منبع تغذیه متغیر دو کاناله با پاور کامپیوتر (ATX)

بخش مدار حسگر (Sensing) بیشترین کار طراحی رو می‌طلبه و بقیه کارها فقط وصل کردن قطعات و جاسازی اون‌ها تو باکسه. هدف اینه که یه منبع تغذیه دو کاناله داشته باشیم که برای هر کانال، امکانات مستقلی در نظر گرفته شده باشه.

1. کلیدهای فعال‌سازی خروجی
2. ال‌ای‌دی‌های نشانگر وضعیت دستگاه
3. رله‌های قطع و وصل جریان
4. قابلیت تنظیم دقیق ولتاژ
5. قابلیت تنظیم محدودیت جریان خروجی
6. اندازه‌گیری لحظه‌ای ولتاژ
7. اندازه‌گیری لحظه‌ای جریان
8. نمایشگر برای نشان دادن ولتاژ و جریان هر کانال

توی تصویر این مرحله می‌تونی طرح اولیه و مفهومی این مدار رو ببینی تا ذهنت برای قدم‌های بعدی آماده بشه.

خود پاور ATX بخش بزرگی از کارهای سخت رو برامون انجام می‌ده. این دستگاه سوکت برق استاندارد، محافظ اتصال کوتاه و دو تا خروجی 12 ولت خیلی پایدار با کمترین نوسان (ریپل در حد 10 میلی‌ولت) داره که دقیقا همون چیزیه که نیاز داریم.

تنها چیزی که باید بهش اضافه کنیم، یه کلید قطع و وصل برق شهری (220 ولت) هست تا مجبور نشی برای هر بار خاموش کردن تغذیه، دوشاخه رو از پریز بکشی.

1. قاب پاور ATX رو باز کن (معمولا چند تا پیچ داره).
2. روی قاب یه سوراخ برای ورود و خروج سیم‌ها دریل کن.
3. سیم فاز (Hot) رو قطع کن و روکش اون رو لخت کن.
4. سیم‌ها رو به کلید لحیم کن و از وارنیش حرارتی برای ایمنی استفاده کن.
5. پین اول کلید به فاز ورودی سوکت متصل می‌شه.
6. پین دوم کلید رو به ورودی فاز برد پاور وصل کن.

تو مسیر تغذیه، ایستگاه بعدی ماژول‌های مبدل افزاینده-کاهنده (Buck-Boost) هستن. این ماژول‌ها ولتاژ خروجی رو با توجه به نیاز ما تنظیم می‌کنن.

محدوده تغییر ولتاژ این ماژول‌ها از حدود 1.25 ولت تا 26 ولت متغیره. روی این بردها دو تا پتانسیومتر وجود داره؛ یکی برای تنظیم ولتاژ و یکی دیگه برای محدود کردن جریان. ورودی این ماژول‌ها رو به خروجی 12 ولت پاور ATX وصل می‌کنیم. خروجی مبدل‌ها هم به دو مسیر مختلف تقسیم می‌شه:

1. ورودی رله (در حالت عادی باز یا Normally Open)
2. مدار حسگر ولتاژ

برای اینکه کار با این مبدل‌ها راحت‌تر بشه و بتونی از روی پنل تنظیمات رو انجام بدی، پتانسیومترهای کوچک روی برد رو با هویه دربیار و به جاشون از ولوم‌های چندتر (مولتی‌ترن) استفاده کن.

برای قطع و وصل کردن خروجی‌ها از یه شیلد رله استفاده می‌کنیم که 4 تا رله با تحمل جریان بالا (حدود 10 آمپر) داره. این شیلد دقیقا هم‌اندازه آردوینو اونو (Arduino Uno) طراحی شده و خیلی راحت مثل یه قطعه پازل روی اون سوار می‌شه. پایه‌های کنترلی این رله‌ها مستقیما با خروجی‌های دیجیتال برد آردوینو فرمان می‌گیرن و قطع و وصل می‌شن.

ما از ورودی‌های دیجیتال میکروکنترلر برای خوندن وضعیت کلیدهای فعال‌ساز روی پنل استفاده می‌کنیم و بعد پایه رله مربوطه رو تنظیم می‌کنیم. چون شیلد رله روی آردوینو قرار می‌گیره، پین‌های هدر نری اون بهمون اجازه می‌ده به بقیه پایه‌های آردوینو هم دسترسی داشته باشیم. بنابراین ال‌ای‌دی‌های نشانگر رو هم به همون پین کنترل رله وصل می‌کنیم تا وضعیت فعال بودن کانال رو نشون بدن.

خروجی رله مستقیما به فیش‌های موزی روی پنل جلویی دستگاه وصل می‌شه. این همون خروجی نهایی تغذیه است که قراره تو پروژه‌های الکترونیکی ازش استفاده کنی!

حالا بیایم یه قدم به عقب برگردیم و شاخه دوم خروجی مبدل Buck-Boost، یعنی مدار حسگر ولتاژ رو بررسی کنیم. این بخش خیلی ساده است و پیچیدگی خاصی نداره.

فقط به یه مدار مقسم ولتاژ (Voltage Divider) نیاز داری که به خروجی مبدل متصل بشه. مقاومت اول (R1) رو 4.7 کیلواهم و مقاومت دوم (R2) رو 1 کیلواهم در نظر بگیر.

با استفاده از فرمول مقسم ولتاژ، وقتی حداکثر ولتاژ خروجی یعنی 26 ولت رو داشته باشیم، ولتاژ شکسته شده حدود 4.56 ولت می‌شه که برای پین‌های آنالوگ آردوینو کاملا مناسبه.

در حالت حداقل هم (1.25 ولت)، خروجی مقسم حدود 0.22 ولت خواهد بود. به عنوان یه نکته ایمنی خیلی مهم، بهتره از دیودهای زنر 5 ولت برای محافظت از پین‌های آنالوگ در برابر اضافه‌ولتاژ ناگهانی استفاده کنی تا برد آردوینو آسیب نبینه.

قبل از اینکه وارد جزئیات مدار حسگر جریان بشیم، باید مدار مدیریت تغذیه یا Housekeeping رو بشناسیم. وظیفه اصلی این مدار تامین و هدایت ولتاژهای مرجع برای سایر بخش‌هاست. این مدار شامل 6 تا مقاومت و یک آیسی آپ‌امپ (Op-Amp) چهارگانه با ورودی JFET هست. تو تصویر می‌تونی نقشه کلی این بخش رو ببینی.

مقسم ولتاژ خروجی ATX (تبدیل 12 به 10 ولت)

با یه مقسم ولتاژ ساده، خروجی 12 ولت رو به 10 ولت کاهش می‌دیم. این خروجی به یه آپ‌امپ تو پیکربندی ولتاژ فالوور (Voltage Follower) وصل می‌شه.

مقسم ولتاژ 3 انشعابی

ولتاژ 10 ولت وارد یه شبکه مقسم با 4 مقاومت می‌شه تا سه تا سطح ولتاژ 7.5 ولت، 5 ولت و 2.5 ولت رو به عنوان ولتاژهای خام و مرجع برای مدار حسگر جریان تولید کنه.

مدار ولتاژ فالوور (امپدانس ورودی بالا، امپدانس خروجی پایین)

وقتی از مقسم ولتاژ برای راه‌اندازی یه بار استفاده می‌کنیم، باید حواسمون باشه که افت ولتاژ نداشته باشیم. استفاده از آپ‌امپ‌های JFET به خاطر امپدانس ورودی بالا (افت ولتاژ ایجاد نمی‌کنه) و امپدانس خروجی پایین (جریان‌دهی مناسبی داره)، بهترین راهکار برای این موضوعه تا ولتاژهای مرجع کاملا پایدار بمونن.

با استفاده از آیسی آپ‌امپ، 3 تا مدار فالوور برای ولتاژهای 10، 7.5 و 5 ولت می‌سازیم. ولتاژ 12 ولت رو به ریل مثبت و زمین (GND) رو به ریل منفی متصل می‌کنیم. با این کار، اگر 5 ولت رو به عنوان مرجع صفر در نظر بگیریم، مقادیر جدیدی برای تغذیه خواهیم داشت: 10 ولت می‌شه 5+، 7.5 ولت می‌شه 2.5+، 5 ولت می‌شه همون صفر و صفر ولت می‌شه 5- ولت.

این ولتاژهای شیفت داده شده نسبت به 5 ولت، برای مدیریت محدوده اندازه‌گیری جریان خیلی به کار میان و باعث می‌شن دقت مدار بالا بره.

مدار حسگر جریان از سه بخش اصلی تشکیل شده که تو این مرحله اونا رو بررسی می‌کنیم:

1. سنسور جریان
2. تقویت‌کننده تفاضلی (Differential Amplifier)
3. مقسم ولتاژ

سنسور جریان

تو این مدار از سنسور جریان ACS712 نسخه 20 آمپر استفاده کردیم. این سنسور جریان رو می‌خونه و به یه ولتاژ آنالوگ بین 0 تا 5 ولت تبدیل می‌کنه. اما چون ماژول‌های ما نهایتا 3 تا 4 آمپر خروجی دارن، خروجی سنسور خیلی ضعیف می‌شه و رزولوشن خوبی بهمون نمی‌ده (حدود 100 میلی‌ولت به ازای هر آمپر).

برای اینکه بتونیم دیتای مفیدی از سنسور بگیریم و با دقت بالا به میکروکنترلر بفرستیم، باید رزولوشن این سیگنال رو تقویت کنیم.

تقویت‌کننده تفاضلی

برای این کار از یه آپ‌امپ تفاضلی استفاده می‌کنیم. ما از آیسی معروف 741 استفاده کردیم که به راحتی در دسترسه. این پیکربندی دو تا مزیت بزرگ برامون داره:

1. حذف ولتاژ آفست سنسور (2.5 ولت) در حالت صفر آمپر
2. تقویت سیگنال‌های جریان برای بالا بردن دقت مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) آردوینو

سنسور جریان ما دوطرفه است، ولی ما فقط به خوندن جریان مثبت نیاز داریم. با استفاده از فرمول‌های تقویت‌کننده تفاضلی و برابر قرار دادن مقاومت‌ها، می‌تونیم این دامنه رو اصلاح کنیم.

با اعمال ولتاژ مرجع 2.5 ولت به عنوان V1 و خروجی سنسور به عنوان V2، ولتاژ آفست حذف می‌شه و جریان صفر آمپر دقیقا معادل صفر ولت قرار می‌گیره.

در قدم بعدی با تنظیم مقاومت‌ها (R3 روی 10 کیلواهم و R1 روی 1 کیلواهم)، یه ضریب تقویت 10 برابر ایجاد می‌کنیم تا رزولوشن سیگنال به شدت بهبود پیدا کنه.

مقسم ولتاژ (کالیبره کردن نهایی)

در نهایت از یه مدار مقسم ولتاژ با مقاومت‌های برابر (10 کیلواهم) استفاده می‌کنیم تا دامنه ولتاژ نهایی رو برای پین‌های آنالوگ آردوینو کالیبره کنیم و به همون رزولوشن ایده‌آل برسیم.

مونتاژ قطعات یکی از لذت‌بخش‌ترین قسمت‌های کاره! هدف اینه که تمام این مدارها رو طوری روی هم سوار کنیم که به شکل یه پکیج جمع‌وجور روی بدنه اصلی پاور ATX جا بشن. نمای کلی این چیدمان رو می‌تونی تو تصویر بالا ببینی.

1. اتصال برد مدیریت تغذیه به برد پروتوتایپ حسگرها (از طریق هدر اول)
2. انتقال مستقیم ولتاژ 12 ولت
3. مسیر 10 ولت
4. مسیر 7.5 ولت
5. مسیر 5 ولت
6. اتصال زمین (GND)
7. اتصال برد مدیریت تغذیه (از طریق هدر دوم)
8. پین حسگر ولتاژ کانال یک
9. پین حسگر ولتاژ کانال دو
10. برد رابط حسگر جریان به آردوینو (متصل به هدرهای شیلد رله)
11. اتصال 12 ولت به پایه Vin آردوینو
12. اتصال GND به GND آردوینو
13. اتصال حسگر ولتاژ کانال یک به پین A0
14. اتصال حسگر ولتاژ کانال دو به پین A1
15. اتصال حسگر جریان کانال یک به پین A2
16. اتصال حسگر جریان کانال دو به پین A3

سرهم کردن پنل جلویی دستگاه خیلی سرراست و ساده است. کافیه جای 4 تا ولوم پتانسیومتر، 2 تا ال‌ای‌دی نشانگر، 2 تا کلید فعال‌ساز، نمایشگر LCD و فیش‌های موزی رو روی پنل دربیاری و قطعات رو سر جای خودشون محکم کنی.

بالاخره رسیدیم به مرحله آخر! همه‌چیز رو داخل باکس قرار بده، درپوش رو سر جاش فیکس کن و دستگاه رو به برق بزن. حالا یه منبع تغذیه متغیر دو کاناله حرفه‌ای داری که صفر تا صدش رو خودت ساختی.

امیدوارم از این آموزش و ساخت این پروژه کاربردی لذت برده باشی. حتما این دستگاه رو بساز و اگر پیشنهادی برای ارتقاش داشتی، تو بخش کامنت‌های آیسی‌مدار برامون بنویس!