µArt.cz

Pokud mě sledujete na Twitteru, tak jste si možná všimli, že se od ledna 2024 hraju s LoRa mesh sítí Meshtastic. K tématu jsem napsal už několik textů zde na blogu – Meshtastic prakticky, Výroba Meshtastic routeru a Výroba Meshtastic routeru 2 – na Printables jsem zveřejnil model pro držák elektroniky RAK19007 a solárního panelu – na LinuxDays jsem měl přednášku a na Root.cz mi vyšel článek.

V květnu, nespokojen s mým solárním nodem s RAK4631, jsem poprvé otevřel KiCAD a začal s návrhem vlastní PCB pro Meshtastic… Následující text popisuje solární MPTT nabíječku pro LiIon, LiFePo4 nebo LTO baterie založený na modulu RAK4630.

V čem je tato MPPT nabíječka zajímavá? Především v tom, že je všechno na jedné desce plošných spojů o rozměrech 70 × 43 mm. Dále je možné použít libovolný solární panel s pracovním napětím od 7 do 30 V a libovolnou baterii s nominálním napětím menším jak 5,6 V. To znamená, že se k Meshtastic routeru dá připojit:

• 1S Li-Ion a Li-Pol (standardní a běžně dostupné baterie, asi nejpoužívanější mezi Meshtastic nadšenci),
• 1S LiFePo4 (oblíbené akumulátory v solárních instalacích s velkou životností a kapacitou i více jak 100 Ah), nebo
• 1S a 2S Lithium Titanate Oxid a.k.a LTO (baterie, které je možné vybíjet a nabíjet i v zimě při teplotách méně jak −10 °C).

Kromě toho jsou na PCB připraveny konektory pro snadné připojení I2C senzorů (například měření teploty, vlhkosti a tlaku nebo jakékoliv jiné, podporované firmwarem Meshtastic), konektor USB-C (ten slouží pouze pro komunikaci, není určen k napájení desky) a tlačítko RESET pro snadnou aktualizaci FW, dvě signalizační LED, snadný přístup k signálům UART RX a TX a rozhraní SWD (Serial Wire Debug) pro vývoj/debug FW a nakonec tři montážní díry na šrouby M3 pro pohodlné uchycení PCB do krabičky.

Na základové desce a na tomto textu stále pracuji. Existují tři revize PCB:

• Revize A z 6.6.2024, prodej od 8.7.2024 a od 11.8.2024, již nedostupná.
• Revize B z 12.8.2024, prodej od 4.9.2024, již nedostupná.
• Revize C z 1.10.2024, prodej od 1.11.2024.

Rozdíly ve verzích jsou vysvětleny dále v textu.

Schéma

Základová deska obsahuje tři hlavní části:

• nabíjecí MPPT obvod založený na čipu CN3795,
• buck/boost DC/DC konvertor s TPS63000 a
• rádiový modul LoRa 868 MHz RAK4630.

Mezi Meshtastic staviteli je oblíbená základová deska RAK19007 s LoRa modulem RAK4631, k tomu MPPT nabíječka Li-Ion baterií založená na CN3791 a jeden nebo více paralelních článků Li-Ion. Toto je zapojení, ze kterého jsem vycházel.

Základem rádiového modulu RAK4631 je modul RAK4630 (matoucí, že?), který je umístěn na malém PCB s několika rezistory a miniaturním SMD konektorem ze spodní strany. Modul RAK4631 tak nebylo potřeba používat a vybral jsem o pár dolarů levnější RAK4630 s IPEX konektory, který se dá snadno připájet pomocí tzv. castellated holes na vlastní PCB.

Nabíjecí obvod CN3791 od Čínské firmy Consonance je 4 A MPPT nabíječ jednočlánkových Li-Ion nebo Li-Poly baterií. Při procházení nabídky stejné firmy jsem narazil na mnohem univerzálnější a zajímavější obvod CN3795, který se liší v tom, že podporuje nabíjení různých typů baterií a není tak nutné používat jen Li-Ion/Li-Pol.

To mě zaujalo, protože Li-Ion baterie mají jeden zásadní problém pro stacionární Meshtastic node – chemie těchto baterií neumožňuje nabíjení při teplotách pod bodem mrazu. Pokud má přijít zombie apokalypsa a Meshtastic node má fungovat celý rok, pak je nutné Li-Ion baterie umístit v místě, kde nemrzne (například pod střechu) anebo zvolit jiný typ. Rozhodl jsem se, že moje základová deska umožní oboje.

Pokud zůstaneme u akumulátorů založených na lithiu, pak je horkým kandidátem technologie Lithium Titanate Oxide neboli LTO. Tyto články mají menší hustotu energie, jsou dražší a mají jiné pracovní napětí, než klasické Li-Ion. Samá nevýhoda, až na jeden (pro nás důležitý) parametr: pracovní teplotní rozsah LTO baterií je -40 až +55 °C (každý výrobce uvádí trochu jiné čísla). Skvělé.

Finální zapojení CN3795 jsem převzal z datasheetu výrobce až na dva drobné detaily: na vstup panelu jsem přidal Schottkyho diodu D1, která ochrání vstup proti přepólování (za cenu malého úbytku napětí do 0,5 V) a výstupní napětí do baterie a pro zbytek obvodu jsou odděleny. Napětí VCC, které se používá pro vytvoření stabilních 3,3 V je zapojeno hned za cívkou L1 a před měřicím rezistorem. Pokud by napětí VCC bylo zapojeno až za měřicí rezistor, pak by proud do LoRa modulu a dalších částí ovlivnil rozhodovací logiku čipu CN3795 a ten by nemusel správně vyhodnotit ukončení nabíjecího procesu.

Již zmiňované stabilní napětí 3,3 V pro LoRa modul generuje DC/DC měnič s TPS6300. Tento obvod je typu buck/boost a dokáže pracovat se vstupním napětím 1,8 až 5,5 V. Takže ideální pro uvažované baterie, které mohou mít napětí pod i nad hodnotou 3,3 V.

Zapojení jsem doplnil o USB-C, konektory pro I²C a další nezbytnosti. Výsledek, který jsem tvořil po večerech necelý týden, je na obrázku níže. Návrh PCB, výběr všech součástek a příprava výrobních dat zabrali další týden. Kvůli miniaturním rozměrům některých součástek (dívám se na vás, U2 a U3!) jsem poprvé v životě nechal PCB také strojově osadit.

Poté, co jsem prodal všechny kusy z první výrobní série jsem udělal v designu pár změn a vznikla revize B. Ta je funkčně shodná s revizí A a obsahuje pouze drobné změny, které mi usnadnily ruční pájení:

• Napájecí konektory J1 a J2 jsou blíže k sobě a tím pádem oba šroubovací konektory mohu spojit a pájet jako jeden.
• USB-C konektor jsem vyměnil za levnější SMD variantu a nechávám ho osadit strojově. Pájení THT varianty v revizi A bylo časově náročné a výsledek nebyl dobrý.
• Výměna RESET tlačítka za jiný typ, nově se osazuje strojově.
• Změna rezistoru R13 ze 150 kΩ na 120 kΩ. To znamená, že při spojení plošky JP8 je možné desku revize B napájet z 12 V zdroje namísto původních 13,8 V v revizi A.
• Úprava GND ploch ze „solid pad connections“ na „thermal reliefs“. Ruční pájení rádiového modulu je nyní snadnější, GND plošky s thermal reliefs neodvádí teplo tak rychle.

Revize C pak přinesla další vylepšení:

• Přidal jsem 2 pinový konektor JST-PH pro pohodlnější zapojení baterie. Nyní je možné si vybrat mezi tímto konektorem (Li-Ion baterie z Hadex.cz a Laskakit.cz mají tento konektor) a původním šroubovacím terminálem.
• Baterie má nově nadproudovou ochranu. PPTC pojistka začne reagovat pro proudy >750 mA.
• Testpointy jsou nyní všechny na spodní straně, což umožní snadnější a rychlejší testování.
• Kompletně jsem změnil layout buck-boost měniče, ten má nyní větší plochy mědi a lepší GND v okolí. Přesně podle doporučení výrobce.
• Lehce jsem optimalizoval layout MPPT měniče, přiblížil jeho vstupní a výstupní kondenzátory a udělal místo pro výše zmíněnou PPTC pojistku.
• Na zadní straně je nově logo „Powered by Meshtastic“.

Užitečné odkazy

• Revize C
  • 3D model ve formátu STEP,
  • schéma ve formátu PDF,
  • layout desky v KiCAD 8.0 a
  • další dokumenty, ZIP soubor.
• Revize B
  • 3D model ve formátu STEP,
  • schéma ve formátu PDF a
  • layout desky v KiCAD 8.0.

Nastavení desky

PCB je navržena univerzálně, aby vyhovovala (snad) každému. Díky tomu jde použít libovolný solární panel s napětím od 7 do 30 V a baterie s různou chemií a kapacitou. Daní za univerzálnost je nutnost nastavit správné parametry před prvním použitím. K tomu slouží několik pájecích propojek, takže zapněte páječky a jdeme na to. Rozdíly PCB v revizi A a B jsou vyzvětleny vždy tam, kde je to relevantní. Většina fotografií ukazuje revizi A, ale popsané platí i pro revizi B a C.

Nabíjení baterie

K výběru maximálního nabíjecího napětí baterie slouží propojky JP4 až JP7 a maximálního nabíjecího proudu pak propojky JP1 až JP3.

Nabíjecí napětí je nominální napětí baterie v plném stavu (pro Li-Ion je to např. 4,2 V). Pro výběr vámi zvolené baterie stačí propojit/spájet obě plošky jedné propojky. Vyberte vždy jen jednu propojku! V případě baterií LiFePo4 nebo jiné méně obvyklé chemie zvolte propojku JP7 a pozici R6 osaďte THT rezistorem s vhodnout hodnotou.

Baterie	Napětí	Propojka
1S LTO	2,77 V	JP6
1S Li-Ion nebo Li-Pol	4,18 V	JP5
2S LTO	5,56 V	JP4
1S LiFePo4	3,55 V	JP7 + rezistor 140 kΩ
jiný typ	< 5,6 V	JP7 + rezistor \(R_{6} = \frac{326}{U_{BATT} – 1.22} [k\Omega]\)

Maximální nabíjecí proud se volí pomocí propojek JP1 až JP3. Pokud jsou všechny propojky rozpojeny (výchozí stav), pak je proud nabíjení 120 mA. Obvod nikdy nepřekročí nastavený proud a to ani v případě, kdy je solární panel (zdroj napětí) dostatečně výkoný. Naopak proud může být nižší, pokud není solární panel schopen dodat dostatečný výkon.

Pokud má vaše baterie větší kapacitu a používáte velký solární panel, pak je možné nastavit i vyšší nabíjecí proud spájením obou plošek propojek JP1 (240 mA), JP1+JP2 (360 mA) nebo JP1+JP2+JP3 (480 mA). Toto je jediné nastavení, kde je možné spájet jednu nebo i více propojek současně.

Doporučuji nastavit nabíjecí proud na maximálně 0,5 C vaší baterie. To znamená maximální proud menší jak polovina kapacity. Například baterie s kapacitou 500 mAh může být nabíjena maximálně 250 mA, takže propojka JP1 (proud 240 mA) je v pořádku. Pro baterii 1000 mAh nebo větší můžete nastavit maximální hodnotu 480 mA (všechny propojky spojeny). Obecně platí, že menší nabíjecí proud zvyšuje životnost baterie a nabíjení je bezpečnější i při vyšších teplotách okolí.

Na PCB revize C je modrý šroubovací konektor označený jako J1 (vlevo dole) a pak nově i bílý JST-PH konektor J2. Oba slouží pro připojení vámi zvolené baterie, ovšem použijte vždy jeden z konektorů. Nezapojujte dvě různé baterie na oba konektory! Zároveň si dejte pozor na polaritu baterie (například Li-Pol baterie od Hadex.cz mají JST-PH konektor zapojený opačně, než u Li-Pol z Laskakitu).

Ještě bezpečnostní poznámka: základní deska neobsahuje under-voltage ani over-current ochranu baterie (revize C přidala over-current ochranu, ale stále je bez under-voltage). To znamená, že baterie se může vybít pod minimální dovolené napětí a tím pádem trvale zničit. U revizí A a B není baterie cháněna ani v případě zkratu nebo jiné závady, která způsobí velký vybíjecí proud baterie. Proto vždy používejte baterie se zabudovanou ochranou.

Poznámka k LTO bateriím: někteří výrobci uvádějí, že LTO baterie je možné bezpečné vybíjet i do 0 V bez jejich trvalého poškození, pouze za cenu zkrácení životnosti. Pokud je to pravda, znamená to, že under-voltage ochrana není pro LTO baterie potřebná a u PCB revize C je tedy možné tyto baterie zapojit bez ochrany. Musím ale zdůraznit, že je to tvrzení některých výrobců a nemám jej otestováno. Zkoušejte na vlastní nebezpečí.

Solární panel

Pro nastavení pracovního napětí solárního panelu U_MPPT slouží pájecí propojky JP8 až JP11. Pájí se vždy jen jedna propojka, ostatní musí zůstat nespojeny. Pokud je váš panel například 12V/10W z Hadex.cz, pak je jeho maximální napětí naprázdno U_OC=21,58 V a napětí při maximálním výkonu U_MPPT=17,42 V. Pro tento příklad spojte propojku JP9, která nastaví napětí na cca 17,77 V, tedy velmi blízko požadovanému U_MPPT.

Další předpřipravené hodnoty napětí U_MPPT jsou 13,76 V; 17,77 V a 19,38 V pro revizi A a 11,35 V; 17,77 V a 19,38 V pro revize B a C. To je dáno rezistory R13, R14 a R15. Propojka JP11 a místo pro THT rezistor R16 je připravena, pokud vám ani jedno předpřipravené napětí nevyhovuje. Pokud máte solární panel s jinou hodnotou, pak stačí na pozici R16 připájet rezistor o hodnotě:

\(R_{16} = R_{12} \cdot \frac{U_{MPPT} – 1.705}{1.205} \)

kde \(R_{16}\) je hledaná hodnota rezistoru v kΩ, \(R_{12}\) je hodnota rezistoru 15 kΩ a \(U_{MPPT}\) je pracovní napětí při maximálním výkonu solárního panelu.

\(U_{MPPT}\)	\(R_{16}\)	Propojka
13,76 V (rev A) 11,35 V (rev B, rev C)	150 kΩ (rev A) 120 kΩ (rev B)	JP8
17,77 V	200 kΩ	JP9
19,38 V	220 kΩ	JP10
9,74 V	100 kΩ	JP11 + R16
11,35 V	120 kΩ	JP11 + R16

Napájení ze zdroje (UPS režim)

Základnovou desku je možné napájet z napěťového zdroje místo solárního panelu. To se hodí například v okamžiku, kdy máte poblíž místa s Meshtastic nodem dostupnou elektřinu. Základová deska tak bude trvale napájena ze zdroje a baterie bude sloužit pouze jako záloha při občasných výpadcích elektřiny.

Pro tento režim není potřeba žádné speciální zapojení. Jednoduše zapojte váš zdroj na svorky konektoru SOLAR (pozor na polaritu) a nastavte správné napětí na propojkách JP8 až JP11 (viz sekce „solární panel“ výše).

Nastavené napětí U_MPPT musí být nižší, jak napětí použitého zdroje. Pro PCB revize A a zdroj s nominálním napětí 12 V DC doporučuji spojit propojku JP11 a pozici rezistoru R16 osadit hodnotou 120 kΩ. U PCB revize B a C je to snadnější, tam stačí spojit propojku JP8 a použít 12 V zdroj.

PCB revize A: Pro zdroje s nominálním napětím 13 až 17 V doporučuji spojit propojku JP8, pro napětí 17 až 20 V propojku JP9 a pro napětí 20 až 30 V propojku JP10. Na přesné hodnotě až tak nezáleží, o stabilizaci a nabíjení baterie se postará elektronika.

PCB revize B a C: Pro zdroje s nominálním napětím 12 až 17 V doporučuji spojit propojku JP8, pro napětí 17 až 20 V propojku JP9 a pro napětí 20 až 30 V propojku JP10. Na přesné hodnotě až tak nezáleží, o stabilizaci a nabíjení baterie se postará elektronika.

Antény

Použitý modul RAK4630 má dva konektory IPEX pro LoRa a Bluetooth rádio. Štítek na modulu označuje který konektor patří kterému rádiu.

Do desky můžete zapojit buď malou anténu s IPEX konektorem, nebo krátký kabel IPEX-SMA a použít anténu s konektorem SMA. Volba antény a kabelů je na vás, nejsou součástí balení.

• Kabel IPEX na SMA (pigtail) TME.eu nebo laskakit.cz.
• Anténa pro Bluetooth (2,4 GHz; stejná jako WiFi) laskakit.cz, laskakit.cz.
• Anténa pro LoRa (868 MHz) laskakit.cz, TME.eu.

Pozor! Desku nikdy nezapínejte bez zapojených antén. Vysílací výkon může poškodit elektroniku rádia a buď jej úplně zničit nebo snížit jeho citlivost.

Konektory

Na PCB jsou připraveny dva konektory JST-SH SM04B, jinak známé jako Qwiic (od Sparkfun) nebo μŠup (od Laskakit). Jeden konektor (J5) je připojen na I2C1 modulu RAK4630 a druhý konektor (J7) je připojen na I2C2. Pájecí propojkou JP12 se pak dá zvolit, jestli mají být senzory na I2C napájeny trvale (propojka spojena vpravo) nebo jen dočasně, napájením ovládaným z RAKu (propojka spojena vlevo; toto ovládání pinem P1.02 na RAK4630 zatím nemám vyzkoušeno).

Pokud ve standardním firmware Meshtastic zapnete modul „telemetry“, pak se automaticky inicializují senzory připojené na I2C1 a jejich měření se začne automaticky odesílat do sítě. To se hodí například pro senzor BME280 (měření teploty, vlhkosti a tlaku). Eshop Laskakit nabízí BME280 s konektorem μŠup, takže zapojení do základové desky Meshtastic je snadné, viz fotografie níže. Pak stačí v nastavení „telemetry“ zapnout „Environment Telemetry Enabled“ a nastavit interval měření „Environment Metrics Update Interval“.

Antény

K základové desce je nutné připojit dvě antény. Jednu pro LoRa a na frekvenci 868 MHz, druhou pro Bluetooth na frekvenci 2,4 GHz. Zatímco na Bluetooth anténě až tak nezáleží, budete ji používat pouze pro připojení telefonu a občasné nastavení, tak na LoRa anténě záleží hodně. Zde se vyplatí vybrat kvalitní a ověřenou anténu.

Oblíbené jsou mezi Meshtastickáři ohebné antény od výrobce Gizont. Tento čínský výrobce nabízí LoRa anténu pro frekvenci 868 MHz se ziskem 10 dBi a o délce 167 mm. Konektor na anténě je různý, nejčastěji se ale pro Meshtastic používá SMA-RP.

Na základové desce jsou pro Bluetooth i LoRa připraveny konektory IPEX, takže pokud máte anténu s jiným konektorem (nejčastěji SMA-RP), pak to bude chtít propojovací kabel SMA-RP na IPEX.

Abych vám instalaci Meshtastic nodu zjednoušil co možná nejvíce, tak v e-shopu nabízím sadu Bluetooth a LoRa antén.

Fyzické rozměry

Celkové rozměry PCB jsou 70×43 mm. Pozice děr pro M3 šrouby jsou okótované na obrázku níže.

Firmware

Modul RAK4630 jsem přes rozhraní SWD již naprogramoval správným bootloaderem, takže nahrávání Meshtastic firmware je snadné a jde přes USB rozhraní.

1. Připojte desku k napájecímu napětí (například zapojením nabité baterie).
2. Připojte USB-C kabel do desky a do vašeho PC (s Linux, Mac OS nebo Windows).
3. Zmáčkněte tlačítko RESET dvakrát rychle za sebou. Tím se modul přepne do USB Mass Storage režimu a na vašem PC se objeví nový disk.
4. Na tento disk zkopírujte Meshtastic FW ve formátu uf2, verze pro RAK4631.
5. Po dokončení kopírování se disk automaticky odpojí a modul RAK se restartuje.
6. Hotovo. Nový FW již běží a můžete ho ovládat buď přes sériovou linku (USB rozhraní) nebo Bluetooth jako standardní Meshtastic node.

Otázky a další informace

Tato solární nabíječka je můj první složitější obvod, který nabízím k prodeji. Stále se učím a zlepšuji co se dá, ale je možné že jsem zapomněl uvést některé základní informace nebo že některá část elektroniky nefunguje tak, jak je popsáno. V případě problémů mě neváhejte kontaktovat buď mailem nebo přes Twitter.

Díky za zájem o můj design 🙏 a přeji hodně zábavy s Meshtasticem.