Инженеринг, изчислителна техника и дизайн

захранване

Докато се впускате в света на Arduino, роботиката и автоматизацията, рано или късно ще имате нужда да захранвате вашия Arduino от батерия.

Или защото правите робот, квадрокоптер или друг тип превозно средство, или защото искате да оставите свързан монитор, който записва температурата или консумацията на електроенергия, наред с много други примери, истината е, че не винаги ще имате кабел за захранване на нашия Arduino. В тези случаи, и особено в случая на превозни средства, ще трябва да предоставим батерии на нашия проект.

От друга страна, нашите батерии не трябва да осигуряват захранване на Arduino. В проекти с батерии ще трябва да проучим дали те са достатъчни за захранването на останалите компоненти на нашия проект, като двигатели, серво, сензори.

Ние имаме голям брой опции за захранване на нашите проекти с батерии. В тази публикация ще разгледаме основните, като посочим предимствата и недостатъците на всеки един, така че да можете да изберете този, който най-добре отговаря на вашия проект.

Преди, за да видим опциите, които трябва да захраним нашия проект с батерии, ще видим, като обобщение, двете основни точки, чрез които можем да захранваме Arduino.

Като цяло можем:

  • Използвайте вградения регулатор на напрежението.
  • Приложете директно регулирано напрежение към номиналното напрежение на платката.

Използвайте регулатора на напрежението

Всички платки Arduino имат регулатор на напрежението. Този регулатор предполага малък спад на напрежението, така че трябва да осигурим напрежение от поне 6V. Под това напрежение Arduino най-вероятно ще се изключи.

От друга страна, колкото по-високо е напрежението, толкова повече топлина регулаторът трябва да разсейва. Не се препоръчва да се прилага повече от 12V към регулатора защото включва прекомерни усилия. Предоставянето на повече от 20V незабавно ще повреди регулатора.

Приложете регулирано напрежение

Също така можем да приложим номиналното напрежение (5V или 3.3V, в зависимост от модела) директно към платката, без да използваме регулатора. Това ще рече, можем да захранваме, като доставяме 5V към 5V щифта на Arduino. Например това е, което правим, когато захранваме Arduino от USB.

В случай на директно прилагане на напрежението захранването, което използваме, ще трябва да бъде регулирано до номиналното напрежение с висока степен на точност. Промяна или скок на напрежението ще повредят Arduino, тъй като не използваме регулатора на напрежението.

в обобщение

В обобщение, за захранване на Arduino можем:

  • Нанесете 6-12V на щепсела, който Arduino UNO, Mega, наред с другите модели
  • Нанесете 6-12V между GND щифта и RAW щифта (Vin щифт на Arduino Mini)
  • Захранване чрез USB
  • Нанесете 5V (регулирано и стабилно!) Към 5V щифта (3.3V при определени модели)

За повече информация относно ограниченията на мощността в Arduino и входните точки в различните модели, вижте схемата за въвеждане на Pinout в Arduino.

След като разбрахме какви опции имаме за захранване на Arduino, можем да видим различните решения, които имаме, за да захранваме проектите си с батерии.

Една 9V батерия

Използването на 9V батерия е една от най-разпространените опции, особено за потребители, които започват и в малки проекти. Напрежението 9V е подходящо за захранване на Arduino.

Те имат предимството, че са лесни за намиране и използване. В допълнение има налични кабели и държачи за батерии, които дори включват конектор тип жак Arduino, което ги прави лесни за използване.

Като недостатъци, 9V батерии имат ниска енергийна плътност. Батерията има типичен капацитет 500-600mAh. Освен това те предоставят a много нисък пиков ток, около 300mA, полезно само за малки проекти.

От друга страна, 9V е неподходящо напрежение за повечето изпълнителни механизми. Това е прекомерно за повечето DC двигатели и серво, докато не е достатъчно за големи безчеткови и стъпкови двигатели, които работят с 12V и освен това изискват много повече ток.

Цената е ниска, но те имат големия недостатък, че не са акумулаторни устройства, което заедно с ниското им зареждане правят в дългосрочен план те не са икономични.

в обобщение, опция за малки сглобки или прости тестове, но това веднага не достига по функции, така че ще се нуждаем от превъзходни опции.

4 AA 1,5V батерии

Използването на четири AA батерии в серия, осигуряващи общо 6V, е друга проста опция и широко използвана в малки проекти и стартиращи проекти.

Лесно можем да намерим държачи за батерии, кабели и други решения за включване на четири AA батерии като форма на захранване в нашите проекти.

АА батериите имат предимството, че са лесни за намиране. Какво още, 6V напрежение е идеално за захранване на постояннотокови двигатели и серво.

Зареждането е по-високо от 9V батерии. Четири конвенционални AA батерии осигуряват 800-1500 mAh, докато в случай на използване на алкални AA батерии капацитетът е 1700-2800mA.

Максималният интензитет, който можем да получим, надвишава 1А, да може да извлече до 2А. Но трябва да имаме предвид, че поради кривите на разреждане количеството заряд, което можем да извлечем от купчината, се намалява, колкото по-бързо я източваме.

Цената на батериите е евтина, но тъй като не се зареждат в дългосрочен план, не е икономично.

Накратко, още един прост вариант, важи за малки проекти и роботи.

5 AA 1,2V акумулаторни батерии

Подобно на предишния случай, но този път с акумулаторни батерии. Можем да използваме NiCd (неизползвани) или NiMh батерии. Напрежението е малко по-ниско, 1.2V на батерия, така че ще ни трябват 5 батерии, за да получим 6V.

Подобно на предишните опции, лесно можем да намерим държачи за батерии за 5 батерии АА, както и всички видове аксесоари и кабели за лесно свързване към Arduino.

Акумулаторните батерии тип АА са лесни за намиране, но са по-скъпи от батериите без акумулаторни батерии. Към това трябва да добавим и нуждата от зарядно устройство. Въпреки това, тези свръх разходи бързо се компенсират, е по-евтино от постоянно купуване на батерии.

Зарядът на акумулаторните батерии също е малко по-нисък от този, който не се зарежда. NiCd батериите имат заряд между 500-1000 mAh. NiMh батериите имат капацитет между 600-2500 mAh.

Максималната интензивност е подобна, около 1А устойчиво, което е достатъчно за малки проекти и роботи.

Следователно използването на 5 акумулаторни NiMh батерии е е препоръчителната опция за малки проекти, които не изискват големи нужди от електрическа интензивност или капацитет, но които ще използваме често, така че е изгодно да се използва акумулаторен разтвор.

2 литиеви 18650 3.7V батерии

18650 литиеви батерии са известни с захранването на фенерчета и ръчни лазери. Въпреки че те не са толкова известни като енергийно решение за Arduino, те всъщност са чудесна възможност за обмисляне.

Две 18650 литиеви батерии, поставени последователно, осигуряват 7,4-8,2V, което е перфектно напрежение за захранване на Arduino. Също така намираме държачи за батерии, които ни позволяват лесно да включим тези батерии в нашите проекти.

18650 литиеви батерии имат предимството да се осигури висока товароносимост. Батериите с най-добра марка осигуряват до 4800 mAh. ("Китайските" батерии предлагат много по-голям капацитет, въпреки че всъщност доставят между 1500-2500).

Те осигуряват разтоварен капацитет между 1C - 2C, в зависимост от модела. Това предполага максимална интензивност до 10А, въпреки че за безопасност не е препоръчително да източвате повече от 2-4 A, без да сте много сигурни в качеството и характеристиките на вашата батерия.

Разбира се, 18650 литиеви батерии са акумулаторни. Въпреки че за 18650 батерии е необходимо специално зарядно устройство, те са евтини и се изплащат бързо.

Като недостатъци, те са малко по-скъп вариант от предишните, особено ако купуваме добри батерии (нещо, което е препоръчително). Освен това боравенето с тях трябва да бъде по-внимателно, тъй като неправилното използване на литиеви батерии може да бъде опасно, причинявайки прегряване или дори пожари.

От друга страна напрежението е малко високо за постояннотокови двигатели и серво, въпреки че можем да го намалим, като поставим чифт диоди, които ще служат като допълнителна защита за батериите.

Накратко, по-усъвършенствана опция от предишните интересно за проекти и средни роботи, с по-високи изисквания за ток и капацитет.

5V USB батерии

Използването на USB батерия, използвана за удължаване на батерията на мобилните телефони, е интересна възможност за включване в нашите проекти.

Предимството им е, че осигуряват регулирани 5V, така че можем да захранваме Arduino чрез USB, без да се притеснявате за необходимостта от регулиране на напрежението.

Много от тези банки всъщност включват една литиева батерия 18650, плюс малка верига, която повишава и регулира напрежението до 5V. В тези случаи можем дори да заменим една батерия с друга, като използваме една и съща кутия, докато зареждаме разредената батерия.

Напрежението 5V е подходящо за захранване на голямо разнообразие от компоненти, като постояннотокови двигатели, серво, както и голям брой устройства (сензори, LED ленти, дисплеи ...).

Тези банки, разбира се, могат да се презареждат. Енергийният капацитет е висок, тъй като можете да намерите банки до 17 000 mAh (въпреки че отново не вярвате напълно на капацитета, който те поставят в рекламите).

Като недостатък, това е малко по-скъпа опция в сравнение с други налични опции. В допълнение, максималният интензитет е нисък, обикновено по-малък от 2А, което го прави невъзможно за големи проекти.

в обобщение, USB батерията е добро решение за мобилност, като ръчна батерия, която ни позволява лесно да тестваме и сглобяваме (и много по-добре от 9V батерия).

Дори е опция, която бихме могли да разгледаме при средни проекти и роботи, при условие че можем да използваме повторно и да въртим една и съща батерия между различните проекти, за да се възползваме от нейната цена.

Никел-металхидридни (NiMh) батерии

Това е първото "професионално" решение, което предлагаме. Той е подобен на случая с AA NiMh батерии, но интегриран като единична по-голяма или по-малка батерия и с конектори.

NiMh батериите обикновено имат 5 клетки с напрежение 6V или 8 клетки с напрежение 9,6V. 5-клетъчните 6V батерии са отлични за проекти и роботи със серво и DC двигатели.

NiMh батериите имат средно висока енергийна плътност. Можем да намерим батерии с капацитет от 300 до 5000 mAh, с умерено тегло.

NiMh батериите могат да осигурят значително количество енергия. В зависимост от качеството на модела те могат да осигурят между 3-4C, което може да означава до 15А в случай на големи батерии.

По минуси, NiMh батериите са относително скъпи, и те също изискват използването на специално зарядно устройство, което също е скъпо. Необходимите връзки и кабели за високи токове също оскъпяват сглобките.

NiMh батериите са подходящи за средни и големи проекти, при които се изисква висок капацитет и средни токове, особено тези, които използват серво (роботизирани рамена, шестоъгълници, двуноги роботи), тъй като напрежението 6V е идеално.

Литиево-полимерни батерии (Lipo)

Полимерните литиеви (Lipo) батерии са най-модерната опция за хранене на нашите проекти.

LiPo батериите са с различно напрежение, в зависимост от броя на клетките. По този начин 2-клетъчният LiPo (2S) осигурява 7.4V-8.4, а 3-клетъчният (3S) осигурява 11.1-12.6V. И двете напрежения са достатъчни за захранване на Arduino.

2S батерии (7.4-8.4V) могат да се използват за захранване на серво и DC двигатели, въпреки че е малко прекомерно напрежение и трябва да бъде намалено до 6-7V. 3S батерии (11.1-12.6V) са подходящи за задвижване на големи стъпкови двигатели и безчеткови двигатели.

Функция LiPo батерии най-висока енергийна плътност от повдигнатите опции. Можем да намерим батерии с капацитет от 500 до 5000mAh.

Освен това LiPo батериите имат предимството на осигуряват огромен интензитет. Възможно е да се намерят 20-25C батерии, което се превръща в интензитет на разреждане от 50 до 100A, необходим за по-големи двигатели.

LiPo батериите също са най-скъпият вариант, въпреки че са акумулаторни, те са икономични в дългосрочен план, още повече, ако вземем предвид техните електрически характеристики.

Най-големият недостатък на тези батерии е трудността и вниманието, които трябва да се вземат при тяхната употреба. Неправилната работа с LiPo батерия може да бъде изключително опасна, поради голямото количество енергия, която те съхраняват.

Зареждането на тези видове батерии трябва да се извършва със специални зарядни устройства и те не трябва да остават без надзор по време на процеса. Дори съхраняването на тези батерии трябва да се извършва при контролирани условия.

в обобщение, LiPo батериите са най-мощното решение за захранване на нашите проекти, но изискванията за работа и товарене го правят подходящ само за напреднали потребители и сложни проекти, като големи роботи, квадрокоптери и други големи превозни средства.

Прегледахме различни начини за захранване на Arduino чрез батерия. Препоръчително е да изберете решение за презареждане, тъй като в дългосрочен план е по-евтино.

За начало батериите от 5 mAh са подходящи за малки роботи и малки проекти. За междинни възли комбинация от 18650 литиеви батерии може да бъде интересна опция. По-големите сглобки ще се нуждаят от NiMh батерии, за сглобки от 6V (особено проекти със серво) или LiPo, в 2S или 3S (стъпкови двигатели или безчеткови).

Също така може да бъде интересно да имате 5V банка, като преносима опция за тестове на място, или когато сме далеч от дома.

И накрая, не вярвайте на капацитета (mAh), посочен от производителите на непризнати марки, защото те дори не са близо до реалността. (Което не означава, че не го купувате, просто че не вярвате на капацитета, който казват)

Вече имаме по-голямата част от опциите за захранване на нашите проекти на Arduino с батерия и можем да започнем да го използваме в нашите проекти по роботика.