Обзор регуляторов напряжения для Ardupilot APM 2.0 -2.5.x

Так случилось что схемотехники Diydrones начиная с версии автопилота 2.0 погнались за компактностью и дешевизной и сократили с платы регулятор напряжения 5 вольт, тем не менее многократные эксперименты показали что без хорошего питания этот контроллер можно применять только на “игрушках которых нежалко”. Для обеспечения надежности работы автопилота необходим отдельный источник для питания авионики (приемник, автопилот, телеметрия, осд) и отдельный для сервоприводов (у мультироторников это могут быть сервоприводы подвеса камеры)

Питание авионики:
самую высокую стабильность выходного напряжения обеспечивают линейные регуляторы (например на микросхеме LM7805), но их недостаток в том что все избыточное напряжение они срезают в тепло а это не только возможный перегрев но и неэкономное расходование энергии.

импульсный регулятор напряжения именуемый UBEC на номинальных нагрузках практически не нагревается и преобразует напряжение с КПД порядка 90%
но некоторые из юбеков создают существенные помехи, другие дают выбросы при включении, выключении или резком перепаде тока нагрузки.

обычно мои коллеги используют недорогие китайские регуляторы, однако как показала практика для ардупилота не все 5 вольтовые юбеки идеально подходят.

некоторые не дают необходимую скорость нарастания импульса при включении что приводит к тому что нужно передергивать провод от юбека к апм

hobbyking.com/…/__32120__TURNIGY_3A_UBEC_w_Noise_R…

другие при подключении юсб перегружают цепь питания юсб - срабатывает встроенный в апм 2.5 предохранитель

hobbyking.com/…/__31992__HobbyKing_Micro_UBEC_3A_5…

а вот такой в режиме 5 вольт работает вполне адекватно

hobbyking.com/…/__37154__HXT_UBEC_5_6v_output_5_5_…

идеальным решением для питания авионики является связка UBEC с выходом 6 вольт с дополнительным LDO регулятором понижающим в свою очередь напряжение до 5 вольт. низкий уровень обрезки по напряжению не создает чрезмерного нагрева линейного регулятора при токе порядка 500ма (которых с большим запасом достаточно на полный комплект авионики)

совсем недавно я сделал печатную плату на которую можно поставить юбек, линейный регулятор LM2940 и для полного комплекта и завершенности резисторный делитель сенсоров напряжения батареи. При этом трехконтактная вилка выхода источника питания включается в порт A1 контроллера апм 2-2.5
получилось надежно изящно и функционально. Чертежи платы, схема и фотографии внизу странички, схема в формате eagle и файлы для производства печатных плат тут
Питание сервоприводов
что касается питания сервоприводов подключенных к выходной планке ардупилота АПМ 2-2.5 то их питание возможно обеспечить двумя способами:

  • если вы используете дорогой регулятор оборотов имеющий собственный импульсный источник питания то этого вполне может оказаться достаточно чтобы обеспечить питание сервоприводов. При этом и ESC и сервоприводы просто подключаются к планке выходов.

  • если у вас используется ESC с линейным регулятором напряжения (BEC) то при интенсивной работе сервоприводов или подклинивании одной из них может случиться перегрев ESC в результате которого пропадет питание на всех сервоприводах и аппарат останется неуправляемым. Поэтому если при интенсивной работе сервоприводов ESC существенно нагревается следует его красный провод в шлейфе управления отрезать (или вынуть из трехконтактного разъема и заизолировать) а питание подать от дополнительного UBEC в любой свободный штеккер планки выходов. В этом случае подойдет любой мощный UBEC. В случае использования высоковольтных сервоприводов (с питанием 7,2 вольта) возможно подавать на планку выходов это напряжение в качестве питания серв.

Дополнительный фильтрующий конденсатор по питанию авионики +5v.
Для компенсации перепадов напряжения связанных с изменением потребляемого тока я настоятельно рекомендую впаять электролитический конденсатор большой емкости прямо в плату автопилота. Подходящие для этого отверстия есть вблизи кнопки reset и подписаны +5 и gnd соответственно. Емкость конденсатора может составлять 470мкф - 3000мкф на напряжение 6,3 и выше. при этом миниатюрный конденсатор вполне возможно установить так чтобы он был внутри корпуса.

  1. апм 2.5 разводка diydrones производство rctimer
  2. апм 2.5.2 разводка diydrones производство rctimer
  3. apm 2.5.2 m1 разводка моя, производство myairbot.com
    в первые две впаивать конденсатор как указано, лаком покрываю зоны кварцев (важно при полетах в облаках , в условиях высокой влажности)
    в №3 на освободившееся место поставил конденсатор 100мкф , большей емкости под размер A не нашел, в следующем релизе увеличил посадочное место до размера “С”, зоны кварцев покрыты прозрачным составом “PLASTIC”. помимо подправленной разводки питания заменен тип регулятора 3,3 вольта, поставлен более дорогой и {предположительно, тесты покажут} надежный чип mic5233.
    как водится из древности, Левша не делал механической блохи, но подковать буржуйскую это наша национальная традиция. 😃

в платах разведенных дидронес крайне важно:
прежде чем включать питание нужно убедиться что перемычка J1 не установлена.
установка этой перемычки допустима лишь при “стендовых испытаниях”, она отводит напряжение от планки выходов через диод и предохранитель для подпитки авионики. В моем релизе я убрал этот крайне вредный артефакт.

пайка авионики должна осуществляться паяльником с низковольтным питанием, с заземленным жалом. при этом все цепи должны быть обесточены и отключены от интерфейсных разъемов. Если на страх и риск используется паяльник на 220 вольт то хотябы проверьте с помощью индикаторной отвертки что на его жале нет пробоя от питающего напряжения. (проверяйте индикаторной отверткой в обеих возможных положениях вилки паяльника в розетке) Используя 220 вольтовый паяльник отсоедините плату от разъемов, положите на изоляционную подложку и паяйте не касаясь платы руками (т.к. ток может пойти с жала паяльника пройти через цепи платы и через руку замкнуть цепь в землю, иногда можно даже не почувствовать что через руку прошел ток, а плата может выйти из строя)

схемка включения UBEC + LDO c сенсором напряжения

это кустарно изготовленный прототипчик:

чуть позже, когда придут заводские платы - обновлю фотку

пришли заводские платки
вот обещанные фотки:

при заказе на китайском заводе платки обходятся в копейки (~50р за шт). качество супер, тоже самое заказать у нас в “резоните” обойдется 150-300р
плат заказал с избытком - поэтому у кого руки с паяльником дружат - готов подарить образцы при условии самовывоза (г.москва)
в принципе если кому нужен набор деталей (готовая плата ubec на lm2596 + чип ldo lm2940 + конденсаторы + резисторы + моя платка) или готовый блок - пишите на kozin@mail.ru
собрал несколько образцов, протестировал - отлично держит нагрузку, точно показывает заряд батареи, защитный диод по входу предотвращает сжигание юбека при ошибочном подключении -по всем параметрам вышло отличное промышленное изделие

попутно с блоками питания заказал у китайцев новую разводку адаптера под GPS на mediatek 3339 c увеличенной экранирующей подложкой:
на фотке слева предыдущая, миниатюрная версия - справа новая

по предварительным тестам жпс на увеличенной подложке еще лучше определяет позицию… но это совсем другая история.

обновление 16.03.2014:
Китайцы прислали пробную партию контроллеров АПМ252M2 в количестве 10шт, все запяно ровненько, компас после калибровки показывает четко на кресто-тесте.

помимо тех кто просил отложить наборчик осталось еще 3 штучки кому интересно - подробнее тут sites.google.com/site/talon2v2/action.
из косячков - в первом варианте лого на обратной стороне платы был пропечатан четко, в этот раз промахнулись.
просил поставить электролитические кондеры на питание - оставили керамические (но ничего, сам препаяю)
из ништяков - не использовано “золочение” площадки просто облужены поэтому штыри паяются великолепно
попутно заказал голых печатных плат, кому нужно для ремонта - обращайтесь
в понедельник закажу еще 20шт

обновление от 01.04.2014
фотогаллерея от коллеги
провода следует закрепить либо при помощи клея, либо поместив между двумя слоями вспененного двустороннего скотча,
скотч зажимается между двумя платами и не позволяет проводам надламываться

как заменить торчащий переменник на смд резисторы:

чтобы было на выходе 6,32В нужен резистор 1.411кОм
Так, при необходимости иметь резистор сопротивлением 1,4 кОм параллельно соединяют резисторы сопротивлением 2 и 4,7 кОм или 2,2 и 3,9 кОм

упаковано в термоусадку:

эта фотогаллерейка тут yadi.sk/d/4vX_mT-aLbi7n

расчет резисторов сенсора напряжения в зависимости от числа банок:

LDO в корпусе sot 223 имеет название LM2940IMP-5.0
www.terraelectronica.ru/catalog.php?ID=1115&Search…
Будьте внимательны популярный регулятор LM1117-50 тут категорически не подойдет, он не допускает обратного питания которое возникает при подключении USB

FAQ
как подключать мой повермодуль к оригинальным АПМ 2, 2.5, 2.5.2, 2.6

в гнездо А1, это второй разъем, нумерация от 0.
темный провод - GND (черный или коричневый) должен быть с краю контроллера
красный провод - питание, (+4,97V) по центру
светлый провод - сигнал сенсора напряжения, (желтый или белый) в сторону середины контроллера
при использовании гнезда A1 в настройках контроллера в программе мишен планер следует выбрать тип сенсора “voltage” с конфигурацией non-3dr

как подключать мой повермодуль к АПМ моей редакции

модуль подключается в специальный порт, установленный на том месте где на оригинальном варианте был 6-контактный разъем повермодуля
в настройках контроллера, в программе мишен планер следует выбрать тип сенсора “voltage” с конфигурацией 3DR.

Какое напряжение питания считается идеальным для контроллера?
Диапазон 4.90 - 5.10 следует считать идеальным для комплекта авионики, за исключением случая когда используется единое питание для MinimOSD,
в случае использования MinimOSD не рекомендуется превышать 5.0 т.е. идеальным считаем диапазон 4.90 -5.00

Какой ток потребляют компоненты получающие питание от повермодуля
типовые - максимальные (пиковые) значения
APM 2.x.x + GPS 75-100мА
MinimOSD 10-100мА
3DR radio 20-80мА
приемник радиоуправления (10-20мА)

дополнение
попробовал ldo mic39100-5.0WS
он в таком же корпусе sot223
оказался лучше LM2940 держит ровно 5.0 начиная от 5.8 входного. тестил на нагрузке 1.2 ампера при входном 5.8 почти не греется, просадка составляет 0,05 вольта т.е. на выходе 4.95. заказывал в элитане.

так выглядит современное изделие:

что означают надписи
4s - означает что делитель сенсора напряжения выбран на число банок не более 4, бывает модель для 6 банок, минимально допустимое входное напряжение обеих моделей 7 вольт.
vout - результат проверки без нагрузки
voutL - результат теста под максимально допустимой нагрузкой

iru1150.rar

  • 31760
Comments
panAlex

Спасибо, включил сей труд в свою “копилку знаний”, повторение и закрепление фундаментальных основ лишним не будет.

LysvaSki

Спасибо за труд!

вот тут наверное забыли прикрепить изображения:
>получилось надежно изящно и функционально. Чертежи платы и схема тут [вставить ссылку]
и
>миниатюрный конденсатор вполне возможно установить так чтобы он был внутри корпуса. [вставить фотку]

alexeykozin

да, конечно, поправлю, статья долго лежала в черновиках изза недостатка времени, но поскольку вопрос остался столь жизненно важным я побыстрому опубликовал, сейчас доделаю

fidller

так источник питания уже купить мона?

alexeykozin

честно говоря я не планировал делать БП на продажу, в плане исключения - пишите в личку
в течении недели должны придти заводские платки (если как это водится почта не подведет)

TigerFS

Интересное и изящное решение.
Нашел на ибэе вот такой регулятор напряжения, хотелось бы узнать как себя поведет он в такой связке.
В любом случае буду повторять на представленном регуляторе, “ибо их есть у меня”. Ну а по прибытию микро регуля, буду экспериментировать с ним.

alexeykozin

ссылка битая

shura2000

Алексей, а вы продаете платы своей разводки?

alexeykozin

Это пока тестовый образец, первые 10 шт будут предположительно к началу февраля, несколько штучек должны остаться.
если интересно, киньте мэйл в личку, я отпишусь

gorbln

Алексей, если вы действительно автор платы с эйрбота - учтите, пожалуйста, в следующем релизе - 3.3-вольтовый 5-выводный стабилизатор - гомно. Горит. Лучше бы заменить его на что-нибудь, понадёжнее.

alexeykozin

родная аирботовская плата - полная копия по оригинальным чертежам,

цель заменить стабилизатор и сподвигла перечертить плату,
когда я искал производителя мне товарищ порекомендовал этих парней

сейчас у них заказал производство по своим чертежам,
на фотке тестовый образец

регуль заменен в моем релизе хотя и в корпусе sot-23-5 но чип другой mic5333 (пинаут тоже, EN к питанию)
у оригинального критическое входное напряжение 6 вольт
у mic5333 хоть и подороже но держит всплески до 30 вольт и столь важное для сенсоров напряжение 3,3 на ней более стабильно

делать громкие заявления еще рано - предстоит полный цикл тестирования, но первые опыты радуют, все попало на свои посадочные места напруга 3,301 с точностью до тысячных, компас окалибровался с офсетами в несколько единиц и весьма точно показывает стороны света в тесте “на кресте”

собственно тестирую версию M1, первые 10 плат будут уже M2
вот история модификаций:

apm2.5.2m2 версия

  1. изменено посадочное место под 470Uf 6,3v с размера 1210 на “С”
  2. изменено положение защитного диода
  3. сигналы SDA и SCL для внешнего компаса выведены на свободные пины 2,54

apm2.5.2m1

  1. на обратной стороне платы в слое silk размещено лого <site>.ru (сайт на котором планируется организовать саппорт)
  2. убраны детали старой цепи питания jp1 диод и предохранитель
  3. добавлен конденсатор по питанию 220Uf - 470Uf 6,3volt - size 1210
  4. изменен тип разъема повермодуля на 3*2,54 разводка: gnd +5V сенсор напряжения(чтобы никому не пришло в голову использовать с дидроневским повермодулем)
  5. a12 выведен на отдельную контактную площадку
  6. 3v3 стабилизатор изменен под чип у которого pin 3 подтянут к +5
gorbln

Ага, вон оно как! Ну, тогда респект и уважуха, два раза ку
Надеюсь, аирботовцы тоже заменят на своих платах стаб, а то это УГ от TI уже в печёнках.

shura2000

а какой тогда на вашей плате используется повермодуль? Тоже собственного производства?

alexeykozin

да, схемка и фотка повермодуля нижняя,

думаю аирботовцы тоже со временем вместо своих плат перейдут на мою,
ну разве что лого заменят

alexeykozin

пополнил шапку новыми фотками на заводской плате.
что касается платы APM 2.5.2M2 которую мне обещали сделать на китайском заводе в количестве 10шт - пока ожидание окончания китайского нового года

alexeykozin

контроллеры APM 2.5.2M2 пришли, еще пару дней потестирую, в шапке добавил ссылку что где почем

Shuricus

Алексей, а можно пожалуйста попросить крупнее фото платы, что бы видеть, куда что паять.

alexeykozin

на предмет что куда паять
тут выложил игл-файлы так гораздо лучше чем скан платки
секрета и ноухау из модификации делать не хочу, наоборот путь будет лучший релиз - публичным, пусть будет больше надежных автопилотов.
Если кому надо сделать много плат или со своим лого - обращайтесь, есть опыт и налаженный канал производства в китае

filip95

В каком корпусе lm2940 вы используете? SOT223?
И еще такой вопрос, так как только начинаю разбираться в печатных платах, конденсаторы c2, c3, c4 по схеме должны идти на минус, но печатной плате минусовой контакт как-будто не куда не разведен или они соеденяются потом проводками?
Если не трудно укажите пожалуйста емкость конденсаторов с2, с3, с4 и какой необходим диод d1?
Большое спасибо за то-что вы выкладываете такие проекты.

alexeykozin

конденсаторы любые 47-220 мкф в корпусе типа b на напряжение не ниже 6,3 вольта
диод любой в подходящем по размеру корпусе на ток от 1а и выше, напряжение 50 вольт и выше. диод защищает юбек при случайной переполюсовке и оставляет заряд входного конденсатора при дребезге контакта в цепи питания (это позводяет отследить обесточку если силовое питание пропадает в полете, апм еще несколько сек пишет логи)

filip95

C номиналоми понятно, а это можете прокомментировать пожалуйста

В каком корпусе lm2940 вы используете? SOT223?
И еще такой вопрос, так как только начинаю разбираться в печатных платах, конденсаторы c2, c3, c4 по схеме должны идти на минус, но печатной плате минусовой контакт как-будто не куда не разведен или они соеденяются потом проводками?

alexeykozin

SOT223
в игл редакторе чтоб показало шины соединенные с экранами нужно нажеть кнопочку похожую на икс с точками на концах

filip95

Большое спасибо.
Сегодня вечером посмотрю.

Shuricus

Предлагаю выбрать замену огромному LM2596 из следующих вариантов:
www.adafruit.com/datasheets/MP2307_r1.9.pdf
www.sunnyqi.com/upLoad/product/…/MP1584.pdf
www.aas.com.tw/…/power_stepdown_conterter.pdf

Их можно было бы прямо интегрировать в плату. Меня волнует только очень ли нужны там отсутствующие электролиты?


alexeykozin

спасибо за инфу,
регуляторы в принципе должны подойти для сборки компактного модуля для миниатюрных моделей,
но диапазон их применения ограничен питающим напряжением 23-28V у (LM2596 35V),
исходя из специфики применения на авиамоделях для обеспечения надежности максимальное напряжение регулятора должно быть процентов на 30 больше чем напряжение заряженной батареи, это обусловлено тем что в момент включения батарей возникают выбросы существенно превышающие напряжение батарей.

в принципе я в поиске относительно недорогих модулей с критическим напряжением порядка 60-80вольт и более, втч гальванически развязанных с трансформатором.

alexeykozin

добрые люди дали наводку на юбек -чип с абсолютным максимумом в 65 вольт
www.alldatasheet.com/…/TPS54360.html
буду искать теперь их где подешевле взять в отдельном или готовом виде

Aminokislota

а в следующих ревизиях платы и повермодуля не планируется добавить датчик тока?

alexeykozin

датчик тока будет, но он будет отдельной платой.
причина в том что датчик тока нужен далеко не всем. личные выводы что если доверять расходу тока то очень легко ошибиться, и это не связано с неточностью датчика, скорее с нестабильностью токоотдачи батареей в разных условиях. Другое дело если показания тока есть то можно выявлять на стадии анализа полетного лога наступление аварийной ситуации связанной с ростом потребления неисправным регулятором или мотором с подгоревшей обмоткой.

датчик будет на алегро -сенсоре, он имеет целый ряд преимуществ по сравнению с решением использованном dydrones

  • гальваническая развязка позволит исключить земляные петли, наводки и позволит измерять ток в цепях имеющих разность потенциалов с цепью сенсора хоть тысячу вольт (например для моделей имеющих отдельно батарею силовой установки на 10S-12S и отдельно батарею серв и авионики)
  • высокая точность
  • широкий диапазон токов 50, 100, 150, 200А
    подробнее писал тут rcopen.com/blogs/99365/15541
    сейчас на заводе заказаны печатные платы … ждемс…
Aminokislota

Мне датчик тока интересен для расчета наводок от моторов на компас по току а не по газу, при полетах в сильный ветер иногда когда коптер сильно сопротивляется ветру компас сбивается. Подозреваю что если газ не трогать то и наводки не учитываются на более сильных оборотах нежели подразумевает положение газа. ну или все таки вынести компас во вне.

alexeykozin

в вашем случае логичнее уменьшить влияние силовых проводов на компас чем пытаться скомпенсировать влияние.
дело в том что провода разных моторов по разному оказывают влияние

-симетричная двустороння пластина раздачи питания с симетричной распайкой потребителей
-свить провода потербители в витые пары
-максимально низко опустить силовые провода и плату распределения питания
-максимально высоко поднять апм или внешний компас

при расстоянии около 10см и учете вышеуказанных мер влияние потребления на компас составляет менее 3%

Aminokislota

Спасибо за совет, попробую скрутить провода.

sp_rt

Алексей, подскажите, где найти mic5333 в корпусе SOT23-5? Все варианты, что нахожу - в другом корпусе. Спасибо.

alexeykozin

если не ошибаюсь код YM5
сейчас купил mic5205-3.3 ym5 он аналогичен 5333 но чуть меньше входное зато точнее, считается прецезионым.
попробовал один в жпске - все работает

sp_rt

Смущает значение выходного шума в 260 микровольт против 15 у 79133. На сколько критичен этот параметр?

alexeykozin

по выходу стоят несколько конденсаторов, они компенсируют шумы

frag1k

Здравствуйте.

Планирую собрать бутерброд из импульсника + линейного, но:

  1. Из импульсного в наличие только 2 платы на RT8272 — eachbuyer.com/4-75-24v-to-0-92-15v-boost-buck-volt…, даташит www.aas.com.tw/…/power_stepdown_conterter.pdf
    Максимальная мощность — 10 Вт, что в расчете на 5 В напряжения получается 2 А. Аккум 3S и больше не планируется на этот аппарат. Тут, по идее, проблем нет, так ведь?
  2. По какому параметру в даташите понять допускает (держит) ли линейный стабилизатор обратное питание? LM2940IMP нет возможности приобрести в данный момент (а ждать не хочется), как и mic39100-5.0WS.

С уважением, Максим.

frag1k

Еще такой вопрос. У меня квадрокоптер Cheerson CX-20. В нем китайцы напрочь забыли о Failsafe и ADC12 и 13 оставили свободными.

На форуме умельцы просто сделали делитель, но делитель с коэффициентом 10: www.rcgroups.com/forums/showthread.php?t=2112759&p…

Я так понимаю, что мне в текущей схеме тоже стоит использовать решение с форума, т.к. делитель с вашими номиналами при скачке напряжение, предполагаю, может убить МК?

MadJohn

Здравствуйте. Подскажите пож-та как лучше запитать телеметрию? Начитался что от APM питать не стоит, лучше запитать отдельно. Нормально ли будет запитать ее вот таким отдельным регулятором?
И еще вопрос, от чего питать приемник, от APM?

pakman48

Скиньте пожалуйста печатку линейного регулятора я думаю не только мне это интересно! (и как договаривались с китайцами по поводу печатки в каком формате скидывали плату ?)

alexeykozin

заказываю на сидстудио, у них есть макрос для игла который делает герберы необходимые дал производсва.
кстати эти же герберы идеальны для производства в резоните зеленоград

alexeykozin

немного фоток

подробнее тут …apmcopter.ru/…/izdelija-gruppy-megapilot-ru.517/

сейчас во всех изготавливаемых бп стоит регулятор iru1150 мощный и беспощадный к просадкам
благодаря оптовой покупке комплектующих ценник выходит бюджетным,
плату тоже смысла заказывать в единичном экземпляре нет - кому нужно - обращайтесь закажем коллективно
герберы в аттаче к статье, в архиве