SZAKDOLGOZAT. Ponthegesztő tervezése akkumulátor cellákhoz KÉSZÍTETTE: GYENES MARTIN VIKTOR

Átírás

1 SZERSZÁMGÉPÉSZETI ÉS MECHATRONIKAI INTÉZET ROBERT BOSCH MECHATRONIKAI INTÉ- ZETI TANSZÉK MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR SZAKDOLGOZAT Ponthegesztő tervezése akkumulátor cellákhoz KÉSZÍTETTE: GYENES MARTIN VIKTOR KONZULENSEK: RÓNAI LÁSZLÓ 2018

2 akkumulátor cellákhoz Tartalomjegyzék Gyenes Martin Viktor Tartalomjegyzék 1. Bevezetés Az ellenállás-hegesztés technológiája A Berendezés megépítéséhez szükséges elemek Arduino és fejlesztőplatformja Teljesítmény elektronika Enkóder és működése Az LCD kijelző A hegesztő berendezés előkészítése Breadboard A breadboard terv elkészítése A Fritzing szoftver alkalmazása A hegesztő berendezést vezérlő program A próbapanel megépítése Kapcsolási rajz elkészítése Breadboard terv elkészítése Nyomtatott áramkör Nyomtatott áramkör megtervezése Nyomtatott áramkör elkészítése Ponthegesztő berendezés megépítése Összefoglalás Summary Irodalomjegyzék I

3 akkumulátor cellákhoz Bevezetés Gyenes Martin Viktor 1. Bevezetés A mai világban egyre nagyobb mértékben nőnek az akkumulátor felhasználások. A közelmúltban elkezdtek terjedni az elektromos gépjárművek, köszönhetően a Lítium technológiának. A manapság kapható elektronikus eszközök, amelyekben akkumulátor van, nagy valószínűséggel Lítium ionos cella lesz benne. Általában ezekből a cellákból egyszerre többet hasznának fel, amelyeket nem oldható kötéssel rögzítenek egymáshoz. Egy ilyen nem oldható kötést készítő gép elkészítését mutatja be a szakdolgozatom. A dolgozat témája egy költséghatékony berendezés megépítése miatt jött létre, hiszen a kereskedelemben kapható eszközök drágák. A régifajta Nikkel-Kadmiumos (Ni-Cd) akkumulátorokkal szerelt gépek hosszú idejű állása esetén, egy esetleges újbóli használat során feltűnik, hogy a cellák teljesen le vannak merülve. Feltöltés után, azonban ilyenkor már sokkal hamarabb lemerültek a cellák, mint újkorában. Ezért az ember elkezdi egyre sűrűbben tölteni, hiába nincs lemerülve. Csakhogy ez a fajta akkumulátor típus rendelkezik egy ún. memória effektussal. Ez azt jelenti, hogyha úgy tölti az ember fel, hogy még nem merítette le teljesen, akkor utána általában annyit is fog tudni majd kinyerni az akkumulátorból, amennyit bele tudott tölteni. Tehát, ha egy 50 %-ra lemerült akkumulátort feltölt az ember, akkor nagyjából az eredeti kapacitásának a fele lesz elérhető. Minél sűrűbben vannak töltve, annál hamarabb mennek majd tönkre a cellák. Ez a jelenség főként a kevésbé nagy márkák termékeit érinti, de ugyanúgy megjelenik a nagyobb márkáknál is, csak kevésbé hangsúlyosan. Fő célom azt volt, hogy a szinte új állapotban lévő szerszámgépet megtartsam. Az interneten láttam, hogy egyre inkább kezdenek elterjedni a Lítiumos szerszámgépek. Az irodalmak keresése után megtudtam, hogy ezek es vagy es, az újabbak már as akkumulátorokat használnak. Utóbbi az elektromos gépjárművek térnyerése miatt egyre nagyobb szerepet fog majd játszani, valószínűleg le is fogja váltani a jelenleg is használt es cellákat. Ezek viszont, csak a fizikai méretük, ami még fontosabb, az a cellák összetétele. Általában 3 féle típust lehet megkülönböztetni belőlük, ezek a kobalt-, mangán és nikkel-mangán alapú cellák. Előbbi a legolcsóbb fajta, de igen nagy a belső ellenállása, így szerszámgépeknél nem lehet alkalmazni, ellenben a másik kettővel. Eldöntöttem tehát, hogy es akkumulátort fogok majd használni IMR (mangán), vagy INR (nikkel-mangán) típusút. Ezeket lehet már nagyobb áramokkal is terhelni. A cellákat nem lehet forrasztani, hanem csakis pont hegeszteni. Egy ponthegesztő gép még a 1

4 akkumulátor cellákhoz Bevezetés Gyenes Martin Viktor legolcsóbb is Ft-ot súrolja [11]. Tekintettel arra, hogy otthoni használatra terveztem, kis számú hegesztés elvégzésére, így nem éri meg egy kereskedelmi forgalomban kapható ponthegesztő gép beruházása. Ezért utánanéztem, hogy otthoni célra milyen ponthegesztőket lehet építeni. Amiket találtam azok mind egy mikrohullámú sütőből kiszedett transzformátort alakították át, kiszedték a szekunder tekercsét és a helyébe 2-3 menet mm 2 -es vezetéket tettek, ehhez egy fórumot is létrehoztak [8]. A vezeték két vége pedig ment a két elektródához. Egy a primer tekercshez sorba kötött kapcsolóval szabályozták, amivel nem lehet megfelelő minőségű és erős kötést létrehozni. Ezért is gondoltam, hogy egyen árammal is ugyanúgy lehetne hegeszteni, és még könynyebben lehet szabályozni. Csakhogy itt nagy áramokkal kell számolni (>100 A), amit majd kapcsolni kell. Szerencsére, mivel kis feszültségről van szó, ez nem jelent gondot manapság. Egy gépjármű akkumulátora szolgálna feszültségforrásként. Az ilyen akkumulátorok képesek rövid ideig nagy áramok leadására, de mivel itt milliszekundumról van szó így akár több ka is lehet ez az érték. Szabályozást tekintve pedig a legegyszerűbb, ha egy mikrokontrollert használok. Nagy előnyük az olcsóságok és könnyű programozhatóságuk. A szakdolgozatom egy ilyen készülék megtervezését fogja taglalni az alábbiak szerint. A második fejezet az ellenállás-hegesztés technológiáját foglalja össze. A harmadik fejezet a megépítéshez szükséges alkatrészeket mutatja be. A negyedik fejezet tárgyalja a próbához szükséges eszközöket. Az ötödik fejezet a teszteléssel foglalkozik. A nyomtatott áramkör tervezési- és kivitelezési lépéseit a hatodik fejezet tárgyalja. A hetedik fejezet a végleges berendezés megépítését ismerteti. Az összefoglalás az elért eredményeket- és a továbbfejlesztési lehetőségeket tartalmazza. 2

5 akkumulátor cellákhoz Az ellenállás hegesztés technológiája Gyenes Martin Viktor 2. Az ellenállás-hegesztés technológiája Hegesztés során két, vagy több fémes anyag kapcsolódik egymással, amely egy nem oldható kötést eredményez. Legismertebb az ívhegesztés [9]. Itt a villamos ív oly mértékben felhevíti az elemeket, hogy megolvadnak, valamint ezek mellett egyfajta hozaganyagot is beolvasztanak. Másik megoldás, ha ez a hozaganyag sokkal alacsonyabb olvadáspontú, ekkor csak diffúziós kötés jön létre. Ezt nevezik forrasztásnak. A ponthegesztést más néven ellenálláshegesztésnek is nevezik. Itt a kohéziós kötés hő- és erőhatás együttes megléte mellett jön létre. A kötés kialakításához szükséges hőt a munkadarabon átvezetett, ill. indukált áramnak az átmeneti ellenállásán, valamint a benne fejlődött hője adja. A [1] szakirodalomban az ellenállás hegesztésre különféle változatok találhatók meg: - Ellenállás-ponthegesztés, - Vonalhegesztés, - Átlapolt vonalhegesztés, - Tompavarratos vonalhegesztés, - Fóliás tompavarratos vonalhegesztés, - Dudorhegesztés, - Leolvasztó tompahegesztés, - Zömítő tompahegesztés, - Egyéb ellenállás-hegesztési eljárások, - Nagyfrekvenciás ellenállás-hegesztés. Továbbiakban az ellenállás-ponthegesztés technológiáját mutatom be. Ennél az eljárásnál pontszerű varrat jön létre az elektródák között és a varratt megközelítőleg olyan területű, mint az elektródák csúcsai. Itt az elektródákra külső erőt is ki kell fejteni. Ponthegesztés során általában vékony 0,05-0,3 mm vastagságú munkadarabbal szoktak dolgozni az akkumulátoriparban. Egy ilyen ponthegesztő esetében kettő elektródát használunk, amik a lemezek ugyanazon oldalán helyezkednek el és azt két pontban hozzányomják az akkumulátorok sarkaihoz, ahogy azt az 1. ábra is mutatja. Az elektródák végei hegesztés során nagyon lényegesek, 3

6 akkumulátor cellákhoz Az ellenállás hegesztés technológiája Gyenes Martin Viktor hogy ne legyenek hegyesek, hanem lehetőleg gömb alakúak, ha már kézben lesznek tartva. Azért kézben, mert fölösleges lenne hozzá tervezni egy leszorító elemet, ugyanis ezt a ponthegesztő készüléket egyedi akkumulátor pakk gyártására terveztem. Ahhoz a legjobb megoldás pedig, ha az elektródákat a kézzel fogjuk meg. 1. ábra 2 pontos ponthegesztés [1] A hegesztés történhet egyenárammal vagy váltakozó árammal is. Az áramforrásnak igen nagy akár több ka-t kell tudnia teljesíteni, igaz ezt csak rövid ideig, néhány ms hosszan. Ezalatt az idő alatt a nagy áram megolvasztja az érintkezési helyet és kialakul a varrat. Egyenáramú ponthegesztés során több impulzust is szoktak használni. Ez előnyösebb, mintha csak egy impulzus lenne, mivel így egyenletesebb a melegedés. Erre azért van szükség, mert a cellákat összekötő nikkel sokkal vékonyabb, mint az akkumulátorok sarkainál lévő lemez, így adva időt annak is, hogy felhevüljön. Valamint, ha az 1. impulzus rövidebb, mint a többi azzal azt lehet elérni, hogy a szikrázás kisebb lesz, ha nem megfelelően voltak ráhelyezve az elektródák a nikkel szalagra. A legjobb az lenne, ha mind az áramot, mind a feszültséget lehetne mérni hegesztés közben, de mivel ez a készülék egy gépjárműhöz való akkumulátorral működik és nem nagy számban, gyártósoron kell vele hegeszteni ezért bőven elég az, hogy az akkumulátor belső ellenállását használom, mint áramkorlátozó. Különben használnom kéne egy nagy teljesítményű sönt ellenállást, hozzá egy jelátalakítót, valamilyen nagy áramú kis értékű induktivitást szűrésnek, valamint PWM-et (Pulse-Width-Modulation) is kellene hozzá használnom, ami jelentősen megnövelné a fizikai méreteit az áramkörnek és meg is drágítaná. Ponthegesztés során 3 különböző időt lehet beállítani. A két impulzus hosszát külön-külön, valamint a köztük eltelt időt. A két impulzusra azért van szükség, hogy minél egyenletesebben melegítse át a lemezeket, ezzel is biztosítva, hogy mindkét lemez megolvadjon. Az első impulzus rövidebb idejű, azért, hogy a ravasz meghúzásakor ne szórjon szét mindenfelé szikrákat a nem megfelelő érintkezés miatt. A második impulzus alatt zajlik le maga a hegesztési folyamat. 4

7 akkumulátor cellákhoz Az ellenállás hegesztés technológiája Gyenes Martin Viktor 2.1. Forrasztás technológiája Forrasztást rengeteg helyen alkalmaznak, kezdve a vízvezetékeknél, a repülőgépeken, az elektronikai iparban, ahogy a [10] irodalom is írja. A lényege, hogy alacsony olvadási pontú anyagot használnak egy magasabb olvadási ponttal rendelkező anyaghoz. A leggyakoribb ilyen anyagpáros, a réz és az ón. Az közönséges forrasztóón az egy keveréket jelent, általában 60% cink és 40% ólom. Vízvezetékeknél a réz csöveket addig melegítik, míg a hozzá érintett forrasztóón meg nem olvad. Miután megolvadt, hozzátapadt a felületre és lehűlt egy igen erős kötés jön létre. Az elektronika iparban is szoktak forrasztást használni. Ugyanis itt szinte mindig találkozunk valamilyen réz felülettel, lehet az vezeték, alkatrészláb, vagy a NYÁK-on (Nyomtatott Áram Kör) lévő vezetősáv. Rézről lévén szó, így az olvadáspontja igen magas, a hegesztés ezzel ki van zárva, mert biztos, hogy tönkre tenné az elektronikai elemeket. Ezért ezeket forrasztással oldják meg. Ehhez szükség van forrasszanyagra, valamint egy olyan eszközre, ami képes akkora hőt leadni kis helyen, hogy a forrasztóónt képes legyen megolvasztani.. Ez a hőmérséklet C között változik. Forrasztóónt különböző átmérővel, összetétellel vásárolhatunk, belsejükben gyanta található, ami segíti az ón rátapadását a felületre. Léteznek ólom mentesek is, amiket azért találtak ki, mert rájöttek, hogy ólom hosszabb távon károsítja az egészséget és a természetet is egyaránt. Az viszont, hogy elhagyták az ólmot rideggé tette az ónt, valamint magasabb is lett az olvadási pontja. Számítástechnikában gyakorta találkozni olyan hibával, hogy megrepedt a forrasztás, köszönhetően az ólom mentes forrasztásoknak. Ezek jellemzően BGA (Ball-Grid-Array) forrasztási technológiájúak. Ezt úgy kell elképzelni, hogy van egy NYÁK, azon van megfelelően elhelyezve egy chip, aminek az aljánál szintén vannak forrasztási pontok. A chip és a NYÁK között pedig golyókat helyeznek el, amiket, ha megolvasztanak, akkor odaforrasztják a chipet a NYÁK-hoz. De mivel itt elég nagy hőingázás lép fel, ezért előbb utóbb megreped az ilyen forrasztás. A hobbi elektronikában azonban általában ólmos forrasszanyagot használunk és THT (Throug-Hole-Technology) technológiát. Utóbbi azt jelenti, hogy egy NYÁK-ot kifúrjuk a megfelelő helyeken, majd az alkatrészeknek a lábait átdugjuk ezeken a furatokon. A vezetősáv felőli oldalon pedig ráforrasztjuk az alkatrészt a NYÁK-ra. Létezik továbbá SMD (Surface-Mount-Technology) technológia is. Ebben az esetben az alkatrészek méretei jóval kisebbek és a vezetősáv oldalán helyezkednek el. Így elég, ha csak forrasztási felületei 5

8 akkumulátor cellákhoz Az ellenállás hegesztés technológiája Gyenes Martin Viktor vannak, nem kell a lábait átdugni a NYÁK-on. Értelemszerűen mivel ezek kisebb méretűek, ezért ezeket sokkal nehezebb is forrasztani forrasztópákával. Rendszerint hőlevegős pákákat szoktak használni, de ekkor már a forraszanyag is paszta állagban van már rajta a NYÁK-on. Az alkatrészek erre a pasztára vannak beültetve, ami rögzíti őket annyira, hogy a hőlevegős forrasztópáka ne fújja le a NYÁK-ról Miért a ponthegesztés, miért nem a forrasztás? Felmerülhet az a kérdés, hogy miért nem forrasztják a cellákat a többi elektronikai alkatrésszel együtt. Nos, a válasz az, hogy lehet forrasztani. Csak ezzel, sokkal nagyobb az esély arra, hogy károsodni fognak. Ez azért van, mert a forrasztás több ideig tart, így át kell melegednie a cella egy nagyobb részének arra a forrasztási hőmérsékletre, hogy lehessen rá forrasztani. A Lítium cellákra azonban nagyon káros a nagy hőmérséklet. A forrasztás általában 200 C fölött zajlik le. A 2. ábra egy Samsung INR R cella [2] adatlapjából származik. A 2. ábra alapján nyomon követhető egy cella tönkremenetelének különböző fázisai. Miszerint először nem történik semmi láthatólag, de a belsejében elindulnak olyan folyamatok, amik elég erősen rontják az állapotát, majd 200 C alatt már elkezd szivárogni, aztán füstölni, végül kigyullad, ahonnan már csak másodpercek kérdése a felrobbanás. 2. ábra Tönkremenetel folyamata [2] Szerszámgépeknél az INR egy gyakran használt típus. (I= Lítium-Ion, N= Nikkel-mangán oxid, R= (Round) hengeres forma) Ez a típus rendelkezik a legkisebb belső ellenállással, ezért is használják szerszámgépeknél, de megvan a hátránya, hogy könnyen kigyullad. Vannak kevésbé tűzveszélyesebb típusok, mint az IMR, jelenleg ezekkel tudják elérni a legnagyobb kapacitást (3500mAh cella esetén), a legnagyobb áramleadás mellett. Előnye, hogy nem szokott kigyulladni Ez azért is van, mert ennél a típusnál van egy beépített hővédelem. 6

9 akkumulátor cellákhoz Az ellenállás hegesztés technológiája Gyenes Martin Viktor A 3. ábra mutatja egy Lítium cella keresztmetszeti rajzát. Az ábrán megfigyelhető egy CID (Current Interrupt Device) gomb, amely elenged, ha megnőne a cellában lévő nyomás. 3. ábra Egy IMR típusú cella keresztmetszete Ebből is látszik, ha INR típust próbálnánk forrasztani, az kigyulladhat, ha pedig IMR-t, az pedig szakadásba menne át. Ha mégsem történne ilyesmi, attól függetlenül még kártékony hatással van a magas hőmérséklet a lítiumra. Így a kinyerhető kapacitás csökkenne, valamint a belső ellenállás nőne meg. Ponthegesztés esetén gőztermelődéssel nem kell számolni, mert ez csak néhány ms ideig tart, ellentétben a forrasztással, ami több másodperc is lehet. 7

10 akkumulátor cellákhoz A berendezés megépítéséhez szükséges elemek Gyenes Martin Viktor 3. A Berendezés megépítéséhez szükséges elemek A továbbiakban egy gépjármű akkumulátorról működtetett Arduino-val vezérelt ponthegesztő gép elkészítéséről lesz szó. Az ötlet azért született meg, mert szükségem volt a lehető legolcsóbb ponthegesztőre, amivel lehet is hegeszteni, valamint nem is teszi tönkre a cellákat. Építettem ezelőtt egy mikró trafóból is egyet, de azzal az volt a baj, hogy hiába van szabályozva, attól még elégeti a nikkel szalagot, és ha sikerül is varratot létrehozni az napokkal később elenged. Ekkor jutott eszembe, hogy egyenáramot könnyebb szabályozni, mint váltóáramot. Már csak valami tápegységet kellett találnom, ami képes leadni nagy áramokat rövidzárban, így jött a gépjármű akkumulátor, ami képes ezt teljesíteni. Már csak azt kelletett kitalálni, hogy mivel legyen irányítva ekkora áram. Relével nem lehet ilyen gyorsan kapcsolni, ha mégis akkor nem lesz hosszú életű. A teljesítményelektronikai félvezető eszközök a legalkalmasabbak erre a célra. Ezen belül is a MOSFET-eket. Egy megfelelő MOSFET-et sikerült találnom, amely kielégíti az igényeket, ráadásul ezeket párhuzamosan is össze lehet kötni egymással, így megnövelve a terhelhetőséget. A hegesztő berendezés vezérlését pedig egy Arduino fejlesztőplatform segítségével lehet költséghatékonyan megoldani. A berendezés végösszege várhatóan Ft alatt alakul akkumulátor nélkül, amely közel 1/10-e egy kereskedelmi forgalomban kapható berendezés árának. Az interneten talált legolcsóbb ponthegesztő ([11]) ára Ft Arduino és fejlesztőplatformja Az Arduino egy nyílt forráskódú elektronikai fejlesztőplatform, arra lett kifejlesztve, hogy különböző projektekben az elektronikus eszközöket könnyen és egyszerűen lehessen vezérelni. Széles körben elterjedt, mivel olcsó, könnyen beszerezhető, egyszerű hozzá programot írni, és könnyedén lehet rácsatlakoztatni a vezérelni kívánt eszközöket. A fejlesztői része az úgynevezett Arduino IDE (integrált fejlesztői környezet), valamint az Arduino Boardból áll. Előbbi segítségével programot lehet írni, utóbbi pedig maga az Arduino, amire számítógépen keresztül fel lehet tölteni a programot, majd ezen keresztül vezérelni az elektronikai eszközöket. Mivel az egész nyílt forráskódú, így akár otthon is elkészíthető. 8

11 akkumulátor cellákhoz A berendezés megépítéséhez szükséges elemek Gyenes Martin Viktor Az Arduino IDE segítségével programokat készíthetünk, tesztelhetünk, majd feltölthetjük a Board-ra. Alapból tartalmaz több különböző programot, illetve könyvtárat, aminek segítségével könnyedén lehet egyszerűbb programokat összeállítani. Mint például LED-es villogók, futófények, motorvezérlés stb. A 4. ábrán látható az Arduino IDE kezelőfelülete. 4. ábra Arduino IDE A szoftver áll egy eszköztárból, programszerkesztő részből és egy információs sávból. Az eszköztárnál tudjuk kiválasztani a mikrokontrollerünk típusát, a kommunikációs portot. Továbbá itt tudjuk ellenőrizni a megírt programkódot, illetve feltölteni azt a mikrovezérlőre. Az Arduino programokat C/C++ nyelv egy módosított változatát használja, így akik tanultak ilyen nyelvet, azok könnyedén kiismerhetik magukat. Maguk a Boardok különféle változatban készülnek. Ezek különböznek méret, mikrovezérlő típusa, belső memória és I/O számában. Jelenleg a legelterjedtebb az UNO és a NANO. Ezek 8 bites 16 MHz-es ATmega328P processzorral, 14 db I/O lábbal 32 KB flash memóriával, valamint az UNO 6 analóg bemenettel, míg a NANO 8 darabbal rendelkezik. Utóbbi méretben kisebb is. A ponthegesztő elkészítéséhez a NANO-t választottam, mivel a befoglaló méretei ideálisak a tervezett berendezéshez. Aminek a lábkiosztása az 5. ábrán látható. 9

12 akkumulátor cellákhoz A berendezés megépítéséhez szükséges elemek Gyenes Martin Viktor 5. ábra Arduino NANO lábai [4] A NANO és fontosabb elemei a 6. ábrán láthatók. Megjelöltem rajta a programozáshoz szükséges Micro USB csatlakozó és az Atmega328 mikrokontrollert. Érdemes tudni, hogy van rajta egy mikrokapcsoló, ami a mikrokontrollert indítja újra. Tehát, ha valami oknál fogva lefagy rajta a program, akkor ezen gomb megnyomásával újraindítható lesz. A kép bal oldalánál látható 4 db LED. A legfelső rá van kötve a 13.-as pinre, így lehet látni, hogy éppen HIGH (logikai 1), vagy LOW (logikai 0) szinten van-e. Az alatta lévő LED a tápfeszültség mellett folyamatosan világít. A másik 2 pedig az RX és TX Receive Transmit Soros kommunikáció miatt (UART). Két UART IC, úgy van összekötve egymással, hogy az egyik IC-nek az RX pontja van bekötve a másik IC TX pontjára, a TX pedig a másik RX pontjára. Ez azért van, mert a TX az küld, az RX meg fogad. 10

13 Ponthegesztő tervezése akkumulátor cellákhoz A berendezés megépítéséhez szükséges elemek Gyenes Martin Viktor 6. ábra Az Arduino Nano fényképe Amit itt fontos még megemlíteni az az A4 és A5 lábak. Ezek analóg bemenetként szolgálnak, de lehet használni 2 vezetékes I2C buszként is, az SCL-t (Clock Signal) és SDA-t (Data Signal) felhasználva. Egy 1602-es (16 karakter egy sorban 2 sor összesen) LCD kijelző 16 lábbal rendelkezik, amelyek megcímzéséhez megfelelő módon be kell kötni a mikrovezérlőre. Ezenfelül még igényel külső alkatrészeket is (ellenállás, trimmer), vagy lehet használni I2C konvertert LCD kijelzőhöz, így jelentősen leegyszerűsíthető a nyomtatott áramkör rajza. További előnye ennek, hogy két vezetékre legfeljebb 7 LCD kijelzőt lehet még rákötni. Ezek egyidejűleg képesek különállóan üzemelni. Az I2C szabvány az IC-IC (Integrated Circuit) közötti jelátvitelre szolgál ben fejlesztette ki a Philips cég [15]. A korábbi BUS rendszerek esetén, kelletett egy engedélyező bemenet is, így ahány SLAVE, annyi vezeték kell még pluszban. Ez volt az SPI (Serial Peripheral Interface). Az I2C-nél azonban úgy oldották meg, hogy van egy START bit, ami abból áll, hogy az SDA lábon logikai 1 jelszint van, míg az SDA lábon egy logikai 1ről logikai 0-ra történő ugrás lép fel. Amit követ a 7 vagy a 10 bites címzés. Ezt követően egy bit, hogy írás, vagy olvasás történjen az adott eszközre. Miután az eszköz ezt tudomásul vette, az SDA lábán visszaküld egy nyugtázást. Ezek után történnek az adatok küldése. A 7 bites címzéseknél az első 4 bit rögzített, csak az utolsó 3 bitet lehet megváltoztatni az A0, A1, A2 eszközön lévő pontok felhasználásával. 11

14 akkumulátor cellákhoz A berendezés megépítéséhez szükséges elemek Gyenes Martin Viktor 3.2. Teljesítmény elektronika A rendszer megtervezésekor a megfelelő teljesítményelektronikai eszközök kiválasztása kulcsfontosságú lesz. Ezen eszközök akár több ka-t is kell tudnia kapcsolni ms-ok alatt. Az elemek kiválasztásában döntő szerepet játszott még az ár is. Tranzisztor nem lett volna jó erre a célra, egyrész mert nagy áramokat igényel a működtetéséhez és nem lehet párhuzamosan kötni sem őket ellenállás nélkül. Ellenállásból pedig a lehető legkevesebbre van szükség ennél a felhasználásnál. Így jöttek a FET-ek. Itt biztosra kell menni abban, hogy valóban tudja-e, amit az adatlapja ígér. IRF1324-et találtam [5], egy magyarországi bolt keresője segítségével. Ezen a FET-en képes a legnagyobb áram átfolyni anélkül, hogy tönkremenne. Az adatlapja szerint 1,2 mω belső ellenállással rendelkezik bekapcsolt állapotban. Folyamatos terhelésnél 350 A is képes átfolyni rajta, anélkül, hogy tönkremenne, megfelelő hűtés mellett. Ponthegesztésnél azonban rövid idejű impulzusok lépnek fel. Az adatlapja szerint, így képes 1.4 ka-e is. Az az akkumulátor, amit én használok, közel rövidzárban 1 ka-e képes. Ekkora árammal még ilyen kis értékű belső ellenálláson is, mint ami ennek a FET-nek van, közel 1.2 V esne rajta. Márpedig a legfontosabb a minél nagyobb áramerősség elérése. Így többet párhuzamosan kötve csökkenthető a FET-eken eső feszültség, ezzel maximalizálva az áramot. Valamint így már biztonságosabban fogja tudni ezeket teljesíteni, mert így megoszlik rajtuk az áram. Én úgy gondoltam, hogy mi történik, ha valami tönkremegy a vezérlő részében, és a FET-eket nem kapcsolja ki. Így a 195 A-es terheléssel számolva az 1 ka-t elosztva 6 jön ki. Ezért 6 ilyen eszközt használtam fel a megépítés során. A MOSFET-ek kapacitív terhelést jelentenek a meghajtó számára. Jelen esetben egyenként 7 nf-ot. Mivel párhuzamosan vannak kötve a MOSFET-ek így ez az érték összeadódik, így lesz az eredő kapacitása 42 nf. Meghajtót tekintve az lenne a legjobb, ha minden egyes MOSFET kapna egyet külön. Csakhogy ez árban is sokkal drágább lenne, valamint méretben is több helyet foglalna el. El is kellet kezdenem keresni egy olyan drivert, ami képes lenne 6 db MOSFET-et minden gond nélkül meghajtani. Elég sok választék van belőlük, nekem egy Low-side MOSFET driver-re van szükségem. Így akadtam rá a TC4420-as Driverre. Ez 6 A-es csúcs áramokkal képes meghajtani a MOSFET-eket, így lényegében ns-ok alatt képes azokat kapcsolni. 12

15 akkumulátor cellákhoz A berendezés megépítéséhez szükséges elemek Gyenes Martin Viktor 7. ábra MOSFET meghajtó kapcsolás A 7. ábra MOSFET DRAIN-je vezet az egyik elektróda felé, a földelés, pedig az akkumulátor negatív sarkához, és a ponthegesztő tápjának negatív sarkához is. Továbbá látható magának a drivernek a bekötése is. Miszerint az 1-es és 8-as lábak a pozitív sarokra, a 4-es és 5-ös lábak a negatív sarokra kapcsolódnak. A bemenete a 2-es láb egy lehúzó (Pull-Down) ellenálláson le van húzva a 0 feszültség szintre, így érintkezési hibák esetében, nem fognak a MOSFET-ek véletlenül bekapcsolni. A driver kimenete a 6-os és 7-es lábak együttesen, ez kapcsolódik közvetlenül a Gate lábakra. A driver képes működni 3.3 V, 5 V, 12 V és 24 V-os digitális jelekkel. Ez azt jelenti, hogy már a bemeneten 2V feszültség hatására a kimeneten a tápfeszültség fog megjelenni. Jelen esetben a ponthegesztő tápfeszültsége 12 V (3 darab sorosan kötött Lítium cella) Enkóder és működése Enkódert gyakran alkalmaznak különböző motorokon is, amivel a helyzetet, sebességet lehet pontosan vezérelni. Valamint találkozhatunk különböző elektronikai eszközökön is velük. Ha a hangerősséget szeretnénk állítani, világosságot szabályozni, esetleg egy ipari mérőműszert beállítani, vagy akár a gépjárművekben, manapság már mindenütt találkozhatunk velük. Fő tulajdonság, hogy a kimenetén diszkrét jelek jelennek meg, logikai 1, vagy logikai 0 értékben. Határértéke nincs olyan szempontból, hogy hány fordulatot lehet rajta tekerni, de felbontásban viszont már van. Egy enkóder felbontása lehet egészen kicsi, de lehet viszonylag nagy is. Mérőműszereknél alkalmazva ez az érték értelemszerűen nagy, míg menüben való lépkedésnél kis felbontásra van szükség. Ez a felbontás azt jelenti, hogy 1 körbefordulásnál mennyi impulzust ad ki az enkóder. A jeladó működését a 8. ábra szemlélteti. 13

16 akkumulátor cellákhoz A berendezés megépítéséhez szükséges elemek Gyenes Martin Viktor 8. ábra Enkóder működése [7] Általában két kimenetük van ezen jeladóknak. Ha forgatunk egy ilyen enkódert, azt tapasztalhatjuk, hogy forgásiránytól függően mindig először az egyik kimenet állapota változik meg, majd azt követi a másik kimenet. Ebből is lehet tudni melyik irányba lett elforgatva az enkóder. Ha az órajárással megegyező irányba forgatunk és jelen esetben az A kimeneténél figyelünk felfutóélet, akkor a B kimeneten logikai 0 szint lesz látható. Enkóderekből többféle csoportosítás lehetséges. Vannak abszolútak, illetve növekményesek. Felhasználási területe válogatja, hogy melyik típust alkalmazzák. Jelen esetben növekményeset használtam, mégpedig a 9. ábrán látható típust Az LCD kijelző 9. ábra A felhasznált enkóder Többféle kijelzőt lehet kapni manapság viszonylag olcsón. Létezik Nokia 5110-es kijelző, de akár modernebb több színű OLED kijelző is. Ezeket mind képes kezelni egy Arduino. Amit azonban én fogok használni az egy 1602-es kijelző lesz. A 16 azt jelenti, hogy 16 oszlop van, a 2 pedig a sorok számát jelöli. A hegesztő berendezés üzemeltetéséhez szükséges karakterek megjelenítéséhez a választott kijelző megfelelő lesz, hiszen négy számot kell a rendszernek kijeleznie, azok feliratával. Ezen kijelzők léteznek más méretekben is 14

17 akkumulátor cellákhoz A berendezés megépítéséhez szükséges elemek Gyenes Martin Viktor 2002 vagy akár 2004 is. A kijelző a tervezett elektronikai panelen kényelmesen el fog férni. A 10. ábrán lehet látni, hogyan is néz ki egy 1602-es kijelző. Színek terén több különböző létezik. Zöld háttérvilágítás, fekete karakter vagy kék háttérvilágítás és fehér karakter. Én a zöld háttérvilágítással rendelkező, fekete karaktereket megjelenítő változatot választottam, mivel szerintem ez a kijelző a leginkább szembarát, valamint ezen lehet a legjobban kiolvasni a kiírott szöveget. 10. ábra A felhasznált 1602 LCD kijelző Amire szükség lesz, az a kijelző adatlapja, amely a [16] linkel érhető el. A pontos méreteit ugyanis ebből lehet kiolvasni. 15

18 akkumulátor cellákhoz A hegesztő berendezés előkészítése Gyenes Martin Viktor 4. A hegesztő berendezés előkészítése A megvalósítást célszerű először próba-nyák-on, vagy egy úgynevezett Breadboard-on (próbapanel) összerakni, így ki lehet próbálni az áramkör működését még mielőtt véglegesen összeszereljük. A próba-nyák-ot csak akkor javaslom, ha valami oknál fogva nem akarunk használni breadboard-ot. Mivel ennél kell forrasztani, tehát az esetleges szétszedése sokkal nehezebb. A megépítendő rendszer folyamatábráját a 11. ábra szemlélteti. 11. ábra Folyamatábra Először is szükségünk van egy külső tápforrásra, ami jelen esetben egy V-os DC tápforrás. Ezt a feszültséget egy hagyományos 5.5x2.1 mm-es DC csatlakozón fogja megkapni majd a kész ponthegesztőnk. Ez nem feltétlenül lesz polaritás helyes, vagy épp zajmentes. Ezért szükségünk van egy tápegységre, ami ezt megszűri és előállítja a szükséges 5 V-ot. Ez az 5 V táplálja az Arduino-t, a kijelzőt, ravaszt és az enkódert is. A ravasz jelenti azt a nyomógombot a berendezésen, amely megnyomásával lehet elindítani a hegesztési folyamatot. A kijelző I2C busz segítségével csatlakozik rá az Arduino-ra, míg a ravasz és az enkóder, digitális bemenetként. A teljesítmény elektronikának szüksége van egyszer egy 16

19 Ponthegesztő tervezése akkumulátor cellákhoz A hegesztő berendezés előkészítése Gyenes Martin Viktor 12 V-os gépjármű akkumulátorral, majd igényel egy külső tápfeszültséget a MOSFET-ek meghajtása miatt. Felmerülhet a kérdés, miért nem lehet alkalmazni a gépjármű akkumulátort, mint külső DC tápforrást. Nos azért, mert míg a ponthegesztő éppen hegeszt, addig az akkumulátor feszültsége nagyon kis értékre csökken le, de mikor befejezte a vezetékekben lévő induktivitások miatt, hirtelen megnőne a feszültség, így nem lenne egyenletes a ponthegesztő megtáplálása. Zavarokhoz vezetne és a túlfeszültség valószínűleg azonnal tönkretenné, mind a MOSFET drivert, mind a MOSFET-eket. Ezek a túlfeszültség csúcsok nagyon rövid idejűek, de elegek ahhoz, hogy kárt okozzanak. Így a legbiztosabb megoldás egy külső tápforrás alkalmazása Breadboard A próba NYÁK-al ellentétben itt nem kell semmit sem forrasztani, csak az alkatrészek lábait csatlakoztatni a megfelelő csatlakozási pontba. Egy ilyen próbapanelt mutat a 12. ábra, amibe egy Arduino Nano lett csatlakoztatva. 12. ábra A forrasztás nélküli próbapanel fényképe Ezeknek az a jellegzetességük, hogy a sorok össze vannak kötve egymással, ahogy azt a 13. ábrán is lehet látni. Középen ketté van választva. Emiatt IC-ket is lehet beletenni anélkül, hogy rövidre zárnánk. 17

20 akkumulátor cellákhoz A hegesztő berendezés előkészítése Gyenes Martin Viktor 13. ábra Breadboard bekötése [6] Ahogy azt a 13. ábra is mutatja, egy sorban 5 pin van, amik közösítve vannak egymással. Ezek lesznek a kapcsolás csomópontjai A breadboard terv elkészítése Ugyanúgy, mint egy NYÁK tervet, úgy breadboard tervet is lehet készíteni. Ez sok esetben hasznos. Például, ha egy áramkör már nem csak 1-2 alkatrészből áll, amit még nem kell megtervezni. Ha valaki csak egy egyszerű LED-et, vagy egy égőt szeretne megtáplálni ezen keresztül annak nyilván nem szükséges tervet készítenie, hogy-hogy kell összekötnie az alkatrészek lábait, illetve hova kösse, melyik pin-be a megfelelő működés érdekében. De egy bonyolultabb kapcsolást, már érdemes előtte megtervezni, hogy az alkatrészeket mégis hova lenne a legmegfelelőbb elhelyezni a lehető legátláthatóbb kép elérése érdekében. Ezek a panelek ugyanis hibakereséshez is kiválóak ezért célszerű a lehető legátláthatóbb kinézet elérésére törekedni, mert így egyszerűbben ki lehet szűrni, ha nem megfelelően van kötve. Ilyen terveket különböző programok segítségével lehet megrajzolni. Léteznek külön erre a célra kifejlesztett tervező programok is. Én például a Fritzing-et használtam. 18

21 akkumulátor cellákhoz A hegesztő berendezés előkészítése Gyenes Martin Viktor 4.2. A Fritzing szoftver alkalmazása Ez egy nyílt forráskódú fejlesztőkörnyezet, főleg hobbi célra kifejlesztve. De arra is tökéletes, hogy különböző művészeket támogasson abból a célból, hogy a prototípust könnyedén meg tudják valósítani. A program leginkább azért készült el, hogy Arduino fejlesztőplatformok által vezérelt eszközöket könnyedén meg lehessen tervezni. Ezzel a programmal nem csak breadboard terveket lehet elkészíteni a különböző projektekhez, hanem képes lehet vele az ember kapcsolási rajzokat, NYÁK terveket és a hozzá tartozó programkódot is párhuzamosan elkészíteni. A jó ebben a programban, hogy alapból több ezer alkatrész található az adatbázisában, kapcsolási rajzban, illetve 2D modellként is. Ha a breadboard tervben összekötünk egy vezetéket az megjelenik a NYÁK tervben és a kapcsolási rajzban is. Ezek még csak jelölésként szólnak ezért célszerű ezeket véglegesíteni. Saját véleményem szerint, ha valaki nem akar egy nagyon összetett szerkezetet megépíteni, elég neki csak 1 db nyáklemez, akkor ezzel a programmal amellett, hogy meg tudja csinálni a hozzá való kapcsolási rajzot, tud előtte még csinálni egy breadboard tervet a prototípushoz. Ez azért is jó, mert, ha már kész terv van, hogy-hogy kell összekötni, akkor már csak össze kell rakni, nem pedig fölötte gondolkodni, hogy vajon ezt a vezetéket hova kösse be. Amennyiben a kapcsolási rajz készen van, akkor utána a felső füleknél kiválasztja a breadboard-ot. Ott már csak el kell helyezni az alkatrészeket. Szaggatott vonallal mutatja a program, hogy mely lábakat kell összekötni, hol vannak csomópontok. Itt ugyan szintén gondolkodni kell, hogy lehet a legjobban elrendezni az alkatrészeket, de legalább már itt van egy kis segítség, nem mintha közvetlenül fölötte ülne az ember és úgy rakja össze a kapcsolást. Amíg csak maximum 2 oldalas egyszerű NYÁK-ról van szó, a projekthez tartozó NYÁK tervet könnyedén meg lehet tervezni, elhelyezni az alkatrészeket a megfelelő pozíciókban. Látni lehet, hogy itt is vannak szaggatott vonalak. Ezekre rákattintva lehet létrehozni a majdani vezetősávot. További rákattintással, majd elhúzással pedig be lehet igazítani ezt a sávot, hogy ne ütközzenek, csak azokhoz az alkatrészekhez vezessenek, amihez kell. 19

22 akkumulátor cellákhoz A hegesztő berendezés előkészítése Gyenes Martin Viktor Létezik azonban egy úgynevezett autoroute parancs is. Ez arra való, hogy megkönnyítse az ember feladatát, ha túl sok sávot kellene megrajzolnia. Egyszerűen rákattint az ember a gombra és a program automatikusan megrajzolja a NYÁK tervet. Vannak azonban más programok is amik szintén alkalmasak kapcsolási rajz és nyákterv megvalósítására. Például az Eagle. Bár ebben nem lehet breadboard-on összerakni az áramkört, csak a kapcsolási rajzot és NYÁK-ot lehet benne megtervezni. Utóbbiból lehet benne készíteni egy 3D-s tervet is, így pontosan meg lehet tudni, hogy-hogy fog majd kinézni a panelünk. Hátránya az, hogy több szakértelmet igényel, illetve a fizetős verziója, ami sokkal többet tud, mint a Fritzing az 660$-ba kerül évente, így magánfelhasználóknak nem igazán éri meg ennek a használata. Tehát így én az ingyenessége az egyszerűbb kezelhetősége, valamint a breadboard tervezése miatt a Fritzing-et választottam. Az egyszerűbb kezelhetősége miatt azoknak ajánlom, akik most kezdenek el hobbielektronikával foglalkozni A hegesztő berendezést vezérlő program A program megírásánál első lépés a folyamat átgondolása, amelyre jó kiindulópontot ad a folyamatábra. A programírás első részében a különböző könyvtárak behívása lesz az első fontos lépés. 14. ábra Programkód eleje 20

23 akkumulátor cellákhoz A hegesztő berendezés előkészítése Gyenes Martin Viktor A 14. ábra mutatja a könyvtárak behívását, valamint a változók deklarálását. A program tartalmaz továbbá olyan lehetőséget, hogy különböző időzítési értékeket el lehessen menteni. Ehhez először is hozzá kelletett rendelnem az EEPROM.h könyvtárat. Szerencsére ez alapból benne van az IDE-ben. A könyvtár behívásával, az abban található előre megírt függvények segítségével a mikrovezérlőn található EEPROM (Electrically-Erasable- Programmable-Read-Only-Memory) egységet el tudom majd érni. Ez a memória ugyan nagyon kevésnek tűnhet a maga 1 KB-os méretével, de ez annyit jelent, hogy 1024 db címre tud elmenteni 8 bit adatot. A folyamat szempontjából ez elegendőnek bizonyul. Szükség van egy bájtra, ami a memória címét jelöli. Az utolsó Bájt megfelelő lesz neki. Ezenkívül kell még majd a 3 változónak is hely, ahol el lehet tárolni az értéküket. Ez annyit jelent, hogy az 1024 van elosztva 4-gyel. Ez 255 memória címre lenne elég. Tehát el tudok menteni helyre, ha a 0-t nem számolom 3 db időzítést ms tartományban. Ez soknak tűnhet és tényleg az, valószínűleg soha nem fogok ennyit használni. De jobb az, ha van ennyi lehetőségem tartalékba. Ugyanis az EEPROM az nem örökéletű és könnyen tönkre tud menni. Ugyan az adatlapja [12] törlési ciklust ír, de lehet találkozni olyan esettel, hogy a törlési ciklus után használhatatlanná vált az a Bájt. Ez nem azt jelenti, hogy az egész 1 KB használhatatlanná válik, hanem azt, hogy 1-2 bájt-ot nem lehet kiolvasni, vagy írni egy idő után. Érdemes az EEPROM tartalmát először törölni, mert alapesetben minden bájton 255 érték van eltárolva, amely a 15. ábrán látható 15. ábra EEPROM törlése Ezután következett az LCD kijelző könyvtárának beillesztése. A kijelző és az Arduino egység közé beillesztettem egy I2C modult, amelynek segítségével a hagyományos bekötés (6 adat-, 1 db. analóg vezeték) kiküszöbölhetővé vált. Amellett, hogy a vezetékszámokat lényegesen lecsökkentettem, ehhez az is társult, hogy az IDE-ben nincs hozzátartozó könyvtár. Szerencsére, mivel nyílt forráskódú a platform, így az interneten kerestem egy már megírt könyvtárat, amelyet beillesztettem a szoftverbe. A LiquidCrystal_I2C sora a könyvtár készítőjétől meg lett adva, hogyan is kell kinéznie. Ezek közül csak a 0x27 változtatható. Ez az I2C konverter alap címe. A konverter NYÁK-ján található 6 db bekötési 21

24 akkumulátor cellákhoz A hegesztő berendezés előkészítése Gyenes Martin Viktor pont attól függően, hogy melyeket forrasszuk össze, úgy fog a címe is megváltozni. Alapesetben egyik sincs, így a címe 0x27h. A0, A1, A2 pontok találhatók rajta. Az A0 lesz az 1, az A1 a 2 az A2 pedig a 4. Ez azt jelenti, hogyha ezek a pontok nincsennek átforrasztva, akkor logikai 1-eseket adnak a vezérlő IC számára. Ennek az értéke így 7 lesz. Ha viszont át van forrasztva az A2-es pont, akkor az onnantól kezdve logikai 0 értéket fog továbbítani a vezérlő IC bemenetére, ennek következtében az új érték az 3 lesz, ezzel együtt az új címe 0x23h. Ezek után meg kellett határoznom a ki- és bemeneti pontok neveit, és ehhez hozzárendelni egy csatlakozási pontot. Lett egy buttonpin nevű bemenetem, ez lett a ravaszé, lett egy buttonpin1, ami az enkóder nyomógombja, az A és a B, mint az enkóder kimenetei, valamint a fetpin, mint a neve is jelzi ez fogja vezérelni a teljesítmény részét. Minden más, ami az ábrán látható a program futása közben lévő változók lesznek. Amint ezzel megvagyunk, jöhetnek a ki és bemeneti pontok deklarálása. 16. ábra A ki- és bemenetek deklarálása Meg kell határoznunk az Arduino mely csatlakozási pontja, miként fog szerepelni. A 16. ábra mutatja, hogyan is kell ezeket meghatározni. Feltűnhet, hogy a buttonpin1-nél szerepel egy olyan utótag, hogy PULLUP, ez azért van benne, mivel a vásárolt enkóderbe csak kettő felhúzó ellenállás van beépítve, így a mikrovezérlő felhúzó ellenállását tudom aktiválni. Ezzel ugyanazt értem el, mintha beforrasztottam volna egy plusz ellenállást. Miután meghatároztam, hogy a fetpin kimenet legyen, utána egy digitalwrite segítségével azonnal be is állítottam neki egy logikai 0 szintet, ezzel is kizárva, hogy bekapcsolás közben a MOSFET-ek be legyenek kapcsolva. Az lcd.begin-el, kell meghatározni, hogy milyen kijelzőt is használunk. A zárójelben lévő első szám az oszlopok száma, míg a második szám a sorok száma. 22

25 akkumulátor cellákhoz A hegesztő berendezés előkészítése Gyenes Martin Viktor 17. ábra Változók közti lépegetés Ha már van 4 db változóm, akkor azokat valahogyan meg kell különböztetni a programban, hogy éppen az enkóderrel melyiket is változtatom. Ezt a programrészletet a 17. ábra mutatja. Erre a célra én egy > jelet használtam, ami mindig a kiválasztott változó előtt szerepel. Az enkóderen lévő nyomógomb megnyomásával pedig tudom is léptetni ezt a karaktert, közben van egy változóm is d néven, amivel a program is tudja, éppen melyiket lehet változtatni. Az egészet úgy oldottam meg, hogy minden egyes gombnyomásnál a d- hez hozzáadódik +1. Így 0-ról indul, amikor a kijelző nem jelzi ki a > karaktert. Ha egyszer megnyomják a gombot, akkor a d értéke 1-re nő, ekkor a memória helye lesz kiválasztva és így tovább. A nyomógomb alapesetben logikai 1 jelet küld a mikrokontroller bemenetére, ezért egy if feltétel segítségével figyelve van, hogy mikor lesz benyomva, tehát mikor fog logikai 0 jelet kapni. Ha ez megvan, akkor a d-hez hozzáad 1-et, ha így az értéke nagyobb lenne, mint 4 akkor lenullázza, ezután mivel ez nagyon hamar lezajlik és a nyomógomb valószínűleg még be van nyomva, azt elkerülve, hogy még egyszer belépjen ebbe az if utasításba, ezért be kelletett tennem még egy if-et. Ha be van nyomva a gomb, elvégezte a d++ utasítást, utána belép egy while ciklusba, amiben csak egy delay van. Ez a delay prellmentesítésre való és addig tartózkodik ebben a while ciklusban, amíg a nyomógomb vissza nem tér eredeti állásában, tehát míg logikai 1 jelet nem küld. A d változó tehát azt a célt szolgálja, hogy lehessen kiválasztani mely időzítéseket, vagy memória helyet szeretném változtatni. Először is ki kell íratnom a kijelzőre a > karaktert, csakhogy mivel ezt minden egyes lefutási ciklusnál megcsinálná, ezért egy olyan módszert kelletett alkalmaznom, hogy csak akkor írassa ki ezt a karaktert és törölje az előző helyen lévőt, ha a d értéke megváltozott az előző lefutási ciklus óta, így csak egyszer hajtódik végre ez az utasítás. 23

26 akkumulátor cellákhoz A hegesztő berendezés előkészítése Gyenes Martin Viktor 18. ábra Enkóder működése Következhet az a programrész, amivel magát az értékeket tudjuk majd megváltoztatni. Tegyük fel, hogy nincs egyik irányban sem elforgatva az enkóder. A program, amit a 18. ábra mutat, az felel azért, hogy az enkóder elforgatásával lehessen módosítani a kívánt értékeket. Ehhez annyit kell tenni, hogy le kell követnie az enkóder A kimenetét, és amikor logikai 1 szintről logikai 0 szintre lép, tehát elforgattuk az enkódert valamely irányba, akkor belép az if utasításba. Ezt követően van még egy if utasítás, ami az enkóder B kimenetét vizsgálja. 8. ábrát figyelembe véve, ha az A kimenetén végrehajtódik egy logikai 1 szintről, logikai 0 szintre történő ugrás, akkor abban a pillanatban megnézi a program a B kimenetnek a jelszintjét. Ha az órajárással ellentétes irányba történt a forgatás és ez a jelszint logikai 0 értékű, akkor végrehajtódik a 2. if-en belüli utasítás, ha viszont logikai 1 értékű, azaz az órajárással megegyező irányba lett elforgatva az enkóder, akkor az else ágban lévő utasítás fog végre hajtódni. Attól függően, hogy honnan van rendelve az enkóder, meg melyik típus lehetséges, hogy az A és a B fel vannak cserélve egymással, vagy épp más nevet is adtak neki. Jelen esetemben mindkét féle enkóder típussal találkoztam. Először a breadboardba, az első típus lett beépítve, aminél működött is tökéletesen az enkóder. Jobbra forgatásnál növelte az értéket. Ilyenkor a teendő, hogy még a program legelején meg kell cserélni az A és B kimenetéhez rendelt mikrokontroller bemeneteket, vagy pedig a 18. ábrán látható programkódban a második if függvényben kell átírni a logikai 0 értéket logikai 1-re. A kapcsos zárójelekben lévő programkódokat is fel lehetne cserélni, de az sokkal több időbe kerülne, valamint bonyolultabb is, mint az első két verzió. Az egyszerűség kedvéért írtam //csökkenő-t, illetve //növekvő-t, a programkód helyére. A valóságban ezek úgynevezett case utasításokat tartalmaznak. A 17. ábra kódja alapján attól függően, hogy a d éppen milyen értékű az a case feltétel fog teljesülni. Ezen belül is kell lennie if feltételeknek, ugyanis valahogyan le kell korlátozni, hogy a különböző változók csak egy megadott intervallumon belül legyenek változtathatók. Ezek az értékek lesznek az 24

27 akkumulátor cellákhoz A hegesztő berendezés előkészítése Gyenes Martin Viktor a, mint az első impulzus hossza, c, mint a második impulzus hossza, valamint a b a köztük eltelt idő. 19. ábra Ravasz Végül következhetnek a program utolsó sorai a 19. ábrán megjelenítve Hasonlóan, mint 17. ábránál, itt is egy if utasítás felel azért, hogy mikor hajtódjanak végre az utána következő sorok. Először is egy digitalread segítségével meg kell vizsgálni, hogy mikor lesz a nyomógomb benyomva, tehát mikor lesz a mikrokontroller bemenetén logikai 1 jelszint. Ha ez megtörtént, akkor végrehajtódik az if utasításban lévő sorok. digitalwrite segítségével van változtatva, a fetpin kimeneti logikai szintje. Értelemszerűen először logikai 1 szint jelenik meg, majd van utána egy delay, ami az a időt jelenti, ezután logikai 0 értéket vesz fel b ideig, majd c ideig újból logikai 1 értéket. Ha lejárt a c idő, akkor visszakerül újból logikai 0 értékre, majd vár 200 ms időt. Ez azért van benne, hogy az esetleges kontakthibák miatt ne fusson le még egyszer ez a programkód. Viszont, ha csak ennyi lenne a program, akkor, ha lefutott a kód és folyamatosan nyomva van a ravasz, akkor még egyszer lefutna és így tovább, ezért továbbá be kelletett ide is tennem egy másik if utasítást, hogyha be van nyomva a ravasz huzamosabb ideig, akkor addig ne tudjon visszaugrani a program elejére, míg el nincs engedve. Más esetben, ha a delay miatt megáll az egész program, az problémákat okozhat, ezért a legtöbb helyen nem is szokták használni, helyette millis-t használnak. Ez elkezd számolni a háttérben folyamatosan, ezért lehet azt megoldani, hogy a különböző késleltetések ne fogják le az egész programot. Használhattam volna ilyet is delay helyett, de ezt sokkal egyszerűbb kezelni és ennél a programnál nem jelent gondot, ha néhány millisecundumra leáll, ugyanis az idő alatt nem fog történni semmi sem, így legalább lehet tudni, hogyha a program nem reagál semmire sem, akkor valamelyik nyomógomb be van nyomva. 25

28 akkumulátor cellákhoz A próbapanel megépítése Gyenes Martin Viktor 5. A próbapanel megépítése Már eldöntöttük, hogy mit szeretnénk megvalósítani, milyen alkatrészekkel. Egy ponthegesztőt szeretnénk elkészíteni a különböző akkumulátor cellák összekötéséhez. Első lépés berendelni a hozzávaló alkatrészeket. Kiválasztottuk, hogy ez Arduino NANO-val szeretnénk működtetni az egységet és, hogy egy IRF1324-es MOSFET-el kapcsolnánk az elektródákra az akkumulátort. Szintén eldöntöttük, hogy szeretnénk rátenni egy LCD kijelzőt is, hogy be tudjuk állítani a különböző impulzusok hosszát, illetve a köztük eltelt időt. Enkódert lehetett volna még helyettesíteni: - Nyomógombokkal: Ebben az esetben meg lehet csinálni, hogy mivel 3 adatot lehet változtatni, így összesen 6 darab nyomógombot használnánk. Egy 3x2-es elrendezésben, ahol a felső gombokkal növelnénk az értékeket, az alsókkal pedig csökkentenénk. Hátránya, hogy sok helyet igényel a panelon, ráadásul szükség van még ugyanennyi ellenállásra is. Másik lehetőség, hogy 4 nyomógombot használunk, úgy elhelyezve, mint egy élére állított négyszög. A két vízszintesen lévő szélső gombbal lehetne kiválasztani melyik értéket szeretnénk változtatni, a másik kettővel pedig az értéket megváltoztatni. Vagy pedig 3 nyomógombbal. Ahol a kiválasztásnál az egyiket elhagyjuk, így csak az egyik irányba tudunk navigálni. - Másik megoldás, hogy mivel a NANO-n vannak analóg bemenetek, így akár potenciométerrel is meg lehetne változtatni az értékét. Ez történhet 3 potenciométer alkalmazásával, vagy pedig elég lehet 1 darab potenciométer is, de akkor kéne még hozzá legalább 1 nyomógomb Kapcsolási rajz elkészítése Mint minden egyes projektet célszerű kapcsolási rajzzal kezdeni. Ezen a rajzon fog majd szerepelni a különböző elemek helyes bekötése. Mivel ez egy fontos lépése az áramkörök megtervezésében, ezért léteznek programok, amik direkt erre a célra lettek kifejlesztve, hogy kapcsolási rajzokat készíthessenek. Ilyenek például a TINA, ami amellett, hogy képes kacsolási rajzot készíteni, le is lehet vele ellenőrizni az áramkör helyes működését is. Azonban ezt elég limitáltan képes megoldani, mivel nem szerepel a könyvtárában sok al- 26

29 akkumulátor cellákhoz A próbapanel megépítése Gyenes Martin Viktor katrész. Lényegében arra jó, hogy egy egyszerűbb tranzisztorok, vagy logikai elemes kapcsolásokat elkészítsünk, leellenőrizzünk. Létezik továbbá, a már említett nyílt forráskódú Fritzing, aminek a könyvtárát folyamatosan bővítik a hobbi elektronikával foglalkozó szakemberek. Arduino-s kapcsolásokat általában ezzel a programmal is szokták megrajzolni. Azonban az én választásom az EAGLEre esett. Ennek oka, hogy óriási méretű adatbázissal rendelkezik, amit még lehet is bővíteni. Minden egyes alkatrész, ami csak létezik, az szerepel benne, azok különböző kiszereléseiben is. A kapcsolási rajz a 20. ábra-n látható. 20. ábra Kapcsolási rajz vezérlés része Ezen az ábrán látható maga az áramköri kapcsolási rajz. Először is balról jobbra haladva. Fent találunk egy X3 nevű csatlakozót, ami azt a célt szolgálja, hogy az áramkör megkapja a számára szükséges feszültséget és áramot. Majd találhatunk egy feszültség stabilizátort, ami a bemeneti feszültségből állítja elő az Arduino, konverter és kijelző számára szükséges 5 V-ot. Ilyen feszültségstabilizátor van az Arduino-n is, de az max 11 V-os bemenetig működik. Amiről én szeretném üzemelni az 3db sorba kötött Lítium cella. Teljesen feltöltött állapotban eléri a 12.6 V-ot. Így értelemszerűen valahogy meg kellett oldani a biztonságos működést. Egy 7805-ös stabilizátor pedig képes 30 V-os bemeneti feszültségről is üzemelni. A feszültségstabilizátor bemenetén tehát az akkumulátor feszültség van jelen. Az X1-es pont csatlakozik majd a MOSFET vezérlő áramkörére. Ez a kapcsolás szolgálja az akkumulátor rákapcsolását az elektródákra. E nélkül nem jöhetne létre a ponthegesztés. Mint látható az egész nem igényel többet, mint 3 csatlakozási pontot, ennek a későbbiekben lesz fontos szerepe. 27

30 akkumulátor cellákhoz A próbapanel megépítése Gyenes Martin Viktor A feszültségstabilizátor után következik a NANO, konverter a kijelző, valamint a ravasznál lévő,,felhúzó ellenállás. Utóbbira azért van szükség, hogy mindig stabil jeleket kapjunk. Mivel az Arduino bemenete nagyon érzékeny, így egy lezárást igényel. Ha nem lennének ott, akkor az elektromágneses zajok megzavarnák, ezáltal hibásan működne az egyébként jó kapcsolás. Az SW1B nyomógomb az enkóderhez tartozik hozzá, ami SW1A néven szerepel a kapcsoláson. Az X2 csatlakozó pontok pedig a,,ravasz nyomógombhoz tartozik. Ez a nyomógomb fogja elindítani majd az impulzussorozatot. Látható, hogy az enkóder panelon lévő közös pont a negatív. Ami a,,ravasznál van ott pedig a +5 V. Ennek egy egyszerű magyarázata van. Én személy szerint jobban szeretem azt, hogy amikor megnyomok egy gombot, akkor a kimeneten logikai 1 feszültségszint jelenik meg, addig, amit vettem enkóder panelt, azon pedig pont fordítva van. Ez nem gond, csupán csak a programkódban kellett átírnom a logikai 0 értéket logikai 1-re és fordítva. Eddig 4 lábat használtam fel, de kell még 1, amivel vezérelni tudom majd a teljesítmény részt. Itt a 13-as lábra esett a választásom. Leginkább azért mert ezen a kimeneten már alapból be van kötve egy LED, így lehet látni azonnal, ha valami gond van. Azért is jó, hogy a teljesítmény része az nem negált bemenetű, mert így ez a LED folyamatosan világít, amikor a MOSFET épp bekapcsolt állapotban van. Ha ez világítana, akkor azt lehetne feltételezni, hogy valami hiba lépett fel és nem szabad elkezdeni a hegesztést, mert különbön rövidzárt okoznék. Lehetett volna a 0. és az 1. lábat is használnom, mert azokon is van LED, csak azokkal az a baj, hogy ezeken megy az UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter), így, ha be lenne kötve az USB, akkor nem működne az áramkör. Az I2C konverter miatt elég az adatnak 2 vezeték, egyébként kellene neki 12, akkor viszont már nem lenne elég kimenetem az Arduino-n, valamint a NYÁK terv is fölöslegesen bonyolulttá válna. Mivel így már nem csupán vezetékekből állna, hanem kellene még hozzá egy pár alkatrész, mint ellenállás, trimmer. Ahhoz, hogy el lehessen hagyni a konvertert sokkal több lábra lenne szükség, sokkal bonyolultabb nyák mellett. Ezért is esett rá a választásom, mert jelentősen leegyszerűsíti az egész bekötést, hogy sokkal kevesebb vezetéket kell bekötni és nem igényel pluszban még alkatrészeket Breadboard terv elkészítése A kapcsolási rajz ismeretében megtervezhető a prototípus. Ezt meglehet építeni univerzális NYÁK-on, vagy pedig a már említett breadboard-on is. Utóbbinál már meg lett említve, 28

31 akkumulátor cellákhoz A próbapanel megépítése Gyenes Martin Viktor hogy miért is esett erre a választásom, hogy egyszerűen meg lehet építeni, ha valami változtatás szükséges, akkor pedig nem szükséges forrasztani. A 21. ábra szemlélteti az elkészült breadboard tervet. 21. ábra Breadboard terv Ami elsőre feltűnhet az az, hogy mennyivel egyszerűbben néz ki a hagyományos kapcsolási rajzhoz képest. Maga a kapcsolás,,lelke, ami nélkül az egész nem működne, elfér 1db panelon. A teljesítmény részét kihagytam a tervből, arról elég annyit tudnom, hogy mikor kapcsolgatja az Arduino. Amit a 13.-as csatlakozó pontjához bekötött LED-en lehet is figyelni. Ha be is tettem volna a tervbe, kipróbálni egyébként sem tudtam volna, mivel ezek a breadboardok csak kis áramokra lettek készítve. A NANO-t érdemes középen elhelyezni, ügyelni arra, hogy a két oldalt lévő lábak ne legyenek összeköttetésben. Innentől kezdődhet az alkatrészek beültetése. Először a nyomógombokkal és az enkóderrel kezdtem. A tápnak való csatlakozók meg vannak jelölve kék és piros csíkokkal a próbapanelen. A kék a GND, a felső piros a +12 V DC az alsó pedig a +5 V DC. Azután jöhettek a hozzájuk tartozó ellenállások, amikből én 10 KΩ-osakat használtam. Ennek csak annyi oka van, hogy így minimális lesz az áram ilyen érték használata esetén. Az Arduino szerint ezeknek az ellenállásoknak 4.7 KΩ és 47 KΩ között kell lenniük, tehát ez a 10 KΩ tökéletesen megfelel. Következhet ezen kapcsolási pontok rákötése a NANO-ra. Innentől be lehet kötni a kijelző panelt a konverterrel együtt. Az ábrán látható módon kell bekötni, ügyelve a polaritásra és arra, hogy a +5 V DC-ről kapja a tápot, 29

32 akkumulátor cellákhoz A próbapanel megépítése Gyenes Martin Viktor különbön könnyen tönkre lehet tenni. A konverteren van egy tüskesor, amit át kell hidalni, különben nem lesz háttérvilágítás. Háttérvilágítással kapcsolatban még meg lehetett volna oldani azt, hogy a NANO egyik PWM képes kimenetét rákötném a megfelelő lábára, akkor programon belül lehetne változtatni a kijelző fényerejét. Ezt fölöslegesnek tűnt, mivel a maximális fényerőn is kellemes az fényereje. Elég az USB-ről kapott 5 V nincs szükség 12 V-ra. Igény esetén könnyen lehet finom hangolni a már megírt vezérlőprogramot. Itt még egyszerűen lehet változtatni a kapcsoláson is, ha az szükséges. A működését pedig a 13-as lábon lévő LED-en tudjuk ellenőrizni. 30

33 akkumulátor cellákhoz Nyomtatott áramkör Gyenes Martin Viktor 6. Nyomtatott áramkör Angol nyelven PCB-nek (Printed Circuit Board) szokás nevezni, amely tartalmaz minden olyan elektronikai elemet egy panelen, ami szükséges az áramkör működéséhez és ezeket az elemeket úgynevezett vezető sávok kötik össze egymással. Hobbi elektronikánál a legjellemzőbb az 1 réteges NYÁK-ok, tehát van egy szigetelő lap, ami készülhet különböző anyagokból, mint például cellulóz, vagy üveggyanta, majd erre a rétegre kerül rá egy rézből készült vékony fóliaréteg. De létezhetnek 2, vagy több rétegű lemezek is. A 2 rétegűnél, a szigetelő lapka mindkét oldalán el van helyezve egy rézfólia, míg a több rétegűeknél már nem csak egy szigetelő lapkát használnak, hanem többet is. Jelenleg számítógépes alaplapoknál, mobil telefonoknál már használhatnak 10 rétegű NYÁK-okat [13] is. Általában úgy is szokták megtervezni ezeket, hogy a vezetősávokon minél nagyobb áramok folynak, azok minél beljebb kerüljenek, és csak azok a sávok legyenek a NYÁK felületén, amikben nem vagy alig folyik áram. Nem mindig nézett ki így egy ilyen NYÁK. A kezdetekben még bakelit lemezek voltak, ezeket kifúrták, majd beültettek különböző helyekre forrasztási pontokat. Az alkatrészek lábait pedig ezekre a pontokra forrasztották rá. Volt olyan is, hogy egyik oldalról beültették az alkatrészeket, majd a másik oldalról vezetékekkel kötötték össze a megfelelő elemeket. Ezek még az akkori egyszerűbb csöves technológia mellett még nem jelentett semmi gondot, de manapság már az alkatrészek elég nagy elektronikai zajokat, úgynevezett EMC-t termelnek ahhoz, hogy bezavarják egymás működését. Sokáig csak a pontról-pontra technológiát (bakelit lemez, rajta a forrasztási pontok) alkalmazták egészen az 1960-as évekig. Manapság pedig már a vezetősávokat oly módon is elő lehet állítani, hogy képesek helyettesíteni passzív alkatrészeket, mint például ellenállás, kondenzátor, vagy éppen induktivitás. Ellenállás helyettesítésnél például a minél vékonyabb és hosszabb vezetősávra törekszenek. Kondenzátornál pedig magát a szigetelő lapkát használják a kondenzátor elektrolitjához. Induktivitásnál pedig tekercs alakú. Az ellenállást csak akkor helyettesítik, ha nem fontos annyira az értékének a betartása, míg kondenzátort pedig akkor, ha elég kis értékű. Számítógépes alaplapokon meg is figyelhető ez, főleg a RAM-ok környékén. Nem csak amiatt vannak a vezetősávok cikk-cakkban, hogy egyforma hosszúak legyenek a sávok, hanem azért is, mert így létre tudnak hozni kapacitásokat, ellenállásokat, vagy éppen induktivitásokat is, ezzel is kiküszöbölve a szórt kapacitásokat és induktivitásokat. 31

34 akkumulátor cellákhoz Nyomtatott áramkör Gyenes Martin Viktor Manapság viszont elkezdték ezeket a vezető sávokat antennának is használni. Ha megnézünk bármilyen vezeték nélküli eszközt nem fogunk benne találni egy külön antennát, mert az már eleve rajta van a NYÁK-on, csak úgy van kialakítva a vezető sáv, hogy minél jobban képes legyen jeled szórni vagy venni. 22. ábra ESP32 A 22. ábrán látni is, hogy egy ESP32 mikrokontrollernél, hogyan is oldották meg ezt a kérdést. Van egy NYÁK, az tartalmaz minden szükséges elemet a működéséhez, majd ezek az elemek le vannak fedve egy árnyékoló lemezzel. A lemezen kívül viszont kivezették az antennát, ami jelen esetben a WI-FI-ért és a Bluetooth-ért felel. Egyszerűbb és olcsóbb megoldás, mint egy külön antenna és csak minimálisan gyengébb tőle Nyomtatott áramkör megtervezése NYÁK tervezéshez számtalan program létezik. Eagle, Fritzing, Sprint layout stb. Erre a feladatra én a Sprint layout-ot használtam. Ennek nincs olyan nagy adatbázisa, mint például az Eagle-nek, de cserébe sokkal egyszerűbben lehet vele, kézzel megszerkeszteni a különböző elemeket és megrajzolni vele a vezetősávot. 23. ábrán láthatjuk, hogyan is néz ki ez a program. Van egy függőleges- és egy vízszintes eszköztár, amik közül a legsűrűbben a függőlegeset fogjuk használni. Ki lehet választani a raszterméretet, vezetősávok, forrpontok méreteit. Szöveget ráírni a NYÁK-ra, maszkokat létrehozni, ha esetleg Lötstop fóliával védenénk meg a NYÁK-ot és olyan forrasztási helyre is szükségünk van, amit alapesetben a program nem tesz bele. A rajzterületen lehet megrajzolni a különböző NÁK terveket, alatta ki lehet választani, hogy melyik réteget szeretnénk használni. Ez a program csak kétoldalas NYÁK tervezésé- 32

35 akkumulátor cellákhoz Nyomtatott áramkör Gyenes Martin Viktor re használható. S1 szolgál az alkatrész felöli oldal feliratáért, C1 az alkatrész oldal NYÁK terve, C2 a forrasztás oldali NYÁK tervért, míg S2 az ehhez tartozó feliratért. Mivel maga a ponthegesztő 1 oldalas NYÁK-ra tökéletesen elfér, ezért csak a C2-re és S1 van szükségünk. 23. ábra Sprint layout Be tudjuk állítani a NYÁK méretét. Valamint makrókat tudunk elhelyezni a rajzterületen. Sajnos csak a legfontosabb makrókat tartalmazza a program, így ha másra van szükségünk, azt nekünk kell előállítani. További érdekesség, hogy ez a program is képes autoroute-ra. Ehhez összeköttetéseket hozzunk létre, hogy melyik láb hova csatlakozik, utána, vagy még ezelőtt elhelyezni a különböző elemeket a kívánt helyekre a NYÁK-on. Majd Autoroute - ot kiválasztva egyesével végigmegyünk a connections -okon. Ezeket fehér csík jelzi. Én saját kezűleg tervezem meg mindig a NYÁK-okat és ezeket a fehér csíkokat arra használom, hogy hátha a program meg tudja oldani, hogy ne keljen átkötéseket használnom, ha nem tudja akkor ez az átkötések helyeit jelöli. Most, hogy már ismertetve lettek a fontosabb elemek a tervező programnál el is lehet kezdeni a NYÁK megtervezését. A minél kisebb méret érdekében célszerű két NYÁK-ot elkészíteni, amik távtartókkal vannak elválasztva. Tehát célszerű úgy megtervezni a NYÁK-okat, hogy azok tudjanak különkülön egy magukban is működni. Én először a teljesítmény elektronikai panellal kezdtem. A végeredmény a 24. ábrán látható. 33

36 akkumulátor cellákhoz Nyomtatott áramkör Gyenes Martin Viktor 24. ábra Teljesítmény elektronika panelja Tervezésnél először lehatároltam a szélességét. Ugyanis a szabványos NYÁK méret az 160x100-os. Ebből jó, ha meg lehetne csinálni mindkét NYÁK-ot, így 100 mm szélességet választottam. Először elhelyeztem a MOSFET-eket, azoknak készítettem egy nagyobb PAD-ot (Forrasztási felület). Ugyan a lábakat szokták használni, de a középső DRAIN lábat lehet helyettesíteni a hűtő zászlójával is. Ez nagyban megkönnyíti a tervezést, ugyanis így nem kell átkötéseket készíteni elég, ha csak elhelyezünk egymagában egy nagyobb PAD-ot, majd erre helyezzük fel a MOSFET-eket. Az ábrán látható, hogy a G, D, S felirat tükrözve van. Ez azt jelenti, hogy a forrasztás oldalán helyezkednek el, nem pedig a beültetési oldalon. Következhetett a másik PAD létrehozása, ami a MOSFET lábaira fog csatlakozni. Ez lesz az akkumulátor negatív pólusára menő vezeték, míg a másik PAD a negatív elektródára menő vezeték lesz. Következhetett a driver. Ez áll a TC4420-as IC-ből, 100 µf-os szűrő kondenzátorból egy 10 kω-os ellenállásból és egy 100 nf-os hidegítő kondenzátorból. Utóbbi a nagyfrekvenciás szűrést végzi, mert az elektrolit kondenzátor hiába Low-ESR típusú, nagy frekvencián nem annyira hatékony, mint egy kerámia típus. Ezt a panelt valahogyan meg is táplálni és vezérelni. Erre egy 3 pin-es csatlakozót használtam. Már csak olyan helyet kell találni, hogy a felső panelen is elférjen, így a bal alsó sarokban került elhelyezésre. Maga a terv elfért egy 100x60-as alapterületű panelen. 34

37 akkumulátor cellákhoz Nyomtatott áramkör Gyenes Martin Viktor Célszerű a NYÁK széleire valamilyen felfogatókat készíteni. Jelen esetben különösen fontos, mivel valahogy össze kell kötni a két NYÁK-ot, hogy stabilan illeszkedjenek és ne essen szét valamilyen erőhatás következtében. Én távtartókkal gondoltam összekötni a két NYÁK-ot mechanikusan, elektronikusan pedig tüskesorral. A tüskesor anya része került a teljesítmény NYÁK-ra, míg az apa része a vezérlőre. A mechanikai rögzítést célszerűen a NYÁK 4 sarkánál helyeztem el. Következhet a vezérlő NYÁK tervének elkészítése. 25. ábra Vezérlő NYÁK A 25. ábrán látható az általam megtervezett NYÁK-nak a terve. Tervezésnél ezeket fix helyen kell hagyni és minden más ezek köré építeni. Először is a kijelzőt kell beletenni a tervbe. Ehhez meg kell nézni a kijelző adatlapjában a furat távolságokat. Vízszintesen 75,4 mm, függőlegesen 31,4 mm távolságokra helyezkednek el a rögzítő csavarjainak a pozíciói. Ehhez még hozzá kell számolni az I2C konverter csatlakozóinak a pozícióit is. A kijelzőnél a bal felső rögzítés után 8 mm-el helyezkedik el a 16 érintkező pontos tüskesor. Az I2C bemenete pedig az első tüske alatt 2,54 mm-el helyezkedik el, így ennek a 4 csatlakozási pontnak is megvan a helye. Ezt a 4 rögzítési pontot össze is vonhatjuk a 4 bemeneti ponttal egy csoportba, így későbbi mozgatáskor egyszerre lehet őket megmozdítani. Következhetett az Arduino helyének a kiválasztása. Ez nem szerepel a program könyvtárában ezért csak szimplán tüskesorral van jelölve a rajzon. 15 pin van egy sorban, így fel lett osztva egy 5 pinre és egy 10 pines tüskesorra. Majd jöhetett az enkóder elhelyezése. Erről 35

38 akkumulátor cellákhoz Nyomtatott áramkör Gyenes Martin Viktor nem találtam semmilyen adatlapot, így kénytelen voltam tolómérővel megmérni a méreteit. Mérés után a tervező programban is összeállítottam egy blokkot hozzá. Már csak a tápegységet és a ravasznak a csatlakozóját kelletett elhelyeznem a terven. A ravaszt úgy gondoltam, hogy bal oldalt helyezkedjen el középen, így minél rövidebb vezetéket lehet alkalmazni, mivel innen már egyből az elektródáig menő vezetéken el tudom helyezni, így nem lóg pluszban egy kábel, ami azért jó, mert így kisebb az esélye, hogy beleakad valamibe vagy elszakad. A tápcsatlakozónak már csak jobb oldalt az Arduino mellett maradt helye. Ez egy 5,5x2,1 mm-es DC csatlakozó. Amit fontos megjegyezni, hogy úgy lett a helye kiválasztva, hogy csak akkor fér el kényelmesen, ha az Arduino-t tüskesorral használom, tehát könnyen ki lehet cserélni. Ez azért is jó, mert így legalább más projektekre is könnyedén fel lehet használni ugyanazt az Arduino-t. A tápegység része áll egyszer egy fordított polaritás elleni diódából és egy 7805-ös stabilizátor IC-ből, kondenzátorokkal együtt. Mivel ez az IC TO220 tokozású, így csak a kijelző alatt fér el fektetve, a 2db 100 nf-os kondenzátorok kisméretű kerámia típusúak, tehát ennek az elhelyezése nem jelent semmi gondot, míg a nagyobb 100 µf-os már szintén a legjobb, ha fektetve van a kijelző alatt Nyomtatott áramkör elkészítése Először magát a NYÁK-ot megmunkálatlanul kapjuk meg, az alkatrészt még nem lehet beültetni. Ahhoz, hogy egy számunkra is megfelelő NYÁK legyen a kezünkben először is meg kell tervezni a NYÁK tervet. Ez a terv lesz majd látható a NYÁK rézfólia felőli oldalán. Ezt a réz fóliát kell majd kimaratni valamilyen maratószerrel. Többféle ilyen szer létezik, de legáltalánosabb a TN 150 nevezetű. A nyomtatott áramkör elkészítésére a vasalásos technikát használtam, amely következő lépésekből tevődik össze.: - A NYÁK rézfólia felöli oldalának lecsiszolása, majd gondos letakarítása, hogy elkerüljük a szennyeződéseket, - NYÁK-terv lézer nyomtatóval történő kinyomtatása műnyomópapírra, - NYÁK-terv ráhelyezése a réz fóliára, 36

39 Ponthegesztő tervezése akkumulátor cellákhoz - Nyomtatott áramkör Gyenes Martin Viktor sima talpú vasalógéppel rávasalni a tervet a fóliára rávasalni nagy hőmérsékleten percen keresztül, - NYÁK behelyezése langyos vízbe néhány percre, majd leszedni róla a papírmaradványokat, - szükség esetén lakkfilccel kijavítani az esetleges hibákat, - NYÁK kimaratása TN 150 gyorsmaratóval. Nincs más hátra, mint kifúrni a NYÁK-ot. Opcionálisan még lehet csinálni olyat is, hogy az alkatrész beültetési rajzot is kinyomtatni műnyomó papírra, majd rávasalni a NYÁK beültetési oldalára, majd a rajzolat védése érdekében le is lehet fújni lakkal. 26. ábra Kimart NYÁK A 26. ábrán látható a két NYÁK kimaratva, kifúrva és feliratozva, hogyan is kellene neki kinéznie. Az elektronikai elemeknek tökéletes választás egy 1 mm-es fúrószár, azonban a mechanikai rögzítőelemeknek a helyeit 3 mm-es fúrószárral kell kifúrni. Már csak az alkatrészek beforrasztása van hátra, aztán következhet a berendezés tesztelése. 37

40 Ponthegesztő tervezése akkumulátor cellákhoz A hegesztő berendezés megépítése Gyenes Martin Viktor 7. Ponthegesztő berendezés megépítése A következő fejezet a ponthegesztő készülék megépítésével, majd annak tesztelésével foglalkozik. 27. ábra Elkészült panel Miután kész a NYÁK, nincs más hátra, mint az elemek beforrasztása. 27. ábrán látható a ponthegesztőnk elkészült panelja tápfeszültség alatt. Arra viszont ügyelni kell, hogy az I2C-n található trimmert még be kell állítani. Ugyanis ez felel a kontrasztért. Alapesetben ez a legalsó állásban van és így a kijelző nem jelenít meg egy karaktert sem. Másik dolog, amire érdemes még figyelni, hogyha USB-ről (Universal-SerialBus) tápláljuk tesztelés során, akkor az Arduino-nak van egy fordított polaritás elleni védő diódája, amin esik 0,6 V feszültség ezért, ha ilyenkor állítjuk be a kontrasztot, akkor lehet, hogy túlságosan kontrasztos lesz a kijelző. Az alsó panelen a MOSFET-ek fölött van egy műanyag lap elhelyezve a rövidzár elkerülése érdekében Egy ponthegesztő, ha még csak hobbi célra is veszi az ember, az ennek a méretnek a többszöröse, még úgy is, hogyha ehhez még hozzávesszük a gépjármű akkumulátor méretét. 38

41 akkumulátor cellákhoz A hegesztő berendezés megépítése Gyenes Martin Viktor A képen egy 3S elrendezésű es cellák felelnek a panel működéséért, tehát így körülbelül 12 V feszültséget kap maga a panel. 28. ábra Ponthegesztő A 28. ábrán látható maga a ponthegesztő a gépjármű akkumulátorral és a működéséhez szükséges lítium akkumulátorokkal. A vastag vezetékek 25mm 2 -es keresztmetszetű hegesztő vezetékek. Azért hegesztő vezetékek, mert ezek sokkal rugalmasabb gumiszigeteléssel bírnak, valamint vékonyabb réz szálakból is készülnek. Az akkumulátorra hagyományos gépjármű akkumulátor sarukat használtam, amik képesek csatlakoztatni az ilyen típusú vezetékeket. Elektródából pedig egy 16mm 2 -es tömör réz keresztmetszetű vezetéket használtam, aminek a végeit leköszörültem először hegyesre, majd finom csiszolópapírral lekerekítettem, hogy minél nagyobb felületen érintkezzen majd a nikkel szalaggal különböző szögekből. Az elektródákat egy sorkapoccsal kötöttem össze a vezetékkel. A ravasznak a gombját ráragasztottam a negatív pólusú elektródára, majd annak a vezetékére felfűztem a ravasznak a kábelét, egészen a panelig. Továbbá a képen szerepel még maga a nikkel szalag is feltekert állapotban. 39

42 akkumulátor cellákhoz A hegesztő berendezés megépítése Gyenes Martin Viktor 29. ábra Ponthegesztő kipróbálva 29. ábrán látható, hogyan is lehet vele hegeszteni. Sok más ettől sokkal drágább ponthegesztőt nem lehet úgy beállítani, hogy ne égesse meg a nikkel szalagot. Ez azt jelenti, hogy a két elektróda közti szakasz elszíneződik, ezáltal is megváltozik valamennyire az elektromos tulajdonsága a szalagnak. 40