Obvod zosilňovača zosilnenia jednej bunky pomocou knoflíkovej bunky - výstup 5 V.

Batériové články sú najbežnejšie používaným zdrojom energie na napájanie prenosnej elektroniky. Či už je to jednoduchý budík alebo uzol senzora IoT alebo zložitý mobilný telefón, všetko je napájané z batérií. Vo väčšine prípadov musia tieto prenosné zariadenia mať malý tvar (veľkosť balenia), a preto sú napájané jednou batériou, napríklad populárnym lítiovým článkom CR2032 alebo inými 3,7 V lítiovými polymérmi alebo 18650 článkami. Tieto články na svoju veľkosť akumulujú vysokú energiu, ale bežnou nevýhodou týchto článkov je prevádzkové napätie. Typická lítiová batéria má menovité napätie 3,7 V, ale toto napätie môže klesnúť až na 2,8 V pri úplnom vybití a až po 4,2 V pri plnom nabití, čo nie je veľmi žiaduce pre našu elektroniku, ktorá pracuje s regulovaným prúdom 3,3. V alebo 5 V ako prevádzkové napätie.

To si vyžaduje potrebu zosilňovacieho prevodníka, ktorý dokáže prijať túto premennú 2,8 V až 4,2 V ako vstupné napätie a regulovať ho na konštantných 3,3 V alebo 5 V. Našťastie však existuje integrovaný obvod s názvom BL8530, ktorý robí úplne to isté s minimálnym počtom externých komponentov. V tomto projekte teda postavíme nízkonákladový 5V zosilňovací obvod, ktorý poskytuje konštantné regulované výstupné napätie 5V z mincového článku CR2032; budeme tiež navrhnúť kompaktný PCB pre tento boost prevodník, takže ho možno použiť pri všetkých našich budúcich prenosných projektov. Maximálny výstupný prúd zosilňovacieho prevodníka bude 200 mAčo je dosť dobré na napájanie základných mikrokontrolérov a senzorov. Ďalšou výhodou tohto obvodu je, že ak váš projekt vyžaduje regulované 3,3 V namiesto 5 V, rovnaký obvod možno použiť aj na reguláciu 3,3 V iba výmenou jedného komponentu. Tento obvod môže fungovať aj ako Power Bank na napájanie malých dosiek ako Arduino, STM32, MSP430 atď. Predtým sme vytvorili podobný druh zosilňovača pomocou lítiovej batérie na nabíjanie mobilného telefónu.

Potrebné materiály

• BL8530-5V zosilňovač IC (SOT89)
• 47uH induktor (5 mm SMD)
• Dióda SS14 (SMD)
• Tantalový kondenzátor 16 V 16 V (SMD)
• Držiak na mince
• USB konektor

Úvahy o návrhu prevodníka na zvýšenie výkonu jednej bunky

Požiadavky na dizajn prevodníka Single Cell Boost sa budú líšiť od bežných prevodníkov boostu. Je to preto, že tu sa energia z batérie (knoflíkový článok) zvyšuje na výstupné napätie, aby mohlo naše zariadenie fungovať. Je potrebné dbať na to, aby obvod zosilňovača využíval maximum batérie s vysokou účinnosťou, aby bolo zariadenie čo najdlhšie zapnuté. Pri výbere zosilňovača IC pre vaše návrhy môžete brať do úvahy nasledujúce štyri parametre. Môžete si tiež prečítať článok o dizajne regulátora zosilnenia, kde sa o ňom dozviete viac.

Štartovacie napätie: Toto je minimálne požadované vstupné napätie z batérie, aby mohol zosilňovač začať pracovať. Keď zapnete zosilňovač, batéria by mala byť aspoň schopná poskytnúť toto štartovacie napätie, aby váš zosilňovač fungoval. V našom dizajne je požadované počiatočné napätie 0,8 V, čo je nižšie ako akékoľvek úplne vybité napätie v mincovom článku.

Udržovacie napätie: Keď je zariadenie napájané z posilňovacieho obvodu, napätie batérie začne klesať, pretože vydáva energiu. Napätie, do ktorého zosilňovač IC udrží svoj výkon, sa nazýva prídržné napätie. Pod týmto napätím IC prestane fungovať a nedostaneme žiadne výstupné napätie. Pamätajte, že udržovacie napätie bude vždy nižšie ako počiatočné napätie. To znamená, že integrovaný obvod bude na spustenie svojej činnosti vyžadovať väčšie napätie a počas prevádzkového stavu môže batériu vybiť takým spôsobom, že bude nižšia. Udržovacie napätie v našom obvode je 0,7V.

Kľudový prúd: Množstvo prúdu, ktorý náš zosilňovací obvod odoberá (plytvá), aj keď na výstupnej strane nie je pripojené žiadne zaťaženie, sa nazýva kľudový prúd. Táto hodnota by mala byť čo najnižšia, pre náš IC je hodnota kľudového prúdu medzi 4uA až 7uA. Je veľmi dôležité mať túto hodnotu nízku alebo nulovú, ak sa zariadenie nebude dlhšiu dobu pripájať k záťaži.

On-Resistance: Celý obvod zosilňovača bude obsahovať spínacie zariadenie ako MOSFET alebo iné FET v ňom. Ak používame prevodník IC, bude toto spínacie zariadenie zabudované do integrovaného obvodu. Je dôležité, aby tento prepínač mal veľmi nízky odpor. Napríklad v našom dizajne má IC BL8530 interný prepínač s odporom 0,4Ω, čo je slušná hodnota. Tento odpor zníži napätie vo výhybke na základe prúdu, ktorý ním prechádza (Ohmov zákon), čím sa zníži účinnosť modulu.

Existuje mnoho spôsobov, ako zvýšiť napätie, niektoré z nich sú uvedené v našej sérii nabíjacích obvodov.

Schéma zapojenia

Kompletná schéma zapojenia zosilňovacieho obvodu 5 V je uvedená nižšie, schémy boli nakreslené pomocou programu EasyEDA.

Ako vidíte, obvod vyžaduje veľmi minimálne komponenty, pretože všetku ťažkú ​​prácu ťahá BL8530 IC. Existuje veľa verzií BL8530 IC, tu použitých „BL8530-50“, kde 50 predstavuje výstupné napätie 5V. Podobne bude mať IC BL8530-33 výstupné napätie 3,3 V, takže iba výmenou tohto IC môžeme získať požadované výstupné napätie. Na trhu sú k dispozícii verzie tohto IC s napätím 2,5V, 3V, 4,2V, 5V a dokonca 6V. V tomto návode sa zameriame na verziu 5V. IC na svoju činnosť vyžaduje iba kondenzátor, induktor a spolu s ním aj diódu, pozrime sa, ako vyberať komponenty.

Výber komponentov

Induktor: Pre tento IC je k dispozícii výber hodnoty induktora od 3 mH do 1 mH. Použitie vysokej hodnoty tlmivky zabezpečí vysoký výstupný prúd a vysokú účinnosť. Nevýhodou však je, že vyžaduje na prácu vysoké vstupné napätie z článku, takže použitie vysokej hodnoty induktora nemusí spôsobiť, aby zosilňovací obvod fungoval, kým nebude batéria úplne vybitá. Preto sa musí vykonať kompromis medzi výstupným prúdom a minimálnym vstupným prúdom vo vonkajšom prevedení. Tu som použil hodnotu 47uH, pretože potrebujem vysoký výstupný prúd, môžete túto hodnotu znížiť, ak bude zaťažovací prúd pre váš návrh menší. Je tiež dôležité zvoliť induktor s nízkou hodnotou ESR pre vysokú účinnosť vášho návrhu.

Výstupný kondenzátor: Prípustná hodnota kondenzátora je od 47uF do 220uF. Funkciou tohto výstupného kondenzátora je filtrovať výstupné vlnenie. O jeho hodnote by sa malo rozhodnúť na základe povahy záťaže. Ak je to indukčná záťaž, potom sa pre odporové záťaže, ako napríklad pre mikrokontroléry alebo pre väčšinu snímačov, bude hodiť kondenzátor vysokej hodnoty. Nevýhodou použitia kondenzátora s vysokou hodnotou sú zvýšené náklady a tiež sa spomaľuje systém. Tu som použil tantalový kondenzátor 100uF, pretože tantalové kondenzátory majú lepšie zvlnenie ako keramické kondenzátory.

Dióda: Dióda zohľadňuje iba to, že by mala mať veľmi nízky pokles napätia. Je známe, že Schottkyho diódy majú nízky pokles napätia vpred ako bežné usmerňovacie diódy. Preto sme použili diódu SS14D SMD, ktorá má pokles napätia vpred menší ako 0,2V.

Vstupný kondenzátor: Podobne ako výstupný kondenzátor, aj vstupný kondenzátor možno použiť na riadenie zvlnenia napätia pred vstupom do zosilňovacieho obvodu. Ale tu, pretože ako zdroje napätia používame batériu, nebudeme potrebovať vstupný kondenzátor na riadenie hromadného ovládania. Pretože batérie od prírody poskytujú čisté jednosmerné napätie bez toho, aby v nich bolo nejaké zvlnenie.

Ostatné komponenty sú iba pomocné. Držiak batérie slúži na uchytenie coinovej bunky a port UCB slúži na pripojenie káblov USB priamo k nášmu zosilňovaciemu modulu, aby sme mohli ľahko napájať bežné vývojové dosky ako Arduino, ESP8266, ESP32 atď.

Dizajn a výroba PCB pomocou Easy EDA

Teraz, keď je obvod Coin Cell Boost Converter pripravený, je čas ho vyrobiť. Pretože všetky tu uvedené komponenty sú k dispozícii iba v balíku SMD, musel som pre svoj obvod vyrobiť plošný spoj. Takže ako vždy sme na výrobu našich dosiek plošných spojov použili online nástroj EDA s názvom EasyEDA, ktorý je veľmi vhodný na použitie, pretože má dobrú zbierku stôp a je otvorený.

Po dizajne DPS si môžeme objednať vzorky DPS pomocou ich lacných služieb výroby DPS. Ponúkajú tiež službu sourcingu komponentov, kde majú veľkú zásobu elektronických komponentov a používatelia si môžu objednať požadované komponenty spolu s objednávkou PCB.

Pri navrhovaní vašich obvodov a dosiek plošných spojov môžete tiež zverejniť svoje návrhy obvodov a dosiek plošných spojov, aby ich ostatní používatelia mohli kopírovať alebo upravovať a využívať tak výhody vašej práce. Pre tento obvod sme tiež zverejnili celé naše usporiadania obvodov a dosiek plošných spojov, skontrolujte odkaz nižšie:

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

Môžete si pozrieť ktorúkoľvek vrstvu (vrchná, spodná, vrchná vrstva, spodná vrstva atď.) DPS výberom vrstvy z okna „Vrstvy“. Nedávno tiež predstavili možnosť 3D zobrazenia, takže si môžete tiež pozrieť DPS ​​na meranie napätia viacerých buniek, ako to bude vyzerať po výrobe pomocou tlačidla 3D zobrazenie v EasyEDA:

Výpočet a objednávanie vzoriek online

Po dokončení návrhu tohto obvodu zosilňovača mincových článkov s napätím 5 V si môžete objednať DPS ​​prostredníctvom JLCPCB.com. Na objednanie DPS od JLCPCB potrebujete Gerber File. Ak chcete stiahnuť súbory Gerber z vašej PCB, stačí kliknúť na tlačidlo Generovať súbor výroby na stránke editora EasyEDA, odtiaľ si stiahnuť súbor Gerber alebo môžete kliknúť na Objednávku na JLCPCB, ako je znázornené na obrázku nižšie. To vás presmeruje na JLCPCB.com, kde si môžete zvoliť počet DPS, ktoré chcete objednať, koľko vrstiev medi potrebujete, hrúbku DPS, hmotnosť medi a dokonca aj farbu DPS, ako je to na nasledujúcom obrázku. Ďalšou dobrou správou je, že od JLCPCB teraz môžete získať všetky farebné DPS za rovnakú cenu. Preto som sa rozhodol zaobstarať si moju čiernu farbu len kvôli estetickému vzhľadu, môžete si zvoliť svoju obľúbenú farbu.

Po kliknutí na objednávku na tlačidle JLCPCB sa dostanete na webovú stránku JLCPCB, kde si môžete objednať ľubovoľné farebné DPS vo veľmi nízkej miere, ktorá je pre všetky farby 2 doláre. Ich doba výroby je tiež veľmi krátka, čo je 48 hodín s dodávkou DHL 3 - 5 dní, v podstate dostanete PCB do týždňa od objednania. Okrem toho tiež ponúkajú zľavu 20 $ na dopravu pri vašej prvej objednávke.

Po objednaní DPS môžete skontrolovať priebeh výroby DPS s dátumom a časom. Skontrolujete to tak, že prejdete na stránku Účet a kliknete na odkaz „Postup výroby“ pod PCB, ako je to znázornené na obrázku nižšie.

Po niekoľkých dňoch objednania DPS som dostal vzorky DPS v peknom obale, ako je znázornené na obrázkoch nižšie.

Príprava dosky plošných spojov Boost Converter

Ako môžete vidieť z vyššie uvedených obrázkov, doska bola vo veľmi dobrom stave a všetky stopy a priechody budú na mieste v presne požadovanej veľkosti. Takže som pokračoval s letovaním všetkých SMD súčiastok na doske a potom tých cez priechodné otvory. Počas niekoľkých minút moja doska plošných spojov pripravená na akciu. Moja doska so všetkými spájkovanými komponentmi a mincovou bunkou je uvedená nižšie

Testovanie modulu na zosilnenie mincových buniek

Teraz, keď je náš modul nastavený a napájaný, môžeme začať testovať. Zosilnený výstup 5V z dosky je možné získať buď z USB portu, alebo z konektora mužského konektora v jeho blízkosti. Použil som svoj multimetr na meranie výstupného napätia a ako vidíte, bolo to blízko 5V. Preto môžeme dospieť k záveru, že náš podporný modul funguje správne.

Tento modul sa teraz dá použiť na napájanie dosiek mikrokontrolérov alebo na napájanie ďalších malých senzorov alebo obvodov. Majte na pamäti, že maximálny prúd, ktorý dokáže dodať, je iba 200 mA, takže neočakávajte, že bude poháňať ťažké bremená. Bol som však spokojný s napájaním mojich dosiek Arduino a ESP dosiek pomocou tohto malého a kompaktného modulu. Nasledujúce obrázky zobrazujú zosilňovač napájajúci Arduino a STM.

Rovnako ako predchádzajúci napájací modul nepájivého poľa, aj tento zosilňovač mincových článkov bude pridaný do môjho inventára, aby som ich mohol použiť vo všetkých svojich budúcich projektoch všade, kde budem potrebovať prenosný kompaktný zdroj energie. Dúfam, že sa vám projekt páčil a dozvedeli sa niečo užitočné pri zostavovaní tohto modulu. Kompletné fungovanie nájdete vo videu, na ktoré odkazujete nižšie.

Ak máte problém s tým, ako veci fungovať, napíšte ich do sekcie komentárov alebo použite ďalšie technické otázky na našom fóre.