Circuitul convertorului cu o singură celulă utilizând celula monedă - ieșire 5v

Celulele bateriei sunt cea mai frecvent utilizată sursă de energie pentru alimentarea electronice portabile. Fie că este vorba de un simplu ceas cu alarmă sau de un nod senzor IoT sau de un telefon mobil complex, totul este alimentat de la baterii. În majoritatea cazurilor, aceste dispozitive portabile trebuie să aibă un factor de formă mic (dimensiunea pachetului) și, prin urmare, sunt alimentate de o baterie cu o singură celulă, cum ar fi celula populară CR2032 Lithium sau cealaltă polimer de litiu de 3,7 V sau celule 18650. Aceste celule se alimentează cu energie ridicată pentru dimensiunea sa, dar un dezavantaj comun al acestor celule îl reprezintă voltajul de funcționare. O baterie tipică cu litiu are o tensiune nominală de 3,7 V, dar această tensiune poate scădea până la 2,8 V când este complet golită și până la 4,2 V când este complet încărcată, ceea ce nu este de dorit pentru proiectele noastre electronice care funcționează fie cu 3,3 reglementate V sau 5V ca tensiune de funcționare.

Acest lucru aduce nevoia unui convertor boost care poate lua această variabilă de la 2.8V la 4.2V ca tensiune de intrare și o poate regla la 3.3V sau 5V constante. Din fericire, există un IC numit BL8530 care face exact același lucru cu componente externe minime. Deci, în acest proiect vom construi un circuit de rapel cu cost redus de 5V care asigură o tensiune de ieșire reglată constantă de 5V de la o celulă monedă CR2032; de asemenea, vom proiecta un PCB compact pentru acest convertor boost, astfel încât să poată fi utilizat în toate proiectele noastre portabile viitoare. Curentul maxim de ieșire al convertorului de impuls va fi de 200mAcare este suficient de bun pentru a alimenta microcontrolerele și senzorii de bază. Un alt avantaj al acestui circuit este că, dacă proiectul dvs. necesită un reglaj de 3,3V în loc de 5V, același circuit poate fi folosit și pentru reglarea 3,3V prin simpla schimbare a unei componente. Acest circuit poate funcționa și ca Power Bank pentru a alimenta plăcile de dimensiuni mici, cum ar fi Arduino, STM32, MSP430 etc.

Materiale necesare

• BL8530-5V Booster IC (SOT89)
• Inductor 47uH (5mm SMD)
• Diodă SS14 (SMD)
• Condensator de tantal (SMD) 1000uF 16V
• Suport pentru celule de monede
• Conector USB feminin

Considerente privind proiectarea convertorului Boost cu o singură celulă

Cerințele de proiectare pentru un convertor Boost cu o singură celulă vor fi diferite de cele ale unui convertor Boost obișnuit. Acest lucru se datorează faptului că aici energia unei baterii (monedă) este crescută în tensiunea de ieșire pentru ca dispozitivul nostru să funcționeze. Deci, trebuie avut grijă ca circuitul de rapel să utilizeze maximul bateriei cu o eficiență ridicată pentru a menține dispozitivul pornit cât mai mult posibil. Atunci când selectați IC de rapel pentru proiectele dvs., puteți lua în considerare următorii patru parametri. De asemenea, puteți citi articolul despre Boost Regulator Design pentru a afla mai multe despre acesta.

Tensiune de pornire: Aceasta este tensiunea de intrare minimă necesară de la baterie pentru ca convertorul de impuls să înceapă să funcționeze. Când porniți convertorul de alimentare, bateria ar trebui să fie capabilă să furnizeze cel puțin această tensiune de pornire pentru ca boosterul dvs. să funcționeze. În proiectarea noastră, tensiunea de pornire necesară este de 0,8V, cu mult sub orice tensiune complet descărcată a celulei monede.

Tensiune de reținere: Odată ce dispozitivul este alimentat cu circuitul dvs. de creștere, tensiunea bateriei va începe să scadă, deoarece dă putere. Tensiunea până la care un IC de rapel își va menține performanța se numește tensiune de reținere. Sub această tensiune, IC va opri funcția și nu vom obține nici o tensiune de ieșire. Rețineți că tensiunea de reținere va fi întotdeauna mai mică decât tensiunea de pornire. Adică IC-ul va necesita mai multă tensiune pentru a-și începe funcționarea și în timpul stării sale de funcționare poate scurge bateria mult mai jos. Tensiunea de reținere în circuitul nostru este de 0,7V.

Curent de repaus: Cantitatea de curent pe care circuitul nostru de rapel o trage (pierde) chiar și atunci când nu este conectată nicio sarcină pe partea de ieșire se numește curent de repaus. Această valoare ar trebui să fie cât mai mică posibil, pentru IC-ul nostru valoarea curentului de repaus este între 4uA și 7uA. Este foarte important să aveți această valoare scăzută sau zero dacă dispozitivul nu va fi conectat la încărcare pentru o lungă perioadă de timp.

Rezistență la pornire : Toate circuitele convertorului de creștere vor implica un dispozitiv de comutare, cum ar fi MOSFET sau alte FET-uri. Dacă folosim un convertor IC atunci acest dispozitiv de comutare va fi încorporat în interiorul IC. Este important ca acest comutator să aibă o rezistență la pornire foarte mică. De exemplu, în proiectarea noastră de aici, IC BL8530 are un comutator intern cu o rezistență la pornire de 0,4Ω, ceea ce reprezintă o valoare decentă. Această rezistență va scădea o tensiune pe întrerupător pe baza curentului prin acesta (legea Ohms), scăzând astfel eficiența modulului.

Există mai multe moduri de a crește tensiunea, unele dintre ele sunt prezentate în seria noastră de circuite de încărcare.

Diagrama circuitului

Schema completă a circuitului pentru circuitul de rapel 5V este prezentată mai jos, schemele au fost desenate folosind EasyEDA.

După cum puteți vedea, circuitul necesită componente foarte minime, deoarece toată munca grea este trasă de BL8530 IC. Există multe versiuni ale BL8530 IC, cea folosită aici „BL8530-50” unde 50 reprezintă tensiunea de ieșire 5V. În mod similar, IC BL8530-33 va avea o tensiune de ieșire de 3,3V, prin urmare, doar înlocuind acest IC putem obține tensiunea de ieșire necesară. Există versiuni de 2.5V, 3V, 4.2V, 5V și chiar 6V ale acestui IC disponibile pe piață. În acest tutorial ne vom concentra pe versiunea de 5V. CI necesită doar un condensator, un inductor și o diodă împreună cu acesta pentru a funcționa, să vedem cum să selectăm componentele.

Selectarea componentelor

Inductor: Alegerea disponibilă a valorii inductorului pentru acest IC este de la 3uH la 1mH. Utilizarea unei valori ridicate a inductorului va oferi un curent de ieșire ridicat și o eficiență ridicată. Cu toate acestea, dezavantajul este că necesită o tensiune ridicată de intrare de la celulă pentru a funcționa, astfel încât utilizarea unei valori mari a inductorului nu poate face ca circuitul de impuls să funcționeze până când bateria este complet descărcată. Prin urmare, trebuie efectuat un compromis între curentul de ieșire și curentul de intrare minim în proiectarea de ieșire. Aici am folosit o valoare de 47uH, deoarece am nevoie de un curent de ieșire mare, puteți reduce această valoare dacă curentul de încărcare va fi mai mic pentru proiectarea dvs. De asemenea, este important să selectați un inductor cu valoare ESR scăzută pentru o eficiență ridicată a designului dumneavoastră.

Condensator de ieșire: Valoarea permisă a condensatorului este de la 47uF la 220uF. Funcția acestui condensator de ieșire este de a filtra undele de ieșire. Valoarea acestui lucru ar trebui decisă pe baza naturii încărcăturii. Dacă este o sarcină inductivă, atunci condensatorul cu valoare ridicată este recomandat pentru sarcini rezistive, cum ar fi microcontrolerele sau majoritatea senzorilor, va funcționa condensatorul cu valoare mică Dezavantajul utilizării condensatorului de mare valoare este costul crescut și, de asemenea, încetinește sistemul. Aici am folosit un condensator de tantal 100uF, deoarece condensatoarele de tantal sunt mai bune în controlul ondulării decât condensatoarele ceramice.

Diodă: Singurul aspect cu dioda este că ar trebui să aibă o cădere de tensiune scăzută foarte înainte. Se știe că diodele Schottky au scăderi de tensiune înainte reduse decât diodele redresoare normale. Prin urmare, am folosit dioda SMD SS14D care are o cădere de tensiune înainte mai mică de 0,2V.

Condensator de intrare: Similar condensatorului de ieșire, un condensator de intrare poate fi utilizat pentru a controla tensiunile de ondulare înainte de a intra în circuitul de impuls. Dar aici, deoarece folosim bateria ca surse de tensiune, nu vom avea nevoie de un condensator de intrare pentru controlul ondulării. Deoarece, în mod natural, bateriile asigură tensiune continuă pură, fără nici o ondulație în ele.

Celelalte componente sunt doar cele auxiliare. Suportul bateriei este utilizat pentru a ține celula Coin, iar portul UCB este furnizat pentru a conecta cablurile USB direct la modulul nostru de creștere, astfel încât să putem alimenta cu ușurință plăcile de dezvoltare obișnuite precum Arduino, ESP8266, ESP32 etc.

Proiectare și fabricare PCB folosind Easy EDA

Acum că circuitul convertorului Boost Cell Boost este gata, este timpul să-l fabricăm. Deoarece toate componentele de aici sunt disponibile numai în pachetul SMD, a trebuit să fabric un PCB pentru circuitul meu. Deci, ca întotdeauna, am folosit instrumentul EDA online numit EasyEDA pentru a fabrica PCB-ul nostru, deoarece este foarte convenabil de utilizat, deoarece are o colecție bună de amprente și este open-source.

După proiectarea PCB-ului, putem comanda probele de PCB după serviciile lor de fabricare a PCB-urilor cu costuri reduse. De asemenea, oferă servicii de aprovizionare a componentelor, unde au un stoc mare de componente electronice, iar utilizatorii pot comanda componentele necesare împreună cu comanda PCB.

În timp ce vă proiectați circuitele și PCB-urile, puteți, de asemenea, să vă faceți publice circuitele și PCB-urile, astfel încât ceilalți utilizatori să le poată copia sau edita și să poată profita de munca dvs. linkul de mai jos:

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

Puteți vizualiza orice strat (de sus, de jos, de top, de fund etc.) al PCB-ului selectând stratul din fereastra „Straturi”. Recent, au introdus, de asemenea, o opțiune de vizualizare 3D, astfel încât să puteți vizualiza și PCB-ul de măsurare a tensiunii multicelule, despre cum va arăta după fabricație utilizând butonul Vizualizare 3D din EasyEDA:

Calcularea și comandarea eșantioanelor online

După finalizarea proiectării acestui circuit de rapel cu celule de monede de 5V, puteți comanda PCB prin JLCPCB.com. Pentru a comanda PCB-ul de la JLCPCB, aveți nevoie de Gerber File. Pentru a descărca fișierele Gerber ale PCB-ului dvs., faceți clic pe butonul Generați fișierul de fabricație de pe pagina editorului EasyEDA, apoi descărcați fișierul Gerber de acolo sau puteți face clic pe Comandă la JLCPCB așa cum se arată în imaginea de mai jos. Acest lucru vă va redirecționa către JLCPCB.com, unde puteți selecta numărul de PCB-uri pe care doriți să le comandați, de câte straturi de cupru aveți nevoie, grosimea PCB-ului, greutatea cuprului și chiar culoarea PCB-ului, cum ar fi instantaneul prezentat mai jos. O altă veste bună este că acum puteți obține toate PCB-urile color la același preț de la JLCPCB. Așa că am decis să-mi iau culoarea neagră a mea doar pentru un aspect estetic, puteți alege culoarea preferată.

După ce faceți clic pe comanda la butonul JLCPCB, acesta vă va duce la site-ul web JLCPCB, unde puteți comanda orice PCB color cu o rată foarte mică, care este de 2 USD pentru toate culorile. Timpul lor de construcție este, de asemenea, foarte redus, adică 48 de ore cu livrare DHL de 3-5 zile, practic veți primi PCB-urile dvs. într-o săptămână de la comandă. Mai mult, acestea oferă, de asemenea, o reducere de 20 USD la expediere pentru prima comandă.

După ce ați comandat PCB-ul, puteți verifica progresul producției PCB-ului dvs. cu data și ora. O verificați accesând pagina Contului și faceți clic pe linkul „Progresul producției” de sub PCB, așa cum se arată în imaginea de mai jos.

După câteva zile de a comanda PCB-uri, am obținut probele de PCB într-un ambalaj frumos, așa cum se arată în imaginile de mai jos.

Pregătirea PCB-ului Boost Converter

După cum puteți vedea din imaginile de mai sus, placa a fost într-o formă foarte bună și va avea toate amprentele și vias la locul exact la dimensiunea necesară. Deci, am continuat cu lipirea tuturor componentelor SMD de pe placă și apoi a celor cu găuri de trecere. În câteva minute, PCB-ul meu este pregătit pentru acțiune. Tabla mea cu toate componentele lipite și celula monedei este prezentată mai jos

Testarea modulului Booster Cell Booster

Acum că modulul nostru este setat și alimentat, putem începe testarea acestuia. Ieșirea amplificată de 5V de pe placă poate fi obținută fie din portul USB, fie de pinul antet masculin din apropierea acestuia. Mi-am folosit multimetrul pentru a măsura tensiunea de ieșire și, după cum puteți vedea, era aproape de 5V. Prin urmare, putem concluziona că modulul nostru boost funcționează corect.

Acest modul poate fi utilizat acum pentru alimentarea plăcilor de microcontroler sau pentru alimentarea altor senzori sau circuite mici. Rețineți că curentul maxim pe care îl poate furniza este de numai 200mA, deci nu vă așteptați să conducă sarcini grele. Cu toate acestea, am fost mulțumit de alimentarea plăcilor mele Arduino și a plăcilor ESP cu acest modul mic și compact. Imaginile de mai jos arată convertorul boost care alimentează Arduino și STM.

La fel ca și modulul anterior de alimentare cu panou, acest modul de amplificare a celulelor monede va fi, de asemenea, adăugat la inventarul meu, astfel încât să le pot folosi în toate proiectele mele viitoare oriunde am nevoie de o sursă de alimentare compactă portabilă. Sper că ți-a plăcut proiectul și ai învățat ceva util în procesul de construire a acestui modul. Lucrarea completă poate fi găsită în videoclipul legat mai jos.

Dacă aveți vreo problemă în ceea ce privește funcționarea lucrurilor, nu ezitați să le aruncați în secțiunea de comentarii sau să folosiți forumurile noastre pentru alte întrebări tehnice.