Κύκλωμα μετατροπέα ενίσχυσης μονής κυψέλης χρησιμοποιώντας κυψέλη νομισμάτων - έξοδος 5v

Οι κυψέλες μπαταριών είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη πηγή ενέργειας για την τροφοδοσία φορητών ηλεκτρονικών. Είτε πρόκειται για ένα απλό ξυπνητήρι ή έναν κόμβο αισθητήρα IoT ή ένα σύνθετο κινητό τηλέφωνο, όλα τροφοδοτούνται από μπαταρίες. Στις περισσότερες περιπτώσεις αυτές οι φορητές συσκευές πρέπει να έχουν έναν μικρό παράγοντα μορφής (μέγεθος συσκευασίας) και ως εκ τούτου τροφοδοτείται από μία μπαταρία κυψέλης, όπως το δημοφιλές CR2032 Lithium cell ή τα άλλα 3.7V πολυμερές λιθίου ή 18650 cell. Αυτά τα στοιχεία συσκευάζονται σε υψηλή ενέργεια για το μέγεθός του, αλλά ένα κοινό μειονέκτημα με αυτά τα κύτταρα είναι η τάση λειτουργίας του. Μια τυπική μπαταρία λιθίου έχει ονομαστική τάση 3,7V, αλλά αυτή η τάση μπορεί να μειωθεί τόσο χαμηλά όσο 2,8V όταν είναι πλήρως στραγγιζόμενη και έως 4,2V όταν είναι πλήρως φορτισμένη που δεν είναι πολύ επιθυμητή για τα ηλεκτρονικά μας σχέδια που είτε λειτουργούν με ρυθμιζόμενο 3.3 V ή 5V ως τάση λειτουργίας.

Αυτό φέρνει την ανάγκη για έναν μετατροπέα ώθησης που μπορεί να πάρει αυτήν τη μεταβλητή 2,8V έως 4,2V ως τάση εισόδου και να τη ρυθμίσει σε σταθερά 3.3V ή 5V. Ευτυχώς αν και υπάρχει ένα IC που ονομάζεται BL8530 το οποίο κάνει ακριβώς το ίδιο με πολύ ελάχιστα εξωτερικά εξαρτήματα. Έτσι, σε αυτό το έργο θα κατασκευάσουμε ένα ενισχυτικό κύκλωμα 5V χαμηλού κόστους που παρέχει μια σταθερή ρυθμιζόμενη τάση εξόδου 5V από ένα κελί CR2032. θα σχεδιάσουμε επίσης ένα συμπαγές PCB για αυτόν τον μετατροπέα ενίσχυσης, ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε όλα τα μελλοντικά φορητά έργα μας. Το μέγιστο ρεύμα εξόδου του μετατροπέα ώθησης θα είναι 200mAπου είναι αρκετά καλό για την τροφοδοσία βασικών μικροελεγκτών και αισθητήρων. Ένα άλλο πλεονέκτημα αυτού του κυκλώματος είναι ότι, εάν το έργο σας απαιτεί ρυθμιζόμενο 3.3V αντί για 5V, το ίδιο κύκλωμα μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη ρύθμιση 3.3V, αλλάζοντας μόνο ένα στοιχείο. Αυτό το κύκλωμα μπορεί επίσης να λειτουργήσει ως Power Bank για να τροφοδοτήσει μικρές πλακέτες όπως Arduino, STM32, MSP430 κ.λπ. Προηγουμένως κατασκευάσαμε παρόμοιο είδος μετατροπέα ενίσχυσης χρησιμοποιώντας μπαταρία λιθίου για φόρτιση ενός κινητού τηλεφώνου.

Απαιτούμενα υλικά

• BL8530-5V Booster IC (SOT89)
• 47uH επαγωγέας (5 mm SMD)
• Δίοδος SS14 (SMD)
• Πυκνωτής τανταλίου 1000uF 16V (SMD)
• Κάτοχος κυψελών νομισμάτων
• Θηλυκή σύνδεση USB

Στοιχεία σχεδιασμού μετατροπέα απλής κυψέλης

Οι απαιτήσεις σχεδίασης για έναν μετατροπέα ενίσχυσης μίας κυψέλης θα είναι διαφορετικές από εκείνες ενός συνηθισμένου μετατροπέα ενίσχυσης. Αυτό συμβαίνει επειδή εδώ η ενέργεια από μια μπαταρία (κυψέλη νομισμάτων) αυξάνεται σε τάση εξόδου για να λειτουργεί η συσκευή μας. Πρέπει λοιπόν να προσέξετε ότι το κύκλωμα ενίσχυσης χρησιμοποιεί το μέγιστο της μπαταρίας με υψηλή απόδοση για να διατηρεί τη συσκευή ενεργοποιημένη για όσο το δυνατόν περισσότερο. Κατά την επιλογή του ενισχυτικού IC για τα σχέδιά σας, μπορείτε να λάβετε υπόψη τις ακόλουθες τέσσερις παραμέτρους. Μπορείτε επίσης να διαβάσετε το άρθρο σχετικά με το Boost Regulator Design για να μάθετε περισσότερα σχετικά με αυτό.

Τάση εκκίνησης: Αυτή είναι η ελάχιστη απαιτούμενη τάση εισόδου από την μπαταρία για να ξεκινήσει η λειτουργία του μετατροπέα ώθησης. Όταν ενεργοποιείτε τον μετατροπέα ενίσχυσης, η μπαταρία θα πρέπει τουλάχιστον να μπορεί να παρέχει αυτήν την τάση εκκίνησης για να λειτουργεί ο ενισχυτής σας. Στο σχεδιασμό μας, η απαιτούμενη τάση εκκίνησης είναι 0,8V που είναι πολύ χαμηλότερη από οποιαδήποτε πλήρως αποφορτισμένη τάση νομισμάτων.

Τάση αναμονής: Μόλις η συσκευή τροφοδοτηθεί με το κύκλωμα ώθησης, η τάση της μπαταρίας θα αρχίσει να μειώνεται καθώς δίνει ισχύ. Η τάση μέχρι την οποία το ενισχυτικό IC θα διατηρήσει την απόδοσή του ονομάζεται αναμονή τάσης. Κάτω από αυτήν την τάση το IC θα σταματήσει να λειτουργεί και δεν θα έχουμε καμία τάση εξόδου. Σημειώστε ότι η τάση παραμονής θα είναι πάντα μικρότερη από την τάση εκκίνησης. Αυτό σημαίνει ότι το IC θα απαιτήσει περισσότερη τάση για να ξεκινήσει τη λειτουργία του και κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του μπορεί να αποστραγγίσει την μπαταρία πολύ κάτω από αυτό. Η τάση παραμονής στο κύκλωμα μας είναι 0,7V.

Ήρεμο ρεύμα: Η ποσότητα ρεύματος που αντλεί (σπατάλη) το κύκλωμα, ακόμη και όταν κανένα φορτίο δεν είναι συνδεδεμένο στην πλευρά εξόδου ονομάζεται ηρεμία Αυτή η τιμή πρέπει να είναι όσο το δυνατόν χαμηλότερη, για το IC μας η τιμή του ρεύματος ηρεμίας είναι μεταξύ 4uA έως 7uA. Είναι πολύ σημαντικό να έχετε αυτήν την τιμή χαμηλή ή μηδενική εάν η συσκευή δεν πρόκειται να συνδεθεί για φόρτωση για μεγάλο χρονικό διάστημα.

On-Resistance: Όλο το κύκλωμα μετατροπέα ώθησης θα περιλαμβάνει μια συσκευή εναλλαγής όπως MOSFET ή άλλα FET σε αυτό. Εάν χρησιμοποιούμε IC μετατροπέα, τότε αυτή η συσκευή εναλλαγής θα ενσωματωθεί στο IC. Είναι σημαντικό αυτός ο διακόπτης να έχει πολύ χαμηλή αντίσταση. Για παράδειγμα, στο σχεδιασμό μας εδώ, το IC BL8530 διαθέτει εσωτερικό διακόπτη με αντίσταση 0,4Ω που είναι αξιοπρεπής τιμή. Αυτή η αντίσταση θα μειώσει μια τάση κατά μήκος του διακόπτη με βάση το ρεύμα μέσω αυτού (νόμος Ohms) μειώνοντας έτσι την απόδοση της μονάδας.

Υπάρχουν πολλοί τρόποι για να αυξήσετε την τάση, μερικοί από αυτούς παρουσιάζονται εδώ στο Series Charger Circuit Series.

Διάγραμμα κυκλώματος

Το πλήρες διάγραμμα κυκλώματος για το κύκλωμα ενίσχυσης 5V φαίνεται παρακάτω, τα σχήματα σχεδιάστηκαν χρησιμοποιώντας το EasyEDA.

Όπως μπορείτε να δείτε, το κύκλωμα απαιτεί πολύ ελάχιστα εξαρτήματα αφού όλη η σκληρή δουλειά τραβάται από το BL8530 IC. Υπάρχουν πολλές εκδόσεις του BL8530 IC, αυτή που χρησιμοποιείται εδώ «BL8530-50» όπου το 50 αντιπροσωπεύει την τάση εξόδου 5V. Ομοίως, το IC BL8530-33 θα έχει τάση εξόδου 3,3V, επομένως με την αντικατάσταση αυτού του IC μπορούμε να πάρουμε την απαιτούμενη τάση εξόδου. Υπάρχουν 2.5V, 3V, 4.2V, 5V και ακόμη και 6V έκδοση αυτού του IC διαθέσιμα στην αγορά. Σε αυτό το σεμινάριο θα επικεντρωθούμε στην έκδοση 5V. Το IC απαιτεί μόνο έναν πυκνωτή, έναν επαγωγέα και μια δίοδο μαζί με αυτό για να λειτουργήσει, ας δούμε πώς να επιλέξουμε τα εξαρτήματα.

Επιλογή συστατικών

Επαγωγέας: Η διαθέσιμη επιλογή τιμής επαγωγέα για αυτό το IC είναι από 3uH έως 1mH. Η χρήση υψηλής τιμής επαγωγέα θα παρέχει υψηλό ρεύμα εξόδου και υψηλή απόδοση. Ωστόσο, το μειονέκτημα είναι ότι απαιτεί υψηλή τάση εισόδου από το κελί για να λειτουργήσει, οπότε η χρήση υψηλής τιμής επαγωγέα ενδέχεται να μην κάνει το κύκλωμα ενίσχυσης να λειτουργήσει έως ότου αποφορτιστεί πλήρως η μπαταρία. Ως εκ τούτου, πρέπει να γίνει αντιστάθμιση μεταξύ του ρεύματος εξόδου και του ελάχιστου ρεύματος εισόδου στο σχεδιασμό. Εδώ έχω χρησιμοποιήσει μια τιμή 47uH δεδομένου ότι χρειάζομαι υψηλό ρεύμα εξόδου, μπορείτε να μειώσετε αυτήν την τιμή εάν το ρεύμα φόρτωσης θα είναι μικρότερο για το σχέδιό σας. Είναι επίσης σημαντικό να επιλέξετε έναν επαγωγέα με χαμηλή τιμή ESR για υψηλή απόδοση του σχεδιασμού σας.

Πυκνωτής εξόδου: Η επιτρεπόμενη τιμή του πυκνωτή είναι από 47uF έως 220uF. Η λειτουργία αυτού του πυκνωτή εξόδου είναι να φιλτράρει τους κυματισμούς εξόδου. Η τιμή αυτού πρέπει να αποφασιστεί με βάση τη φύση του φορτίου. Εάν πρόκειται για επαγωγικό φορτίο, τότε συνιστάται πυκνωτής υψηλής αξίας για αντιστατικά φορτία όπως για μικροελεγκτές ή οι περισσότεροι αισθητήρες χαμηλής τιμής πυκνωτής θα λειτουργήσουν. Το μειονέκτημα της χρήσης πυκνωτή υψηλής αξίας είναι το αυξημένο κόστος και επιβραδύνει επίσης το σύστημα. Εδώ έχω χρησιμοποιήσει έναν πυκνωτή τανταλίου 100uF, καθώς οι πυκνωτές τανταλίου είναι καλύτεροι στον έλεγχο κυματισμού από τους κεραμικούς πυκνωτές.

Δίοδος: Η μόνη θεώρηση με τη δίοδο είναι ότι πρέπει να έχει πολύ χαμηλή πτώση τάσης προς τα εμπρός. Είναι γνωστό ότι οι δίοδοι Schottky έχουν χαμηλές πτώσεις τάσης προς τα εμπρός από τις κανονικές διόδους ανορθωτή. Ως εκ τούτου, έχουμε χρησιμοποιήσει τη δίοδο SS14D SMD που έχει πτώση τάσης προς τα εμπρός μικρότερη από 0,2V.

Πυκνωτής εισόδου: Παρόμοιος με τον πυκνωτή εξόδου, ένας πυκνωτής εισόδου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο των τάσεων κυματισμού πριν εισέλθει στο κύκλωμα ενίσχυσης. Αλλά εδώ επειδή χρησιμοποιούμε μπαταρία ως πηγές τάσης, δεν θα χρειαζόμαστε πυκνωτή εισόδου για έλεγχο κυματισμού. Επειδή οι μπαταρίες από τη φύση τους παρέχουν καθαρή τάση DC χωρίς καμία κυματισμό.

Τα άλλα συστατικά είναι απλώς βοηθητικά. Η θήκη μπαταρίας χρησιμοποιείται για τη συγκράτηση του κυττάρου Coin και η θύρα UCB παρέχεται για τη σύνδεση καλωδίων USB απευθείας στη μονάδα ενίσχυσης, ώστε να μπορούμε να τροφοδοτούμε εύκολα κοινές πλακέτες ανάπτυξης όπως Arduino, ESP8266, ESP32 κ.λπ.

Σχεδιασμός και Κατασκευή PCB χρησιμοποιώντας το Easy EDA

Τώρα που το κύκλωμα Coin Cell Boost Converter είναι έτοιμο, είναι καιρός να το κατασκευάσουμε. Δεδομένου ότι όλα τα εξαρτήματα είναι διαθέσιμα μόνο σε πακέτο SMD, έπρεπε να κατασκευάσω ένα PCB για το κύκλωμα μου. Έτσι, όπως πάντα έχουμε χρησιμοποιήσει το διαδικτυακό εργαλείο EDA που ονομάζεται EasyEDA για να κατασκευάσουμε το PCB μας επειδή είναι πολύ βολικό στη χρήση, καθώς διαθέτει μια καλή συλλογή αποτυπώματος και είναι ανοιχτού κώδικα.

Αφού σχεδιάσουμε το PCB, μπορούμε να παραγγείλουμε τα δείγματα PCB από τις υπηρεσίες κατασκευής PCB χαμηλού κόστους. Προσφέρουν επίσης υπηρεσίες προμήθειας συστατικών όπου διαθέτουν μεγάλο απόθεμα ηλεκτρονικών εξαρτημάτων και οι χρήστες μπορούν να παραγγείλουν τα απαιτούμενα συστατικά τους μαζί με την παραγγελία PCB.

Ενώ σχεδιάζετε τα κυκλώματα και τα PCB σας, μπορείτε επίσης να κάνετε τα σχέδια κυκλωμάτων και PCB σας δημόσια, ώστε άλλοι χρήστες να μπορούν να τα αντιγράψουν ή να τα επεξεργαστούν και να επωφεληθούν από την εργασία σας, έχουμε επίσης δημοσιοποιήσει ολόκληρες τις διατάξεις κυκλωμάτων και PCB για αυτό το κύκλωμα, ελέγξτε ο παρακάτω σύνδεσμος:

easyeda.com/CircuitDigest/Single-Cell-Boost-Converter

Μπορείτε να δείτε οποιοδήποτε στρώμα (Top, Bottom, Topsilk, bottomsilk κ.λπ.) του PCB επιλέγοντας το επίπεδο από το παράθυρο «Layers». Πρόσφατα εισήγαγαν επίσης μια επιλογή προβολής 3D, ώστε να μπορείτε επίσης να δείτε το PCB μέτρησης τάσης πολλαπλών κυττάρων, σχετικά με το πώς θα φροντίσει την κατασκευή χρησιμοποιώντας το κουμπί 3D View στο EasyEDA:

Υπολογισμός και παραγγελία δειγμάτων στο διαδίκτυο

Μετά την ολοκλήρωση του σχεδιασμού αυτού του κυκλώματος ενίσχυσης κυψελών 5V, μπορείτε να παραγγείλετε το PCB μέσω του JLCPCB.com. Για να παραγγείλετε το PCB από το JLCPCB, χρειάζεστε το Gerber File. Για να κατεβάσετε αρχεία Gerber του PCB σας απλώς κάντε κλικ στο κουμπί Δημιουργία αρχείου επεξεργασίας στη σελίδα επεξεργασίας EasyEDA και, στη συνέχεια, κατεβάστε το αρχείο Gerber από εκεί ή μπορείτε να κάνετε κλικ στην παραγγελία στο JLCPCB όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Αυτό θα σας ανακατευθύνει στο JLCPCB.com, όπου μπορείτε να επιλέξετε τον αριθμό των PCB που θέλετε να παραγγείλετε, πόσα στρώματα χαλκού χρειάζεστε, το πάχος PCB, το βάρος του χαλκού, ακόμη και το χρώμα PCB, όπως το στιγμιότυπο που φαίνεται παρακάτω. Ένα άλλο καλό νέο είναι ότι τώρα μπορείτε να αποκτήσετε όλα τα έγχρωμα PCB στην ίδια τιμή από την JLCPCB. Αποφάσισα λοιπόν να κάνω το δικό μου σε μαύρο χρώμα μόνο για μια αισθητική εμφάνιση, μπορείτε να επιλέξετε το αγαπημένο σας χρώμα.

Αφού κάνετε κλικ στην παραγγελία στο κουμπί JLCPCB, θα σας μεταφέρει στον ιστότοπο JLCPCB όπου μπορείτε να παραγγείλετε οποιοδήποτε έγχρωμο PCB σε πολύ χαμηλή τιμή που είναι $ 2 για όλα τα χρώματα. Ο χρόνος κατασκευής τους είναι επίσης πολύ μικρότερος, δηλαδή 48 ώρες με παράδοση DHL 3-5 ημερών, βασικά θα λάβετε τα PCB σας εντός μιας εβδομάδας από την παραγγελία. Επιπλέον, προσφέρουν επίσης έκπτωση 20 $ στην αποστολή για την πρώτη παραγγελία σας.

Αφού παραγγείλετε το PCB, μπορείτε να ελέγξετε την πρόοδο παραγωγής του PCB σας με ημερομηνία και ώρα. Μπορείτε να το ελέγξετε μεταβαίνοντας στη σελίδα λογαριασμού και να κάνετε κλικ στο σύνδεσμο "Πρόοδος παραγωγής" κάτω από το PCB, όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα.

Μετά από μερικές ημέρες παραγγελίας PCB, πήρα τα δείγματα PCB σε ωραία συσκευασία, όπως φαίνεται στις παρακάτω εικόνες.

Προετοιμασία του Boost Converter PCB

Όπως μπορείτε να δείτε από τις παραπάνω εικόνες, ο πίνακας ήταν σε πολύ καλή κατάσταση, όλα τα ίχνη και τα σημεία θα ήταν στη θέση τους στο ακριβές απαιτούμενο μέγεθος. Έτσι, προχώρησα στη συγκόλληση όλων των εξαρτημάτων SMD στον πίνακα και στη συνέχεια των διαμέσων οπών. Μέσα σε λίγα λεπτά το PCB μου είναι έτοιμο για δράση. Ο πίνακας μου με όλα τα συγκολλημένα στοιχεία και το κελί νομισμάτων φαίνεται παρακάτω

Ενότητα Booster Cell Coin

Τώρα που η μονάδα μας είναι έτοιμη και ενεργοποιημένη, μπορούμε να ξεκινήσουμε τη δοκιμή. Η ενισχυμένη έξοδος 5V από την πλακέτα μπορεί να ληφθεί είτε από τη θύρα USB είτε μέσω του αρσενικού πείρου κεφαλίδας κοντά της. Χρησιμοποίησα το πολύμετρο για να μετρήσω την τάση εξόδου και όπως μπορείτε να δείτε ήταν κοντά στα 5V. Ως εκ τούτου, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι η μονάδα ενίσχυσης λειτουργεί σωστά.

Αυτή η μονάδα μπορεί τώρα να χρησιμοποιηθεί για την τροφοδοσία πλακέτων μικροελεγκτή ή για την τροφοδοσία άλλων μικρών αισθητήρων ή κυκλωμάτων. Λάβετε υπόψη ότι το μέγιστο ρεύμα που μπορεί να αποδώσει είναι μόνο 200mA, οπότε μην περιμένετε να οδηγεί βαριά φορτία. Ωστόσο, ήμουν ευχαριστημένος με την τροφοδοσία των πινάκων Arduino και των πινάκων ESP με αυτήν τη μικρή και συμπαγή μονάδα. Οι παρακάτω εικόνες δείχνουν τον μετατροπέα ενίσχυσης που τροφοδοτεί τα Arduino και STM.

Ακριβώς όπως και η προηγούμενη μονάδα τροφοδοσίας breadboard, αυτή η μονάδα ενίσχυσης κυψελών νομισμάτων θα προστεθεί επίσης στο απόθεμά μου έτσι ώστε να μπορώ να τα χρησιμοποιήσω σε όλα τα μελλοντικά μου έργα όπου χρειάζομαι μια φορητή συμπαγή πηγή ισχύος. Ελπίζω να σας άρεσε το έργο και να μάθετε κάτι χρήσιμο στη διαδικασία δημιουργίας αυτής της ενότητας. Η πλήρης εργασία βρίσκεται στο παρακάτω βίντεο.

Εάν έχετε κάποιο πρόβλημα να λειτουργήσετε τα πράγματα, μη διστάσετε να τα αφήσετε στην ενότητα σχολίων ή χρησιμοποιήστε τα φόρουμ μας για άλλες τεχνικές ερωτήσεις.