Stavíme m-BITBEAM modul napájení

Stavíme m-BITBEAM modul napájení

Při stavbě různých „robotických“ konstrukcí ze stavebnice m-BITBEAM  můžeme narazit na problém související s napájením motorů a potřebou „vypínače“ robota. My jsme se s žáky dostali do tohoto stavu poté, co jsme začali připravovat soutěžního robota. V rámci stavebnice m-BITBEAM je pro napájení „silnějších“ motorů (upravených klasických servomotorů MG995 či MG996) totiž k dispozici pouze rozdvojka, která zdvojí napájení z boxíku s bateriemi. To nám samo o sobě prozatím vždy stačilo, ale v pravidlech soutěže je uvedeno, že robot musí být vybaven bezpečnostním vypínačem, který odpojí napájení motorů a tím pádem se robot přestane pohybovat. Vypínání prostým vytažením souosého konektoru z Arduina by dle pravidel neprošlo. Museli jsme tedy vyřešit začlenění požadovaného vypínače do stavebnice m-BITBEAM. Při této příležitosti se nabízela kombinace vypínače s možností napájení motorů a případného oddělení napájení Arduina nebo i jiné komponenty, která vyžaduje napájení větším napětím/proudem přímo z baterie.

zpět na začátek

Napájení v rámci m-BITBEAM

Napájení je u stavebnice m-BITBEAM řešeno pomocí pěti NiMH AA článků, což představuje při zátěži napětí kolem 6–6,5 V. Napěťové regulátory Arduino UNO a NANO (328P) poskytují napětí 5 V a 3,3 V. (Maximální zátěž při napájení různých modulů je ale v součtu pouze 1000 mA, což platí v případě napájení přes souosý konektor nebo piny VIN a GND.) Napájení motorů přímo z baterie tedy vede jednak k obejití problému s maximálním proudem, který může Arduino „destička“ motorům poskytnout, a díky vyššímu napětí budou vyšší i maximální otáčky motoru. Robot se ve výsledku bude pohybovat rychleji a bude „silnější“.

zpět na začátek

Požadavky na modul napájení

Velikosti i možnosti této rozvodné krabičky napájení s vypínačem (modulu napájení) jsme odvodili od našeho systému MoleBox. Co všechno musí napájecí modul obsahovat? Důležitou součástí je vypínač (zvolili jsme malý kolébkový vypínač, který se po drobné úpravě vejde do poměrně nízké krabičky). Dále budeme mít k dispozici konektory pro připojení čtyř servomotorů a čtyři konektory pro připojení signálu pro jejich řízení. Pro napájení Arduina a případně i nějaké další části si přidáme dva konektory. Nakonec krabičku doplníme ještě o LED indikující zapnuté napájení.

zpět na začátek

Stavba krabičky

Ke stavbě krabičky budeme potřebovat následující součástky:

  • 1 ks - kolébkový přepínač (montážní otvor 13,6 × 9 mm) (link)
  • 1 ks - univerzální plošný spoj (link)
  • 20 ks - oboustranný kolík (rozteč 2,54 mm) (link)
  • 1 ks - rezistor 1 kΩ (link)
  • 1 ks - LED (průměr 5 mm) (link)
  • 10 cm - kabel dvojlinka (průřez vodiče 2 × 0,5 mm2) (link)

V sekci 3D modely najdete potřebné STL soubory k tisku.

Obr. 2: Modul napájení m-BITBEAM - potřebné díly

zpět na začátek

Postup stavby

Postup stavby je k dispozici formou fotonávodu. Popis a komentáře jednotlivých kroků najdete v popisu fotografií (zobrazí se po najetí na spodní okraj fotografie).

Obr. 3: Plošný spoj pro napájecí modul uřízneme tak, jak je vidět v levé části obrázku. Po otočení destičky osadíme z druhé strany oboustranné kolíky tak, jak je vidět v pravé části obrázku. Ověříme si, že je možné vložení destičky do vytištěné krabičky a že souhlasí pozice kolíků proti horní části krabičky. Obr. 4: Po otočení destičky kolíky připájíme. Výsledek je viditelný v pravé části obrázku. Obr. 5: Znovu ověříme, že je možné plošný spoj s připájenými kolíky rovně vložit do krabičky a že jednotlivé pozice souhlasí oproti otvorům ve víčku krabičky.

Obr. 6: Připravíme si dvojlinku tak, že červený vodič (+) necháme asi o 1,5 cm delší. Konce dvojlinky odizolujeme. Obr. 7: Odizolovanou část dvojlinky protáhneme otvory v destičce plošného spoje podle obrázku a z druhé strany je připájíme. Dbáme na to, abychom černý a červený vodič při pájení nechtěně nepropojili. Černý vodič je umístěný vpravo na kraji destičky a červený vlevo od něj. Obr. 8: Připravíme si LED a rezistor podle obrázku.

Obr. 9: Vývody LED zasuneme do otvorů označených na obrázku. Obr. 9: Vývody LED zasuneme do otvorů označených na obrázku. Obr. 11: Po protažení vývodů ještě zkusíme přiložit víčko krabičky a případně přiohnutím vývodů upravíme pozici LED.

Obr. 12: Zkontrolujeme pozice vývodů LED a rezistoru ze strany s měděnou vrstvou. Obr. 13: Vývody LED a rezistoru připájíme. Obr. 14: Nakonec přesahující vývody LED a rezistoru zakrátíme.

Obr. 15: Připravíme si kolébkový přepínač a kleště. Obr. 16: Vývody kolébkového přepínače výrazně zkrátíme. Obr. 17: Kolébkový přepínač po zkrácení vývodů.

Obr. 18: Připravíme si obě části krabičky s destičkou plošného spoje a upraveným přepínačem. Obr. 19: Nejprve zacvakneme přepínač do horní části krabičky. Obr. 20: Horní část krabičky (víčko) s osazeným kolébkovým přepínačem.

Obr. 21: Přerušíme červený vodič a jeho konce v délce cca 5 mm odizolujeme. Můžeme také již „propájet“ celou druhou řadu odspoda (od místa, kde je připojený červený vodič, +, VCC). Tím zamezíme problémům s nežádoucím zahříváním poměrně tenké měděné vrstvy v případě většího proudového odběru z napájecího zdroje. Obr. 22: Připájíme červený vodič ke kontaktům přepínače. Obr. 23: K vodivému propojení první řady (od místa, kde je připojený černý krajní vodič, -, GND) použijeme drátek (ideálně o průřezu 0,5 mm2), který ke všem kontaktům v řadě připájíme.

Obr. 24: Před finálním uzavřením krabičky je vhodné nanést pro destičku plošného spoje trochu lepidla (např. gelové vteřinové lepidlo či chemopren). Destičku pak pomocí DuPont konektoru vmáčkneme do lepidla a tím ji zafixujeme v požadované spodní pozici. Horní část krabičky je pak potřeba ještě finálně popsat (S = signál pro řízení serv, +, -). Obr. 25: Na konec dvojlinky nakrimpujeme či připájíme konektor, který nám umožní krabičku propojit s napájecím zdrojem. V našem případě jde o JST konektor (samec). Obr. 26b: Testování napájecího modulu – připojení k soutěžnímu sumo robotovi.

zpět na začátek

Varianta „hříbek“

Varianta krabičky dovoluje připojit bezpečnostní vypínač (klasický „hříbek“), který je v rámci některých soutěží vyžadován. Pokud potřebujeme tuto variantu, přidáme ještě konektor na propojku (jumper). Nejdříve přerušíme cestu VCC (+) na plošném spoji v místě podle (obr. 28) a následně připájíme konektor (obr. 29). Pokud bezpečnostní vypínač nepotřebujeme, použijeme propojku. Když bude bezpečnostní vypínač vyžadován, připojíme ho v místě jumperu. Při použití bezpečnostního vypínače je výhodou, že budou od napájení odpojeny pouze motory, a nikoli samotné Arduino. Tím pádem je i po chybě, kdy se robot začne chovat jinak, než má, možné s Arduinem komunikovat, problém lépe najít a „odladit“.

Obr. 27: Varianta hříbek obsahuje navíc propojku. Tato varianta není osazena indikační LED. Obr. 28: Na plošném spoji přerušíme cestu VCC (+). Obr. 29: Přerušená cestu VCC (+) po připájení oboustranných kolíků.

Obr. 30: Po umístění propojky je možné modul používat stejně jako variantu modulu bez propojky. Obr. 31: Modul napájení po umístění propojky je možné používat stejně jako variantu modulu bez propojky. Obr. 32: Modul napájení - varianta modulu s připojeným bezpečnostním vypínačem.

Obr. 33: Modul napájení - varianta modulu s vypínačem na opačné straně. Obr. 34: Modul napájení - varianta modulu s vypínačem na opačné straně. Obr. 35: Modul napájení - varianta modulu s vypínačem na opačné straně a připojeným bezpečnostním vypínačem.

Obr. 36: Modul napájení v zapojení s napájecím zdrojem, bezpečnostním vypínačem a dvěma servomotory. Obr. 37: Modul napájení v zapojení s napájecím zdrojem, bezpečnostním vypínačem a dvěma servomotory. Obr. 38: Modul napájení v zapojení s napájecím zdrojem, bezpečnostním vypínačem a dvěma servomotory.

zpět na začátek

Závěr

Ukázali jsme si, jakým způsobem vyrobit napájecí modul v duchu stavebnice m-BITBEAM. Rychlá výroba modulu sice již vyžaduje nějaké ty zkušenosti s pájením, odizolováním vodičů, krimpováním konektorů apod., ale musíme mít modul skutečně „rychle“? K výrobě modulu v rámci výuky přece můžeme přistupovat i tak, že to sice moc rychle nepůjde, ale bude to pro naše žáky příležitost, jak se s jednotlivými činnostmi seznámit a postupně získat i potřebné dovednosti. A věřte tomu, že i mladší žáci (10 let) to nakonec zvládnou a bude je to bavit.

Autor: Tomáš Feltl, Gymnázium Polička & Časopis e-Mole.cz

Jak citovat tento článek:

FELTL, Tomáš. Stavíme m-BITBEAM modul napájení. e-Mole: časopis o výuce nejen s digitálními technologiemi [online]. 2019 (5/28). Vydáno: 28. 5. 2019. vyd. Tomáš Feltl – TFSoft, 2019. [cit. datum citování]. ISSN 2336-5714. Dostupné z: https://www.e-mole.cz/clanek/stavime-m-bitbeam-modul-napajeni

Všechny obrázky v článku: 
Obr. 1: Modul napájení připojený k bateriím
Obr. 2: Modul napájení m-BITBEAM - potřebné díly
Obr. 3: Plošný spoj pro napájecí modul uřízneme tak, jak je vidět v levé části obrázku. Po otočení destičky osadíme z druhé strany oboustranné kolíky tak, jak je vidět v pravé části obrázku. Ověříme si, že je možné vložení destičky do vytištěné krabičky a že souhlasí pozice kolíků proti horní části krabičky.
Obr. 4: Po otočení destičky kolíky připájíme. Výsledek je viditelný v pravé části obrázku.
Obr. 5: Znovu ověříme, že je možné plošný spoj s připájenými kolíky rovně vložit do krabičky a že jednotlivé pozice souhlasí oproti otvorům ve víčku krabičky.
Obr. 6: Připravíme si dvojlinku tak, že červený vodič (+) necháme asi o 1,5 cm delší. Konce dvojlinky odizolujeme.
Obr. 7: Odizolovanou část dvojlinky protáhneme otvory v destičce plošného spoje podle obrázku a z druhé strany je připájíme. Dbáme na to, abychom černý a červený vodič při pájení nechtěně nepropojili. Černý vodič je umístěný vpravo na kraji destičky a červený vlevo od něj.
Obr. 8: Připravíme si LED a rezistor podle obrázku.
Obr. 9: Vývody LED zasuneme do otvorů označených na obrázku.
Obr. 10: Také vývody rezistoru nasuneme do otvorů označených na obrázku.
Obr. 11: Po protažení vývodů ještě zkusíme přiložit víčko krabičky a případně přiohnutím vývodů upravíme pozici LED.
Obr. 12: Zkontrolujeme pozice vývodů LED a rezistoru ze strany s měděnou vrstvou.
Obr. 13: Vývody LED a rezistoru připájíme.
Obr. 14: Nakonec přesahující vývody LED a rezistoru zakrátíme.
Obr. 15: Připravíme si kolébkový přepínač a kleště.
Obr. 16: Vývody kolébkového přepínače výrazně zkrátíme.
Obr. 17: Kolébkový přepínač po zkrácení vývodů.
Obr. 18: Připravíme si obě části krabičky s destičkou plošného spoje a upraveným přepínačem.
Obr. 19: Nejprve zacvakneme přepínač do horní části krabičky.
Obr. 20: Horní část krabičky (víčko) s osazeným kolébkovým přepínačem.
Obr. 21: Přerušíme červený vodič a jeho konce v délce cca 5 mm odizolujeme. Můžeme také již „propájet“ celou druhou řadu odspoda (od místa, kde je připojený červený vodič, +, VCC). Tím zamezíme problémům s nežádoucím zahříváním poměrně tenké měděné vrstvy v případě většího proudového odběru z napájecího zdroje.
Obr. 22: Připájíme červený vodič ke kontaktům přepínače.
Obr. 23: K vodivému propojení první řady (od místa, kde je připojený černý krajní vodič, -, GND) použijeme drátek (ideálně o průřezu 0,5 mm2), který ke všem kontaktům v řadě připájíme.
Obr. 24: Před finálním uzavřením krabičky je vhodné nanést pro destičku plošného spoje trochu lepidla (např. gelové vteřinové lepidlo či chemopren). Destičku pak pomocí DuPont konektoru vmáčkneme do lepidla a tím ji zafixujeme v požadované spodní pozici. Horní část krabičky je pak potřeba ještě finálně popsat (S = signál pro řízení serv, +, -).
Obr. 25: Na konec dvojlinky nakrimpujeme či připájíme konektor, který nám umožní krabičku propojit s napájecím zdrojem. V našem případě jde o JST konektor (samec).
Obr. 26s: Testování napájecího modulu – připojení k soutěžnímu sumo robotovi.
Obr. 26b: Testování napájecího modulu – připojení k soutěžnímu sumo robotovi.
Obr. 27: Varianta hříbek obsahuje navíc propojku. Tato varianta není osazena indikační LED.
Obr. 28: Na plošném spoji přerušíme cestu VCC (+).
Obr. 29: Přerušená cestu VCC (+) po připájení oboustranných kolíků.
Obr. 30: Po umístění propojky je možné modul používat stejně jako variantu modulu bez propojky.
Obr. 31: Modul napájení po umístění propojky je možné používat stejně jako variantu modulu bez propojky.
Obr. 32: Modul napájení - varianta modulu s připojeným bezpečnostním vypínačem.
Obr. 33: Modul napájení - varianta modulu s vypínačem na opačné straně.
Obr. 34: Modul napájení - varianta modulu s vypínačem na opačné straně.
Obr. 35: Modul napájení - varianta modulu s vypínačem na opačné straně a připojeným bezpečnostním vypínačem.
Obr. 36: Modul napájení v zapojení s napájecím zdrojem, bezpečnostním vypínačem a dvěma servomotory.
Obr. 37: Modul napájení v zapojení s napájecím zdrojem, bezpečnostním vypínačem a dvěma servomotory.
Obr. 38: Modul napájení v zapojení s napájecím zdrojem, bezpečnostním vypínačem a dvěma servomotory.

e-Mole zpravodaj

Objednejte si zasílání novinek e-mailem! Váš e-mail bude použit pouze k zasílání informací o novinkách na našem webu. Odebírání e-mailového zpravodaje můžete kdykoli zrušit (váš email bude z naší databáze trvale odstraněn).