[Dla początkujących] Zasilanie robotów, czyli jak i czym karmić robota.

[Mihau]

Wstęp

Przy budowie robotów przychodzi taki moment kiedy musimy wybrać najlepsze źródło zasilania. I często nie jest to sprawa prosta.

W robotach musimy zasilać zarówno logikę, jak i elementy wykonawcze, najczęściej silniki. W obu przypadkach ważne jest napięcie i prąd pobierany przez elementy.

Logika

Logika najczęściej potrzebuje 5V, choć to zależy od projektu i wykorzystanych układów, w przypadku procesorów zawsze mamy pewien zakres napięcia w którym układ działa, np. 3.7V-5.5V. Przekroczenie tych wartości może spowodować uszkodzenie, lub błędne działanie procesora. To daje nam możliwość zasilania z np 3 baterii AA(A), których napięcie wynosi 1.5V, co daj nam 4.5V. Oczywiście świeże baterie dają większe napięcie, a bardziej wyczerpane mniejsze, ale zawsze zmieści się w granicach zasilania procka.

Jednak często stosuje się wspólne źródło zasilania dla logiki i elementów wykonawczych, przy czym w większości przypadków te drugie mają wyższe napięcie zasilania. Czasem, jeśli tylko dany układ tego wymaga stosuje się napięcie zasilania 3.3V.

Dodatkowo przy obciążeniu, na ogniwach występuje spadek napięcia, wynikający z istnienia wewnętrznej rezystancji ogniwa i z prawa Ohma:

U=R×I

Przyjmuje się, że im lepsze ogniwo, tym ma niższą rezystancję wew.

- Dobrze, ale co z tymi 5V? Przecież z powietrza się ich nie weźmie.

Jeśli mamy większe napięcie zasilania, potrzebujemy je zmniejszyć do 5V. Teoretycznie wystarczyłoby dać jakiś rezystor, tak dobrany, żeby spadek napięcia na nim był równy różnicy UBAT i 5V. Jednak w praktyce okazuje to się niewykonalne, z prostego powodu: nie będziemy znać prądu pobieranego przez procesor w 100%, a nawet jeśli, to nie będzie on stały. Wystarczy zapalenie LED'a podpiętego do mikrokontrolera, i już nam skacze pobór prądu, w następstwie czego zwiększa nam się spadek napięcia na rezystorze i spada napięcia zasilania logiki. I tu z pomocą przychodzą nam stabilizatory napięcia.

- Cóż to takiego?

Stabilizatory napięcia

Otóż stabilizator napięcia to układ, który pewne napięcie wejściowe, przekształca w stabilne napięcie wyjściowe. Przykład? Popularny scalony stabilizator napięcia +5V, o symbolu LM7805. Najczęściej spotykany w obudowie TO220. Wygląda tak:

Rys.1 Stabilizator 7805 w obudowie TO220

Rys.2 Schemat użycia stabilizatora 7805

W tejże obudowie jest w stanie wytrzymać 1A i rozproszyć ok 1.5W. Sam stabilizator pobiera 5mA, więc całkiem sporo. Minimalne napięcie wejściowe wynosi 7V. Wynika to z faktu, że spadek napięcia na nim wynosi 2V. Oczywiście tyle potrzebuje minimalnie, ale samo napięcie zasilania musi się mieścić w zakresie od 7V do 35V. Trzeba tylko pamiętać, że wtedy większą moc będzie trzeba rozproszyć.

Nota katologowa LM7805

- A co te Waty i jak je policzyć?

Waty (W) są jednostką mocy. W odniesiemiu do prądu elektrycznego oblicza się moc ze wzoru

P=U×I

W przypadku stabilzatorów napięcia można użyć wzoru:

P=(UIN-UOUT) × I,
gdzie

UIN - napięcie wejściowe

UOUT -napięcie wyjściowe

I - prąd przepływający przez stabilizator.

Na każdy 1W do stabilizatora powinno przypadać ok. 10cm² blachy w postaci radiatora, które można wziąć z różnych zepsutych urządzeń, kupić, lub wykonać samemu z blaszki. Przykręca się go do otworu w obudowie stabilizatora. UWAGA: to jest tylko szacowana wielkość, nie można temu ufać w 100%. Lepiej dać większy i nie mieć problemu z błędnym działaniem układu(7805 ma wbudowane zabezpiecznie termiczne szczegóły - odsyłam do noty). Należy również pamiętać, ze obudowa TO220 z radiatorem, czy bez, nie może rozproszyć więcej niż ok. 30W wynika to z rezystancji termicznej pomiędzy obudową, a metalową wkładką.

Przykład:

Napięcie zasilania wynosi 7.5V, układ pobiera 250mA

P = (7.5V - 5V) × 0.25A

P = 2.5V × 0.25A

P = 0.625W

Jak widać w tym przypadku nie musimy stosować radiatora, gdyż jak już wspominałem, sama obudowa TO220 jest w stanie rozproszyć ok 1.5W.

Wracając do stabilizatorów, 7805 nie jest jedynym, ani wspaniałym stabilizatorem. Jest za to tani i jeśli mamy dużo miejsca i nie potrzebujemy napięcia niższego niż 7V, znakomicie spełnia swą rolę. Jeśli 1A nie jest dla nas zadowalającym prądem, mamy inne wersje układu, jak chociażby 78T05 na 3A, lub 78S05 na 2A. Tu polecam zajrzeć na noty katalogowe tych stabilizatorów, gdyż mogą one różnić się w pewnych charakterystykach, np. napięcie zasilania, czy spadek napięcia. Jeśli jednak i to nas nie zadowala, lub po prostu czujemy się lepiej mając nowsze wynalazki możemy wykorzystać tzw. stabilizatory LDO(ang. Low Drop-Out, czyli niski spadek napięcia.

Stabilizatory LDO

Jednym z takich stabilizatorów na +5V jest LM330. W przypadku tego stabilizatora mamy do czynienia z maksymalnym spadkiem napięcia mniejszym od 0.6V. W typowych warunkach wynosi ok. 0.3V, co znaczy że wystarczy zasilać układ napięciem 5.5V, lub jeśli chcemy mieć całkowitą pewność poprawności działania układu 6V. Dzięki mniejszemu napięciu zasilania mamy mniejsze straty, czyli lepiej wykorzystujemy energię i zapobiegamy globalnemu ociepleniu 🙂 . Żeby nie było tak różowo prąd pobierany przez ten stabilizator wynosi 18mA, czyli tyle co jasno świecący LED, a maksymalny prąd obciążenia wynosi tylko150mA, co na dobrą sprawę dla logiki robota powinno starczyć.

Ponadto stabilizatory LDO mają paradoksalnie mniejszą stabilność, co zmusza nas do stosowania większych kondensatorów filtrujących napięcie.

Inny przykład stabilizatora LDO:

L4941 - napięcie wyjściowe +5V, prąd maksymalny 1A, spadek napięcia ok. 0.5V. Niestety za taki układzik musimy zapłacić należną cenę - ok. 3.50zł

Istnieją stabilizatory na różne napięcia, nie jest to tylko +5V. Są stabilizatory na 8V, 3.3V, 10V, 2V... jest tego cała masa, istnieją nawet cudeńka, których napięcie wyjściowe możemy sami "ustawić".

Jako ciekawostkę dodam, że dzisiejsze technologie pozwalają na wytworzenie stabilizatorów Ultra Low Drop-Out (ULDO), które charakteryzują się bardzo niskim spadkiem napięcia, nawet poniżej 0.1V!

 

Najprostszy stabilizator

Chociaż może już nie jest tak często stosowany, warto go opisać choćby jako ciekawostkę. Składa się z niewiarygodnie wielkiej liczby elementów, słownie: dwóch. Jest to dioda Zenera i rezystor.

Dioda Zenera to specjalny rodzaj diody, która podłączana zaporowo do napięcia zasilania, po przekroczeniu pewnej wartości się "otwiera"(następuje przebicie) i wzrasta prąd diody, co prowadzi do obniżenia napięcia zasilania. Ta wartość zwana jest napięciem przebicia jest w zasadzie najważniejsza i to ona wyznacza, na jakie będzie napięcie wyjściowe. Istotna jest jeszcze moc maksymalna. Jak się okaże schemat takiego stabilizatora jest bajecznie prosty.

Oto on:

Rys.3 Schemat stabilizatora z diodą Zenera i rezystorem

Nie będę go dokładnie omawiał, gdyż przy dzisiejszych cenach układów scalonych nie ma praktycznie sensu wykonywać stabilizatora samodzielnie, szczególnie, że w 99% przypadków parametry stabilizatora domowej roboty będą gorsze od scalonego. Jeśli jednak znajdzie się entuzjast DIY z pewnością poradzi sobie ze znalezieniem odpowiednich poradników, ja natomiast umieszczę LINK

- A co zrobić w przypadku, kiedy mam napięcie zasilania powiedzmy 4V, a potrzebuję 5V?

W tym przypadku potrzebujesz przetwornicy napięcia.

Przetwornice napięcia

Zadaniem przetwornic napięcia jest przekształcenie napięcia na wyższe(przetwornice step-up/boost), niższe(przetwornice step-down/buck), lub na wyższe lub niższe(SEPIC, lub buck-boost, ale w tym drugim przypadku polaryzacja napięcia ulega zmianie na przeciwną). Pierwsze przetwornice składaly się z silnika elektrycznego, prądnicy, i przekładni. Czasem stosowano koło zamachowe, dzięki któremu przetwornica była odporna na chwilowe zaniki napięcia. Sprawność takiej przetwornicy pozostawię bez komentarza 🤣 .

Współczesne przetwornice działają oczywiście na innej zasadzie, głównie wykorzystując dławiki i kondensatory. Przykładem przetwornicy step-up jest MAX1797.

MAX1797 jest bardzo fajnym układem step-up o napięciu wyjściowym od 2V do 5.5V, z możliwością regulacji, przy czym mamy dwa ustawienia "fabryczne". Na 5V i 3.3V. Napięcie wejścia musi mieścić się w zakresie 1V - UOUT Maksymalny prąd obciążenia to 1A, ale są również inne przetwornice na inne prądy i napięcia.

Rys. 4 Schemat użycia MAX1797 jako przetwornicy o UOUT = 5V

Ponieważ symbol tej przetwornicy był nieco mały, schemat jest pokrętny, więc potrzebne jest słowo wyjaśnienia.

C1, C2 to są kondensatory filtrujące napięcie, wygładzające tętnienia etc.

Vcc połącza się bezpośrednio do dodatniego bieguna baterii/źródła zasilania, GND do masy. Na OUT uzyskujemy napięcie wyjściowe, w tym wypadku +5V. FB musimy podłączyć do masy, jeśli na OUT chcemy mieć U = +5V, do OUT, jeśli U ma się równać 3.3V. Jeśli interesuje nas inne napięcie, musimy tam podłączyć dzielnik rezystorowy(szczegóły - nota). Do LX podpinamy dławik, jak na schemacie. SHDN to wejście wyłączające cały układ - pobór prądu spada wtedy do ok. 2uA, a na OUT nie ma napięcia. Jeśli SHDN jest w stanie wysokim układ nie działa, jeśli w niskim, działa. LBI to wejście komparatora służącego do wykrywania niskiego napięcia baterii, natomiast LBO to wyjście, ale nie do końca, ponieważ yjście komparatora podłączone jest do bramki MOSFET-a, który wyprowadzony jest na LBO i ściąga pin do masy, jeśli na LBI jest więcej niż 0.85V. Z tego powodu:

a) przy SHDN zastosowano R1 podciągający pin do stanu wysokiego, dlatego, jeśli na LBI jest więcej niż 0.85V LBO jest ściągane do masy, a że jest podłączone bezpośrednio do SHDN, układ działa

b) przy LBI powinno się zastosować dzielnik napięcia tak dobrany, aby przy niskim(czyt. oznaczającym wyładowanie ogniwa) napięciu na ogniwie zasilającym, UOUT dzielnika było mniejsze niż 0.85V.

Chyba, że nie interesuje nas wykrywanie wyładowania baterii, wtedy SHDN podłączamy do GND, a LBO i LBI zostawiamy nie podłączone.

Nota katlogowa MAX1797

Z kolei przykładem przetwornicy step-down może być LM2676. Jest to przetwornica również +5V, o prądzie 3A, co będzie wystarczające w większości przypadków. Napięcie wejściowe 8V-40V.

Nota LM2676

Sprawność przetwornic jest bardzo wysoka, sięga powyżej 95%, ale jest to zależne od napięcia wejściowego, wyjściowego i prądu obciążenia. Sprawność jest dla nas szczególnie ważna przy doborze samego źródła zasilania.

- Dlaczego?

Ponieważ nie możemy złamać zasady zachowania energii, która w tym wypadku wymusza stwierdzenie, że:

PIN = POUT

Niestety, powyższy wzór byłby prawdziwy tylko przy 100% sprawności, a takich układów(jeszcze 😉 ) nie ma. Wobec tego musimy użyć wzoru:

POUT = PIN × η

η oznacza sprawność.

Znając sprawność, napięcie wejściowe i wyjściowe oraz prąd obciążenia możemy obliczyć prąd wejściowy, czyli jaki będzie musiało z siebie wydobyć źródło zasilania, a jest to sprawa bardzo istotna.

Przykład:

UIN = 3.6V

UOUT = 5V

IOUT = 0.5A

η = 85%

 

POUT = UOUT × IOUT

POUT = 5V × 0.5A

POUT = 2.5W

 

2.5W = PIN × 85%

PIN = 2.5W ÷ 85%

PIN ≈ 3W

 

IIN = PIN ÷ UIN

IIN = 3W ÷ 3.6V

IIN ≈ 830mA

Źródła zasilania

Wszystkie roboty potrzebują energii. Bez wyjątków. Pytanie tylko skąd ją wziąć? No jak to skąd?! Doskonałe pytanie. Jako, że w znakomitej większości roboty korzystają z prądu elektrycznego odpowiedź jest prosta: z gniazdka! Jest to rozwiązanie dobre, o ile nie musimy się od tego gniazdka oddalić na odległość większą, niż długość kabla zasilającego. I choć to może wydawać się dziwne, większość robotów funkcjonujących w naszym kochanym świecie nie musi. Cóż, roboty przemysłowe to na piwko z fabryki nie wychodzą 😋 .

Ale ponieważ istnieją roboty mobilne, które są często dla nas ciekawsze to musimy trochę tego prądu z gniazdka zmagazynować i potem sobie wykorzystać. I po to są

Akumulatory

Akumulatory dają energię elektryczną w wyniku reakcji chemicznych, które podczas ładowania są dokładnie odwrotne.

Żeby akumulatory nie były dla nas takie obce potrzebujemy znać kilka pojęć:

Ogniwo/cell/cela - to najmniejsza sprawna część akumulatora - w zasadzie jest akumulatorem, składa się z dwóch elektrod i tego co jest wewnątrz obudowy, czyli elektrolitu. Pakiety zawierają wiele ogniw połączonych szeregowo, lub równolegle.

Napięcie nominalne - jest to napięcie które daje pojedyncze ogniwo. Jednak rzeczywista wartość będzie się różniła w zależności od rozładowania. Dla przykładu - Ogniwa Li-Pol mają nominalnie 3.7V, jednak w pełni naładowanie osiągają 4.2V, a rozładowane ok. 2.8V

Napięcie minimalne - napięcie poniżej którego ogniwo może zostać uszkodzone. Oznacza to, że jeśli napięcie ogniwa będzie mniejsze od napięcia minimalnego zachodzą nieodwracalne zmiany chemiczne w elektrodach ogniwa, co uniemożliwia ich ponowne naładowanie. Próba tekigo ładowania może zakończyć się zapłonem, lub wybuchem akumulatora.

Pojemność - właściwie ładunek(przyjęło się, że się mówi pojemność) opisuje ilość energii(ładunek), jaki został zgromadzony w ogniwie. Wyraża się w Ah, czyli amperogodzinach. 1Ah znaczy, że ogniwo może oddawać 1A przez 1 godzinę, lub 0.5A, przez dwie godziny. W jednostkach układu SI 1Ah to 3600C(kulombów), ponieważ 1C to 1A × 1s, czyli 1Ah to jest 1A × 3600s.

Wydajność prądowa - opisuje wartość, jaką możemy rozładowywać ogniwo nie prowadząc do jego uszkodzenia. Wyraża się w wielokrotnościach C (nie mylić z kulombami). Dla przykładu 2C w przypadku ogniwa 2Ah oznacza, że możemy je rozładowywać prądem 4A. Oblicza się ze wzoru C × pojemność, czyli przy ogniwie 400mAh (mili amperogodzin, 1/1000 Ah) i C = 3, mamy 3 × 0.4 = 1.2A

Prąd ładowania - analogicznie do wydajności prądowej, z tą różnicą, że odnosi się do prądu ładowania, czyli jaki maksymalnym prądem może być ładowane ogniwo.

I już! Teraz przejdźmy do meritum, czyli dobór odpowiedniego ogniwa.

Ogniwa kwasowo - ołowiowe

Ogniwa kwasowo-ołowiowe są często spotykane w samochodach. Cechuje je duża waga, stosunkowo duża pojemność i bardzo duża wydajność prądowa(sięga 50C). Pojedyncze ogniwo wytwarza 2.1V, jednak najczęściej akumulatory takie składają się z 6 ogniw połączonych szeregowo, co daje na 12.6V

Jako, że rolę elektrolitu pełni tu kwas siarkowy powinniśmy używać tzw. akumulatorów żelowych. Od zwykłych różnią się tym, że elektrolit jest nie ciekły, a żelowy(jak kisiel). Chyba, że wolimy, aby nasz robot został zżarty przez kwas w trakcie działania 😅 .

Napięcie minimalne wynosi 1.75V

Jest to dobry wybór w robotach, gdzie waga nie jest tak istotna, lub gdzie waga jest ręcz decydująca i potrzebujemy dużego prądu. Należy również pamiętać, że to są spore akumulatory.

Rys.5 Przykładowy akumulator kwasowo-ołowiowy

Ogniwa Niklowo kadmowe(Ni-Cd)

Akumulatory Ni-Cd są w zasadzie wyparte przez ogniwa Ni-MH i inne. Napięcie nominalne ogniwa wynosi 1.2V . Najczęściej występują w kształtach normalnych bateryjek, tzn. AA, AAA itp. Mają również dużą wydajność prądową(do 10C). Nowsze ogniwa mogą mieć nawet 2Ah. Są również trwałe, jednak w robotach mogą być uciążliwe w eksploatacji,, gdyż występuje w nich efekt pamięci. Oznacza to, że jeśli ogniwo nie zostanie w pełni wyładowane przed ponownym naładowaniem wystąpi spadek pojemności. Podobna sytuacja jest, kiedy zaczniemy rozładowywać ogniwo, zanim się naładuje do pełna. Innymi słowy, oznacza to, że musimy ładować do pełna i rozładowywać do "pusta". Ten ostatni czynnik praktycznie dyskwalifikuje te ogniwa w robotyce, gdyż nie zawsze mamy, lub robot ma ( 😃 ) szansę naładować akumulatory do pełna.

Napięcie minimalne wynosi ok. 1V.

Rys.6 Przykładowy akumulator Ni-Cd

Ogniwa Niklowo wodorkowe(Ni-MH)

Ogniwa Ni-MH bardzo podobne do Ni-Cd, mają takie samo napięcie nominalne, obciążalność prądowa może być jednak mniejsza. Mają większą pojemność i są stosunkowo lżejsze. Mają również mniejszy czas samorozładowania, czyli tendencji do tracenia energii. Bardzo popularne akumulatorki, najczęściej spotykane w kształtach baterii AA, AAA, itp. Często spotykane również w różnego rodzaju zabawkach zdalnie sterowanych w postaci pakietów obklejonych taśmą. Popularne akumulatortki Ni-MH mają około 2.5Ah.

Napięcie minimalne wynosi 1V.

Rys.7 Przykładowy akumulator Ni-MH

Ogniwa Litowo jonowe(Li-Ion)

Te ogniwa są powszechnie używane w różnego rodzaju sprzętach przenośnych, jak chociażby telefony komórkowe, laptopy, PDA, słuchawki Bluetooth itd. Napięcie nominalne pojedynczego ogniwa wynosi 3.6V/3.7V. Typowe pojemności to 2.2Ah, 2.6Ah, jednak spotykane są już akumulatory powyżej 3Ah. Akumulatory tego typu mają obciążalność ok. 2C.

UWAGA: Akumulatory litowo-jonowe nie mogą być nagrzewane do wysokich temperatur, gdyż grozi to zapłonem, lub nawet eksplozją. Ogniwa tego typu nie powinny być obciążane większym prądem niż są do tego przystosowane. To również grozi wybuchem.

Napięcie minimalne wynosi 3V

Rys.8 Przykładowy akumulator Li-Ion

Ogniwa Litowo polimerowe(Li-po/Li-pol) 3.7/3.8V

Prawdziwe perełki. Mają bardzo korzystny stosunek wagi do pojemności, mają również dużą wydajność prądową, nawet 10C. Napięcie nominalne jest równe 3.7V/3.8V. Ze względu na swoje właściwości są powszechnie stosowane w modelarstwie, szczególnie modelach latających. Ich dużym minusem jest to, że są drogie. W zasadzie idealny wybór do linefollowerów, jednak sprawdzą się równie dobrze w praktycznie każdym robocie. Na rynku jest dostępnych wiele pojemności, każdy znajdzie coś dla siebie.

Napięcie minimalne wynosi 3V

Rys.9 Przykładowy akumulator Li-pol

Ogniwa Litowo polimerowe(Li-po/Li-pol) 3.6V

Bardzo podobne do Li-po na 3.7V/3.8V, z tą różnicą, że mają mniejszą obciążalność prądową - tylko 1C. Charakteryzują się jednak większą pojemnością przy tej samej wadze.

Napięcie minimalne wynosi 3V

UWAGA: Użytkowanie ogniw Li-po odbywa się na własną odpowiedzialność. Nie można przekłuwać, palić, przeciążać, ani przeładowywać ogniw. Grozi to ich gwałtownym zapłonem, a czasem eksplozją!

Skutki przeładowania możemy zobaczyć na tym filmiku:

Kilka wskazówek odnośnie użytkowania akumulatorów, czyli Wujek Michał radzi:

❗ Ładowarka ZAWSZE musi obsługiwać ładowany typ ogniwa. Dodatkowo nie powinno się oszczędzać na ładowarkach, gdyż strata akumulatorów np. podczas zawodów może szczególnie zaboleć. Jeśli decydujemy się na własnoręczną budowę ładowarki, lepiej używać sprawdzonych schematów, lub scalonych kontrolerów ładowania. Co nie znaczy, że nie warto samemu projektować ładowarek, należy tylko pamiętać, że błędne ładowanie ogniw, szczególnie litowych może zakończyć się tragicznie.

❗ NIGDY nie można lekceważyć ostrzeżeń na akumulatorach. Szczególnie w przypadku akumulatorów kwasowo-ołowiowych poparzenie kwasem może być tragiczne w skutkach.

❗ ZAWSZE stosujmy się do oznaczeń na akumulatorach. Jeśli obciążenie prądowe wynosi 3C, to tyle możemy wziąć i ani miliampera więcej.

❗ Podczas wyboru odpowiedniego zasilania bierzmy pod uwagę maksymalny prąd jaki może układ pobrać, czyli sumę prądów zwarcia wszystkich silników i szczytowy prąd pobierany przez logikę.

❗ Jeśli parametry danego ogniwa nie do końca nam odpowiadają zawsze możemy połączyć kilka ogniw szeregowo lub równolegle. Przy połączeniu szeregowym sumujemy napięcia wszystkich ogniw, a przy połączeniu równoległym pojemności, a co za tym idzie zwiększa się również obciążalność prądowa, ale UWAGA: powyższe stwierdzenie może być zdradzieckie, jeśli zostanie źle zinterpretowane. Dla dwóch ogniw 3.6V, 1Ah, 5C połączonych równolegle, parametry pakietu będą wynosiły: 3.6V, 2Ah, 5C. Jednak w tym wypadku możemy pobrać wyższy prąd, ponieważ 1Ah × 5C < 2Ah × 5C.

❗ Nie powinno się łączyć ogniw o różnych typach, napięciach i pojemnościach, najlepiej łączyć te same modele ogniw, gdyż w przeciwnym wypadku będą one miały inne charakterystyki rozładowania, a co za tym idzie ich żywotność będzie spadać. Nie można łączyć np. 2 ogniw szeregowo i 1 do nich równolegle. Spowoduje to zepsucie co najmniej jednego ogniwa. Można natomiast połączyć równolegle 2 pakiety po 2 ogniwa połączone szeregowo.

Nie wolno również łączyć akumulatorów o różnym stopni rozładowania, np. rozładowanego do połowy i naładowanego w 100%.

Choć prawie na pewno każdy znajdzie jakiś akumulator dla siebie nie jest to koniec możliwości.

Inne źródła zasilania

Zasilanie sieciowe

Już wcześniej wspomniane zasilanie sieciowe jest bardzo powszechne wśród robotów przemysłowych, ale często zdarza się, że roboty autonomiczne wykorzystujące akumulatory muszą się na jakiś czas do gniazdka podłączyć, aby się podładować.

W typowym europejskim gniazdku znajdziemy prąd zmienny 230V 50Hz.

UWAGA: tak wysokie napięcie jest niebezpieczne dla zdrowia i życia! NIGDY nie wolno dotykać elementów pracujących na napięciu sieciowym! Jeśli musimy przeprowadzić operację na taki elemencie, należy go odłączyć od sieci!

Jednak taki prąd nie nadaje się dla robotów. Ciężko byłoby zmusić procesor do działania na 230V. Obraziłby się na nas i puścił dymek. No i jeszcze to jest prąd zmienny. W takim razie musimy go wyprostować i zmniejszyć napięcie.

Do pierwszego zadania posłuży nam mostek Graetza, który wygląda tak:

Rys.10 Schemat mostka Graetza

Wykorzystując 4 diody prostownicze przekształca nam prąd zmienny na prąd stały. Spotykane są również scalone mostki Greatza w obudowie czteropinowej.

Pozostaje nam jeszcze zmniejszyć to napięcie. Stabilizator? Odpada -

przy tak dużej różnicy napięć i nawet niewielkim prądzie na stabilizatorze wydzieliłyby się ogromne ilości ciepła. Do zmniejszania napięć prądu zmiennego służy transformator, choć w dzisiejszych czasach coraz częściej stosuje się przetwornice napięcia.

Dzięki transformatorom możemy mieć niższe, lub wyższe napięcie prądu zmiennego w zależności od stosunku liczby zwojów uzwojenia pierwotnego, czyli jakby wejściowego do liczby zwojów uzwojenia wtórnego, czyli "wyjściowego".

Podobnie jak w przetwornicach obowiązuje nas stwierdzenie, że moc wejściowa musi się równać mocy wejściowej. Jeśli tak jest, mamy do czynienia z transformatorem idealnym, czyli takim, który nie wprowadza żadnych strat. Takowe oczywiście nie istnieją, więc w obliczeniach należy uwzględnić sprawność.

W wyborze transformatora interesuje nas właściwie tylko napięcie wyjściowe i moc maksymalna. Na wyjściu otrzymujemy nasze upragnione zmniejszone napięcie, ale należy pamiętać, że transformator działa tylko z prądem zmiennym, czyli mostek Greatza stosujemy dopiero "za" transformatorem. Zestawienie tych elementów da nam prąd stały o zmniejszonym napięciu, często 24V lub 12V. Ale w takiej postaci prąd będzie miał stosunkowo duże tętnienia, więc należy pamiętać o kondensatorach, które wygładzą napięcie.

Baterie

Jakże nie można wspomnieć o bateriach. Bardzo popularne istnieje ich wiele rodzajów i kształtów i napięć. Charakteryzują się większym napięciem w stosunku do akumulatorów, co umożliwia użycie mniejszej liczby ogniw przy tym samym napięciu. Nie są jednak powszechne w robotyce, gdyż są jednorazowe. Na dłuższą metę ciągłe wymieniane baterii nie dość, że bardzo irytujące, jest trudne dla robota, który musi działać autonomicznie, np. badać odległe planety. Musiałby również zabrać spory zapas tych baterii. W praktyce można wykorzystać baterie do eksperymentowania, ale zdecydowanie polecam stosowanie akumulatorów.

Reaktory jądrowe

Już widzę te uśmieszki 🙂 . W przypadku linefollowerów, minisumo, czy nawet robotów przemysłowych dawanie reaktora jądrowego, choć zapewni niezależność energetyczną to przerost formy nad treścią w czystej formie. Sytuacja wygląda zupełnie inaczej, gdy trzeba się oddalić na wielkie dystanse, gdzie do najbliższego gniazdka jest kilka milionów kilometrów, czyli musimy wylecieć w przestrzeń kosmiczną. Będąc sondą kosmiczną mamy do wyboru wziąć wielkie nieporęczne ogniwa słoneczne, albo spakować reaktor jądrowy. Drugą opcję wybrały sondy Voyager 1 i 2 i jak pięknie na tym wyszły - uciekły nam poza układ słoneczny! Mają oczywiście swoje wady - radioaktywność, paliwo, choć starcza na wiele lat, trzeba co jakiś czas wymieniać. Po za tym są gorące i wymagają sporo innych urządzeń kontrolujących, zabezpieczeń itp.

Rys.11 Robot Voyager II

Ogniwa paliwowe(wodorowe)

Bardzo ekologiczne źródło zasilania, które bierze energię z tlenu i wodoru dając w efekcie ubocznym wodę. W warunkach ziemskich wystarczy zabrać zapas wodoru, a tlen pobierać z atmosfery. Przewaga ogniw paliwowych nad np. reaktorami jądrowymi, czy też elektrociepłowniami jest taka, że ogniwa paliwowe przekształcają energię z paliwa bezpośrednio w energię elektryczną, a nie najpierw w ciepło, następnie w ruch obrotowy, a dopiero potem energię elektryczną, jak to jest w przypadku konwencjonalnych elektrowni.

Jednak przechowywanie wodoru nie jest sprawą prostą, gdyż jako najmniejszy pierwiastek bardzo łatwo ucieka z zamknięcia. Dlatego łatwiej jest go produkować na bieżąco, np. spalając metan. Na tej stronie jest bardzo przystępnie opisana zasada działania i charakterystyczne cechy ogniw paliwowych.

Ogniwa słoneczne

Często spotykane w kalkulatorach, lampkach ogrodowych jak i w sondach kosmicznych, satelitach. Napięcie nominalne wynosi ok. 0.5V, ale można łączyć je szeregowo uzyskując większe wartości. Jako źródło zasilania samo w sobie może sprawdzać się średnio, gdyż wytwarza prąd tylko gdy pada na nie światło. Ale w połączeniu z akumulatorami i zintegrowaną ładowarką potrafią stworzyć bardzo dobre źródło zasilania, pod warunkiem, że co jakiś czas będzie dostatecznie dużo słońca. Należy jednak pamiętać, że są stosunkowo delikatne, łatwo się kurzą, więc robot powinien być wyposażony w ramię z odkurzaczem, bądź szczoteczką z piórek, aby móc się co jakiś czas oczyścić 😃

Jeśli wyobrazić by sobie świat robotów, taki jak ludzki, ogniwa słoneczne byłyby w pierwszym ogniwie łańcucha pokarmowego, bo w sumie biologicznym odpowiednikiem zjawiska fotowoltaicznego(które powoduje, że ogniwa produkują energię) jest nic innego jak fotosynteza 😉 .

Rys.12 Przykładowe ogniwo słoneczne

Inne możliwości

Nie ma ograniczeń odnoście sposobu wytwarzania energii elektrycznej. Można wykorzystać wiatr, wodę, lub nawet cebule lub muchy. Ten ostatni sposób upodobały sobie roboty EcoBot I i II i radzą sobie całkiem przyzwoicie. Kwestią jest odpowiednie spojrzenie na świat, który nas otacza.

Rys.13 EcoBot II

Łączenie źródeł zasilania

W przypadku zasilania elementów wykonawczych i logiki różnymi źródłami prądu lub napięciami należy pamiętać, aby połączyć je masami.

Podsumowanie

Zasilanie dla robotów jest tak nieodłączne jak odżywianie dla istot żywych. Rośliny prowadzą fotosyntezę, potem zostają zjadane przez roślinożerców, drapieżniki i tak dalej... Często jedno źródła zasilania nie jest wystarczające, szczególnie, że robotyka zmierza w kierunku pełnej autonomiczności robotów. Cóż to za autonomiczny robot, jeśli człowiek musi mu wpiąć wtyczkę do gniazdka, albo potrzebuje tylko i wyłącznie 230V. Systemy zasilające robotów powinny być jak najbardziej elastyczne, aby robot mógł wykorzystać wszelką dostępną mu energię(oczywiście bez przesady, nie może to być niezgodne z prawami robotyki, lub niszczyć środowiska). W trudnych środowiskach, jak powierzchnia Marsa, czy Plutona zdolności adaptacyjne w zakresie pozyskiwania energii mogą być kluczowe dla powodzenia misji. Choć w prostych robotach, które służą w zasadzie zabawie, sportowej rywalizacji zasilanie może przesądzić o wygranej, ale nie jest to aż tak istotne.

Natomiast w przypadku robotów, które wykonują poważne zadania, jak misje ratunkowe, czy rozbrajanie ładunków wybuchowych źródła zasilania robotów powinny być jak najbardziej niezawodne. Również w przypadku robotów przemysłowych, zasilanych przewodowo nie można zapominać o bezpieczeństwie. Zawsze powinno się stosować UPS-y, szczególnie w robotach posiadającymi niebezpieczne narzędzia, aby mogły ułożyć je w bezpieczny dla otoczenia sposób. Dobrze zaprojektowany robot będzie miał jak najwięcej alternatywnych sposobów na przetrwanie. Może to być chociażby spalanie metanolu, ropy w celu napędzenia prądnicy, czy wystawianie się na witr z turbiną wiatrową 🙂 .

Ale zawsze pamiętajcie, aby zrobić tajemny wyłącznik zasilania na wypadek, gdyby robot zbytnio się rozpanoszył 🤣

Dziękuję za uwagę 😉

[nes86]

Jeśli to ma być artykuł to nie używaj takich słów jak "procek" tylko procesor, będzie bardziej profesjonalnie. 🙂

Jeśli to jest artykuł na konkurs, to rozbuduj go tak jak napisałeś, a dostaniesz mój głos. Według mnie najlepszy jak do tej pory "artykuł konkursowy."

[Nawyk]

Podobnie jak nes86 uważam, że jest to najlepszy artykuł konkursowy, który do tej pory się ukazał - a raczej będzie, jeśli dodasz informacje na temat umieszczonych pod koniec zagadnień.

Od siebie dodał bym tylko, że choć 7805 jest jednym z najpopularniejszych i najtańszych stabilizatorów na 5V, to jest już dinozaurem i pojawiają się coraz doskonalsze, o znacznie lepszych parametrach. Warto też wspomnieć o różnych wersjach 7805 - prócz 78L05 są także 78T05 i 78S05 na wyższe prądy.

Pozdrawiam

[Mihau]

Dzięki za rady. Artykuł zostanie rozbudowany na pewno, mam dużo czasu wolnego.

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[Deimos]

Świetny artykuł mam nadzieję, że zostanie jak najszybciej rozbudowany, ponieważ zasilanie to największe (prawie 🙂 ) zmartwienie adepta robotyki:D

[riddyk]

Dodatkowo przy obciążeniu, na ogniwach występuje spadek napięcia, wynikający z istnienia wewnętrznej rezystancji ogniwa i z prawa Ohma:

U=R×I

Przyjmuje się, że im lepsze ogniwo, tym ma niższą rezystancję wew.

Napisz o jaką rezystancję ogniwa Tobie chodzi, bo jeśli jak to wynika z linijki wyżej U=R×I, a dokładniej R=U×I to nie jest parametr ogniwa, parametrem ogniwa i to bardzo istotnym jest rezystancja dynamiczna, jak wspomniałeś nigdy tak naprawdę nie możemy przewidzieć jakie jest obciążenie ( oprócz chwili pomiaru ), dlatego mnie czy innych nie obchodzi jaka jest chwilowa wartość rezystancji, istotnym parametrem jaki charakteryzuje ogniwo jest rezystancja dynamiczna, czyli w jaki sposób reaguje ogniwo na zmieniające się obciążenie, i to wyraża wzór R=dU×dI, można go obliczyć z definicji czyli z wzoru, albo z charakterystyki U do I ( obciążenia ). Jeśli chcemy obliczyć go z definicji to dokonujmy 2 pomiarów napięcia i prądu dla dwóch różnych obciążeń, np. dla 20% obciążenia znamionowego i 80%. Teraz z wzoru obliczymy rezystancję dynamiczną R=(U80%-U20%)×(I80%-I20%). Jeśli chcemy wyznaczyć dokładniej to najpierw wyznaczamy charakterystykę obciążenia poruszając się co 5%-10% obciążenia znamionowego od 0 do 100%, następnie korzystając z regresji liniowej, czy to z metody najmniejszych kwadratów czy to z aproksymacji, otrzymujemy równanie w postaci U=a*I+b, naszą war ością rezystancji dynamicznej jest R=a

Kolejną sprawą jest szacowanie, że dla 1W przypada 10cm² radiatora. Czy jesteś w stanie wyznaczyć jaka energia cieplna jest tracona, oraz równania obwodu cieplnego, stabilizator, szczelina powietrzna, radiator, w celu wyznaczenia precyzyjnej wartości energii cieplnej której trzeba wypromieniować.

Zasilanie sprowadza się do akumulatora i do przekształtnika DC-DC, a moim pierwszym pomysłem żeby obniżyć napięcie jest dioda zenera w szeregu z rezystorem ograniczającym prąd. A aby podwyższyć napięcie to pompa ładunku, która nie udźwignie silnika.

Osobiście najpierw napisz artykuł, a później go zamieść. A takie tworzenie na bieżąco z wykorzystaniem komentarzy to, chyba nie o to chodzi. Artykuł powinien mieć jednego autora.

[Mihau]

Owszem, masz rację, jednak chodziło mi tylko o zaznaczenie tego, że spadki napięcia występują przy obciążeniu i dlaczego tak jest.

Widzisz.. ja jestem samoukiem i wielu rzeczy nie wiem i z wielu istnienia sobie nie zdaję sprawy. Dopiero skończyłem podstawówkę, Ty na pewno masz już wykształcenie wyższe, więc dla mnie te regresje liniowe, aproksymacje,czy też metody najmniejszych kwadratów są czarną magią. Pisanie tego artykułu jest dla mnie szansą na zgłębienie wiedzy na dany temat, a dodatkowo podzielenie się wynikami poszukiwań z innymi. Piszę go zarówno dla siebie jak i dla innych, więc komentarze nie są tu po to, żeby mi ułatwić sprawę, czy też zrzucić robotę nam kogoś innego. Chodziło i tylko o wychwycenie pewnych błędów merytoryczno-technicznych lub rzucenie haseł, co by się jeszcze mogło znaleźć w artykule.

Artykuł dla ludzi, a nie ludzie dla artykułu.

Fakt, faktem lepiej by było, gdybym wrzucił gotowy artykuł, ale ponieważ edytor postów tutaj daje mi różne przydatne możliwości, wygodniej mi było tu pisać zwłaszcza, że mogę na bieżąco sprawdzać jak to będzie ostatecznie wyglądać.

A co do szacowania... powołuję się na inne źródła, nie są to moje szacunki, zdaję sobie sprawę od ilu czynników zależy potrzebna powierzchnia do wyemitowania danej energii.

[Treker (Damian Szymański)]

Artykuł dodam do konkursu, gdy będzie już ukończony.

[Mihau]

Uff... Skończyłem, artykuł został rozszerzony o to, co pisałem, z wyjątkiem bibliografii, gdyż obecnie nie mam dostępu do historii komputera, na którym powstała większość tekstu, poza tym nie wzorowałem się na żadnym istniejącym tekście, tylko wyszukiwałem potrzebne informacje.

Zapraszam do lektury, wszelkie zastrzeżenia merytoryczno-techniczno-estetyczne proszę zgłaszać jak najszybciej, ponieważ od weekendu nie będę miał dostępu do internetu do końca wakacji.

[othar]

A ja takie pytanie mam,
Artykuł o zasilaniu, więc na temat:

Czy należy rozdzielać układy zasilania napędów od logiki?

Czy ma to sens w małych robotach?

Jeśli tak, to jakie proponujecie rozwiązania?

Dzięki 🙂

[piotreks-89]

Oczywiście, że to ma sens. Silniki wprowadzają duże zakłócenia. Poza tym, to niejednokrotnie pobierają spory prąd, co skutkuje wydzielaniem się sporej mocy na stabilizatorze.

Zależy to rozumiesz, przez mały robot 😋

[othar]

Mały, czyli małe moce silników - stosunkowo małe zakłócenia.

W takim razie, czy zasilać z tego samego źródła(akumulatora), czy też z oddzielnych?

Jeśli z tego samego, to czy rozdzielić zasilając każde z oddzielnego układu stabilizującego napięcie, czy w jakiś inny sposób?

Szczególnie interesują mnie wasze doświadczenia.

[klonyyy]

Najlepiej dać dwa stabilizatory - jeden na procka i osprzęt , drugi na silniki.

[OldSkull]

Najlepiej dać dwa stabilizatory -...drugi na silniki.

Nie no, bez jaj. Stabilizator na silniki? Takich rzeczy się nie powinno robić. No chyba, że mówimy o serwach ze względu na ich elektronikę.

Generalnie warto się próbować odizolować od źródła największych zakłóceń: silników, czujników działających impulsowo (np. Sharpy) i innych urządzeń pobierających prąd impulsowo. Ale zwykle powinno starczyć oddzielne prowadzenie mas oraz oddzielne stabilizatory + kondensatory ceramiczne i ew. low ESR.

[KrwawyKefir]

Czy macie jakieś źródło odnośnie maksymalnego prądu rozładowywania akumulatorów żelowych? Artykuł wspomina że może być bezpiecznie nawet do 50C, ale jakoś nie mogę znaleźć takich danych na stronach sklepów czy producentów. Da się gdzieś znaleźć charakterystykę prądowo-napięciową takich akumulatorów?