הוא מוגדר כפלט והוא יכול להניע את קו בחירת השבבים של הפוטנציומטר.

התייחסות מתח 2.56 וולט

שבב קטן זה מספק התייחסות מתח מדויקת מאוד של 2.56 וולט. זה משמש כהפניה לאותות האנלוגיים ADC_Vout, ADC_Iout, ADC_Vbatt. לכן היינו צריכים מחיצות מתח כדי להוריד את האותות האלה ל -2.5 וולט.

FTDI

החלק האחרון של ספק הכוח הזה הוא הקשר עם העולם האכזר, החיצוני. לשם כך עלינו להמיר את האותות הטוריים לאותות USB. למרבה המזל, זה נעשה על ידי ה- ATMEGA32U4, זהו אותו שבב המשמש ב- Micro Arduino.

בלוטות

החלק של הבלוטות 'הוא פשוט מאוד: מודול בלוטות' מדף מתווסף ודואג להכל בשבילנו. מכיוון שרמת הלוגיקה שלה היא 3.3V (VS 5V עבור המיקרו -בקר) מחלק מתח משמש לרמת הסטת האות.

וזה כל מה שיש!

שלב 3: PCB ואלקטרוניקה

כעת, כאשר אנו מבינים כיצד המעגל פועל, אנו יכולים להתחיל לבנות אותו! אתה יכול פשוט להזמין את ה- PCB באופן מקוון מהיצרן המועדף עליך (שלי עולה בסביבות $ 10), את קבצי הגרבר ניתן למצוא ב- GitHub שלי, יחד עם שטר החומרים. הרכבת ה- PCB היא בעצם עניין של הלחמת הרכיבים במקום בהתאם למסך המשי וחשבון החומרים.

בעוד שבספק הכוח הקודם שלי היו רכיבים חורים בלבד, אילוץ הגודל של החדש שלי לא הפך את זה לבלתי אפשרי. רוב המרכיבים עדיין קלים יחסית להלחמה, אז אל תפחד. כהמחשה: חבר שלי שמעולם לא הלחם לפני כן הצליח לאכלס את המכשיר הזה!

הכי קל לעשות תחילה את הרכיבים בצד הקדמי, אחר כך את הגב ולסיים עם רכיבי החורים. כאשר תעשה זאת, הלוח הלוח לא יתנדנד בעת הלחמת הרכיבים הקשים ביותר. הרכיב האחרון להלחמה הוא מודול בלוטות '.

ניתן להלחם את כל הרכיבים, למעט 2 שקעי הבננות אותם נרכב בשלב הבא!

שלב 4: מארז והרכבה

כאשר ה- PCB עשוי, נוכל להמשיך למארז. תכננתי במיוחד את הלוח המודפס סביב מארז 20x50x80 מ מ מאלומיניום (https://www.aliexpress.com/item/Aluminum-PCB-Instr…), כך שלא מומלץ להשתמש במארז אחר. עם זאת, תמיד תוכל להדפיס נרתיק בתלת מימד באותן מידות.

השלב הראשון הוא הכנת לוח הקצה. נצטרך לקדוח כמה חורים עבור שקעי הבננות. עשיתי את זה ביד, אבל אם יש לך גישה ל- CNC זו תהיה אפשרות מדויקת יותר. הכנס את שקעי הבננה לחורים אלה והלחם אותם על הלוח הלוח.

כדאי להוסיף כמה כריות משי עכשיו ולהחזיק אותן במקומם בעזרת טיפה קטנה של דבק סופר. אלה יאפשרו העברת חום בין LT3080 ו- LT1370 לבין המארז. אל תשכח אותם!

כעת אנו יכולים להתמקד בלוח הקדמי, אשר פשוט מתברג במקומו. עם שני הלוחות במקומם כעת אנו יכולים להכניס את המכלול לתוך המארז ולסגור את כל זה. בשלב זה החומרה הסתיימה, ועכשיו כל שנותר הוא להכניס קצת חיים לתוכנה!

שלב 5: קוד ארדואינו

המוח של הפרויקט הזה הוא ה- ATMEGA32U4, אותו נתכנת עם ה- Arduino IDE. בחלק זה אעבור על הפעולה הבסיסית של הקוד, ניתן למצוא את הפרטים כהערות בתוך הקוד.

הקוד בעצם עובר את השלבים הבאים:

1. שלח נתונים לאפליקציה
2. קרא נתונים מהאפליקציה
3. למדוד מתח
4. למדוד זרם
5. כפתור הסקר

זרם היתר מסוג USB מטופל על ידי שגרת שירות להפריע כדי להגיב כמה שיותר.

לפני שניתן לתכנת את השבב באמצעות USB, יש לצרוב את מטען האתחול. זה נעשה באמצעות יציאת ISP/ICSP (הכותרות הגבריות 3x2) באמצעות מתכנת ISP. האפשרויות הן AVRISPMK2, ספק האינטרנט USBTINY או ארדואינו כספקית אינטרנט. וודא שהלוח מקבל מתח ולחץ על כפתור 'צריבת האתחול'.

כעת ניתן להעלות את הקוד ללוח דרך יציאת USB C (מכיוון שלשבב יש מטעין אתחול). לוח: מתכנת מיקרו Arduino: AVR ISP / AVRISP MKII עכשיו נוכל להסתכל על האינטראקציה בין Arduino למחשב.

שלב 6: אפליקציית אנדרואיד

כעת יש לנו ספק כוח תפקודי לחלוטין, אך עדיין אין דרך לשלוט בו. מאוד מעצבן. אז נכין אפליקציית Android שתשלוט באספקת הכוח באמצעות Bluetooth.

האפליקציה נעשתה עם תוכנית ממציאי האפליקציות MIT. כל הקבצים יכולים להיכלל כדי לשכפל ולשנות את הפרויקט. ראשית, הורד את האפליקציה הנלווית MIT AI2 לטלפון שלך. לאחר מכן, ייבא את קובץ.aia באתר AI. זה גם מאפשר לך להוריד את האפליקציה בטלפון שלך על ידי בחירת "Build> App (ספק קוד QR עבור.apk)"

כדי להשתמש באפליקציה, בחר מכשיר Bluetooth מהרשימה: הוא יופיע כמודול HC-05. כאשר הם מחוברים, ניתן לשנות את כל ההגדרות ולקרוא את פלט ספק הכוח.

שלב 7: קוד ג'אווה

לצורך רישום נתונים ושליטה באספקת החשמל באמצעות המחשב, הכנתי יישום java. זה מאפשר לנו לשלוט בלוח בקלות באמצעות GUI. כמו קוד ארדואינו, לא אכנס לכל הפרטים, אלא אביא סקירה כללית.

אנו מתחילים ביצירת חלון עם כפתורים, שדות טקסט וכו '; דברים בסיסיים ב- GUI.

עכשיו מגיע החלק המהנה: הוספת יציאות ה- USB, שלשמן השתמשתי בספריית jSerialComm. לאחר בחירת יציאה, java יקשיב לכל הנתונים הנכנסים. אנו יכולים גם לשלוח נתונים למכשיר.

יתר על כן, כל הנתונים הנכנסים נשמרים בקובץ csv, לטיפול מאוחר יותר בנתונים.

בעת הפעלת קובץ.jar, ראשית עלינו לבחור את היציאה הנכונה מהתפריט הנפתח. לאחר חיבור הנתונים יתחילו להיכנס, ואנו יכולים לשלוח את ההגדרות שלנו לספק הכוח.

למרות שהתוכנית די בסיסית, זה יכול להיות שימושי מאוד לשלוט בה באמצעות מחשב אישי ולרשום את הנתונים שלה.

שלב 8:

אחרי כל העבודה הזו, יש לנו כעת ספק כוח תפקודי לחלוטין!

כעת אנו יכולים ליהנות מאספקת החשמל הביתית שלנו, אשר תועיל בעת עבודה על פרויקטים מדהימים אחרים! והכי חשוב: למדנו הרבה דברים בדרך.

אם אהבתם את הפרויקט הזה, אנא הצביעו לי בתחרות בגודל כיס ובמיקרו -בקר, אעריך אותו מאוד!