كيف تعمل محولات باك

تقدم المقالة أدناه معرفة شاملة بكيفية عمل محولات باك.

كما يوحي الاسم ، تم تصميم محول باك لمعارضة أو تقييد تيار الإدخال مما يتسبب في إخراج قد يكون أقل بكثير من المدخلات المقدمة.

بمعنى آخر ، يمكن اعتباره محولًا تنحيًا يمكن استخدامه للحصول على الفولتية أو التيارات المحسوبة أقل من جهد الدخل.

دعنا نتعلم المزيد عن عمل محولات باك في الدوائر الإلكترونية من خلال المناقشة التالية:

محول باك

عادة قد تجد محول باك يتم استخدامه في دوائر SMPS و MPPT والتي تتطلب على وجه التحديد تقليل جهد الخرج بشكل كبير من طاقة مصدر الإدخال ، دون التأثير على خرج الطاقة أو تغييره ، أي قيمة V x I.

يمكن أن يكون مصدر الإمداد لمحول باك من منفذ تيار متردد أو من مصدر طاقة تيار مستمر.

يتم استخدام محول باك فقط لتلك التطبيقات حيث قد لا تكون هناك حاجة ماسة لعزل كهربائي عبر مصدر طاقة الإدخال والحمل ، ولكن بالنسبة للتطبيقات التي قد يكون فيها الإدخال على مستويات رئيسية ، يتم استخدام طوبولوجيا flyback عادةً من خلال محول عزل.

يمكن أن يكون الجهاز الرئيسي الذي يستخدم كعامل تبديل في محول باك على شكل موسفيت أو BJT للطاقة (مثل 2N3055) ، والذي تم تكوينه للتبديل أو التأرجح بمعدل سريع من خلال مرحلة مذبذب متكامل مع قاعدتها أو بوابتها.

العنصر الثاني المهم في محول باك هو الحث L ، الذي يخزن الكهرباء من الترانزستور خلال فترات التشغيل الخاصة به ويطلقها خلال فترات إيقاف التشغيل ، مما يحافظ على استمرار الإمداد بالحمل عند المستوى المحدد.

يشار إلى هذه المرحلة أيضًا باسم 'دولاب الموازنة' المرحلة حيث تشبه وظيفتها دولاب الموازنة الميكانيكي القادر على الحفاظ على دوران مستمر وثابت بمساعدة الدفعات المنتظمة من مصدر خارجي.

إدخال AC أو DC؟

محول باك هو في الأساس دائرة محول من DC إلى DC مصممة للحصول على مصدر من مصدر DC ، والذي قد يكون بطارية أو لوحة شمسية. يمكن أن يكون هذا أيضًا من خرج محول تيار متردد إلى تيار مستمر يتم تحقيقه من خلال مقوم جسر ومكثف مرشح.

بغض النظر عن مصدر الدخل DC إلى محول باك ، فإنه يتم تحويله دائمًا إلى تردد عالٍ باستخدام دائرة مذبذب المروحية مع مرحلة PWM.

يتم بعد ذلك تغذية هذا التردد إلى جهاز التبديل لإجراءات محول باك المطلوبة.

عملية محول باك

كما نوقش في القسم أعلاه فيما يتعلق بكيفية عمل محول باك ، وكما يمكن رؤيته في الرسم البياني التالي ، تشتمل دائرة محول باك على ترانزستور تبديل ودائرة دولاب الموازنة المرتبطة بها والتي تشمل الصمام الثنائي D1 والمحث L1 والمكثف C1.

خلال الفترات التي يكون فيها الترانزستور في وضع التشغيل ، تمر الطاقة أولاً عبر الترانزستور ثم عبر المحث L1 وأخيراً إلى الحمل. في هذه العملية ، يحاول المحرِّض ، نظرًا لخصائصه المتأصلة ، معارضة الإدخال المفاجئ للتيار عن طريق تخزين الطاقة فيه.

تمنع هذه المعارضة بواسطة L1 التيار من المدخلات المطبقة للوصول إلى الحمل والوصول إلى قيمة الذروة لحظات التبديل الأولية.

ومع ذلك ، في هذه الأثناء ، يدخل الترانزستور في طور إيقاف التشغيل ، مما يؤدي إلى قطع إمداد المدخلات للمحث.

مع إيقاف الإمداد ، يواجه L1 مرة أخرى تغييرًا مفاجئًا في التيار ، ولتعويض التغيير ، فإنه يطرد الطاقة المخزنة عبر الحمل المتصل

فترة 'تشغيل' الترانزستور

بالإشارة إلى الشكل أعلاه ، بينما يكون الترانزستور في مرحلة التبديل على الطور ، فإنه يسمح للتيار بالوصول إلى الحمل ، ولكن خلال اللحظات الأولية للمفتاح ON ، يكون التيار مقيدًا بشدة بسبب معارضة المحرِّضات للتطبيق المفاجئ لـ الحالي من خلاله.

ومع ذلك ، في هذه العملية ، يستجيب المحث ويعوض السلوك عن طريق تخزين التيار فيه ، وفي الدورة يُسمح لبعض جزء الإمداد بالوصول إلى الحمل وكذلك للمكثف C1 ، الذي يخزن أيضًا الجزء المسموح به من الإمداد فيه .

يجب أيضًا أن يؤخذ في الاعتبار أنه بينما يحدث ما سبق ، فإن كاثود D1 يواجه إمكانات إيجابية كاملة تجعله متحيزًا عكسيًا ، مما يجعل من المستحيل على الطاقة المخزنة في L1 الحصول على مسار عودة عبر الحمل عبر الحمل. يسمح هذا الوضع للمحث بالاستمرار في تخزين الطاقة فيه دون أي تسرب.

فترة 'إيقاف' الترانزستور

بالإشارة الآن إلى الشكل أعلاه ، عندما يعود الترانزستور إلى إجراء التحويل ، أي بمجرد إيقاف تشغيله ، يتم تقديم L1 مرة أخرى بفراغ مفاجئ من التيار ، والذي يستجيب له عن طريق إطلاق الطاقة المخزنة باتجاه الحمل في شكل فرق جهد مكافئ.

الآن ، نظرًا لإيقاف تشغيل T1 ، يتم إعفاء كاثود D1 من الإمكانات الإيجابية ويتم تمكينه بشرط يستند إلى الأمام.

نظرًا للحالة المنحازة للأمام لـ D1 ، يُسمح لطاقة L1 المحررة أو EMF الخلفي الذي ركله L1 بإكمال الدورة من خلال الحمل ، D1 والعودة إلى L1.

أثناء اكتمال العملية ، تمر طاقة L1 بانخفاض أسي بسبب استهلاك الحمل. يأتي C1 الآن للإنقاذ ويساعد أو يساعد L1 EMF عن طريق إضافة تياره المخزن إلى الحمل ، وبالتالي ضمان جهد فوري مستقر بشكل معقول للحمل ... حتى يتم تشغيل الترانزستور مرة أخرى لتحديث الدورة مرة أخرى.

يتيح الإجراء بأكمله تنفيذ تطبيق محول باك المطلوب حيث يُسمح فقط بجزء محسوب من جهد الإمداد والتيار للحمل ، بدلاً من جهد الذروة الأكبر نسبيًا من مصدر الإدخال.

يمكن رؤية هذا في شكل موجة تموج أصغر بدلاً من الموجات المربعة الضخمة من مصدر الإدخال.

في القسم أعلاه ، تعلمنا بالضبط كيف تعمل محولات باك ، في المناقشة التالية سوف نتعمق أكثر ونتعلم الصيغة ذات الصلة لتحديد المعلمات المختلفة المتعلقة بمحولات باك.

صيغة لحساب الجهد باك في دارة محول باك

من القرار أعلاه يمكننا أن نستنتج أن الحد الأقصى للتيار المخزن داخل L1 يعتمد على وقت تشغيل الترانزستور ، أو يمكن تحديد أبعاد EMF الخلفي لـ L1 عن طريق تحديد أبعاد ON و OFF بشكل مناسب لـ L ، وهذا يعني أيضًا أن الإخراج يمكن تحديد الجهد في محول باك مسبقًا عن طريق حساب وقت التشغيل T1.

يمكن مشاهدة صيغة التعبير عن ناتج محول باك في العلاقة الموضحة أدناه:

V (خارج) = {V (in) x t (ON)} / T.

حيث V (in) هو مصدر الجهد ، t (ON) هو وقت تشغيل الترانزستور ،

و T هو 'الوقت الدوري' أو فترة دورة كاملة واحدة من PWM ، وهذا هو الوقت المستغرق لإكمال وقت تشغيل كامل + وقت إيقاف كامل.

مثال محلول:

دعنا نحاول فهم الصيغة أعلاه بمثال محلول:

لنفترض حالة حيث يتم تشغيل محول باك مع V (in) = 24V

T = 2 مللي ثانية + 2 مللي ثانية (وقت التشغيل + وقت الإيقاف)

ر (تشغيل) = 1 مللي ثانية

باستبدال هذه في الصيغة أعلاه نحصل على:

الخامس (خارج) = 24 × 0.001 / 0.004 = 6 فولت

لذلك V (خارج) = 6V

الآن دعنا نزيد وقت الترانزستور بجعل t (ON) = 1.5ms

لذلك ، V (خارج) = 24 × 0.0015 / 0.004 = 9 فولت

من الأمثلة المذكورة أعلاه ، يتضح تمامًا أنه في وقت تبديل محول باك ، يتحكم t (ON) للترانزستور في جهد الخرج أو جهد باك المطلوب ، وبالتالي يمكن تحقيق أي قيمة بين 0 و V (في) ببساطة عن طريق تحديد أبعاد وقت تشغيل الترانزستور.

محول باك للتوريدات السلبية

تم تصميم دارة محول باك التي ناقشناها حتى الآن لتناسب تطبيقات الإمداد الإيجابية ، نظرًا لأن الإخراج قادر على توليد إمكانات إيجابية بالرجوع إلى أرض الإدخال.

ومع ذلك ، بالنسبة للتطبيقات التي قد تتطلب توريدًا سلبيًا ، يمكن تعديل التصميم بشكل طفيف وجعله متوافقًا مع هذه التطبيقات.

يوضح الشكل أعلاه أنه بمجرد تبديل مواضع المحرِّض والصمام الثنائي ، يمكن عكس الإخراج من محول باك أو جعله سالبًا فيما يتعلق بمدخلات الأرضية المشتركة المتاحة.