المروحية (الإلكترونيات)

في مجال الإلكترونيات ، تُعرف دائرة التقطيع بأنها أي نوع من أنواع أجهزة ودوائر التبديل الإلكترونية العديدة المستخدمة في تطبيقات التحكم في الطاقة والإشارات. التقطيع هو جهاز يحول جهد دخل التيار المستمر الثابت إلى جهد خرج تيار مستمر متغير بشكل مباشر. وبعبارة أخرى، التقطيع هو مفتاح إلكتروني يُستخدم لقطع إشارة ما للتحكم في إشارة أخرى.

في تطبيقات إلكترونيات الطاقة ، نظرًا لأن عنصر التبديل يكون إما في حالة تشغيل كاملة أو إيقاف كامل، فإن فقد الطاقة فيه منخفض، ويمكن للدائرة أن توفر كفاءة عالية. مع ذلك، يكون التيار المُزوَّد للحمل متقطعًا، وقد يتطلب تنعيمه أو تردد تبديل عالٍ لتجنب التأثيرات غير المرغوب فيها. في دوائر معالجة الإشارات ، يُسهم استخدام مُقطِّع الإشارة في تثبيت النظام ضد انحراف المكونات الإلكترونية؛ ويمكن استعادة الإشارة الأصلية بعد التضخيم أو أي معالجة أخرى بواسطة مُزيل التضمين المتزامن الذي يُلغي عملية "التقطيع" بشكل أساسي.

مقارنة (مروحية ذات تدرج تنازلي ومروحية ذات تدرج تصاعدي)

مقارنة بين المروحية ذات الرفع التدريجي والمروحية ذات الخفض التدريجي:

	مروحية متدرجة	مروحية ستيب أب
نطاق جهد الخرج	من 0 إلى V فولت	من V إلى +∞ فولت
موضع مفتاح التقطيع	موصلة على التوالي مع الحمل	بالتوازي مع الحمل
معادلة جهد الخرج	VL dc = D × V فولت	V _o = V/(1 – D) فولت
الحث الخارجي	غير مطلوب	مطلوب لزيادة جهد الخرج
يستخدم	لتشغيل المحرك، ولحمل المحرك	للكبح التجديدي لحمل المحرك.
نوع المفرمة	ربع دائرة واحدة	ربع دائرة واحدة
ربع العملية	الربع الأول	الربع الأول
التطبيقات	التحكم في سرعة المحرك	شحن البطارية / معززات الجهد

التطبيقات

تُستخدم دوائر التقطيع في تطبيقات متعددة، بما في ذلك:

مصادر الطاقة ذات الوضع المبدل ، بما في ذلك محولات التيار المستمر إلى التيار المستمر .
أجهزة التحكم في سرعة محركات التيار المستمر
تشغيل محركات عزم الدوران DC عديمة الفرش أو محركات الخطوة في المشغلات
مكبرات الصوت الإلكترونية من الفئة D
مرشحات المكثفات المبدلة
محركات التردد المتغير
تعزيز جهد التيار المستمر
السيارات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات
شواحن البطاريات
جر السكك الحديدية
التحكم في الإضاءة والمصابيح

استراتيجيات التحكم

في جميع تكوينات المقطّع التي تعمل بجهد دخل تيار مستمر ثابت، يتم التحكم في متوسط قيمة جهد الخرج عن طريق الفتح والإغلاق الدوري للمفاتيح المستخدمة في دائرة المقطّع. ويمكن التحكم في متوسط جهد الخرج بتقنيات مختلفة، وهي:

تعديل عرض النبضة
تعديل التردد
تردد متغير، عرض نبضة متغير
التحكم CLC

في تعديل عرض النبضة، تُشغَّل المفاتيح بتردد تقطيع ثابت. وتكون الفترة الزمنية الكلية لدورة واحدة من شكل موجة الخرج ثابتة. ويتناسب متوسط جهد الخرج طرديًا مع زمن تشغيل المُقطِّع. وتُعرَّف نسبة زمن التشغيل إلى الزمن الكلي بدورة التشغيل، والتي يمكن تغييرها بين 0 و1 أو بين 0 و100%. يُعد تعديل عرض النبضة (PWM)، أو تعديل مدة النبضة (PDM)، تقنية تُستخدم لترميز رسالة في إشارة نابضة. على الرغم من إمكانية استخدام هذه التقنية لترميز المعلومات للإرسال، إلا أن استخدامها الرئيسي هو التحكم في الطاقة المُزوَّدة للأجهزة الكهربائية، وخاصة الأحمال القصور الذاتي مثل المحركات. ويتم التحكم في متوسط قيمة الجهد (والتيار) المُغذَّى للحمل عن طريق تشغيل وإيقاف المفتاح بين مصدر الطاقة والحمل بسرعة عالية. وكلما طالت فترة تشغيل المفتاح مقارنةً بفترة إيقافه، زادت الطاقة الكلية المُزوَّدة للحمل. يجب أن يكون تردد تبديل تعديل عرض النبضة (PWM) أعلى بكثير من التردد الذي يؤثر على الحمل (الجهاز الذي يستهلك الطاقة)، أي أن شكل الموجة الناتج الذي يستقبله الحمل يجب أن يكون سلسًا قدر الإمكان. عادةً ما يتم التبديل عدة مرات في الدقيقة في الموقد الكهربائي ، و120 هرتز في مُخفِّت إضاءة المصباح، ومن بضعة كيلوهرتز إلى عشرات الكيلوهرتز في محرك القيادة، ويصل إلى عشرات أو مئات الكيلوهرتز في مضخمات الصوت ووحدات تزويد الطاقة لأجهزة الكمبيوتر.

في تعديل التردد، يتم توليد نبضات ذات سعة ومدة ثابتة ويتم تعديل متوسط قيمة الإخراج عن طريق تغيير عدد مرات توليد النبضات.

يجمع عرض النبضة المتغير وترددها بين التغيرات في عرض النبضة ومعدل التكرار.

في تقنية التحكم في الحد الحالي (CLC)، يتم التحكم في دورة التشغيل عن طريق التحكم في تيار الحمل بين قيمتين قصوى ودنيا. يتم تشغيل وإيقاف المقطّع بشكل دوري بحيث يبقى تيار الحمل ضمن نطاق قيمتين قصوى ودنيا محددتين مسبقًا. ^{[ 1 ]}

مضخمات تشوبر

يُعدّ استخدام دائرة التقطيع، حيث لا يزال المصطلح مستخدمًا، في مضخمات التقطيع أحد الاستخدامات الكلاسيكية . هذه المضخمات تعمل بالتيار المستمر . قد تكون بعض أنواع الإشارات التي تحتاج إلى تضخيم صغيرة جدًا لدرجة تتطلب كسبًا عاليًا للغاية ، ولكن بناء مضخمات التيار المستمر ذات الكسب العالي جدًا مع إزاحة منخفضة أمرٌ أكثر صعوبة. $1/f$ مع مراعاة الضوضاء والاستقرار وعرض النطاق الترددي المعقولين ، يُعدّ بناء مُضخّم تيار متردد أسهل بكثير . تُستخدم دائرة التقطيع لتقسيم إشارة الدخل بحيث يمكن معالجتها كما لو كانت إشارة تيار متردد، ثم دمجها مرة أخرى للحصول على إشارة تيار مستمر عند الخرج. بهذه الطريقة، يمكن تضخيم إشارات التيار المستمر الصغيرة للغاية. يُستخدم هذا النهج غالبًا في الأجهزة الإلكترونية حيث يُعدّ الاستقرار والدقة أساسيين؛ على سبيل المثال، من الممكن استخدام هذه التقنيات لبناء مقاييس الفولتية النانوية ومستشعرات هول .

يُصبح جهد الإزاحة الداخل للمضخمات ذا أهمية بالغة عند محاولة تضخيم الإشارات الصغيرة بكسب عالٍ جدًا. ولأن هذه التقنية تُنتج مضخمًا بجهد إزاحة داخل منخفض جدًا، ولأن هذا الجهد لا يتغير كثيرًا مع الزمن أو درجة الحرارة، تُسمى هذه التقنيات أيضًا بمضخمات "انعدام الانحراف" (لعدم وجود انحراف في جهد الإزاحة الداخل مع الزمن أو درجة الحرارة). ومن التقنيات المشابهة التي تُوفر مزايا انعدام الانحراف هذه، مضخمات الضبط التلقائي للصفر ومضخمات التثبيت بالتقطيع.

تستخدم مضخمات الضبط التلقائي للصفر مضخمًا مساعدًا ثانويًا لتصحيح جهد الإزاحة الداخل للمضخم الرئيسي. أما مضخمات التثبيت بالتقطيع فتستخدم مزيجًا من تقنيات الضبط التلقائي للصفر والتقطيع لتحقيق مواصفات دقة ممتازة للتيار المستمر. ^{[ 2 ]}

من الأمثلة على مكبرات التقطيع ومكبرات الضبط التلقائي للصفر LTC2050، ^{[ 3 ]} MAX4238/MAX4239 ^{[ 4 ]} و OPA333. ^{[ 5 ]}

الصيغ

مروحية متطورة

استخدم محول رفع الجهد العام المزود بمصدر جهد $V_{s}$ وهو موصول على التوالي مع المحث $L$ ، الصمام الثنائي والحمل بجهد متوسط $V_{ave}$ سيكون مفتاح التقطيع موصولاً بالتوازي مع الصمام الثنائي الموصول على التوالي والحمل. عندما يكون مفتاح التقطيع في وضع التشغيل، يتم توصيل خرج الدائرة بدائرة قصر. باستخدام قانون كيرشوف للجهد (KVL) لتحديد جهد المحث ،

$L{\frac {di}{dt}}=V_{s}$

وأخذ متوسط التيار خلال فترة الإيقاف،

${\frac {\Delta i}{T_{ON}}}={\frac {V_{s}}{L}}$

أين $T_{ON}$ هو الوقت الذي يكون فيه جهد الحمل موجودًا و $\Delta i$ التغيير الحالي فيما يتعلق بـ $T_{ON}$ عندما يكون مفتاح التقطيع مطفأً، وباستخدام قانون كيرشوف للجهد في تحديد جهد المحث بالنسبة للتيار المتوسط خلال فترة التشغيل،

${\begin{aligned}L{\frac {di}{dt}}&=V_{ave}-V_{s}\\{\frac {\Delta i}{T_{OFF}}}&={\frac {V_{ave}-V_{s}}{L}}.\\\end{aligned}}$

أين $T_{OFF}$ هو الوقت الذي يكون فيه جهد الحمل صفراً. يتم فيه مساواة كل من متوسط التيار وأخذ دورة التشغيل $\alpha ={\frac {T_{ON}}{T_{ON}+T_{OFF}}}$ , ^{[ 6 ]}

$V_{ave}={\frac {V_{s}}{1-\alpha }}$

أين $V_{ave}$ هو متوسط جهد الخرج.

مروحية ذات انحدار تدريجي

استخدام مُقطِّع عام خافض للجهد مع مصدر جهد $V_{s}$ وهو موصول على التوالي مع مفتاح التقطيع، والمحث، والحمل ذي الجهد $V_{o}$ سيكون الصمام الثنائي موصولاً بالتوازي مع المحث الموصول على التوالي والحمل. وبنفس الطريقة، من خلال مساواة متوسط تيار المحث أثناء التشغيل والإيقاف، يمكننا الحصول على متوسط الجهد باستخدام ^{[ 6 ].}

$V_{ave}=\alpha V_{s}$

أين $V_{ave}$ هو متوسط جهد الخرج ، $\alpha$ دورة التشغيل و $V_{s}$ هو جهد المصدر.

مروحية ذات سرعة متغيرة (صعود/هبوط)

باستخدام محول رفع وخفض الجهد العام الذي يعمل كمحول رفع وخفض الجهد، دع مصدر الجهد $V_{s}$ يجب أن تكون موصولة على التوالي مع مفتاح التقطيع، والدايود المنحاز عكسيًا، والحمل ذي الجهد $V_{o}$ سيكون المحث موصولاً بالتوازي مع الصمام الثنائي الموصول على التوالي مع الحمل. وبنفس الطريقة، من خلال مساواة متوسط تيار المحث خلال فترتي التشغيل والإيقاف، يمكننا الحصول على متوسط الجهد باستخدام ^{[ 6 ].}

$V_{ave}={\frac {\alpha V_{s}}{1-\alpha V_{s}}}$

أين $V_{ave}$ هو متوسط جهد الخرج ، $\alpha$ دورة التشغيل و $V_{s}$ هو جهد المصدر.

انظر أيضاً

مراجع

↑ "التحكم في جهد المروحية - التحكم في نسبة الوقت وحد التيار" . إلكترونيكس مايند . 25 فبراير 2022.
↑ براءة اختراع أمريكية رقم 7132883 - أجهزة قياس ومضخمات تشغيلية مثبتة بتقنية التقطيع
↑ LTC2050
↑ MAX4238/MAX4239
↑ OPA333
1 2 3 سينغ، دكتور في الطب (2008-07-07). إلكترونيات القدرة . دار نشر تاتا ماكجرو هيل للتعليم. ISBN 9780070583894.

الأدب

سي. إنز، جي. تيمس، تقنيات الدوائر لتقليل تأثير عيوب مكبر العمليات: الضبط التلقائي للصفر، وأخذ العينات المزدوجة المترابطة، وتثبيت التقطيع - وقائع معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات ، المجلد 84، العدد 11، نوفمبر 1996
أ. بيلوتي، ج. مونريال، مضخمات مُثبَّتة بتقنية التقطيع مع مُزيل تشكيل إشارة التتبع والتثبيت - ورقة بحثية تقنية من أليغرو STP 99–1
أ. باكر، ك. ثيل، ج. هويسينغ، مضخم قياس CMOS ذو تقطيع متداخل مع إزاحة 100 نانو فولت - مجلة IEEE للدوائر المتكاملة، المجلد 35، العدد 12، ديسمبر 2000

[1] "التحكم في جهد المروحية - التحكم في نسبة الوقت وحد التيار" . إلكترونيكس مايند . 25 فبراير 2022.

[2] براءة اختراع أمريكية رقم 7132883 - أجهزة قياس ومضخمات تشغيلية مثبتة بتقنية التقطيع

[3] LTC2050

[4] MAX4238/MAX4239

[5] OPA333

[:1-6] 1 2 3 سينغ، دكتور في الطب (2008-07-07). إلكترونيات القدرة . دار نشر تاتا ماكجرو هيل للتعليم. ISBN 9780070583894.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

اللغة	العربية (RTL)
روابط موسوعية	30 رابطاً
المصدر الأصلي	ويكيبيديا ↗