Regulator MPPT

[marek1707]

Miałeś policzyć wszystkie obwody pomiarowe i narysować schemat. Zamiast tego dostajemy (po kilku dniach) propozycję nowego scalaka, bo akurat jakiś znalazłeś. Fajnie, wzmacniacze pomiarowe są wygodne tylko to a) zdaje się że miałeś mało czasu, b) jakie są założenia tego projektu bo cena tego układu jest adekwatna do możliwości. Takie decyzje musisz umieć obronić. Czekamy na argumenty. Bo jeśli nie przejmujesz się kosztami, to może kup po prostu gotową płyteczkę ewaluacyjną do któregoś ze scalonych regulatorów od Lineara wyposażonych w MPPT i z definicji dobrze działających na panelu słonecznym. Dobierzesz trzy oporniki na krzyż i masz zrobione.

OK, to Twój projekt, nie mam nic przeciwko pomiarom w linii plusowej. Tylko weź wreszcie pokaż jakąś sensowną całość z zafiksowanymi założeniami i policzonymi do tego wartościami elementów. W ten sposób jak do tej pory to marnie widzę jakikolwiek termin zakończenia tej pracy, bo po drodze masz jeszcze do odkrycia wiele rzeczy.

[Yggas]

Schemat mojej koncepcji:

Zmieniłem rezystory pomiarowe do 100mR (bo układ INA138 maksymalne wzmocnienie ma chyba 100) co da mi max spadek napięcia na Rpom (przy max prądzie powiedzmy 0.5A) 50mV.

Oczywiście na wyjściu opampa przy zasilaniu 5V bede mial około 4.3V więc też nie wiem czy by go nie zasilić stabilizatorem 6V wtedy bym miał zakres 0-5.3V.

W terminalu pomiarowym 1 i 2 wejście to pomiary prądu, 3 i 4 to pomiary napięcia. Nie wiem gdzie mi mówiłeś, żebym liczył trzeci prąd, moim zdaniem to jest niepotrzebne. Już i tak to się zrobiło bardziej zaawansowane niż miało być na początku.

3 wejście jest na dzielniku napięciowym 6v/5v, 4 wyjście chyba bezpośrednio chyba, żeby jakoś to zabezpieczyć?

Mam baterię lipol 1S 450mAh ale zobaczę później czy jej będę używał, zasada działania będzie przedstawiona na rezystorze mocy 50mR (3W).

Jeszcze się zastanawiam czy by nie dodać diod zasilanie/praca i włącznika oraz wejścia na zasilacz 5V oraz zamienić tranzystory na IRLZ14PBF bo nie wiem jak mi wyjdzie lutowanie smd. (tak wiem opampy też są smd).

[marek1707]

Na kostce J1 - jeżeli jest to połączenie do układu kontrolnego (Arduino?) - powinny się chyba znaleźć jeszcze:

a. GND (i to kilka pinów),
b. +5V (czy ile tam chcesz) do zasilania wzmacniaczy,
c. sygnał sterowania bramką MOSFETa.

Wtedy masz jeden kabelek łączący Twoją superpłytkę DCDC ze sterownikiem a resztę (źródło i obciążenie) podłączasz bezpośrednio do kostek WE/WY.

Upewnij się, że kupisz oporniki 250k. To nie jest wartość z szeregu E24.

Jeśli na wyjściu ma być akumulator, nie potrzebujesz tam kondzioła 2200uF, wystarczy 100uF.

O co chodzi z tym rezystorem 50mΩ? Chyba nie chcesz go podłączyć do wyjścia? Jeśli układ ma być przystosowany do ładowania LiPola, to napięcie wyjściowe będzie się zmieniać od 3 do 4.2V. W tych warunkach podłączenie tam opornika 50mΩ to praktycznie zwarcie drutem. Jeżeli chcesz pracować bez akumulatora to załóż, że będziesz tam utrzymywać jakieś podobne napięcie. Skoro masz SEPIC i na wejściu ok 5V z założoną wydajnością 0.5A to może dobrze jest wybrać tą okolicę. A przy 5V na wyjściu prąd 0.5A popłynie przez 10Ω. Moim zdaniem to w tych warunkach idealny opornik dla udawania obciążenia i pomiarów mocy na nim.

Ze schematu nie wynika jakie przyjąłeś Vref przetwornika tj. jaki zakres przetwarzania napięć masz w kontrolerze, jak rozumiem 0..5V. Miałeś też podać jakie zakresy pomiarowe przyjąłeś na wszystkich wejściach, tak napięciowych jak i prądowych. Sygnał z wyjścia nie ma żadnego dzielnika - to bardzo niebezpieczne. Chwila nieuwagi lub błąd w kodzie, PWM przekracza 50%, przetwornica zrobi 8V i palisz procesorek. Wstaw tam dzielnik. Do obu dolnych oporników w dzielnikach napięć dodaj po 100nF równolegle. Nawet dla samych eksperymentów załóż, że na wyjściu prędzej czy później (choćby żeby pobawić się SEPICem) zrobisz np. 10V. Zakładaj większe marginesy zakresów pomiarów.

Od bramki do masy daj opornik z 10k bo gdy wypniesz kabelek lub gdy zresetujesz procesor, MOSFET zwariuje. Do tego kolejny, kilkadziesiąt omów szeregowo od bramki do złącza J1.

Co tu masz powyżej tego co niezbędne?

[Yggas]

Teraz mam takie coś:

Kondensatory tantalowe będą dobre do tych dzielników bo akurat takie są dostępne tam gdzie zamawiam?

Masa mikrokontrolera i masa przetwornicy powinny się łączyć czy nie bardzo?

Zabierać się za przygotowanie płytki już czy jeszcze coś poprawić, nad czymś się zastanowić?

Z tymi marginesami pomiarowymi to jak? Ustalić sobie malutkie zakresy fizyczne, a potem je mnożyć programowo?

[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

[marek1707]

Tantalowe będą OK, choć pewnie droższe niż typowy, ceramiczny "piasek" 100nF.

Oczywiście, że GND muszą być połączone. Przecież względem masy generujesz i mierzysz wszystkie napięcia oraz sygnał sterowania bramką. To jest poziom odniesienia wszystkich sygnałów, każdy "chętny" musi go dostać. Dlatego dajesz kilka kabli GND na J1 by spadek napięcia między płytkami był jak najmniejszy.

Zakresy pomiarowe to zawsze kompromis. Im dasz szersze, tym możesz więcej zmierzyć i nie musisz przebudowywać płytki gdy chcesz coś zmieniać. Np. teraz przewidujesz baterię 5-6V, ale może za chwilę znajdziesz jakąś fajną/tanią 7V lub 12-14V i wtedy trzeba dłubać w opornikach, zmieniać współczynniki kalibracji itd. Z kolei gdy zakresy dasz sporo za duże, tracisz na rozdzielczości. Mając 10 bitów w ADC na zakresie 10V masz LSB=10mV, ale na zakresie 50V już tylko 50mV. Ja bym założył:

a. Na wejściu maks. 10V co wykasza co prawda wszystkie popularne baterie 12-15V przeznaczone do bezpośredniego ładowania akumulatorów 12V, ale obsługuje wszystko poniżej czyli całą masę tych z "ładowarek USB" 5-7V.

b. Na wyjściu maks. 10V, co zapewnia zabawę zarówno w LiPole 1S jak i 2S.

c. Oba prądy maks 1A, co daje jeszcze rozdzielczość 1mA chyba wystarczającą w takim modelu.

To obwodami wejściowymi ADC (dzielnikami i wzmacniaczami) dobierasz rzeczywiste zakresy pomiarowe, bo do ADC i tak musisz doprowadzić napięcie z zakresu 0-5V. A program przelicza tylko wynik konwersji (liczbę 0..1023) na fizyczną wielkość napięcia/prądu wyrażoną w [mV] czy [mA].

Pomiar napięcia wyjściowego dałbym przed opornikiem pomiarowym, bo to jest prawdziwe napięcie wyjściowe przetwornicy brane pod uwagę do liczenia sprawności.

Zwiększyłbym oporniki w dzielnikach napięć (2-5 razy), szkoda nawet i tego ułamka sprawności, szczególnie przy słabym oświetleniu.

500k też nie ma w szeregu E24, jest za to 510k. Równe wartości i tak nie mają znaczenia, bo arytmetyce procesora (przy przeliczaniu ADC na mV) jest wszystko jedno czy mnoży przez 2.500 czy przez 2.518.

Postaraj się zapamiętać E24 na całe życie, przyda się:

https://www.vishay.com/docs/28372/e-series.pdf

EDIT: Wprowadź jeszcze kilka poprawek, przelicz oporniki, upewnij się, że dobrze policzyłeś i rób płytkę.

[Yggas]

Rezystor 500k

Tu jest rezystor dokładnie 500k, który będę miał tzn jak ustalę wzmocnienie 100.

Do zakresu 10V potrzebne mi będzie wzmocnienie 50 dla max spadku napięcia 100mV co da mi 5V czyli będę potrzebował rezystor 250kR co już takie fajne nie będzie bo takowego nie ma 🙄

Przy doborze rezystorów patrzyłem po rezystancjach na stronie, a nie po szeregach.

Jest za to rezystor smd 249kR i się nad nim zastanawiam, oko mam dobre tylko jeszcze kupię dobre szczypce i kolbę kolanko i chyba dam radę to przylutować.

W dzielnikach zwiększyłem rezystory do 33kR bo w sumie akurat mam takich parę, jeżeli to będzie napięcie max 10V to będę je dzielił na pół czyli dwa 33kR na jeden pomiar.

Jak liczysz tą rozdzielczość dla prądu? 😋

Dodatkowo jako taki wstęp w pisemnej pracy chciałbym umieścić symulację w Spice ale w niej na rezystorach pomiarowych mam ujemne prądy i nie wiem dlaczego... Na rezystorze obciążenia już mam dodatni 🙄

Schemat poprawiony do druku:

[marek1707]

Ale te 500k to bardzo wycudowany rezystor pomiarowy do robienia specjalnych drabinek. Na dodatek wielkości 1W. Nie o to chodzi, że nie znajdziesz gdzieś na świecie prawie dowolnego opornika, tylko by tak policzyć układ by pasowały typowe elementy.

A teraz wytłumacz mi proszę po co Ci wzmocnienie dokładnie 100.

Bo przecież teraz jest tak:

1. Opornik pomiarowy 100mΩ daje dla prądu powiedzmy 0.3A napięcie 30mV.

2. Te 30mV mnożysz x100 i masz napięcie 3.00V

3. Mierzysz w ADC napiecie 3.00V przy uzyciu referencji (zakładam choc na pewno bedzie inaczej) 5.00V dostając wynik 3/5*1024 = 614

4. Program musi pomnożyć liczbę 614 z ADC przez współczynnik 0.489 by dostać wynik 300[mA] i pokazać go na jakimś LCD lub wysłać do PC

A w przypadku użycia typowego opornika np. 470k mamy natomiast (w skrócie):

1. 30mV

2. 2.82V

3. 577

4. Współczynnik 0.520 daje znów 300[mA]

Czy widzisz jakąś wyższość liczby 0.489 nad 0.520? Bo ja nie. Więc nie wiem dlaczego upierasz się przy tak dziwnych wartościach skoro w kodzie programu nic się nie zmienia oprócz jednego współczynnika. Dobierz to wzmocnienie tak by dla prądu 1A dostać trochę mniej niż 5V np. coś w okolicach 4.8-4.9V i tyle. Przecież to nie ma znaczenia. Wyobraź sobie, że w końcu pracujesz już w firmie i robisz elektronikę. Robisz wycenę jakiegoś swojego projektu i wychodzi 10% więcej niż identyczna rzecz zrobiona przez kolegę obok bo zamiast wziąć oporniki z szuflady (każdy w końcu ma wszystkie wartości z E24) lub z pierwszego lepszego sklepu, musisz kupować jakieś wycudowane wartości gdzieś po świecie. I nie Ty tym razem dostajesz premię.

A oto przykład, może warto kupić i mieć z głowy problemy z opornikami 500k?

https://botland.com.pl/zestawy-rezystorow/813-zestaw-rezystorow-tht-14w-opisany-2640-szt.html

Nie sprawdzałem czy to pełny szereg w każdej dekadzie, ale niewiele brakuje. Można dokupić już pojedynczo lub znaleźć lepszy zestaw. No i ta cena.

Rodzielczość? No to proste. Skoro zakładamy zakres pomiaru prądu = 1A i mamy 10-bitowy ADC to dostaniesz tylko 1024 różne liczby a to właśnie jest ok. 1mA.

W moim przykładzie (tym z 470k) pełny zakres masz wtedy gdy do przetwornika doprowadzisz 5V. Idąc od tyłu, skoro wzmacniacz ma wygenerować 5V a ma wzmocnienie 94 to na oporniku pomiarowym musi "zobaczyć" 5/94=53.2mV a to oznacza prąd 532mA w 0.1Ω. Taki masz wtedy zakres. No a skoro tak, to najmniejszy kwant prądu rozróżnialny przez ADC będzie w tym wypadku wynosił 532/1024=0.52mA. Mówiłem, że to proste 🙂

W symulatorze komponenty mają swoje numery nóżek (niewidoczne) i prąd jest dodatni gdy płynie zawsze tylko od jednej (zawsze tej samej) do drugiej. Odwróć oporniki na schemacie to prąd w nich płynący zmieni znak.

Jaka wyszła sprawność z symulacji w warunkach ustalonych, już po tych pierwszych wahnięciach? Policz obie moce: we i wy. A do symulacji wstaw rezystancje szeregowe dławików i ESR kondensatorów elektrolitycznych. Weź to z katalogów. To wiele zmienia a bez tego to rzeczywiście jest tylko symulacja działania a nie działanie prawdziwego układu.

------------------------

EDIT:

Jak sam widzisz, równe kwanty wielkości mierzonych ADC dostaniesz gdy zakresy będą paskudnie dziwne. Np. przy zakresie pomiarowym dokładnie 10.24V dostajesz kwant 10.00mV i wtedy współczynnik przeliczania ADC na [mV} wynosi 10.00. Wystarczy dobrać dzielnik wejściowy tak, by dla Vin=10.24V dawał Vout=5.00V dla ADC.

A jeśli chodzi o prąd: wstawiasz opornik 244.14k i masz wzmocnienie 48.83 co daje zakres pomiarowy 1.024A i wtedy współczynnik do przeliczeń na [mA] wynosi śliczne 1.00. To teraz już tylko wystarczy kupić odpowiedni rezystor i z głowy..

[Yggas]

Coś takiego mi wyszło:

xDDDD

Nie jest tak łatwo poprowadzić te trasy... Jeszcze te układy scalone to mają ten rozstaw pinów taki, że raczej powinno się robić to wszystko na płytce dwustronnej 😃 Ale jakoś upchałem na jednostronną... Pin PWM będzie wlutowany w płytkę jako kabel.

[marek1707]

"Nie jest tak łatwo poprowadzić te trasy.."

A jeszcze trudniej jest zrobić to z głową. I żebyś nie popadł w zachwyt powiem Ci, że trochę poszedłeś na łatwiznę. Płytki w których występuje wiele tak różnych sygnałów (np. impulsowe prądy przetwornicy, bardzo szybkie skoki napięć o wiele woltów a tuż obok miliwoltowe sygnały pomiarowe) powinny być robione z pewną myślą i zachowaniem reguł. PCB to nie jest już tylko połączenie wszystkich netów jak popadnie wg schematu. To jest kolejny, bardzo pracochłonny etap projektu. Możesz tu zepsuć bardzo wiele świetnych idei które wbudowałeś w schemat.

W obecnym stanie płytka "jakoś" zadziała, ale jeśli masz ochotę można ją znacznie poprawić. Moje główne uwagi to:

1. Wylana masa - w sposób niekontrolowany puszczasz przez nią wszystko co tam po masie przepływa. Nie panujesz nad głównymi pętlami prądów przetwornicy ani nad masą pomiarową - tą względem której będziesz mierzył napięcia w Arduino.

2. Z czego Twoje wzmacniacze pomiarowe biorą napięcia pomiaru prądów? Bo przecież nie z rezystorów. Popatrz na to z punktu widzenia takiego wzmacniacza. Jego obie nóżki muszą bezpośrednio "dotykać" opornika a po drodze (w obu ścieżkach między wzmacniaczem a opornikiem) nie powinno nić być dołączone. Inaczej ta ścieżka która prowadzi prąd staje się częścią opornika. Co z tego, że kupisz 100mΩ/1% jeśli każdy ma szeregowo ścieżkę prądową po której płyną szpile ładujące jakieś kondensatory. Tak się tego nie robi, kupujesz dobre wzmacniacze a potem to wszystko marnujesz źle prowadząc ścieżki.

Proponuję: wróć do schematu i narysuj którędy będzie płynął prąd w czasie załączenia a którędy w czasie rozłączenia klucza. To są dwie najważniejsze pętle prądów w tym układzie na które musisz zwrócić uwagę. Wrzuć takie dwa rysunki i pomyślimy co dalej. Spróbujemy tak przerysować schemat (bez zmiany topologii oczywiście), by było na nim widać co z czym ma być bezpośrednio połączone ścieżką.

[Yggas]

Teraz poprawiłem na płytkę dwustronną, powinno być lepiej i widoczniej:

Jeżeli chodzi o masy to już później zrobię jakieś połączenia wyrównawcze.

Aha i jeszcze nie jestem pewien czy: ścieżka sygnałowa może iść w pobliżu dławika ❓

[marek1707]

Jeśli masz wątpliwości, odsuń albo zastanów się jak rozkłada się pole wokół tego dławika, co nią steruje (jaka impedancja) i czy bardzo będzie wpływało na sygnał bo może jest bardzo sztywny i nic mu nie zaszkodzi. Jeżeli pole jest równoległe do ścieżki to spoko. No i czy dławik ma rdzeń w postaci szpulki czy toroidalny, jak ustawiony i czy ma otwarty obwód magnetyczny. Te z zamkniętym są w praktyce niegroźne. Na pewno wiesz co kupujesz.

Czy wielkość 2200uF i 470uF jest fizycznie taka sama?

Dodasz coś później do masy? Hm, ciekawe, ale cóż mogę na to poradzić..

Co to jest 10uC i jak wygląda taki element? Miało być kilka mniejszych równolegle. Co tam planujesz wstawić?

Moim zdaniem płytka jest dwa razy za duża i niepotrzebnie dwustronna. O masie i to co o niej myślę już napisałem.

[Yggas]

Dławiki są toroidalne, tak wyglądają:

Kondensator jest jeden smd 10uC, mam też ceramiczne tht ale jak już mam jeden...

Tamte kondensatory wymiaru footprintów pozmieniałem ale w sumie nic się nie zmieniły, nawet jeżeli to niewiele się różnią.

Poprawiłem to jeszcze, płytka jednostronna, coraz lepiej mi idzie upchanie tego na mniejszą powierzchnię.

Nie wiem o co Ci chodzi z tą masą :/

Jak podłączę z arduino piny 5V i GND do złączki x8 to napewno to będzie dobrze? Przez masę w stronę arduino nie będzie płynął jakis prąd przypadkiem? Mówię o tych 0.5 - 1 A co gdzieś tam się po niej rozchodzą...

[marek1707]

Prąd zawsze płynie w zamkniętych oczkach. Jeżeli jakimś kablem przez złącze wypłynie 1A to innym musi wrócić a jeśli nie wypłynie, to nie wróci.

Jeżeli w tym przypadku Arduino wysyła ze swojego +5V tylko zasilanie wzmacniaczy (sprawdziłeś ile pobierają?) to taki sam prąd wróci do niego po masie. Jeżeli wysyła impulsy prądu przeładowujące bramkę tranzystora to takie same impulsy po masie wrócą. Tu nic nie znika, ale też nie pojawia się samo.

Wokół drenu tranzystora zrób taki sam thermal relief jak wokół padów przewlekanych bo go nie przylutujesz.

Dlaczego lewy opornik 240k położyłeś ładnie na "prywatnej" masie wzmacniacza a prawy dałeś na jakiejś "obcej" masie? To samo zrób z opornikami/kondensatorami dzielników napięcia - postaw je na tych delikatnych masach wzmacniaczy. Acha, rozepnij masy pod lewym wzmacniaczem tak jak jest to zrobione pod prawym. Przez druty mas wzmacniaczy praktycznie nic nie będzie płynąć więc wyniki zmierzone przez ADC nie będą obarczane dodatkowymi błędami DC. Po środku złącza dodaj jeszcze dwa piny i tam podłącz masę "mocy", tę z góry płytki. Cztery (już teraz) kable GND połącz dobrze razem dopiero na płytce Arduino.

Daj wzmacniaczom na zasilaniu po jakimś małym 100nF..1uF na scalak. Od jego +5V do jego masy.

[Yggas]

Dodałem kondensatory na zasilaniu, masa pomiarowa będzie połączona z Arduino PRZY Arduino, dodałem screw terminal do PWM i tam będzie się łączyła masa mocy z tą z Arduino, zrobiłem też parę stref chronionych i wypełniłem resztę masą.

Zrobiłem też ten thermal relief ale poprzez strefy chronione, czy to zda egzamin?

Tak się teraz przedstawiają płytki:

[marek1707]

Tak, to już jest OK. Trochę niewygodny będzie ten kabel masy wychodzący z dziwnej strony płytki, ale trudno. Może wyobraź sobie całość: już z Arduino, zasilaczem, baterią i obciążeniem. Dodatkowy kabel masy i tak będzie będzie szedł nad albo pod płytką i obok złącza J1 w stronę Arduino. Mając jedną wiązkę byłoby mniej plątaniny na biurku i łatwiej wtedy płytką obracać i mierzyć, układ wygląda "czyściej". Moim zdaniem gdybyś puścił tę masę "mocy" środkiem płytki (pod L1 i C3) szerokim wylaniem do góry i tam doczepił ją do dwóch środkowych, dodatkowych pinów złącza (rozszerzając je do 10 pinów) to miałbyś właśnie jeden wygodny kabel do Arduino prowadzący wszystko.

Czy to zielone to górna czy dolna strona płytki? Bo jeśli górna, to ciężko będzie lutować elementy THT (elektrolity?) a jeśli dolna, to całe SMD musi być na spodzie i wtedy np. wzmacniacze (i tranzystor) muszą być chyba odwrotnie..