محول باك-بووست

محول الباك-بووست هو نوع من محولات التيار المستمر إلى التيار المستمر التي يكون مقدار جهد خرجها أكبر أو أقل من مقدار جهد الدخل. وهو يعادل محول ارتداد باستخدام محث واحد بدلاً من محول. ^[1] يُطلق على نوعين مختلفين من الطوبولوجيات اسم محول الباك-بووست . يمكن لكل منهما إنتاج مجموعة من جهد الخرج، تتراوح من أكبر بكثير (في المقدار المطلق) من جهد الدخل، إلى ما يقرب من الصفر.

في الطوبولوجيا العاكسة، يكون جهد الخرج بعكس قطبية جهد الدخل. هذا مصدر طاقة في وضع التبديل مع تكوين دائرة مماثل لمحول التعزيز ومحول التخفيض . يمكن تعديل جهد الخرج بناءً على دورة عمل الترانزستور التبديلي. أحد العيوب المحتملة لهذا المحول هو أن المفتاح لا يحتوي على طرف على الأرض؛ وهذا يعقد دائرة القيادة. ومع ذلك، فإن هذا العيب ليس له أي أهمية إذا تم عزل مصدر الطاقة عن دائرة الحمل (على سبيل المثال، إذا كان مصدر الطاقة عبارة عن بطارية) لأنه يمكن ببساطة عكس قطبية مصدر الطاقة والصمام الثنائي. عندما يمكن عكسهما، يمكن وضع المفتاح إما على جانب الأرض أو جانب الإمداد.

عندما يتم دمج محول خفض الجهد مع محول تعزيز الجهد ، يكون جهد الخرج عادةً بنفس قطبية المدخل، ويمكن أن يكون أقل أو أعلى من المدخل. قد يستخدم محول تعزيز الجهد غير العاكس محثًا واحدًا يُستخدم لكل من وضع محث خفض الجهد ووضع محث التعزيز، باستخدام مفاتيح بدلاً من الثنائيات، ^{[2] [3]} يُطلق عليه أحيانًا "محول تعزيز الجهد بأربعة مفاتيح"، ^[4] قد يستخدم محثات متعددة ولكن مفتاحًا واحدًا فقط كما هو الحال في طوبولوجيات SEPIC و Ćuk .

المبدأ الأساسي لمحول التعزيز العكسي بسيط إلى حد ما (انظر الشكل 2):

• في حالة التشغيل، يتم توصيل مصدر جهد الدخل مباشرة بالمحث (L). وينتج عن هذا تراكم الطاقة في L. في هذه المرحلة، يزود المكثف الحمل الخارجي بالطاقة.
• بينما في حالة إيقاف التشغيل، يتم توصيل المحث بحمل الإخراج والمكثف، وبالتالي يتم نقل الطاقة من L إلى C وR.

بالمقارنة مع محولات الخفض والتعزيز ، فإن خصائص محول الخفض والتعزيز العاكس هي بشكل أساسي:

• قطبية جهد الخرج معاكسة لقطبية جهد المدخل؛
• يمكن أن يختلف جهد الخرج بشكل مستمر من 0 إلى (بالنسبة للمحول المثالي). تتراوح نطاقات جهد الخرج لمحول التخفيض ومحول التعزيز من 0 إلى .${\displaystyle \scriptstyle -\infty }$${\displaystyle \scriptstyle V_{i}}$${\displaystyle \scriptstyle V_{i}}$${\displaystyle \scriptstyle \infty }$

مثل محولات التخفيض والتعزيز، يمكن فهم تشغيل محول التخفيض والتعزيز بشكل أفضل من حيث " إحجام " المحث عن السماح بالتغير السريع في التيار. من الحالة الأولية التي لا يتم فيها شحن أي شيء ويكون المفتاح مفتوحًا، يكون التيار عبر المحث صفرًا. عندما يتم إغلاق المفتاح لأول مرة، يمنع الصمام الثنائي الحاجز التيار من التدفق إلى الجانب الأيمن من الدائرة، لذلك يجب أن يتدفق كل التيار عبر المحث. ومع ذلك، نظرًا لأن المحث لا يسمح بالتغير السريع للتيار، فإنه سيحافظ في البداية على انخفاض التيار عن طريق مقاومة الجهد الذي يوفره المصدر.

بمرور الوقت، سيسمح المحث بزيادة التيار ببطء. في الدائرة المثالية، سيظل الجهد عبر المحث ثابتًا، ولكن عند أخذ المقاومة المتأصلة للأسلاك والمفتاح والمحث نفسه في الاعتبار، سينخفض ​​الجهد الفعال (الدافع الكهربائي) عبر المحث مع زيادة التيار. أيضًا خلال هذا الوقت، سيخزن المحث الطاقة في شكل مجال مغناطيسي.

إذا لم ينخفض ​​التيار المار عبر المحث L إلى الصفر مطلقًا أثناء دورة التبديل، فيقال إن المحول يعمل في الوضع المستمر. يمكن رؤية أشكال الموجة للتيار والجهد في المحول المثالي في الشكل 3.

من إلى ، يكون المحول في حالة التشغيل، لذا فإن المفتاح S مغلق. وبالتالي فإن معدل التغير في تيار المحث ( I _L ) يُعطى بواسطة ${\displaystyle t=0}$${\displaystyle t=DT}$

${\displaystyle {\frac {\اسم المشغل {d} I_{L}}{\اسم المشغل {d} t}}={\frac {V_{i}}{L}}}$

وفي نهاية حالة التشغيل، تكون زيادة I _L هي:

${\displaystyle \Delta I_{{\text{L}}_{\text{On}}}=\int _{0}^{D\,T}\operatorname {d} I_{\text{L}}=\int _{0}^{D\,T}{\frac {V_{i}}{L}}\,\operatorname {d} t={\frac {V_{i}\,D\,T}{L}}}$

D هي دورة العمل. وهي تمثل جزء فترة التبديل T التي يكون خلالها المفتاح قيد التشغيل. وبالتالي، يتراوح D بين 0 ( S لا يكون قيد التشغيل أبدًا) و1 ( S يكون قيد التشغيل دائمًا).

أثناء حالة إيقاف التشغيل، يكون المفتاح S مفتوحًا، وبالتالي يتدفق تيار المحث عبر الحمل. إذا افترضنا أن انخفاض الجهد في الصمام الثنائي يساوي صفرًا، وأن المكثف كبير بما يكفي لبقاء جهده ثابتًا، فإن تطور I _L يكون على النحو التالي:

${\displaystyle {\frac {\operatorname {d} I_{\text{L}}}{\operatorname {d} t}}={\frac {V_{o}}{L}}}$

لذلك، فإن تغير I _L خلال فترة التوقف هو:

${\displaystyle \Delta I_{{\text{L}}_{\text{Off}}}=\int _{0}^{\left(1-D\right)T}\operatorname {d} I_{\text{L}}=\int _{0}^{\left(1-D\right)T}{\frac {V_{o}\,\operatorname {d} t}{L}}={\frac {V_{o}\left(1-D\right)T}{L}}}$

نظرًا لأننا نعتبر أن المحول يعمل في ظروف الحالة المستقرة، فإن كمية الطاقة المخزنة في كل من مكوناته يجب أن تكون هي نفسها في بداية ونهاية دورة التبديل. نظرًا لأن الطاقة في المحث تُعطى بواسطة:

${\displaystyle E={\frac {1}{2}}L\,I_{\text{L}}^{2}}$

من الواضح أن قيمة I _L في نهاية حالة إيقاف التشغيل يجب أن تكون هي نفسها قيمة I _L في بداية حالة التشغيل، أي أن مجموع التغيرات في I _L أثناء حالتي التشغيل وإيقاف التشغيل يجب أن يكون صفرًا:

${\displaystyle \دلتا I_{{\text{L}}_{\text{تشغيل}}}+\دلتا I_{{\text{L}}_{\text{إيقاف}}}=0}$

استبدال و حسب تعبيراتهما يعطي: ${\displaystyle \Delta I_{{\text{L}}_{\text{On}}}}$${\displaystyle \Delta I_{{\text{L}}_{\text{إيقاف}}}}$

${\displaystyle \Delta I_{{\text{L}}_{\text{On}}}+\Delta I_{{\text{L}}_{\text{Off}}}={\frac {V_{i}\,D\,T}{L}}+{\frac {V_{o}\left(1-D\right)T}{L}}=0}$

يمكن كتابة هذا على النحو التالي:

${\displaystyle {\frac {V_{o}}{V_{i}}}=-{\frac {D}{1-D}}}$

وهذا بدوره يؤدي إلى:

${\displaystyle D={\frac {V_{o}}{V_{o}-V_{i}}}}$

من التعبير أعلاه يمكن ملاحظة أن قطبية جهد الخرج تكون سالبة دائمًا (لأن دورة العمل تنتقل من 0 إلى 1)، وأن قيمتها المطلقة تزداد مع D، نظريًا حتى سالب ما لا نهاية عندما تقترب D من 1. وبصرف النظر عن القطبية، فإن هذا المحول إما رافع للجهد (محول تعزيز) أو مخفض للجهد (محول باك). وبالتالي يُسمى محول باك-تعزيز.

في بعض الحالات، تكون كمية الطاقة المطلوبة للحمل صغيرة بما يكفي لنقلها في وقت أصغر من فترة التبديل بأكملها. في هذه الحالة، ينخفض ​​التيار عبر المحث إلى الصفر أثناء جزء من الفترة. الفرق الوحيد في المبدأ الموصوف أعلاه هو أن المحث يتم تفريغه بالكامل في نهاية دورة التبديل (انظر الأشكال الموجية في الشكل 4). على الرغم من كونه طفيفًا، إلا أن الفرق له تأثير قوي على معادلة جهد الخرج. يمكن حسابه على النحو التالي:

لأن تيار المحث في بداية الدورة يساوي صفرًا، فإن قيمته القصوى (عند ) هي ${\displaystyle I_{L_{\text{الحد الأقصى}}}}$${\displaystyle t=D\,T}$

${\displaystyle I_{L_{\text{max}}}={\frac {V_{i}\,D\,T}{L}}}$

خلال فترة التوقف، ينخفض ​​I _L إلى الصفر بعد δ.T:

${\displaystyle I_{L_{\text{max}}}+{\frac {V_{o}\,\delta \,T}{L}}=0}$

وباستخدام المعادلتين السابقتين، فإن δ هي:

${\displaystyle \delta =-{\frac {V_{i}\,D}{V_{o}}}}$

إن تيار الحمل يساوي متوسط ​​تيار الصمام الثنائي ( ). وكما هو واضح في الشكل 4، فإن تيار الصمام الثنائي يساوي تيار المحث أثناء حالة الإيقاف. وبالتالي، يمكن كتابة تيار الخرج على النحو التالي: ${\displaystyle I_{o}}$${\displaystyle I_{د}}$

${\displaystyle I_{o}={\bar {I_{D}}}={\frac {I_{L_{\text{max}}}}{2}}\delta }$

استبدال و δ بتعبيراتهما الخاصة يعطي: ${\displaystyle I_{L_{\text{الحد الأقصى}}}}$

${\displaystyle I_{o}=-{\frac {V_{i}\,D\,T}{2L}}{\frac {V_{i}\,D}{V_{o}}}=-{\frac {V_{i}^{2}\,D^{2}\,T}{2L\,V_{o}}}}$

لذلك، يمكن كتابة مكسب جهد الخرج على النحو التالي:

${\displaystyle {\frac {V_{o}}{V_{i}}}=-{\frac {V_{i}\,D^{2}\,T}{2L\,I_{o}}}}$

بالمقارنة مع التعبير عن مكسب جهد الخرج للوضع المستمر، فإن هذا التعبير أكثر تعقيدًا بكثير. علاوة على ذلك، في التشغيل غير المستمر، لا يعتمد جهد الخرج على دورة العمل فحسب، بل يعتمد أيضًا على قيمة المحث وجهد الدخل والتيار الناتج.

كما ذكرنا في بداية هذا القسم، يعمل المحول في الوضع المتقطع عندما يسحب الحمل تيارًا منخفضًا، وفي الوضع المستمر عند مستويات تيار الحمل الأعلى. يتم الوصول إلى الحد بين الوضع المتقطع والمستمر عندما ينخفض ​​تيار المحث إلى الصفر تمامًا في نهاية دورة التبديل. وفقًا للرموز الموضحة في الشكل 4، يتوافق هذا مع:

${\displaystyle D\,T+\delta \,T=T}$

${\displaystyle D+\delta =1\,}$

في هذه الحالة، يتم إعطاء تيار الخرج (تيار الخرج عند الحد بين الوضعين المستمر والمتقطع) بواسطة: ${\displaystyle \scriptstyle I_{o_{\text{lim}}}}$

${\displaystyle I_{o_{\text{lim}}}={\bar {I_{D}}}={\frac {I_{L_{\text{max}}}}{2}}\left(1-D\right)}$

يؤدي الاستبدال بالتعبير الوارد في قسم الوضع غير المستمر إلى: ${\displaystyle \scriptstyle I_{L_{\text{الحد الأقصى}}}}$

${\displaystyle I_{o_{\text{lim}}}={\frac {V_{i}\,D\,T}{2L}}\left(1-D\right)}$

وبما أن التيار عند الحد الفاصل بين وضعي التشغيل المستمر والمتقطع، فإنه يفي بتعبيرات كلا الوضعين. لذلك، باستخدام تعبير جهد الخرج في الوضع المستمر، يمكن كتابة التعبير السابق على النحو التالي: ${\displaystyle \scriptstyle I_{o_{\text{lim}}}}$

${\displaystyle I_{o_{\text{lim}}}={\frac {V_{i}\,D\,T}{2L}}{\frac {V_{i}}{V_{o}}}\left(-D\right)}$

دعونا الآن نقدم تدوينتين أخريين:

• الجهد الطبيعي، المحدد بواسطة . وهو يتوافق مع المكسب في جهد المحول؛${\displaystyle \scriptstyle \left|V_{o}\right|={\frac {V_{o}}{V_{i}}}}$
• التيار الطبيعي، المحدد بواسطة . المصطلح يساوي الحد الأقصى لزيادة تيار المحث أثناء دورة؛ أي زيادة تيار المحث بدورة عمل D=1. لذا، في حالة التشغيل المستقر للمحول، هذا يعني أن يساوي 0 لعدم وجود تيار خرج، و1 للحد الأقصى للتيار الذي يمكن للمحول توصيله.${\displaystyle \scriptstyle \left|I_{o}\right|={\frac {L}{T\,V_{i}}}I_{o}}$${\displaystyle \scriptstyle {\frac {T\,V_{i}}{L}}}$${\displaystyle \scriptstyle \left|I_{o}\right|}$

باستخدام هذه التدوينات، لدينا:

• في الوضع المستمر ؛${\displaystyle \scriptstyle \left|V_{o}\right|=-{\frac {D}{1-D}}}$
• في الوضع المتقطع ،؛${\displaystyle \scriptstyle \left|V_{o}\right|=-{\frac {D^{2}}{2\left|I_{o}\right|}}}$
• التيار عند الحد بين الوضع المستمر والوضع المتقطع هو . وبالتالي، فإن موضع الحد بين الوضع المستمر والوضع المتقطع يعطى بواسطة .${\displaystyle \scriptstyle I_{o_{\text{lim}}}={\frac {V_{i}\,T}{2L}}D\left(1-D\right)={\frac {I_{o_{\text{lim}}}}{2\left|I_{o}\right|}}D\left(1-D\right)}$${\displaystyle \scriptstyle {\frac {1}{2\left|I_{o}\right|}}D\left(1-D\right)=1}$

وقد تم رسم هذه التعبيرات في الشكل 5. ويمكن رؤية الفرق في السلوك بين الأوضاع المستمرة والمتقطعة بوضوح.

يجمع المحول رباعي المفاتيح بين محولات التخفيض والتعزيز. ويمكن تشغيله إما في وضع التخفيض أو التعزيز . وفي أي من الوضعين، يتحكم مفتاح واحد فقط في دورة العمل، بينما يعمل مفتاح آخر للتبديل ويجب تشغيله بشكل معاكس للأول، ويكون المفتاحان المتبقيان في وضع ثابت. ويمكن بناء محول تخفيض وتعزيز ثنائي المفاتيح باستخدام ثنائيين، ولكن ترقية الثنائيات إلى مفاتيح FET لا تكلف الكثير في حين تتحسن الكفاءة بسبب انخفاض انخفاض الجهد.

في التحليل أعلاه، لم يتم النظر في أي عناصر تبديد ( مقاومات ). وهذا يعني أن الطاقة تنتقل دون خسائر من مصدر جهد الدخل إلى الحمل. ومع ذلك، توجد مقاومات طفيلية في جميع الدوائر، بسبب المقاومة النوعية للمواد المصنوعة منها. وبالتالي، فإن جزءًا من الطاقة التي يديرها المحول يتبدد بواسطة هذه المقاومات الطفيلية.

من أجل التبسيط، نعتبر هنا أن المحث هو المكون الوحيد غير المثالي، وأنه يعادل المحث والمقاوم المتصلين على التوالي. هذا الافتراض مقبول لأن المحث مصنوع من قطعة واحدة طويلة ملفوفة من السلك، لذلك من المرجح أن يظهر مقاومة طفيلية غير قابلة للإهمال ( R _L ). علاوة على ذلك، يتدفق التيار عبر المحث في كل من حالتي التشغيل والإيقاف.

باستخدام طريقة متوسط ​​مساحة الحالة، يمكننا أن نكتب:

${\displaystyle V_{i}={\bar {V}}_{\text{L}}+{\bar {V}}_{S}}$

حيث و هما على التوالي متوسط ​​الجهد عبر المحث والمفتاح خلال دورة التبديل. إذا اعتبرنا أن المحول يعمل في حالة مستقرة، فإن متوسط ​​التيار عبر المحث يكون ثابتًا. متوسط ​​الجهد عبر المحث هو: ${\displaystyle \scriptstyle {\bar {V}}_{\text{L}}}$${\displaystyle \scriptstyle {\bar {V}}_{S}}$

${\displaystyle {\bar {V}}_{\text{L}}=L{\frac {\bar {dI_{\text{L}}}}{dt}}+R_{\text{L}}{\bar {I}}_{\text{L}}=R_{\text{L}}{\bar {I}}_{\text{L}}}$

عندما يكون المفتاح في حالة التشغيل، . وعندما يكون في وضع الإيقاف، يكون الصمام الثنائي متحيزًا للأمام (نأخذ في الاعتبار تشغيل الوضع المستمر)، وبالتالي . وبالتالي، فإن متوسط ​​الجهد عبر المفتاح هو: ${\displaystyle \scriptstyle V_{S}=0}$${\displaystyle \scriptstyle V_{S}=V_{i}-V_{o}}$

${\displaystyle {\bar {V}}_{S}=D\,0+(1-D)(V_{i}-V_{o})=(1-D)(V_{i}-V_{o})}$

إن تيار الخرج هو عكس تيار المحث أثناء حالة الإيقاف. وبالتالي فإن متوسط ​​تيار المحث هو:

${\displaystyle {\bar {I}}_{\text{L}}={\frac {-I_{o}}{1-D}}}$

بافتراض أن التيار والجهد الناتجين لهما تموجات لا تذكر، يمكن اعتبار حمل المحول مقاومًا بحتًا. إذا كانت R هي مقاومة الحمل، يصبح التعبير أعلاه:

${\displaystyle {\bar {I}}_{\text{L}}={\frac {-V_{o}}{(1-D)R}}}$

وباستخدام المعادلات السابقة، يصبح جهد الدخل:

${\displaystyle V_{i}=R_{\text{L}}{\frac {-V_{o}}{(1-D)R}}+(1-D)(V_{i}-V_{o})}$

يمكن كتابة هذا على النحو التالي:

${\displaystyle {\frac {V_{o}}{V_{i}}}={\frac {-D}{{\frac {R_{\text{L}}}{R(1-D)}}+1-D}}}$

إذا كانت مقاومة المحث صفرًا، تصبح المعادلة أعلاه مساوية لمعادلة الحالة المثالية . ولكن عندما تزداد قيمة R _L ، يقل كسب الجهد للمحول مقارنة بالحالة المثالية. علاوة على ذلك، يزداد تأثير R _L مع دورة العمل. ويلخص الشكل 6 ذلك.

• محول الكوك
• محول الارتداد
• محول SEPIC
• طوبولوجيا تقسيم باي