افزاینده ولتاژ پورت USB به 9 و 12 ولت – کاملا عملی همراه با شماتیک و pcb

شاید برای شما هم برای راه اندازی وسایل الکترونیکی مختلف، نیاز به ولتاژهای 9 ولت و 12 داشته‌اید. معمولاً در اطراف ما شارژرها و پاور بانک‌های USB و یا دستگاه‌هایی که پورت USB داشته باشند، به وفور پیدا می‌شود. اما کمتر دستگاهی است که خروجی 9 یا 12 ولت در دسترس داشته باشد. چه خوب می‌شد، اگر می‌توانستیم ولتاژ 5 ولت USB را به 9 یا 12 تبدیل کنیم! این‌گونه می‌توان به کمک یک پاور بانک، در زمان قطعی برق دستگاه‌های پوز، تلفن‌های رومیزی، مودم‌ها و… را هم راه اندازی کرد! کار نشد نداره! در این مقاله می‌خواهیم یک مدار افزاینده ولتاژ USB طراحی کنیم!

با این مقاله همراه باشید!

مقدمه

قطعی‌های مکرر برق در زمان‌های اخیر، صدمات جبران ناپذیری هم به اقتصاد کشور، و هم به زندگی روزمره مردم وارد می‌کند. بسیاری از فروشگاه‌هایی که از دستگاه‌های کارت خوان (پوز) استفاده می‌کنند، دیگر قادر به ارائه خدمات نیستند و ضرر زیادی را متحمل می‌شوند. همچنین برخی دانش آموزان که به علت ویروس منحوس کرونا و جلوگیری از گسترش بیماری، به‌صورت مجازی در کلاس‌ها و امتحانات شرکت می‌کنند، از مودم‌های اینترنت استفاده می‌کنند که در صورت قطعی برق، ممکن است از شرکت در جلسه آزمون یا کلاس‌های خود باز مانند. به کمک یک افزاینده ولتاژ USB می‌توان انرژی 5 ولت پاور بانک را برای استفاده در پوز، مودم و اکثر دستگاه‌های الکترونیکی دیگری که معمولاً 9 یا 12 ولت دارند نیز، استفاده کرد.

افزاینده های ولتاژ

تراشه‌ها و مبدل‌های مختلفی وجود دارد که به کمک آن‌ها می‌توان ولتاژ را افزایش داد. یکی از روش‌های معروف، پرکاربرد و ساده، استفاده از مبدل‌های بوست (Boost) است. این مبدل‌ها از نوع مبدل‌های DC-DC هستند و در درس الکترونیک صنعتی نیز آموزش داده می‌شوند.

بیایید با همدیگر نحوه کار مدار بوست را بررسی کنیم. در زیر شکل مدار بوست را می‌بینید:

اگر در مدار بالا، اگر ماسفت را به عنوان یک سوییچ قطع و وصل در نظر بگیریم، این مدار را در دو حالت قطع و وصل کلید بررسی می‌کنیم.

حالت اول، کلید بسته

حالت دوم، کلید باز

همان طور که میدانید، هنگامی که جریان از یک سلف عبور می‌کند، آن سلف شروع به شارژ شده و وقتی که جریان را قطع کنیم، سلف جریانی را با ولتاژ بالاتر، اما در خلاف جهت جریان شارژ، آزاد می‌کند. در هنگام شارژ، همان طور که دیدید، جریانی سمت بار نمی رفت، اما پس از قطع کلید، از آنجایی که سلف در جهت معکوس شروع به تخلیه الکتریکی می‌کند، دیود در بایاس موافق قرار گرفته و جریان را از خود عبور می‌دهد. حال، ولتاژ سلف با ولتاژ ورودی هم سری شده و ولتاژ باز هم بالا تر می رود.

بسته شدن مجدد

ممکن است این سؤال برای شما پیش بیاید که، در مدت زمانی که سلف مجدداً در حال شارژ است، مصرف کننده انرژی خود را چگونه تأمین می‌کند؟ در این مدت زمان، از انرژی که از قبل در داخل خازن ذخیره شده، استفاده می‌کند.

کار مدار بوست، به این صورت است که به‌طور مداوم، با اتصال کلید، سلف را از طریق Vin شارژ کرده و سپس با قطع کلید، جریان سلف که حالا ولتاژ بسیار بیشتری دارد ولی در جهت معکوس است را، از طریق دیود عبور داده، تا خازن را شارژ کند و مصرف کننده (بار) انرژی را از خازن دریافت کند.

نحوه کنترل ولتاژ خروجی

با تغییر duty cycle فرکانس قطع و وصل سوییچ، می‌توان مدت زمانی که سوییچ بسته است و سلف شارژ می‌شود را کم یا زیاد نمود. (خود فرکانس ثابت است) هر چقدر سوییچ مدت زمان بیشتری بسته باشد، قطعاً انرژی بیشتری ذخیره کرده و انرژی بیشتری را در جهت عکس تخلیه می‌کند. بنابراین، به سادگی و به کمک یک سیگنال PWM می‌توان ولتاژ خروجی را کنترل نمود. سیگنال PWM را با روش‌های مختلفی همچون آردوینو، واحد تایمر-کانتر میکروکنترلر، تراشه 555 و… می‌توان ساخت.

تراشه MT3608

برای ساخت یک مبدل بوست، شما احتیاج به یک المان دارید که نقش سوییچ را بازی کند، که معمولاً از کلیدهای حالت جامد استفاده می‌شود. و همچنین یک قسمت برای تولید سیگنال کنترلی باید در نظر بگیرید. تراشه MT3608 هر دو کار را برای شما انجام می‌دهد. یعنی پایه‌ای برای اتصال مستقیم سلف به آن وجود دارد و از طرف دیگر به زمین مدار متصل می‌شود. این تراشه، به‌صورت خودکار، عملیات کلید زنی و کنترل سیگنال را برای شما انجام می‌دهد، اما برای اینکه بتوانید سیکل وظیفه (Duty Cycle) این تراشه را نیز کنترل کنید، یک پایه فیدبک در نظر گرفته شده است.

مقاومت R1 و R2 نقش یک تقسیم کننده ولتاژ را دارند که نسبتی از ولتاژ خروجی را به عنوان بازخورد (فیدبک) به تراشه MT3608 بر می‌گردانند. با تغییر و تنظیم نسبت این دو مقاومت، میزان ولتاژ خروجی کنترل می‌شود. رابطه بین مقاومت‌ها و ولتاژ خروجی از فرمول زیر به دست می‌آید:

Vout = 0.6 * (1+(R5/R6))

در مقاله “باتری پشتیبان برای انواع کارت خوان به همراه سورس کامل” به کمک همین تراشه، ولتاژ 4.3 ولت باتری را تا 20 ولت افزایش دادیم و برای انواع وسایل الکترونیکی از آن استفاده کردیم. در این مقاله، افزاینده ولتاژ USB را خواهیم ساخت.

ماژول افزاینده MT3608

این ماژول به همراه سلف و دیگر اجزای مدار بوست، به‌صورت آماده طراحی شده و بفروش می‌رسد. برای کنترل میزان خروجی نیز از یک مولتی ترن استفاده شده که به راحتی و با چرخش آن ولتاژ خروجی کنترل می‌شود.

طراحی برد افزاینده ولتاژ USB

ما به کمک تراشه MT3608 برد افزاینده‌ای شبیه به ماژول بالا را طراحی کردیم، با این تفاوت که برای ورودی برق آن از USB استفاده کریم تا به راحتی بتوانید آن را به هر پاور بانک، شارژر یا دستگاهی که پورت USB دارد، متصل کنید. (البته به شرطی که خروجی و توان لازم را داشته باشد.) همچنین بجای استفاده از مقاومت متغیر یا مولتی ترن، مقاومت لازم برای تولید ولتاژ خروجی 9 و 12 ولت را محاسبه کردیم و دو تقسیم مقاومت بر روی برد قرار دادیم. به کمک یک جامپر می‌توانید یکی از ولتاژهای خروجی 9 و یا 12 ولت را به راحتی انتخاب کنید. این ولتاژها در بسیاری از دستگاه‌های کارت خوان الکترونیکی (پوز)، مودم‌های اینترنت و… کاربرد دارد.

شماتیک برد افزاینده ولتاژ USB

مقاومت‌های R1 و R3 فیدبک 9 ولت هستند و مقاومت‌های R4 و R5 فیدبک 12 ولت هستند که از طریق پین هدر قابل انتخاب هستند و به پایه فیدبک (FB) تراشه MT3608 متصل می‌شوند.

PCB افزاینده ولتاژ USB

فایل شماتیک و PCB در انتهای مطلب پیوست شده است. در اینجا تصویری از نمای سه بعدی ماژول طراحی شده را مشاهده می‌کنید.

از نمای بالا (دقت داشته باشید که مقدار سلف 22 میکرو هانری می‌باشد. در مدل سه بعدی عدد 470 نمایش داده می‌شود.)

از نمای پایین:

نسخه مونتاژ شده نهایی:

اگر دقت کرده باشید، شارژرهای Fast charge خروجی 9 و 12 دارند. در قسمت بعد، ولتاژهای 9 و 12 را مستقیماً و بدون هیچ‌گونه تبدیلی از خود فست شارژر دریافت می‌کنیم! با ما همراه باشید! منتظر نظرات شما هستیم.

منبع:سیسوگ