2016年7月30日 星期六

自製 18650 電源給 Arduino

http://4rdp.blogspot.tw/2016/07/18650-arduino.html

看網友 Pizg 日前發表一篇「自製取代9V方形電池的Arduino電源」,而我手邊只有 18650 鋰電池,但是沒有 16500 鋰電池,雖然兩者在尺寸及電容量大小方面有顯著差異,不過 3.7 V 電壓卻是相同的,我就以 18650 當實驗對象,看它應用於 RWG Spider 有甚麼需要注意的事項。

RWG Spider 的 Arduino 電路結構是以 Uno 為底,架疊一個 IO 擴展板在上方,如果使用 USB 隨身行動電源,電路板是不必做任何更動,因為上下電源一致 5 V。但是直接使用兩顆鋰電池串接電壓 = 7.4 V,不能直接把這高於 5 V 電壓灌入 Uno,因為這樣 Uno 上的晶片都會過電壓燒毀。解決的方法就是把 IO 擴展板的 5 V 針腳切斷,如下圖紅箭頭所示,上圖打 X 的地方就是表示針腳切斷。

切斷 5 V 後,兩塊板子是共地相連,雖然
7.4 V 電壓從下板 Uno 的 DC 5521 孔進入,不過 Adruino Uno 內部有 5 V 穩壓電路,因此 7.4 V 電壓輸入 Uno 沒問題。另外我也嘗試將 7.4 V 接到 SG90,也可以正常運作,基本上整體架構是可以運作的。

另外,這樣電路是沒辦法把一些 5 V 的感測器或電路模組直接接到 IO 擴充板上,那可以從 Uno 的 ICSP 取出 5 V 來使用,如下圖綠線所示。

因為機器蜘蛛的電源直接接到鋰電池,外部沒有其它穩壓電路,所以需要加測不同電源電壓使用情形,使用 Keysight U3606B 觀測 Arduino 電路及 SG90 伺服馬達的耗電狀況,下表是實測數據。

Battery
Voltage
Servo Stop
One Servo (Max)
Sweep 30 ~ 150
5.5 V
34.9 mA  (0.192 W)
306.8 mA  (1.687 W)
6.0 V
40.6 mA  (0.244 W)
282.8 mA  (1.697 W)
7.0 V
52.3 mA  (0.366 W)
429.4 mA  (3.006 W)
8.0 V
53.4 mA  (0.427 W)
471.8 mA  (3.774 W)
8.4 V
55.9 mA  (0.470 W)
514.2 mA  (4.319 W)

電池電壓 5.5 V 以下,Arduino 一直 RESET 重開機,因此從 5.5 V 開始測試,另外 Servo 區分兩種測試條件,一個是馬達沒有轉動時,另一個是讓馬達在 30 ~ 150 度角之間來回擺動,當馬達轉動電流變動很大,我僅記錄最大值,電池電壓會測到 8.4 V 是因為單顆 18650 鋰電池充飽後,電壓可能高達 4.2 V。從實驗結果,發現 SG90 在電壓 6 V 運轉時,耗電流最小,難怪官方 SG90 馬達測試多在 6 V 條件運轉。

最後總結這樣的電源設計的優劣點,電路簡單,缺少系統防護,以教學目的是一個可行方案,如果要商品化則防護不足,鋰電池充電需要專用充電器,而且要兩顆一起充,如果分開充電,兩顆電池的特性就容易有差異,容易某顆電池沒電充不飽。還有少了保護迴路,電池過度放電後,就很難充飽回來,所以不要用到快沒電才去充電。

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