Наш суморобот становится все сложнее – он получил «мозг», «сильные ноги», «зрение» для поиска соперника и для различеения границы ринга.
На протяжении всех предыдущих уроков мы всегда рассматривали электрические вопросы - напряжения и потребления тока микропроцесссорной платой, моторами, и датчиками.
Полагаю, пришло время более детально разобраться в этом не слишком погружаясь в теоретические вопросы электричества.
Вы не поверите, но человечество повсеместно использует электричество уже более 100 лет, но многие теоретические вопросы не нашли единого толкования до сих пор – природа образования электрического потенциала, скорость его передачи по различным проводникам и многое многое другое….
Мы постараемся, также как человечество, не теоретизировать, а сразу успешно перейти к практическим вопросам использования.
Тем не менее, для лучшего понимания, давайте разберемся, что такое напряжение источника питания. Если попытаться сделать сравнение с понятными нам явлениями, то напряжение можно представить как разность высоты между началом реки (плюсом источника питания) и местом ее выхода в море (минусом источника питания). Уровень высоты моря, как вы помните из школьного курса географии, равен 0 метров. А вот от высоты начала реки зависит и потенциал самой реки. Чем выше начало реки, тем они быстрее и более бурные. Сравним горные реки и реки, текущие на равнине. Так и у источника питания – чем выше напряжение, тем «сильнее» потенциал источника питания.
Теперь давайте разбираться с силой тока. Если постараться представить понятие силы тока, то оптимальным для понимания будет водяной поток реки и понятие ширины этого водяного потока. Если для питания датчиков и микропроцессорной платы нам нужны «ручейки воды» от 17mA (датчик QTR-1A) до 30mA (датчик дистанции), то для моторов нам нужны «широкие потоки воды» в объеме 300mA-900mA и «разливы воды при половодье» до 1600mA, если движение колес будет заблокировано без отключения на них напряжения.
Поэтому важно также понятие «бюджета» по силе тока – «ширине и объему потока воды» который будет бежать по нашим «рекам и ручейкам» — проводам до каждого устройства.
Также верно провести аналогию по потреблению тока каждым устройством как необходимостью получить именно этот «объем воды» в каждую единицу времени. И если устройство не сможет получить объем воды в результате «узких ручейков» — проводов или «недостатка воды в реке», то оно будет работать неправильно или по-простому «сбоить».
Итак какой бюджет по току («какой суммарный объем воды в реке в единицу времени») необходим для питания наших электронных компонентов?
Таблица для источника тока на 5 вольт:
| Устройство | Кол-во | Потребле-ние | Суммар-но |
| A-Star 32U4 | 1 | 25mA* | 25mA |
| GP2Y0A21SK0F | 3 | 30mA | 90mA |
| QTR-1A | 2 | 17mA | 34mA |
| Итого | 149mA |
Обычно желательно увеличивать в два раза требуемый бюджет по току для учета разряда источника питания, нелинейности и пиков потребления в различных режимах. Таким образом, для электронных компонентов, желательно иметь источник питания напряжением 5 вольт c силой тока 250-300mA.
Для моторов необходимо оценить пиковые нагрузки при выталкивании соперника с ринга – как мы помним, они примерно 600-900mA и умножить из на количество двигателей – у нас их 2. Итого получим требуемый источник питания с напряжением около 6 вольт и силой тока разряда 1200-1800mA. Обычно литий-полимерные элементы могут выдержать ток разряда до 3 номиналов. Также существуют быстроразрядные литий-полимерные аккумуляторы – у них ток разряда может доходить и до 10 номиналов! Например, поставив литий-полимерную батарею номиналом 1000mА, вы сможете обеспечить максимальный ток разряда в 3000mA.
Итак, для наших моторов, по нашим подсчетам, оптимальным будет литий-полимерный аккумулятор с номиналом по току на 600mA – 1200mA (1800mA — 3600mA на максимальном токе разряда). Если поставить источник с худшими параметрами, то при выталкивании моторы не смогут развивать достаточную максимальную мощность.
Какие еще параметры (кроме напряжения и силы тока), важны при выборе батарей для роботов сумо?
Размер и вес – оптимальность их сочетания в зависимости от конфигурации робота и расположения всех его компонентов.
Удобство при зарядке и долговечность. Обычно цикл боев на турнире сумо-роботов состоит из 5 — 6 серий по 2-3 поединка. Надо помнить об удобстве перезарядки аккумуляторов или емкости батареи для прохождения такого цикла.
Типы батарей, используемых сейчас в минисумороботах – в основном Li-Pol или Li-Po (литий полимерные) и LiFePol(литий-ферум полимерные). HiMH(никельметалгидридные) используются все реже и реже – по мере удешевления литиевых аккумуляторов.
Недостаток литиевых аккумуляторов – необходимость использовать специализированные источники зарядки для избежания пожара и взрыва. С другой стороны будем помнить, что такие источники питания сейчас повсеместно распространены в коммуникаторах и прочих массовых электронных устройствах и они взрываются не очень часто. J
Итак, нам желательно сделать так, чтобы все наши электронные устройства (микропроцессорная плата, драйвер двигателя, датчики) могли быть подключены к стабильному (не допускающему снижение ниже 5V и повышение выше 5V) источнику питания.
Почему возникают скачки напряжения? Попробуйте подключить параллельно аккумулятору питания вольтметр (лучше стрелочный), затем подключите к аккумулятору мотор. Обратите внимание, что в момент подключения двигателя напряжение будет кратковременно меняться – «скакать» — это связано с тем, что для запуска двигателя необходимы значительные ресурсы по току – превосходящие в 2-3 раза затраты тока на вращение двигателя после запуска. Вот этих скачков и боится электроника.
При скачках напряжения выше допустимых в документации параметров, наши электронные устройства будут работать нестабильно – скажем микропроцессорная плата может «зависать» или перезагружаться, датчики расстояния будут выдавать некорректное расстояние – робот будет неуправляемым своей программой – «немного не в себе». J
Как раз для исключения скачков и получения необходимого напряжения питания электронных компонентов и используется DC-DC преобразователь, который обеспечивает стабильное напряжение 5V и необходимую силу тока от источника питания – аккумуляторов робота.
Давайте зафиксируем, что мы с Вами получили:
- Для питания электронных компонентов нам надо 5V и 300mA
- Для двигателей желательно 6V и 1200-1800 mA.
У нас есть литий-полимерные батареи с напряжением питания 3,7 V и 1100mA. Как из них получить необходимые нам параметры по напряжению для питания двигателей и электроники?
Известно, что при последовательном соединении одинаковых по напряжению и току источников питания (плюс одного элемента с минусом другого элемента) на сборке мы получим батарею с двойным номиналом по току и той-же силой тока, что и номинал каждого элемента. При параллельном соединении (минус с минусом и плюс с плюсом) напряжение останется тем-же, а сила тока батарейной сборки увеличится.
Используем последовательный метод сборки батарей из двух аккумуляторных элементов и получим сборку с напряжением 7,4V и силой тока 1100mA. Подключив к батарейной сборке преобразователь напряжения DC-DC от pololu.com модель S7V7F5 получим следующий источник питания (рисунок ниже)
Данная схема позволяет нам получить напряжение для питания двигателей – 7,4V и стабилизированное напряжение для питания электроники – 5V.
Обратимся к параметрам DC-DC преобразователя для того, чтобы уточнить его основные характеристики:
Обратим внимание, что данный регулятор – универсальный – он может отдавать 5V от входного напряжения в 2,7V до 11,8V и от 500mA до 1000mA силы тока, что для нашего бюждета электроники в 150mA с избытком.
Для двигателей мы используем чуть большее, чем оптимальное, напряжение питания (не 6V а 7,4V) – что допустимо для данных моторов и находится в «зоне комфорта» для них.
Вопросы для проверки:
- С чем сравнивают и напряжение и силу тока для понимания сути явления?
- Почему появляются «скачки» напряжения и как их можно устранить?
- Какие аккумуляторные элементы лучше использовать в сумороботе и почему? От какиз факторов зависит выбор элементов питания?
