Схема перетворювача посилення однієї комірки з використанням монетної комірки - вихід 5 В

Елементи акумулятора - це найбільш часто використовуване джерело енергії для живлення портативної електроніки. Будь то простий будильник, вузол датчика IoT або складний мобільний телефон, все живиться від акумуляторів. У більшості випадків ці портативні пристрої повинні мати невеликий форм-фактор (розмір упаковки), отже, він живиться від одноклітинної батареї, як популярний літієвий елемент CR2032, або інші 3,7 В літієвий полімер або 18650 елементів. Ці осередки упаковують у велику енергію за своїм розміром, але загальним недоліком цих осередків є робоча напруга. Типова літієва батарея має номінальну напругу 3,7 В, але ця напруга може знизитися до 2,8 В при повному розряді та до 4,2 В при повному заряді, що не дуже бажано для наших електронічних конструкцій, які працюють або з регульованим 3,3 V або 5V як робоча напруга.

Це призводить до необхідності підсилювального перетворювача, який може приймати цю змінну від 2,8 В до 4,2 В як вхідну напругу і регулювати її до постійних 3,3 В або 5 В. На щастя, хоча існує мікросхема під назвою BL8530, яка робить те саме саме з мінімальними зовнішніми компонентами. Отже, у цьому проекті ми побудуємо недорогий підсилювальний контур 5В, який забезпечує постійну регульовану вихідну напругу 5В від монетної комірки CR2032; ми також розробимо компактну друковану плату для цього підсилювального перетворювача, щоб її можна було використовувати у всіх наших майбутніх портативних проектах. Максимальний вихідний струм підсилювального перетворювача становитиме 200 мАщо досить добре для живлення основних мікроконтролерів та датчиків. Ще однією перевагою цієї схеми є те, що, якщо ваш проект вимагає регульованого 3,3 В замість 5 В, та ж схема також може бути використана для регулювання 3,3 В, просто замінивши один компонент. Ця схема також може працювати як Power Bank для живлення невеликих плат, таких як Arduino, STM32, MSP430 тощо. Раніше ми побудували подібний підсилювальний перетворювач за допомогою літієвої батареї для зарядки стільникового телефону.

Необхідні матеріали

• BL8530-5V Booster IC (SOT89)
• Індуктор 47uH (5 мм SMD)
• Діод SS14 (SMD)
• Танталовий конденсатор 1000 мкФ 16 В (SMD)
• Власник монетних осередків
• Роз'єм USB для жінок

Міркування щодо проектування конвертора підсилення однієї комірки

Конструктивні вимоги до конвертора однокамерного підсилення будуть відрізнятися від вимог звичайного перетворювача підсилення. Це пов’язано з тим, що тут енергія від батареї (монетного елемента) збільшується до вихідної напруги для роботи нашого пристрою. Тому слід подбати про те, щоб підсилювальна схема використовувала максимум батареї з високою ефективністю, щоб тримати пристрій увімкненим якомога довше. Вибираючи підсилювальну ІС для своїх конструкцій, ви можете враховувати наступні чотири параметри. Ви також можете прочитати статтю про дизайн регулятора посилення, щоб дізнатися більше про це.

Пускова напруга: це мінімально необхідна вхідна напруга від акумулятора, щоб перетворювач наддуву почав працювати. Коли ви вмикаєте підсилювальний перетворювач, акумулятор повинен мати принаймні можливість забезпечити цю пускову напругу для роботи вашого підсилювача. У нашій конструкції необхідна пускова напруга становить 0,8 В, що нижче будь-якої повністю розрядженої напруги комірки монети.

Напруга на утриманні: як тільки пристрій живиться з вашим підсилювальним контуром, напруга акумулятора почне падати, оскільки він видає живлення. Напруга, до якої ІМП підсилювача збереже свою ефективність, називається напругою утримання. Нижче цієї напруги ІС припинить функціонувати, і ми не отримаємо вихідної напруги. Зверніть увагу, що утримувана напруга завжди буде меншою за пускову напругу. Тобто мікросхема потребуватиме більше напруги, щоб розпочати свою роботу, і під час роботи вона може розряджати батарею нижче, ніж це. Напруга в нашому ланцюзі становить 0,7 В.

Струм спокою: Величина струму, яку витрачає наш підсилювальний контур (витрачається), навіть коли на виході не підключено навантаження, називається струмом спокою. Це значення повинно бути якомога меншим, для нашого ІС значення струму спокою становить від 4uA до 7uA. Дуже важливо, щоб це значення було низьким або нульовим, якщо пристрій протягом тривалого часу не буде підключено до навантаження.

Опір при включенні : у всіх схемах підсилювального перетворювача буде використовуватися комутаційний пристрій, такий як MOSFET або інші транзистори в ньому. Якщо ми використовуємо перетворювач ІС, то цей комутаційний пристрій буде вбудований всередину ІС. Важливо, щоб цей перемикач мав дуже низький опір. Наприклад, у нашій конструкції тут, IC BL8530 має внутрішній вимикач з опором включення 0,4 Ом, що є гідним значенням. Цей опір знизить напругу на комутаторі на основі струму, що проходить через нього (закон Ома), зменшуючи тим самим ефективність модуля.

Існує багато способів підвищення напруги, деякі з них продемонстровано в нашій серії зарядних пристроїв тут.

Кругова діаграма

Повна схема ланцюга підсилювача 5В показана нижче, схеми були намальовані за допомогою EasyEDA.

Як бачите, схема вимагає мінімальних компонентів, оскільки всю важку роботу тягне мікросхема BL8530. Існує багато версій мікросхеми BL8530, використовувана тут “BL8530-50”, де 50 представляє вихідну напругу 5В. Подібним чином мікросхема BL8530-33 матиме вихідну напругу 3,3 В, отже, просто замінивши цю мікросхему, ми можемо отримати необхідну вихідну напругу. На ринку доступні версії цієї мікросхеми 2,5 В, 3 В, 4,2 В, 5 В і навіть 6 В. У цьому підручнику ми зупинимось на версії 5V. Для роботи мікросхеми потрібні лише конденсатор, індуктор і діод разом з ним, давайте подивимося, як вибрати компоненти.

Вибір компонентів

Індуктор: Доступний вибір значення індуктивності для цього ІС становить від 3 мкГн до 1 мГн. Використання великого значення індуктивності забезпечить високий вихідний струм і високу ефективність. Однак недоліком є ​​те, що для роботи йому потрібна висока вхідна напруга від комірки, тому використання високого значення індуктивності може не привести до того, що схема підсилення працюватиме до повного розрядження акумулятора. Отже, компроміс повинен здійснюватися між вихідним струмом та мінімальним вхідним струмом у вихідній конструкції. Тут я використав значення 47uH, оскільки мені потрібен високий вихідний струм, ви можете зменшити це значення, якщо ваш струм навантаження буде меншим для вашої конструкції. Також важливо вибрати індуктор з низьким значенням ESR для високої ефективності вашої конструкції.

Вихідний конденсатор: Допустиме значення конденсатора від 47 мкФ до 220 мкФ. Функція цього вихідного конденсатора полягає у фільтруванні вихідних пульсацій. Значення цього слід визначати виходячи з характеру навантаження. Якщо це індуктивне навантаження, то для резистивних навантажень, таких як для мікроконтролерів або більшості датчиків, буде працювати конденсатор великого значення. Недоліком використання конденсатора великої вартості є збільшення вартості, а також це уповільнює роботу системи. Тут я використав танталовий конденсатор на 100 мкФ, оскільки танталові конденсатори краще контролюють пульсації, ніж керамічні конденсатори.

Діод: Єдине, що стосується діода, - це те, що він повинен мати дуже низьке падіння напруги. Відомо, що діоди Шотткі мають низькі прямі перепади напруги, ніж звичайні випрямні діоди. Отже, ми використовували діод SM14 SS14D, який має пряме падіння напруги менше 0,2 В.

Вхідний конденсатор: Подібно до вихідного конденсатора, вхідний конденсатор може використовуватися для управління напругою пульсацій перед входом в схему наддуву. Але тут, оскільки ми використовуємо акумулятор як джерело напруги, нам не знадобиться вхідний конденсатор для контролю пульсацій. Оскільки батареї за своєю природою забезпечують чисту постійну напругу без жодної пульсації в них.

Інші компоненти є лише допоміжними. Тримач батареї використовується для утримання комірки Coin, а порт UCB передбачений для підключення USB-кабелів безпосередньо до нашого модуля підсилення, щоб ми могли легко живити загальнодоступні плати розробки, такі як Arduino, ESP8266, ESP32 тощо.

Дизайн та виготовлення друкованих плат із використанням Easy EDA

Тепер, коли схема перетворення конвертора монетних осередків готова, настав час її виготовити. Оскільки всі компоненти тут доступні лише в пакеті SMD, мені довелося виготовити друковану плату для моєї схеми. Отже, як завжди, ми використовували Інтернет-інструмент EDA, який називається EasyEDA, щоб виготовити нашу друковану плату, оскільки вона дуже зручна у використанні, оскільки має хорошу колекцію слідів та є відкритим кодом.

Після проектування друкованої плати ми можемо замовити зразки друкованих плат завдяки їх недорогим послугам з виготовлення друкованих плат. Вони також пропонують послугу пошуку компонентів, де вони мають великий запас електронних компонентів, і користувачі можуть замовити необхідні компоненти разом із замовленням друкованих плат.

Проектуючи свої схеми та друковані плати, ви також можете зробити свої схеми та конструкції друкованих плат загальнодоступними, щоб інші користувачі могли їх копіювати або редагувати та отримувати користь від вашої роботи; ми також зробили всі наші схеми схем та друкованих плат друкованими для цієї схеми, перевірте посилання нижче:

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

Ви можете переглянути будь-який шар (верхній, нижній, верхній, молочний та ін.) Друкованої плати, вибравши шар у вікні "Шари". Нещодавно вони також представили опцію тривимірного перегляду, щоб ви також могли переглядати друковану плату Multicell для вимірювання напруги, як вона буде виглядати після виготовлення, використовуючи кнопку 3D View в EasyEDA:

Розрахунок та замовлення зразків через Інтернет

Після завершення проектування цього підсилювача ланцюга монети на 5 В ви можете замовити друковану плату через JLCPCB.com. Щоб замовити друковану плату у JLCPCB, вам потрібен файл Gerber. Щоб завантажити файли Gerber з вашої друкованої плати, просто натисніть кнопку «Створити файл виготовлення» на сторінці редактора EasyEDA, а потім завантажте файл Gerber звідти або натисніть кнопку «Замовити в JLCPCB», як показано на малюнку нижче. Це перенаправить вас на JLCPCB.com, де ви зможете вибрати кількість друкованих плат, яку ви хочете замовити, скільки шарів міді вам потрібно, товщину друкованої плати, масу міді і навіть колір друкованої плати, як знімок, показаний нижче. Ще одна хороша новина полягає в тому, що тепер ви можете отримати усі кольорові друковані плати за однаковою ціною від JLCPCB. Тому я вирішив придбати свій чорний колір лише для естетичного вигляду, ви можете вибрати свій улюблений колір.

Після натискання кнопки замовлення на кнопці JLCPCB ви перейдете на веб-сайт JLCPCB, де ви можете замовити будь-яку кольорову друковану плату за дуже низькою ціною, яка становить 2 долари для всіх кольорів. Їхній час збірки також дуже менший, що становить 48 годин при доставці DHL 3-5 днів, в основному ви отримаєте свої друковані плати протягом тижня з моменту замовлення. Більше того, вони також пропонують знижку в розмірі 20 доларів на доставку за ваше перше замовлення.

Після замовлення друкованої плати ви можете перевірити виробничий прогрес вашої друкованої плати з датою та часом. Ви перевіряєте це, перейшовши на сторінку облікового запису та клацніть на посилання "Прогрес виробництва" під друкованою платою, як показано на малюнку нижче.

Через кілька днів замовлення друкованих плат я отримав зразки друкованої плати в гарній упаковці, як показано на малюнках нижче.

Підготовка друкованої плати Boost Converter

Як видно з наведених зображень, дошка була в дуже хорошій формі, щоб всі сліди ніг та віази були на місці з точним необхідним розміром. Отже, я продовжив паяти всі компоненти SMD на платі, а потім скрізні отвори. За кілька хвилин моя друкована плата готова до дії. Моя дошка з усіма припаяними компонентами та монеткою зображена нижче

Тестування модуля підсилення монетних клітин

Тепер, коли наш модуль налаштований і працює, ми можемо розпочати його тестування. Підсилений вихід напруги 5 В з плати можна отримати через USB-порт або за допомогою штепсельного роз'єму біля нього. Я використовував свій мультиметр для вимірювання вихідної напруги, і, як бачите, вона була близько 5 В. Звідси ми можемо зробити висновок, що наш модуль підсилення працює належним чином.

Цей модуль тепер можна використовувати для живлення плат мікроконтролера або для живлення інших малих датчиків або схем. Майте на увазі, що максимальний струм, який він може подавати, становить лише 200 мА, тому не слід сподіватися, що він буде рухати великі навантаження. Однак я був задоволений тим, що живив свої плати Arduino та ESP з цим маленьким і компактним модулем. На малюнках нижче показано посилювальний перетворювач, що живить Arduino та STM.

Як і попередній модуль живлення, цей модуль підсилення монетних комірок також буде доданий до мого інвентаря, щоб я міг використовувати їх у всіх своїх майбутніх проектах, де б мені не було потрібно портативне компактне джерело живлення. Сподіваюся, вам сподобався проект і ви дізналися щось корисне в процесі побудови цього модуля. Повну роботу можна знайти у відео, наведеному нижче.

Якщо у вас виникли проблеми з тим, щоб щось працювати, сміливо опускайте їх у розділі коментарів або використовуйте наші форуми для інших технічних питань.