Wybieranie ogniw zasilających przy pomocy przekaźników.

[marek1707]

Zanim dotkniesz lutownicy policz przetwornicę, oszacuj wielkość elementów i pokaż schemat. Układ jest prosty, ale wkopać się można wszędzie.

[Vroobee]

Właśnie zacząłem szukać na ten temat. Lutownicy na razie nie tykam 🙂 zanim przetestuję - przeliczę.

[ Dodano: 17-03-2016, 21:09 ]

Ok, więc tak. Znalazłem taką oto notę od TI (Boost ). Skorzystałem ze wzorów (1), (5), (6) i (12).

Kolejno parametry, które przyjąłem:

Vin(min) = 2V; n = 0,85; Vout = 9V

Obliczone D wynosi 0,81.

Cewka:

Iout(max) = 0,6A (dwa panele słoneczne połączone równolegle); Vin = 6V;

dIl obliczone wynosi 0,36 i wartość L cewki dla fs = 1MHz wynosi 5,56 uH (realne jak dla mnie).

Cewkę przyjąłbym 10 uH gdyż są dość popularne.

Dioda:

Maksymalny prąd 600mA i najlepiej Shottky.

Kondensator wyjściowy:

Podstawiając wszystkie wartości wcześniejsze do wzoru (12) wychodzi 0,05uF. Mało trochę tym bardziej, że ma to być elektrolit a najlepiej tantal. Pewnie przyjąłbym 0.1 uF tantal. Z praktycznego punktu widzenia kolegi @marek1707 jak wychodzą te obliczenia ?

Tranzystor STS-12NF30L

[marek1707]

Hm, nie wiem co powiedzieć. Na pewno policzyłeś to dobrze, bo wartości wyglądają sensownie, ale to nie jest zwykła przetwornica z 2V na 9V. To znaczy topologicznie jest, z tym że jej otoczenie jest niezwykłe.

Po pierwsze, poczytaj o ogniwach fotoelektrycznych. To nie są typowe źródła jak bateria chemiczna czy zasilacz. Są bardzo "miękkie" i generują stałą (dla danych warunków oświetlenia) moc, co bardzo zmienia myślenie o nich. Jeżeli weźmiesz trochę więcej prądu, dostaniesz trochę mniej napięcia. Choćby z tego powodu przetwornica powinna brać dużą część swojego prądu wejściowego z jakiegoś kondensatora by w miarę wyrównać pobór w ciągu jednego cyklu. Wahania prądu w indukcyjności powinny być raczej małe, byś pracował w dobrze określonym punkcie U-I. To ułatwi także pomiar prądu i napięcia. Przetwornica nie musi mieć dobrej odpowiedzi impulsowej bo ani nie ma pomiaru chwilowej wielkości prądu (current mode), ani obciążenie nie jest jakieś szybkozmienne, ani pętla sterowania nie będzie na szybkich wzmacniaczach tylko na programie. Dlatego można przyjąć wahania prądu nawet na poziomie 10-20% prądu maksymalnego.

Po drugie nie wiem czy jest sens startować od 2V. Ogniwo słoneczne 6V/2W przy 2V napięcia będzie pracowało na ułamku tych 2W i pewnie nie starczy nawet na zasilanie samej przetwornicy..

Po trzecie do wysterowania MOSFETa na 1MHz potrzeba bardzo dużego prądu chwilowego, potężnego drivera (2-3A?) i generuje to paskudne zakłócenia. Myślę, że dla takich tranzystorów optimum leży gdzieś na 100-200kHz. Nowe przetwornice scalone pracują dużo wyżej, ale one mają ścieżki długości 50um, praktycznie zero pojemności pasożytniczych i MOSFET optymalizowany do takiego przełączania. Chyba nie ma co się ścigać.

Po czwarte obciążeniem jest akumulator LiPol. Nie będzie tam napięcia nigdy większego niż 8.4V i to jest bezdyskusyjne. Jako dolną granicę możesz uznać 6V bo niżej nie możemy go rozładować. Dla 1MHz i małych prądów pojemność uF jest całkiem OK, ale nigdy w takim układzie tantal. Podłączysz go wprost do akumulatora a to oznacza ogromny prąd ładowania w bardzo krótkim czasie (dI/dt). Tantale wtedy wybuchają, nie warto ryzykować. Z uwagi na chyba jednak niższą niż 1MHz częstotliwość, raczej elektrolit. Ponieważ prądy będą raczej niewielkie, może być nawet zwykły - może trochę przewymiarowany, np. na 35 lub 50V, ale i low-ESR np. 10-47uF/16V będzie w sam raz. Ten kondensator będzie stanowił też ważny element filtra dla przetwornic buck obciążających nasz akumulator.

Po piąte zastanów się z czego będziesz tę przetwornicę zasilał. Sam procesor pewnie z 3.3V robionego z akumulatora, ale driver MOSFETa? Wybrałeś bardzo zacny tranzystor, teraz pomyśl o jego sterowaniu. Czy to będzie dedykowany procesor do tej przetwornicy, czy główny mózg robota? Z uwagi na rozdział zadań i możliwość kompletnego odłączenia całości elektroniki przy rozładowaniu poniżej 6V sugerowałbym podział. To ułatwia też wykonanie projektu. Najpierw skupiasz się na systemie zasilania (przetwornica wraz z jej stabilizatorem pracującym ciągle - liniowym?) a potem możesz do aku podłączać co się żywnie podoba. Masz osobne bloki.

Dioda wyłącznie Schottky, mała 30V/1A powinna wystarczyć, choć jeśli będziesz (a nie wątpię że tak) chciał poeksperymentować z większymi ogniwami foto, prąd ładowania może wzrosnąć.

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

EDIT: Aby uzyskać 1MHz PWM przy rozdzielczości 8-bitowej potrzebujesz taktowania 256MHz. Masz takie szybkie timery? Ja podobne przetwornice robiłem nawet na małym tiny861a. Jego wbudowany PLL może rozkręcić timer do 64MHz - to daje 250kHz przy 8 bitach a były projekty gdzie schodziłem do 125kHz właśnie z uwagi na spokojniejsze sterowanie kluczem przez mały driver, np. MCP1402. Dostajesz wtedy kompaktowy układ z którym możesz gadać przez I2C (programowe) lub UART (niestety także) robiący całe zarządzanie zasilaniem. To wygodne 🙂

[Vroobee]

W takim razie jakie napięcie minimalne panelu byś zasugerował ? Panel ma pracować w granicach np. 4 - 6 V ? Zastanawiałem się też nad dodaniem przed przetwornicą boost kondensatora (jakiś elektrolit np. 10 uF).

Co do taktowania - chciałem kluczować tranzystor sygnałem PWM z procka STM32. One mają taktowanie 64 MHz, stosując prescaler 64 można uzyskać 1 MHz PWM (16 bitowy timer) bez żadnego problemu chyba. Ale skoro mówisz, że w takim przypadku będzie bardzo duży prąd chwilowy na tranzystorze to zrezygnuję z tego pomysłu. Nie wiem czy czasami nie spróbuję rozwiązać tego chociażby na ATmedze 328. Zegar 8 MHz z prescalerem 256 myślę, że powinien wystarczyć. Częstotliwość PWM będzie wtedy ok 30 kHz. Do tego proponowałbym driver MOSFET MCP1402 (o którym wspomniałeś). ATmega328 ma też z tego co mi się wydaje I2C, więc komunikacja z "mózgiem" będzie się odbywać po tej linii.

Podsumowując dla takiej przetworniczki proponowałbym układ taki:

- C - 2x10 uF (wejście i wyjście),
- L - 10 uH

- Shottky 1A np. 1N5819

Zastanawiam się tylko nad tym tranzystorem. Jaki wybrać. Jakimi parametrami się sugerować. Na pewno krótki czas przełączania (ale jakiego rzędu to są wielkości).

Proponowany przeze mnie układ zasilania i pomiaru na zdjęciu poniżej, wpadłem na niego przed chwilą:

Pierwszy układ to układ pomiaru prądu wychodzącego z panelu, pomiar napięcia można podłączyć gdzieś pomiędzy włącznikiem (X2-1, X2-2), dalej przetwornica boost. Mosfet podłączony do drivera, a ten do PWM z ATmegi. Na wyjściu procek utrzymuje 8.4V max, to 8.4V idzie jalej na jakiś stabilizator 7805, który zasila ATmegę i dalej na aku - plus do plusa, minus do minusa. 🙂 tylko nie wiem na ile to jest poprawne 😋

[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]

Kondensator na wejściu (tuż przy dławiku, już za pomiarem prądu) obowiązkowy. To z niego przetwornica będzie czerpać prąd impulsowy a przed nim z kolei prąd będzie dużo spokojniejszy i to ten będziesz mierzył. Moim zdaniem spokojnie może to być nawet coś wielkości 100-1000uF/10V. Plus jakiś ceramiczny 100nF - to zawsze się przydaje, choćby ze względy na EMI generowane w kabel od fotoogniwa.

Pomiar prądu generalnie robi się włączając opornik szeregowo z prądem. W sumie to nie bardzo rozumiem co narysowałeś i jakby to miało działać. Opornik R2 przywiera źródło?

Najbardziej elegancko jest włączać pomiar w gorący przewód, bo wtedy masa w układzie pozostaje nienaruszona. Niestety taki sposób ma jedną podstawową wadę: napięcie powstające na oporniku pomiarowym pojawia się między jego końcówkami a Twój ADC potrzebuje napięcia odniesionego do masy układu. No i teraz jest okazja do użycia całego zestawu różnych pomysłów zamieniających jedno na drugie. Nie miejsce na to by wszystkie opisywać (może kiedyś) tym bardziej, że proponuję inne rozwiązanie. Ponieważ bateria słoneczna jest źródłem zewnętrznym względem naszego układu i naprawdę nie przeszkodzi jej, że jej minus nie będzie podłączony do naszej masy, tam włącz opornik pomiarowy. Nie może być duży żeby nie tracić bez sensu napięcia. Dla maksymalnego prądu powinno spadać max 100-200mV. To już jest napięcie w miarę mierzalne i nie czułe na jakieś sprawy termiczne czy pływanie offsetu wzmacniaczy (przynajmniej w tej klasie układu). Bo oczywiście bez wzmacniacza (odwracającego - dlaczego?) się nie obejdzie. Na szczęście prostego. Zakładając, że planowane ogniwo nie da więcej jak 400mA, opornik 0.5R "odda" nam wtedy 200mV. Jak znajdziesz 0.22 lub 0.33R też będzie OK, trzeba tylko przeliczyć wzmacniacz. Spróbuj naszkicować układ pomiaru prądu ogniwa foto i ew.pomiaru prądu akumulatora. W obu przypadkach oporniki pomiarowe mogą stać na masie chyba, że jesteś gotów wydać kilka złotych (10?) na porządne pomiary w "gorących" szynach zasilania. Może warto (z powodów edukacyjnych) przemyśleć za i przeciw obu koncepcji 🙂 Gdybyś się tu zgubił, daj znać.

Z tym STM to chyba coś nie teges. Mając na wejściu zegar 64MHz i puszczając 16-bitowy timer nawet bez prescalera, dostajesz PWM o częstotliwości 64000000/65536=976Hz. Dopiero gdy skrócisz mu okres do 8 bitów otrzymasz interesujące 250kHz. Co ciekawe dla ATmegi policzyłeś to dobrze 🙂

A teraz dławik. Dla częstotliwości 30kHz i wahań prądu rzędu 20% wartości liczonej od 350mA mi wychodzi okolica 1mH. To duża cewka:

http://www.tme.eu/pl/details/de1207-1000/dlawiki-smd-mocy/ferrocore/

ma 1.5R rezystancji i 12x12mm.

Proponuję jednak albo popędzić procesor z kwarcu 16MHz i dostać 62.5kHz albo nawet zmniejszając rozdzielczość do 7 bitów podjechać do 125kHz i skorzystać z dławika 220uH:

http://www.tme.eu/pl/details/dlg-1005-221/dlawiki-smd-mocy/ferrocore/

A może jednak tiny461/861? AVRGCC go zna, więc spokojnie go oprogramujesz.

Tranzystor był OK. Przy tak małych napięciach krytyczny jest Rds - żeby był dużo niższy niż reszty (dławika np) i oczywiście czasy/pojemności, ale dobrze wybrałeś. To musi być jakiś kompromis, bo zbyt szerokie kanały (małe Rds) kosztuje dużą pojemność. Na szczęście przy napięciach 20V kanał jest krótki więc ma małą powierzchnię i pojemności bramkowe nie rosną dramatycznie.

Myślę, że w takim układzie powinieneś oszczędzać prąd więc znajdź w swoim sklepie stabilizator o małym spadku napięcia (LDO) i prądzie takim jakiego potrzebujesz, nie 1A. Aku rozładowany do 6V może nie dać 5V na wyjściu 7805. A sam 7805 bierze tyle prądu ile cały procesor.

[Vroobee]

Ok. Wszystko mam nadzieję, że zrozumiałem dobrze. Przedstawiam swoje obliczenia dla układu ze wzmacniaczem odwracającym - dlaczego ? Wydaje mi się, że dlatego, iż mierzymy spadek napięcia na rezystorze, który jest skierowany w przeciwną stronę niż potencjał ogniwa, a chcemy otrzymać napięcie wyjściowe dodatnie. Zasugerowałem się rezystorem 0.5R, dla którego spadek napięcia dla prądu 600 mA (dwa ogniwa równolegle) to 300 mV. To jest moim napięciem wejściowym wzmacniacza. Wzorek dla wzmacniacza każdy zna (albo powinien znać). Napięcie wyjściowe chciałem uzyskać w granicy od 0 do 3 V. Zatem stosunek R2 do R1 to 10. Wybieram rezystory R1 = 10k, R2 = 100k. Schemat podłączenia poniżej:

Tranzystor zostawiam STS12NF30L , driver do tego tranzystora MCP1402 . Sterowanie tranzystorem i pomiary na ATmega328 albo nawet ATtiny461 do czego się bardziej przychylam.

[marek1707]

Brawo 🙂

PS:

P = I²*R

P = 0.6A*0.6A*0.5Ω = 0.18W

Z 5W opornikiem będzie ciężej jeździć 🙂

W rzeczywistości wystarczy przewlekany 0.51Ω/0.25W lub w SMD np. dwa równolegle 1Ω wielkości 0805 lub dwa szeregowo 0.22Ω

PS2: To teraz (dla wprawy?) wymyśl i policz wzmacniacz dla opornika akumulatora. Jeśli podłączysz go tak samo jak ten (jeden koniec na masie) dostaniesz napięcie bipolarne o kierunku zależnym od przepływającego prądu. Spróbuj tak spolaryzować wejście nieodwracające wzmacniacza, by jego wyjście było gdzieś w okolicach połowy zakresu ADC dla zerowego prądu. Jeżeli przewidywane prądy: ładowania i rozładowania są wyraźnie różne (a dlaczego by nie - napędy mają swoje potrzeby) można to zrobić niesymetrycznie. Jeśli ustawisz "zerowe" napięcie wyjściowe wzmacniacza poniżej połowy skali ADC, do 0V będzie bliżej i dobrze, bo prąd ładowania (napięcie na oporniku dodatnie) jest mniejszy. Za to w stronę Vmax będzie więcej miejsca na duży prąd rozładowania (napięcie na oporniku ujemne). Dzięki temu nie stracisz rozdzielczości ADC na niepotrzebny zapas po jednej ze stron. Dobierz opornik szeregowy dla większego prądu rozładowania (jakiego? ile przewidujesz?), offset wzmacniacza na wejściu (+) i wzmocnienie 🙂

[Vroobee]

Hmmm... tutaj mam trochę problem. Układ skonstruowałem taki:

Prąd przepływający ok. 1 A, podejrzewam, że więcej nie będzie. Rezystor pomiarowy 0.1 R / 1W (1W dlatego, że taki znalazłem najmniejszy na TME, z tym 5W trochę przesadziłem - tego by należało użyć do pomiarów 10 A w moim przypadku 😋 ). I teraz tak, w zależności od tego czy większy będzie prąd ładowania czy rozładowywania, spadek napięcia na rezystorze pomiarowym może być różnie ukierunkowany. Dlatego zakładając maksymalny próg napięcia na ADC 3V, zerowy prąd wypadałby w 1.5V, tą część zrozumiałem. Natomiast zupełnie nie wiem jak to zrealizować fizycznie :/

Zastanawiałem się jeszcze czy w tym przypadku (bipolarność prądu) nie lepiej użyć różnicowego pomiaru.

[marek1707]

Przede wszystkim opornik pomiarowy musi być połączony szeregowo z akumulatorem (żeby w ogóle mierzył prąd akumultaora a nie jakiś inny) i stać na masie - to upraszcza sprawę pomiaru napięcia na nim, bo mamy je wtedy "za darmo" odniesione do naszej masy:

Dla 1A rozładowania dostajemy na R1 napięcie -100mV. Dla 600mA ładowania mamy +60mV. Rozpiętość wynosi więc 160mV i to musisz "upchnąć" w swoich 3V zakresu ADC. Ponieważ 3V/0.16=18.75, wzmacniaczowi dałem gain=16. Zawsze warto mieć jakiś zapas, choćby na tolerancje rzeczywistych elementów.

Teraz zostaje jeszcze tylko sprawa polaryzacji wejścia nieodwracającego Uin+. Musisz wymyślić (a najlepiej policzyć) ile tam trzeba podać, by na wyjściu dostać 1.125V (dlaczego tyle?) dla U(R1) = 0. Zaproponuj jakiś układ który zrobi taki offset. Powodzenia 🙂

BTW: Filtr RC na wyjściu "odśmieca" nam pomiary. Dałem mu częstotliwość odcięcia 1.6kHz i to powinno już dobrze wygładzić piłę od ładowarki. Warto jeszcze dodać z 1nF równolegle do R3 - to obcina pasmo samego wzmacniacza i zabezpieczy przez wzbudzeniem, gdyby płytka była zaprojektowana wyjątkowo.. hm, dziwnie.

[Vroobee]

Dzisiaj o tym myślałem i nie wiem czy nie spróbowałbym tego uzyskać:

1) dzielnikiem rezystancyjnym

2) wzmacniaczem różnicowym.

Dobry trop ?

[marek1707]

Tak, oczywiście, że dzielnikiem. Przecież chodzi o zwykłe napięcie stałe. Od wejścia (+) Twój wzmacniacz ma wzmocnienie x16+1. Jeżeli na wyjściu mamy dostać te 1.125V to na wejście musimy podać ok 66mV.

Możesz wziąć je z zasilania i podzielić opornikami (np. 180k i 2.4k dla 5V), ale wtedy wahania Vcc będą bezpośrednio widoczne jako błąd wzmacniacza. Najlepiej gdybyś zrobił te 66mV z napięcia odniesienia ADC. Jakie ono jest? 3V? Trochę niecodzienne, ale co tam. Upewnij się, że na pewno bo trzeba będzie przeliczać wszystko od nowa. Policz dzielnik tak, żeby dostać odpowiednie napięcie i tyle. Korzystanie w takich przypadkach z Vref ma tę zaletę, że wszystko zmienia się proporcjonalnie i unikasz błędów związanych z pływaniem napięć względem siebie. Na wyjściu dzielnika daj kondensator 1uF i Vin+ gotowe 🙂 Zobacz, czy Vref procesora/przetwornika można obciążać i jakim prądem. Jeżeli lepiej nie, do zasilania dzielnika musisz użyć bufora (wtórnika napięciowego) na kolejnym wzmacniaczu. Na szczęście dzisiaj wzmacniacze (tej klasy) są bardzo tanie i można traktować je jak kolejny tranzystor czy LED w układzie 🙂 Korzystaj z tego.

[Vroobee]

Ewentualnie mógłbym skorzystać z zewnętrznego źródła napięcia odniesienia. W ATmedze jest bodajże bardzo niecodzienne 2.56 V. Mogę zastosować takie źródło 2,5V o obciążalności do 20 mA (Źródło ). Łatwiej będzie podzielić, a też można użyć jako napięcie odniesienia dla ATmegi.

Jak zrobię schemat całego układu na dniach łącznie z kontrolerem, wstawię do oceny 🙂

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

EDIT:

Przy okazji zapytam, czy mogę docelowy tranzystor zamienić na ten ( IRFML8244TRPBF ) ? Wg. mnie ma trochę lepsze parametry dynamiczne, mniejsze pojemności wejściowe i wyjściowe, niższą rezystancję dren-źródło (co akurat chyba nie wpływa na plus, bo będzie przepływał przez niego większy prąd).

[marek1707]

Oczywiście, że możesz użyć wewnętrznego źródła. Napięcie 2.56V jest fajne, bo przy 10-bitowym ADC jego najmłodszy bit "waży" równo 2.5mV. Referencję ATmegi dobrze jest buforować, ATMEL chyba nie zaleca obciążania tego czymś zewnętrznym.

W układach impulsowych z definicji klucz powinien być idealny. Każdy Rds>0 powoduje straty. Każde R cewki i ESR kondensatora także. Tutaj wszystko opiera się na magazynowaniu energii w polu dławika. Prąd płynie taki jaki wynika z czasu, napięć i parametrów elementów LC. Rezystancje rzeczywiste są smutną koniecznością a układy takie działałyby naprawdę dobrze gdyby każde R było zerowe.

Porównując tranzystory przypomnij sobie jak będziesz je sterował. Proponowany wcześniej STS był wyjątkowo fajny, bo niskonapięciowy w sensie sterowania. Zobacz, masz wykres ch-ki wyjściowej dla napiec bramki 2.5-5V. To rzadkie. Ty będziesz mu zapodawał na bramkę ok. 5V z drivera a wtedy ma on ok. 10mΩ. Z kolei IRF ma w tych samych warunkach 40mΩ a pokazuje co potrafi dopiero przy sterowaniu bramki sygnałem 10V. Z trzeciej strony przy prądach jakie przewidujesz to i tak nie ma znaczenia a te miliomy giną przy rezystancji dławika... Warto byłoby się bić o mikroskopijny Rds gdybyś używał indukcyjności 2uH o rezystancji 20mΩ, częstotliwości 1MHz i prostowania synchronicznego. Użyj tego który Ci się bardziej podoba 🙂 Ja bym wstawił tego w SO8.

[Vroobee]

Dziękuję za pomoc 🙂 zostaję przy pierwotnym układzie. Muszę tylko zabrać się za zrobienie schematu i wstawić go tutaj do ekspertyzy.

Jeszcze raz wielkie dzięki !

btw. kondensatory elektrolityczne, low ESR dobierać ? 🙂

[marek1707]

Ale do czego? Co to jest "pierwotny układ"?