Op de Zauberling kan de externe 12 volt adaptor achterop worden aangesloten. Direct aansluiten op de module van de adaptor, een aan/uit knop, meer zicht te krijgen op het stroomverbruik van de standaard voedingsspanningen (3.3, 5, 9 en 12 volt) bleven nog losse toekomstwensen.
Lees hier hoe dingen, als je toch aan het knutselen slaat, volledig uit de hand kunnen lopen.De Ultieme Multi Power Module wordt klein (3,5 bij 7 cm!) en biedt vier voedingsspanningen. Spanning, (piek-)stroom en vermogen worden per uitgang gemonitord. Er is hopelijk zelfs nog plek voor een programmeerbare automatische zekering!
De meeste microcontroller boards hebben een eigen 'voltage regulator' op de print zitten. Het onderdeel maakt de noodzakelijke 5, of 3.3 volt uit een eventueel hogere aangeboden voedingsspanning. Handig, want op die manier kun je gewoon een 9 volt adaptor gebruiken om je Arduino te voeden en wat aanvullende project-elektronica, zoals een display, ook meteen voeden met de 5 volt die op het Arduino-board wordt aangemaakt.
Maar zelfs als deze gecombineerde stroombehoefte onder de 100mA blijft, kan er in de praktijk aanzienlijke warmte worden gegenereerd in de regulator. Wel iets om in de gaten te houden! Vooral als de stroombehoefte toeneemt lijkt het verstandiger de regulator op het board niet onnodig te belasten en allerlei randapparatuur direct vanuit een andere spanningsbron te voeden. Dit ontlast de microcontroller van onnodige warmteontwikkeling en opent misschien mogelijkheden de stroom, spanning en het vermogen enz. te monitoren en te regelen.
Iedereen die wel eens met Arduino’s of bijvoorbeeld fischertechnik modellen experimenteert, zal vroeg of laat behoefte krijgen aan iets dat gemakkelijk meerdere kant en klare voedingsspanningen kan bieden. Voor het aansluiten van bijvoorbeeld een externe sensor is het gemakkelijk even snel 3.3 volt beschikbaar te hebben. Of bij het combineren met andere externe elektronica 9 en 12 volt gemakkelijk te kunnen aanbieden.
Een dergelijke module zou handig zijn voor het voeden van een aansturende controller zoals een Zauberling module. Het zou ook bruikbaar zijn tijdens experimenten in de elektronica werkplaats. Helemaal als er bijvoorbeeld features als uitlezing van de spanning en stroom of een automatische zekering op zouden zitten.
Dit gefantaseer leidde al snel tot een wensenlijstje van de mogelijkheden van zo'n Ultieme Multi Power Module:
Onze module moet zometeen diverse voedingsspanningen maken en voltage regulators worden dus veel gebruikt. Een nadeel is dat ze de overtollige spanning dissiperen in warmte waardoor bij hogere stromen, of eigenlijk hogere vermogens warmte, een koellichaam nodig kan zijn. De 7805 spanningsregelaar die 5 volt maakt uit 12 volt, moet 7 volt kwijt. Hierdoor zal bij een stroom 500mA al 3,5 W aan warmte moeten worden afgevoerd.
De uiteindelijk geleverde stromen van de Ultieme Multi Power Module zullen, helemaal als deze goed kunnen worden bewaakt, waarschijnlijk echter binnen de perken blijven. En bijvoorbeeld voor de 3.3 volt zou een kleine SMD regulator van maximaal 100mA zelfs volstaan. Hierdoor ligt het gebruik van voltage regulators dus voor de hand, maar toch onderzocht ik eerst nog enkele andere, deels kant-en-klare, oplossingen die op een andere manier werken.
Een in principe efficiëntere oplossing zou een schakelende voeding zijn; een z.g. buck-converter. Deze maakt eerst een wisselspanning uit de aangeboden gelijkspanning die dan weer terug geconverteerd wordt naar de gewenste gelijkspanning. Een nadeel is dat hiervoor welk enkele aanvullende onderdelen, zoals een spoel, nodig zijn. Er zijn tegenwoordig veel kleine voedingsmodules verkrijgbaar met de LM2596; een bekende Step-Down Voltage Regulator die tot 3A stroom kan leveren met aanzienlijk minder warmteontwikkeling dan de traditionele voltage regulators.
De productinformatie en datasheet van de LM2596 leert ons dat er vier uitvoeringen van deze chip zijn. Er zijn versies voor de voltages 3.3, 5 en 12 volt. En een regelbaar exemplaar waarvan de uitgangsspanning kan worden geregeld met een externe potentiometer. Voor minder dan tien euro, kocht ik een module waarop al deze modellen zitten! De 3.3, het 5, het 12 variant van de chip én de regelbare variant van de LM2596 handig bij elkaar gebracht op één printje.
De LM2596 kan alleen omhoog converteren, dus de ingangsspanning zal in elk geval 1,5 volt hoger moeten zijn dan de gevraagde output. Met een ingangsspanning van 15 volt kunnen, als de regelbare LM2596 op 9v is ingeregeld, dan vrij eenvoudig alle gewenste spanningen gemaakt.
Helaas dekt deze module slechts een deel van de wensenlijst af. Het printje zou nooit in onze gedroomde kleine behuizing zou passen, én biedt geen enkele stroom- of voltage uitlezing.
Ik kwam ook deze, geheel programmeerbare, module met de LM2596 nog tegen. Vanzelfsprekend wordt hierop de regelbare LM2596 gebruikt. De instelling is te maken met drukknopjes en de ‘shutdown capability’ van de LM2596 wordt hier ook gebruikt zodat de ingestelde uitgangsspanning naar believen aan en uit kan worden geschakeld. Een klein display met drie 7-segments elementen geeft de spanning van de ingang of de uitgang weer. Kleine drukknoppen maken het mogelijk elke uitgangsspanning onder de ingangsspanning (tussen 7 en 36 volt) in te stellen.
Het is door de instelbaarheid en spanningsaflezing zeker een interessante module voor de elektronica werkplaats, maar niet echt bruikbaar om onze Ultieme Multi Power Module mee te gaan bouwen. Bovendien zou dit vier van deze modules vereisen. Ook de weergave van de afgenomen stroom en de mogelijkheid deze te begrenzen ontbreken.
Vanzelfsprekend zijn er nog veel meer kant en klare oplossingen te koop, maar een kleine module waarmee alle wensen van het lijstje kunnen worden afgestreept heb ik nog niet kunnen vinden. De veelal ontbrekende de stroom-uitlezing zouden we zelf kunnen maken met los verkrijgbare spanning-/stroom displays.
Deze modules zijn echter relatief groot en niet echt ideaal. Het display is opgebouwd uit slechts drie 7-segment elementen. De digitale punt staat gefixeerd op een vaste plek en de module is niet auto-ranging. Voor wie hoofdzakelijk in het gebied tot 1 Ampère experimenteert, maar wél wat ruimte naar boven wenst, is dan alleen het 10A model bruikbaar. En dit betekent dat de aflezing in stappen van 10mA gaat.
Het plan voor de Ultieme Multi Power Module gaat richting een stukje maatwerk dat de spanningen en de afgenomen stromen weergeeft op een klein display zoals het SSD1306 Display Module, dat ik ook al in de Zauberling toepaste. Samen met een Arduino Pro Mini, voltage regulators en een stroom-sensor zou dat vast onder te brengen zijn op een PCB-sandwich die in een Silberling-behuizing past.
Voor het meten van de stroomsterkte en het voltage zijn diverse sensoren te vinden die over de I2C bus kunnen worden uitgelezen. Sommige sensoren meten d.m.v. Hall-effect, andere bepalen de stroom door over een shunt weerstand te meten. De meting met Hall-effect kan in het algemeen grotere stromen aan, en het voordeel van meting over een shunt weerstand is het vrij precies is voor kleinere stromen.
Op kant en klare sensor-boards die volgens het laatstgenoemde principe werken, is de INA219 een veelgebruikte chip. Omdat het uitgangspunt bij zelfbouw uiteindelijk is toch zelf een een printplaat te ontwikkelen, is het eventueel geen probleem uiteindelijk meerdere INA219's te moeten inzetten in de Ultieme Multi Power Module. Het kan echter eenvoudiger met een variant van deze chip die in één keer drie individuele kanalen kan meten. De INA3221 is een module met drie INA219’s in één.
Liefst zou ik natuurlijk alle vier de spanningen meten, maar misschien is dit een goede optie om de drie meest belangrijke spanningen te monitoren. De 3.3 volt is de minst belangrijke en wordt in de praktijk toch alleen voor het voeden van mogelijke externe sensoren gebruikt, dus als we die niet kunnen uitlezen maar goed zicht hebben op de drie hoofd bussen, dan valt daar goed mee te leven.
Sensor-boards met de INA3221 blijken eenvoudig verkrijgbaar. Het board dat ik aanschafte bleek echter niet zonder meer bruikbaar om drie onafhankelijke voltages en stromen te meten. Eén kant van de bussen heeft men op de print doorverbonden en aan de min (ground) gelegd waardoor de module geen drie individuele metingen kan doen. En bij de Ultieme Multi Power Module is nou juist de bedoeling. Gelukkig is er online al te vinden hoe je het board kunt fixen door de doorverbindingen los te nemen en zelf enkele draadjes te solderen. Inmiddels zijn ook gecorrigeerde boards te koop.
Het kant en klare sensor board is relatief groot en uitgevoerd met diverse ongebruikte aansluitingen en indicatie LED's. Voor de eerste opbouw van het prototype van de module is het echter, na enige aanpassingen, prima bruikbaar. Uiteindelijk wordt toch een eigen printplaat ontwerpen waarop alleen het meest noodzakelijke rond de INA3221 zal worden ondergebracht.
Het sensor-board is inmiddels samen met de Arduino Pro Mini op een breadboardje gezet. De vier spanningen worden d.m.v voltage regulatoren gemaakt. Ook is het display aangesloten en reeds een opzet gemaakt met de software van de module. De meting met de stroomsensor en de weergave van de meetwaarden op het display zijn inmiddels gerealiseerd.
Met de witte drukknoppen kan door de verschillende uitlees-modi van het scherm worden gelopen. Met de blauwe knop kan de gemeten stroom piekwaarde worden gereset. De rode knop krijgt een functie bij het instellen van de maximale stroom waarboven de automatische zekering moet ingrijpen. Bij het drukken van de oranje knop wordt een 100Ω weerstand op een spanningsuitgang aangesloten om een tijdelijke stroomtoename na te bootsen. Op het display zijn deze gemeten voltages en stromen direct zichtbaar.
De verdere wensen van het lijstje moeten natuurlijk nog worden gerealiseerd, maar het relais voor het verder ontwikkelen van de automatische zekering heeft ook al een plaatsje op de het breadboard gevonden. In het volgende deel zullen we het schema zoals het er nu ligt bespreken en de software verder vervolmaken.