يمكن أن تكون مصادر الطاقة من نوعين: اعتمادًا على نوع جهد الخرج ، يمكن تصنيفها على أنها مصادر طاقة تيار مستمر أو مصادر طاقة تيار متردد. تتغير هذه الأنواع وفقًا للاحتياجات النهائية للنظام والتعقيد الذي تتطلبه مواصفات المشروع. في بعض الأحيان ، لا تكون المحولات العادية آمنة بما فيه الكفاية ، خاصة في التطبيقات الصناعية والطبية ، حيث يجب الالتزام بعنصر الأمان بلا شك. لذلك يجب أن تراعي مصادر طاقة التيار المستمر معايير تشغيل صارمة للغاية ويجب أن تفي بمعايير التشغيل الدقيقة.
امدادات الطاقة DC
هناك العديد من المتطلبات التي يجب أن تفي بها مصادر الطاقة المستخدمة في البيئات الصناعية والطبية. لا تلبي المحولات أحادية المرحلة معظمها. في الواقع ، لا توفر عزلًا كلفانيًا مناسبًا بين مدخلات ومخرجات الجهاز ، وهي مشكلة يمكن أن تشكل مخاطر كبيرة على سلامة المشغلين والأجهزة نفسها. لهذا السبب ، يفضل المصممون استخدام تقنيات التحويل متعدد المراحل (DC / AC و AC / DC) ، والتي تعد بالتأكيد أكثر تعقيدًا ولكنها توفر عوامل أمان مثالية.
يتم ضمان العزل الكهربائي ، وهو عنصر مهم آخر مطلوب ، من خلال وجود محول بين المراحل. تسمح أنواع التحويل المختلفة بتقسيم إمدادات طاقة التيار المستمر إلى فئات مختلفة. لذلك ، عند تصميم مصادر طاقة التيار المستمر ، يجب أن يلتزم المصممون بكثافة طاقة عالية وكفاءة عالية جدًا وتشويه متناسق منخفض لأشكال الموجة المختلفة ؛ يجب أن يكون حجم ووزن مصدر الطاقة صغيرًا قدر الإمكان ؛ يجب أن تكون العزلة الجلفانية بين المصدر والحمل مثالية ؛ ويجب أن تكون هناك إمكانية للتحكم في اتجاه التدفق وعامل القدرة.
لذلك ، للتخلص من مشكلة التوافقيات في إشارة الخرج أثناء عزلها عن المدخلات ، يتم استخدام مصادر طاقة على مرحلتين. أحد أهمها هو محول flyback ، والذي يظهر الرسم التخطيطي الأساسي فيه شكل 1. وهي معزولة جلفانياً عن الحمولة. يتم تشغيل محول flyback على مرحلتين:
- في المرحلة الأولى ، مع إغلاق المفتاح الإلكتروني Q1 ، يتم تخزين الطاقة في محث Np.
- في المرحلة الثانية ، مع فتح المفتاح الإلكتروني Q1 ، تنتقل الطاقة إلى الحمل عبر Ns ، وبالتالي تجنب الاتصال المباشر بين المدخلات والمخرجات.
إذا تم تفريغ Ns تمامًا أثناء التوصيل الثانوي ، يعمل مصدر الطاقة في وضع التوصيل المتقطع ؛ خلاف ذلك ، فإنه يعمل في وضع التوصيل المستمر.
حتى في إطار المحاكاة الإلكترونية ، يُنصح دائمًا بالتفكير في اعتماد مكونات إلكترونية غير مثالية. على الرغم من أن المكونات المثالية تسرع عملية المحاكاة وتبسط الحسابات الرياضية ، فإن استخدام المكونات الحقيقية يوفر دقة أكبر ويتطابق بشكل أوثق مع سلوك الدائرة الفعلية. في الواقع ، تتميز المكونات الإلكترونية الحقيقية ببعض العيوب المتأصلة ، بما في ذلك المقاومة الداخلية ، والسعة الطفيلية ، والتشبع وتأثيرات درجة الحرارة ، والضوضاء وغيرها من العوامل غير الخطية.
يمكن أن يساعد توقع هذه التأثيرات داخل المحاكاة في منع مشاكل التصميم وتقييم موثوقية الدائرة وأدائها بشكل أكثر دقة. ومع ذلك ، من المهم أن تتذكر دائمًا أن المحاكاة الإلكترونية هي أداة تصميم وتحليل ، لكنها لا يمكن أن تحل محل الاختبار التجريبي تمامًا. لذلك ، يمكن أن يساعد اعتماد المكونات الإلكترونية الحقيقية في ضمان أن تكون المحاكاة أقرب ما يمكن إلى الواقع ، مما يجعل تطوير التصميم أسهل وأسرع ويجعل من الممكن إصلاح أي مشاكل. في المثال ، تم تمييز بعض المكونات الإلكترونية بعناصر إضافية غير مثالية. وهم على النحو التالي:
- البطارية لديها مقاومة داخلية 0.3 Ω.
- إشارة التبديل ليست مستطيلة تمامًا ولكنها تحتوي على منحدرات صاعدة وهبوطية تدوم حوالي 2 مللي ثانية.
- تم ضبط حجم المفتاح الإلكتروني ليكون له مقاومة عند 0.2 Ω ومقاومة خارج 1 MΩ.
- للمحثين ، الابتدائي والثانوي ، مقاومة متسلسلة تبلغ 0.1 Ω وسعة موازية لعدد قليل من البيكوفاراد.
- الاقتران الاستقرائي للمحثين ليس مثاليًا ولكن تم تثبيته عند 90٪.
كل هذه الخصائص غير المثالية تجعل من الممكن الحصول على محاكاة موثوقة إلى حد ما. خلال المرحلة الأولى من تشغيل الدائرة ، يتم شحن Np خطيًا ، بينما في المرحلة الثانية ، تميل Np إلى الحفاظ على ثابت التيار ، مع انعكاس جهدها. الآن ، يسمح الجهد على المحرِّض الثانوي بتدفق التيار. يلعب المكثف دورًا أساسيًا ، وإذا كانت قيمته عالية بما فيه الكفاية ، فإن جهد الخرج يكون ثابتًا تمامًا. يجب أن تتبع لفات المحرِّض قواعد دقيقة ، ويجب أن يفي اتجاهها أيضًا بمعايير محددة وإلا فلن يعمل النظام. الحث هو مكون مستقطب ، ولكن في هذه الحالات ، يكون توجيهه الصحيح أمرًا حاسمًا لنجاح الدائرة. من المثير للاهتمام ملاحظة الإشارات الديناميكية للدائرة الموضحة في الشكل 2. وهم على النحو التالي:
- من الأعلى ، يصف الرسم البياني الأول إشارة محرك (Vpulse) للمفتاح الإلكتروني. في المثال المقترح ، يبلغ ترددها 25 كيلو هرتز ، وهي من الناحية النظرية إشارة مستطيلة.
- يوضح الرسم البياني الثاني الإشارة (Vs) مباشرة عند إخراج المحرِّض الثانوي. يحتوي على العديد من الترددات العالية جدًا بسبب وجود المحاثات بالطبع. هذه إشارات غير مرغوب فيها يجب إزالتها أو تقليلها قدر الإمكان بعدة تقنيات.
- يوضح الرسم البياني الثالث اتجاه التيار على المحرِّض الأساسي (Il1).
- يوضح الرسم البياني الرابع اتجاه التيار على المحرِّض الثانوي (Il2).
- أخيرًا ، يوضح الرسم البياني الخامس جهد الخرج للمحول. إنه مستقر ومستمر تمامًا ولكنه لا يزال يحتوي على بعض بقايا إشارة التبديل. تم تأكيد هذه الحقيقة من خلال المخطط الطيفي أدناه ، والذي يوضح تحليل FFT لإشارة الخرج. بالإضافة إلى المكون الأساسي لتردد التبديل (25 كيلو هرتز) ، يمكن رؤية قمم أخرى للترددات الأعلى ، حتى تردد ميغا هرتز.
يستخدم المثال الموضح إشارة محرك التبديل الإلكترونية العادية للتشغيل والإيقاف ، مع 50٪ أو دورة عمل متغيرة ، ولكن بعض الأجهزة الأكثر تعقيدًا تستخدم إشارة أكثر تعقيدًا ، منظمة في خطوات متنوعة أكثر أو أقل ، مع دورة عمل مختلفة ومعدلات جهد.
من خلال فحص الإشارة الحالية على المحرِّض الثانوي بأدوات قياس ممتازة ، من الممكن رؤية وجود إشارة تذبذبية عالية التردد (انظر الشكل 3) بسبب تكوين رنين بين المكونات الحثية للدائرة والعناصر الطفيلية الحثية والسعة (PCBs ، الأسلاك الكهربائية ، الترتيب الهندسي للأجزاء المعدنية ، إلخ).
في هذا المثال ، الإشارة ، وهي صغيرة الحجم ولكنها لجميع المقاصد والأغراض الموجودة في الدائرة ، لها تردد يبلغ حوالي 4 ميجا هرتز. هذه إشارة جيبية إلى حد ما يمكن تكرارها باستمرار أثناء تشغيل النظام ، وهذا يمكن أن يتسبب في تكوين ترددات اضطراب إضافية. من الممكن تخفيف هذه الترددات من خلال اعتماد مرشحات تمرير منخفضة مناسبة. في جهاز التبديل ، من الطبيعي جدًا وجود إشارات جيبية عالية التردد (وغير جيبية) يمكن أن تسببها ظواهر طفيلية وغير مرغوب فيها. يمكن أن تتسبب هذه الظواهر في حدوث تشوهات في الإشارة الكهربائية والتداخل الكهرومغناطيسي والضوضاء ، مما قد يؤثر سلبًا على تشغيل جهاز التحويل وموثوقيته. لتقليل هذه التأثيرات ، يستخدم مصممو الدوائر تقنيات التصميم مثل تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور المحسن واختيار المكونات عالية الجودة وعزل الدائرة المناسب.
يزيد التيار على المحرِّض الأساسي خطيًا ويمكن حسابه من خلال العلاقة التالية:
أين أناص هو التيار على المحرِّض الأساسي ، الخامسس هو الجهد على المحرِّض الثانوي و إلص هو محاثة المحرِّض الأساسي.
هذا النوع من إمدادات الطاقة بسيط جدًا من الناحية الهيكلية وغير مكلف ، وغالبًا ما يتم استخدامه عندما لا تكون الطاقة العالية مطلوبة للأحمال غير القوية. ومع ذلك ، يمكن أن يكون جهد الخرج مرتفعًا. يجب أن نتذكر أن أجهزة التبديل المستخدمة في هذا التكوين تعمل غالبًا في ظل ظروف قاسية ، خاصة فيما يتعلق بالجهد الكهربائي المطبق. علاوة على ذلك ، يجب على المصممين توخي الحذر الشديد لقمع الاضطرابات من النبضات الرئيسية ، والتي يمكن أن تدمر BJTs أثناء الاستقطاب العكسي. يسمح هذا النوع من تصميم الدوائر بالتنظيم الجيد للطاقة والجهد ، والقيم التي يمكن الحصول عليها عن طريق تغيير معلمات تشغيل معينة للنظام.
خاتمة
محول flyback هو نوع من تبديل مصدر الطاقة يوفر العديد من المزايا مقارنة بمصادر الطاقة التقليدية. نظرًا لقدرته على توليد جهد خرج عالي ، يمكنه توفير الطاقة بكفاءة وموثوقية. بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لبنية الحلقة المغلقة ، يمكنها توفير جهد خرج منظم ومعزول ، مما يحمي المستخدمين والدوائر من ارتفاع الجهد.
على الرغم من كونه خيارًا جذابًا للعديد من التطبيقات ، إلا أن محول flyback يقدم أيضًا بعض التحديات التي يجب معالجتها ، مثل الضوضاء الكهرومغناطيسية وتأثير موجات التحميل الزائد على أداء الدائرة. ومع ذلك ، مع التصميم الصحيح والاحتياطات ، يمكن التقليل من هذه المشاكل أو حلها.
يوفر محول flyback حلاً مرنًا وفعالًا وقابل للتخصيص بدرجة كبيرة للعديد من التطبيقات الإلكترونية ، مما يجعله خيارًا مثاليًا لمصممي الدوائر الذين يتطلعون إلى زيادة أداء وموثوقية أجهزتهم إلى أقصى حد وتحقيق تكاليف منخفضة للنظام.
حلقات دورة إلكترونيات الطاقة
