أنواع منظمات الجهد الكهربائي ومبدأ عملها

أهمية وجود منظمات الجهد في النظام الكهربائي:

يكون “منظم الجهد” عبارة عن دائرة تنشئ جهد خرج ثابتاً وتحافظ عليه، وذلك بغض النظر عن التغييرات في جهد الدخل أو ظروف الحمل، كما تحافظ منظمات الجهد (VRs) على الفولتية من مصدر طاقة ضمن نطاق متوافق مع المكونات الكهربائية الأخرى.

وفي حين أن منظمات الجهد هي الأكثر تناسباً لتحويل الطاقة (DC / DC)؛ فإنه يمكن لبعضها القيام بتحويل طاقة (التيار المتردد / التيار المتردد) أو (التيار المتردد / التيار المستمر) أيضاً سيركز هذا الطرح على منظمات الجهد (DC / DC).

أنواع منظمات الجهد الكهربائي:

المنظمات الخطية:

يستخدم منظم الجهد الخطي جهاز تمرير نشط (مثل BJT أو MOSFET)، والذي يتم التحكم فيه بواسطة مكبر تشغيلي عالي الكسب، وذلك للحفاظ على “جهد خرج ثابت”، بحيث يقوم المنظم الخطي بضبط مقاومة جهاز التمرير من خلال مقارنة مرجع الجهد الكهربائي الداخلي بجهد الخرج الذي تم اختباره، ثم دفع الخطأ إلى الصفر.

حيث أن “المنظمات الخطية” عبارة عن محولات تنحي، لذلك من خلال التعريف يكون جهد الخرج دائماً أقل من جهد الدخل، ومع ذلك؛ فإنها توفر بعض المزايا؛ فهي سهلة التصميم بشكل عام ويمكن الاعتماد عليها وفعالة من حيث التكلفة وتوفر ضوضاء منخفضة بالإضافة إلى تموج “جهد الخرج المنخفض”.

تتطلب المنظمات الخطية، مثل (MP2018)، فقط مكثف دخل وخرج للعمل، وذلك كما هو موضح بالشكل التالي، بأن بساطتها وموثوقيتها تجعلها أجهزة بديهية وبسيطة للمهندسين، وغالباً ما تكون فعالة ومناسبة جداً من حيث التكلفة.

المنظمات التبديلية:

تعد دارة منظم التبديل بشكل عام أكثر تعقيداً، وذلك من حيث التصميم من المنظم الخطي، كما وتتطلب تحديد قيم المكونات الخارجية وحلقات التحكم في الضبط من أجل الاستقرار وتصميم التخطيط الدقيق، حيث يمكن أن تكون منظمات التبديل عبارة عن محولات تدريجية أو محولات تصعيدية أو مزيج من الاثنين، مما يجعلها أكثر تنوعاً من المنظم الخطي.

كما تشمل مزايا تبديل المنظمين أنها عالية الكفاءة ولديها أداء حراري أفضل ويمكنها دعم تطبيقات متعددة، حيث تعتبر (VIN / VOUT) الحالية الأعلى والأوسع والأشمل، بحيث يمكنها تحقيق كفاءة تزيد عن 95٪ حسب متطلبات التطبيق.

وعلى عكس المنظمات الخطية؛ فقد يتطلب نظام تحويل إمداد الطاقة الكهربائية مكونات خارجية إضافية، مثل المحاثات أو المكثفات أو (FETs) أو مقاومات التغذية المرتدة، كما يعد (HF920) مثالاً لمنظم التبديل الذي يوفر موثوقية عالية وتنظيماً فعلاً للطاقة وذلك كما هو موضح بالشكل التالي:

الحدود التشغيلية لمنظمات الجهد الكهربائي:

تتمثل إحدى العيوب الرئيسية للمنظمين الخطيين في أنها يمكن أن تكون غير فعالة، حيث إنها تبدد كميات كبيرة من الطاقة في حالات استخدام معينة، لذلك إن انخفاض الجهد لمنظم خطي يمكن مقارنته بانخفاض الجهد عبر المقاوم، وعلى سبيل المثال؛ فإنه بجهد دخل 5 فولت وبجهد خرج 3 فولت، هناك انخفاض 2 فولت بين المحطات وتقتصر الكفاءة على 3 فولت / 5 فولت (60٪).

وهذا يعني أن المنظمات الخطية هي الأنسب للتطبيقات ذات الفروق المنخفضة (VIN / VOUT)، كما من المهم مراعاة “تبديد الطاقة” المقدرة لمنظم خطي في التطبيق، حيث أن استخدام جهد إدخال أكبر يؤدي إلى تبديد طاقة عالية يمكن أن يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة وإتلاف المكونات.

حيث يتمثل أحد القيود الأخرى لمنظمات الجهد الخطي في أنها قادرة فقط على تحويل باك (تنحي)، وذلك على عكس تبديل المنظمين، والذي يوفر أيضاً دفعة (تصعيد) وتحويل دفعة باك، كما تعد منظمات التبديل عالية الكفاءة، ولكن بعض العيوب تشمل أنها أقل فعالية من حيث التكلفة بشكل عام من المنظمين الخطيين وأكبر حجماً وأكثر تعقيداً.

كما ويمكن أيضاً أن تخلق المزيد من الضوضاء إذا لم يتم اختيار مكوناتها الخارجية بعناية، بالإضافة الى أنه يمكن أن تكون الضوضاء مهمة جداً لتطبيق معين، حيث أنه من المتوقع أن تؤثر الضوضاء على تشغيل الدائرة وأدائها، بالإضافة إلى أداء (EMI).

التحكم في منظمات الجهد الكهربائي:

إن المكونات الأساسية الأربعة لمنظم خطي هي “ترانزستور المرور” ومضخم الخطأ ومرجع الجهد وشبكة ردود فعل المقاوم، كما يتم تعيين أحد مدخلات مضخم الخطأ بواسطة مقاومين (R1 و R2) لمراقبة نسبة مئوية من جهد الخرج، كما أن المدخل الآخر هو مرجع جهد ثابت (VREF).

لذلك إذا تغير جهد الخرج المأخوذ بالنسبة إلى (VREF)؛ فإن مضخم الخطأ يغير مقاومة ترانزستور المرور للحفاظ على “جهد خرج” ثابت (VOUT)، كما تتطلب المنظمات الخطية عادةً فقط “مكثف إدخال” وإخراج خارجي للعمل، مما يجعلها سهلة التنفيذ. من ناحية أخرى، بحيث يتطلب منظم التبديل المزيد من المكونات لإنشاء الدائرة، أيضاً تقوم مرحلة الطاقة بالتبديل بين (VIN) والأرضي لإنشاء حزم شحن لتسليمها إلى الإخراج.

على غرار المنظم الخطي، يوجد مضخم تشغيلي يأخذ عينات جهد خرج التيار المستمر من شبكة التغذية الراجعة ويقارنها “بمرجع جهد داخلي”، ثم يتم “تضخيم إشارة الخطأ” وتعويضها وتصفيتها، حيث تُستخدم هذه الإشارة لتعديل دورة عمل (PWM) لسحب الإخراج مرة أخرى إلى التنظيم.

على سبيل المثال، إذا زاد تيار الحمل بسرعة وتسبب في انخفاض جهد الخرج؛ فإن حلقة التحكم تزيد من دورة عمل (PWM) لتوفير المزيد من الشحن للحمل وإعادة السكة إلى التنظيم.