باتری پشتیبان
باتری پشتیبان یکی‌از نیازهای اساسی سیستم‌های ارائه‌دهنده خدمات است، درهنگام قطع‌برق اگر اینگونه دستگاه‌ها دچار اختلال شوند، میتوان خسارات زیادی را به بار بیاورند، به‌عنوان‌نمونه دستگاه‌های خودپرداز را فرض‌کنید یا دستگاه‌های پوز فروشگاهی، یا سیستم حسابداری یک شرکت زنجیره‌ای و…! روش‌های زیادی برای تامین برق درهنگام قطع‌برق وجود دارد، مثل استفاده‌از موتوربرق؛ اما همیشه این سیستم‌ها آنلاین نیستند به این‌معنی که با قطع‌برق دستگاه شما از کار خواهد افتاد و باید صبرکنید تا سیستم برق پشتیبان وارد پروسه تامین برق شود که باعث بروز اختلال چند دقیقه‌ای خواهد شد، درمقابل سیستم‌هایی وجود دارد که به‌صورت آنلاین کار میکنند به‌نحوی‌که دستگاه مصرف‌کننده اصلا قطع برق را احساس نخواهد کرد و هیچ خللی در کارکرد آن به‌وجود نخواهد آمد. متاسفانه در ماه‌های گذشته شاهد قطع‌برق‌های گسترده در سراسر کشور بودیم؛ مساله‌ای هرچند ناخوشایند ولی اجتناب‌ناپذیر. قطع‌برق‌های مکرر تمام فروشگاه‌های کوچک و حتی بزرگ را دچار چالش کرده‌بود، چراکه سیستم‌های پرداخت نظیر دستگاه‌های کارتخوان از کار می‌افتاد و فروشگاه‌ها قادربه ارائه خدمات نبودند. قبلا در مقاله‌ای تحت‌عنوان “آموزش ساخت تغذیه و باتری پشتیبان برای رسپبری” آموزش دادیم که چطور میتوانید برای برد رزبری‌پای خود یک باتری پشتیبان بسازید به‌نحوی‌که با قطع‌برق رزبری‌پای قادربه ادامه‌ی کار باشد درواقع این مقاله رو میتوان مدار تکمیل‌شده مدار قبل دانست به‌نحوی‌که علاوه‌بر برد رزبری قادربه استفاده‌از آن در تمام دستگاه‌های کارتخوان نیز قابل‌استفاده باشد. درحال‌حاضر چنین مداری در سطح اینترنت با قیمت‌های بالا به فروش میرسد(حتی در فروشگاه‌های مطرح اینترنتی) ما سعی‌خواهیم‌کرد تمام مستندات لازم برای ساخت یک سیستم باتری پشتیبان برای دستگاه‌های کارتخوان و البته تمام دستگاه‌های الکترونیکی (نظیر بردهای رزبری‌پای؛ اورنج پای و…) به‌صورت رایگان منتشرکنیم و دراختیار دوستان علاقه‌مند قراردهیم.
مشخصات باتری پشتیبان جدید
ممکن‌است این سوال پیش بیاید که چرا از مدار طراحی‌شده در پست آموزش ساخت تغذیه و باتری پشتیبان برای رزبری استفاده نمی‌کنیم! مدارقبلی دارای مشکلاتی بود که استفاده‌از آن را دارای محدودیت می‌کرد، اول اینکه مدار طراحی‌شده آنلاین بود و با قطع‌برق این احتمال وجود‌داشت که برد رزبری‌پای ریست شود چراکه برای سوییچ از رله استفاده‌شده‌بود که خود رله دارای مقداری تاخیر در اتصال برق است. مساله دوم آی‌سی سوییچینگ مورداستفاده در مدارقبل دارای فرکانس سوییچ پایینی است و همین‌مساله باعث میشود که ابعاد مدار بزرگ شود(اندازه سلف و مدارسوییچ) و البته راندمان مدار، کاهش پیداکند در طراحی دید سعی‌شده از آی‌سی با فرکانس سوییچ زیاد(بیش‌از ۱مگاهرتز) و راندمان بالاتر (حدود ۹۷درصد) استفاده‌شود. همین تغییرات باعث کاهش چشمگیر اندازه‌ی مدار و کاهش حرارت مدار و تلافات انرژی شده‌است.
مشخصات مدار باتری پشتیبان کارتخوان
مدارفوق قادربه تامین ولتاژهایی در بازه ۵ تا ۲۰ ولت میباشد، که در اکثر دستگاه‌های الکترونیکی قابل‌استفاده است، ولتاژ خروجی توسط دو مقاومت R5 و R6 قابل‌تغییر است؛ که جهت تغییر ولتاژ خروجی تنها کافی‌است مقدار R5 و R6 را بااستفاده‌از فرمول زیر محاسبه‌کنید.
Vout = 0.6 * (1+(R5/R6))
البته همانطورکه در تصویرفوق مشاهده میکنید مقادیر مقاومت های R5 و R6 برای ولتاژهای پرکاربرد نظیر ۵ و ۹ و ۱۲ولت محاسبه شده‌است.
ولتاژ ورودی مدار در هر کدام از خروجی ها ثابت و مساوی 5 ولت است.
درنظر داشته‌باشید که ولتاژ ورودی مدار، مقدار ثابتی است و اگر خروجی مدار را روی ۱۲ولت تنظیم‌کردید نیازی‌نیست که ورودی را افزایش‌دهید این‌کار به‌صورت خودکار توسط روگولاتر سوییچینگ موجود برروی برد اتفاق خواهد افتاد. باتری مورداستفاده در این مدار، باتری لیتیوم‌یون استاندارد تک سل است که به‌راحتی قابل‌تهیه است. مدار قادربه شارژ باتری است و نیازی‌نیست که مراقب شارژ باتری باشد، درصورت وصل‌بودن برق مدار، شارژ به‌صورت خودکار و توسط آی‌سی LTC4054 انجام میشود.
جزییات طراحی مدار سوییچ
وظیفه‌ی این مدار، سوییچ مسیر جریان برروی تغذیه‌ی داخلی است درصورتی‌که ولتاژ خارجی قطع‌شود. این مدار دارای دو پارامتر مهم است:
- پارامتر اول: سرعت سوییچ که برای اینکه در عملکرد عادی مدار اختلالی ایجاد نشود لازم‌است این تغییر به سریعترین حالت ممکن انجام‌شود.
- پارامتر مهم دوم: توان تلفاتی مدار سوییچ است، چراکه مدار از باتری استفاده خواهدکرد، پس مساله ساعت کارکرد و هدررفت انرژی پارامتر مهمی به‌حساب می آید، ازطرفی هرچه توان تلفاتی کمتر باشد حرارت‌کمتری ایجاد خواهدکرد و طول‌عمر مدار بیشتر خواهدشد. فرض کنید برای سوییچ از رله استفاده‌کنیم، مطابق تصویرزیر:
خوب مدارفوق، اگر فرض‌کنیم نویز ایجادشده توسط فرایند کلیدزنی وجود ندارد، تلفات سوییچ پایینی دارد، چراکه تقریبا مقاومت کانال جریان بسیارپایین است، اما سرعت پایینی دارد، چراکه عملیات سوییچ به‌صورت مکانیکی انجام میشد و زمانی حدود چند ده میلی‌ثانیه تا چند صد میلی‌ثانیه برای تغییر کانال جریان موردنیاز است؛ این زمان باعث ایجاد اختلال در عملکرد مدار میشود و حتی ممکن‌است باعث ازکارافتادن آن شود. فرض‌کنید از دیود برای تغییرمسیر جریان استفاده‌کنیم:
در مدارفوق مشکل سرعت عملکرد نخواهیم‌داشت، عناصر نیمه‌هادی از سرعت بالایی برخوردار هستند و میتوانند مسیر جریان را در کمتر از چند میکرو و یا نانو ثانیه عوض‌کنند، به شکلی که مدار مصرف‌کننده، احساس نکند! اما مساله‌ی مهم موجود توان تلفاتی و افت ولتاژ برروی دیودهاست، اگر از دیودهای شاتکی استفاده‌کنیم، افت ولتاژ مقدارکمتری خواهدبود و مدار عملکرد بهتری خواهدداشت اما باز با مدار ایده‌آل فاصله وجوددارد. اما راه‌حل پیشنهادی، استفاده‌از ماسفت است:
استفاده‌از ماسفت، علاوه‌بر سرعت بالا در سوییچ، دارای تلفات خیلی پایینی است چراکه معمولا مقاومت ماسفت‌ها درحالت سوییچ کامل، چیزی حدود چند میلی‌اهم است که نه افت ولتاژ ایجاد می‌کند و نه توان زیادی را هدر میدهد. اولین سوالی که ممکن‌است با دیدن این مدار در ذهن شکل بگیرد این است که چرا دو عدد ماسفت؟ چرا از یک ماسفت استفاده‌نکنیم ؟ پاسخ این سوال بسیارساده است، ماسفت‌ها یک دیود ذاتی داخلی برروی درین و سورس دارند! وقتی‌که ماسفت خاموش است و باطری خالی است، این دیود میتواند باعث عبورجریان به‌سمت باتری شود که هم به باتری صدمه میزنند و هم جریان‌کشی مدار را افزایش میدهد. اما چرا یک ماسفت و یک دیود استفاده نکنیم؟ به‌همان دلایلی که از دیود برای مدار سوییچ استفاده‌نکردیم.
فایل‌های دانلودی موردنیاز:
فایل PCB و شماتیک باتری پشتیبان برای انواع کارتخوان
منبع:سیسوگ
