Najtańszy sposób na zwiększenie napięcia stałego

27

Jaki byłby najtańszy sposób na zwiększenie napięcia stałego?

Celem jest konwersja 1,2 V / 1,5 V (z ogniwa AA / AAA) na 3,3 V w celu zasilania małego 8-bitowego mikroprocesora, takiego jak Atmel ATtiny45 lub ATtiny2313, a także (jeśli to możliwe) 6 V w celu zasilania brzęczyka.

Jaki byłby maksymalny prąd, który można bezpiecznie pobierać z baterii alkalicznej po zwiększeniu jej do 3,3 V / 6 V.

Wreszcie, w jaki sposób mogę obliczyć czas, przez jaki bateria alkaliczna wystarczy, biorąc pod uwagę pewne zużycie?

icarus74
źródło
3
Pewne odpowiedzi znajdziesz prawdopodobnie w arkuszu danych dotyczących baterii alkalicznej. Aby znaleźć podkład na konwerterach DC-DC, możesz zajrzeć tutaj: eevblog.com/2011/01/17/…
0x6d64
Wygląda na to, że attiny45 może spaść do zakresu 1,8-2 V, aw zależności od zastosowania możesz czasami zawiesić się w trybie niskiego zużycia energii, aby zaoszczędzić trochę energii na akumulatorze. W ofercie startowej znajdują się tanie, małe układy PIC i TI MSP430, które oferują szalone małe pobory mocy.
rfusca
3
Może brakuje mi czegoś oczywistego, ale najprostszym rozwiązaniem (i najtańszym) jest wzięcie dwóch / czterech akumulatorów 1,5 V i połączenie ich szeregowo, aby uzyskać ~ 3,0 V / 6,0 V do zasilania mikrokontrolerów.
dr jimbob
Chociaż samo pytanie jest interesujące, w praktyce po prostu użyłbym baterii litowo-jonowej i brzęczyka, który działa w tym zakresie napięcia.
Codism
@ 0x6d64 dzięki. Wszystkie baterie alkaliczne mają podobną ocenę, ponieważ poza większością marek w większości aptek nigdy nie znalazłem kart katalogowych. Dzięki za konwertery DC-DC.
icarus74,

Odpowiedzi:

39

Istnieje technika zwana pompą ładującą, za pomocą której można wykonać podwajacz napięcia, ale da to tylko 3 V z ogniwa 1,5 V, a jeszcze mniej z ogniwa 1,2 V. Nadal o tym wspominam, ponieważ kilka mikrokontrolerów w tych dniach będzie działać przy napięciu do 2 V. Pompa ładująca może dostarczać tylko ograniczony prąd, wystarczający do zasilania mikrokontrolera, ale dodatkowe urządzenia mocy, takie jak silniki lub przekaźniki, są wyłączone. Napięcie spadnie również pod obciążeniem. To nie jest idealne. LM2660 jest włączona pompa ładowania kondensatora.

Lepszym rozwiązaniem jest regulator przełączający . Istnieją one w dwóch głównych topologiach: „buck”, aby przejść z wyższego na niższe napięcie oraz „boost”, aby przejść z niższego napięcia na wyższe. Więc chcesz regulator doładowania. Główni producenci to Linear Technologies (droższe) i National Semiconductor (niedawno przejęte przez Texas Instruments). LM2623 może działać na napięciach wejściowych tak niskie, jak 0.8V.

Informacje na temat prądu i żywotności baterii. Zakładam, że pracujesz z bateriami 1,5 V. Te tutaj na moim stole mają moc 2300 mAh, więc użyjmy tej wartości. Powiedzmy również, że twój mikrokontroler i dodatki wymagają 100 mA przy 3,3 V. To 330 mW. Jeśli przełącznik ma sprawność 85%, oznacza to, że pobiera 330 mW / 0,85 = 390 mW z akumulatora. To przy 1,5 V, więc pobierzesz 260 mA z akumulatora. Bateria jest oceniana na 2300 mAh, a następnie urządzenie może działać na 2300 mAh / 260 mA = 9 godzin na jednym ładowaniu.
Jeśli planujesz ładować baterię raczej mocno, pozostanę poniżej 2300 mA, co rozładuje ją w ciągu 1 godziny.

stevenvh
źródło
1
Inną topologią, którą należy rozważyć w przypadku niektórych aplikacji, jest konwerter flyback. Zasadniczo konwertery typu flyback są używane do konwersji z jednej polaryzacji na drugą, ale jeśli źródło zasilania jest „pływające” (jak w przypadku akumulatorów), mają tę zaletę, że można używać tych samych tranzystorów niezależnie od tego, czy napięcie wejściowe jest wyższe lub niższy niż pożądany wynik. Jedną wadą jest to, że cała energia musi być przetwarzana przez cewkę. Dla porównania, przy konwersji z 2 woltów na 3 wolty, tylko 1/3 energii musiałaby być przetwarzana przez cewkę.
supercat,
Dzięki @stevenvh za bardzo kompleksową odpowiedź z opcjami. Wspomniałeś o 2300 mAh ... czy to są Duracell, Energizer? Trudno mi ustalić, jaki jest poziom mAh zwykłych baterii alkalicznych w drogerii (nie o długiej żywotności).
icarus74
@ superupat, dziękuję za zasugerowanie opcji. Przeczytaj więcej na temat opcji konwertera flyback.
icarus74
@ icarus74 - 2300 mAh to akumulator Memorex NiMH AA . Mam też paczkę alkalicznych AA Duracell Plus (MN1500), ale nie mają one informacji o pojemności.
stevenvh
hmm Krzywe rozładowania baterii alkalicznych / pełne karty danych to coś, czego nigdy nie udało mi się znaleźć dla ogniw AA w aptece. Znalazłem ten ogólny oficjalny dokument z suchymi komórkami magnezu, który zawiera kilka dobrych informacji.
icarus74,
22

Aby uzyskać wyższe napięcie zasilania z takiej baterii, należy zastosować szczególny rodzaj zasilacza impulsowego zwanego „przetwornicą podwyższającą napięcie”. Wykorzystuje to cewkę indukcyjną do wytwarzania impulsów o wyższym napięciu. Pomysł jest taki sam, jak młot wytwarza wytryski o znacznie większym ciśnieniu, niż twoje ramię może bezpośrednio wywierać na gwóźdź.

Istnieją chipy, które integrują wiele z tego. Takie układy produkują Linear Technologies, ST Micro, TI i różne inne. Niektóre oferty Microchip są całkiem fajne w wąskim zakresie napięć.

Wykonywanie wyższych napięć jest OK, ale układy te są nadal ograniczone do podstawowych praw fizyki. Nie mogą zapewnić większej mocy wyjściowej niż wejściowej. Ponieważ moc jest napięciem razy prąd, prąd wyjściowy musi spadać wraz ze wzrostem napięcia. Podobnie jak w przypadku młotka, twoje ramię musi wprawić w ruch o wiele większy ruch niż jest przekazywany gwóźdźowi w zamian za większą siłę. Oczywiście będzie też trochę strat. Coś ponad 90% jest całkiem dobre. Powiedzmy na przykład, że twój przełącznik boost jest w 80% sprawny i wytwarza 3,3 V przy 100 mA z 1,3 V. C przy 3,3 V * 100 mA = 330 mW. Uwzględniając stratę w przełączniku, 330 mW / 80% = 413 mW. 413 mW / 1,3 V = 317 mA, czyli prąd pobierany z akumulatora.

W tym przykładzie prąd akumulatora wynosi 317 mA, co jest w zakresie tego, co typ AA może wytrzymać przez pewien czas. Aby dowiedzieć się, jak długo wytrzyma bateria, musisz spojrzeć na jej pojemność. Jest to wyrażane w bieżącym * czasie, podobnie jak mA-godziny. Powiedzmy, że twoja bateria AA ma pojemność 2 Ah. Przy pierwszym przybliżeniu 2 Ah / 317 mA = 6,3 godziny pracy. Istnieje jednak wiele rzeczy, które psują te podstawowe analizy. Po pierwsze, prąd nie będzie wynosił 317 mA przez cały czas rozładowywania akumulatora. W miarę obniżania się napięcia akumulatora zasilacz impulsowy pobiera większy prąd. Temperatura ma również duży wpływ na pojemność baterii. Jeśli ma to działać na zewnątrz w chłodnym otoczeniu, możesz uzyskać tylko 1/2 lub mniej znamionowej pojemności akumulatora. Sam prąd wpływa również na pojemność. 300mA dla AA prawdopodobnie nie jest na poziomie, w którym znacznie zmniejsza pojemność, ale 1A na pewno by było. Możesz uzyskać 2,0 Ah przy 300 mA, ale tylko 1,6 Ah przy 800 mA. Tworzę liczby. Prawdopodobnie nie są one całkowicie niedorzeczne w przypadku większości akumulatorów AA, ale naprawdę musisz sam zajrzeć do arkusza danych baterii.

Olin Lathrop
źródło
Dziękuję @Olin. Głosowałem i chciałbym przyjąć 2 odpowiedzi. Twoje wyjaśnienie jest szczegółowe i jasne, a między Stevenem a Twoimi odpowiedziami wiele się nauczyłem. Właśnie wybrałem kolejność odpowiedzi, aby być uczciwym.
icarus74
9

Podane odpowiedzi albo nie będą działać w rzeczywistych wersjach tego, co opisujesz, albo są dalekie od najniższych kosztów.

Arkusz danych Stevena LM2623 jest rozsądnym wyborem i rozpocznie się od 1,1 V i będzie pracował na 0,9 V, ale IC kosztuje około 60 centów.

Jeśli naprawdę chcesz najniższych kosztów, dobrze zaprojektowana wersja Złodzieja Dżuli jest dobrym kandydatem. Używam tej nazwy, ponieważ doprowadzi cię ona do wielu wielu wariantów, ale oryginalna forma nie jest bardzo wydajna. Gdy jednak wpadniesz na pomysł, możesz przejrzeć opcje i wybrać jedną.

„Joule Thief” to jednotranzystorowy konwerter samoscylujący doładowania wykorzystujący uzwojenie główne cewki oraz uzwojenie cewki sprzężenia zwrotnego. Do samodzielnego użytku możesz zbudować je za darmo z prawie każdego nowoczesnego złomowanego urządzenia elektronicznego lub jeśli kupując nowe lub nadwyżki części możesz zbudować jedno z 10 do 20 centów części.

Oto dobry przykład strony DIY Joule Thief

Poniższy złożony obraz składa się z 3 obrazów z powyższej strony:

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Inne - Możesz zbudować przetworniki podwyższające napięcie z jednym tranzystorem i dwoma oddzielnymi induktorami - zaletą jest brak konieczności stosowania dwóch uzwojeń. Klasyczny oscylator Colpittsa wykorzystuje niewykorzystany induktor.
Liczba tutaj i


Inne wersje:

Dobry

Kilka zylionów innych


Wikipedia:

wprowadź opis zdjęcia tutaj


Dodany:

Podstawowy złodziej Joule nie jest cudownym projektem. Jego wyjątkową cechą jest to, że działa w wielu przypadkach, wprowadzając w ten sposób konwersje energii, SMPS, przetworniki podwyższające napięcie i wiele innych do stosunkowo niedoświadczonych i niewykształconych dabblerów elektronicznych.

Różne przemyślenia na temat wersji regulowanych można znaleźć, przeglądając tę kolekcję (YMWV).

Natknąłem się na kilka odpowiedzi Joule Thief z wcześniejszej wymiany stosów, które wydają się mieć jakieś znaczenie. Wyszukiwanie „Joule Thief” na tej stronie pojawi się jeszcze kilka.

Jak obliczyć Złodzieja Dżuli

alternatywna poprawka do: Jak obliczyć Złodzieja Dżuli

Zarówno w grudniu 2012 r


Różne tutaj sterowniki od jednej komórki do LED

Russell McMahon
źródło
Dzięki Russell. Naprawdę podoba mi się to prawdziwie niebieskie podejście do majsterkowania. Mam jednak kilka pytań, opublikuję je tutaj jako komentarz i mam nadzieję, że możesz odpowiedzieć.
icarus74
1. W tutorialach nie znalazłem żadnego wyjaśnienia na temat stosunku zwojów, liczby zwojów dla uzwojenia głównego cewki indukcyjnej + sprzężenia zwrotnego. Zrób nie. zwojów muszą być takie same dla głównego i sprzężenia zwrotnego?
icarus74
2. Czy istnieje sposób na określenie napięcia, do którego doprowadzane jest napięcie wejściowe, poprzez liczbę zwojów? Czy liczba zwojów określa tylko ilość prądu, który można pobrać?
icarus74
3. Czy powinienem założyć, że zwiększona moc wyjściowa jest nieuregulowana, a wzmocnienie jest prawie stałym współczynnikiem zastosowanym do napięcia wejściowego?
icarus74
6

Najtańsze układy scalone do konwerterów boost, jakie znam, to 34063 i MCP1640. Moc wyjściowa MCP1640 wzrasta tylko do 5 V, ale jest bardziej wydajna i wydaje się łatwiejsza w użyciu (mniej części zewnętrznych) niż 34063, z wyjątkiem tego, że MCP1640 jest dostępny tylko jako SMD.

starblue
źródło
Dzięki @starblue. Na pewno na to spojrzę, ale jak wspominasz tylko o SMD, byłby to dla mnie problem. Chociaż wykonałem trochę pracy SMD, ale tylko z wielkim trudem. Nie mam odpowiedniej konfiguracji (narzędzi i cierpliwości) do pracy SMD.
icarus74
34063 jest dostępny jako pakiet DIL.
starblue,
MC34063 nie działa przy wystarczająco niskim napięciu, aby zaspokoić jego potrzeby.
Russell McMahon
6

Przycisk Dash

Amazon Dash Dash

Przycisk Dash [Amazon] działa przy 3,3 V podwyższonym z nominalnego 1,5 V akumulatora, pobierając 200–300 mA z akumulatora, gdy jest włączony, i 2,3 μA podczas snu. Oznacza to, że bateria ~ 1200 mAh powinna być w stanie zasilać urządzenie przez co najmniej cztery godziny podczas włączenia i dziesięciolecia podczas snu. Ponieważ przycisk jest włączony tylko przez kilka sekund po aktywacji, prawdopodobnie można go użyć prawie 1000 razy, zanim bateria wyczerpie się. Tak więc przycisk powinien stać się przestarzały na długo przed rozładowaniem akumulatora.

Wzmacniacz

[Wskazano], że U1 jest prawdopodobnie przetwornikiem podwyższającym TI TPS61201; ślad, oznakowanie opakowania i pinout wydają się pasować.

Od Amazon Dash Teardown

cwd
źródło
2

Na eBayu lub AliExpress istnieje wiele tanich i wesołych (a może nieprzyjemnych) obwodów, jeśli szukasz „obwodu USB Boost” lub podobnego. Sprzedają się one jako gotowe urządzenie za 0,30 USD - 2 USD, w zależności od tego, ile chcesz, zwykle wynoszą około 25 mm x 19 mm, a jeśli spojrzysz uważnie na zdjęcia, czasami możesz przeczytać kod kontrolny produktu IC i obliczyć, co to jest (chociaż lepiej jeszcze niektóre Dostawcy AliExpress udostępnią arkusz danych na liście). Prawie każdy z nich będzie miał dzielnik rezystora, który skaluje napięcie wyjściowe do napięcia odniesienia, a zmiana rezystora na jednej nodze dzielnika pozwoli ci uzyskać 3V3 zamiast 5V, które wysyłają.

Kupiłem 50, aby obniżyć cenę, wylutowałem gniazda USB, przylutowałem na podwójnych uchwytach AA (po 0,19 USD), a teraz mam zapas tanich zasilaczy, które mogę ustawić na dowolne napięcie potrzebne do projektu. Nie sądzę, że naprawdę można pobić 0,50 USD za zasilacz.

15kΩ47kΩ1547+15×5V1.2V27kΩ

Parakleta
źródło
Dlaczego głosowanie negatywne? OP chciał najtańszego rozwiązania, które, jak sądzę, dostarczyłem.
Parakleta
Jako OP podobała mi się odpowiedź i głosowałem. ESE bardzo surowo przestrzega zasad „rekomendacji produktu”. Rzeczy, które mówią o konkretnych produktach, źródłach, cenie są niezadowolone - zostały spalone kilka razy. Jednak w ogólnym kontekście wydaje mi się, że zredagowałeś odpowiedź, aby dodać charakter informacji, które są uważane za przydatne i ogólne (dlatego głosowanie na poparcie). Pytanie zostało zadane 5 lat temu, a IIRC takie gotowe do użycia „bloki” nie były łatwo dostępne.
icarus74
Nie wiedziałem o polityce „rekomendacji produktu”. W szczególności nie łączyłem się z niczym, ponieważ po prostu przedstawiałem ogólne sugestie. Uważam, że 90% inżynierii elektronicznej to obecnie produkt / źródło / cena komponentów, aby uzyskać produkt końcowy z wymaganą funkcjonalnością w najlepszej cenie. Wiem, że pytanie jest dość stare, ale niestety stosy pytań są na żywo na zawsze i potrzebuję nowych odpowiedzi w miarę zmiany technologii i rozwiązań. 5 lat temu małe urządzenia doładowujące USB istniały jako „Awaryjna ładowarka USB” za 10 USD jako gotowe produkty, które trzeba by było rozebrać.
Parakleta
nie jestem pewien, czy jesteście na ESE od bardzo dawna, ale ogólny dryf jest taki, że tak naprawdę nie jest to prawdziwa społeczność budowania klocków Arduino (znana również jako Maker), chociaż można znaleźć wiele pytań i odpowiedzi. Pytania i odpowiedzi, które zawierają podstawy teorii elektroniki, są bardziej doceniane. Jak pisałem, podoba mi się odpowiedź na praktyczne podejście. Tak, w ciągu ostatnich 5 lat pod mostem przepłynęła duża ilość wody.
icarus74
1

Rozważ przejście na akumulator o żądanym napięciu i ewentualnie drugi na brzęczyk.

(Jeśli faktycznie potrzebujesz 1,2 V / 1,5 V dla czegoś innego w tym samym obwodzie, to nie dotyczy)

Emilio M. Bumachar
źródło
dzięki za odpowiedź. Wiele baterii sprawia, że ​​mój projekt jest duży + ciężki + niezgrabny. Ale przyznaję, że nigdy nie wspomniałem o rozmiarze / wadze jako wymogu :)
icarus74
Istnieje wiele brzęczyków, które są określone przy 3,3 V i faktycznie powodują hałas znacznie poniżej tego.
Jon Watte