TI-RSLK 模块 5 - 电池和电压

大家好，我是 John Valvano。 在本次讲座中，我们将讨论电池 和称为电压调节的过程。 电压调节的理念是向我们 提供为电子设备供电的恒定电压。 因此，我们将讨论电池以及我们 从何处获取电力。 我们将讨论稳压器以及使其正常工作的 不同理论方法。 在实验中，您将学习 一种查看此稳压器的 性能的测试技术，衡量标准 是它的稳压效果以及它 产生的噪声大小。 转入正题吧。 那么，通常而言，我们可以通过 很多方法来获取用于驱动电子系统的电力。 我们可以将插头插入墙壁以及使用交流/直流转换器。 如果我们这么做， 实际上需要一个稳压器来执行 最后一步，从而使我们获取恒定的电压。 理念是实现恒定的电压， 从而为驱动我们的负载提供足够的电流。 现在，我们可以获得一个直流电源。 可以通过几种方法来获得直流电源 -- 事实上，我们为 LaunchPad 供电的 常规方法是使用 USB 电缆， 这实际上将为我们的LaunchPad 提供恒定的 五伏电源。 您的 LaunchPad 本身会有一个 3.3 伏稳压器， 它用于驱动微控制器。 在汽车环境中，我们可能具有一个 12 伏的直流电源。 但在本特定的课程中，当我们 驱动机器人时，我们首先使用电池。 请注意，该特定机器人中的电池 将是六节镍氢电池，它们将 为我们提供用于运行我们的机器人的 7.2 伏电压。 然后，我们要从该电池获取这些能量，将其中的 一部分提供给微控制器，并将 其中的大部分能量提供给电机， 从而驱动机器人。 电源电压需要是恒定电压， 而无需知道它需要多大的电流。 我们也可以从空气中收集能量， 例如太阳能系统或电磁场拾取 有各种正在进行且很有趣的活跃研究领域， 但我们不打算采用其中的任何方法。 我们将采用一种简单的方法，即连接电池，从而 驱动我们的机器人。 现在，请记住，以瓦为单位的功率等于电压乘以电流。 能量等于电压乘以电流，再乘以 我们驱动该电压和电流的时长， 它的单位是焦耳。 让我们继续向下讲。 MSP432 等微控制器 拥有各种极强大的技术， 其中之一便是它拥有一整套丰富的节能工具。 最简单的节能工具之一 是您是否打开处理器。 那么，例如，我们可以打开 MSP432， 我们也可以关闭 MSP432。 我们可以打开 ADC 转换器。 我们可以关闭 ADC 转换器。 我们可以把一切都关闭掉。 这是一个电流大小随时间 变化的图，我们的系统可以在不同的 模式下使用它。 请记住，您使用的总能量等于电压 乘以电流，再乘以时间。 因此，432 中有一组丰富的 功能，用于打开以及关闭哪些 部件从而管理 432 的低功耗模式。 一种特定的模式，即一切都关闭， 称为睡眠。 现在，在本节课中， 我们将运行 MSP432，以驱动机器人， 我们不需要将微控制器置于睡眠模式。 但是，该可以通过更改模式 使电流成为时间的函数的 理念是一种非常强大的 技术，可以使您的电池具有更长的使用寿命。 因此，这会为我们提供 -- 电池可以使用多长时间？ 因此，您可以制定一个非常简单的功率预算。 您可以比较系统消耗的平均电流。 您可以看到这是平均电流。 您不需要知道瞬时电流。 您需要知道平均电流。 因此，我睡眠的时间越长，我的平均电流就越小。 这将，或者应该小于 储电量。 现在，请记住，电池的储电量 定义为其安时数除以寿命。 这是功率预算的本质。 那么，为了节省电力，我们可以采取几种措施。 我们可以降低电压，事实上， 随着该技术不断得到改善，电压变得 越来越小。 正如您知道的，MSP432 的工作电压为 3.3 伏， 但实际上，在MSP432 的内部， 实际的处理器本身，其工作电压为 1.8 伏。 请注意，您不一定能看到它。 它完全处于内部。 但重点是，在系统级设计中， 只要我可以降低电压，就 可以降低运行所需的能量。 我可以采取的另一项措施是，降低电流。 随着该技术不断得到改善， 完成相同任务的设备所需的电流变得越来越小。 您可以采取的另一项措施是您作为设计人员所做的工作， 即使用模式，将其置于睡眠模式或 将其唤醒，持续的时间由您决定。 那么，再说一遍，我希望您通过 该特定的幻灯片了解功率预算的本质。 那么，我们具有电池所存储的能量， 并且我们具有运行机器人所需的 电流大小，这里的简单 关系可告诉我们该机器人可以运行多长时间。 那么，存在多种不同类型的电池。 我们可以将其分为两类 -- 两种类型的电池。 我们购买它一次。 我们将其用完，然后将其扔进垃圾填埋场。 这不是一种很好的资源使用方法。 那么，我们想 -- 将对可重复使用的电池产生兴趣。 二次电池可以进行再充电。 换句话说，我可以安装它，然后使用 电池充电器来恢复电池中的电量。 现在，在本节课中， 我们将使用镍氢电池，因为 它具有非常非常简单的充电机制 -- 不容易爆炸。 但我们稍后将看到，采用 现代技术的经典电池是锂离子电池。 哦，将来，一切都将反复不断地变化。 但我们将选择镍氢电池，因为 它们更加便宜 并非更好 -- 更便宜，更廉价，并且易于充电。 在电池内部，有电解质， 并且有正端子和负端子，它们 分别是阴极和阳极。 再说一次，从电路的 角度而言，我们将在这里采用六节 此类电池，这将为我们提供 7.2 伏的电压。 现在，我们的任务是获取该 7.2伏电压，以运行我们的系统。 我们可以查看能量密度，如果 我们尝试优化以降低 系统的重量或延长系统的 寿命 -- 这是 能量密度的本质。 那么，我所做的是，我采用了五种不同 类型的 AA 电池，换句话说，具有相同尺寸的电池 然后您可以看到，到目前为止，在该尺寸的 电池中，包含能量最多的是锂离子电池 -- 锂离子电池中包含的能量几乎 是其他电池的三倍。 现在，在我们的特定案例中， 我们将使用镍氢电池。 如果我们查看 -- 一共有六节镍氢电池。 因此电压为 7.2 伏，它们具有 1.8 安时的储电量。 如果电机的驱动电流为 0.5 安，并且 这是我们的平均电流，那么我们可以查看能量储量。 这以安时为单位，因此我必须将其更改为毫安。 这以毫安时为单位。 现在，我可以查看 -- 估算我的机器人可以运行多长时间。 您可以看到，它将运行 3.6 个小时 -- 这么长的时间足够让您赢得比赛。 正如我说过的，LaunchPad 的工作电压为五伏。 不是 7.2 伏。 因此，我们需要通过一种方法在变化的电流下生成 恒定的输出。 那么，当您查看稳压器时，我们 将看到的是，这里的输出电压需要是恒定的。 在本例中，我们需要五伏的电压。 现在，在 LaunchPad 本身上，有另一个稳压器，可以 生成 3.3 伏的电压。 但对于该特定的机器人，我们将 生成五伏的电压，以运行 LaunchPad。 但将发生变化的是输出电流， 具体取决于微控制器是 在执行这项操作还是那项操作，或者是这个 传感器打开，还是那个传感器打开 -- 该电流可能会变化。 我们不知道它的大小是多少，但它可能会变化。 请注意，随着电池放电，这也可能发生变化。 那么，我们将看到，输入电压和输出 电流将变化。 这里需要一个常量。 即输入电流 -- 我们还将对它进行讨论 -- 将由电池提供，从而 实现该目的。 那么，我们将讨论两种不同类型的 线性，两种不同类型的稳压器。 第一种比较简单，它是线性稳压器。 基本而言，所发生的是， 这里有一个电阻元件，它将产生 该电压，该7.2伏，或者该 7.1 伏 -- 当您对它进行充电时，它甚至可能是 7.6 伏。 该位置的可变电压已产生， 对于所有这些情况，我们将获得 5 伏的电压。 另一方面 -- 我们不知道电流是多大。 再说一次，那么该可变 元件将调节该元件的阻抗， 从而在输出端产生 5 伏的电压。 它将使用该反馈机制来实现该目的。 不幸的是，它的效率很低， 这意味着 -- 我的意思是，如果您需要， 假设100 毫安的输出电流， 它将需要 100毫安的输入电流。 那么，您可以看到我输入，从功率的角度而言 -- 我输入 7.2 伏乘以 100 毫安， 我将输出 5 伏的电压和 100 毫安的电流。 因此，我在这里损失了该电压差。 换话句话说，输出电流 大约等于输入电流。 我损失了 2.2 伏乘以 0.1 安的功率。 我损失了 0.22 瓦。 这意味着这个设备会变得很热。 另一方面，这类方法拥有极低的成本。 和极低的噪声。 它非常非常简单。 您所需要的是在这里和那里各使用一个电容器。 例如，这里是一个非常非常简单的稳压器， 它会获取该 7.2 伏输入，并生成 5 伏的 输出。 它是一个非常非常简单的芯片 -- 在一个穿孔部件中提供 -- 易于焊接在您的板上。 您只需在输入端放置一个电容器， 在输出端放置一个电容器，然后将输出恒定的 5 伏电压， 对于任何，对于该特定的稳压器，高达 1 安的电流 -- 足够驱动您的 LaunchPad以及其中的所有元件。 再说一次，您不会通过它来驱动电机。 您将通过它来驱动 LaunchPad。 它具有称为压差的现象的 本质，这意味着该电压必须在此基础上再高 2 伏。 因此这仅对电压有效 -- 电压输入必须大于 7 伏才能使这正常工作， 7.2 伏就更大。 如果您不想或无法购买 电机驱动器板，那么这是您可以 构建的电路之一。 构建材料中对此进行了说明。 如果您无法购买该板，或者不想购买该板， 那么您可以构建该电路以运行您的 LaunchPad。 德州仪器 (TI)拥有一款非常 强大的称为 WEBENCH 的设计工具，它将向您展示多种 生成稳压器的方法。 再说一次，稳压器能够 在可变电流下生成恒定的 电压，在本例中，因为它是线性稳压器，输入 很大，或者输入大于我的输出。 其他类型的稳压器称为 开关稳压器。 请注意，它们更加高效 换句话说，如果我查看输入功率和输出功率， 我们将获得大约该功率的 90%。 它不会变得很热，并且它 不会浪费电能。 有三种不同类型的开关 稳压器，让我们来看看它们都有些什么。 它们都有一个开关 -- 这就是开关。 这意味着它可以打开和 关闭，打开和关闭，关闭和打开，打开和关闭，关闭和打开。 这就是它的工作方式。 那么，当它开关时，会产生大量的 电磁场噪声。 它们都有一个电感器。 我们已在先前的讲座中看到它。 它们都有一个电感器。 它们都有一个二极管。 这里是我们的二极管。 就像所有其他稳压器一样， 它通常在输入端和输出端采用该元件作为电容器。 根据电压是否下降， 在本例中输入电压大于输出电压。也可实现升压， 您可以采用 1.5 伏 -- 您可以采用一节1.5 伏的电池来 驱动 5 伏的系统，而不会浪费功率。 对于升压转换器而言，这意味着输入电压小于输出电压。 或者，如果您不知道它是 更大还是更小 --您不关心它，您 实际上可以选择一个既可以降压 又可以升压的稳压器。 换句话说，它适用于几乎任何 输入电压 -- 将为您生成驱动系统 所需的该完美的五伏信号。 因此，开关稳压器的 优点是它非常高效。 实际上，对于稳压器效率， 它大约是 90%，它的定义是 输出功率除以输入功率。 因此，它可以告诉 实际上您的电池的能量有多少提供 给了您的系统。 它有一些缺点 -- 其中一个缺点是，它是一种 更难以构建的电路。 另一个缺点是它可能具有很大的噪声。 就像线性稳压器一样，如果您希望 设计您自己的开关稳压器， 德州仪器 (TI) 可以为您提供一套非常丰富的设计工具。 这里是我们在我们的机器人之一中选择的开关稳压器。 它说明了搭建该稳压器电路的难度。 您可以看到，这里的开关 稳压器是一个表面贴装部件，它就位于 我的 PCB 中的这个位置。 您可以看到，该电感是一个非常大的器件。 它就位于此处。 电容很大。 您可以看到 47 微法输出电容和 22 微法输入电容。 开关中的二极管位于实际稳压器器件的 内部。 那么，再说一次，我们使用它来运行我们的 LaunchPad 之一。 它有一个特定的问题。 学生会进入我的办公室， 然后他们会说，Valvano 博士，如果我的电机板冒烟， 会怎么样？ 我说，您执行了什么操作？ 哦，什么也没做，他们告诉我。 我说，得了吧，快点告诉我您做了什么。 然后他们承认，他们执行的操作是无意中 将该五伏导线短暂地与接地端发生了短路， 极其短暂。 我之所以为他们选择了该特定的 稳压器，是因为它非常高效，如果您 将它的插座短路，那么它自己就会 爆炸，将它自己毁坏。 这进展得不顺利。 那么我们烧毁了大量的机器人板， 因为学生短暂地或 错误地将 5 伏输出连接到了 接地端。 因此它无法正常工作。 因此我们尝试了另一个板。 因此，我们找到了稳压器。 这里是 TI 提供的另一种稳压器。 再说一次，它在输入端采用了一个很大的电容器， 并且在输出端采用了一个很大的电容器。 这里有一个很大的电感器。 它实际上是一个穿孔部件， 因此学生可以将其焊接到他们的板上， 它生成一个完美的五伏输出，并且 非常高效，但它具有可提供 保护的优点。 我将其称为可防止学生无意中损坏的稳压器。 因此，当学生将该板接地时，不会 发生任何问题 --嗯，它停止工作了。 但当他们断开接地端后，它 会恢复正常并重新工作。 因此，如果您不打算购买或无法获取 市场上销售的Pololu Romi 电机， 那么我建议您构建该 7805 稳压器， 它效率不高，但很简单， 或者构建该开关稳压器， 它构建起来更加复杂一些。 这是烧毁板，从而必须修复它的学生 之一。 这里是实际稳压器。 这里是输入端上的大电容器。 这里是输出端上的大电容器。 这里是他们实现它所需的 实际电感器。 但再说一次，它是相当简单的构造。 那么，该特定的芯片具有所有穿孔。 该特定的器件相当简单且可以有效地防止学生无意中损坏。 请注意，事实上，如果您通过电机 供电板来实现，那么您将得到的 电路将非常类似于我刚才向您展示的这两个电路。 总之，我们讨论了对稳压的需求。 换句话说，您将从电池 获得 7.2 伏的电压，稳压电路板将 为您生成五伏的输出 -- 您要自己 构建的板，上面有电容器。 它将驱动您的 LaunchPad。 您应该意识到这样一个事实， 即您的机器人将运行的时长 是电池以毫安时为 单位的能量储量或储电量 以及系统所需的工作电流的函数。 如果您有一个线性稳压器，那么它具有很低的噪声， 但它会浪费一些电能。 换句话说，它会变得很热。 它需要输入电压大于其输出的电压。 如果您选择开关稳压器， 那么电路会更加复杂一些。 您可能具有很大的电压降或很大的电压 升高 -- 无论输入是大还是小都没有关系，但它 将会非常高效。 总之，希望您喜欢本次实验。 您将了解电池和电压， 然后，正如您看到的，您将在本次实验中 所执行的操作的主要方面是开始 构建机器人。 下次再见。 [音乐播放]