Zdroje el. napätia pre mobilné roboty
Napájanie Arduino dosky
V úvode je vhodné zopakovať si možnosti napájania uvedené v sekcii Od mikrokontroléra k Arduinu, časť
Napájanie.
Pri jednoduchších projektoch (blikanie LED) môžeme dosku Arduino napájať po pripojení k PC priamo cez USB kábel. Pre zaujímavosť
môžeme voltmetrom odmerať napätie na pine +5V (odmerali sme 4,93V).
Najlepším riešením pre "nemobilné" projekty je napájať tie Arduino dosky, ktoré majú napájací konektor pomocou externého sieťového adapteura
7-12V (napr. adapteur 7,5V DC 1000mA). Opäť odmeriame napätie na pine +5V (odmerali sme presne 5,00V). Na každej Arduino doske sa nachádza
interný stabilizátor 5V. Kladný pól zo vstupného konektora je spojený s pinom Vin. U dosiek Arduina, ktoré nemajú napájací
konektor (napr. Nano) môžeme využiť práve pin Vin a napájanie pripojiť naň. Z dôvodu úbytku napätia na internom stabilizátore asi 1,5V
je vhodné, aby externé napätie dosiahlo minimálne 5V + 1,5V = 6,5V (pri použití kadejakých "zväčšovačov" a "boosterov" napätia tieto
nastavíme asi na 6,6V a prípadne ešte skontrolujeme napätie na pine +5V).
Ak máme k dispozícii stabilizované externé napätie 5V, môžeme ho pre napájanie Arduino dosky priamo pripojiť na pin +5V.
Väčšinou je však stále najvhodnejší ten sieťový adapteur pripojený na napájací konektor. Na obrázku nižšie je doska Arduino Mega 2560
napájaná sieťovým adapteurom. Voltmeter je medzi pinmi GND a Vin.
6x NiMH (prípadne alkalické tužkové) batérie AA/AAA
V prípade mobilných robotov si tieto musia nosiť zdroj napätia so sebou. Ako prvá padla voľba na nabíjateľné NiMH batérie
typu AA (tužkové batérie), prípadne menšie AAA (mikrotužkové batérie). Sú cenovo dostupné, na ich nabíjanie postačí
akákoľvek nabíjačka a tieto batérie môžeme využiť aj v iných zariadeniach. Kapacity AA batérií bývajú okolo 2500mAh, u typu AAA
je to asi 1000mAh (čím menšia hodnota, tým častejšie budeme batérie dobíjať, ale na druhej strane majú menšiu hmotnosť).
Napätie jednej NiMH batérie je 1,2V. V prípade 6ks batérií zapojených sériovo dostaneme zdroj napätia 7,2V a môžeme ním už
priamo napájať dosku Arduina či už pomocou napájacieho konektora alebo pinu Vin. Výhodou takéhoto riešenia
je aj možnosť jednoduchej náhrady vybitých NiMH batérií alkalickými tužkovými batériami (napätie v tomto prípade by bolo nie 7,2V ale 9V).
Na obrázkoch nižšie je 6ks AA NiMH batérií pripojených na piny GND a Vin a 6ks AAA NiMH batérií pripojených pomocou
napájacieho konektora. Voltmeter je medzi pinmi GND a Vin.
Menší počet NiMH batérií AA/AAA + "zvyšovač" napätia (LM2577, XL6009)
Ak chceme nižšiu hmotnosť robota, prípadne nie je miesto pre viac ks batérií (alebo iba chceme vyskúšať lacné čínske
Step-up Power supply voltage converter moduly), možeme napätie z dvoch prípadne troch batérií zväčšiť.
Čím z menšieho napätia vychádzame, tým rýchlejšie sa nám batérie vybijú. Napríklad na ďalšom obrázku je použitý modul, ktorý
z nižšieho vstupného napätia urobí +5V. Výstupné napätie 5V pripojíme priamo na pin +5V.
Ak bežný prúdový odber je 200mA (pri 5V vstupnom napätí), pri napätí 4V je to 270mA, pri napätí 3,6V
je odber 300mA (ale +5V drží ešte na 4,95V)
a pri napätí 2V je odber už vyše 500mA (a na pine +5V nameriame iba 4,4V).
Lepšou možnosťou je použiť nastaviteľný modul (Adjustable Step-up), napr.
LM2577 (52kHz, 3A) alebo
XL6009 (400kHz, 4A) (v cene niečo vyše 1 USD za modul) a z nižšieho vstupného
napätia získať tých minimálne 6,6V pre napájanie buď konektorom alebo pinom Vin (už nie na pin +5V!!!). Pri nastavení vyššieho napätia ako 6,6V
zbytočne zvyšujeme prúdový odber z batérií, čím skracujeme dobu ich použitia. A opäť, čím z vyššieho vstupného napätia zvyšujeme,
tým lepšie.
Li-ion a Li-pol články
Väčšina "ozajských" robotov, ktoré sme mali možnosť vidieť na rôznych prehliadkach a súťažiach používala Li-pol batérie
zložené z článkov s napätím 3,6V (1S). Pre potreby napájania Arduino dosky by stačila dvojčlánková (2S) batéria s napätím
7,2V. Tieto batérie treba nabíjať v špeciálnej nabíjačke (napr. typ iMax B6), ktorá umožní rovnomerné nabíjanie každého článku batérie. Li-pol
batérie osobne odskúšané nemáme, zato už zopár vybuchnutých a obhorených batérií sme na svojich robotických potulkách videli.
Široký výber Li-pol batérií (čínskych) je na stránkach
hobbyking.com
Ďalšou z batérií je typ Li-ion. Hodnota napätia Li-ion batérie je 3,7V (max. 4,2V). Typ 1450 má rozmery ako AA tužková batéria a typ
10440 má rozmery AAA mikrotužkovej batérie. Batérie majú relatívne nízku hmotnosť, horšie je to už s ich kapacitou. Typ 1450 má
kapacitu okolo 900mAh a typ 10440 iba 600mAh. Vydržia však aj veľký prúdový odber bez znateľného poklesu napätia, opäť ich však
treba nabíjať v špeciálnej nabíjačke (napr. typ NiteCore D4), ktorá dokáže nabíjať aj typ Li-ion batérií. Na obrázku nižšie
sú použité dve batérie Li-ion pre napájanie Arduino dosky.
Napájanie motorov (LM2596, LM317, LM1084)
V ďalšom budeme uvažovať motory určené pre elektrické napätie 6V (napríklad aj tie čínske žlté, najlacnejšie). Ak uvažujeme
úbytok napätia na H-bridge asi 1,5V, potrebujeme zdroj napätia 7,5V a viac. Na rôzne "zväčšovače" z predchádzajúceho textu
môžeme zabudnúť, nakoľko prúd prechádzajúci motormi dosahuje stovky miliampérov, pri zaťažení alebo násilnom zastavení kolies aj viac.
Najjednoduchšie by bolo použiť iba jeden zdroj aj pre Arduino, všetky snímače a motory. Do istej miery to aj takto môže
fungovať. Často však dochádza vplyvom záťaže motorov ku krátkodobému poklesu napätia na snímačoch a tie potom odovzdávajú divné hodnoty, najmä
pri rozbiehaní alebo zmene smeru otáčania kolies. Ak sme nútení napájanie realizovať takýmto spôsobom, pomôžu paralelne zapojené
kondenzátory čo najbližšie pri každom snímači.
Ideálnym riešením je napájať zvlášť Arduino dosku spolu s ostatnou elektronikou a snímačmi a zvlášť napájať motory cez H-bridge.
Nesmieme zabudnúť spojiť zeme GND obidvoch zdrojov.
Aj tu opäť vyvstane viacero možností. Môžeme samostatnú batériu pre motory priamo pripojiť na napäjanie H-bridge. V takomto prípade
bude rýchlosť motorov závisieť od momentálneho napätia na batérii. Postupne, ako sa bude batéria vybíjať, motory pôjdu čoraz pomalšie.
Lepšie je napätie udržiavať na istej rovnakej hodnote čo najdlhšiu dobu. Na tento účel môžeme použiť "zmenšovač" napätia
(Adjustable Step-down), napr.
modul LM2596 (150kHz, 3A), prípadne použijeme nastaviteľný stabilizátor napätia, napr. LM317 alebo LM1084. Výstupnú hodnotu
napätia nastavíme na 7,5V.
Modul LM2596 (150kHz, 3A) potrebuje vstupné napätie minimálne o 1,7V väčšie. Napätie zdroja preto musí byť väčšie ako 9,2V (napríklad ak máme
zdroj s napätím 12V, tak na výstupe modulu bude stabilné napätie 7,5V aj keď sa zdroj bude vybíjať z 12V až po 9,2V, až pri ďalšom poklese
napätia sa motory spomalia). Minimálny rozdiel medzi vstupným a výstupným napätím závisí aj od veľkosti prúdu, viď datasheet.
Stabilizátor LM317 potrebuje vstupné napätie minimálne o 1,4V väčšie. Napätie zdroja preto musí byť väčšie ako 8,9V (napríklad ak máme
zdroj s napätím 12V, tak na výstupe modulu bude stabilné napätie 7,5V aj keď sa zdroj bude vybíjať z 12V až po 8,9V, až pri ďalšom poklese
napätia sa motory spomalia). Minimálny rozdiel medzi vstupným a výstupným napätím závisí aj od veľkosti prúdu, viď datasheet.
Stabilizátor LM1084 potrebuje vstupné napätie minimálne o 1,1V väčšie. Napätie zdroja preto musí byť väčšie ako 8,6V (napríklad ak máme
zdroj s napätím 12V, tak na výstupe modulu bude stabilné napätie 7,5V aj keď sa zdroj bude vybíjať z 12V až po 8,6V, až pri ďalšom poklese
napätia sa motory spomalia). Minimálny rozdiel medzi vstupným a výstupným napätím závisí aj od veľkosti prúdu, viď datasheet. Obvod LM1084 je LDO (low dropout), čo značí, že rozdiel
napätí je relatívne malý. Napríklad v časoch, keď sme nepoužívali Arduino dosky, a potrebovali sme stabilizované napätie +5V pre Atmel AVR procesory, radšej sme namiesto "klasického" LM7805 použili LDO
LM2940 (a postačilo vstupné napätie iba 5,5V namiesto 7V).
Na záver uvedieme obrázok použitých modulov a batérií z tejto sekcie.
PaedDr. Karol Pauchly, ZŠ s MŠ Chlebnice, marec 2015
