Portable Power Supply DIY

IMG_20181206_190804 Portable Power Supply DIY Fai da te (DIY)
1,21 gigawatt da avere sempre in tasca, con voltaggio regolabile!

Ho deciso che mi serve un piccolo alimentatore regolabile a batteria

E lo voglio per avere qualcosa di comodo per dare alimentazione a  qualche progetto senza doverlo sempre portare sul tavolo da lavoro dove ci sono gli alimentatori da banco. Esempio: voglio alimentare un led in qualche specifico punto per vedere che effetto fa,  provare un motorino dc, testare un progetto con arduino standalone, riattivare un BMS, ecc…

Questo progettino è la realizzazione di un’idea di un tal “kaany” che ho visto su  Thingiverse che mi è sembrata molto valida. L’unica cosa che cambierò sarà la connessione di uscita, metterò il mio solito connettore DC JST per modularità e “sicurezza”. Non mi piacciono connettori esposti come le clip coccodrillo –specialmente se sotto tensione– pronti a cadere su altri componenti per mandare in corto tutto e allietare la giornata con del magic smoke. Cambia poco, si possono mettere in cascata al connettore JST altri adattatori come il connettore tondo per l’arduino, il connettore XT60, il T-dean, i Dupont, ecc…

Solito disclaimer iniziale:

visto che si parla di usare cose assolutamente ustionanti (il saldatore) su cose dalla chimica instabile (le celle li-ion), collegate ad elettronica di affidabilità  quantomeno non certificata, da persone potenzialmente non formate in materia, non mi assumo nessuna responsabilità per i risultati di questo progetto. Io farò del mio meglio per spiegare i dettagli importanti e a fornire dati corretti ma non posso dare alcun tipo di garanzia. Se provate a mettere in pratica quanto scritto sotto lo fate a vostro rischio e pericolo.

Cosa serve per fare questo alimentatore?

Ovviamente la premiata coppia li-ion 18650 e il modulo  TP4056! In più serve anche un convertitore DC/DC boost (o step-up) variabile e un piccolo interruttore. Per chi volesse replicare questo progettino lascio questi link per i componenti. Sono link con affiliazione (mia, non vostra), il che significa che per voi l’oggetto costa esattamente tanto quanto, però il venditore mi corrisponde qualche centesimo per ringraziarmi di avervi portato li. Per farla breve, usando quei link voi pagherete uguale ma il venditore mi offrirà un caffè! (e la pubblicazione di questi post potrà continuare)

TP4056: Amazon , Bangood

18650 (2x): Amazon , Bangood

Connettore DC: Amazon , Bangood

Step-up: Amazon , Bangood

Mini voltmetro: Amazon , Bangood

Clip coccodrillo: Amazon , Bangood

Ovviamente per costruire il tutto vi serve anche un saldatore, dello stagno, ecc ecc… Per semplicità ho raccolto tutti gli attrezzi che uso di più qui.

Come si collegano i componenti?

Lo schema è semplice, si collegano le batterie agli specifici pad B+ e B- del  TP4056, si connette l’output del modulo all’ingresso dello step-up, con l’interruttore in serie al cavo positivo, e il mini voltmetro va semplicemente connesso in parallelo all’uscita dello step-up (rispettando la polarità).

schema-elettrico-alimentatore-variabile-portatile-18650 Portable Power Supply DIY Fai da te (DIY)
schema elettrico dell’alimentatore

Le due batterie si collegano in parallelo, non in serie! Per chi se lo stesse chiedendo: si, due è il numero massimo di celle in parallelo collegabili al TP4056 standard. Perché? Beh, ci sono diversi motivi, questi i due più utili e interessanti. Primo, ci vuole un’eternità a caricare le celle, salvo modificare la resistenza di programmazione del modulo –Rprog– cioè la resistenza che determina la corrente di ricarica, e in ogni caso le possibilità sono comunque molto limitate (1.2A massimo). La modifica è una cosa fattibile ma non banale, la lascio fuori da questa discussione. Secondo, la carica non è più (così) sicura come prima. Infatti la carica si deve arrestare quando nella fase a CV (costant voltage) la corrente assorbita scende sotto una determinata soglia. Esempio: la corrente di soglia è 25mA, che quindi è il valore di assorbimento standard oltre al quale una generica cella 18650 si considera carica. La prassi è che quando la tensione è 4.2V e la corrente erogata scende sotto i 25mA il modulo interpreta la batteria come carica e ferma tutto. Perché lo fa? Beh, perché la tensione di ricarica non è detto che sia esattamente 4.20V precisi e mandare una qualunque batteria al litio in overvolt non è mai saggio. La cella poi assorbirebbe energia fino a danneggiarsi e a diventare instabile (quindi diventerebbe pericolosa per te e per le tue cose). Onde evitare questo problema si monitora anche la corrente assorbita, che in prossimità del 100% di carica scende ma non si arresta. Si considera quindi che sotto tot mA di assorbimento la cella stia sforando il 100% di carica, e che quindi non si debba più continuare a fornire energia. Che  succederebbe con 10 celle in serie? Succederebbe che finché le celle assorbono almeno 2.5mA l’una il modulo eroga corrente. Per quanto ne sa lui i 25mA di assorbimento totali sono indice di UNA cella con una certa capacità residua ancora da ricaricare, non di DIECI celle già oltre il 100%. Il problema è che questi pochi ma costanti 25mA di corrente sono pericolosi, perché portano col tempo a sovraccaricare una o più celle, che diventeranno quindi pericolose a loro volta. Ecco, questo è il motivo per cui non si dovrebbero mai mettere più di 2 celle in parallelo collegate ad un singolo TP4056.

Quanta corrente posso prelevare e per quanto tempo?

Io ho usato due celle recuperate da 1700mAh l’una, quindi 3400mAh totali per 3.7V nominali. La corrente è limitata dal TP4056, la massima corrente erogabile dal modulo generalmente è di 1.2A però ogni modulo andrebbe controllato singolarmente. Poi c’è di mezzo lo step-up, quindi più si sale di tensione meno corrente sarà disponibile. Praticamente più che di corrente sarebbe meglio parlare di potenza prelevabile, diciamo che sono tranquillamente disponibili 4W. Ovviamente, a questo si deve anche aggiungere che più aumenta la differenza di tensione tra ingresso e uscita del regolatore più la sua efficienza cala (anche se non drasticamente). Indicativamente si possono avere circa 800mA a 5V, considerando anche il rendimento dello step-up, e le mie batterie sono sicuramente in grado di darmi due ore di autonomia (anche due e mezza secondo i conti).

Assemblaggio dell’alimentatore

L’assemblaggio è abbastanza intuitivo e in più c’è il video sulla pagina Thingiverse, quindi non starò a fare un altro tutorial completo per l’assemblaggio completo ma vi metterò solo qualche immagine per spiegare i passaggi più critici. La parte più carogna del progetto sono state per me le saldature, anzi, la lunghezza dei cavi, che deve essere veramente precisa corta. Continuo a ringraziare il designer per aver reso disponibile il progetto, però devo ammettere che durante l’assemblaggio gli ho tirato qualche maledizione per non aver messo un millimetro qua e la per dare agio ai componenti.

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Voltmetro, interruttore e step up praticamente si toccano. Ecco, qui un millimetrino in più si poteva anche lasciare secondo me.

Alla fine sono riuscito a farci stare tutto, e ho pure saldato su moduli già in posizione e con cavi di neanche 2cm (pur essendo un cane con un saldatore). Ecco, vi serve assolutamente una buona pinzetta. Un appunto: la posizione del foro per il trimmer di regolazione del voltaggio può non essere al posto giusto, non è colpa del designer, è colpa del produttore. Due stock di moduli step-up presi dallo stesso produttore hanno quote leggermente differenti, ma alla fine basta allargare un po’ il foro con qualunque strumento adatto allo scopo (trapano, cutter, ecc). Altro appunto: avendo in casa un interruttore compatibile non ne ho usato uno identico a quello del video, ma anche qui ho semplicemente adattato un po’ la sede con un tronchesino, niente di difficile.

Cosa può andare storto e cosa avrei voluto sapere prima di fare questo aggeggio?

Le saldature sulle batterie sono un passaggio delicato, si deve tenere il saldatore sulla batteria il meno possibile per non rovinarla altrimenti diventa pericoloso! Purtroppo però allo stesso tempo è necessario che la saldatura sia consistente. Internet è pieno di avvertenze e consigli su come svolgere al meglio questo passaggio, non starò a riscrivere di nuovo cose potenzialmente già note, vi ricordo solo di usare il saldatore al massimo della potenza e per pochissimo tempo.

Le due celle devono essere portate allo stesso voltaggio prima di essere collegate in parallelo! Sembra una banalità, ma spesso anche gli esperti  dimenticano questi passaggi base. Perché vanno portate allo stesso voltaggio? Perché se no una si scarica sull’altra, e senza una limitazione di corrente le celle si potrebbero danneggiare e diventare pericolose.
Come si possono bilanciare? Con una semplicissima resistenza da qualche ohm che collega i due poli positivi e un cavo che chiude il circuito collegando i poli negativi. Nota la capacità di carica/scarica delle celle (altrimenti fate conto 500mA per essere prudenti) misurate la differenza di potenziale delle due celle. Es: una cella è a 4.2V e l’altra a 4.0V, e queste celle possono erogare o assorbire 2A. Bene, grazie alla legge di Ohm, con 0.2V di differenza di tensione e 2A di corrente massima anche una resistenza da 1ohm limita a sufficienza la corrente. Più la resistenza è alta più serve tempo per il bilanciamento, comunque il procedimento funziona (salvo diventare esageratamente noioso con resistenze oltre il centinaio di ohm). Non avete resistenze così piccole? Usate un cavo lungo (qualche metro), funziona uguale.

NB: qua si parla di celle non bilanciate, cioè un paio di decimi di volt di sbilanciamento al massimo. Se invece avete una cella carica e l’altra scarica semplicemente caricate quella scarica invece di far accrocchi!

Il piccolo voltmetro va calibrato! Nel video non viene spiegato questo passaggio ma voi ricordatevi di farlo prima di sigillare il case con la colla, altrimenti avrete sempre una tensione non affidabile.  Per calibrarlo basta agire su questo trimmer con un cacciavite (occhio a non mandare in corto niente, la punta del cacciavite è in metallo e li vicino ci sono contatti esposti).

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Angolo del dronista:

per alimentare la prima volta un drone, o altra apparecchiatura appena alla sua prima accensione, in genere NON si utilizza mai una li-po (o altra forma di alimentazione con parecchi ampere disponibili) perché in caso di corti o altri errori di cablaggio la corrente prelevabile dalla batteria è tale da friggere tutto. Ci sarebbero vari dispositivi (fusibili, lampadine, “smoke stopper” in generale, ecc) che si potrebbero mettere in serie all’alimentazione per limitare la corrente. Oppure si potrebbe partire direttamente con una batteria che NON PUÒ erogare una corrente pericolosa. Ora, questo alimentatore non sarebbe la scelta perfetta perché:

  • la corrente pericolosa può essere tranquillamente inferiore all’ampere, quindi questo alimentatore ne fornirebbe abbastanza
  • non è un power supply pensato per andare in corto (il TP4056 si, ha la protezione da corto, ma lo step-up no). D’altro canto non si ha sempre un alimentatore da laboratorio sotto mano, la costruzione di droni non è una scienza esatta. E comunque tutto aiuta!

Angolo del dronista 2:

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Sto iniziando ad adorare questo aggeggio perché mi permette di alimentare i miei modelli durante la fase di pre-flght check (a parte le prove sui motori, ovviamente). Ora posso controllare anche che gli strumenti a bordo e la telemetria sul telecomando rilevino correttamente la tensione di batteria e -cosa  fondamentale- intervengano alle soglie previste! Diciamo che l’ho costruito per scopi vari ed eventuali ma ora esce dalla cassetta degli attrezzi dei droni solo quando lo metto in carica. Nella foto un piccolo adattatore per i connettori li-po più comuni.

 



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