طراحی و پیاده سازی مدار باتری بک آپ با عملکرد سریع

باتری ها یکی از اساسی ترین ابزاهای تامین تغذیه مورد نیاز سیستم ها، پس از برق شهری به شمار می روند. با ذخیره انرژی الکتریکی درون باتری ها، می توان در مواقع لزوم، از آن ها استفاده نمود. یکی از چالش های طراحی در سیستم های مهم و حساس، اتصال فوری باتری به مدار پس از قطع برق شهری است. به عبارت دیگر، مدار باتری بک آپ مطلوب، مداریست که پس از قطع برق شهری، بلافاصله فعال شده و سیستم بدون ریست شدن، به فعالیت خود پس از قطعی جریان برق، ادامه دهد. در این آموزش به طراحی یک مدار باتری بک آپ با فعال سازی سریع می پردازیم. به کمک این مدار، چنانچه برق اصلی قطع شود، باتری بلافاصله و بدون ریست شدن مدار، فعال شده و تغذیه سیستم را تامین می نماید. در ادامه با مرجع تخصصی آردوینو به زبان فارسی ،دیجی اسپارک همراه باشید.

باتری و کاربرد و شارژر

باتری ها یکی از منابع تغذیه اساسی در سیستم های مختلف به شمار می روند. از باتری های استارتر در خودروها تا باتری های موبایل و باتری های پشتیبان دزدگیرها، همه این سیستم ها بدون وجود این منبع تغذیه کلیدی، بدون لحظه ای درنگ، دوام نخواهند آورد. یکی از پرکاربردترین نوع باتری ها در گوشی های موبایل و سیستم های Embedded، باتری های لیتیمی هستند. باتری های لیتیمی با وزن سبک و ابعاد کوچک، انتخاب مناسبی برای تغذیه سیستم ها و استفاده به عنوان منبع تغذیه پشتیبان هستند. افزون بر این، این باتری در دستگاه های قابل حمل، انتخابی مناسب به شمار می روند. باتری های لیتیمی را می توان به دو دسته پرمصرف یونی و پلیمری تقسیم نمود. ظرفیت بالاتر، ابعاد کوچکتر و وزن سبک تر از جمله برتری های پلیمری نسبت به یونی است.

باتری های لیتیم یونی به سادگی از طریق آداپتورهای ۵ ولتی شارژ می شوند. برای شارژ این باتری ها ماژول های کنترل شارژ وجود داشته که به سادگی می توان فرایند شارژ را اجرا نمود. این ماژول ها دارای سوکت شارژ سازگار با تلفن همراه بوده و می توانند باتری ها را شارژ نمایند.

بازه کاری باتری های لیتیم پلیمر، در حدود ۳٫۴(تخلیه کامل) الی ۴٫۲(شارژ کامل) قرار می گیرد. اما بسیاری از بردها، سنسورها و ماژول ها نیاز به تغذیه ۵ ولت و حتی بیشتر جهت راه اندازی دارند. به عنوان مثال، جهت راه اندازی برد آردوینو UNO از طریق پایه VIN، می بایست ولتاژ ورودی بین ۷ الی ۱۵ باشد. بنابراین افزایش ولتاژ باتری، امری ضروری در راه اندازی برد آردوینو تلقی می شود. به همین منظور، نیاز به افزایش ولتاژ باتری وجود دارد. از همین رو، در قسمت بعدی به این مورد، می پردازیم.

افزایش ولتاژ باتری به کمک رگولاتور افزاینده

همانطور که در قسمت قبل بیان شد، از آنجاییکه بازه ولتاژ باتری های لیتیمی تک سلول بین ۳٫۴ الی ۴٫۲ ولت است، بنابراین جهت راه اندازی بردهای آردوینو نظیر UNO و MEGA، نیاز به افزایش ولتاژ وجود دارد. جهت افزایش ولتاژ، می باست از رگولاتور افزاینده XL6009 استفاده نمود. به کمک این رگولاتور می توانیم ولتاژ های ورودی بین ۴ الی ۳۲ را به ۴۰ ولت در خروجی برسانیم.

راه اندازی ماژول XL6009 از طریق باتری های لیتیمی و دریافت خروجی تثبیت شده، دارای چالش های فراوانی است در این لینک به طور کامل در رابطه به این مورد صحبت شده است. مطابق آنچه که در آموزش افزایش ولتاژ باتری های لیتیمی به کمک رگولاتور XL6009 بیان شده، استفاده از این رگولاتور ملاحظاتی را در پی دارد. در این روش، پس از افزایش ولتاژ، جهت تثبیت و از بین بردن ولتاژ های ناخواسته ناگهانی که در اثر کاهش ولتاژ باتری در خروجی ظاهر می شوند، می بایست از یک رگولاتور کاهنده ولتاژ استفاده شود. از این رو، می توانیم از رگولاتور کاهنده ولتاژ LM2596 استفاده کنیم.

جهت تثبیت ولتاژ خروجی و جلوگیری از ولتاژهای ناخواسته که گاهی بسیار بیشتر از ولتاژ تنظیم شده خروجی شده و سبب آسیب جدی به قطعات خواهند شد، به همین منظور، نیاز ات تا ولتاژ افزایش یافته، مطابق تصویر شماتیک زیر، کاهش یابد.

تا به اینجا، در رابطیه با باتری های لیتیمی و الزامات فنی افزایش ولتاژ پرداختیم. در قسمت بعدی، به چگونگی طراحی و پیاده سازی یک مدار باتری بک آپ، به کمک دیود می پردازیم. اما پیش از آن، به طور مختصر به تعریف دیود و نحوه عملکرد ان پرداخته و در نهایت به طراحی مدار باتری بک آپ به کمک دیود، می پردازیم.

دیود و تعریف عملکرد و کاربرد

دیود، یکی از مهم ترین اختراعات در زمینه برق و الکترونیک به شمار می رود. با اختراع این قطعه، مسیر حرکت الکترونیک هموارتر و سرعت توسعه، بسیار بیشتر گردید. دیودها قطعاتی هستند که جریان الکتریکی را تنها از یک جهت عبور می دهند. این قطعات، مسیر حرکت جریان را در جهت مخالف، سد می کنند. یکی از کاربرد دیودها، در مدارات پل دیود جهت یکسو جریان AC است. به کمک این قطعه، در مدار پل دیود می توان جریان AC را به جریان مستقیم DC که متناسب تغذیه سیستم های الکترونیکی است، تبدیل نمود.

دیودها دارای دو پایه آند و کاتد هستند. آند را می توان به عنوان ورودی و کاتد رو به عنوان خروجی در نظر گرفت. در حقیقت جریان از قسمت آند به سمت کاتد هدایت می شود. هر دیود دارای یک ولتاژ جهت راه اندازی است. این ولتاژ، حداقل مقداریست که ولتاژ قسمت آند از کاتد می بایست بیشتر باشد. به عنوان مثال، فرض کنید ولتاژ راه اندازی یک دیود ۰٫۷ ولت است. در چنین شرایطی، این دیود زمانی روشن شده و جریان را از خود عبور می دهد که ولتاژ آند آن از کاتد، از ۰٫۷ بیشتر باشد.

با توجه به موارد گفته شده، یک دیود زمانی روشن و فعال خواهد بود که ولتاژ آند از کاتد، بیشتر باشد. در این آموزش از همین قابلیت جهت فعال سازی باتری بک آپ در زمان قطعی برق و غیر فعال شدن باتری در زمانیکه جریان الکتریسیته جاری است، استفاده خواهد شد. در قسمت بعدی، به طور کامل به این موضوع می پردازیم.

طراحی مدار باتری بک آپ به کمک دیود

در قسمت قبلی، به طور مختصر به ویژگی ها و نحوه عملکرد دیود پرداختیم. همانطور که بیان شد، یک دیود زمانی جریان الکتریکی را از خود عبور می دهد که ولتآژ آند دیود از کاتد آن، بیشتر شود. به کمک همین ویژگی، می توانیم مدار باتری بک آپ را طراحی کنیم. برای روشن تر شدن موضوع، به شماتیک زیر دقت کنید.

مطابق شماتیک فوق، دو منبع تغذیه، یکی برق شهری و دیگر باتری، هر کدام به یک دیود متصل شده اند. سپس خروجی و یا کاتد دیودها به یکدیگر اتصال یافته اند. ولتاژ برق شهری در حدود ۱۹ ولت و باتری نیز در حدود ۷٫۵ ولت است. زمانیکه برق شهری متصل است، ولتاژ قرار گرفته در کاتد دیود برق شهری، ۱۹ ولت خواهد بود. از آنجاییکه این مقدار از ولتاژ قرار گرفته در آند دیود باتری بیشتر است، لذا دیود متصل به باتری خاموش شده و هیچ جریانی از باتری در مدار قرار نخواهد گرفت.

از آنجاییکه فرکانس کاری دیودها بالاست، پس از قطع تغذیه اصلی، دیود متصل به آن خاموش شده و این بار با روشن شدن دیود متصل به باتری به دلیل بیشتر بودن ولتاژ آند از کاتد، باتری وارد مدار می شود. فرکانس بالای کلیدزنی دیود نیز سبب عملکرد سریع شده و مدار بدون ریست شدن، به کار خود ادامه خواهد داد. همچنین، جهت اطمینان از عملکرد، می توانید در خروجی دیودها، از یک خازن با ظرفیت نسبتا بالا، به عنوان مثال ۱۰۰۰ میکروفاراد نیز استفاده کنید.

بدین ترتیب به کمک مدار فوق می توان در صورت قطع شدن برق اصلی، باتری را به سرعت و بدون ریست شدن سیستم متصل به مدار تغذیه، وارد چرخه فعالیت نمود. مدار فوق در تغذیه سیستم های مختلف، نظیر انواع بردهای آردوینو، ESP و سیستم های حساس نظیر کنترل از راه دور پیامکی، بسیار حیاتی و پرکاربرد خواهد بود. برای راه اندازی این مدار، شما می توانید از انواع دیودهای معمولی نظیر ۱n4007 و ۱n5408، بسته به میزان جریان عبوری از دیودها، استفاده نمایید.

وسایل موردنیاز

انواع خازن

انواع آداپتورها

انواع باتری ها

دیود یکسوساز ۱N5408

ماژول افزاینده ولتاژ XL6009

ماژول کاهنده ولتاژ LM2596HVS

جمع بندی

در این آموزش به طراحی و پیاده سازی مدار باتری بک آپ به کمک دیود، پرداختیم. مدارهای باتری بک آپ، مدارهای بسیاری کاربردی و البته حساس هستند. در این مدارها، زمانیکه تغذیه برق شهری به هر دلیل قطع و یا دجار اختلال شود، با فعال سازی باتری ها، مانع از قطع عملکر سیستم می شوند. در مدارهای باتری بک آپ، سرعت عامل بسیار مهمی است. چراکه در صورت کند بودن سوییچ بین برق اصلی و باتری، سیستم متصل به تغذیه قطع و یا دچار اختلال خواهد شد. در این آموزش ضمن تشریح، طراحی و تحلیل مدار باتری بک آپ با سرعت فعال سازی و سوییچ بالا، به چگونگی به کار گیری باتری ها در تغذیه سیستم ها و الزامات آن پرداختیم.

چنانچه در مراحل راه اندازی و انجام این پروژه با مشکل مواجه شدید، بدون هیچ نگرانی در انتهای همین پست، به صورت ثبت نظر سوالتان را مطرح کنید. من در سریع‌ترین زمان ممکن پاسخ رفع مشکل شما را خواهم داد. همچنین اگر ایرادی در مراحل اجرایی وجود دارند می‌توانید از همین طریق اطلاع رسانی کنید.