Arduino:Хакинг/Сборка Minty Boost/Процесс

Содержание

Знакомство с Arduino

Продукты

Основы

Справочник языка Arduino

Примеры

Библиотеки

Хакинг

Изменения

Сравнение языков Arduino и Processing

Перевод: Максим Кузьмин

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Процесс

Далее речь ведется от лица Лимор Фрид (Limor Fried), разработавшей устройство.

Здесь я расскажу, как Minty Boost появился на свет – как родилась идея, подбирались компоненты и пр. Описываемый процесс верен не на все 100%, но очень близок к тому. Поскольку создание этого проекта заняло всего два дня (проектирование, тестирование и выпуск), то и следить за тем, как он создавался, было проще, чего не скажешь о проектах вроде x0xb0x.

Впрочем, это руководство в каком-то смысле устарело, потому что с тех пор Minty Boost успел претерпеть множество модификаций. Поэтому, прочитав его, ознакомьтесь с разделом «Зарядка устройств от Apple», где рассказывается, как версия v1 постепенно трансформировалась в v3.

Первоначальная идея

Окей, так откуда появилась идея? Полагаю, после ознакомления с другими похожими проектами:

• 9-вольтовый USB-зарядник от Аарона Данлэпса (Aaron Dunlaps; инструкции на Electroids)
• 9-вольтовый портативный USB-зарядник (инструкции на Instructables)
• «Батарейный» 9-вольтовый USB-зарядник от Джейсона Стригеля (Jason Streigel; инструкции на Hackaday)
• Firewire-зарядник с импульсным регулятором напряжения (инструкции на Instructables)
• 9-вольтовый Firewire-зарядник на батарейках типа AA от Криса ДиКлерико (Chris DiClerico; инструкции)

Что их объединяет? Почти все используют 9-вольтовые батарейки и 7805 (это очень распространенный линейный регулятор напряжения, который выдает стабильные 5 вольт из входных 7-18 вольт). Эта схема отлично работает, поскольку 7805 действительно хорош, а батарейки дают 7-9 вольт (в зависимости от степени износа батареи).

Тем не менее, 9-вольтовые батарейки имеют несколько досадных недостатков. Во-первых, у них неважный показатель ампер-часов. Это то, как много ампер они могут дать в течение определенного промежутка времени (часов). 9-вольтовые батарейки от Duracell способны выдать около 500 мАч. Это 500 миллиампер (или 0,5 ампер) в час или 100 миллиампер в 5 часов. Цифра приблизительная, но в качестве исходной точки вполне подходит.

Во-вторых, у них большое внутреннее сопротивление (около 2 Ом), и это значит, как правило, что если вы хотите получить от них много энергии (скажем, чтобы воскресить «мертвый» девайс), то 9-вольтовые батарейки не дадут вам все 500 миллиампер, а ограничатся лишь 400 миллиамперами. К примеру, вы тянете 250 миллиампер, и тогда 0,25 А х 2 Ом = 0,5 вольта потеряются из-за внутреннего сопротивления. Более подробно о 9-вольтовых батарейках читайте в даташите Duracell.

Еще одна проблема использования в таких проектах 9-вольтовых батареек заключается в том, что 7805 – это линейный регулятор. То есть, если вам нужно подать 100 миллиампер при 5 вольтах (так происходит питание через USB), то батарейки будут давать 100 миллиампер при 9 вольтах, поэтому 400 милливатт (4 вольта х 100 миллиампер = 400 милливатт или 0,4 ватт) будут уходить в тепло.

Когда батарея изнашивается до 7 вольт, падает и потеря, уходящая в тепло – (7-5 вольт) х 100 миллиампер = 0,2 ватта. Но КПД по-прежнему не самый хороший. В самом лучшем случае КПД составит 72% (5 вольт / 7 вольт), а в худшем – 55% (5 вольт / 9 вольт). Это значит, что треть/половина энергии, даваемой батарейкой, уходит в тепло!

Кроме того, сам 7805 потребляет еще и ток холостого хода, составляющий 5 миллиампер, поэтому вы в любом случае теряете 5% (5 миллиампер / 100 миллиампер) КПД из-за одной лишь регуляции.

Более того, если вы выполняете непрерывную зарядку на 50 миллиампер, то 5 миллиампер тока холостого хода превращаются уже в 10% КПД.

Итак, схема из 9-вольтовых батареек и 7805 работает, но КПД такой сборки поразительно мал –60% или около того – и при 5 вольтах она может дать лишь 300 мАч.

Но можно сделать лучше!

Делаем лучше!

Батарейки типа AA обладают несколькими важными преимуществами. Они недорогие, вмещают много энергии, имеют очень низкое внутреннее сопротивление и доступны практически всюду. Если одна 9-вольтовая батарейка с 500 мАч дает 4,5 ватта (9 х 0,5 = 4,5 ватта), то две AA-батарейки на 3000 мАч дают 9 ватт (2 х 1,5 вольта х 3 = 9 ватт). Единственная проблема в том, что две батарейки типа AA дают только 3 вольта, а нам нужно 5 вольт. Используя 9-вольтовую батарейку, мы можем прибегнуть к помощи линейного регулятора напряжения, потому что 5 вольт меньше 9 вольт, однако, чтобы превратить 3 вольта в 5 вольт, линейный регулятор использовать, к сожалению, нельзя. Поэтому нам нужен повышающий преобразователь (также известный как «импульсный повышающий регулятор»).

Описывать то, как работает повышающий регулятор, я в этой статье не буду. Достаточно сказать, что работает он хорошо, но требует дополнительной возни, т.к. нам нужно подобрать правильный дроссель и подключить к нему несколько дополнительных компонентов. Подробнее о повышающих регуляторах читайте на Википедии.

Корпус

Далее я начала думать о размере будущего устройства и том, в какой корпус оно может уместиться. Многие думают об этом в самую последнюю очередь, однако это не самая хорошая идея, поскольку размер корпуса диктует список компонентов и то, каким будет интерфейс.

Во-первых, я знала, что все компоненты будут монтироваться на плату через сквозные отверстия, а не поверхностным монтажом. Во-вторых, планировалось использовать две батарейки типа AA, поскольку мой опыт показывал, что повышающие преобразователи хорошо работают с батарейками в количестве от 1 до 3. В-третьих, я сразу приметила коробку для жвачки Altoids, потому что знала, что в нее свободно помещаются две AA-батарейки. Впрочем, это все же нужно было проверить:

Места для печатной платы хватает, и у девайса не будет переключателя (но он, собственно, и не нужен; см. расчеты ниже).

Далее несколько замеров...

Получается, что для полукруглой печатной платы можно использовать участок 3,18 см на 1,78 см.

Я также попробовала другой держатель для батареек, который оставлял печатной плате больше места – 3,18 см на 2,16 см. Но батарейки в нем фиксировались при помощи загнутых боковых панелей, т.е. чтобы поменять батарейки, держатель нужно было сначала вытащить из Minty Boost. Но ведь удобнее, когда вытаскивать ничего не нужно, верно? Кроме того, как выяснилось позднее, эти несколько лишних миллиметров были, собственно, и не нужны.

Далее держатель для батареек был немного модифицирован – к нему были припаяны провода, которые в дальнейшем будут служить выводами. Примерно так:

Как видно на картинке выше, это красный и черный провода длиной около 15 см. Припаяв, я обрезала лишнее с той стороны, где провода были припаяны к держателю. С пайкой возникли некоторые сложности, поскольку пластик плавился, а провода нужно было как-то зафиксировать в неподвижном состоянии. В общем, я такой способ не рекомендую :)

Окей, выглядит неплохо.

Что ж, готово. Теперь нужно поразмыслить, чем заполнить свободное место.

Цепь для чипа-преобразователя

Сначала нужно было решить, какой будет цепь для повышающего преобразователя. Поскольку места было немного, я пыталась сделать эту цепь как можно компактней. Следовательно, выбор пал на чип, использующий корпус 8-DIP (это самый маленький корпус, подключаемый через сквозные отверстия) со встроенным переключающим МОП-транзистором (одним компонентом меньше) и высокой частотой (чтобы можно было использовать маленький дроссель). Кроме того, мое устройство должно было давать 100 миллиампер при 5 вольтах, а входным напряжением должно было быть как минимум 2 вольта. Кроме того, я хотела, чтобы все необходимые компоненты можно было купить онлайн у обычного поставщика электронных компонентов.

Итак, что нужно:

1. Корпус типа 8-DIP
2. Встроенный переключающий МОП-транзистор
3. Выдача 100 миллиампер при 5 вольтах
4. Минимальное входное напряжение – 2 вольта

Окей, давайте поищем такой чип на сайте Digikey. Начинаю с запроса «DC/DC converter 8-DIP», поставив галочку в пункте «In stock».

Затем в графе Number of Outputs (количество выходов) выбираю «1», в Package/Case – «8-DIP» (чтобы не перепуталось с «18-DIP»), а в Current-Output (выходной ток) – все пункты от 100 миллиампер и выше. Жму на кнопку Apply Filters. Мне выдает, что под эти условия попадает около 40 продуктов. Тогда в графе Voltage-Input (входное напряжение) я выбираю все диапазоны, которые начинаются с 2 вольт и меньше, а в Voltage-Output (выходное напряжение) – пункт Adjustable (настраиваемое) и все пункты и диапазоны, где есть 5 вольт.

Глядя на список, я понимаю, что подходящих вариантов по-прежнему много, поэтому иду обратно и выбираю только те чипы, что можно предварительно настроить на 5 вольт (чтобы исключить настраиваемые чипы, которым нужно два резистора для настройки напряжения). 5 вольт – очень распространенный показатель, и потому хороших чипов-преобразователей с 5 вольтами должно быть в избытке.

В результате остается гораздо меньше вариантов: LT1073, LT1111, LT1173 и LT130x, а также MAX751 и MAX756. Они очень похожи друг на друга, поэтому на мой выбор повлияла оптовая цена за 100 штук (потому что я планировала делать набор). Также я знала, что Maxim славится тем, что отправляет тестовые образцы, поэтому в итоге мой выбор пал на MAX756 (даташит), сто штук которого стоили мне 2,32 доллара. Но, по сути, если б не цена, я могла использовать любой из них.

Согласно даташиту, чип может выдавать 200 миллиампер при 5 вольтах, работать на входном напряжении в 0,7 вольт и с КПД (от двух батареек типа AA) около 85%. Кроме того, чип работает на 500 КГц, что очень быстро и значит, что дроссель может быть очень маленьким (около 22 мкГн). Также стоит добавить, что я использовала этот чип и раньше, и в моем случае он работал неплохо.

Выбор дросселя

Следующий шаг – выбор дросселя. Это посложнее, чем выбор преобразователя, потому что требует много расчетов. Однако, согласно даташиту (см. раздел Inductor Selection, т.е. «Выбор дросселя»), для этого чипа нужен дроссель на 22 мкГн с 1,2-амперным ограничением на ток насыщения и сопротивлением постоянному току в 0,02 Ома.

Кроме того, дроссель должен крепиться к плате через сквозные отверстия, а это значит, что найти такой дроссель будет непросто, потому что они крепятся, как правило, поверхностным монтажом. Но я все же решила взглянуть, что может предложить Digikey. Я вбила запрос «fixed uH inductor ~smd ~smd», и это значит, что мне нужен дроссель («inductor»), крепящийся поверхностным монтажом («~smd ~smd»), с постоянной индуктивностью («fixed») и со значением в микроГенри («uH»; не «mH» или «nH»). Затем в графе Current (сила тока) я выбрала диапазоны с 1-3 амперами, а в Inductance (индуктивность) – диапазоны с 18-27 микроГенри.

После нажатия на Apply Filters поиск выдал около дюжины вариантов. Дроссель SLF крепится поверхностным монтажом, и я решила игнорировать те, что стоят больше 2,5 долларов. По моему опыту, дроссели для таких маленьких устройств должны стоить около 1-2 долларов. В итоге остались осевой DN7418-ND на 27 микроГенри и радиальный 6000-220K-KC на 22 микроГенри. Оба варианта подходили: их ток насыщения был около 1,5 ампер, а сопротивление постоянному току – 0,07 Ома.

Я также решила поискать на Mouser. Их онлайн-поиск не так хорош, как у Digikey, поэтому в итоге я решила искать через бумажный каталог. Там я нашла только один дроссель – 18R223С на 22 микроГенри (в двух версиях, радиальной и осевой), который тоже имел хороший показатель тока насыщения и сопротивление постоянному току в 0,03 Ома.

В итоге я решила заказать оба.

Создание первого прототипа

На самом деле я просто пролистала каталог Digikey, где нашла только дроссель DN7418 (другой спрятался в секции с радиочастотными дросселями). В итоге его доставили раньше, чем посылку от Mouser, поэтому я взялась за разработку прототипа, на что у меня ушло час-два.

Схема получилась очень простой. Я хотела воспользоваться одним электролитическим конденсатором (для сглаживания низких частот на батарее) и двумя выходными конденсаторами, электролитическим и керамическим (для сглаживания высоких частот). Кроме того, чтобы довести до ума цепь повышающего регулятора, мне нужны были чип, конденсатор для эталонного напряжения, дроссель и диод Шотки. У меня уже был 1N5818, который часто используется как диод Шотки в повышающих регуляторах. Мне также нужен был, разумеется, гнездовой USB-разъем типа A и два отверстия, чтобы припаять к ним провода, идущие от батареек.

Все эти компоненты должны были уместиться в пространстве слева от батареек. Я сделала в EagleCAD библиотечные компоненты для дросселя и чипа (все остальные в базе программы уже были), а затем спроектировала плату. Я не буду здесь описывать, как делать в Eagle библиотечные компоненты или схему печатной платы, в интернете об этом написано очень много. Кроме того, можете использовать программу, которая вам больше нравится, но я пользуюсь Eagle, потому что у нее есть бесплатная версия, позволяющая делать маленькие платы.

Поскольку это лишь прототип, я сделала печатную плату односторонней – чтобы облегчить травление. Кроме того, я сделала трассы очень большими.

Я напечатала бумажную версию печатной платы и прицепила к ней все нужные компоненты, чтобы убедиться, что они правильно умещаются на пространстве печатной платы.

Я собрала установку для травления, включила нагреватель в ванне для травления и напечатала несколько схем на бумаге для нанесения тонера. Затем я нанесла тонер с бумаги на одну сторону печатной платы и начала травить эту плату в ванной.

Зачем я счистила тонер, просверлила в плате отверстия перфоратором Dremel (с бурильной головкой), а затем вырезала ее из заготовки.

Затем я припаяла все компоненты и поместила плату в корпус вместе с батарейным держателем. Я также воспользовалась двусторонней поролоновой клейкой лентой, чтобы ни печатная плата, ни держатель не закоротили с металлическим корпусом.

Готово!

Тестирование прототипа

Теперь проверим, работает ли наш прототип! Вставив две батарейки, я измерила напряжение на USB-коннекторе – получилось, ка и было нужно, 5 вольт. Я отправила прототип другу (у которого были все виды «айподов», включая новый 4G Video), чтобы он мог проверить его на практике: и для того, чтобы удостовериться, что iPod заряжается, и для того, чтобы узнать, как долго он протянет на заряде от прототипа Minty Boost.

Проверка расчетов

Итак, в теории мы можем посчитать КПД повышающего преобразователя исходя из информации в даташите. Мы, по сути, конвертируем 2,5-3 вольта постоянного тока в 5 вольт постоянного тока (примерно при 50-100 миллиампер). В даташите MAX756 график КПД выглядит следующим образом:

То есть КПД должен получиться в районе 85% или чуть больше. Думаю, чуть-чуть изменить эту цифру можно лишь дросселем. Ниже, к слову, у меня получилось 82%.

Итак, от двух батареек Duracell типа AA на 3000 мАч мы получаем КПД, равный 82%. Отсюда получается, что (2 х 1,5 вольта) х 3000 мАч х 0,82 = 7,38 ватт-часов. Сравниваем это с одной 9-вольтовой батарейкой и получаем (1 х 1,9 вольта) х 500 мАч х 0,65 = 2,93 ватта-часа. То есть, от двух AA-батареек получается примерно в 2,5 раза больше заряда, чем от одной 9-вольтовой батарейки. Если использовать перезаряжаемые батарейки, то получается (2 х 1,25 вольта) х 2200 мАч х 0,81 = 4,45 ватт-часов (на 50% больше, чем от 9-вольтовой алкалиновой батарейки и в 3 раза больше, чем от перезаряжаемой 9-вольтовой батарейки).

Теперь давайте проверим КПД при помощи тестового оборудования и попробуем разные дроссели, чтобы узнать, будут ли они давать разный результат. Вместо батареек я использовала настольный источник питания, который, с одной стороны, обеспечивал выдачу 3 вольт, а с другой, показывал значение силы тока. Нагрузкой послужил резистор – он имитировал подключенный «айпод». Поскольку стандартное USB-соединение тянет 100 миллиампер при 5 вольтах, это значит, что мне нужно сопротивление в 50 Ом (5 Вольт / 0,1 Ампер). Я не могу использовать маленький резистор, потому что 5 вольт х 0,1 ампер = 0,5 ватта, а большинство резисторов – 0,25-ваттные. Поэтому я беру два больших резистора на 100 Ом и скручиваю их друг с другом. Чтобы удостовериться, я проверяю сопротивление на этих скрученных резисторах, и да, получаю нужные 50 Ом. Я также нашла резистор на 20 Ом – это позволит мне проверить нагрузку не только в 100 миллиампер, но и в 250 миллиампер.

Всего я сделала 4 теста с дросселями:

• Нагрузка в 100 миллиампер при входящем напряжении в 2,5 вольта (перезаряжаемые батарейки)
• Нагрузка в 100 миллиампер при входящем напряжении в 3 вольта (одноразовые батарейки)
• Нагрузка в 250 миллиампер при входящем напряжении в 2,5 вольта
• Нагрузка в 250 миллиампер при входящем напряжении в 3 вольта

Все фото можно посмотреть на Flickr, а ниже одна из них, для примера. Здесь тестируется дроссель #1 (DN2474) при нагрузке в 250 миллиампер и входящем напряжении в 2,5 вольта.

Вот полученные результаты:

Дроссель DN2474	100 мА / 3 В	100 мА / 2,5 В	250 мА / 3 В	250 мА / 2,5 В
Выходное напряжение	5,01	4,93	4,77	4,62
Выходная сила тока	100 мА	99 мА	234 мА	231 мА
Входная сила тока	200 мА	245 мА	530 мА	690 мА
КПД	83%	80%	70%	62%

Дроссель 18R223	100 мА / 3 В	100 мА / 2,5 В	250 мА / 3 В	250 мА / 2,5 В
Выходное напряжение	4,98	4,93	4,83	4,68
Выходная сила тока	100 мА	99 мА	242 мА	234 мА
Входная сила тока	200 мА	240 мА	480 мА	640 мА
КПД	83%	81%	82%	68%

Судя по этим данным, дроссель #2 чуть эффективнее. Возможно, из-за того, что его внутреннее сопротивление постоянному току чуть ниже (30 МОм вместо 70 МОм у конкурента). Кроме того, он чуть дешевле, так что дальше я буду работать именно с ним.

Кроме того, КПД в 82% – это примерно то, что я ожидала.

Еще одна особенность заключается в том, что я не ставлю в цепь переключателя типа «вкл/выкл», который нужен при использовании 9-вольтового регулятора 7805. Дело в том, что ток холостого хода у MAX756 очень мал, примерно 0,1 миллиампер. Я, впрочем, измерила его сама и получила 0,075 миллиампер.

Это также значит, что скорость саморазряда батареек составит 2000 мАч / 0,1 мА = 20 тысяч часов, т.е. больше 2 лет. Большинство батареек так долго не живут! Следовательно, переключатель не нужен. Если ничего не подключено, то чип почти не будет тянуть никакой энергии.

Бюджет

Теперь, убедившись, что проект работает, я должна была выяснить, смогу ли я это продать, и если смогу, то как много, а также то, сколько мне нужно заказать «сырья». Разные люди подходят к этому по-разному. У меня свой подход, я использую для расчетов много разной информации, и выразить это простым и понятным способом, возможно, будет сложно.

Я, как правило, решаю, имеет ли смысл продавать что-либо на основе того, будет ли популярным/полезным/простым это устройство. Я подумала, что мой набор будет очень популярным и полезным, потому что у многих есть вещи, которые заряжаются/питаются от USB. Кроме того, подобные устройства уже продаются (вроде 9-вольтового зарядника на базе 7805, 9-вольтового зарядника от Griffin или зарядника от Belkin с четырьмя AA-батарейками), и сделать его просто, потому что все компоненты монтируются через сквозные отверстия и их немного.

Как правило, я предполагаю, что продам около 200 единиц продукта в течение нескольких месяцев, поэтому заказываю компоненты комплектами по 100 штук. В соответствии с этим выстраивается и бюджет. Кроме того, я часто покупаю более 100 печатных плат, потому что производство в этой сфере зачастую сопровождается экономией за счет роста масштаба (подробнее об этом позже). Кроме того, есть возможность продать и более 200 единиц продукта в течение нескольких месяцев – особенно, если ваш продукт заметит какой-нибудь популярный блог или вебсайт. Однако если у вас не получится сделать 25 единиц продукта, то деньги на этом заработать получится вряд ли.

Чтобы понять, сколько компонентов заказывать, я делаю таблицу, куда вписываю цены за разное количество компонентов:

Компонент	Цена за 1 шт.	Цена за 50 шт.	Цена за 100 шт.
Чип-преобразователь MAX756	4,62 $	2,79 $	2,32 $
Два конденсатора на 0,1 мкФ	0,1 $	0,1 $	0,1 $
Диод 1N5818	0,09 $	0,09 $	0,08 $
Два конденсатора на 100 мкФ	0,12 $	0,1 $	0,1 $
Дроссель 18R223	1,42 $	1,35 $	1,29 $
USB-разъем	0,52 $	0,35 $	0,49 $
Держатель для AA-батареек	0,59 $	0,53 $	0,49 $
Печатная плата	~ 12,5 $ ?	7,25 $	3,75 $
Обработка печатной платы	Нет	3 $	1,5 $
Антистатический пакет	Нет	0,12 $	0,12 $
Квадратная клейкая лента	Нет	0,1 $	0,1 $
Всего	19,9 $	15,75 $	10,1 $

Чтобы узнать стоимость печатных плат, я воспользовалась сервисом на сайте Advanced Circuit, который рассчитывает эту стоимость автоматически:

Это цены за две печатные платы, потому что так дешевле (наверно, потому что они не любят возиться с маленькими платами). Я, как правило, выбираю пункт с 2 неделями. Обратите внимание, что в цену на печатную плату не входят разовые 150 долларов за NRE и обработку (надпись «Tooling NRE» на картинке выше), поэтому к цене за 50 шт. добавляются 3 доллара, а к цене за 100 шт. – 1,5 доллара. У Advanced Circuits чуть дороже, чем у конкурентов, но их работа, как правило, хорошего качества и они хорошо вылавливают ошибки. Вы, впрочем, можете пользоваться магазином подешевле, но я могу рекомендовать исключительно этих ребят.

Также нужно учитывать цену на доставку – возможно, 1 доллар. Как правило, «розничную» цену я получаю, удваивая цену на компоненты. В данном случая я заказала на 19,5 долларов. Если цена заказа будет меньше 10 или 20 долларов, то отлично, потому что 20 долларов рассматриваются как купоны на еду и другие продукты (я не шучу).

Доработка

Впрочем, над продуктом еще нужно немного поработать. Во-первых, я немного переделала плату, потому что вместо осевого дросселя будет использоваться радиальный:

Затем я еще раз вытравила плату, чтобы в последний раз проверить, все ли в порядке. Я совместила две платы (так дешевле) и сгенерировала Gerber-файлы.

Для просмотра и проверки Gerber-файлов я использовала программу gerbv (она бесплатная). На Windows я пользуюсь GC-prevue.

Перед отправкой на производство я всегда проверяю свои схемы на www.freedfm.com. Для производства плат я обращаюсь, опять же, на 4pcb.com.

Неделю спустя (зависит от того, каким в очереди вы стоите) приходит коробка с печатными платами!

Затем я сажусь за компьютер и начинаю возиться с заполнением сайта. И делаю много фотографий. Наличие хорошего фото-оборудования сделает процесс документации гораздо проще. У меня 150-ваттная лампа (код изделия – ECT) и несколько отражателей, все куплено на EYEBEAM. И еще тренога!