Zasilacz bezprzerwowy z akumulatorem litowym dla Raspberry Pi Pico

Zasilacz bezprzerwowy z akumulatorem litowym dla Raspberry Pi Pico

W aplikacjach, w których konieczne jest zapewnienie bezprzerwowego zasilania dla Raspberry Pi Pico, często używane są typowe powerbanki. Jednak znacznie lepiej jest zastosować specjalizowany zasilacz bezprzerwowy. Taki układ, oprócz zapewnienia stabilnego zasilania, kontroluje ładowanie akumulatora podtrzymującego oraz pozwala na monitorowanie stanów pracy i awarii zasilania, czego nawet najlepszy powerbank nie zapewni.

Podstawowe parametry:
  • aktywowanie ładowania sygnałem z Pi Pico,
  • dostępny sygnał potwierdzający aktywny proces ładowania,
  • zapewnia ładowanie akumulatora Li-Ion/LiPo algorytmem CC/CV,
  • podłączony akumulator musi mieć zintegrowane zabezpieczenie PCM.

Dzięki wyprowadzeniu na złącza Pico kilku sygnałów wbudowanego systemu zasilania, konstrukcja zasilacza buforowego mogła zostać ograniczona w zasadzie tylko do ładowarki akumulatora. W modelu wartością prądu ładowania (załączeniem ładowarki) steruje wyprowadzenie GPIO15 Pi Pico (poprzez tranzystor Q2).

Podanie stanu wysokiego CGE na bramkę Q2 zwiera R4 do masy, ustalając prąd ładowania, podanie stanu niskiego wyłącza ładowarkę. Sterowanie ładowarką zapewnia uruchomienie systemu bez nadmiernego obciążania źródła zasilania. Dodatkowo sygnał potwierdzający aktywny proces ładowania doprowadzony jest wyprowadzenia GPIO14 Pi Pico.

Budowa i działanie

Schemat zasilacza został pokazany na rysunku 1. Układ zasilany jest napięciem VBUS 5 V, pochodzącym z Pico lub ze złącza PWR. Dioda LD1 sygnalizuje obecność zasilania. Napięcie VBUS doprowadzone jest do układu MCP73831 – popularnego scalonego kontrolera ładowania, który zapewnia ładowanie akumulatora Li-Ion/LiPo algorytmem CC/CV.

Rysunek 1. Schemat ideowy zasilacza bezprzerwowego

Wartość prądu ustalana jest rezystorem R4 wg wzoru:

Ichg = 1000/R4 [mA]

Dla wartości R4=4,7 kΩ prąd ładowania wynosi ok. 200 mA.

W modelu celowo zrezygnowano z akumulatora wlutowanego w płytkę drukowaną na rzecz akumulatora zewnętrznego podłączonego do złącza ACCU. Bardzo dobrze w układzie sprawdzają się akumulatory ze starszych telefonów komórkowych np. BL-5C, które można zdobyć za niewielkie kwoty na aukcjach internetowych. Oczywiście nic nie stoi na przeszkodzie, aby używać typowych ogniw cylindrycznych 10440...18650 lub akumulatorów pryzmatycznych z wbudowanymi zabezpieczeniami. Jednak co ważne – podłączony akumulator musi mieć zintegrowane zabezpieczenie PCM.

Dioda LD2 sygnalizuje ładowanie akumulatora. Poprzez transoptor IS1 sygnał CGS, potwierdzający aktywny proces ładowania, doprowadzony jest do wyprowadzenia GPIO14 Pi Pico. Tranzystor Q2 łączy akumulator z napięciem systemowym VSYS zasilającym wbudowaną w Pico przetwornicę. Gdy zniknie potencjał VBUS, klucz Q2 jest aktywny i układ zasilany jest z akumulatora. Przełącznik ON umożliwia załączenie lub wyłączenie wbudowanej przetwornicy, a przycisk RES restart Pico.

Montaż i uruchomienie

Układ zmontowany jest na dwustronnej płytce drukowanej zgodnej z Pi Pico, której schemat został pokazany na rysunku 2. Montaż układu jest klasyczny i nie wymaga opisu. Podczas pierwszego uruchomienia w obwód akumulatora należy dołączyć miliamperomierz oraz kontrolować napięcie ładowania.

Rysunek 2. Schemat płytki PCB

Szybkie sprawdzenie układu jest możliwe przy użyciu środowiska Thonny i języka Python. W celu aktywacji ładowarki definiujemy wyprowadzenie GPIO 15 jako wyjście poleceniem:

cge = Pin(15, Pin.OUT)

Następnie ustawiamy na nim stan wysoki:

cge.value(1)

Kontrolujemy prąd ładowania, powinien wynosić ok. 200 mA (przy nienaładowanym akumulatorze). Potwierdzenie ładowania polega na sprawdzeniu stanu wyprowadzenia GPIO14 zdefiniowanego jako wejście poleceniem:

cgs = Pin(14, Pin.IN)

Odczyt stanu jest możliwy za pomocą polecenia:

print(cgs.value())

Stan niski sygnalizuje ładowanie, stan wysoki oznacza odłączony akumulator, zakończenie procesu lub wyłączenie ładowarki.

Oprócz sygnałów CGS, CGE można odczytać status napięcia VBUS, poprzez wbudowany w Pico dzielnik R10/R1 podłączony do wyprowadzenia GPIO24. Napięcie VSYS może być monitorowane poprzez dzielnik R5/R6 podłączony do GPIO29 (ADC3), co daje możliwość pełnego monitorowania systemu zasilania, stanu ładowarki i akumulatora bez dodatkowych elementów.

Jeżeli działa sterowanie programowe, przetestowane zostało sterowanie i sygnalizacja stanów pracy, układu można użyć we własnej aplikacji.

Adam Tatuś, EP

Wykaz elementów:
Rezystory: (SMD0603)
  • R1, R4: 4,7 kΩ 1%
  • R2: 220 Ω 1%
  • R3: 22 kΩ 1%
  • R5, R6: 100 kΩ 1%
Kondensatory: (SMD0603)
  • C1, C2: 10 μF
  • C3: 0,1 μF
Półprzewodniki:
  • D1: MBR130T1G dioda Schottky'ego (SOD123)
  • LD1: dioda LED zielona (SMD0603)
  • LD2: dioda LED czerwona (SMD0603)
  • Q1: DMG3415U tranzystor MOSFET (SOT-23)
  • Q2: DMG3414U tranzystor MOSFET (SOT-23)
  • U1: MCP73831 (SOT-23-5)
Pozostałe:
  • ACCU: złącze PH 2 mm kątowe
  • IO1, IO2: złącze SIL 1×20 żeńskie
  • IS1: transoptor TCMT1108 (SSOP4)
  • ON: przełącznik dwupozycyjny MSS-2235
  • PWR: złącze DG381-3.5-2
  • RES: przycisk SMD
Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
luty 2022
DO POBRANIA
Materiały dodatkowe

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik maj 2022

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio maj - czerwiec 2022

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka Podzespoły Aplikacje kwiecień 2022

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna maj 2022

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich maj 2022

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów