محولات التيار المستمر

لتشغيل مختلف الأجهزة الإلكترونية ، تستخدم محولات التيار المستمر / DC على نطاق واسع. يتم استخدامها في أجهزة الحوسبة وأجهزة الاتصالات ودوائر التحكم والأتمتة المختلفة ، إلخ.

امدادات الطاقة المحولات

في مزودات المحولات التقليدية ، يتم تحويل جهد التيار الكهربائي باستخدام محول ، يتم تخفيضه في معظم الأحيان ، إلى القيمة المطلوبة. انخفاض الجهد تصحيح بواسطة جسر الصمام الثنائي وتنعيم بواسطة مرشح مكثف. إذا لزم الأمر ، يتم وضع مثبت أشباه الموصلات بعد المعدل.

عادة ما تكون مزودات المحولات الكهربائية مزودة بمثبتات خطية. هناك ما لا يقل عن اثنين من مزايا هذه المثبتات: إنها تكلفة صغيرة وعدد صغير من أجزاء في تسخير. لكن هذه المزايا تستهلك بكفاءة منخفضة ، حيث يتم استخدام جزء كبير من جهد الدخل لتسخين ترانزستور التحكم ، وهو أمر غير مقبول تمامًا لتشغيل الأجهزة الإلكترونية المحمولة.

محولات DC / DC

إذا تم تشغيل الجهاز بواسطة خلايا أو بطاريات كلفانية ، فإن تحويل الجهد إلى المستوى المرغوب يكون ممكنًا فقط بمساعدة محولات التيار المستمر / التيار المستمر.

الفكرة بسيطة للغاية: يتم تحويل الجهد الثابت إلى جهد متناوب ، كقاعدة عامة ، بتردد يصل إلى عدة عشرات وحتى مئات الكيلو هرتز ، يرتفع (ينقص) ، ثم يتم تصحيحه وتزويده بالتحميل. وغالبا ما تسمى هذه المحولات نبض.

مثال على ذلك هو محول دفعة من 1.5V إلى 5V ، مجرد الجهد الناتج من جهاز كمبيوتر USB. يباع محول طاقة مماثل في Aliexpress.

التين. 1. 1.5 فولت / 5 فولت محول

تعد محولات نبضات جيدة من حيث أنها تتمتع بالكفاءة العالية ، في غضون 60..90٪. ميزة أخرى لمحولات النبض هي مجموعة واسعة من الفولتية المدخلات: يمكن أن يكون الجهد الإدخال أقل من الجهد الناتج أو أعلى من ذلك بكثير. بشكل عام ، يمكن تقسيم محولات DC / DC إلى عدة مجموعات.

تصنيف المحولات

تنحى أو باك

الجهد الناتج من هذه المحولات ، كقاعدة عامة ، أقل من المدخلات: بدون خسائر خاصة لتسخين ترانزستور التحكم ، يمكنك الحصول على جهد لا يتجاوز بضعة فولتات عند جهد إدخال يبلغ 12 ... 50V. يعتمد التيار الناتج لمثل هذه المحولات على طلب الحمل ، والذي بدوره يحدد دائرة المحول.

اسم إنجليزي آخر لمحول باك المروحية. أحد الخيارات لترجمة هذه الكلمة هو مجزئ. في الأدبيات الفنية ، يُطلق على محول باك أحيانًا اسم "المروحية". الآن ، فقط تذكر هذا المصطلح.

تصعيد أو زيادة في المصطلحات الإنجليزية

الجهد الناتج من هذه المحولات أعلى من المدخلات. على سبيل المثال ، من خلال جهد دخل 5V ، يمكن الحصول على خرج يصل إلى 30V ، ويمكن تنظيمه واستقراره على نحو سلس. وغالبا ما تسمى المحولات دفعة التعزيز.

محولات عالمية - SEPIC

يتم الاحتفاظ الجهد الناتج من هذه المحولات في مستوى محدد سلفا مع الجهد المدخلات على حد سواء أعلى من المدخلات وأقل. يوصى في الحالات التي يمكن أن يتغير فيها جهد الدخل بشكل كبير. على سبيل المثال ، في السيارة ، يمكن أن يتراوح جهد البطارية بين 9 ... 14V ، وتحتاج إلى الحصول على جهد ثابت يبلغ 12 فولت.

قلب المحولات - قلب المحول

وتتمثل المهمة الرئيسية لهذه المحولات في الحصول على الجهد الناتج من قطبية عكسية بالنسبة لمصدر الطاقة. مريحة للغاية في الحالات التي تتطلب التغذية القطبين ، على سبيل المثال لتشغيل المرجع أمبير.

يمكن تثبيت جميع هذه المحولات أو عدم استقرارها ، ويمكن توصيل جهد الخرج بالكابلات إلى المدخلات أو عزل كلفاني من الفولتية. كل هذا يتوقف على الجهاز المحدد الذي سيتم استخدام المحول.

من أجل المضي قدماً في مناقشة محولات التيار المستمر / التيار المستمر ، يجب على الأقل التعامل مع النظرية.

المروحية أسفل محول - باك نوع محول

يظهر الرسم التخطيطي الوظيفي في الشكل أدناه. تشير الأسهم الموجودة على الأسلاك إلى اتجاه التيارات.

الشكل 2. الرسم البياني وظيفي من استقرار المروحية

يتم تطبيق Uin الجهد الإدخال إلى مرشح الإدخال - مكثف سين. يستخدم الترانزستور VT كعنصر رئيسي ؛ ينفذ التبديل الحالي عالية التردد. يمكن أن يكون الترانزستور هيكل MOSFET ، IGBT أو الترانزستور ثنائي القطب التقليدي. بالإضافة إلى هذه التفاصيل ، تحتوي الدائرة على صمام ثنائي التفريغ VD ومرشح إخراج - LCout ، والذي يدخل منه الجهد في الحمل Rн.

من السهل أن نرى أن الحمل متصل في سلسلة مع العناصر VT و L. لذلك ، فإن الدائرة متسقة. كيف يحدث انخفاض الجهد؟

تعديل عرض النبضة - PWM

تولد دائرة التحكم نبضات مستطيلة مع تردد ثابت أو فترة ثابتة ، وهو نفس الشيء في الأساس. وتظهر هذه البقول في الشكل 3.

الشكل 3. نبضات التحكم

هنا t هو وقت النبض ، الترانزستور مفتوح ، tp هو وقت الإيقاف المؤقت ، ويتم إغلاق الترانزستور. تسمى نسبة ti / T بدورة عمل دورة العمل ، ويتم الإشارة إليها بالحرف D ويتم التعبير عنها بنسبة ٪٪ أو ببساطة بالأرقام. على سبيل المثال ، مع D يساوي 50 ٪ ، اتضح أن D = 0.5.

وبالتالي ، يمكن أن تختلف D من 0 إلى 1. بقيمة D = 1 ، يكون ترانزستور المفتاح في حالة توصيل كامل ، وعند D = 0 في حالة فصل ، ببساطة ، يتم إغلاقه. من السهل تخمين أن الجهد الناتج عند D = 50٪ سيكون مساوياً لنصف الدخل.

من الواضح تمامًا أن تنظيم جهد الخرج يحدث بسبب تغيير في عرض نبضة التحكم t ، وفي الواقع ، هناك تغيير في المعامل D. يسمى مبدأ التنظيم هذا عرض نبض تشكيل PWM (PWM). في جميع امدادات الطاقة التبديل تقريبا ، هو بالضبط بمساعدة من PWM هو استقرار الجهد الناتج.

في المخططات الموضحة في الشكلين 2 و 6 ، يتم "إخفاء" PWM في المستطيلات مع نقش "دائرة التحكم" ، الذي يؤدي بعض الوظائف الإضافية. على سبيل المثال ، يمكن أن يكون بداية سلسة لجهد الخرج أو التشغيل عن بُعد أو حماية المحول ضد الدائرة القصيرة.

بشكل عام ، كانت المحولات تستخدم على نطاق واسع لدرجة أن الشركات المنتجة للمكونات الإلكترونية مرتبة لأجهزة التحكم PWM لجميع المناسبات. النطاق كبير جدًا بحيث تحتاج فقط إلى كتاب كامل لإدراجه. لذلك ، لا يحدث لأي شخص أن يقوم بتجميع المحولات على عناصر منفصلة ، أو كما يقول كثيرًا على "البودرة السائبة".

علاوة على ذلك ، يمكن شراء المحولات الجاهزة ذات السعة الصغيرة في Aliexpress أو Ebay بسعر صغير. في الوقت نفسه ، للتركيب في تصميم الهواة ، يكفي لحام أسلاك الإدخال والإخراج على اللوحة ، وتعيين الجهد الناتج المطلوب.

لكن بالعودة إلى الرقم 3. في هذه الحالة ، يحدد المعامل D مقدار الوقت الذي سيتم فتحه (المرحلة 1) أو إغلاقه (المرحلة 2) الترانزستور الرئيسي. لهاتين المرحلتين ، يمكنك أن تتخيل الرسم البياني في شكلين. لا تظهر الأشكال العناصر التي لم يتم استخدامها في هذه المرحلة.

الشكل 4. المرحلة 1

عندما يكون الترانزستور مفتوحًا ، يمر التيار من مصدر الطاقة (خلية كلفانية ، بطارية ، مقوم) عبر خنق استقرائي L ، حمل Rн ، ومكثف شحن Cout. في الوقت نفسه ، يتدفق التيار خلال الحمل ، تتراكم طاقة المكثف Cout والمغوي L. IL الحالي يزيد تدريجيا ، يؤثر تأثير محاثة محث. وتسمى هذه المرحلة الضخ.

بعد أن يصل الجهد في الحمل إلى القيمة المحددة (التي تحددها إعدادات جهاز التحكم) ، يتم إغلاق الترانزستور VT وينتقل الجهاز إلى المرحلة الثانية - مرحلة التفريغ. الترانزستور المغلق في الشكل لا يظهر على الإطلاق ، كما لو كان غير موجود. ولكن هذا يعني فقط أن الترانزستور مغلق.

الشكل 5. المرحلة 2

عندما يتم إغلاق الترانزستور VT ، لا يوجد تجديد للطاقة في المحث ، حيث يتم فصل مصدر الطاقة. يسعى الحث L إلى منع حدوث تغيير في حجم واتجاه التيار (الحث الذاتي) الذي يتدفق عبر لف المحث.

لذلك ، لا يمكن للتيار أن يتوقف على الفور ويغلق من خلال دائرة تحميل الصمام الثنائي. وبسبب هذا ، يسمى ديود VD بت. وكقاعدة عامة ، هذا هو الصمام الثنائي عالي السرعة شوتكي. بعد فترة التحكم في المرحلة 2 ، تنتقل الدائرة إلى المرحلة 1 ، تتكرر العملية مرة أخرى. يمكن أن يكون الحد الأقصى للجهد عند إخراج الدائرة المدروسة مساوياً للمدخلات وليس أكثر. للحصول على الجهد الناتج أكبر من الجهد المدخلات ، وتستخدم المحولات دفعة.

تجدر الإشارة إلى أنه في الواقع ، ليس كل شيء بسيطًا كما هو مذكور أعلاه: من المفترض أن جميع المكونات مثالية ، أي يحدث التشغيل والإيقاف دون تأخير ، والمقاومة النشطة هي صفر. في التصنيع العملي لمثل هذه المخططات ، يجب أخذ العديد من الفروق الدقيقة في الاعتبار ، نظرًا لأن الكثير يعتمد على جودة المكونات المستخدمة والسعة الطفيلية المتزايدة. فقط حول مثل هذه التفاصيل البسيطة مثل خنق (حسناً ، مجرد ملف سلك!) ، يمكنك كتابة أكثر من مقال واحد.

في الوقت الحالي ، من الضروري فقط تذكر الحث الفعلي ، الذي يحدد طريقتين لتشغيل المروحية. مع عدم وجود محاثة كافية ، سيعمل المحول في الوضع الحالي غير المستمر ، وهو أمر غير مقبول تمامًا لمصادر الطاقة.

إذا كان الحث كبيرًا بدرجة كافية ، فسيحدث العمل في الوضع الحالي المستمر ، والذي يسمح باستخدام مرشحات الخرج للحصول على جهد ثابت بمستوى مقبول من التموج. في الوضع الحالي المستمر ، تعمل محولات الخطوات أيضًا ، والتي سيتم وصفها أدناه.

للحصول على بعض الزيادة في الكفاءة ، يتم استبدال الصمام الثنائي التفريغ VD بواسطة الترانزستور MOSFET ، والذي يتم فتحه في الوقت المناسب بواسطة دائرة التحكم. وتسمى هذه المحولات متزامن. هناك ما يبرر استخدامها إذا كانت قوة المحول كبيرة بما يكفي.

خطوة متابعة أو تعزيز المحولات

تستخدم المحولات الداعمة بشكل أساسي لإمداد الطاقة ذات الجهد المنخفض ، على سبيل المثال ، من بطاريتين إلى ثلاث بطاريات ، وبعض المكونات تتطلب 12 ... 15 فولت مع استهلاك تيار منخفض. في كثير من الأحيان ، يسمى المحول دفعة لفترة وجيزة بوضوح كلمة "الداعم".

الشكل 6. الرسم البياني وظيفية من دفعة دفعة

يتم تطبيق Uin الجهد الإدخال على مرشح الإدخال سين وتطبيقها على سلسلة متصلة مغو L والتبديل الترانزستور VT. يتم توصيل الصمام الثنائي VD بنقطة اتصال الملف واستنزاف الترانزستور. يتم توصيل الحمل Rн ومكثف التحويلة Cout إلى الطرف الآخر من الصمام الثنائي.

يتم التحكم في الترانزستور VT بواسطة دائرة التحكم التي تولد إشارة التحكم في التردد مستقرة مع دورة العمل D قابل للتعديل ، تماما كما هو موضح أعلاه في وصف الدائرة المروحية (الشكل 3). يمنع الصمام الثنائي VD في الوقت المناسب الحمل من الترانزستور الرئيسي.

عندما يكون الترانزستور الرئيسي مفتوحًا ، يتم توصيل الخرج الأيمن من الملف L بالقطب السالب لمصدر الطاقة Uin. يتدفق التيار الصاعد (تأثير الحث) من مصدر الطاقة عبر الملف والترانزستور المفتوح ، تتراكم الطاقة في الملف.

في هذا الوقت ، يحظر الصمام الثنائي VD الحمل ومكثف الخرج من الدائرة الرئيسية ، وبالتالي يمنع تفريغ مكثف الخرج عبر ترانزستور مفتوح. يتم تشغيل الحمل في هذه اللحظة بواسطة الطاقة المخزنة في مكثف Cout. وبطبيعة الحال ، فإن الجهد عبر المكثف الناتج يسقط.

بمجرد أن يصبح جهد الخرج أقل قليلاً من الجهد المحدد (الذي تحدده إعدادات دائرة التحكم) ، يتم إغلاق الترانزستور الرئيسي VT ، وتعيد الطاقة المخزنة في الحث المكثف Cout عبر الصمام الثنائي VD ، الذي يغذي الحمل. في هذه الحالة ، تتم إضافة EMF الذاتي التعريفي للملف L إلى جهد الدخل ويتم نقله إلى الحمل ، وبالتالي فإن جهد الخرج أكبر من جهد الدخل.

عندما يصل جهد الخرج إلى مستوى التثبيت المحدد ، تفتح دائرة التحكم الترانزستور VT ، وتتكرر العملية من مرحلة تخزين الطاقة.

محولات عالمية - SEPIC (محوِّل محوِّل أساسي أحادي الطرف أو محول ذو محاثة أولية غير متناظرة).

يتم استخدام هذه المحولات بشكل أساسي عندما يكون الحمل منخفض الطاقة ، ويتغير جهد الدخل نسبةً إلى الإخراج إلى حد أكبر أو أقل.

الشكل 7. مخطط وظيفي لمحول SEPIC

تشبه إلى حد كبير دائرة محول التعزيز الموضحة في الشكل 6 ، ولكن لديها عناصر إضافية: مكثف C1 ولفائف L2. هذه العناصر هي التي تضمن تشغيل المحول في وضع خفض الجهد.

تستخدم محولات SEPIC في الحالات التي يختلف فيها جهد الدخل على نطاق واسع. مثال على ذلك هو منظم الجهد التصاعدي لأعلى / أسفل محول الجهد 4V-35V إلى 1.23V-32V. تحت هذا الاسم يباع المحول في المتاجر الصينية ، حيث تظهر الدائرة في الشكل 8 (انقر على الصورة للتكبير).

الشكل 8. رسم تخطيطي لمحول SEPIC

يوضح الشكل 9 مظهر اللوحة مع تحديد العناصر الرئيسية.

الشكل 9. ظهور محول SEPIC

يوضح الشكل الأجزاء الرئيسية وفقًا للشكل 7. يجب الانتباه إلى وجود ملفين L1 L2. بناءً على هذه الميزة ، يمكن تحديد أن هذا هو بالضبط محول SEPIC.

يمكن أن تكون مساهمة الجهد للوحة في حدود 4 ... 35V. في هذه الحالة ، يمكن ضبط الجهد الناتج في غضون 1.23 ... 32V. تردد تشغيل المحول هو 500 كيلو هرتز مع حجم صغير من 50 × 25 × 12 مم ، توفر اللوحة طاقة تصل إلى 25 واط. الحد الأقصى الانتاج الحالي يصل إلى 3A.

ولكن هنا يجب إبداء ملاحظة. إذا تم ضبط جهد الخرج على 10 فولت ، فلن يكون تيار الخرج أعلى من 2.5A (25W). مع الجهد الناتج من 5V والحد الأقصى الحالي من 3A ، فإن الطاقة ستكون 15W فقط. الشيء الرئيسي هنا هو عدم المبالغة في ذلك: إما لا تتجاوز القدرة القصوى المسموح بها ، أو لا تتجاوز التيار المسموح به.

انظر أيضا: تحويل امدادات الطاقة - مبدأ التشغيل

بوريس الأديشين