Схема на преобразувател с единична клетка, използваща монета клетка - 5v изход

Батерийните клетки са най-често използваният източник на енергия за захранване на преносима електроника. Независимо дали става въпрос за обикновен будилник или възел на IoT сензор или сложен мобилен телефон, всичко се захранва от батерии. В повечето случаи тези преносими устройства трябва да имат малък форм-фактор (размер на опаковката) и следователно се захранват от едноклетъчна батерия, като популярната литиева клетка CR2032 или другите 3.7V литиев полимер или 18650 клетки. Тези клетки се опаковат във висока енергия за размера си, но често срещан недостатък на тези клетки е работното им напрежение. Типичната литиева батерия има номинално напрежение от 3,7 V, но това напрежение може да спадне до 2,8 V при пълно източване и до 4,2 V при пълно зареждане, което не е много желателно за нашите електронни конструкции, които работят или с регулирани 3,3 V или 5V като работно напрежение.

Това води до необходимост от усилващ преобразувател, който може да приеме тази променлива 2.8V до 4.2V като входно напрежение и да го регулира до постоянна 3.3V или 5V. За щастие обаче има интегрална схема, наречена BL8530, която прави абсолютно същото с много минимални външни компоненти. И така, в този проект ще изградим евтина усилвателна верига от 5V, която осигурява постоянно регулирано изходно напрежение от 5V от клетка за монети CR2032; ние също ще проектираме компактна печатна платка за този усилващ преобразувател, така че да може да се използва във всички наши бъдещи преносими проекти. Максималният изходен ток на усилващия преобразувател ще бъде 200mAкоето е достатъчно добро за захранване на основни микроконтролери и сензори. Друго предимство на тази схема е, че ако вашият проект изисква регулирано 3.3V вместо 5V, същата верига може да се използва и за регулиране на 3.3V, като просто замените един компонент. Тази схема може да работи и като Power Bank за захранване на малки платки като Arduino, STM32, MSP430 и др. Преди това изградихме подобен тип усилващ преобразувател, използвайки литиева батерия за зареждане на мобилен телефон.

Необходими материали

BL8530-5V бустер IC (SOT89)
Индуктор 47uH (5 mm SMD)
SS14 диод (SMD)
1000uF 16V танталов кондензатор (SMD)
Държач на монетни клетки
USB женски конектор

Съображения за проектиране на преобразувател на единични клетки

Изискванията за проектиране на преобразувател за едноклетъчно усилване ще се различават от тези на обикновения усилвател. Това е така, защото тук енергията от батерия (клетка на монета) се увеличава до изходно напрежение, за да работи нашето устройство. Затова трябва да се внимава усилвателната верига да използва максимума на батерията с висока ефективност, за да поддържа устройството включено възможно най-дълго. Когато избирате бустер IC за вашите проекти, можете да вземете предвид следните четири параметъра. Можете също да прочетете статията за Boost Regulator Design, за да научите повече за това.

Пусково напрежение: Това е минимално необходимото входно напрежение от батерията, за да започне да работи усилвателният преобразувател. Когато включите усилващия преобразувател, батерията трябва поне да може да осигури това пусково напрежение, за да може вашият бустер да работи. В нашия дизайн необходимото пусково напрежение е 0,8 V, което е под всяко напълно разредено напрежение на монетна клетка.

Задържано напрежение: След като устройството се захрани с вашата усилваща верига, напрежението на батерията ще започне да намалява, тъй като издава захранване. Напрежението, до което бустерната интегрална схема ще поддържа своята производителност, се нарича задържащо напрежение. Под това напрежение IC ще спре да функционира и няма да получим изходно напрежение. Имайте предвид, че задържащото напрежение винаги ще бъде по-малко от пусковото напрежение. Това означава, че интегралната схема ще изисква повече напрежение, за да започне своята работа и по време на нейното работещо състояние може да изтощи батерията по-долу. Задържащото напрежение в нашата верига е 0.7V.

Ток в покой: Количеството ток, което нашата усилвателна верига изтегля (изхабява), дори когато на изходната страна не е свързан товар, се нарича поток на покой. Тази стойност трябва да бъде възможно най-ниска, за нашата IC стойността на тока в покой е между 4uA до 7uA. Много е важно тази стойност да е ниска или нула, ако устройството няма да бъде свързано за зареждане за дълго време.

Съпротивление при включване : Всички схеми на усилващия преобразувател ще включват превключващо устройство като MOSFET или други полеви транзистори в него. Ако използваме преобразувател IC, това превключващо устройство ще бъде вградено вътре в IC. Важно е този превключвател да има много ниско съпротивление. Например в нашия дизайн тук, IC BL8530 има вътрешен превключвател с съпротивление при включване от 0,4Ω, което е прилична стойност. Това съпротивление ще понижи напрежение на превключвателя въз основа на тока през него (закон на Ома), като по този начин ще намали ефективността на модула.

Има много начини за повишаване на напрежението, някои от тях са демонстрирани в нашата серия зарядни схеми тук.

Електрическа схема

Пълната схема на веригата за усилвателна верига 5V е показана по-долу, схемите са изчертани с помощта на EasyEDA.

Както можете да видите, схемата изисква много минимални компоненти, тъй като цялата упорита работа се дърпа от BL8530 IC. Има много версии на BL8530 IC, използваната тук “BL8530-50”, където 50 представлява изходното напрежение 5V. По същия начин IC BL8530-33 ще има изходно напрежение 3.3V, следователно само като замените този IC, можем да получим необходимото изходно напрежение. На пазара се предлага версия 2.5V, 3V, 4.2V, 5V и дори 6V на тази интегрална схема. В този урок ще се спрем на 5V версията. IC изисква само кондензатор, индуктор и диод, за да работи, нека видим как да изберем компонентите.

Избор на компоненти

Индуктор: Наличният избор на стойност на индуктора за този IC е от 3uH до 1mH. Използването на висока стойност на индуктора ще осигури висок изходен ток и висока ефективност. Недостатъкът обаче е, че той изисква високо входно напрежение от клетката, за да работи, така че използването на висока стойност на индуктора може да не накара усилващата верига да работи, докато батерията не се изтощи напълно. Следователно трябва да се направи компромис между изходния ток и минималния входен ток при външен дизайн. Тук използвах стойност от 47uH, тъй като се нуждая от висок изходен ток, можете да намалите тази стойност, ако вашият ток на натоварване ще бъде по-малък за вашия дизайн. Също така е важно да изберете индуктор с ниска стойност на ESR за висока ефективност на вашия дизайн.

Изходен кондензатор: Допустимата стойност на кондензатора е от 47uF до 220uF. Функцията на този изходен кондензатор е да филтрира изходните вълни. Стойността на това трябва да се определя въз основа на естеството на товара. Ако това е индуктивен товар, тогава се препоръчва кондензатор с висока стойност за резистивни натоварвания, като например за микроконтролери или повечето сензори, кондензаторът с ниска стойност ще работи. Недостатъкът на използването на кондензатор с висока стойност е повишената цена и това също забавя системата. Тук съм използвал 100uF танталов кондензатор, тъй като танталовите кондензатори са по-добри в управлението на пулсации от керамичните кондензатори.

Диод: Единственото съображение с диода е, че той трябва да има много нисък спад на напрежението напред. Известно е, че диодите на Шотки имат ниски спадове на напрежение напред от нормалните изправителни диоди. Следователно ние използваме SS14D SMD диод, който има спад на напрежението по-малко от 0.2V.

Входен кондензатор: Подобно на изходния кондензатор, входящият кондензатор може да се използва за управление на пулсационните напрежения преди влизане в усилващата верига. Но тук, тъй като използваме батерия като източник на напрежение, няма да имаме нужда от входящ кондензатор за контрол на пулсациите. Тъй като батериите по природа осигуряват чисто DC напрежение, без да има пулсации в тях.

Другите компоненти са само спомагателни. Държачът на батерията се използва за задържане на клетката на монети, а портът UCB е осигурен за свързване на USB кабели директно към нашия усилващ модул, за да можем лесно да захранваме често срещани платки за развитие като Arduino, ESP8266, ESP32 и т.н.

Проектиране и изработка на печатни платки с помощта на Easy EDA

Сега, когато схемата за преобразуване на усилватели на монети е готова, е време да я изфабрикуваме. Тъй като всички компоненти тук са достъпни само в SMD пакет, трябваше да изработя платка за моята схема. Така че, както винаги, използвахме онлайн инструмента за EDA, наречен EasyEDA, за да произведем нашата PCB, защото е много удобен за използване, тъй като има добра колекция от отпечатъци и е с отворен код.

След проектирането на печатни платки, ние можем да поръчаме пробите на печатни платки чрез техните евтини услуги за производство на печатни платки. Те също така предлагат услуга за снабдяване с компоненти, където имат голям запас от електронни компоненти и потребителите могат да поръчат необходимите им компоненти заедно с поръчката на печатни платки.

Докато проектирате вашите схеми и печатни платки, можете също така да направите вашите схеми и печатни платки публични, така че другите потребители да могат да ги копират или редактират и да се възползват от вашата работа, ние също направихме цялата ни схема на платки и печатни платки публична за тази схема, проверете връзката по-долу:

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

Можете да видите всеки слой (Top, Bottom, Topsilk, bottomomsilk и т.н.) на печатната платка, като изберете слоя от прозореца „Layers“. Наскоро те също така въведоха опция за 3D изглед, така че можете също да разгледате печатната платка за измерване на напрежението на Multicell, за това как ще изглежда след производството, като използвате бутона 3D View в EasyEDA:

Изчисляване и поръчване на проби онлайн

След като завършите дизайна на тази верига за усилване на клетъчни монети от 5V, можете да поръчате печатната платка чрез JLCPCB.com. За да поръчате печатната платка от JLCPCB, ви е необходим Gerber File. За да изтеглите Gerber файлове от вашата PCB, просто щракнете върху бутона Generate Fabrication File на страницата на редактора EasyEDA, след това изтеглете Gerber файла от там или можете да кликнете върху Order в JLCPCB, както е показано на изображението по-долу. Това ще ви пренасочи към JLCPCB.com, където можете да изберете броя на печатни платки, които искате да поръчате, колко медни слоя ви трябват, дебелината на печатната платка, теглото на медта и дори цвета на печатната платка, като снимката, показана по-долу. Друга добра новина е, че сега можете да получите всички цветни печатни платки на една и съща цена от JLCPCB. Затова реших да взема моята в черен цвят само за някакъв естетичен вид, можете да изберете любимия си цвят.

След като щракнете върху поръчка в бутона JLCPCB, ще ви отведе до уебсайта на JLCPCB, където можете да поръчате всякакви цветни печатни платки на много ниска цена, която е 2 $ за всички цветове. Времето им за изграждане също е много по-малко, което е 48 часа с DHL доставка от 3-5 дни, като основно ще получите вашите печатни платки в рамките на една седмица след поръчката. Освен това те предлагат отстъпка от 20 щ.д. за доставка за първата ви поръчка.

След като поръчате печатната платка, можете да проверите производствения напредък на вашата печатна платка с дата и час. Можете да го проверите, като отидете на страницата на акаунта и кликнете върху връзката "Производствен ход" под печатната платка, както е показано на изображението по-долу.

След няколко дни поръчка на печатни платки взех пробите на печатни платки в хубава опаковка, както е показано на снимките по-долу.

Подготовка на печатната платка на Boost Converter

Както можете да видите от горните изображения, дъската беше в много добра форма, така че всички отпечатъци и отвори да са на мястото си с точно необходимия размер. И така, пристъпих към запояване на всички SMD компоненти на платката, а след това и на проходните. След минути моята печатна платка е готова за действие. Моята дъска с всички запоени компоненти и клетката за монети е показана по-долу

Тестване на модул за усилване на монетни клетки

Сега, когато модулът ни е настроен и работи, можем да започнем да го тестваме. Усиленият 5V изход от платката може да бъде получен от USB порта или от мъжкия щифт на заглавката близо до него. Използвах мултиметъра си за измерване на изходното напрежение и както виждате беше близо до 5V. Оттук можем да заключим, че нашият усилващ модул работи правилно.

Този модул вече може да се използва за захранване на платки на микроконтролера или за захранване на други малки сензори или вериги. Имайте предвид, че максималният ток, който може да достави, е само 200mA, така че не очаквайте да кара големи натоварвания. Въпреки това бях доволен от захранването на своите Arduino платки и ESP платки с този малък и компактен модул. Долните изображения показват усилващ преобразувател, захранващ Arduino и STM.

Подобно на предишния модул за захранване, този модул за усилване на клетки с монети също ще бъде добавен към инвентара ми, за да мога да ги използвам във всичките си бъдещи проекти навсякъде, където имам нужда от преносим компактен източник на захранване. Надявам се, че проектът ви е харесал и сте научили нещо полезно в процеса на изграждане на този модул. Цялата работа може да бъде намерена във видеото, свързано по-долу.

Ако имате някакъв проблем да накарате нещата да работят, не се колебайте да ги пуснете в раздела за коментари или използвайте форумите ни за други технически въпроси.