افزایش ولتاژ باتری های لیتیومی جهت تغذیه با ماژول XL6009

باتری ها یکی از پرکاربردترین منابع تغذیه سیستم های مختلف به شمار می آیند. به کمک باتری میتوان در موقعی که جریان برق در دسترس نیست، سیستم را تغذیه و راه اندازی کنیم. باتری های لیتیمی، از پرکاربردترین باتری ها جهت تغذیه سیستم های امبدد به شمار می روند. از مزایای این نوع باتری ها می توان به وزن کم و ابعاد کوچک  اشاره نمود. در کنار این، باتری های لیتیم پلیمری از وزن سبک تر و حجم بالاتر نسبت به نوع لیتیم یونی برخوردار هستند. بازه ولتاژ باتری های لیتیمی تک سلول در حدود ۳٫۴ تا ۴٫۲ ولت قرار می گیرد. این بازه به ازای تخلیه کامل تا فول شارژ تعریف می شود. از آنجاییکه تغذیه اکثر بردها نظیر رزبری پای ۵ولت است، لذا تغذیه این بردها با باتری دچار مشکل خواهد شد. در این آموزش به بررسی نحوه تامین تغذیه ۵ ولت و یا بیشتر به کمک باتری های لیتیمی می پردازیم. در ادامه این آموزش، با مرجع تخصصی رزبری پای و آردوینو به زبان فارسی، دیجی اسپارک، همراه باشید.

بررسی باتری های لیتیومی

باتری های لیتیمی با وزن سبک و ابعاد کوچک، انتخاب مناسبی برای تغذیه سیستم ها 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.

همانطور که پیشتر گفته شد، 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 جهت راه اندازی دارند. بنابراین افزایش ولتاژ باتری، امری ضروری تلقی می شود. در قسمت بعدی، به ماژول افزاینده ولتاژ، نحوه راه اندازی و چالش های آن می پردازیم.

معرفی ماژول افزاینده ولتاژ Xl6009

ماژول XL6009 DC-DC Buck Boost Converter یک ماژول الکترونیکی است که به شما اجازه می‌دهد ولتاژ ورودی را بالا یا پایین ببرید تا ولتاژ خروجی مطلوب را بدست آورید. این ماژول در برنامه‌های مختلفی که ولتاژ پایدار DC لازم است مانند سیستم‌های تغذیه با باتری، الکترونیک خودرو یا سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر استفاده می‌شود.ماژول XL6009 بر پایه یک توپولوژی رگولاتور سوئیچینگ، به‌طور خاص یک تبدیل‌کننده بوک-بوست غیر جداشدنی، طراحی شده است. این ماژول از سوئیچینگ با فرکانس بالا برای تبدیل بهینه ولتاژ ورودی به سطح ولتاژ خروجی مورد نظر استفاده می‌کند. معمولاً این ماژول دارای محدوده ولتاژ خروجی قابل تنظیم است که می‌توان با استفاده از پتانسیومتر روی برد یا اعمال یک مرجع ولتاژ خارجی آن را تنظیم کرد.محدوده ولتاژ ورودی در محدوده ۳ تا ۳۲ ولت را پشتیبانی می‌کند (بسته به مدل خاص). ماژول محدوده ولتاژ خروجی قابل تنظیمی را فراهم می‌کند که با استفاده از پتانسیومتر روی برد یا مرجع ولتاژ خارجی می‌توان آن را در محدوده مشخصی (مانند ۵ تا ۳۵ ولت) تنظیم کرد. این ماژول می توان تا ۳ آمپر جریان دریافت نمود. همچنین، وجود یک مولتی ترن بر روی آن، قابلیت تنظیم ولتاژ خروجی دلخواه را فراهم می کند. به کمک این ماژول، می توان ولتاژ باتری های لیتیمی را افزایش داده و به مقدار مورد نظر رساند. کافیست باتری را با رعایت پلاریته، به ورودی ماژول اعمال کنید. سپس می توانید ولتاژ مورد نظر خود را با چرخاندن مولتی ترن، تنظیم کنید.

مشخصات ماژول XL6009 DC-DC Buck Boost Converter به شرح زیر است:

• محدوده ولتاژ ورودی: ۳ ولت تا ۳۲ ولت (بسته به مدل خاص ماژول)
• محدوده ولتاژ خروجی: قابل تنظیم با استفاده از پتانسیومتر یا مرجع ولتاژ خارجی (مثلاً ۵ ولت تا ۳۵ ولت)
• جریان خروجی حداکثر: وابسته به شرایط مختلفی مانند ولتاژ ورودی، ولتاژ خروجی و شرایط حرارتی. به دیتاشیت ماژول مراجعه کنید.
• کارایی: ماژول XL6009 برای ارائه کارایی بالا طراحی شده است و معمولاً دارای کارایی بالایی (مثلاً ۹۰ درصد یا بیشتر) است.
• ویژگی‌های حفاظتی: برخی ماژول‌های XL6009 ممکن است دارای ویژگی‌های حفاظتی مانند حفاظت در برابر دمای بالا، جریان بیش از حد و اتصال کوتاه باشند. ویژگی‌های حفاظتی ممکن است بسته به مدل خاص ماژول متغیر باشد.
• تعداد و نوع پین‌ها: تعداد و نوع پین‌های ماژول برای اتصال به ورودی و خروجی و دیگر عناصر مرتبط تعیین می‌شود. آن‌ها به‌طور مشخص در دیتاشیت یا مستندات ماژول توضیح داده می‌شوند.
• ابعاد: ابعاد ماژول فیزیکی ممکن است متغیر باشد، اما به‌طور کلی طراحی شده است که به‌راحتی در پروژه‌های الکترونیکی قرار بگیرد.

به کمک ماژول XL6009، می توانید ولتاژ باتری را افزایش داده و به ۵ ولت برسانید. اما افزایش ولتاژ باتری های لیتیمی به کمک این ماژول مستلزم رعایت الزامات و نکات فنی بوده و در صورت عدم رعایت، قطعات الکترونیکی دچار آسیب جدی خواهند شد. بنابراین در ادامه به تشریح موضوع و سپس راه حل مناسب، خواهیم پرداخت.

چالش افزایش ولتاژ باتری لیتیومی با ماژول XL6009

همانطور که در قسمت های قبلی بیان شد، ماژول XL6009 قادر به افزایش ولتاژ ورودی است. این ماژول می تواند ولتاژهایی از بازه ۳ الی ۳۲ را به ۵ الی ۴۰ تبدیل کند. اما در هنگام تبدیل ولتاژ، چنانچه به حداقل مقدار ورودی، به عنوان مثال ۳٫۳ ولت نزدیک شویم، خروجی ولتاژ ناپایدار خواهد بود. برای روشن تر شدن موضوع، فرض کنید که با ولتاژ ورودی ۵ ولت، خروجی ۱۲ ولت را تنظیم می کنید. در این حالت خروجی را تست کرده و ولتاژ ۱۲ را مشاهده می کنید. بار دیگر، بدون تغییر در وضعیت مولتی ترن، با اعمال ولتاژ ۳ به ورودی، ولتاژهایی بسیار بیشتر را ملاحظه خواهید کرد.

پیشتر در رابطه با باتری های لیتیمی و بازه ولتاژی آن ها صحبت نمودیم. همانطور که به موضوع واقف هستید با قرار دادن بار بر روی باتری و کار مداوم، به مرور ظرفیت باتری تخلیه شده و از ولتاژ آن کاسته می شود. در طرف دیگر، به دلیل وجود قطعات مختلف و جریان کشی قطعات پر مصرف، ممکن است ولتاژ باتری دچار افت شود. به همین دلیل، با اتصال باتری به رگولاتور XL6009، خطر ناپایدار بودن ولتاژ خروجی، امری بسیار جدی خواهد بود.

به عنوان مثال، فرض کنید قصد تغذیه برد رزبری پای از طریق این روش را دارید. به این منظور باتری را به ورودی رگولاتور متصل کرده و سپس خروجی ولتاژ رگولاتور را بر روی ۵ ولت تنظیم می کنید. با کاهش ولتاژ باتری مطابق نمودار فوق، خروجی رگولاتور از حالت stable خارج شده و مقادیر بسیار بالا وم تغیر، مثلا ۱۲، ۱۴ و یا حتی ۳۰ ولت تولید خواهد کرد. این امر سبب سبب آسیب جدی و سوختن برد رزبری پای شما خواهد شد. بنابراین، نیاز است تا با ارائه راهکاری، بر این مشکل غلبه کنیم. در قسمت بعدی، به بررسی راهکار می پردازیم.

حل مشکل ولتاژ ناپایدار در ماژول XL6009

در قسمت قبلی، به چالش ولتاژ های بیشتر از مقدار انتظار در خروجی XL6009 پرداختیم. همانطور که بیان شد، با کاهش ولتاژ ورودی و نزدیک شدن آن به مقدرا ورودی، ولتاژ خروجی تنظیم شده ناپایدار و بسیار بیشتر از مقدار تنظیم شده خواهد بود. به همین منظور، وجود یک ولتاژ ثابت، پایدار و قابل اطمینان نیازی جدی است. جهت ایجاد یک ولتاژ مطمئن و پایدار در خروجی افزاینده XL6009، می بایست از یک رگولاتور کاهنده استفاده شود. به کمک رگولاتور کاهنده، می توان ولتاژی ثابت و پایدار ایجاد کرد. برای این منظور، به شماتیک فوق دقت نمایید. مطابق این شماتیک، در خروجی رگولاتور XL6009، یک دیود قرار گرفته است. این دیود جهت جلوگیری از ولتاژ های احتمالی برگشتی است. در خروجی این دیود، یک رگولاتور کاهنده ولتاژ و از نوع سوییچینگ قرارگرفته است.

فرض کنید که قصد ایجاد یک ولتاژ ۵ ولتی به کمک باتری لیتیمی در خروجی دارید. مطابق آنچه که گفته شد، می بایست در خروجی ماژول افزاینده، یک رگولاتور کاهنده قرار دهید. در اینجا ما از یک رگولاتور سوییچینگ کاهنده ولتاژ با نام LM2596HVS استفاده می کنیم. این ماژول کاهنده دارای بازه ولتاژ ورودی ۴ الی ۶۰ بوده و کاملا مناسب ولتاژهای خروجی XL6009 است. جهت عملکرد صحیح رگولاتور کاهنده، بین ولتاژ ورودی و خروجی آن می بایست اختلافی وجود داشته باشد. به عبارت دیگر، ولتاژ ورودی به رگولاتور کاهنده می بایست بیشتر از ولتاژ مورد نظر در خروجی آن باشد.

به منظور ایجاد یک ولتاژ ۵ ولتی به کمک باتری لیتیمی و ماژول های افزاینده وکاهنده، ابتدا ولتاژ خروجی رگولاتور XL6009 را بر روی ۷ ولت تنظیم کنید. سپس به سادگی می توانید خروجی کاهنده را بر روی ۵ ولت تنظیم کنید. از آنجاییکه این روش ممکن است کمی افزایش جریان، به خصوص در مواقعی که ولتاژ باتری دچار افت می شود، در پی داشته باشید، بهتر است ظرفیت باتری را کمی بیش از آنچه که مد نظر دارید، انتخاب کنید. در نهایت، مابین پلاریته مثبت باتری و ورودی XL6009، استفاده از یک فیوز، توصیه می گردد.

تغذیه آردوینو به کمک باتری لیتیمی

بردهای آردوینو UNO دارای یک پایه به نام VIN جهت اتصال تغذیه ورودی هستند. برای تغذیه آردوینو از طریق این پایه، ولتاژ ورودی می بایست در حدود ۶ الی ۱۲ ولت باشد. به کمک مداری که پیشتر تشریح و معرفی گردید، ما ابتدا ولتاژ ورودی باتری را به وسیله ماژول افزاینده XL6009 به ۹ ولت می رسانیم. سپس به کمک ماژول کاهنده ولتاژ LM2596S، ولتاژ ۹ را به ۷ ولت رسانده و برد آردوینو را تغذیه خواهیم نمود.

وسایل مورد نیاز

ماژول رگولاتور افزاینده XL6009

ماژول کاهنده ولتاژ با ورودی ۴ الی ۶۰ LM2596HVS

انوع باتری

انواع فیوز

ماژول شارژ باتری های لیتیمی

دیود ۱N5408

جمع بندی

در این آموزش به بررسی نحوه افزایش ولتاژ جهت تامین تغذیه مورد نیاز دستگاه های مختلف پرداختیم. در این آموزش به کمک رگولاتور افزاینده XL6009، اقدام به افزایش ولتاژ ورودی می نماییم. این رگولاتور می تواند ولتاژ های ۳ الی ۳۲ را به ۴۰ ولت با خروجی سه آمپر افزایش دهید. به کمک این رگولاتور می توان از طریق باتری های لیتیمی ۳٫۷ ولتی، ولتاژ مورد نیاز بردهای ۵ ولتی را تامین نمود. اما این تمین ولتاژ نیاز به رعایت نکاتی است که در صورت عدم توجه، برد و ماژول  آسیب خواهد دید. در این آموزش به این نکات و الزامات فنی آن به طور کامل پرداخته شده و در نهایت با ارائه مدار، راهکار مناسب تشریح خواهد شد.

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 مدار و یا مراحل اجرایی وجود دارند می‌توانید از همین طریق اطلاع رسانی کنید.