Obvod převodníku zesílení jedné buňky pomocí knoflíkové buňky - výstup 5V

Baterie jsou nejčastěji používaným zdrojem energie k napájení přenosné elektroniky. Ať už je to jednoduchý budík nebo uzel senzoru IoT nebo složitý mobilní telefon, vše je napájeno bateriemi. Ve většině případů musí tato přenosná zařízení mít malý tvarový faktor (velikost balení), a proto je napájena jednou článkovou baterií, jako je populární lithiový článek CR2032 nebo další 3,7V lithiový polymer nebo články 18650. Tyto články mají svou velikost vysokou energii, ale běžnou nevýhodou těchto článků je jejich provozní napětí. Typická lithiová baterie má jmenovité napětí 3,7 V, ale při úplném vybití může toto napětí klesnout až na 2,8 V a při plném nabití až na 4,2 V, což není u našich návrhů elektroniky, které fungují s regulovanými 3,3, příliš žádoucí. V nebo 5 V jako provozní napětí.

To přináší potřebu zesilovače, který může přijímat tuto proměnnou 2,8 V až 4,2 V jako vstupní napětí a regulovat jej na konstantní 3,3 V nebo 5 V. Naštěstí však existuje IC s názvem BL8530, který dělá přesně to samé s velmi minimem externích komponent. V tomto projektu tedy postavíme levný 5V posilovací obvod, který poskytuje konstantní regulované výstupní napětí 5V z knoflíkové baterie CR2032; navrhneme také kompaktní desku plošných spojů pro tento zesilovač, aby ji bylo možné použít ve všech našich budoucích přenosných projektech. Maximální výstupní proud zesilovače bude 200 mAcož je dost dobré pro napájení základních mikrokontrolérů a senzorů. Další výhodou tohoto obvodu je, že pokud váš projekt vyžaduje regulované 3,3 V místo 5 V, lze stejný obvod použít také k regulaci 3,3 V pouhou záměnou jedné součásti. Tento obvod může také fungovat jako Power Bank k napájení malých desek, jako jsou Arduino, STM32, MSP430 atd. Dříve jsme stavěli podobný druh zesilovače pomocí lithiové baterie k nabíjení mobilního telefonu.

Potřebné materiály

BL8530-5V zesilovač IC (SOT89)
47uH induktor (5mm SMD)
Dioda SS14 (SMD)
Tantalový kondenzátor 1000uF 16V (SMD)
Držák knoflíkových buněk
USB konektor

Aspekty návrhu převaděče Boost Boost s jednou buňkou

Požadavky na design převaděče Boost s jednou buňkou se budou lišit od požadavků běžného převaděče boost. Je to proto, že zde je energie z baterie (knoflíkový článek) posilována na výstupní napětí, aby naše zařízení fungovalo. Je tedy třeba dbát na to, aby obvod posilovače využíval maximum baterie s vysokou účinností, aby bylo zařízení co nejdéle zapnuto. Při výběru zesilovače IC pro vaše návrhy můžete zvážit následující čtyři parametry. Můžete si také přečíst článek o návrhu regulátoru Boost, kde se o něm dozvíte více.

Spouštěcí napětí: Toto je minimální požadované vstupní napětí z baterie, aby mohl začít pracovat boostovací převodník. Když zapnete zesilovač, měla by baterie přinejmenším být schopna poskytnout toto spouštěcí napětí, aby váš posilovač fungoval. V našem návrhu je požadované spouštěcí napětí 0,8 V, což je pod jakýmkoli plně vybitým napětím knoflíkové baterie.

Zadržovací napětí: Jakmile je zařízení napájeno zesilovacím obvodem, napětí baterie začne klesat, protože vydává energii. Napětí, do kterého bude posilovací IC udržovat svůj výkon, se nazývá přídržné napětí. Pod tímto napětím IC zastaví funkci a nedostaneme žádné výstupní napětí. Pamatujte, že zadržovací napětí bude vždy menší než spouštěcí napětí. To znamená, že integrovaný obvod bude vyžadovat více napětí, aby zahájil svou činnost, a během svého provozního stavu může baterii vyčerpat tak, že bude nižší. Udržovací napětí v našem obvodu je 0,7V.

Klidový proud: Množství proudu, který náš zesilovací obvod odebírá (plýtvání), i když není na výstupní straně připojeno žádné zatížení, se nazývá klidový proud. Tato hodnota by měla být co nejnižší, pro náš IC je hodnota klidového proudu mezi 4uA až 7uA. Je velmi důležité mít tuto hodnotu nízkou nebo nulovou, pokud zařízení nebude připojeno k zátěži po dlouhou dobu.

On-Resistance: Veškerý obvod převaděče boost bude zahrnovat spínací zařízení, jako je MOSFET nebo jiné FET v něm. Pokud používáme integrovaný obvod převodníku, bude toto spínací zařízení zabudováno do integrovaného obvodu. Je důležité, aby tento spínač měl velmi nízký odpor. Například v našem designu má IC BL8530 interní spínač s odporem 0,4Ω, což je slušná hodnota. Tento odpor sníží napětí ve spínači na základě proudu skrz něj (Ohmův zákon), čímž se sníží účinnost modulu.

Existuje mnoho způsobů, jak zvýšit napětí, některé z nich jsou zde ukázány v naší sérii nabíjecích obvodů.

Kruhový diagram

Kompletní schéma zapojení pro 5V pomocný obvod je zobrazeno níže, schémata byla nakreslena pomocí EasyEDA.

Jak vidíte, obvod vyžaduje velmi minimální komponenty, protože veškerá tvrdá práce je tažena BL8530 IC. Existuje mnoho verzí BL8530 IC, zde použitá „BL8530-50“, kde 50 představuje výstupní napětí 5V. Podobně IC BL8530-33 bude mít výstupní napětí 3,3 V, proto pouhou výměnou tohoto IC získáme požadované výstupní napětí. Na trhu jsou k dispozici verze tohoto integrovaného obvodu 2,5 V, 3 V, 4,2 V, 5 V a dokonce 6 V. V tomto tutoriálu se zaměříme na 5V verzi. Integrovaný obvod vyžaduje k provozu pouze kondenzátor, induktor a diodu, podívejme se, jak vybrat komponenty.

Výběr komponent

Induktor: Dostupné hodnoty induktoru pro tento IC jsou 3uH až 1mH. Použití vysoké hodnoty induktoru zajistí vysoký výstupní proud a vysokou účinnost. Nevýhodou však je, že k provozu vyžaduje vysoké vstupní napětí z článku, takže použití vysoké hodnoty induktoru nemusí způsobit, aby posilovací obvod fungoval, dokud nebude baterie zcela vybitá. Proto je třeba provést kompromis mezi výstupním proudem a minimálním vstupním proudem ve vnějším provedení. Zde jsem použil hodnotu 47uH, protože potřebuji vysoký výstupní proud, můžete tuto hodnotu snížit, pokud bude váš zatěžovací proud pro váš návrh menší. Je také důležité vybrat induktor s nízkou hodnotou ESR pro vysokou účinnost vašeho návrhu.

Výstupní kondenzátor: Přípustná hodnota kondenzátoru je od 47uF do 220uF. Funkcí tohoto výstupního kondenzátoru je filtrování výstupních vln. O jeho hodnotě by mělo být rozhodnuto na základě povahy zátěže. Pokud se jedná o indukční zátěž, pak se pro odporové zátěže, jako u mikrokontrolérů nebo většiny snímačů, doporučuje kondenzátor vysoké hodnoty. Nevýhodou použití vysoce hodnotného kondenzátoru jsou zvýšené náklady a také to zpomaluje systém. Tady jsem použil tantalový kondenzátor 100uF, protože tantalové kondenzátory jsou lepší v ovládání zvlnění než keramické kondenzátory.

Dioda: Jedinou úvahou u diody je, že by měla mít velmi nízký pokles napětí. Je známo, že Schottkyho diody mají nízké dopředné poklesy napětí než běžné usměrňovací diody. Proto jsme použili diodu SS14D SMD, která má pokles dopředného napětí menší než 0,2V.

Vstupní kondenzátor: Podobně jako u výstupního kondenzátoru lze vstupní kondenzátor použít k ovládání zvlnění napětí před vstupem do boostovacího obvodu. Ale protože používáme jako zdroje napětí baterii, nebudeme potřebovat vstupní kondenzátor pro zvlnění. Protože baterie přirozeně poskytují čisté stejnosměrné napětí bez jakéhokoli zvlnění.

Ostatní komponenty jsou pouze pomocné. Držák baterie se používá k uchycení knoflíkové baterie a port UCB slouží k připojení kabelů USB přímo k našemu rozšiřujícímu modulu, abychom mohli snadno napájet běžné vývojové desky jako Arduino, ESP8266, ESP32 atd.

Návrh a výroba desek plošných spojů pomocí Easy EDA

Nyní, když je obvod převaděče Coin Cell Boost Converter připraven, je čas si jej nechat vyrobit. Vzhledem k tomu, že všechny zde uvedené komponenty jsou k dispozici pouze v balíčku SMD, musel jsem pro svůj obvod vyrobit desku plošných spojů. Jako vždy jsme tedy k výrobě naší desky plošných spojů použili online nástroj EDA s názvem EasyEDA, protože je velmi pohodlné ji používat, protože má dobrou sbírku stop a je otevřený.

Po návrhu desky plošných spojů si můžeme objednat vzorky desek plošných spojů pomocí jejich nízko nákladových služeb výroby desek plošných spojů. Nabízejí také službu sourcingu komponent, kde mají velkou zásobu elektronických součástek a uživatelé si mohou spolu s objednávkou PCB objednat požadované komponenty.

Při navrhování vašich obvodů a desek plošných spojů můžete také zveřejnit své návrhy obvodů a desek plošných spojů, aby je mohli ostatní uživatelé kopírovat nebo upravovat a mohli těžit z vaší práce. Také jsme pro tento obvod zveřejnili celé naše rozvržení obvodů a desek plošných spojů, zkontrolujte níže uvedený odkaz:

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

Můžete zobrazit libovolnou vrstvu (nahoře, dole, Topsilk, bottomsilk atd.) Desky plošných spojů výběrem vrstvy z okna „Layers“. Nedávno také představili možnost 3D zobrazení, takže si můžete také prohlédnout PCB s měřením napětí Multicell, jak to bude vypadat po výrobě pomocí tlačítka 3D View v EasyEDA:

Výpočet a objednávání vzorků online

Po dokončení návrhu tohoto 5V obvodu zesilovače knoflíkových článků si můžete objednat desku plošných spojů prostřednictvím JLCPCB.com. Chcete-li objednat desku plošných spojů z JLCPCB, potřebujete soubor Gerber. Chcete-li stáhnout soubory Gerber z vašeho PCB, jednoduše klikněte na tlačítko Generovat soubor výroby na stránce editoru EasyEDA, odtud si stáhněte soubor Gerber nebo klikněte na Objednávka na JLCPCB, jak je znázorněno na následujícím obrázku. To vás přesměruje na JLCPCB.com, kde můžete vybrat počet desek plošných spojů, které chcete objednat, kolik měděných vrstev potřebujete, tloušťku desky plošných spojů, hmotnost mědi a dokonce i barvu desky plošných spojů, jako je snímek zobrazený níže. Další dobrou zprávou je, že od JLCPCB nyní můžete získat všechny barevné PCB za stejnou cenu. Takže jsem se rozhodl získat moje v černé barvě jen kvůli estetickému vzhledu, můžete si vybrat svou oblíbenou barvu.

Po kliknutí na objednávku na tlačítku JLCPCB se dostanete na webovou stránku JLCPCB, kde si můžete objednat jakoukoli barevnou PCB ve velmi nízké sazbě, která je u všech barev 2 $. Jejich doba výroby je také velmi kratší, což je 48 hodin s dodávkou DHL 3-5 dní, v podstatě dostanete PCB do týdne od objednání. Kromě toho také nabízejí slevu 20 $ na dopravu pro vaši první objednávku.

Po objednání desky plošných spojů můžete zkontrolovat průběh výroby desky plošných spojů s datem a časem. Zkontrolujete to na stránce Účet a kliknete na odkaz „Průběh výroby“ pod deskou plošných spojů, jak je znázorněno na následujícím obrázku.

Po několika dnech objednání desek plošných spojů jsem dostal vzorky desek plošných spojů v pěkném obalu, jak je znázorněno na obrázcích níže.

Příprava desky plošných spojů Boost Converter

Jak můžete vidět z výše uvedených obrázků, deska byla ve velmi dobrém stavu, aby všechny stopy a průchody byly na místě v přesné požadované velikosti. Pokračoval jsem tedy v pájení všech součástek SMD na desce a poté součástek s průchozími otvory. Během několika minut je moje PCB připravena k akci. Moje deska se všemi pájenými součástmi a knoflíkovou buňkou je zobrazena níže

Testování modulu zesilovače knoflíkových buněk

Nyní, když je náš modul nastaven a napájen, můžeme začít testovat. Zesílený 5V výstup z desky lze získat buď z USB portu, nebo prostřednictvím mužského kolíku v jeho blízkosti. Použil jsem svůj multimetr k měření výstupního napětí a jak vidíte, bylo to blízko 5V. Proto můžeme dojít k závěru, že náš modul podpory funguje správně.

Tento modul lze nyní použít k napájení desek mikrokontroléru nebo k napájení dalších malých senzorů nebo obvodů. Mějte na paměti, že maximální proud, který může dodat, je pouze 200 mA, takže neočekávejte, že bude pohánět těžké zátěže. Byl jsem však spokojený s napájením svých desek Arduino a ESP desek pomocí tohoto malého a kompaktního modulu. Na následujících obrázcích je zobrazen zesilovač, který napájí Arduino a STM.

Stejně jako předchozí napájecí modul nepájivého pole bude i tento modul pro posílení knoflíkových článků přidán do mého inventáře, abych je mohl použít ve všech svých budoucích projektech, kdekoli budu potřebovat přenosný kompaktní zdroj energie. Doufám, že se vám projekt líbil a při vytváření tohoto modulu jste se naučili něco užitečného. Kompletní práci najdete ve videu, na které odkazujete níže.

Pokud máte problém s fungováním věcí, můžete je pustit do sekce komentářů nebo použít naše fóra pro další technické dotazy.