عند اختيار منظم التبديل، تُعدّ الكفاءة المعيار الأهم. يجب أن تُحقق الأجهزة الحديثة المدمجة توصيلًا موثوقًا للطاقة ضمن مساحة صغيرة. تُعد القدرة على توليد جهد ثابت مع توفير تيار كافٍ شرطًا أساسيًا في تصميم المكونات الإلكترونية. تعتبر منظمات التبديل أجهزة أساسية لتوليد جهد إمداد مستقر ورفع أو خفض الجهد. تُعرف منظمات التبديل بأسماء مختلفة: المحولات، ووحدات تزويد الطاقة بوضع التبديل (SMPS)، ومنظمات أو محولات التيار المستمر/المستمر. وتشهد هذه المنظمات ازديادًا مستمرًا بفضل مزاياها، مثل تلبية متطلبات كفاءة تحويل الطاقة العالية، والمرونة في الحصول على مخرجات مستقرة من مصدر جهد دخل واحد، وقدرتها على التكيف مع تكوينات متعددة المخرجات ذات أقطاب متفاوتة. تشمل أكثر أنواع محولات التبديل شيوعًا ما يلي:

نوع التعزيز:يزيد من جهد الدخل ويقدم خرجًا منظمًا.

نوع باك:يقلل من جهد الدخل ويقدم خرجًا منظمًا.

دفعة باك:يقوم برفع أو خفض جهد الدخل، مع قطبية سلبية اختيارية.

نوع الارتداد:متغير تعزيز القدرة الذي يوفر عزلًا كهربائيًا.

منظمات الجهد الخطية ذات الجهد الثابت والقابلة للتعديل

لسنوات عديدة، اعتمدت تصميمات إمدادات الطاقة على المنظمات الخطية. تتميز المنظمات الخطية بقدرتها على توفير جهد خرج ثابت ومستمر. بالإضافة إلى ذلك، توفر منظمات الجهد الخطية الأخرى (مثل LM317) إمكانية التعديل. تشمل أنواع منظمات الجهد ذات الخرج الثابت والخطي الشائعة سلسلة 78xx (خرج موجب) وسلسلة 79xx (خرج سالب). توفر هذه المنظمات خرجًا مستقرًا يتراوح بين 5 و24 فولت. لا تُعد منظمات الجهد الخطية مصادر طاقة تعمل بنظام التبديل. تشمل مزاياها البساطة، والتكلفة المنخفضة، وانخفاض الضوضاء، وانخفاض التموج. ومع ذلك، عادةً ما تكون طاقة خرجها أقل من 10 واط، وغالبًا ما تكون كفاءتها منخفضة، مما يؤدي إلى توليد الحرارة. لا يمكن لمنظمات الجهد الخطية سوى إجراء تنظيم تنحيفي، بينما يمكن لأنظمة SMPS استخدام طوبولوجيات الرفع أو التعزيز أو الرفع-الرفع لرفع أو خفض الجهد أو عكس القطبية.

أنظمة إمداد الطاقة بوضع التبديل

تتطلب معظم أجهزة التلفزيون الحديثة، وأجهزة الكمبيوتر الشخصية، ومحركات التيار المستمر، ومضخمات الطاقة، أجهزة SMPS متطورة وعالية الكفاءة. تستخدم هذه الأجهزة تقنية تحويل أشباه الموصلات بدلاً من الطرق الخطية التقليدية لتوصيل جهد الخرج. يتكون محول التحويل الأساسي من مرحلة تحويل الطاقة ودائرة تحكم. يوفر SMPS تبديدًا أقل للطاقة وكفاءة أعلى من خلال تشغيل الترانزستورات الداخلية (أو MOSFETs للطاقة) في حالة "ON" مشبعة وحالة "OFF" مقطوعة.

منظمات تبديل الجهد

سلسلة LM2596x من SLKOR توفر شركة Semiconductor محولات باك عالية الكفاءة للتيار المستمر/المستمر، مما يجعلها حلاً مدمجًا للتطبيقات التي تتطلب تحويلًا فعالًا للطاقة، مثل تصميمات السيارات والتصميمات الصناعية. يدمج LM2596x مذبذبًا ثابت التردد ووحدة تعويض تردد.

بساطة تصميمها تتطلب الحد الأدنى من المكونات الخارجية. كما تتميز الشريحة بتمكين مدمج مع خاصية التباطؤ، والحماية من ارتفاع درجة الحرارة، والتيار الزائد، والحماية الثانوية من التيار الزائد. في حالات التيار الزائد الثانوي، تخفض الشريحة تردد التشغيل من 150 كيلوهرتز إلى 50 كيلوهرتز. ومن الأمثلة على ذلك منظم تبديل الجهد LM2596S-ADJ (الشكل 1).

الرقم 1: LM2596S-أدج منظم تبديل الجهد يوفر جهد خرج ثابت. (حقوق الصورة: SLKOR أشباه الموصلات)

منظم تبديل الجهد LM2596SX-12 (الشكل 2) هو محول تيار مستمر/تيار مستمر بتردد ثابت 150 كيلوهرتز بتقنية تعديل عرض النبضة (PWM). يوفر قدرة على توليد تيار خرج 3 أمبير بكفاءة عالية، وتموج منخفض، وتنظيم ممتاز للخط/الحمل. باستخدام تعديل عرض النبضة (PWM)، تدعم الشريحة نطاق دورة عمل خطية يتراوح بين 0% و100%.

لا يوفر هذا الجهاز استجابةً ممتازةً للترددات العابرة فحسب، بل يشغل أيضًا مساحةً صغيرةً جدًا من لوحة الدوائر المطبوعة. تصميمه المدمج وكثافته العالية من الطاقة تجعله مثاليًا لشاشات LCD، وأجهزة التلفزيون، وإطارات الصور الرقمية، وأجهزة الاستقبال الرقمي، وأجهزة المودم، وأجهزة الاتصالات، ومعدات الشبكات.

الرقم 2: LM2596SX-12 منظم تبديل الجهد يلبي متطلبات الجهد المنخفض. (حقوق الصورة: SLKOR أشباه الموصلات)

منظمات التبديل المعززة

SL2733 هو محول تعزيز تيار مستمر/تيار مستمر مصمم لتوفير تيار ثابت دقيق لتشغيل عدة مصابيح LED. بفضل تردد التحويل الثابت البالغ 1 ميجاهرتز، يمكن إقران SL2733 بمكثفات ومحثات سيراميكية خارجية صغيرة. يمكن تعديل تيار الخرج عبر مقاومة خارجية (R1)، مما يُمكّن الجهاز من تشغيل عدة مصابيح LED على التوالي. يُعد SL2733 مناسبًا لتشغيل مصابيح LED متطابقة، حيث يدعم ما يصل إلى تسعة مصابيح LED بيضاء على التوالي أو جهد تشغيل أقصى يبلغ 32 فولت. يمكن تعديل سطوع LED باستخدام جهد تيار مستمر، أو إشارة منطقية، أو إشارة تعديل عرض النبضة (PWM). يسمح دبوس إيقاف التشغيل (SHDW) للجهاز بالعمل في وضع إيقاف التشغيل عند تيار منخفض السكون. بالإضافة إلى الحماية الحرارية والحد من تيار الحمل الزائد، تدخل الشريحة في وضع طاقة منخفض للغاية عند حدوث أعطال في دائرة LED المفتوحة. يأتي الجهاز في عبوة SOT23-5 مدمجة.

الأصغر هو الأفضل

باستخدام SL2188 يُقلل عدد المكونات الخارجية. يدعم هذا الجهاز مكونات خارجية صغيرة الحجم، بينما تُقلل ميزة التشغيل السلس من تيار الاندفاع. يتعامل مع نطاق واسع من أحمال التيار، ويدمج ترانزستور MOSFET للطاقة قادر على تحمل تيارات تحويل ذروة تتجاوز 1 أمبير، بجهد خرج يصل إلى 3.6 فولت. يعد هذا التصميم متعدد الاستخدامات وعالي الطاقة والمدمج مثاليًا لمنتجات بطاريات الليثيوم أحادية الخلية، بما في ذلك أنظمة البطاريات القلوية أو NiMH أو NiCd ذات الخليتين والثلاث خلايا. محولات التعزيز مثل SL2188 مثالية للأجهزة الطرفية اللاسلكية، وملحقات الألعاب، والأجهزة الطبية الشخصية، ومشغلات الوسائط المحمولة. وتُسهم التطورات التكنولوجية السريعة في تقليل حجمها. وبالمقارنة مع SOP-J8، فإن SL23 المُدمجة في SOT2188 تُقلل بشكل كبير من مساحة لوحة الدوائر المطبوعة المطلوبة.

الشكل 3: مع انكماش تصميمات المكونات، أصبحت الحزم المصغّرة (مثل SOT23) ضرورية. (حقوق الصورة: SLKOR أشباه الموصلات)

تعظيم الكفاءة مع تقليل استهلاك الطاقة

لا يزال الطلب على تصغير الحجم دافعًا رئيسيًا، إلى جانب الحاجة إلى الحفاظ على الموثوقية وكفاءة الطاقة. يوفر منظم الجهد SY8120B (الشكل 4) تصميمًا مدمجًا مع خرج قابل للتعديل وتوصيل طاقة موثوق.

الشكل 4: SY8120B هو منظم جهد منخفض، يُوفر الطاقة بشكل موثوق في تصميم أصغر حجمًا وأكثر إحكامًا. (حقوق الصورة: SLKOR أشباه الموصلات)

قد يفترض البعض أن التصغير يقلل من قدرة التحميل أو توصيل الطاقة بشكل موثوق، ولكن هذا ليس هو الحال. يحقق SY8120B كفاءة تحويل عالية مع تقليل استهلاك الطاقة (الشكل 5). بفضل توفير تيار احتياطي منخفض، تُقلل الأجهزة التي تعمل بالبطارية من استهلاك الطاقة في حالة الخمول. بالإضافة إلى ذلك، يُمكّن التحكم المستمر في وقت التشغيل من التشغيل بكفاءة حتى في أحمال خفيفة.

 
الشكل 5: يسعى المصممون إلى الحصول على محولات تيار مستمر/تيار مستمر عالية الكفاءة تُوفر الطاقة بشكل موثوق. (حقوق الصورة: SLKOR أشباه الموصلات)

محولات ارتداد لتطبيقات التيار المتردد/المستمر والتيار المستمر/المستمر

محول الارتداد هو طوبولوجيا باك-بووست تتضمن محول ارتداد. وهو مناسب لتحويل التيار المتردد/المستمر والتيار المستمر/المستمر، حيث يوفر عزلًا كهربائيًا بين المدخل والمخرج. كما يوفر مزايا مضاعفة نسبة الجهد والعزل. تستخدم محولات الطاقة المعزولة نظامي تحكم: التحكم في وضع الجهد والتحكم في وضع التيار. ولضمان استقرار التشغيل، يُفضل عادةً التحكم في وضع التيار.

محولات DC/DC بتقنية Buck-Boost

محول باك-بوست هو محول تيار مستمر/تيار مستمر تقليدي، يمكن أن يكون جهد خرجه أعلى أو أقل من جهد الدخل. كما يمكنه توليد جهد سالب. ومثل المحول الارتدادي، يستخدم هذا المحول محثًا واحدًا بدلًا من محول. ويتألف محول باك-بوست تحديدًا من طوبولتين مختلفتين قادرتين على توليد جهد خرج يتراوح من أعلى من جهد الدخل وصولًا إلى الصفر. وتتضمن مصادر طاقة التيار المستمر/التيار المستمر، والتي تُسمى أحيانًا "المفرمات"، دائرة باك-بوست تعمل إما كمحول باك أو معزز، حسب دورة العمل.

خاتمة

يعتمد تحويل الطاقة عالي الكفاءة في تصاميم السيارات والصناعات الحديثة على منظمات التبديل. ومع تزايد صغر حجم التصاميم، ازداد الطلب على أجهزة متعددة الاستخدامات وعالية الكفاءة قادرة على الحفاظ على مستويات طاقة مستقرة. على الرغم من أن منظمات التبديل قد تُعرف بأسماء مختلفة - مثل SMPS، أو منظمات تبديل DC/DC، أو المحولات، أو المنظمات -SLKOR تقدم مجموعة واسعة من الحلول المدمجة للتطبيقات التي تتطلب تحويل الطاقة بكفاءة.

تتمتع منظمات التبديل بأهمية بالغة في تصميم الأنظمة الإلكترونية، إذ توفر تحويلًا مستقرًا وفعالًا للطاقة، مع تصغير حجمها وتعدد وظائفها. وتُستخدم على نطاق واسع في العديد من المجالات. من خلال هذه المقالة، اكتسبنا فهمًا أعمق للمفاهيم الأساسية وأنواع منظمات التبديل، والاختلافات بين المنظمات الخطية وأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية (SMPS). SLKORمنتجات منظمات التبديل عالية الكفاءة وتطبيقاتها. 

ما هي تجاربكم أو أسئلتكم المتعلقة بتصميم وتطبيقات منظم التبديل؟ شاركونا آراءكم في التعليقات!