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2017年9月8日金曜日

Raspberry Pi Zero Wのリチウムポリマーバッテリー化(その1)

Raspberry Pi Zero Wは、小型なのでそのままスタンドアロンで使いたいところですが、外部電源を接続するとUSBケーブルが邪魔だったりするので、なんとかならないかと、Raspberry Pi Zero Wの外形(65x30mm)にあったリチウムポリマーバッテリーを探していました。

Raspberry Pi Zero Wの短手30mmと同じ30mm幅のリチウムポリマーバッテリー。そして、リチウムポリマーバッテリー(3.7V出力)を使うからには、DCDC昇圧コンバーター(3.7V→5.0V)兼充電回路も必要。
青いアクリル板の上にRaspberry Pi Zero Wが固定されていますが、左側の長い部分は後からカットする予定です。

リチウムポリマーバッテリーに関してはアマゾンで探すとドローン用も含めいろいろありますが、やはりAliExpressで探すともっと種類があり少し安いので、今回もAliExpressから購入。
Raspberry Pi Zero WをWifiカメラとして使う予定でもあるので、バッテリー容量は1000mAh程度あったほうがいいかと。そうするとこのサイズのバッテリー(30x50mm程度)だと厚さが8mmくらい。つまりは、Raspberry Pi Zero Wの裏側に昇圧/充電回路とバッテリーを配置するのでこんなサイズにおさめてみました。

Raspberry Pi Zero Wとの電源供給ライン:
Raspberry Pi Zero Wに外部バッテリーから電源供給するには、いくつか方法があるようです。
(1)PimoroniのLipo SHIM(手っ取り早いのはこの部品、しかし充電機能がない)
(2)Raspberry Pi Zero WのGPIO2(5V)とGPIO6(GND)に接続(こちらのサイトを参考に

今回は元々ついているMicroUSB端子に直結している5V電源の端子(基板裏にある2つの端子:PP1とPP6)に接続することにしました。

これは↑、Raspberry Pi Zeroの基板裏面の画像ですが、PP1(5V)とPP6(GND)に接続するといいようです(Raspberry Pi Zero WにはPP1やPP6はプリントされていないのですが同じ位置にある端子です)。ここに直接ハンダづけしてもいいのですが、今回はポゴピンをつかって接続しようと思います。


ポゴピン:
Raspberry Pi Zero Wの端子に直接ハンダづけしてしまうと、交換するさいに面倒なので今回はすぐに脱着可能なポゴピンを間にはさみます。
今回用いたポゴピンは非常に小さく、直径1.5mm(下部の段の直径2mm)、高さ3mm程度です。内蔵してあるスプリングで先端の丸くなっている部分が約1mm沈みます。右側の黒い円筒形のものは、このポゴピンを保護するためのもの?
AliExpress.com Product - 10pcs Ultra small spring loaded pogo pin Diameter 2.3mm 3.0mm heigth brass material with Gold plated 1u 331円(10個セット:送料無料)。

このポゴピンを2mm厚のアクリル板に1.5mmと2mmの段差のある穴を開けて差し込みます(以下)。

そうすると、こんな感じになります。通電テストしてみると大丈夫そうでした。そしてこのポゴピンの底面(上画像では上面)に導線をはんだ付けし、昇圧/充電回路と接続する予定。
ここまでの作業はCNCマシンを使えばよさそうですが、実は手作業でやっています。というのも、まだ試作段階なので、各寸法や部品の配置位置を検証していると言う感じです。


昇圧充電回路:
リチウムポリマーバッテリーの昇圧充電回路もいくつかあります。今回探しているのは、5V電源供給可能かつバッテリー充電可能な回路。
(1)18650モバイルバッテリー内の回路流用(安い:AiExpressで100円程度)
(2)アマゾンでも購入可能なTP4056搭載の回路(安い:100円前後)
(3)Wemos Battery Shield(AliExpressで200円前後)
(4)AliExpressで売っている昇圧充電回路(300円前後)
(5)Adafruits PowerBoost1000 Charger($19.95:かなり高い)
というかんじで、候補はこれくらい。

(1)の18650モバイルバッテリーに使われているUSBコネクタ付きの昇圧充電回路。ダイソーでも300円で売っているようですが、AliExpressなら100円以下。ただしバッテリー(18650)は含まれていません。
AliExpress.com Product - Blue Portable Mini 18650 Battery Charge Box Case 18650 External Backup Battery Charger With Key Chain f#UO87円(送料無料)。安いので、ここから部品取りをするといいのかもしれませんが、実はこの回路、充電時は放電シャットアウトするタイプのようです。つまり充電しながらの使用(放電)はできないようです。
(2)のアマゾンでもよく見かけるTP4056搭載の昇圧充電回路。
HiLetgo 3PCS TP4056 1A リチウム バッテリ 充電ボード ミニ USB 充電器モジュール 4.5V-5.5V [並行輸入品]
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3個で120円なので、かなり安い。中国製基板には品質のばらつきがあるので複数買って比較しながら使うといいと思います(どれかが不良品という場合もあるので)。
この基板は充電放電を同時にできますが、USB接続時(充電中)は出力端子からは4.2Vが出ているようです。そしてUSB充電を外してバッテリーだけで駆動すると3.7Vが出力されます。つまり出力が5Vではないので、5Vが欲しいならさらに昇圧回路が必要となります(降圧して昇圧するためロスが大きい)。

(3)のWemos Battery Shield。
AliExpress.com Product - Battery Shield V1.1.0 For WEMOS D1 mini single lithium battery charging and boost
259円(送料込み)
これはESP8266のWemos D1 mini用のバッテリー充電シールド。この基板だけで充放電可能。
USB接続中は5Vがそのまま出力されるようです。バッテリーだけでの出力については、まだ未検証(ブーストしてくれるようなのでおそらく5V出力)。D1 mini用のシールドなので端子が両端に並んでいるぶん、やや大きい。

(4)AliExpressでその他リチウムバッテリー用の充放電回路を探すと、
こんな回路も売っています。350円(送料無料)。充放電可能で、InputにUSB接続(5V)、Outputが5VなのでそのままRaspberry Pi Zero Wの5V入力に使えそうです。現在の候補はこれ。サイズ:23x15.4mmも比較的小さい。

(5)Adafruit PowerBoost1000 Chargerもよさそうなのですが$19.95と高い。
右下に見えるのが、PowerBoost1000 Charger。これも充放電可能のようで便利そうですが、とにかく高い。それと想定しているサイズより少し大きめなので候補から除外。23x45mm。

ということから、(4)の基板にMicroUSB端子(メス)を接続して使う予定です。それぞれ安いので購入して試してみました。
左から、(4)、(2)、(3)、(1)です。それぞれかなり小さいのですが、(3)のWemos用のバッテリーシールドだけちょっと大きめ。機能的には左端の(4)がいいのですが(5V入力、5V出力、充放電同時可能)、MicroUSB端子(メス)をはんだづけしなければいけない。それと、電源ON-OFFスイッチもつけなければいけない。

リチウムポリマーバッテリー:
バッテリーのほうはというと、様々なサイズがありますが、Raspberry Pi Zero Wのサイズが65x30mmなので、30mm幅のもので1000mAh程度を探すと、

AliExpress.com Product - 3.7V,1000mAH,[803040] PLIB; polymer lithium ion / Li-ion battery for GPS,mp3,mp4,mp5,dvd,bluetooth,model toy616円(送料無料)、40x30mm、厚さ8mmで1000mAhというのがあります。1200mAhだと50x30mmというのもあります。だいたいこのあたりのバッテリーを採用。保護回路もついているので、そのまま使えます。そこそこ厚みはあるのですが、充放電回路のスペースも含めRaspberry Pi Zero Wの外形にはおさまる感じです。
という感じで、パーツ類はほぼ揃ってきたのですが、一旦中断しています。このRaspberry Pi Zero Wとリチウムポリマーバッテリーを一体化して、さらにはカメラも装着して、コンパクトにまとめたIPカメラをつくることがとりあえずの目標です。
追記:続きはこちらへ
関連:Raspberry Pi Zero W:IPカメラ実験(Picamera)

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