# Принципы и схемы электропитания для автономного ровера 'Контакт'

На данной странице описаны принципы и схемы электропитания для автономного ровера "Контакт". Они применимы ко всем видам различных наземных роботов  и  мы будем использовать данное пособие как основа для построения схемы питания. Этот пост будет посвящен теории, планированию схемы на бумаге и обеспечению того, чтобы мы все это понимали, а в следующем посте будет несколько практических советов по ее подключению.



* Понятие мощности, напряжения и тока
* Схема питания для автономного ровера "Контакт"

## Понятие мощности, напряжения и тока

Прежде чем мы начнем рассматривать пример но базе ровера, нам следует кратко изложить некоторые ключевые концепции, когда речь заходит о теории схемы питания.

Когда мы работаем с электричеством и пытаемся поговорить о том как это правильно сделать, мы обычно используем три термина:

<table><thead><tr><th>Используемые термины </th><th width="253">Иное обозначение</th><th>Символы обозначения</th></tr></thead><tbody><tr><td>Напряжение</td><td>Вольты </td><td>V</td></tr><tr><td>Ток </td><td>Амперы</td><td>I</td></tr><tr><td>Мощность </td><td>Ватты </td><td>P</td></tr></tbody></table>

Эти понятия могут быть немного сложны для понимания, и многие люди пытались объяснить это с годами. Обычно для этого используется аналогия с водопроводными трубами, где напряжение - это давление, а ток - скорость потока. Аккумулятор подобен резервуару под давлением, энергия стремится переместиться из зоны высокого давления / потенциала в зону более низкого давления, но ей препятствуют. Если вы подсоедините этот резервуар к трубам, то давление заставит воду течь по трубам. Величина давления и размер трубы (сопротивление) будут влиять на скорость течения воды. (Или что-то в этом роде).

Три вещи, которые, вероятно, наиболее важно понять, это:

* Мощность равна напряжению, умноженному на ток (W = V\*I). Это означает, что если вы увеличите ток или напряжение, вы увеличите мощность. Если вы сохраняете напряжение на прежнем уровне и удваиваете ток, вы удваиваете мощность, если вы сохраняете ток на прежнем уровне и вдвое уменьшаете напряжение, вы вдвое уменьшаете мощность.
* Для конкретного применения напряжение устройства или источника питания обычно постоянное, а ток меняется. Например, до недавнего времени каждое отдельное USB-устройство работало с напряжением 5 В. Но все они потребляют разный ток - проводная клавиатура может потреблять несколько миллиампер, в то время как обогреватель с питанием от USB (если он существует) может потреблять несколько ампер!
* Когда источник питания выдает номинальный ток или мощность, это максимум, который он может безопасно _подавать_, а когда устройство или компонент выдает свою мощность, это максимум, который он когда-либо будет _использовать_.

Этот последний пункт является ключевым для многих решений, которые мы принимаем при создании нашего робота. Когда мы превышаем номинальную мощность, все перестает работать, нагревается, а в худших случаях даже загорается. Наши батареи, устройства, компоненты, разъемы и даже провода - все это необходимо подбирать таким образом, чтобы они безопасно и правильно работали вместе.



## Напряжение для ровера "Контакт"

Для начала мы выберем _напряжение_ , при котором будет работать наш ровер. На самом деле мы собираемся использовать несколько разных линий напряжения для разных целей.



## Питание 5 вольт

В схеме питания ровера будет напряжение 5 В. Многие микроконтроллеры, такие как Orange pi, Raspberry pi и другие устройства, принимают на входе 5 В, и все USB-устройства, которые мы будем использовать, тоже работают на напряжении 5 В.

Вопрос в том, как мы получаем напряжение 5 Вольт? Возможно, аккумулятор? Здесь мы сталкиваемся с некоторыми проблемами:

* Батареек на 5 В на самом деле не существует по химическим причинам.
* Даже если бы они существовали, напряжение на них, вероятно, колебалось бы в зависимости от их заряда и других факторов, а некоторым из этих устройств требуется очень точное напряжение 5 В, без перепадов.
* Нам также необходимо питать наши двигатели, и обычно для них требуется более 5 В.



## Блоки питания и регуляторы напряжения

Для решения этой задачи используются блоки питания и регуляторы напряжения. Это устройство, позволяющее менять величину электрического напряжения на выходе, которое в конечном итоге не будет зависеть от величины входного напряжения (в определенном диапазоне) и преобразовывать его в точное значение, в нашем ровере будут использоваться на 12 и 5 вольт. Это обеспечивает стабильное заданное напряжение на используемой нами линии питания. Существуют различные типы регуляторов, двумя основными из которых являются _линейный_ и _импульсный_.



## Принципиальная схема питания ровера

Разработка принципиальной схемы питания для работы ровера. Определяя, каким оно должно быть, мы должны спросить себя, будет ли оно использоваться для чего-то еще. В нашем случае нам нужно будет подавать питание на двигатели, навесное оборудование, управляющий комплекс и вычислительный бортовой компьютер.

(схема питания ровера)

При выборе регулятора напряжения следует учитывать суммарный максимальный потребляемый ток устройств (питания подключенных непосредственно к нему). Нам нужно убедиться, что мы выбрали регулятор, способный обеспечить соответствующий ток, чтобы удовлетворить требованиям подключенных устройств. Несмотря на то, что он всего лишь передает энергию из другого источника, у него все равно есть ограничение по максимальному выходному току. Итак, если нам нужно получить напряжение 5 В при 5А, то в общей сложности эти компоненты потребляют 25 Вт энергии.

**Расчет мощности и тока для регулятора**

Чтобы получить 25 Вт мощности от регулятора, необходимо обеспечить соответствующий входной ток и напряжение. Пусть рассмотрим 5-вольтовую часть схемы как один большой компонент мощностью 25 Вт.

**Расчет входного тока**

Если мы хотим получить 5 А при напряжении 5 В, то можно рассчитать входной ток от источника питания 12 В. При условии 100% эффективности регулятора и напряжения 12 В, входной ток можно рассчитать как:

I\_in = P\_out / (η \* V\_in) = 25 Вт / (1 \* 12 В) = 2,083 А

Однако, в реальности эффективность регулятора будет ниже 100%, а напряжение источника питания будет колебаться из-за заряда батареи. Поэтому, для будущих расчетов, можно округлить входной ток до 2,5 А, учитывая эти факторы.



## Питание электродвигателей

Потребляемый двигателем ток будет во многом зависеть от выбора двигателя и нагрузки на него (насколько тяжелый робот и т.д.). Чем больший крутящий момент им нужно выдавать, тем больший ток они будут потреблять.

В принципе, наихудший сценарий - это когда вал двигателя заторможен (неподвижен), то есть когда вал удерживается неподвижно, при этом двигатели потребляют максимальный ток (например, потому, что робот слишком тяжелый), а мощность передается через стационарные двигатели. Максимальный потребляемый ток, называемый током остановки, может привести к повреждению двигателя, если он будет превышен в течение длительного периода времени, например, более минуты. Поэтому, рекомендуется избегать приближения к этому пределу, чтобы обеспечить безопасную и надежную работу системы

Максимальный потребляемый ток указан в технической документации на электродвигатель. В нем должен быть указан ток остановки и, возможно, также некоторые токи при меньших крутящих моментах. Вот спецификация двигателя, который используются и вы можете видеть, что, по-видимому, у него ток остановки 1,8 А и номинальный ток нагрузки 0,75 А. Ниже указана спецификация применяемого типа электродвигателей.

(спецификация двигателя)

Помните, что у нас четыре двигателя, так что общий максимальный ток будет в четыре раза  больше - 3,6 А.&#x20;

Таким образом, суммарная потребляемая мощность устройств составляет 220Вт, а значит потребляемый входной ток (от источника питания) составляет 6.1А. Поскольку это мобильный робот, питание 36 В должно поступать от аккумулятора!



## Аккумуляторы и блоки питания <a href="#batteries--power-supplies" id="batteries--power-supplies"></a>

Как выбрать аккумулятор? По сути, мы ищем его по таким характеристикам:

* Напряжение  36 В
* Может выдерживать ток не менее 6 А или около того (2,5 А для регулятора, 3,6 А для двигателей), а с учетом запаса хотя-бы 15% требуемый потребляемый ток отдачи составляет уже не менее 7А.



_**безопасность при работе с литиевыми аккумуляторами**_

_**При работе с литиевыми аккумуляторами необходимо соблюдать осторожность и следовать определённым правилам безопасности. Это связано с тем, что они имеют высокую мощность и могут представлять угрозу безопасности, если не обращаться с ними правильно.**_

_**Основные правила безопасности:**_

* _**Не допускайте падения напряжения минимального рабочего уровня.**_
* _**Не допускайте короткого замыкания проводов на другие предметы.**_
* _**Заряжайте аккумуляторы только с помощью надлежащего зарядного устройства.**_
* _**Заряжайте аккумуляторы вдали от легко воспламеняющихся предметов.**_
* _**Не роняйте и не наносите повреждения на корпусе аккумулятора.**_

_**Соблюдение этих правил позволит обеспечить безопасную работу с литиевыми аккумуляторами и предотвратить потенциальные риски.**_



В ровере Контакт используются аккумуляторы типа LIFePo4 (Литий-железо-фосфатные). Аккумуляторы типа LiFePO4 (литиево-фосфатные аккумуляторы) имеют несколько преимуществ:

* **Высокая безопасность**: . LiFePO4 менее склонны к перегреву и воспламенению по сравнению с другими типами литиевых аккумуляторов, такими как Li-ion. Это связано с химической структурой и более стабильным составом материалов.
* **Долговечность**: LiFePO4 обычно имеют длительный срок службы и большое количество циклов зарядки и разрядки.
* **Высокая энергетическая плотность**: LiFePO4 обладают хорошей энергетической плотностью, что позволяет им обеспечивать высокую емкость и относительно небольшой вес по сравнению с некоторыми другими типами аккумуляторов.
* **Широкий диапазон рабочих температур**: LiFePO4 работают в широком диапазоне температур.
* **Сравнительно низкая стоимость**: В сравнении с некоторыми другими типами литиевых аккумуляторов, LiFePO4 имеют более низкую стоимость производства, что делает их более доступными для широкого спектра применений.
* **Более экологичные**: Литиево-фосфатные аккумуляторы считаются более экологически чистыми, чем некоторые другие типы литиевых аккумуляторов, так как они не содержат токсичных материалов, таких как кобальт, используемый в некоторых других типах аккумуляторов.

Аккумулятор в ровере состоит из нескольких ячеек (банок), соединенных последовательно для повышения номинального напряжения всей аккумуляторной сборки. Она может состоять из банок 3.65 соединенных 10 штук параллельно или из банок 12 вольт соединенных из 3 штук. Эти типы сборок аккумуляторной батареи позволяют получить нужное нам напряжение - 36 вольт.

* **Число S** - это количество _элементов_ в батарее. Аккумулятор на самом деле представляет собой набор элементов меньшего размера, соединенных последовательно для увеличения напряжения. Итак, аккумулятор 3S состоит из 3 элементов.
* LiFePo4 на самом деле сильно различаются по своему **напряжению**, в зависимости от того, насколько они заряжены. Номинальное напряжение каждого из элементов составляет 3,2 В, так что, например, 4-элементная батарея имеет в общей сложности 12,8 В. Когда они будут полностью заряжены, общее напряжение приблизится к 14,6 В (это 3,65 В на элемент), и по мере их использования напряжение будет падать.
* **Емкость (Capacity)** обычно измеряется в миллиампер-часах (мАч) или ампер-часах (Ач). Это то, сколько тока вы могли бы потреблять непрерывно, чтобы аккумулятор полностью разрядился за час. Если вы потребляете больше тока, его хватит на меньшее время и т.д. Таким образом, аккумулятор емкостью 3000 мАч может работать при токе 6А, 6000 мА в течение получаса, 30 минут.&#x20;
* **Степень разряда**, или ток разряда **(Discharge Current)** “число С”, указывает максимальный ток, который может потребляться от аккумулятора. Это максимальный ток, который аккумулятор способен выдавать без повреждения. Обычно указывается в амперах (A) и может различаться в зависимости от производителя и модели аккумулятора.
* **Температурный диапазон (Temperature Range).** Это диапазон температур, при котором аккумулятор может нормально функционировать. Обычно аккумуляторы LiFePO4 работают в широком диапазоне температур, что делает их подходящими для различных климатических условий.

Обозначения на аккумуляторах могут включать следующие:

* Номинальное напряжение (например, 3,2 В)
* Емкость в ампер-часах (например, 100 Ah)
* Максимальный ток разряда (например, 50 A)
* Число циклов зарядки-разрядки (например, 2000 циклов)
* Другие технические характеристики и маркировки, предоставляемые производителем.

Для питания отдельный устройств в ровере Контакт для их проверки или отладки можно использовать лабораторный блок питания. Он позволяет настроить нужно напряжение и ограничения по току для безопасной работы подключенного устройства, такие как бортовой ПК.&#x20;

#### &#x20;**Внимание! При подключении устройства к источнику питания обязательно нужно проверить электропроводку на ее целостность, отсутствие поврежденной изоляции и соответствие напряжения устройства по его спецификации! При несоблюдении данных правил устройство может выйти из строя и есть риск получить удар электрическим током. Не кладите устройство без защитного корпуса на металлическую поверхность!**&#x20;

