دوائر التثبيت مع رفع الجهد Boost:
الدوائر السابقة قدمت حلولا جدية لمشاكل عديدة ولكن دوائر رفع الفولت السابقة (عدا عن دوائر المحول) لم تكن توفر القدرة المناسبة لكثير من التطبيقات لإعتمادها على شحن المكثف و بالتبعية فى كل مرة ترفع قدرا ثابتا مما قد يتطلب مراحل عدة جاعلا الدائرة مكلفة سعرا و حجما و اقل كفاءة، لذا هل يمكن استغلال تقلص المجال المغناطيسى فى الملف والمسبب لجهد عالى على طرفيه للحصول على مثبت رافع للفولت؟؟
لنأخذ الدائرة كما فعلنا فى الدائرة السابقة و نبحث أوضاع المفتاح المتعددة لنفهم أداء الدائرة ، و نظرا للتقطيع فالحمل يحتاج لمكثف كما سبق الشرح.
سنأخذ الملف و نوصله بالمصدر و نوصل طرفه الآخر بالطرف 1 و نفكر فى توصيله بكل أوضاعه.
لو وصلنا الطرف 1 مباشرة بالحمل – الطرف3- سيرتفع جهد الحمل تدريجا على المكثف و عندما يقطع المفتاح سيكون الجهد العالى على طرفيه ولا يستفيد الحمل شيئا من ذلك. هذا سيكون دوما أقل من الدخل ولن يكون لدينا جهد أعلى من الدخل.
لو وصلنا الطرف 1 بالطرف 2 سيمر تيار فى الملف و عند فصله سيكون الجهد العالى على المفتاح ولا يصل شيء للحمل، لذا كما فى المثال السابق أيضا يجب أن ينتقل المفتاح بين الحالتين.
نوصل الطرف 1 بالأرضى – الطرف 2- حتى يرتفع التيار فى الملف لحد مناسب و هنا ننقل الطرف 1 للطرف 3 أى نوصل الملف بالحمل فنضع هذا الجهد العالى على الحمل فيحتفظ به المكثف فى الخرج لفترة و عند انخفاض الجهد نتيجة لسحب الحمل و إضمحلال المجال نعود للوضع الأول لنعيد بناء المجال مرة أخرى و هكذا.
إذن مما سبق سنرى الشروط التالية
أولا يجب ان لا نوصل الملف فترة تسمح له أن يصل للتشبع و إلا سينهار المجال فجأة ويصبح قطعة من السلك.
ثانيا يجب أن لا نسمح لتوصيل الملف بالحمل أن يسمح للتيار بالعودة من الحمل جهة المصدر حتى لا نخسر ما فعلناه
هذا يوحى باستخدام ثنائى (دايود) جهه الحمل و التوصيل بالأرضى من خلال ترانزيستور و تصبح الدائرة هكذا
لأن الخرج عادة أعلى من الدخل فهى تسمى معزز أو Boost
المرة القادمة إن شاء الله سندرس التيار فى المكونات و نحسب قيم هذه المكونات.
نظرة فى عمق دائرة Boost:
كما فعلنا فى دائرة الخافض Buck سنفعل هنا فى دائرة الرافع Boost
هذا المخطط يبين التيارات و الجهود فى مكونات الدائرة وهذا يساعدنا فى تحليل الأحداث لنعلم ما نحتاج لكل منها.
من الطبيعى أن لو كان الترانزيستور “السويتش” غير موصل ، فإن جهد الدخول سيظهر كما هو على الخرج و سيكون التيار فى الملف هو تيار الحمل و قد يكون صفرأ أو تيارا ما ، لكن الدائرة لم تصمم لتستقر على هذا الوضع، فستستشعر دائرة التحكم هذا الوضع أن جهد الخرج منخفضا فتقوم بتوصيل المفتاح فيصبح الجهد عليه صفرا (أو جهد التشبع أقل من فولت أو أكثر حسب نوع الترانزيستور) كما فى الجزء باللون الأحمر من المنحنى، و يزداد التيار تدريجيا فى الملف لكون الملف لا يسمح بزيادة فجائية للتيار كما بالرسم باللون البنى أسفل الجزء الأحمر، وهنا تراقب دائرة التحكم الموقف و قبل أن يصل التيار لحد التشبع، يجب أن تفصل دائرة التحكم هذا الترانزيستور فورا. القطع المفاجئ للتيار يسبب إنهيار للمجال المغناطيسى ويولد فى الملف جهدا كبيرا يعبر الدايود ليخزن فى المكثف فى الخرج، والذى يرتفع تدريجا لكون المكثف لا يسمح بارتفاع فجائى للفولت، و يغذى أيضا الحمل. هنا طبعا سيرتفع الجهد على الترانزيستور لقيمة جهد الخرج مضافا إليها جهد الدايود كما باللون الأخضر و لن يزيد عن ذلك، لذا لو لم يستهلك الحمل هذا المخزون فى المكثف ، قد يرتفع الجهد على الخرج لحدود مدمرة للحمل، لذا فدور دائرة التحكم مراقبة كل من التيار و الفولت و توقف الترانزيستور فورا.
هل تذكر دائرة التخفيض Buck؟ كانت لدينا مشكلة أن تلف الترانزيستور يضع الدخول كله على الحمل فيتلفة و هنا اقترحنا هذه الدائرة كحل، ولكنها وضعت لنا جهد أعلى فى البدء لو لم يكن الحمل كافيا.
ما الحل؟ وضعت دائرة تسمى التشغيل البطئ حيث تبدأ باقل عرض للنبضة ثم تزداد حسب حاجة الحمل تدريجا.
عند فصل الترانزيستور ، فالتيار المار به سيمر الآن فى الدايود و يضمحل تدريجا.
نلاحظ هنا أن الجزء المظلل فى الرسم فى اللون الأحمر (الترانزيستور موصل) و الجزء الأخضر (الترانزيستور غير موصل) متساويتان أى أن جهد الدخول × زمن التوصيل = فرق الجهد بين الدخول و الخروج × زمن تغذية الحمل بالتيار. السبب؟ بسيط جدا أنت تخزن الطاقة فى الملف ثم ترسلها للحمل فما تخزنه كجهد دخول × زمن دخول يزيد من التيار فى الملف = نفس الطاقة التى سترفع بها الجهد للحمل فيقل الزمن.
من الشرح السابق نستنتج هذه القيم التقريبية للمكونات
التيار الأقصى للترانزيستور فى حدود 5.5×قدرة الحمل ÷ أقل جهد للدخول
الجهد الأقصى للترانزيستور = جهد الخرج
قيمة الحث الدنيا = (جهد الدخول الأدنى – جهد تشبع الترانزيستور) ×زمن التوصيل ÷ التيار الأقصى
فمثلا لو لدينا دخول من 8 إلى 15 فولت و الخرج 18 فولت بتيار 2 أمبير و ترانزيستور جهد تشبعة 1 فولت (من الداتا شيت)
قدرة الخرج = 18 فولت × 2 أمبير = 36 وات
التيار الأقصى = 5.5 × 36 ÷ 8 = 24.75 أمبير
سنحتاج لملف حثه
(8 – 1) × زمن التوصيل ÷ 24.75 = 7÷ 24.75 × زمن التوصيل = 0.28 × زمن التوصيل
يمكننا افتراض زمن التوصيل نصف الذبذبة لذا لنستخدم ملف أصغر نختار تردد أعلى فمثلا عند 100 ك هرتز تكون زمن الذبذبة 10 ميكرو ثانية و نصفها 5 ميكرو
الحث = 5 × 0.28 = 1.4 ميكرو هنرى
طبعا هنا يجب أن نختار ترانزيستور يتحمل هذا التيار مع هذا التردد و كذا الدايود .
لو لديك حمل 1 أمبير حتى 6 أمبير، قد لا تحتاج لأن ترهق نفسك بالحساب
اشترى أى من المتكاملات التالية
المتكاملات المجهزة لدوائر المعزز BOOST
غاليبة المتكاملات السابقة يمكن توظيفها فى هذا النسق لكن ستحتاج لحساب قيمة الملف، لذا صممت بعض الشركات دوائر متكاملة لا تحتاج سوى الدايود و الملف و مكثف التنعيم لعمل دائرة كاملة و لتسهيل التنفيذ و ذلك بتثبيت تردد التقطيع داخليا عند أعلى قيمة متاحة و أغلبهم من 100ك إلى 400 ك ، قامت بحساب الملف المطلوب لكافة ظروف التشغيل أى حدود الدخول و تيار الحمل و قدمت منها عدة نماذج ذات الجهد الثابت 5 فولت و 12 فولت و 15 فولت وهى الأكثر شيوعا فى التطبيقات و أيضا نموذج متغير الخرج يمكن ضبطه بنفس طريقة LM317 ونفس المعادلة، ولا عجب فى ذلك فقد ناقشنا الزينر المرجعى الذى فاق الزينر التقليدى وعلمنا انه 1.25 فولت لذا هو المستخدم فى كافة المتكاملات كمرجع. لذا تعطى خرج من 1.25 إلى أقل من قيمة الدخل وهى كما علمنا سابقا LM2575 لتيار حتى 1 أمبير والرقم LM2585 حتى 3 أمبير و أيضا LM2576 3 أمبير كخافضة للفولت و أكبر من الدخل فى حال المعزز. و أهم ما فى الأمر أن الملفات انتجت بصورة تجارية و اصبحت متاحة بسعر مقبول.
رغم أنها لدوائر التخفيض Buck إلا ان بتعديل طفيف نستطيع توظيفها لرفع الفولت أيضا Boost فمثلا
يمكن بهذه الدائرة استخدامها للحصول على -12فولت من أقل من -5 فولت و حتى -12 فولت
أنتجت شركة XLSEMI متكاملة رائعة أسمتها XL6009 حيث تقبل جهودا من 5 فولت إلى 32 فولت و تعطى جهدا أعلى من الدخل و يمكن ضبطه أيضا كما سبق و بنفس المعادلة، كل ما عليك فعله هو وضع مجزئ جهد بدلا من المقاومتين R1,R2.
اقول عن هذه المتكاملة رائعة لخواصها العديدة و كفاءتها التى تصل إلى 94% و ثبات الخرج و استجابتها السريعة للتغيرات فى الحمل و الدخل و خاصية البدء التدريجى لعدم وضع جهد عالى على الحمل لحظة بدء التشغيل، و حماية ضد ارتفاع الحرارة و خاصية الحد من التيار حتى لا تتلف من القصر وبها طرف تحكم فى التشغيل أو الإيقاف.
هذه المتكاملة أيضا قابلة للحام فيمكن لحامها مباشرة على البوردة و استخدام نحاس البوردة كمبرد .
بعض الشركات صنعت منها دائرة كاملة ذات طرف دخول و طرف خروج و أرضى مشترك بنقطتى لحام واحدة بجوار الدخول و الأخرى بجوار الخروج وبها مقاومة متغيرة متعددة الدورات لضبط الخرج بدقة، لكن طرف التحكم فى التشغيل غير مستخدم و قد استخدمتها و للعجب بدأت من 3 فولت لتعطى 30 فولت فى الخرج، إلا أن هذا قد لا يكون مضمون لكل الوحدات فالداتا شيت تقول من 5 فولت.
أرجو ان نلاحظ هنا أنه كلما زاد فرق الجهد بين الدخول و الخروج يقل التيار لمحدودية التبريد فليس متاح فى هذه الدائرة أن تضيف المبرد المطلوب كما هو الحال لو اشتريت المتكاملة منفصلة و صنعت دائرتك، و تقل الكفاءة أيضا لإزدياد الفقد فى التقطيع لكنها مازالت خيارا رائعا و هذه صورة الدائرة الكاملة
المرة القادمة إن شاء الله نحصل على جهد سالب من الموجب
دائرة Buck-Boost :
هنا أعدنا ترتيب المكونات فقط ولم نضف أو نحذف شيئا، سنجد هنا أن دائرة التحكم توصل الترانزيستور فيمر التيار فى الملف و يزداد تدريجا و عند نقطة ما (و نذكر مما سبق أنها يجب أن تكون قبل التشبع) تفصل الدائرة الترانزيستور.
فى الدائرة المبينة، أعدنا رسم المكونات ليسهل تصور الأمور و ربما فى دوائر الداتا شيت ستجد الشكل يبدو مغايرا وبتتبع كل وصله ستجها لم تتغير إلا شكلا فقط.
الدائرة كسابقاتها تعمل بنظام تعديل عرض النبضة و التردد ثابت. هذا طبعا يسهل الحساب لأن التردد يحدد عرض الفترة التى تنقسم لجزء توصيل و آخر قطع و يمكن البدء بنسبة 50%، أما لو شئت تغيير التردد مع تثبيت عرض النبضة فالتغيير قد يكون كبيرا بحيث يسبب تشبع الملف أو اعلى من حدود استجابة الترانزيستور.
فضلا عن أن تصميم دائرة تغيير عرض النبضة أسهل من تغيير التردد.
مسار تيار الدخول باللون الأحمر لذا فالجزء من الترانزيستور الذى يمر فيه هذا التيار باللون الأحمر و ما يخص التحكم بلون دائرة التحكم. سيمر تيار الدخول فى الملف فى اتجاه السهم لأسفل. و عندما تقرر دائرة التحكم أنه آن الأوان للفصل، يجب أن يظل التيار فى الملف مارا فى ذات الإتجاه، لذا فلا مفر من أن يسحبه من دائرة الحمل عبر الدايود حيث تيار الحمل باللون الأخضر. مسار تيار الحمل يبين أن القطبية يجب أن تكون معكوسة فيصبح الخرج سالبا.
لا توجد متكاملات مخصصة لهذه الدائرة وربما بسبب أن الدائرة تشبه لحد كبير السابقات بتعديل فى ترتيب المكونات ،لذا فكثير من المتكاملات السابقة يمكن توظيفها فى هذا النسق، فمثلا نجد LM2575 يمكن وضعها فى الدائرة هكذا.
باستخدام LM3576 للحصول على 3 أمبير بدلا من 1 أمبير كما يمكنك استخدام LM2575-Adj LM2576-Adj للحصول على خرج متغير.
هل هناك بقية؟؟ أنواع أخرى؟ حسنا بقى نوع آخر وهو يعمل بنظرية الرنين.
المرة القادمة إن شاء الله.
مثبت الجهد بنظرية الرنين:
المشكلة الرئيسية فى وحدات التغذية هى الفقد فى الطاقة – وهو ما يقلل من كفاءة الوحدة. الفقد يتكون اساسا فى جزأين، ترانزيستور القطع و التوصيل و ملف الدائرة.
كانت الترانزيستورات الثنائية تشكل العائق الرئيسى فى الوحدات ، لذا كانت تعمل على ترددات أقل من 60 ك هرتز ، وفى نهاية السبعينات تطورت الموسفيت حتى بلغت حاليا تفوقا ملحوظا عن الوحدات السابقة و عن الترانزيستورات الثنائية و أصبحت أغلب الدوائر تعتمد على الموسفيت كترانزيستور تقطيع رئيسى مما رفع كفاءة الوحدات و قلل من حجمها و وزنها. أيضا واكب ذلك التطور، التقدم فى تقنية مكونات التثبيت السطحى و التى أتاحت ترددات أعلى بكفاءة أكبر و حجم ووزن أقل لذا ارتفع التردد إلى حدود 600 إلى 800 كيلو هرتز.
لتطوير التقنية أكثر ، ابتكرت وسيلة الرنين لتقليل الفقد فى الترانزيستور أكثر بإتباع مفهوم القطع عند صفر فولت أو صفر تيار
فكرة الدائرة أن دائرة الرنين كما بالصورة تبدأ حيث التيار = صفرا ثم تقوم بدورة يصبح التيار قيمة عظمى و الفولت = صفرا ثم تنعكس اتجاهات التيار و الفولت لتقوم بنصف دورة أخرى معاكسة. الشرح التفصيلى فى سلسلة تصميم الدوائر الإلكترونية.
تستغل دائرة التثبيت هذه الخاصية فى دائرة الرنين فيوصل المفتاح بدون فقد فى الطاقة والتيار = صفر. يزداد التيار تدريجا ثم يقطع التوصيل بعد فترة نصف دورة كاملة حيث يكون التيار قد وصل لقيمته العظمى و ارتد للصفر مرة أخرى فى إتجاهه للقطبية المعاكسة، هنا يقفل (يفصل) المفتاح أيضا بفقد = صفر.
عند زيادة الحمل، تعمد الدائرة لزيادة عدد الدورات من الرنين لتوفر التيار اللازم للخرج و تحافظ على الفصل عند تيار = صفرا
نظرا لكون الرنين غير مستديم لذا سميت شبه الرنين Quasi-Resonant
الدائرة بسيطة فى فكرتها لكن تنفيذها صعب لذا صممت لها متكاملات خاصة .
طبعا هذه النبضات لا تصلح لتغذية أى أحمال كما سبق فى كل الدوائر السابقة و يجب أن يوضع دائرة ترشيح أو تنعيم فى الخرج حتى تتخلص من النبضات و تتحول إلى تيار مستمر و بهذا يكون التصميم النهائى هكذا
تيار الحمل يمر فى المرشح Lo مع Co وهما بقيم أكبر بكثير من الرنين Lr,Cr مما يجعلهما لا يشكلا حملا على الرنين و أيضا تختزن طاقة كافية لتغذية الحمل من متوسط النبضات وهو ما يجعل الدايود D موصلا فيزداد التيار فى الملف Lr تدريجا عبر الدايود حتى يزيد عن قيمة الحمل و عندها يكون التيار من الملف Lr إلى الحمل عبر Lo مما يغلق الدايود D فتبدأ الدائرة فى الإهتزاز.
عندما تستشعر دائرة التحكم مرور طاقة تكفى، تقوم بغلق المفتاح فى أول لحظة يصل فيها التيار للصفر.
الدائرة لا شك معقدة قليلا و ليس من السهل تصميمها ، و نظرا لقلة انتشارها سنكتفى بذكر أرقام المتكاملات التى تتولى هذا العمل عنا
NCP1308 L6565
هذا مبلغ علمى عن دوائر تثبيت الفولت و التيار أرجو أن تكون قد أفادت كل من بذل الجهد و الوقت لقراءته مشكورا.
تم اعادة تحديث الموضوع
يرجى الاطلاع مرة اخرى
