إذا كنت مهندسًا يعمل في مجال إلكترونيات الطاقة، فمن المحتمل أنك صادفت خافض الجهد مرة على الأقل خلال عملك. هذا الجهاز الصغير هو عنصر أساسي لتشغيل أي جهاز إلكتروني بكفاءة بينما يعمل بصمت دون الكثير من الضجة. ولكن هل تعرف حقًا ما يدور خلف الكواليس و تعلم كيف يعمل خافض الجهد؟ في هذه المقالة، سنخوض في التفاصيل الدقيقة لتصميم خافض الجهد ونستكشف المكونات الرئيسية ونناقش طريقة العمل ونتعرف على بعض التطبيقات العملية.
ما هو خافض الجهد؟
يعرف أيضًا باسم محول خفض الجهد، وهو نوع من محولات (DC-DC) والتي تقلل من جهد الدخل إلى جهد خرج أقل مع زيادة التيار. ويعد محول خافض الجهد مكونًا أساسيًا في إلكترونيات الطاقة، حيث يوفر تنظيمًا فعالًا للجهد لتطبيقات متعددة.
تطبيقات خافض الجهد
يلعب خافض الجهد دورًا هامًا في العديد من التطبيقات لمختلف الصناعات والمجالات وذلك بفضل التحويل الفعال للجهد والحجم الصغير. وفيما يلي بعض التطبيقات الشائعة لخافض الجهد:
مصادر الطاقة
تعد مصادر الطاقة من أكثر التطبيقات شيوعًا لخافض الجهد مثل: محولات التيار المتردد والمستمر وشواحن البطاريات وأنظمة توزيع الطاقة المستمرة. حيث يقوم خافض الجهد بخفض جهد الدخل من التيار الكهربائي إلى جهد أقل مناسب لشحن البطارية.
الإلكترونيات في السيارات
تمتلك السيارات الحديثة العديد من المكونات الكهربائية التي تحتاج إلى إدارة دقيقة للجهد. مثل وحدات التحكم في المحرك (ECMs) ومشغلات المصابيح الأمامية LED. حيث يعمل خافض الجهد على الحفاظ على تيار ثابت لتلك المصابيح لتوفير سطوع مستمر وعمر طويل.
أنظمة الطاقة المتجددة
يستخدم خافض الجهد في أنظمة الطاقة الشمسية وطاقة الرياح للتحكم في جهد خرج المعدات مما يعزز بشكل كبير من الأداء العام لنظام الطاقة المتجددة.
الأجهزة المحمولة والتي تعمل بالبطارية
يستخدم خافض الجهد بشكل متكرر في الأجهزة المحمولة، بما في ذلك الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية والإلكترونيات القابلة للارتداء، حيث يقوم بإدارة استهلاك الطاقة بشكل فعال من خلال خفض جهد البطارية إلى المستويات المطلوبة لمختلف الأنظمة الفرعية، مما يطيل من عمر البطارية ويعزز أداء الجهاز.
كيف يعمل خافض الجهد؟
يعمل خافض الجهد عن طريق تشغيل وإيقاف تشغيل طاقة الإدخال بشكل متقطع من خلال الترانزستور، والذي يتناوب بين تخزين وإطلاق الطاقة. وفيما يلي شرح لكيفية سير العملية:
مكونات خافض الجهد الأساسية
- المفتاح (عادةً ما يكون ترانزستور موسفت MOSFET): يتحكم في تدفق التيار عن طريق التبديل بين وضعي التشغيل والإيقاف.
- الصمام الثنائي: يسمح للتيار بالتدفق في اتجاه واحد ويمنعه من التدفق في الاتجاه المعاكس.
- المحث: يخزن الطاقة عندما يتدفق التيار من خلاله ويطلق الطاقة عندما ينقطع تدفق التيار.
- المكثف: يقوم بتصفية تموجات الجهد لتوفير جهد خرج سلس.
تشكل هذه المكونات، جنبًا إلى جنب مع بعض المكونات الإضافية (مثل مكثفات الإدخال والمقاومات لشبكات التغذية الراجعة)، الطوبولوجيا الأساسية للدائرة خافض الجهد. من خلال تحديد وتصميم هذه المكونات بشكل صحيح، يمكن لخافض الجهد أن يخفض جهد الدخل بكفاءة وفعالية إلى جهد الخرج المطلوب.
طريقة عمل خافض الجهد
تعتمد آلية عمل خافض الجهد على وضعين، وهما:
- وضع التشغيل: في هذا الوضع، يكون المفتاح مغلقًا. يتم تخزين الطاقة من مصدر جهد الإدخال في المحث، ويبدأ جهد الخرج في الارتفاع.
- وضع الإيقاف: في هذه الحالة، يكون المفتاح مفتوحًا. يتم تفريغ الطاقة المخزنة سابقًا في المحث، مما يوفر الطاقة للحمل، بينما يبدأ جهد الخرج في الانخفاض.
مخطط دائرة خافض الجهد
يوضح الشكل 1 مخطط دائرة خافض الجهد، والذي يتكون من مصدر طاقة تيار مستمر E، ومفتاح S (عادةً MOSFET أو IGBT)، والصمام الثنائي D، ومرشح LC لنطاق التردد المنخفض والحمل R. يتم تمثيل الترانزستور بواسطة مفتاح S بسهم صغير، والذي يشير إلى اتجاه التيار الذي يمكن إنشاؤه بواسطة المفتاح.
(الشكل 2)
عند تشغيل المفتاح S، يصبح الصمام الثنائي D مستقطبًا عكسيًا بواسطة جهد التغذية E، ويصبح الجهد عبر المحث مساويًا للفرق بين جهد التغذية وجهد الحمل (انظر الشكل 2):
(الشكل 2)
سيزداد التيار المتدفق عبر المحث خطيًا من الحد الأدنى إلى الحد الأقصى للقيمة (انظر الشكل 3).
(الشكل 3)
عندما يتم إيقاف تشغيل المفتاح S، تحدث عملية التبديل حيث يمر تيار المحث من المصدر E إلى الصمام الثنائي D. تظهر هذه العملية في الشكل 4. من الضروري أن نأخذ في الاعتبار أن المحث يتكون من سلسلة من الملفات الموجودة بجوار بعضها البعض، بحيث يكون هناك اقتران سعوي بينها وليس اقتران مغناطيسي فحسب، والذي يمثله المكثف CP. وفي اللحظة التي سبقت إيقاف التشغيل (المفتاح S)، كان الجهد عبر المحث:
بعد إيقاف تشغيل المفتاح S، يظل التيار المار عبر المحث ثابتًا في الاتجاه والشدة ويغلق عبر المكثف CP (انظر الشكل 4-A). ثم يتم تفريغ المكثف وشحنه إلى الجانب الآخر. ويكون الجهد العكسي للصمام الثنائي:
ويصبح صفرًا عندما يصبح الجهد عبر المكثف CP مساويًا لجهد الحمل في الاتجاه المعاكس. في تلك اللحظة، يتولى الثنائي تيار المحث (انظر الشكل 4-ب)، وبالتالي فإن الجهد عبر المحث يساوي جهد الحمل:
ويتناقص التيار المار عبر المحث خطيًا ويصل إلى قيمة دنيا في نهاية العملية (انظر الشكل 3).
(الشكل 4-A و 4-B)
في الحالة المستقرة، على مدار دورة تبديل واحدة، يكون التغير الإجمالي في تيار المحث مساويًا للصفر:
وهذا يعني أنه في الحالة المستقرة، تكون مساحة شكل موجة الجهد عبر المحث مساوية للصفر، أي:
قيمة جهد الحمل المتوسط (الجهد عبر المقاومة R) تساوي:
حيث يمثل d دورة عمل المفتاح S.
أوضاع تشغيل خافض الجهد
يتدفق التيار عبر المحث في خافض الجهد من خلال وضعين مختلفين للتوصيل. وهما:
وضع التوصيل المستمر (CCM)
في هذا الوضع، لا ينخفض تيار المحث إلى الصفر أبدًا أثناء دورة التبديل، مما يضمن خرجًا أكثر استقرارًا.
على الرغم من أن وضع التوصيل المستمر (CCM) مفضل غالبًا لأنه يوفر تموج جهد خرج أقل ومكونات مرشح أصغر وضغط أقل على المفاتيح، إلا أنه يتطلب تحكم أكثر تعقيدًا للحفاظ على الاستقرار في ظل ظروف الحمل المتغيرة.
وضع التوصيل المتقطع (DCM)
في هذا الوضع، يصل تيار المحث إلى الصفر بين الدورات عندما يكون تيار الحمل أقل من متوسط تيار المحث. هذا يؤدي بدوره إلى تفريغ المحث لطاقته المخزنة بالكامل قبل بدء الدورة التالية، مما يعمل على زيادة تموج جهد الخرج وزيادة التداخل الكهرومغناطيسي بسبب التغيرات المفاجئة في تدفق التيار. ومع ذلك، يمتلك وضع DCM مميزات مثل تحسين كفاءة الحمل الخفيف، وأنظمة التحكم الأكثر بساطة، وتقليل خسائر الاسترداد العكسي في الصمام الثنائي.
يعتمد الاختيار بين هذه الأوضاع على متطلبات التطبيق، وخاصة أهداف الحمل والكفاءة.
مزايا خافض الجهد
تتمثل إحدى المزايا الأساسية لرافع الجهد في كفاءته العالية في استخدام الطاقة. فمن خلال تقليل الجهد مع الحد الأدنى من فقدان الطاقة، فإنها تسمح بإنشاء أنظمة طاقة أصغر وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، فهي صغيرة الحجم، مما يجعلها متعددة الاستخدامات في مختلف أنواع التطبيقات بداية من الإلكترونيات المحمولة إلى أنظمة الطاقة المتجددة.
عيوب خافض الجهد
- تيار الإدخال متقطع، وهو ما يتطلب غالبًا مرشح إدخال تنعيم لتقليل الضوضاء والتداخل الكهرومغناطيسي
- يمكنه فقط إنتاج جهد خرج بقطب واحد، مما يعني أن عكس القطبية غير ممكن.
- تيار الإخراج أحادي الاتجاه، وبالتالي لا يمكن استخدامه في التطبيقات التي تتطلب تدفق تيار ثنائي الاتجاه.
- توليد تداخل كهرومغناطيسي كبير نتيجة التبديل السريع يؤثر على أي مكونات أو أجهزة إلكترونية بالقرب.
في النهاية، يعد خافض الجهد مكون هام لا يمكن الاستغناء عنه لتشغيل الأجهزة الإلكترونية الخاصة بك بكفاءة وفعالية. سواء كنت تقوم ببناء أداة مخصصة أو ترقية نظام موجود، يمكن لهذا الجهاز الصغير توفير الطاقة الثابتة والمنظمة التي تحتاجها. إذن، هل يتطلب مشروعك التالي استخدام خافض جهد؟ إذا كان الأمر كذلك، فلا تتردد في الاطلاع على مجموعة خافض الجهد من مايكرو وطلب ما تريده الآن.
مايكرو
مؤسسة سعودية متخصصة في مجال بيع مستلزمات التصنيع والابتكار للطلاب والمهندسين والعاملين في مجال الإلكترونيات والحاسب الآلي عن طريق تزويدهم بأحدث المكونات الإلكترونية وقطع الغيار التقنية وأجهزة المعامل
