Управление и контроль питания от батареи

Рисунок 1. Гидрофон Ocean Networks Canada и глубоководный акустический посадочный аппарат Университета Далхаузи используются для мониторинга гидротермальных источников. Брендан Смит и его научный руководитель, профессор Дэвид Барклай, использовали гидрофоны, эксплуатируемые Ocean Networks Canada в Тихом океане и Европейской междисциплинарной обсерваторией морского дна и водной толщи в Атлантическом океане, для мониторинга двух гидротермальных источников на морском дне. Фото: Ocean Networks Canada

Управление питанием постоянным током — одна из основных проблем при проектировании автономного морского посадочного аппарата. Мы можем углубиться в эту тему довольно далеко. Эта статья призвана поделиться несколькими соображениями для размышления читателей.

Начнём с предпосылки. Рычаг без точки опоры — это просто палка. Точка опоры без рычага — это просто дверной упор. Соедините их вместе, и вы получите простой механизм. Аналогично, датчик или микроконтроллер без усилителя — это просто диковинка. Оба компонента должны работать вместе, чтобы эффективно управлять энергопотреблением в океаническом посадочном модуле.

Батареи

В автономных транспортных средствах батареи питают электронные схемы. Различные химические составы имеют свои проблемы, связанные с саморазрядом и потерей емкости из-за низких температур (см. Lander Lab #10, Marine Technology Reporter, март/апрель 2024 г.). Бортовые схемы могут требовать разного напряжения. Критически важные функциональные схемы, такие как схема сброса, должны питаться от «священного» аккумуляторного блока, а не от чего-либо, что может непреднамеренно его разрядить.

Зарядка аккумуляторов может осуществляться несколькими способами, в том числе: 1) вскрытием корпуса и зарядкой, 2) зарядкой через торцевую крышку или 3) заменой внешних аккумуляторов с помощью подводного разъема или индуктивной связи.

Зарядка через торцевую крышку легко осуществляется с помощью 4-контактного разъема. Обычно я назначаю контакт 1 в качестве заземления батареи, поскольку цветовая маркировка провода №1 в отрасли — черная. Назначение остальных контактов вытекает из этого. Контакт 1: заземление батареи, контакт 2: положительный полюс батареи, контакт 3: заземление системы, контакт 4: положительный полюс системы. Используя только контакты 1 и 2, ответный разъем напрямую соединяет зарядное устройство с батареей. Во время зарядки батарея отключается от цепи, которую она питает. Зарядка происходит в обычном режиме. После завершения зарядки батарея подключается к системе с помощью перемычки. Перемычка выглядит как заглушка, но имеет контакты, соединенные внутри корпуса: контакт 1 — контакт 3, контакт 2 — контакт 4. Некоторые зарядные устройства имеют термодатчик, который снижает скорость зарядки, если температура батареи становится слишком высокой из-за увеличения внутреннего сопротивления по мере старения батареи. Это по-прежнему можно сделать через торцевую крышку, но для этого потребуются два дополнительных контакта (контакт 5 и контакт 6) для подключения терморезистора внутри батареи к цепи управления зарядным устройством. Я заряжал 4 разных аккумуляторных блока отдельными зарядными устройствами через 8-контактный разъем. Как и в случае с сетевой вилкой, я использовал контакты розетки для прямого подключения к батареям. Соединительный кабель возвращал питание в сферу через другой 8-контактный разъем, на этот раз с контактами. Соединительный кабель представлял собой, по сути, удлинитель: контакты на одном конце, розетки на другом.

Если есть основания для беспокойства по поводу выделения газов из батареи, можно установить предохранительный клапан (например, производства Prevco или Deepsea), открыть продувочный порт во время зарядки (обязательно установите на место герметичную крышку!) или снять ограничители торцевой крышки, такие как болты.

Если системе требуется быстрая подготовка к работе на поверхности, внешние аккумуляторные батареи являются практичным решением. Поднимите систему на поверхность, извлеките отработанные батареи, установите второй комплект полностью заряженных батарей и снова разверните систему. Затем первый комплект снова отправляется на зарядку.

Преобразование напряжения

Внутри беспилотного посадочного аппарата для океана могут использоваться различные напряжения постоянного тока, такие как 3,3 В, 5 В, 10 В, 12 В, 21 В или выше. Кривые разряда батареи никогда не бывают плоскими, хотя некоторые из них лучше других.

Для обеспечения различных напряжений и постоянных уровней мощности в отдельных цепях может использоваться несколько стабилизаторов напряжения.

Несколько импульсных стабилизаторов напряжения можно подключить параллельно к одной батарее, при условии, что батарея достаточно мощная, чтобы обеспечить весь необходимый ток. Для изоляции каждой цепи от микроконтроллера можно использовать оптопары.

Регуляторы напряжения (DC-DC преобразователи)

Существует два типа стабилизаторов напряжения: 1) линейные или аналоговые и 2) импульсные.

Поскольку питание ограничено батареями, эффективность является приоритетом. Линейные или аналоговые стабилизаторы имеют КПД преобразования около 40%, поэтому они не подходят. Импульсные стабилизаторы обычно имеют КПД от 85 до 95%, при этом обеспечивая увеличение выходного тока.

Существует три типа импульсных стабилизаторов напряжения: повышающие, понижающие и комбинированные повышающе-понижающие. Повышающий стабилизатор может повышать напряжение, понижающий — понижать, а повышающе-понижающий — выполнять обе функции.

Простота конструкции понижающего преобразователя делает его более эффективным, чем повышающий, поэтому, когда нужно задействовать каждый электрон, понижение более высокого напряжения до более низкого имеет смысл.

Рисунок 2. Регулируемый понижающий DC-DC импульсный преобразователь Addicore LM2596 способен работать с нагрузкой 3 А с КПД 90%, обеспечивая превосходную стабилизацию напряжения и нагрузки, защиту от перегрева и ограничение тока. LN2596 имеет адресуемый минимальный низкопотребляющий режим ожидания 80 мкА. (Стоимость: 2,48 долл. США) Фото: Addicore

Ток покоя в режимах малой нагрузки или ожидания важно учитывать, когда приоритетом является эффективность. Питание стабилизатора напряжения также может подаваться по расписанию с помощью управляемого микроконтроллером MOSFET-транзистора.

Микроконтроллер

Микроконтроллер — это программируемый компьютер на кристалле, обеспечивающий интеллектуальное управление системой. Они компактны и энергоэффективны. Примеры включают Arduino, Raspberry Pi, ESP32 и другие. Выходная мощность ограничена. Контакт ввода/вывода Arduino может выдавать максимум 5 В при токе 20 мА. Журнал Make Magazine ежегодно публикует руководство по платам, в котором описываются десятки новых микроконтроллеров и одноплатных компьютеров.

МОП-транзистор

MOSFET расшифровывается как полевой транзистор с металл-оксидным полупроводником. MOSFET имеет три вывода: затвор, сток и исток. MOSFET ценятся за способность управлять большими токами с помощью малых напряжений на затворе, за свою эффективность и за компактные размеры корпуса. Некоторые MOSFET могут быть полностью включены логическими уровнями 5 В (Vgs), например, IRL540 (стоимость: 0,77 доллара). На Amazon продается набор образцов логических MOSFET за 19 долларов. (Поиск на Amazon: «EEEEEE 70 шт. логических MOSFET».)

Небольшой электрический сигнал может включить светодиодные лампы для визуализации или двигатель в насосе. Это очень полезные устройства, о которых стоит знать. Поищите в Google «Как выбрать MOSFET», и вы найдете множество полезных ссылок, включая видеоролики. Полезную таблицу для выбора компонентов можно найти по адресу https://www.addohms.com/mosfet-guide/ .

Схема MOSFET и 3-выводной компонент в корпусе TO-220. (Фото: Hong Kong Olukey Industry)

СКР

SCR расшифровывается как кремниевый управляемый выпрямитель. Этот трехвыводной компонент (анод, катод, затвор), обычно используемый для выпрямления переменного тока, обладает интересной особенностью в цепи постоянного тока — он ведет себя как фиксирующее реле. Рассмотрим тиристор NTE5455 (стоимость 0,80 доллара). Когда на затвор подается импульс 1,5 В, ток начинает течь от анода к катоду и продолжает течь даже после снятия напряжения на затворе. Ток будет течь до тех пор, пока не упадет ниже определенного уровня, называемого током удержания, после чего он выключается. Простым, но надежным таймером является небольшой лабораторный таймер обратного отсчета, который выдает сигнал 1,5 В на пьезоэлектрический звуковой сигнал. Вместо этого подайте сигнал от звукового сигнала на затвор NTE5455, чтобы запустить источник постоянного тока 10 В, вызывающий коррозию проволоки.

Секвенатор

Включение нескольких параллельно работающих цепей может быть затруднительным из-за начальных пусковых токов. Устройство TI LM3880 Simple Power Supply Sequencer управляет последовательностью включения и выключения трех независимых линий напряжения. Благодаря поэтапному запуску, мгновенная нагрузка на батарею снижается. Этот надежный компонент подходит для автомобильной промышленности и отличается низким током покоя — 25 мкА.

Рисунок 4. Схема 6-контактного секвенсора питания TI LM3880. (Фото: Texas Instruments). (Стоимость: 1,02 доллара США)

Преобразователи и датчики

Термины «датчики» и «преобразователи» иногда используются как синонимы, хотя между ними есть незначительные различия.

Для инициирования действий микроконтроллером или специализированной схемой могут потребоваться датчики.

Существует всего два типа преобразователей. Активные преобразователи генерируют напряжение в ответ на изменение параметра. К ним относятся термопары, фотоэлектрические и пьезоэлектрические преобразователи. Пассивные преобразователи генерируют изменение сопротивления (потенциометр, тензометрический датчик, терморезистор, герконовый переключатель), емкости (датчики) или индуктивности (дифференциальный трансформатор) в ответ на изменение параметра.

Датчик обнаруживает определенную физическую, химическую или биологическую величину и преобразует полученное значение в электрический сигнал. Датчикам необходим усилитель, поскольку их мощность ограничена уровнем сигнала, часто менее 1 Вт. Сами по себе они не могут передавать большую мощность. Для управления питанием датчик используется для управления схемой усилителя: реле, транзистор, оптопара или MOSFET.

Герконовый переключатель

Один из оригинальных типов: герконовый переключатель — это магнитно-активируемый переключатель. Он открывается или закрывается в зависимости от наличия или отсутствия магнитного поля. Поскольку они не выдерживают больших токов, важно рассматривать герконовый переключатель скорее как магнитный датчик, чем как переключатель. Они обычно выпускаются в вариантах SPST и SPDT. Они бывают разных размеров. Меньшие по размеру устройства более чувствительны к магнитным полям, но потребляют наименьшее количество энергии. Герконовые переключатели имеют малые токи утечки по сравнению с твердотельными устройствами. Они обладают низким сопротивлением. Герконы герметично запечатаны внутри трубчатой стеклянной оболочки, которая разрушается при прямом воздействии на увеличивающуюся глубину. Таким образом, герконовый переключатель должен быть помещен в корпус из цветных металлов, таких как пластик, алюминий или титан. Для применения на средней глубине их можно залить твердой эпоксидной смолой. Круговое кольцо из герконовых переключателей может одновременно срабатывать от одного магнита, расположенного в центре. Горячее переключение, переключение при максимальной мощности, может повредить деталь. При открытии или закрытии переключателя электрическая дуга может обжечь или сварить контакты. По мере повреждения контактного покрытия сопротивление будет постепенно возрастать, пока герконовый переключатель не перестанет работать.

Рисунок 5. Герконовые переключатели выпускаются в различных размерах и корпусах, от маленьких до больших, с разными номинальными параметрами мощности, коммутируемого напряжения и тока. В более совершенной конструкции они используются для управления MOSFET-транзистором, способным выдерживать реальную мощность. Фото: Littelfuse

Датчик Холла

Датчик Холла — это ещё один магнитоактивируемый переключатель. Он выдаёт низкий уровень сигнала и требует усиления. Его выходной сигнал регулируется наличием или отсутствием магнитного поля. Как и герконовый переключатель, датчик Холла может работать внутри корпуса из цветных металлов, таких как пластик, алюминий или титан.

Поскольку датчик Холла является твердотельным устройством, он не подвержен поломкам, механическому износу и выдерживает высокое давление. Датчик Холла можно герметизировать и эксплуатировать в среде воды под высоким давлением.

Датчики Холла чувствительны к высоким температурам, но, как правило, не в том диапазоне, который наблюдается у большинства аппаратов, устанавливаемых в океане. Существуют варианты, работающие при более высоких температурах.

Датчики Холла бывают двух типов: униполярные и биполярные. Каждый из них обладает уникальными полезными характеристиками.

Однополярные датчики Холла работают как однополюсный однопозиционный переключатель (SPST). Однополярный датчик Холла обычно замкнут. Можно выбрать чувствительность к магнитному полю северного или южного полюса. Воздействие на датчик магнитной полярности противоположного полюса не влияет на выходное состояние. (Ссылка: Melexis US5881, Стоимость: 0,60 $))

Биполярные датчики Холла работают как защелкивающееся реле. Их можно настроить на разомкнутое состояние при воздействии магнитного поля северного или южного полюса. Противоположное магнитное поле зафиксирует биполярный датчик Холла в замкнутом состоянии. (Ссылка: Melexis US2882, Стоимость: 0,63 долл. США)

Рисунок 6. Биполярный датчик Холла работает как фиксирующее реле. (Фото предоставлено компанией Melexis)

Микропереключатель, кратковременное включение/выключение

Микропереключатель — это миниатюрное механическое устройство. Кнопочный переключатель мгновенного действия (вкл/выкл) может использоваться для определения предельных положений компонентов, например, поршня в цилиндре. Чем меньше переключатель, тем меньшую нагрузку он может выдерживать.

К другим датчикам относятся датчики освещенности, температуры, солености и вибрации.

Мастерская экспериментаторов

Тем, кто хочет поэкспериментировать с описанными здесь компонентами, стоит обратить внимание на наборы и комплекты, предлагаемые такими компаниями, как SparkFun.com, Adafruit.com, Makershed.com и Addicore.com, и многими другими. Некоторые из них стоят меньше доллара или двух. Практика ведет к совершенству, или, по крайней мере, дает простор для размышлений.

Дальнейшие разработки

Разрабатываются новые технологии батарей, устойчивых к давлению и защищенных от него, для применения в морской среде. Аналогичным образом, во всем мире инженеры-сенсорщики исследуют, характеризуют и разрабатывают новые датчики для преобразования морской среды в цифровой эквивалент для научных исследований, управления машинами и государственного надзора.

Приглашение для читателей

Хотите поделиться своими соображениями по этой теме? Мы опубликуем некоторые из лучших ответов, которые получим на вопросы ниже.

• Можно ли использовать операционный усилитель в качестве усилителя для датчика? Есть ли у него преимущества? Объясните.
• Можно ли использовать оптопару в качестве усилителя для датчика? Есть ли у этого преимущества? Объясните.
• Можно ли использовать акселерометр для определения, внутри системы управления, момента достижения океаническим посадочным модулем морского дна? Объясните.

Цитаты

«Основы преобразователей», Р. Х. Уорринг и Стэн Гибилиско (ISBN 0-8306-1693-4)

«Практическая электроника для изобретателей», Пол Шерц, Саймон Монк, (ISBN 978-0-07-177133-7)

«Искусство электроники», Горовиц и Хилл, (ISBN 978-0-52-137095-0)

«Lander Lab» — это практическая рубрика, посвященная технологиям и стратегиям создания беспилотных подводных аппаратов Ocean Lander, уникального класса таких аппаратов, и людям, которые их разрабатывают. Она призвана служить мировому сообществу пользователей Ocean Lander, подобно журналу Make Magazine и другим сообществам, занимающимся проектами «сделай сам».

Комментарии к этой статье или предложения по темам, представляющим интерес для других участников проекта, приветствуются. Команды, использующие океанические посадочные аппараты, приглашаются к сотрудничеству и могут написать о своей работе. Пожалуйста, свяжитесь с Кевином Харди по адресу <[email protected]>.