ما هو منظم الجهد التبديل؟

تعد منظمات التبديل دائرة أساسية لتوليد جهد إمداد مستقر بكفاءة ولترجمة الفولتية لأعلى أو لأسفل.

يعد توليد الفولتية المستقرة القادرة على دفع كميات كبيرة من التيار إحدى المهام الأساسية للتصميم الإلكتروني. النموذج الأساسي للدائرة الإلكترونية ذات الجهد المنخفض يسير على النحو التالي:

1. يتم توفير جهد ذو سعة كبيرة لمحرك التيار كأحد المدخلات الأساسية للنظام.
2. يتم تحويل جهد الدخل هذا، والذي قد يكون مرتفعًا جدًا أو متغيرًا جدًا للاستخدام المباشر في الدائرة، إلى واحد أو أكثر من جهد الإمداد المنظم الذي تتوافق مقاديره مع مواصفات المكونات التي تعمل بالطاقة.
3. تستخدم هذه المكونات (وحدات التحكم الدقيقة، ومضخمات التشغيل، وما إلى ذلك) جهد الإمداد المنظم لأداء الوظائف المطلوبة للدائرة.

هناك طرق مختلفة لتحقيق ذلك. عندما بدأت بتصميم الدوائر لأول مرة، استخدمت منظمات الجهد الخطية - مثل 7805 الموقرة - كلما كان ذلك ممكنًا. في الوقت الحاضر، من المستحيل إنكار أن تبديل الهيئات التنظيمية غالبًا ما يكون الطريقة الأفضل، ومن خلال تجربتي، فإنهم عادة الطريقة المتفوقة.

في هذه المقالة، سنناقش التسميات ثم نستكشف المبادئ الأساسية لتنظيم التبديل.

تبديل مصطلحات المنظم

ربما يكون "منظم التبديل (الجهد)" هو المصطلح الأكثر شيوعًا وتميزًا للإشارة إلى هذه الفئة من الدوائر. ومع ذلك، سترى أيضًا مجموعات مختلفة من المصطلحات التالية:

• مصدر الطاقة في وضع التبديل (SMPS)
• الجلاد أو التبديل
• محول أو منظم
• دس / دس

أنا في الواقع أفضل "منظم وضع التبديل" أو "مصدر طاقة وضع التبديل"، لأن "وضع التبديل" ينقل طبيعة هذه الدوائر بنجاح أكبر: التبديل هو الحل طريقة والتي من خلالها ينجزون مهمتهم في تنظيم أو تحويل الجهد.

تعاني كل هذه المصطلحات من الغموض الذي نادرًا ما يسبب مشاكل، ولكنها مع ذلك جديرة بالملاحظة: يمكن أن يشير "منظم التبديل" أو "مصدر طاقة وضع التبديل"، من الناحية النظرية، إلى دائرة تولد سكة طاقة باستخدام مفاتيح بالتزامن مع أي من محولات الطاقة. مغو أو أ مكثف.

مغو مقابل إمدادات الطاقة في وضع التبديل القائم على المكثف

من الناحية العملية، على الرغم من ذلك، فإن المصطلحات المذكورة أعلاه مخصصة للمحولات المعتمدة على المحث. الشكل 1 هو مثال لمنظم وضع التبديل القائم على مغو. الغالبية العظمى من مصادر الطاقة في وضع التبديل تعتمد على المحث. وستكون هذه هي التركيز الأساسي لهذه المقالة.

الرقم 1. الطوبولوجيا الأساسية لمصدر طاقة التحويل القائم على مغو. الصورة (المعدلة) المستخدمة من باب المجاملة ويكيميديا ​​​​كومنز

المحولات القائمة على المكثفات، مثل الدائرة النموذجية في الشكل 2، تسمى عادةً مصادر طاقة "مضخة الشحن" أو مصادر طاقة "مكثف مبدل". الشكلان 1 و 2 هما مثالان للدوائر التي تنتج جهد خرج أعلى من جهد الدخل.

الرقم 2. الطوبولوجيا الأساسية لمصدر طاقة التحويل القائم على المكثف. 

تنظيم الجهد الخطي

دعونا الآن نفكر في المنظم الخطي، كما هو موضح في الشكل 3. يمكن للمنظمات الخطية فقط تقليل الجهد، لذلك نحن نعلم أن جهد الدخل أعلى من جهد الخرج.

الرقم 3. مخطط كتلة تنظيم الجهد الخطي. صورة المؤلف

يتطلب المنظم الخطي كمية صغيرة من التيار للتشغيل؛ وهذا ما يسمى التيار الأرضي. غالبًا ما يكون التيار الأرضي صغيرًا بشكل لا يذكر، لذلك دعونا نتجاهله ونفترض أن التيار المتدفق إلى المنظم يساوي التيار المتدفق من المنظم إلى دائرة الحمل المزوّدة بالطاقة.

الآن دعونا نفكر في السلطة. نحن نحسب الطاقة الكهربائية على أنها مرات الجهد الحالية، وبما أن الإخراج قد تيار متساوي لكن انخفاض الجهد بالنسبة للمدخلات، يجب أن تفقد الطاقة في مكان ما. يمكنك أيضًا أن تتخيل أن المنظم الخطي هو عنصر مقاوم بسيط مع انخفاض الجهد:

$$V_{DROP} = V_{IN} - V_{OUT}$$

في هذه الحالة، تبديد الطاقة للمنظم الخطي، P_REG هو:

$$P_{REG} = V_{DROP} cdot I_{LOAD}$$

في الواقع، أحد مكونات المنظم الخطي هو المفتاح، وهو ليس مفتاحًا كهروميكانيكيًا، ولكنه ترانزستور قادر على العمل كمفتاح كهربائي بحت. ومع ذلك، فإننا لا نطلق على المنظم الخطي اسم منظم التحويل لأن المفتاح لا يتم تشغيله أو إيقاف تشغيله؛ بدلاً من ذلك، يعمل المفتاح في حالة متوسطة حيث يكون لديه مقاومة كبيرة، وهذه المقاومة تبدد الطاقة وتسمح بتقليل الجهد.

التنظيم الخطي بسيط وفعال للغاية، لكنه غير فعال. يعمل المفتاح في حالة مقاومة متوسطة ويبدد كميات كبيرة من الطاقة على شكل حرارة. إلا إذا كنت تريد أن يعمل المنظم الخاص بك كمنظم و  سخان كهربائي، يتم إهدار هذه الطاقة.

تنظيم الجهد في وضع التبديل

وهذا يقودنا إلى مفهوم منظم وضع التبديل. إذا تمكنا من إبقاء المفتاح قيد التشغيل أو الإيقاف بالكامل - وبعبارة أخرى، إذا تمكنا من تجنب تلك المنطقة المتوسطة عالية التشتيت للطاقة - فيمكننا إنشاء منظم أكثر كفاءة. لكن مناقشتنا للمنظم الخطي تشير إلى أن الطاقة المهدرة ضرورية لتقليل الجهد. ما يجب القيام به؟

هذا هو المكان الذي يأتي فيه ملف الحث. يقوم ملف الحث بتخزين الطاقة وإطلاقها بطريقة لا يمكن أن يتغير فيها التيار من خلال ملف الحث على الفور. يؤدي إجراء التشغيل/الإيقاف إلى تيار محث يزيد ويتناقص تدريجيًا. عندما يتم دمج ملف حث مع مكثف، يمكن لمرشح LC الناتج أن يسهل شكل موجة التشغيل/الإيقاف إلى جهد ثابت نسبيًا. يتم تحديد حجم الجهد المصقول من خلال دورة تشغيل شكل موجة التشغيل/الإيقاف.

على سبيل المثال، دعونا نلقي نظرة على الشكل 4. بعد التصفية، تتوافق دورات العمل المختلفة (في هذا المثال، 10%، 50%، و90%) مع مستويات جهد التيار المستمر المختلفة (المشار إليها بالمنحنيات الحمراء). مستويات جهد التيار المستمر هذه ليست مسطحة تمامًا لأن بعض التموج يبقى بعد التصفية.

الرقم 4. مستويات جهد التيار المستمر كدالة لدورة عمل PWM. صورة المؤلف

وبالتالي، يمكننا تشغيل وإيقاف المفتاح بتردد عالٍ ومن ثم استخدام تعديل عرض النبضة والتصفية لإنشاء جهد خرج التيار المستمر المطلوب. يمكننا أيضًا مراقبة إشارة التغذية الراجعة وضبط دورة عمل PWM وفقًا لظروف التحميل. هذا هو الوضع الأساسي للتشغيل في تبديل دوائر التنظيم: الترشيح الاستقرائي لتوصيل تيار حمل ثابت على الرغم من إجراء التشغيل/الإيقاف؛ ردود الفعل وPWM لتنظيم الجهد.

على الرغم من أن المحول يعمل بتردد عالٍ، فإنه لا يزال يقضي معظم وقته في حالات تبديد الطاقة المنخفضة (أي حالات التشغيل الكامل والإيقاف الكامل). ولهذا السبب فإن تبديل المنظمات يمكن أن يكون أكثر كفاءة من المنظمات الخطية.

بالطبع هناك الكثير من التفاصيل والاختلافات التي لم أذكرها، لكن إذا فهمت كل هذا، يكون لديك أساس متين لمزيد من الدراسة.

مثال على دائرة تنظيم الجهد التبديل: محول باك

يوضح الشكل 5 الهيكل الأساسي لمحول باك، المعروف أيضًا باسم محول التنحي. يستخدم تشغيل وضع التبديل لتقليل حجم جهد دخل التيار المستمر. (لاحظ، بالمعنى الدقيق للكلمة، هذا ليس منظم جهد لأنه لا يتضمن نظام التغذية المرتدة الفرعي المطلوب للحفاظ على جهد ثابت على الرغم من ظروف الحمل المتغيرة.)

الرقم 5. مثال على نوع من دائرة تنظيم الجهد التبديل: محول باك.