- المواد المطلوبة
- اعتبارات تصميم محول دفعة خلية واحدة
- مخطط الرسم البياني
- اختيار المكونات
- تصميم وتصنيع ثنائي الفينيل متعدد الكلور باستخدام Easy EDA
- حساب العينات وطلبها عبر الإنترنت
- تجهيز Boost Converter PCB
- اختبار وحدة تعزيز خلية العملة المعدنية
خلايا البطارية هي مصدر الطاقة الأكثر استخدامًا لتشغيل الإلكترونيات المحمولة. سواء كان ذلك منبهًا بسيطًا أو عقدة مستشعر إنترنت الأشياء أو هاتفًا محمولًا معقدًا ، فكل شيء يعمل بالبطاريات. في معظم الحالات ، تحتاج هذه الأجهزة المحمولة إلى عامل شكل صغير (حجم العبوة) وبالتالي يتم تشغيلها بواسطة بطارية خلية واحدة ، مثل خلية الليثيوم CR2032 الشهيرة أو غيرها من الليثيوم بوليمر 3.7 فولت أو 18650 خلية. تحتوي هذه الخلايا على طاقة عالية بالنسبة لحجمها ولكن العيب الشائع لهذه الخلايا هو جهد التشغيل. تحتوي بطارية الليثيوم النموذجية على جهد اسمي يبلغ 3.7 فولت ، ولكن هذا الجهد يمكن أن ينخفض إلى 2.8 فولت عند استنزافه بالكامل ويصل إلى 4.2 فولت عند الشحن الكامل وهو أمر غير مرغوب فيه جدًا لتصميمات الإلكترونيات لدينا والتي تعمل إما مع 3.3 منظم V أو 5V كجهد تشغيل.
يؤدي هذا إلى الحاجة إلى محول تعزيز يمكنه استيعاب هذا المتغير 2.8 فولت إلى 4.2 فولت كجهد دخل وتنظيمه إلى 3.3 فولت أو 5 فولت. لحسن الحظ ، على الرغم من وجود IC يسمى BL8530 والذي يقوم بنفس الشيء تمامًا مع الحد الأدنى من المكونات الخارجية. لذلك ، في هذا المشروع ، سنبني دائرة تقوية منخفضة التكلفة 5 فولت توفر جهد خرج منظم ثابتًا يبلغ 5 فولت من خلية عملة CR2032 ؛ سنقوم أيضًا بتصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور مضغوط لمحول التعزيز هذا بحيث يمكن استخدامه في جميع مشاريعنا المحمولة المستقبلية. سيكون الحد الأقصى لتيار الإخراج لمحول التعزيز 200 مللي أمبيروهو أمر جيد بما يكفي لتشغيل وحدات التحكم الدقيقة وأجهزة الاستشعار الأساسية. ميزة أخرى لهذه الدائرة هي أنه إذا كان مشروعك يتطلب 3.3 فولت منظم بدلاً من 5 فولت ، فيمكن أيضًا استخدام نفس الدائرة لتنظيم 3.3 فولت عن طريق تبديل مكون واحد فقط. يمكن أن تعمل هذه الدائرة أيضًا كبنك طاقة لتشغيل اللوحات الصغيرة مثل Arduino و STM32 و MSP430 وما إلى ذلك. لقد قمنا سابقًا ببناء نوع مماثل من محول التعزيز باستخدام بطارية الليثيوم لشحن الهاتف الخلوي.
المواد المطلوبة
- BL8530-5V Booster IC (SOT89)
- محث 47uH (5 مم SMD)
- SS14 ديود (SMD)
- 1000 فائق التوهج 16 فولت مكثف التنتالوم (SMD)
- حامل خلية العملة
- موصل USB أنثى
اعتبارات تصميم محول دفعة خلية واحدة
ستكون متطلبات التصميم لمحول Single cell Boost مختلفة عن متطلبات محول التعزيز العادي. هذا لأنه يتم هنا تعزيز الطاقة من البطارية (خلية العملة) إلى جهد خرج حتى يعمل الجهاز. لذلك يجب الحرص على أن دائرة التعزيز تستخدم أقصى طاقة للبطارية بكفاءة عالية للحفاظ على تشغيل الجهاز لأطول فترة ممكنة. عند اختيار IC المعزز لتصميماتك ، يمكنك مراعاة المعلمات الأربعة التالية. يمكنك أيضًا قراءة المقالة حول Boost Regulator Design لمعرفة المزيد عنها.
جهد بدء التشغيل: هذا هو الحد الأدنى المطلوب لجهد الإدخال من البطارية حتى يبدأ محول التعزيز في التشغيل. عند تشغيل محول التعزيز ، يجب أن تكون البطارية على الأقل قادرة على توفير جهد بدء التشغيل هذا حتى يعمل معززك. في تصميمنا ، جهد البدء المطلوب هو 0.8 فولت وهو أقل من أي جهد لخلية عملة معدنية مفرغة بالكامل.
الجهد المستمر : بمجرد تشغيل الجهاز بدائرة التعزيز ، سيبدأ جهد البطارية في الانخفاض نظرًا لأنه يعطي طاقة. يسمى الجهد الذي سيحتفظ به IC المعزز بأدائه بجهد التعليق. تحت هذا الجهد ، سيتوقف IC عن الوظيفة ولن نحصل على جهد خرج. لاحظ أن الجهد المستمر سيكون دائمًا أقل من جهد بدء التشغيل. هذا هو IC سيتطلب المزيد من الجهد لبدء تشغيله وأثناء حالة التشغيل ، يمكنه استنزاف البطارية بطريقة أقل من ذلك. جهد التثبيت في دائرتنا هو 0.7 فولت.
التيار الهادئ: يُطلق على مقدار التيار الذي ترسمه دائرة التعزيز لدينا (يهدر) حتى عندما لا يكون هناك حمل متصل على جانب الخرج باسم التيار الهادئ. يجب أن تكون هذه القيمة منخفضة قدر الإمكان ، بالنسبة إلى IC لدينا ، تتراوح قيمة التيار الهادئ بين 4uA إلى 7uA. من المهم جدًا أن تكون هذه القيمة منخفضة أو صفرية إذا لم يتم توصيل الجهاز للتحميل لفترة طويلة.
مقاومة التشغيل: ستشمل كل دارات محول التعزيز جهاز تبديل مثل MOSFET أو FETs الأخرى فيه. إذا كنا نستخدم محول IC ، فسيتم تضمين جهاز التبديل هذا داخل IC. من المهم أن يكون هذا المفتاح ذو مقاومة منخفضة جدًا. على سبيل المثال في تصميمنا هنا ، يحتوي IC BL8530 على مفتاح داخلي بمقاومة عند 0.4 درجة وهي قيمة مناسبة. ستسقط هذه المقاومة الجهد عبر المفتاح بناءً على التيار من خلاله (قانون أوم) مما يقلل من كفاءة الوحدة.
هناك العديد من الطرق لزيادة الجهد ، بعضها موضّح في سلسلة دارة الشاحن هنا.
مخطط الرسم البياني
يظهر الرسم التخطيطي الكامل للدائرة الداعمة 5 فولت أدناه ، وقد تم رسم المخططات باستخدام EasyEDA.
كما ترى ، تتطلب الدائرة مكونات قليلة جدًا نظرًا لأن كل الأعمال الشاقة يتم سحبها بواسطة BL8530 IC. يوجد العديد من إصدارات BL8530 IC ، النسخة المستخدمة هنا "BL8530-50" حيث يمثل 50 جهد الخرج 5 فولت. وبالمثل ، سيكون لدى IC BL8530-33 جهد خرج يبلغ 3.3 فولت ، ومن ثم بمجرد استبدال هذا IC ، يمكننا الحصول على جهد الخرج المطلوب. يتوفر إصدار 2.5 فولت و 3 فولت و 4.2 فولت و 5 فولت وحتى 6 فولت من هذا IC في السوق. سنركز في هذا البرنامج التعليمي على الإصدار 5V. يتطلب IC فقط مكثفًا ومحثًا وصمامًا ثنائيًا جنبًا إلى جنب مع العمل ، دعنا نرى كيفية تحديد المكونات.
اختيار المكونات
محث: الاختيار المتاح لقيمة المحرِّض لهذا IC هو من 3uH إلى 1mH. إن استخدام قيمة عالية للمحث سيوفر تيارًا عاليًا للإخراج وكفاءة عالية. ومع ذلك ، فإن الجانب السلبي هو أنه يتطلب جهدًا عاليًا للإدخال من الخلية للعمل ، لذا فإن استخدام قيمة محث عالية قد لا يجعل دائرة التعزيز تعمل حتى يتم استنزاف البطارية تمامًا. ومن ثم يجب إجراء مفاضلة بين تيار الإخراج والحد الأدنى من المدخلات الحالية في التصميم الخارجي. لقد استخدمت هنا قيمة 47uH لأنني أحتاج إلى تيار إخراج مرتفع ، يمكنك تقليل هذه القيمة إذا كان تيار الحمل لديك سيكون أقل بالنسبة لتصميمك. من المهم أيضًا اختيار محث ذي قيمة ESR منخفضة لتحقيق كفاءة عالية لتصميمك.
مكثف الإخراج: القيمة المسموح بها للمكثف من 47 فائق التوهج إلى 220 فائق التوهج. تتمثل وظيفة مكثف الإخراج هذا في تصفية تموجات الإخراج. يجب تحديد قيمة هذا بناءً على طبيعة الحمل. إذا كان حملًا استقرائيًا ، يوصى باستخدام مكثف عالي القيمة للأحمال المقاومة مثل المتحكمات الدقيقة أو معظم أجهزة الاستشعار ، سيعمل المكثف ذو القيمة المنخفضة. عيب استخدام مكثف عالي القيمة هو زيادة التكلفة كما أنه يبطئ النظام. لقد استخدمت هنا مكثفًا من التنتالوم 100 فائق التوهج ، لأن مكثفات التنتالوم أفضل في التحكم في التموج من المكثفات الخزفية.
الصمام الثنائي: الاعتبار الوحيد للديود هو أنه يجب أن يكون له انخفاض شديد في الجهد المنخفض. من المعروف أن ثنائيات شوتكي تحتوي على قطرات جهد أمامي منخفضة من الثنائيات المعدلة العادية. ومن ثم استخدمنا الصمام الثنائي SS14D SMD الذي يحتوي على انخفاض في الجهد الأمامي أقل من 0.2V.
مكثف الإدخال: على غرار مكثف الإخراج ، يمكن استخدام مكثف الإدخال للتحكم في تموج الفولتية قبل الدخول إلى دائرة التعزيز. ولكن نظرًا لأننا نستخدم البطارية كمصادر جهدنا ، فلن نحتاج إلى مكثف إدخال للتحكم في التموج. لأن البطاريات بطبيعتها توفر جهد تيار مستمر نقي دون أي تموج فيها.
المكونات الأخرى هي مجرد مكونات مساعدة. يتم استخدام حامل البطارية للاحتفاظ بخلية Coin ويتم توفير منفذ UCB لتوصيل كبلات USB مباشرة بوحدة التعزيز الخاصة بنا حتى نتمكن بسهولة من تشغيل لوحات التطوير المشتركة مثل Arduino و ESP8266 و ESP32 وما إلى ذلك.
تصميم وتصنيع ثنائي الفينيل متعدد الكلور باستخدام Easy EDA
الآن بعد أن أصبحت دائرة محول Coin Cell Boost جاهزة ، فقد حان الوقت لتصنيعها. نظرًا لأن جميع المكونات هنا متوفرة فقط في حزمة SMD ، فقد اضطررت إلى تصنيع PCB لدائري. لذلك ، كما هو الحال دائمًا ، استخدمنا أداة EDA عبر الإنترنت المسماة EasyEDA لتصنيع ثنائي الفينيل متعدد الكلور الخاص بنا لأنه مناسب جدًا للاستخدام نظرًا لأنه يحتوي على مجموعة جيدة من آثار الأقدام وهو مفتوح المصدر.
بعد تصميم PCB ، يمكننا طلب عينات PCB من خلال خدمات تصنيع PCB منخفضة التكلفة. كما أنها توفر خدمة تحديد مصادر المكونات حيث يكون لديها مخزون كبير من المكونات الإلكترونية ويمكن للمستخدمين طلب المكونات المطلوبة مع طلب ثنائي الفينيل متعدد الكلور.
أثناء تصميم الدوائر الخاصة بك وثنائي الفينيل متعدد الكلور ، يمكنك أيضًا جعل تصميمات الدوائر الكهربائية وثنائي الفينيل متعدد الكلور علنية حتى يتمكن المستخدمون الآخرون من نسخها أو تعديلها والاستفادة من عملك ، كما أننا جعلنا تخطيطات الدوائر و PCB بالكامل عامة لهذه الدائرة ، تحقق الرابط أدناه:
easyeda.com/CircuitDigest/Single-Cell-Boost-Converter
يمكنك عرض أي طبقة (علوي ، سفلي ، علوي ، حريري ، إلخ) لثنائي الفينيل متعدد الكلور عن طريق تحديد الطبقة من نافذة "الطبقات". لقد أدخلوا مؤخرًا أيضًا خيار العرض ثلاثي الأبعاد بحيث يمكنك أيضًا عرض الجهد متعدد الخلايا لقياس الجهد ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، حول كيفية ظهوره بعد التصنيع باستخدام زر العرض ثلاثي الأبعاد في EasyEDA:
حساب العينات وطلبها عبر الإنترنت
بعد الانتهاء من تصميم دائرة تعزيز خلية العملة المعدنية 5 فولت ، يمكنك طلب PCB من خلال JLCPCB.com. لطلب PCB من JLCPCB ، تحتاج إلى ملف Gerber. لتنزيل ملفات Gerber من PCB ، ما عليك سوى النقر فوق الزر Generate Fabrication File في صفحة محرر EasyEDA ، ثم قم بتنزيل ملف Gerber من هناك أو يمكنك النقر فوق Order at JLCPCB كما هو موضح في الصورة أدناه. سيؤدي هذا إلى إعادة توجيهك إلى JLCPCB.com ، حيث يمكنك تحديد عدد مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور التي تريد طلبها ، وعدد طبقات النحاس التي تحتاجها ، وسمك ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، ووزن النحاس ، وحتى لون ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، مثل اللقطة الموضحة أدناه. هناك خبر سار آخر وهو أنه يمكنك الآن الحصول على جميع مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور الملونة بنفس السعر من JLCPCB. لذلك قررت أن أحصل على اللون الأسود فقط للحصول على مظهر جمالي ، يمكنك اختيار لونك المفضل.
بعد النقر على زر JLCPCB ، سينقلك إلى موقع JLCPCB حيث يمكنك طلب أي لوحة PCB ملونة بسعر منخفض جدًا وهو 2 دولار لجميع الألوان. كما أن وقت الإنشاء أقل بكثير وهو 48 ساعة مع توصيل DHL من 3-5 أيام ، وستحصل بشكل أساسي على مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور في غضون أسبوع من الطلب. علاوة على ذلك ، يقدمون أيضًا خصمًا قدره 20 دولارًا على الشحن لطلبك الأول.
بعد طلب PCB ، يمكنك التحقق من تقدم إنتاج PCB الخاص بك مع التاريخ والوقت. يمكنك التحقق من ذلك بالانتقال إلى صفحة الحساب والنقر على رابط "تقدم الإنتاج" أسفل PCB كما هو موضح في الصورة أدناه.
بعد أيام قليلة من طلب PCB ، حصلت على عينات PCB في عبوات لطيفة كما هو موضح في الصور أدناه.
تجهيز Boost Converter PCB
كما ترون من الصور أعلاه ، كانت اللوحة في حالة جيدة جدًا وستكون جميع آثار الأقدام والشقوق في مكانها بالحجم المطلوب بالضبط. لذلك ، شرعت في لحام جميع مكونات SMD الموجودة على اللوحة ثم المكونات من خلال الفتحة. في غضون دقائق بلدي PCB للاستعداد للعمل. لوحتي مع جميع المكونات الملحومة وخلية العملة المعدنية موضحة أدناه
اختبار وحدة تعزيز خلية العملة المعدنية
الآن بعد أن تم ضبط الوحدة الخاصة بنا وتشغيلها ، يمكننا البدء في اختبارها. يمكن الحصول على خرج 5 فولت المعزز من اللوحة إما من منفذ USB أو من خلال دبوس الرأس الذكر بالقرب منه. لقد استخدمت جهاز القياس المتعدد لقياس جهد الخرج وكما ترى كان قريبًا من 5 فولت. ومن ثم يمكننا أن نستنتج أن وحدة التعزيز الخاصة بنا تعمل بشكل صحيح.
يمكن الآن استخدام هذه الوحدة لتزويد لوحات التحكم الدقيقة بالطاقة أو لتشغيل أجهزة استشعار أو دوائر صغيرة أخرى. ضع في اعتبارك أن الحد الأقصى للتيار الذي يمكن أن يسلمه هو 200 مللي أمبير فقط ، لذلك لا تتوقع أن يقود الأحمال الثقيلة. ومع ذلك ، كنت سعيدًا بتزويد لوحات Arduino ولوحات ESP بالطاقة بهذه الوحدة الصغيرة والمدمجة. تُظهر الصور أدناه محول التعزيز الذي يعمل على تشغيل Arduino و STM.
تمامًا مثل وحدة تزويد الطاقة للوح السابق ، ستتم أيضًا إضافة وحدة تعزيز خلية العملة المعدنية هذه إلى مخزوني حتى أتمكن من استخدامها في جميع مشاريعي المستقبلية أينما كنت بحاجة إلى مصدر طاقة مضغوط محمول. آمل أن يكون المشروع قد أعجبك وتعلمت شيئًا مفيدًا في عملية بناء هذه الوحدة. يمكن العثور على العمل الكامل في الفيديو المرتبط أدناه.
إذا كانت لديك أي مشكلة في جعل الأشياء تعمل ، فلا تتردد في تركها في قسم التعليقات أو استخدام منتدياتنا للأسئلة الفنية الأخرى.