X
Справочные материалы по питанию моделей. Вопросы энергообеспечения для моделей роботов
Про батарейки
Эта статья является отрывком из моей книги "Мобильные роботы на базе Arduino", которую можно приобрести в интернет магазинах: Ozon и Читайгород 
Прежде чем начать обсуждать источники электрического питания, которые можно использовать в роботах, следует вспомнить немного теории.
Закон Ома
Электрический ток измеряется в амперах (А), и в формулах он обозначается буквой I. Электрическое напряжение измеряется в вольтах (В), его принято обозначать буквой U. Сопротивление измеряется в омах (Ом) и обозначается буквой R.
Связь между ними записывается в виде формулы (закона) Ома:
Электрическая мощность
При обсуждении источников электрического тока будет важна еще одна характеристика — электрическая мощность:
Мощность измеряется в ватах (Вт) и показывает работу, выполненную за 1 секунду электрическим током. Для нас будет важна потребляемая роботом мощность. На основании значений потребляемой мощности должен подбираться источник электрического питания.
Характеристики элементов питания
Номинальное напряжение — напряжение, которое будет на клеммах элемента питания при работе его в нормальных условиях.
Номинальный ток — ток, при котором элемент питания будет работать в соответствии с указанными в документации на него параметрами.
Емкость
Для аккумуляторной батареи важна ее емкость, измеряемая в ампер-часах. Обозначают ее на аккумуляторах в миллиампер-часах или mAh.
Двигатели, которые будут применяться в рассматриваемых моделях роботов, требуют напряжения питания от 4 В до 7 В и потребляют ток 0,1 А. Максимальный ток при четырех одновременно работающих моторах будет 0,4 А. Электронный контроллер Arduino потребляет порядка 0,05 А. Так что при питании от источника 7 вольт будет потребляться мощность около 3 Вт, а общий ток достигнет 0,45 А. Если емкость используемой батареи 2 ампер-часа (2000 mAh), то робот проработает около 4,5 часа без остановки. Когда робот прекращает движение, его потребление энергии снижается до потребления только контроллером.
Форм-фактор
Самыми распространенными типоразмерами элементов питания являются стандарты AA и AAA с размерами 14,5х50х5 мм и 10,5х44,5 мм соответственно. С появлением литий–ионных аккумуляторов стал распространяться типоразмер 18650 (18х66,5 мм). Указанные элементы питания представляют собой цилиндры с полюсами на концах. Существуют и другие форм-факторы элементов питания, но при построении несложных роботов с использованием контроллеров Arduino чаще всего используются батареи AA и 18650.
Типы элементов электрического питания
Элементы питания можно поделить на перезаряжаемые и не перезаряжаемые. Не перезаряжаемые используются от начала эксплуатации до окончания нормальной работы (обеспечение номинального напряжения и тока), после чего утилизируются. Перезаряжаемые элементы принято называть аккумуляторами, они заряжаются специальными зарядными устройствами, накапливают электрический заряд, затем используются, а после использования и разряда снова заряжаются. Так как моторные роботы потребляет относительно много электрической энергии, использование в них аккумуляторных батарей является предпочтительным.
Солевые батареи
Солевые батареи — это самые недорогие не перезаряжаемые источники питания. Они могут быть использованы только тех в роботах, где отсутствуют мощные потребители электроэнергии, — такие как двигатели, мощное освещение, работа по радиоканалу. Имеют малую емкость и нестабильное напряжение. Номинальное напряжение для формата AA — 1,5 В.
Алкалиновые батареи
Алкалиновые батареи (также называются щелочными), имеют увеличенный по сравнению с солевыми срок службы и хранения. Маркируются надписью «Alkaline». Могут быть использованы в роботах с мощными потребителями электроэнергии. Номинальное напряжение для формата AA — 1,5 В.
Никель-металлогидридные аккумуляторы
Самым распространенным типом аккумуляторов являются никель-металлогидридные, их номинальное напряжение — 1,2 В (формат AA), и емкость от 900 до 3000 mAh. Для электропитания робота на основе платы Arduino потребуется 6 подобных аккумуляторов, соединенных последовательно, что даст на выходе напряжение 7,2 В. Этого будет достаточно как для питания платы Arduino (6–12 В), так и для моторной части робота. Следует учитывать, что при последовательном соединении емкости батарей не складываются, поэтому для продления их жизни следует применять совместно аккумуляторы с одинаковой емкостью.
Литий–ионные аккумуляторы
Если в моменты пиковой нагрузки робот останавливается и перезагружается, значит, были выбраны элементы питания недостаточной мощности, которые не в состоянии вырабатывать требуемый роботу ток. При этом напряжение питания падает, что и приводит к отключению электроники. Этого можно избежать, если параллельно примененному источнику питания подключить другой, что увеличит максимальную отдаваемую мощность. Можно также запитать электронику робота от отдельного источника, не забыв в этом случае объединить отрицательные полюса обоих источников питания.
Еще одним выходом из подобной ситуации является использование более мощных батарей — например, литий-ионных. Для них стандартным номинальным напряжением является значение 3,7 В. Производятся литий-ионные аккумуляторы как в виде круглых батарей формата 18650, так и в виде пластин, их широко применяют в планшетах и сотовых телефонах. Емкость аккумуляторов формата 18650 составляет 1500–4000 mAh.
Литий-ионные аккумуляторы: слева — цилиндрический; справа — плоский
Стабилизация электропитания
Важным моментом в электротехнике является наличие прочного контакта в цепи источников питания — особенно это касается подвижных роботов, рывки и толчки которых могут приводить к разрыву питающей цепи. Для того чтобы разрывов питающей цепи не происходило, следует использовать подпружиненные контакты и специальные боксы с подобными контактами.
Электронные компоненты — такие как контроллеры, датчики, приемопередающие устройства — очень чувствительны к скачкам в цепи электропитания. Аккумуляторы хоть и промаркированы номинальным напряжением, но реальное напряжение на них колеблется в зависимости от уровня заряда в широких пределах. Решением вопроса стабилизации электрического питания занимаются специальные приборы — стабилизаторы питания.
Стабилизация напряжения
Самым доступным понижающим стабилизатором напряжения питания является микросхема КР142ЕН5А или ее аналог L7805CV. Схема подключения L7805CV показана на рис. 3.4: на вход поступает нестабилизированное напряжение 7 В или выше, а на выходе получаем стабильное постоянное напряжение 5 В.
Стабилизация питания при помощи микросхемы L7805CV: схема соединений (вверху); электрическая схема (внизу)
Существуют подобные стабилизаторы и на другое напряжение, существуют также настраиваемые стабилизаторы. Платы Arduino UNO и Nano включают в себя, как минимум, один стабилизатор напряжения на 5 В и на 3,3 В.
Широкое применение получили портативные импульсные стабилизаторы,
имеющие высокий коэффициент полезного действия. В Широкое применение получили робототехнике иногда применяются портативные импульсные стабилизаторы. Особенностью данного типа стабилизаторов является высокий коэффициент полезного действия. В последнее время стали популярны импульсные понижающие стабилизаторы китайского производства с настройкой выходного напряжения на основе микросхемы LM2596 (рис. 3.5).
Понижающий импульсный стабилизатор на основе микросхемы LM2596
Импульсные стабилизаторы экономичны, их КПД достигает 95%.
Существуют также повышающие импульсные стабилизаторы. Они могут, имея на входе 3,7 В, преобразовать это напряжение в нужные для питания электроники робота 5 Вповышенные значения. Визуально они мало отличаются от понижающих стабилизаторов напряжения, но работают на микросхеме XL6009 (рис. 3.6).
Повышающий импульсный стабилизатор на микросхеме XL6009
Хорошо зарекомендовал себя в работе повышающий импульсный стабилизатор со входным напряжением от 2В и стабилизированным выходным напряжение 5.1-5.2В (рис. 3.7). Его удобно применять, если требуется сэкономить на массе элементов питания и размерах создаваемого прибора, применяя низковольтную батарею, например, один литий-ионный аккумулятор на 3.7В. Таким образом, если для электропитания нашей схемы необходимо 5В и небольшой ток (не более 0.5А), можно получить довольно компактное устройство.
Повышающий импульсный стабилизатор на заданное напряжение 5.2В
Стабилизация электрического тока
В некоторых случаях может потребоваться получить не стабильное напряжение, а стабильный ток, — например, при подключении светодиодов. В этом случае используются стабилизаторы тока. Стабилизатор тока несложно построить на микросхеме LM317T. Значение стабилизируемого тока зависит от величины сопротивления R1.
Источник тока на базе LM317T
Измерение электрического тока, напряжения и сопротивления
Мультиметр
Для того чтобы точно знать, параметры вашего источника электрического питания следует уметь производить измерения. Для этого применяются специальные приборы. Амперметр измеряет величину тока, вольтметр измеряет напряжение, омметр применяется для измерения сопротивление электрической цепи и ее элементов.
Существуют приборы, которые могут измерять все указанные величины, подобные приборы называются мультиметрами. На рисунке представлен пример мультиметра. Измерения осуществляются при помощи щупов, которыми шунтируется место проведения замеров.
Вращением ручки производится выбор режима измерения.
Шкала, обозначенная значком Ω, применяется для измерения сопротивления, измерения производятся в величинах кратных обозначениям на шкале. Перед измерением сопротивления требуется обязательно обесточить измеряемый элемент, иначе мультиметр может быть испорчен. Если у мультиметра есть выбор режима 
, то возможно тестирование наличия соединения между участками цепи, это полезно, когда нужно установить место разрыва.
Шкала, обозначенная значком 
, применяется для измерения постоянного напряжения. Может быть измерено напряжение питающей батареи, напряжение на различных элементах собранной схемы. Чтобы измерить напряжение для элементов схемы, они должны запитаны, например, если это двигатель, то на него подано электрическое питание.
Шкала, обозначенная значком 
, предназначена для измерения переменного напряжения. Подобное напряжение в сети переменного тока для бытовых электроприборов.
Шкала, обозначенная значком 
, предназначена для измерения постоянного тока. Ни в коем случае не измеряйте электрический ток в бытовых розетках, это ОПАСНО! Электрический ток можно измерять в разрывах электрической цепи, чтобы определить потребление вашей схемы.
Возможно кратковременное (не более секунды) измерение электрического тока химических элементов питания (литиевых батарей, алкалиновых батареек) с целью замера их остаточного заряда, при этом производится выбор режима 10A, а активный щуп (обычно красный) перекоммутируется из разъема VΩmA в разъем 10A. Ток нормально заряженных алкалиновых батарей должен быть не менее 1 ампера, а литиевых аккумуляторов 18650 не менее 2 ампер.