מעגל ממיר להגברת תא בודד באמצעות תא מטבע - פלט 5 וולט

תאי סוללה הם מקור האנרגיה הנפוץ ביותר להפעלת אלקטרוניקה ניידת. בין אם זה שעון מעורר פשוט או צומת חיישני IoT או טלפון נייד מורכב הכל מופעל על ידי סוללות. ברוב המקרים למכשירים הניידים הללו צריך להיות גורם צורה קטן (גודל חבילה) ולכן הוא מופעל על ידי סוללת תאים בודדת, כמו תא ליתיום CR2032 הפופולרי או פולימר ליתיום 3.7V אחר או 18650 תאים. תאים אלה אורזים אנרגיה גבוהה בגודל שלהם, אך חסרון שכיח בתאים אלה הוא במתח ההפעלה שלו. סוללת ליתיום טיפוסית כוללת מתח נומינלי של 3.7 וולט, אך מתח זה יכול לרדת עד 2.8 וולט כשהוא מרוקן לחלוטין וגובהו 4.2 וולט כשהוא טעון במלואו, דבר שאינו רצוי במיוחד בעיצובי האלקטרוניקה שלנו שעובדים עם 3.3 מוסדר. V או 5V כמתח הפעלה.

זה מביא את הצורך בממיר דחיפה שיכול להכניס משתנה זה 2.8V ל 4.2V כמתח כניסה ולווסת אותו ל -3.3 V או 5V קבועים. למרבה המזל למרות שקיים מכשיר IC שנקרא BL8530 שעושה בדיוק את אותו הדבר עם רכיבים חיצוניים מינימליים ביותר. לכן, בפרויקט זה נבנה מעגל מאיץ 5V בעלות נמוכה המספק מתח יציאה מוסדר קבוע של 5V מתא תא מטבע CR2032; אנו נעצב גם PCB קומפקטי לממיר דחיפה זה, כך שניתן יהיה להשתמש בו בכל הפרויקטים הניידים העתידיים שלנו. זרם היציאה המרבי של ממיר הדחיפה יהיה 200mAשהוא מספיק טוב להפעלת מיקרו-בקרים וחיישנים בסיסיים. יתרון נוסף במעגל זה הוא שאם הפרויקט שלכם דורש 3.3V מוסדר במקום 5V, ניתן להשתמש באותו מעגל גם לוויסות 3.3V על ידי החלפת רכיב אחד בלבד. מעגל זה יכול לעבוד גם כ- Power Bank להפעלת לוחות קטנים כמו Arduino, STM32, MSP430 וכו '. בעבר בנינו ממיר דחף מסוג דומה באמצעות סוללת ליתיום להטענת טלפון נייד.

חומרים נדרשים

• BL8530-5V Booster IC (SOT89)
• משרן 47uH (SMD 5 מ"מ)
• דיודת SS14 (SMD)
• קבל טנטלום 16u 1000VF (SMD)
• בעל תא מטבעות
• מחבר USB נקבה

שיקולי תכנון ממיר של תא בודד

דרישות התכנון של ממיר Boost תא בודד יהיו שונות מזו של ממיר דחיפה רגיל. הסיבה לכך היא שכאן האנרגיה מסוללה (תא מטבע) מועברת למתח יציאה כדי שהמכשיר שלנו יעבוד. לכן יש לשים לב שמעגל המאיץ מנצל את מקסימום הסוללה ביעילות גבוהה כדי לשמור על הפעלת המכשיר זמן רב ככל האפשר. בבחירת ה- IC המאיץ עבור העיצובים שלך תוכל לשקול את ארבעת הפרמטרים הבאים. אתה יכול גם לקרוא את המאמר על Boost Regulator Design כדי לדעת יותר עליו.

מתח הפעלה: זהו מתח הכניסה המינימלי הנדרש מהסוללה כדי שממיר הדחיפה יתחיל לפעול. כאשר אתה מפעיל את ממיר הדחיפה, הסוללה אמורה להיות מסוגלת לספק את מתח ההפעלה הזה כדי שהמאיץ שלך יעבוד. בתכנון שלנו מתח ההפעלה הנדרש הוא 0.8 וולט הנמצא מתחת לכל מתח תא מטבע משוחרר לחלוטין.

מתח המתנה: ברגע שהמכשיר מופעל באמצעות מעגל הדחיפה שלך מתח הסוללה יתחיל לרדת מכיוון שהוא נותן חשמל. המתח שאליו מחזיק IC מאיץ את ביצועיו נקרא מתח המתנה. מתחת למתח זה ה- IC יפסיק לתפקד ולא נקבל מתח יציאה. שים לב שמתח המתנה תמיד יהיה פחות ממתח ההפעלה. כלומר ה- IC ידרוש מתח רב יותר בכדי להתחיל את פעולתו ובמצב ההפעלה שלו הוא יכול לנקז את הסוללה מתחת לזה. מתח ההמתנה במעגל שלנו הוא 0.7 וולט.

זרם שקט: כמות הזרם שמעגל המאיץ שלנו שואב (מבזבז) גם כאשר לא מחובר עומס בצד הפלט נקרא כזרם שקט. ערך זה צריך להיות נמוך ככל האפשר, עבור ה- IC שלנו ערך הזרם השקט הוא בין 4uA ל- 7uA. חשוב מאוד שיהיה ערך זה נמוך או אפס אם המכשיר לא יחובר לטעינה במשך זמן רב.

התנגדות: כל מעגל ממיר הדחיפה יכלול מכשיר מיתוג כמו MOSFET או FET אחרים בו. אם אנו משתמשים בממיר IC אז מכשיר המיתוג הזה יוטמע בתוך ה- IC. חשוב שהמתג הזה יהיה בעל התנגדות נמוכה מאוד. לדוגמא בתכנון שלנו כאן, ל- IC BL8530 יש מתג פנימי עם התנגדות הפעלה של 0.4Ω שזה ערך הגון. התנגדות זו תוריד מתח על פני המתג בהתבסס על הזרם דרכו (חוק אוהם) ובכך תפחית את יעילות המודול.

ישנן דרכים רבות להעלות את המתח, חלקן מודגמות בסדרת מעגלי המטענים שלנו כאן.

תרשים מעגל

תרשים המעגל השלם למעגל המאיץ 5V מוצג להלן, התרשימות שורטטו באמצעות EasyEDA.

כפי שאתה יכול לראות המעגל דורש רכיבים מינימליים ביותר מכיוון שכל העבודה הקשה נמשכת על ידי ה- BL8530 IC. ישנן גרסאות רבות של BL8530 IC, זו המשמשת כאן "BL8530-50" כאשר 50 מייצג את מתח המוצא 5V. באופן דומה ל- IC BL8530-33 יהיה מתח יציאה של 3.3V ולכן רק על ידי החלפת IC זה נוכל להשיג את מתח המוצא הנדרש. קיימות בשוק גרסאות 2.5V, 3V, 4.2V, 5V ואפילו 6V של IC זה. במדריך זה נתמקד בגרסת 5V. ה- IC דורש לפעול רק קבלים, משרנים ודיודות יחד איתו, בואו נראה כיצד לבחור את הרכיבים.

מבחר רכיבים

משרן: הבחירה הזמינה של ערך המשרן עבור IC זה היא צורה 3uH עד 1mH. שימוש בערך גבוה של משרן יספק זרם תפוקה גבוה ויעילות גבוהה. עם זאת החיסרון הוא שהוא דורש מתח כניסה גבוה מהתא כדי לפעול, כך ששימוש בערך משרן גבוה עלול שלא לגרום למעגל הדחיפה לעבוד עד שהסוללה מתרוקנת לחלוטין. לפיכך יש לבצע התאמה בין זרם פלט לזרם קלט מינימלי בתכנון החוצה. כאן השתמשתי בערך 47uH מכיוון שאני זקוק לזרם פלט גבוה, אתה יכול להפחית ערך זה אם זרם העומס שלך יהיה פחות עבור העיצוב שלך. חשוב גם לבחור משרן עם ערך ESR נמוך ליעילות גבוהה של העיצוב שלך.

קבל פלט: הערך המותר של הקבל הוא מ 47uF ל 220uF. תפקידו של קבל פלט זה לסנן אדוות פלט. יש להחליט על ערך זה על פי אופי העומס. אם מדובר בעומס אינדוקטיבי, מומלץ לקבל קבלים בעלי ערך גבוה לעומסי התנגדות כמו עבור מיקרו-בקרים או שרוב החיישנים קבלים בעלי ערך נמוך. החיסרון בשימוש בקבלים בעלי ערך גבוה הוא עלות מוגברת וזה גם מאט את המערכת. הנה השתמשתי בקבל טנטלום של 100uF, מכיוון שקבלים של טנטלום טובים יותר בשליטה באדווה מאשר בקבלים קרמיים.

דיודה: השיקול היחיד עם דיודה הוא שהיא צריכה להיות עם ירידת מתח נמוכה מאוד קדימה. ידוע שדיודות שוטקי מפלות מתח נמוך יותר מאשר דיודות מיישר רגילות. לפיכך השתמשנו בדיודת SMD SS14D שיש בה ירידת מתח קדימה פחות מ- 0.2 וולט.

קבל כניסה: בדומה לקבל המוצא, ניתן להשתמש בקבל כניסה לשליטה במתחי האדווה לפני הכניסה למעגל הדחיפה. אבל מכיוון שאנחנו משתמשים בסוללה כמקורות המתח שלנו, לא נצטרך קבל כניסה לבקרת אדווה. מכיוון שסוללות מטבען מספקות מתח DC טהור ללא שום אדווה בהן.

שאר המרכיבים הם רק עזר. בעל הסוללה משמש להחזקת תא המטבעות ויציאת UCB מסופקת לחיבור כבלים מסוג USB ישירות למודול הדחיפה שלנו, כך שנוכל להפעיל בקלות לוחות פיתוח נפוצים כמו Arduino, ESP8266, ESP32 וכו '.

תכנון וייצור PCB באמצעות EDA קל

עכשיו, כאשר מעגל ממיר Boost Cell Coin מוכן, הגיע הזמן לייצר אותו. מכיוון שכל הרכיבים כאן זמינים רק בחבילה SMD הייתי צריך לייצר PCB למעגל שלי. לכן, כמו תמיד השתמשנו בכלי ה- EDA המקוון שנקרא EasyEDA כדי לייצר את ה- PCB שלנו מכיוון שהוא נוח מאוד לשימוש מכיוון שיש בו אוסף טוב של טביעות רגל והוא קוד פתוח.

לאחר תכנון ה- PCB, אנו יכולים להזמין את דגימות ה- PCB על ידי שירותי ייצור PCB בעלות נמוכה. הם מציעים גם שירות מקורות רכיבים כאשר יש להם מלאי גדול של רכיבים אלקטרוניים ומשתמשים יכולים להזמין את הרכיבים הנדרשים שלהם יחד עם הזמנת ה- PCB.

תוך כדי תכנון המעגלים וה- PCB שלך, אתה יכול גם להפוך את המעגלים והעיצובי שלך ל- PCB לציבוריים, כך שמשתמשים אחרים יוכלו להעתיק או לערוך אותם ויכולים להפיק תועלת מהעבודה שלך, הפכנו גם את כל פריסות המעגל וה- PCB לציבוריות למעגל זה, בדוק הקישור למטה:

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

באפשרותך להציג כל שכבה (עליונה, תחתונה, עלי טופס, שמן תחתון וכו ') של ה- PCB על ידי בחירת השכבה מחלון' שכבות '. לאחרונה הם גם הציגו אפשרות תצוגה תלת-ממדית, כך שתוכלו גם להציג את ה- PCB למדידת מתח רב-תאי, כיצד הוא ייראה לאחר ייצור באמצעות כפתור התצוגה התלת - ממדית ב- EasyEDA:

חישוב והזמנת דוגמאות באופן מקוון

לאחר השלמת התכנון של מעגל מאיץ תא 5 מטבע זה, ניתן להזמין את המעגל באמצעות JLCPCB.com. כדי להזמין את ה- PCB מ- JLCPCB, אתה זקוק ל- Gerber File. כדי להוריד קבצי גרבר של ה- PCB שלך פשוט לחץ על הלחצן צור קובץ ייצור בדף העורך של EasyEDA ואז הורד את קובץ הגרבר משם או לחץ על הזמנה ב- JLCPCB כפי שמוצג בתמונה למטה. פעולה זו תפנה אותך אל JLCPCB.com, שם תוכל לבחור את מספר PCB שאתה רוצה להזמין, כמה שכבות נחושת אתה צריך, עובי PCB, משקל נחושת ואפילו צבע PCB, כמו תמונת המצב המוצגת להלן. חדשות טובות נוספות הן שכעת ניתן להשיג את כל לוחות ה- PCB הצבעוניים באותו מחיר מ- JLCPCB. אז החלטתי לקבל את שלי בצבע שחור רק בשביל מראה אסתטי כלשהו, ​​תוכלו לבחור את הצבע האהוב עליכם.

לאחר לחיצה על ההזמנה בכפתור JLCPCB, זה ייקח אתכם לאתר JLCPCB שם תוכלו להזמין כל PCB צבעוני בתעריף נמוך מאוד שהוא 2 $ לכל הצבעים. זמן הבנייה שלהם הוא גם פחות, כלומר 48 שעות עם אספקת DHL של 3-5 ימים, בעיקרון תקבלו את ה- PCB שלכם תוך שבוע מרגע ההזמנה. יתר על כן, הם מציעים גם הנחה של 20 $ על המשלוח להזמנה הראשונה שלך.

לאחר הזמנת ה- PCB, תוכל לבדוק את התקדמות הייצור של ה- PCB שלך עם תאריך ושעה. אתה בודק את זה על ידי מעבר לדף החשבון ולחץ על הקישור "התקדמות ייצור" תחת ה- PCB כמו שמוצג בתמונה למטה.

לאחר מספר ימים של הזמנת PCB קיבלתי את דגימות ה- PCB באריזה יפה כפי שמוצג בתמונות למטה.

הכנת PCB ממיר Boost

כפי שניתן לראות מהתמונות לעיל הלוח היה במצב טוב מאוד, כל העקבות והוויות יהיו במקום הנדרש בדיוק. אז המשכתי להלחין את כל רכיבי ה- SMD על הלוח ואז את החלקים דרך החור. בתוך דקות ה- PCB שלי מוכן לפעולה. הלוח שלי עם כל הרכיבים מולחמים ותא המטבע מוצג למטה

בדיקת מודול מאיץ תא מטבעות

כעת, לאחר שהמודול שלנו מוכן ומופעל, אנו יכולים להתחיל לבדוק אותו. את הפלט המוגבר של 5 וולט מהלוח ניתן להשיג מיציאת ה- USB או מכיוון שסיכת הכותרת הגברית בסמוך אליו. השתמשתי במולטימטר שלי כדי למדוד את מתח המוצא וכפי שאתה יכול לראות זה היה קרוב ל -5 V. מכאן אנו יכולים להסיק כי מודול הדחיפה שלנו פועל כהלכה.

כעת ניתן להשתמש במודול זה להפעלת לוחות מיקרו-בקר או להפעלת חיישנים או מעגלים קטנים אחרים. זכור כי הזרם המקסימלי שהוא יכול לספק הוא 200mA בלבד ולכן אל תצפה שהוא יניע עומסים כבדים. עם זאת הייתי מרוצה מהפעלת לוחות הארדואינו שלי ולוחות ה- ESP עם המודול הקטן והקומפקטי הזה. התמונות שלהלן מראות את ממיר הדחיפה המפעיל את Arduino ו- STM.

בדיוק כמו המודול הקודם של אספקת החשמל על גבי לוח הלחם, מודול מאיץ תא מטבעות זה יתווסף גם למלאי שלי כדי שאוכל להשתמש בהם בכל הפרויקטים העתידיים שלי בכל מקום שאזדקק למקור חשמל קומפקטי נייד. מקווה שאהבתם את הפרויקט ולמדתם משהו שימושי בתהליך בניית המודול הזה. את העבודה המלאה ניתן למצוא בסרטון המקושר למטה.

אם יש לך בעיה לגרום לדברים לעבוד, אל תהסס להפיל אותם בסעיף ההערות או להשתמש בפורומים שלנו לשאלות טכניות אחרות.