Vienas šūnas pastiprinātāja pārveidotāja shēma, izmantojot monētu elementu - 5v izeja

Bateriju elementi ir visbiežāk izmantotais enerģijas avots, lai darbinātu portatīvo elektroniku. Vai tas būtu vienkāršs modinātājs vai IoT sensora mezgls, vai sarežģīts mobilais tālrunis, visu darbina akumulatori. Vairumā gadījumu šīm portatīvajām ierīcēm jābūt ar nelielu formas faktoru (iepakojuma lielumu), un tāpēc to darbina ar vienas šūnas akumulatoru, piemēram, populāro CR2032 litija elementu vai citiem 3,7 V litija polimēra vai 18650 elementiem. Šīm šūnām ir liela enerģija pēc lieluma, taču kopīgs šo šūnu trūkums ir to darba spriegums. Tipiska litija akumulatora nominālais spriegums ir 3,7 V, taču šis spriegums var pilnībā pazemināties līdz pat 2,8 V, ja tas ir pilnībā iztukšots, un līdz pat 4,2 V, ja tas ir pilnībā uzlādēts, kas nav ļoti vēlams mūsu elektronikas dizainam, kas darbojas vai nu ar regulētu 3.3. V vai 5V kā darba spriegums.

Tas rada nepieciešamību pēc pastiprinātāja pārveidotāja, kas var uzņemt šo mainīgo no 2,8 V līdz 4,2 V kā ieejas spriegumu un regulēt to līdz nemainīgam 3,3 V vai 5 V. Par laimi, lai gan pastāv IC ar nosaukumu BL8530, kas dara tieši to pašu ar ļoti minimāliem ārējiem komponentiem. Tātad šajā projektā mēs izveidosim zemu izmaksu 5V pastiprinātāja shēmu, kas nodrošina pastāvīgu regulētu 5V izejas spriegumu no CR2032 monētu šūnas; Šim pastiprinātāja pārveidotājam mēs izstrādāsim arī kompaktu PCB, lai to varētu izmantot visos mūsu turpmākajos pārnēsājamos projektos. Palielināšanas pārveidotāja maksimālā izejas strāva būs 200mAkas ir pietiekami labs, lai darbinātu pamata mikrokontrollerus un sensorus. Vēl viena šīs shēmas priekšrocība ir tā, ka, ja jūsu projektam 5V vietā ir nepieciešams regulēts 3.3V, to pašu ķēdi var izmantot arī 3.3V regulēšanai, vienkārši nomainot vienu komponentu. Šī shēma var darboties arī kā Power Bank, lai ieslēgtu mazus dēļus, piemēram, Arduino, STM32, MSP430 utt. Mēs iepriekš izveidojām līdzīga veida pastiprinātāja pārveidotāju, izmantojot litija akumulatoru, lai uzlādētu mobilo tālruni.

Nepieciešamie materiāli

• BL8530-5V pastiprinātāja IC (SOT89)
• 47uH induktors (5 mm SMD)
• SS14 diode (SMD)
• 1000uF 16V tantala kondensators (SMD)
• Monētu šūnu turētājs
• USB sieviešu savienotājs

Apsvērumi par vienas šūnas Boost Converter dizainu

Viena šūna Boost pārveidotāja konstrukcijas prasības atšķirsies no parastās palielināšanas pārveidotāja. Tas ir tāpēc, ka šeit enerģijas akumulators (monētu elements) tiek palielināts izejas spriegumā, lai mūsu ierīce darbotos. Tāpēc ir jāuzmanās, lai pastiprinātāja ķēde maksimāli izmantotu akumulatoru ar augstu efektivitāti, lai pēc iespējas ilgāk uzturētu ierīci ieslēgtu. Izvēloties sava dizaina pastiprinātāja IC, varat ņemt vērā šādus četrus parametrus. Jūs varat arī izlasīt rakstu par Boost Regulator Design, lai uzzinātu vairāk par to.

Ieslēgšanas spriegums: Šis ir minimālais nepieciešamais akumulatora ieejas spriegums, lai sāktu darboties pastiprinātāja pārveidotājs. Ieslēdzot pastiprinātāja pārveidotāju, akumulatoram vismaz jāspēj nodrošināt šo palaišanas spriegumu, lai jūsu pastiprinātājs darbotos. Mūsu projektā nepieciešamais palaišanas spriegums ir 0,8 V, kas ir zemāks par pilnīgi izlādētu monētu šūnu spriegumu.

Turēšanas spriegums: Kad ierīce tiek darbināta ar jūsu palielināšanas ķēdi, akumulatora spriegums sāks samazināties, jo tas dod enerģiju. Spriegumu, līdz kuram pastiprinātāja IC uzturēs savu darbību, sauc par turēšanas spriegumu. Zem šī sprieguma IC pārtrauks darbību, un mēs nesaņemsim izejas spriegumu. Ievērojiet, ka turēšanas spriegums vienmēr būs mazāks par palaišanas spriegumu. Tas nozīmē, ka IC būs nepieciešams lielāks spriegums, lai sāktu savu darbību, un darbības laikā tas var iztukšot akumulatoru zem tā. Turēšanas spriegums mūsu ķēdē ir 0,7 V.

Mierīga strāva: strāvas daudzums, ko mūsu pastiprinātāja ķēde velk (iztērē), pat ja izejas pusē nav pievienota slodze, tiek saukta par kluso strāvu. Šai vērtībai jābūt pēc iespējas zemākai, mūsu IC nomierinošās strāvas vērtība ir no 4uA līdz 7uA. Ir ļoti svarīgi, lai šī vērtība būtu zema vai nulle, ja ierīci ilgu laiku negrasās savienot ar slodzi.

Izturība pret ieslēgšanos: visās pastiprinātāja pārveidotāja ķēdēs būs iekļauta komutācijas ierīce, piemēram, MOSFET vai citi FET. Ja mēs izmantojam pārveidotāju IC, šī komutācijas ierīce tiks iegulta IC. Ir svarīgi, lai šim slēdzim būtu ļoti zema pretestība. Piemēram, mūsu projektā IC BL8530 ir iekšējs slēdzis ar ieslēgšanas pretestību 0,4Ω, kas ir pienācīga vērtība. Šī pretestība samazinās spriegumu pāri slēdzim, pamatojoties uz strāvu caur to (Ohma likums), tādējādi samazinot moduļa efektivitāti.

Sprieguma palielināšanai ir daudz veidu, daži no tiem ir parādīti mūsu lādētāju ķēžu sērijā šeit.

Ķēdes shēma

Pilna 5V pastiprinātāja shēmas shēma ir parādīta zemāk, shēmas tika izveidotas, izmantojot EasyEDA.

Kā redzat, ķēdei nepieciešami ļoti minimāli komponenti, jo visu smago darbu velk BL8530 IC. Ir daudzas BL8530 IC versijas, šeit izmantotās “BL8530-50”, kur 50 apzīmē izejas spriegumu 5V. Līdzīgi IC BL8530-33 izejas spriegums būs 3,3 V, tātad, vienkārši nomainot šo IC, mēs varam iegūt nepieciešamo izejas spriegumu. Tirgū ir pieejamas šīs IC 2.5V, 3V, 4.2V, 5V un pat 6V versijas. Šajā apmācībā mēs pievērsīsimies 5V versijai. IC darbībai nepieciešams tikai kondensators, induktors un diode, redzēsim, kā izvēlēties komponentus.

Komponentu atlase

Induktors: Pieejamā induktora vērtības izvēle šai IC ir no 3uH līdz 1mH. Izmantojot augstu induktora vērtību, tiks nodrošināta augsta izejas strāva un augsta efektivitāte. Tomēr negatīvie ir tādi, ka tā darbībai no šūnas ir nepieciešams augsts ieejas spriegums, tāpēc, izmantojot augstu induktora vērtību, pastiprināšanas ķēde var nedarboties, kamēr akumulators nav pilnībā iztukšots. Tāpēc jāizdara kompromiss starp izejas strāvu un minimālo ieejas strāvu ārējā dizainā. Šeit es esmu izmantojis vērtību 47uH, jo man ir vajadzīga liela izejas strāva, jūs varat samazināt šo vērtību, ja jūsu slodzes strāva jūsu dizainam būs mazāka. Ir svarīgi arī izvēlēties induktoru ar zemu ESR vērtību, lai jūsu konstrukcija būtu efektīva.

Izejas kondensators: kondensatora pieļaujamā vērtība ir no 47uF līdz 220uF. Šī izejas kondensatora funkcija ir izejas pulsāciju filtrēšana. Par tā vērtību būtu jāizlemj, pamatojoties uz slodzes raksturu. Ja tā ir induktīva slodze, lieljaudas kondensators ir ieteicams pretestības slodzēm, piemēram, mikrokontrolleriem vai lielākajai daļai sensoru darbosies mazvērtīgs kondensators. Augstas vērtības kondensatora izmantošanas trūkums ir palielinātas izmaksas, un tas arī palēnina sistēmas darbību. Šeit es esmu izmantojis 100uF tantala kondensatoru, jo tantala kondensatori pulsācijas kontrolē ir labāki nekā keramikas kondensatori.

Diode: Vienīgais apsvērums attiecībā uz diode ir tas, ka tam vajadzētu būt ļoti zemam sprieguma kritumam uz priekšu. Ir zināms, ka Schottky diodēm ir mazs sprieguma kritums uz priekšu nekā parastajām taisngriežu diodēm. Tāpēc mēs esam izmantojuši SS14D SMD diode, kuras spriegums uz priekšu ir mazāks par 0,2 V.

Ieejas kondensators: Līdzīgi kā izejas kondensatoram, ieejas kondensatoru var izmantot, lai kontrolētu pulsācijas spriegumus pirms ieiešanas pastiprināšanas ķēdē. Bet šeit, tā kā mēs izmantojam akumulatoru kā mūsu sprieguma avotus, pulsācijas kontrolei mums nebūs vajadzīgs ieejas kondensators. Tā kā baterijas pēc būtības nodrošina tīru līdzstrāvas spriegumu bez to viļņošanās.

Pārējās sastāvdaļas ir tikai palīgelementi. Akumulatora turētājs tiek izmantots monētu šūnas turēšanai, un UCB ports ir paredzēts USB kabeļu pievienošanai tieši mūsu palielināšanas modulim, lai mēs varētu viegli darbināt kopīgas izstrādes plāksnes, piemēram, Arduino, ESP8266, ESP32 utt.

PCB dizains un izgatavošana, izmantojot Easy EDA

Tagad, kad Coin Cell Boost Converter ķēde ir gatava, ir pienācis laiks to izgatavot. Tā kā visi šeit esošie komponenti ir pieejami tikai SMD iepakojumā, man vajadzēja izgatavot PCB savai shēmai. Tātad, kā vienmēr, mēs esam izmantojuši tiešsaistes EDA rīku, ko sauc par EasyEDA, lai izgatavotu mūsu PCB, jo tas ir ļoti ērti lietojams, jo tam ir laba pēdu kolekcija un tas ir atvērtā koda.

Pēc PCB projektēšanas mēs varam pasūtīt PCB paraugus, izmantojot to zemo izmaksu PCB ražošanas pakalpojumus. Viņi piedāvā arī komponentu iegādes pakalpojumus, kur viņiem ir liels elektronisko komponentu krājums un lietotāji var pasūtīt nepieciešamās sastāvdaļas kopā ar PCB pasūtījumu.

Veidojot ķēdes un PCB, jūs varat arī padarīt savu shēmu un PCB dizainu publisku, lai citi lietotāji tos varētu kopēt vai rediģēt un gūt labumu no jūsu darba. Mēs esam arī padarījuši visus mūsu shēmas un PCB izkārtojumus publiski pieejamus šai shēmai, pārbaudiet šī saite:

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

Jūs varat apskatīt jebkuru PCB slāni (augšējo, apakšējo, augšējo pienu, pudeļu pienu utt.), Atlasot slāni no loga “Slāņi”. Nesen viņi ir ieviesuši arī 3D skata iespēju, lai jūs varētu apskatīt arī daudzšūnu sprieguma mērīšanas PCB, kā tas izskatīsies pēc izgatavošanas, izmantojot EasyEDA pogu 3D skats:

Paraugu aprēķināšana un pasūtīšana tiešsaistē

Pēc šīs 5V monētu šūnu pastiprinātāja shēmas dizaina pabeigšanas jūs varat pasūtīt PCB caur JLCPCB.com. Lai pasūtītu PCB no JLCPCB, jums ir nepieciešama Gerber File. Lai lejupielādētu Gerber failus no sava PCB, vienkārši noklikšķiniet uz pogas Ģenerēt izgatavošanas failu EasyEDA redaktora lapā, pēc tam lejupielādējiet Gerber failu no turienes vai varat noklikšķināt uz Pasūtīt pie JLCPCB, kā parādīts zemāk esošajā attēlā. Tas novirzīs jūs uz vietni JLCPCB.com, kur jūs varat izvēlēties pasūtāmo PCB skaitu, nepieciešamo vara slāņu skaitu, PCB biezumu, vara svaru un pat PCB krāsu, piemēram, zemāk parādīto momentuzņēmumu. Vēl viena laba ziņa ir tā, ka tagad jūs varat saņemt visus krāsu PCB par tādu pašu cenu no JLCPCB. Tāpēc es nolēmu iegūt manējo melnā krāsā tikai estētiska izskata dēļ, un jūs varat izvēlēties savu iecienītāko krāsu.

Pēc noklikšķināšanas uz pogas JLCPCB, jūs aizvedīsit uz JLCPCB vietni, kur jūs varat pasūtīt jebkuru krāsu PCB ar ļoti zemu likmi, kas ir 2 USD par visām krāsām. Viņu būvēšanas laiks ir arī ļoti mazāks, tas ir 48 stundas ar DHL piegādi 3-5 dienas, būtībā jūs saņemsiet savus PCB nedēļas laikā pēc pasūtīšanas. Turklāt viņi piedāvā arī 20 ASV dolāru atlaidi piegādei jūsu pirmajam pasūtījumam.

Pēc PCB pasūtīšanas jūs varat pārbaudīt sava PCB ražošanas progresu ar datumu un laiku. Jūs to pārbaudāt, dodoties uz konta lapu un zem PCB noklikšķiniet uz saites "Ražošanas progress", kā parādīts zemāk esošajā attēlā.

Pēc dažām PCB pasūtīšanas dienām es dabūju PCB paraugus jaukā iepakojumā, kā parādīts zemāk esošajos attēlos.

Sagatavošanās Boost Converter PCB

Kā redzams no iepriekšminētajiem attēliem, dēlis bija ļoti labā formā, un visi pēdas un caurumi būs izvietoti precīzi vajadzīgajā izmērā. Tātad, es turpināju lodēt visus SMD komponentus uz kuģa un pēc tam caur caurumus. Dažu minūšu laikā mana PCB ir gatava darbībai. Mana tāfele ar visiem lodētajiem komponentiem un monētas šūnu ir parādīta zemāk

Monētu šūnu pastiprinātāja moduļa pārbaude

Tagad, kad mūsu modulis ir iestatīts un darbojas, mēs varam sākt to testēt. Paaugstināto 5V izeju no plates var iegūt vai nu no USB porta, vai arī, ja tā tuvumā atrodas vīriešu galvenes tapa. Es izmantoju savu multimetru izejas sprieguma mērīšanai, un, kā redzat, tas bija tuvu 5 V. Tādējādi mēs varam secināt, ka mūsu palielināšanas modulis darbojas pareizi.

Šo moduli tagad var izmantot, lai darbinātu mikrokontrolleru plates vai darbinātu citus mazus sensorus vai shēmas. Paturiet prātā, ka maksimālā strāva, ko tā var piegādāt, ir tikai 200 mA, tāpēc negaidiet, ka tā vadīs lielas slodzes. Tomēr es biju apmierināts ar savu Arduino un ESP dēļu barošanu ar šo mazo un kompakto moduli. Zemāk redzamajos attēlos parādīts pastiprinātāja pārveidotājs, kas darbina Arduino un STM.

Tāpat kā iepriekšējais paneļa barošanas modulis, arī šis monētu elementu pastiprinātāja modulis tiks pievienots manam sarakstam, lai es tos varētu izmantot visos savos turpmākajos projektos, kur vien nepieciešams portatīvs kompakts enerģijas avots. Ceru, ka jums patika projekts un uzzinājāt kaut ko noderīgu šī moduļa izveidošanas procesā. Pilnīgu darbu var atrast zemāk esošajā videoklipā.

Ja jums ir kādas problēmas, lai lietas darbotos, nekautrējieties tās nomest komentāru sadaļā vai izmantot mūsu forumus citiem tehniskiem jautājumiem.