Catu Daya Bluetooth Bertenaga USB C Digital: 8 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:57

Pernah menginginkan catu daya yang dapat Anda gunakan saat bepergian, bahkan tanpa stopkontak di dekat Anda? Dan bukankah lebih keren jika itu juga sangat presisi, digital, dan dapat dikontrol melalui PC dan telepon Anda?

Dalam instruksi ini saya akan menunjukkan kepada Anda bagaimana membangunnya dengan tepat: catu daya digital, yang didukung melalui USB C. Ini kompatibel dengan arduino dan dapat dikontrol melalui PC melalui USB atau melalui ponsel Anda melalui Bluetooth.

Proyek ini merupakan evolusi dari catu daya saya sebelumnya, yang dioperasikan dengan baterai dan memiliki tampilan dan kenop. Lihat disini! Namun, saya ingin menjadi lebih kecil, jadi itulah mengapa saya membuat ini!

Catu daya dapat diberi daya dari bank baterai USB C atau pengisi daya telepon. Ini memungkinkan daya hingga 15W, yang cukup untuk memberi daya pada sebagian besar elektronik berdaya rendah! Untuk memiliki UI yang bagus pada perangkat sekecil itu, saya menyertakan Bluetooth dan aplikasi Android untuk kontrolnya. Hal ini membuat catu daya ini sangat portabel!

Saya akan menunjukkan seluruh proses desain, dan semua file proyek dapat ditemukan di halaman GitHub saya:

Mari kita mulai!

Langkah 1: Fitur & Biaya

Fitur

• Didukung oleh USB C
• Dikendalikan melalui aplikasi Android melalui Bluetooth
• Dikendalikan melalui Java melalui USB C
• Tegangan konstan dan mode arus konstan
• Menggunakan regulator linier kebisingan rendah, didahului oleh preregulator pelacakan untuk meminimalkan disipasi daya
• Didukung oleh ATMEGA32U4, diprogram dengan Arduino IDE
• Dapat ditenagai oleh bank baterai USB C untuk membuatnya portabel
• Deteksi pengisi daya USB C dan Apple
• Colokan pisang dengan jarak 18 mm untuk kompatibilitas dengan adaptor BNC

spesifikasi

• 0 - 1A, langkah 1 mA (10 bit DAC)
• 0 - 25V, langkah 25 mV (10 bit DAC) (operasi 0V sebenarnya)
• Pengukuran tegangan: resolusi 25 mV (10 bit ADC)
• Pengukuran saat ini:< 40mA: resolusi 10uA (ina219)< 80mA: resolusi 20uA (ina219)< 160mA: resolusi 40uA (ina219)< 320mA: resolusi 80uA (ina219)> 320mA: resolusi 1mA (10 bit ADC)

Biaya

Powersupply lengkap saya menghabiskan biaya sekitar $100, dengan semua komponen satu kali. Meskipun ini mungkin tampak mahal, powersupply dengan kinerja dan fitur yang jauh lebih sedikit sering kali lebih mahal dari ini. Jika Anda tidak keberatan memesan komponen Anda dari ebay atau aliexpress, harganya akan turun menjadi sekitar $70. Diperlukan waktu lebih lama untuk mendapatkan suku cadang, tetapi ini adalah opsi yang layak.

Langkah 2: Skema & Teori Operasi

Untuk memahami operasi rangkaian, kita harus melihat skema. Saya membaginya menjadi blok-blok fungsional, sehingga lebih mudah dipahami; Dengan demikian saya juga akan menjelaskan operasi langkah demi langkah. Bagian ini cukup mendalam dan membutuhkan pengetahuan elektronik yang baik. Jika Anda hanya ingin tahu cara membangun sirkuit, Anda dapat melompat ke langkah berikutnya.

Blok utama

Operasi ini didasarkan pada chip LT3080: ini adalah regulator tegangan linier, yang dapat menurunkan tegangan, berdasarkan sinyal kontrol. Sinyal kontrol ini akan dihasilkan oleh mikrokontroler; bagaimana ini dilakukan, akan dijelaskan secara rinci nanti.

Pengaturan tegangan

Sirkuit di sekitar LT3080 menghasilkan sinyal kontrol yang sesuai. Pertama, kita akan melihat bagaimana tegangan diatur. Setting tegangan dari mikrokontroler adalah sinyal PWM (PWM_Vset), yang difilter oleh lowpass filter (C23 & R32). Ini menghasilkan tegangan analog - antara 0 dan 5 V - sebanding dengan tegangan output yang diinginkan. Karena jangkauan keluaran kami adalah 0 - 25 V, kami harus memperkuat sinyal ini dengan faktor 5. Hal ini dilakukan oleh konfigurasi opamp non-pembalik U7C. Gain ke pin set ditentukan oleh R31 dan R36. Resistor ini memiliki toleransi 0,1%, untuk meminimalkan kesalahan. R39 dan R41 tidak masalah di sini, karena mereka adalah bagian dari loop umpan balik.

Pengaturan saat ini

Pin set ini juga dapat digunakan untuk pengaturan kedua: mode saat ini. Kami ingin mengukur penarikan saat ini, dan mematikan output ketika ini melebihi arus yang diinginkan. Oleh karena itu, kita mulai lagi dengan sinyal PWM (PWM_Iset), yang dihasilkan oleh mikrokontroler, yang sekarang difilter lowpass dan dilemahkan untuk beralih dari kisaran 0 - 5 V ke kisaran 0 - 2,5 V. Tegangan ini sekarang dibandingkan dengan penurunan tegangan pada resistor penginderaan arus (ADC_Iout, lihat di bawah) oleh konfigurasi komparator opamp U1B. Jika arus terlalu tinggi, ini akan menyalakan led, dan juga menarik garis set LT3080 ke ground (melalui Q1), sehingga mematikan output. Pengukuran arus, dan pembangkitan sinyal ADC_Iout dilakukan sebagai berikut. Arus keluaran mengalir melalui resistor R22. Ketika arus mengalir melalui resistor ini, itu menciptakan penurunan tegangan, yang dapat kita ukur, dan ditempatkan sebelum LT3080, karena penurunan tegangan yang melintasinya seharusnya tidak mempengaruhi tegangan output. Penurunan tegangan diukur dengan penguat diferensial (U7B) dengan penguatan 5. Ini menghasilkan kisaran tegangan 0 - 2,5 V (lebih lanjut tentang itu nanti), maka pembagi tegangan pada sinyal PWM arus. Buffer (U7A) ada untuk memastikan bahwa arus yang mengalir ke resistor R27, R34 dan R35 tidak melalui resistor indera arus, yang akan mempengaruhi pembacaannya. Perhatikan juga bahwa ini harus menjadi opamp rel-ke-rel, karena tegangan input pada input positif sama dengan tegangan suplai. Penguat non pembalik hanya untuk pengukuran saja, untuk pengukuran yang sangat presisi, kami memiliki chip INA219. Chip ini memungkinkan kita untuk mengukur arus yang sangat kecil, dan dialamatkan melalui I2C.

Hal-hal tambahan

Pada keluaran LT3080, kami memiliki beberapa barang lagi. Pertama-tama, ada wastafel saat ini (LM334). Ini menarik arus konstan 677 uA (diatur oleh resistor R46), untuk menstabilkan LT3080. Namun tidak terhubung ke ground, tetapi ke VEE, tegangan negatif. Ini diperlukan untuk memungkinkan LT3080 beroperasi hingga 0 V. Saat terhubung ke ground, tegangan terendah adalah sekitar 0,7 V. Ini tampaknya cukup rendah, tetapi perlu diingat bahwa ini mencegah kita mematikan catu daya sepenuhnya. Sayangnya, rangkaian ini berada pada output dari LT3080, yang berarti arusnya akan berkontribusi pada arus keluaran yang ingin kita ukur. Untungnya, ini konstan sehingga kami dapat mengkalibrasi untuk arus ini. Dioda zener D7 digunakan untuk menjepit tegangan output jika melebihi 25 V, dan pembagi resistor menurunkan rentang tegangan output dari 0 - 25 V menjadi 0 - 2,5 V (ADC_Vout). Buffer (U7D) memastikan resistor tidak menarik arus dari output.

Pompa pengisian daya

Tegangan negatif yang kami sebutkan sebelumnya dihasilkan oleh sirkuit kecil yang aneh: pompa muatan. Ini diberi makan oleh 50% PWM dari mikrokontroler (PWM).

Tingkatkan Konverter

Sekarang mari kita lihat tegangan input blok utama kita: VCC. Kami melihat bahwa itu adalah 5 - 27V, tetapi tunggu, USB memberikan maksimum 5 V? Memang, dan itulah mengapa kita perlu meningkatkan tegangan, dengan apa yang disebut konverter boost. Kami selalu dapat meningkatkan tegangan hingga 27 V, apa pun keluaran yang kami inginkan; namun, ini akan membuang banyak daya di LT3080 dan segalanya akan menjadi panas! Jadi alih-alih melakukan itu, kami akan meningkatkan tegangan menjadi sedikit lebih tinggi daripada tegangan keluaran. Sekitar 2,5 V lebih tinggi sesuai, untuk memperhitungkan penurunan tegangan pada resistor indera arus dan tegangan putus-putus dari LT3080. Tegangan diatur oleh resistor pada sinyal output dari konverter boost. Untuk mengubah tegangan ini dengan cepat, kami menggunakan potensiometer digital, MCP41010, yang dikendalikan melalui SPI.

USB C

Ini membawa kita ke tegangan input nyata: port USB! Alasan menggunakan USB C (USB tipe 3.1 tepatnya, USB C hanyalah tipe konektor) adalah karena memungkinkan arus 3A pada 5V, itu sudah cukup banyak daya. Tapi ada masalah, perangkat harus sesuai untuk menarik arus ini dan 'bernegosiasi' dengan perangkat host. Dalam praktiknya, ini dilakukan dengan menghubungkan dua resistor pull-down 5.1k (R12 dan R13) ke jalur CC1 dan CC2. Untuk kompatibilitas USB 2, dokumentasinya kurang jelas. Singkatnya: Anda menggambar arus apa pun yang Anda inginkan, selama tuan rumah dapat menyediakannya. Ini dapat diperiksa dengan memantau tegangan bus USB: satu tegangan turun di bawah 4,25V, perangkat menarik terlalu banyak arus. Ini dideteksi oleh komparator U1A dan akan menonaktifkan output. Ini juga mengirimkan sinyal ke mikrokontroler untuk mengatur arus maksimum. Sebagai bonus, resistor telah ditambahkan untuk mendukung deteksi ID pengisi daya dari pengisi daya apple dan samsung.

pengatur 5V

Tegangan suplai 5 V dari arduino biasanya datang langsung dari USB. Tetapi karena tegangan USB dapat bervariasi antara 4,5 dan 5,5 V sesuai dengan spesifikasi USB, ini tidak cukup tepat. Oleh karena itu, digunakan regulator 5V, yang dapat menghasilkan 5V dari tegangan yang lebih rendah dan lebih tinggi. Namun, tegangan ini tidak terlalu tepat, tetapi ini diselesaikan dengan langkah kalibrasi di mana siklus kerja sinyal PWM disesuaikan. Tegangan e ini diukur dengan pembagi tegangan yang dibentuk oleh R42 dan R43. Tapi karena saya tidak punya input lagi, saya harus membuat pin pull double duty. Saat powersupply boot, pin ini pertama kali diset sebagai input: pin ini mengukur rel suplai dan mengkalibrasi dirinya sendiri. Selanjutnya, itu diatur sebagai output dan dapat menggerakkan jalur pemilihan chip dari potensiometer.

Referensi tegangan 2,56 V

Chip kecil ini memberikan referensi tegangan 2,56 V yang sangat akurat. Ini digunakan sebagai referensi untuk sinyal analog ADC_Vout, ADC_Iout, ADC_Vbatt. Itu sebabnya kami membutuhkan pembagi tegangan untuk menurunkan sinyal ini menjadi 2,5 V.

FTDI

Bagian terakhir dari power supply ini adalah koneksi dengan dunia luar yang kejam. Untuk ini, kita perlu mengubah sinyal serial menjadi sinyal USB. Untungnya, ini dilakukan oleh ATMEGA32U4, ini adalah chip yang sama yang digunakan di Mikro Arduino.

Bluetooth

Bagian Bluetooth sangat sederhana: modul Bluetooth siap pakai ditambahkan dan menangani semuanya untuk kami. Karena level logikanya adalah 3.3V (VS 5V untuk mikrokontroler), pembagi tegangan digunakan untuk mengubah level sinyal.

Dan hanya itu yang ada!

Langkah 3: PCB & Elektronik

Sekarang setelah kita memahami cara kerja rangkaian, kita dapat mulai membangunnya! Anda cukup memesan PCB secara online dari pabrikan favorit Anda (biaya tambang sekitar $10), file gerber dapat ditemukan di GitHub saya, bersama dengan bill of material. Merakit PCB pada dasarnya adalah masalah menyolder komponen pada tempatnya sesuai dengan sablon dan tagihan bahan.

Sementara powersupply saya sebelumnya hanya memiliki komponen melalui lubang, batasan ukuran untuk yang baru membuat ini tidak mungkin. Sebagian besar komponen masih relatif mudah disolder, jadi jangan takut. Sebagai ilustrasi: seorang teman saya yang belum pernah menyolder sebelumnya berhasil mengisi perangkat ini!

Paling mudah untuk melakukan komponen di sisi depan terlebih dahulu, lalu di belakang dan selesai dengan komponen lubang olah. Saat melakukan ini, PCB tidak akan goyang saat menyolder komponen yang paling sulit. Komponen terakhir yang harus disolder adalah modul Bluetooth.

Semua komponen bisa disolder, kecuali 2 buah banana jack, yang akan kita pasang di langkah selanjutnya!

Langkah 4: Kasus & Perakitan

Dengan PCB yang dibuat, kita dapat beralih ke kasing. Saya secara khusus mendesain PCB di sekitar casing aluminium 20x50x80mm (https://www.aliexpress.com/item/Aluminum-PCB-Instr…), jadi tidak disarankan menggunakan casing lain. Namun, Anda selalu dapat mencetak kasing 3D dengan dimensi yang sama.

Langkah pertama adalah menyiapkan panel akhir. Kita perlu mengebor beberapa lubang untuk jack pisang. Saya melakukan ini dengan tangan, tetapi jika Anda memiliki akses ke CNC, itu akan menjadi pilihan yang lebih akurat. Masukkan jack pisang ke dalam lubang ini dan solder pada PCB.

Sebaiknya tambahkan beberapa bantalan sutra sekarang, dan tahan di tempatnya dengan setetes kecil lem super. Ini akan memungkinkan perpindahan panas antara LT3080 dan LT1370 dan casing. Jangan lupakan mereka!

Kita sekarang dapat fokus pada panel depan, yang hanya disekrup pada tempatnya. Dengan kedua panel terpasang, sekarang kita dapat memasukkan rakitan ke dalam casing dan menutup semuanya. Pada titik ini perangkat keras sudah selesai, sekarang yang tersisa hanyalah meniupkan kehidupan ke dalamnya dengan perangkat lunak!

Langkah 5: Kode Arduino

Otak dari proyek ini adalah ATMEGA32U4, yang akan kami program dengan Arduino IDE. Di bagian ini, saya akan membahas operasi dasar kode, detailnya dapat ditemukan sebagai komentar di dalam kode.

Kode pada dasarnya mengulang langkah-langkah ini:

1. Kirim data ke aplikasi
2. Baca data dari aplikasi
3. Ukur tegangan
4. Ukur arus
5. Tombol polling

Arus lebih USB ditangani oleh rutin layanan interupsi agar seresponsif mungkin.

Sebelum chip dapat diprogram melalui USB, bootloader harus dibakar. Ini dilakukan melalui port ISP/ICSP (header laki-laki 3x2) melalui programmer ISP. Pilihannya adalah AVRISPMK2, USBTINY ISP atau arduino sebagai ISP. Pastikan papan menerima daya dan tekan tombol 'bakar bootloader'.

Kode sekarang dapat diunggah ke papan melalui port USB C (karena chip memiliki bootloader). Board: Arduino Micro Programmer: AVR ISP / AVRISP MKII Sekarang kita dapat melihat interaksi antara Arduino dan PC.

Langkah 6: Aplikasi Android

Kami sekarang memiliki catu daya yang berfungsi penuh, tetapi belum ada cara untuk mengendalikannya. Sangat menyebalkan. Jadi kita akan membuat aplikasi Android untuk mengontrol power supply melalui Bluetooth.

Aplikasi ini telah dibuat dengan program penemu aplikasi MIT. Semua file dapat disertakan untuk mengkloning dan memodifikasi proyek. Pertama, unduh aplikasi pendamping MIT AI2 ke ponsel Anda. Selanjutnya, impor file.aia di situs web AI. Ini juga memungkinkan Anda untuk mengunduh aplikasi di ponsel Anda sendiri dengan memilih "Bangun> Aplikasi (berikan kode QR untuk.apk)"

Untuk menggunakan aplikasi, pilih perangkat Bluetooth dari daftar: itu akan muncul sebagai modul HC-05. Saat terhubung, semua pengaturan dapat diubah dan output dari catu daya dapat dibaca.

Langkah 7: Kode Java

Untuk logging data dan mengontrol power supply melalui PC, saya membuat aplikasi java. Ini memungkinkan kita untuk dengan mudah mengontrol papan melalui GUI. Seperti dengan kode Arduino, saya tidak akan membahas semua detail, tetapi memberikan gambaran umum.

Kita mulai dengan membuat jendela dengan tombol, bidang teks, dll; hal-hal dasar GUI.

Sekarang tiba bagian yang menyenangkan: menambahkan port USB, yang saya gunakan perpustakaan jSerialComm. Setelah port dipilih, java akan mendengarkan data yang masuk. Kami juga dapat mengirim data ke perangkat.

Selanjutnya semua data yang masuk disimpan ke dalam file csv, untuk pengolahan data selanjutnya.

Saat menjalankan file.jar, pertama-tama kita harus memilih port yang tepat dari menu dropdown. Setelah menghubungkan data akan mulai masuk, dan kami dapat mengirim pengaturan kami ke powersupply.

Meskipun program ini cukup mendasar, akan sangat berguna untuk mengontrolnya melalui PC dan mencatat datanya.

Langkah 8:

Setelah semua pekerjaan ini, kami sekarang memiliki catu daya yang berfungsi penuh!

Kita sekarang dapat menikmati pasokan listrik buatan kita sendiri, yang akan berguna saat mengerjakan proyek luar biasa lainnya! Dan yang paling penting: kami telah belajar banyak hal selama ini.

Jika Anda menyukai proyek ini, silakan pilih saya di kontes mikrokontroler dan ukuran saku, saya akan sangat menghargainya!