Можно ли создать регулируемый источник постоянного тока/напряжения с помощью Arduino?

Вы в основном описываете (если добавить в смесь индуктор и диод) простой импульсный регулятор. То есть, в упрощенном виде, ШИМ-сигнал, некоторое сглаживание (индуктор, диод, конденсатор) и обратную связь.

Используйте ШИМ Arduino для переключения P-канального MOSFET в источнике напряжения. Затем этот коммутируемый источник питания подается через индуктор, а затем сглаживается конденсатором:

M1 переключает питание для зарядки остальной части схемы. L1 + C1 сглаживают ШИМ, обеспечивая постоянное плавное (почти) напряжение. D1 замыкает цепь между L1 и C1 только в одном направлении, сохраняя заряд в правой части схемы.

R1 удерживает MOSFET выключенным, когда он не задействован.

R2 — это очень маленький «шунтирующий» резистор (например, 0,1 Ом).

Размеры C1 и L1 определяются частотой переключения вашего ШИМ и требованиями к току цепи. Чем выше частота переключения, тем меньше может быть ваш индуктор, чем выше ваши требования к току, тем больше должен быть C1.

Показание A1 дает выходное напряжение схемы, поэтому вы можете отрегулировать ШИМ (использование ПИД было бы хорошо) для получения определенного напряжения.

Считывание A0 и A1 и вычитание одного из другого дает вам падение напряжения на R2. Из этого вы можете рассчитать ток через R2, используя закон Ома. Затем вы можете использовать это для настройки ШИМ, чтобы получить определенный ток.

Конечно, вы не можете сделать и то, и другое одновременно. У вас либо есть постоянный ток (во время первой фазы зарядки, чтобы поднять напряжение ячейки до 4,2 В), а затем вы переключаетесь на постоянное напряжение, пока ток не упадет примерно до 0,3 С. Для мертвых ячеек начальная фаза постоянного тока (IIRC) 0,1 С может восстановить ячейку.

Некоторые важные замечания о литиевых элементах:

• Они взрываются (спросите у Samsung), так что будьте осторожны. Может быть полезно провести эксперимент с ячейкой, находящейся в огнестойком контейнере.
• Литий-ионные и литий-полимерные элементы не любят чрезмерной разрядки, но если они не подвергались обратной зарядке, их, как правило, можно восстановить.
• Ячейки, которые используются в последовательной батарее и не были заряжены надлежащим балансировочным зарядным устройством, вполне могли быть заряжены в обратном направлении, если батарея «умерла».

Обратный заряд — это то, что на самом деле убивает литиевый элемент. По сути, нет двух элементов с абсолютно одинаковой емкостью. Если у вас, скажем, три элемента последовательно и вы разрядите весь пакет ниже рекомендуемого минимума, один элемент будет иметь меньше заряда, чем другие. Если этот элемент достигнет нуля, ток от других элементов начнет течь через него в обратном направлении, и этот обратный ток заставит кристаллы меди осаждаться на слое электролита между электродами. Они прокалывают слой электролита и замыкают два электрода вместе, и в этот момент элемент умирает. Никакое количество восстановительного заряда не вернет его, он физически поврежден.

Итак, вкратце:

• Один элемент, который был чрезмерно разряжен сам по себе, как правило, подлежит восстановлению.
• Последовательный блок ячеек, который был чрезмерно разряжен, вполне мог физически повредить один из элементов в блоке из-за обратного тока заряда.

Будет ли Arduino достаточно быстрым, чтобы управлять МОП-транзистором, который будет закачивать волшебных фей в конденсатор для достижения постоянного значения напряжения на этом конденсаторе?

Конечно. Вам следует предварительно подготовить свое питание, чтобы оно всегда было в допустимых пределах (т. е. подавать питание на солнечную панель через подходящий понижающий стабилизатор 5 В, чтобы обеспечить чистое питание 5 В). В схеме всегда будет некоторая задержка из-за того, как долго индуктор «сопротивляется» изменениям напряжения. Типичному Arduino требуется ~100 мкс для выборки АЦП. В такой среде это время пренебрежимо мало, поскольку оно, как правило, намного быстрее одного периода ШИМ. В любом случае вы не сможете реагировать быстрее одного периода ШИМ.

Когда MOSFET не находится в состоянии насыщения, его сопротивление высокое, и много энергии тратится впустую в виде тепла. Можно ли НЕ использовать ШИМ для управления им, а вместо этого выключать или включать его в каждом цикле, чтобы минимизировать потери энергии?

Вот что делает ШИМ. Он ВКЛ или ВЫКЛ. Вкл в начале цикла, затем выкл в середине. Да, есть короткий период дважды за цикл, когда он выполняет переключение, но это будет минимально по сравнению с периодами включения и выключения. Потери от этого переключения будут пренебрежимо малы по сравнению, скажем, с работой МОП-транзистора в качестве регулируемого сопротивления, управляемого операционным усилителем с обратной связью от токового шунта (т. е. линейного регулятора).