خلية التبديل

📅 آخر تحديث: ١ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ١ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 13 صور
الموسوعة الحرة

تُعدّ خلية التبديل البنية الأساسية في إلكترونيات القدرة . وهي تتألف من مفتاحين إلكترونيين ( أشباه موصلات عالية القدرة ، وليست مفاتيح ميكانيكية). كان يُشار إليها تقليديًا باسم " المقطّع" ، ولكن نظرًا لأن مصادر الطاقة التبديلية أصبحت شكلاً رئيسيًا من أشكال تحويل الطاقة، فقد أصبح هذا المصطلح الجديد أكثر شيوعًا. [ 1 ]

تتمثل وظيفة خلية التبديل في تحويل التيار المستمر إلى تيار متردد ذي موجة مربعة . ويتم ذلك لتمكين استخدام ملف حث ومكثف في دائرة LC لتغيير الجهد. نظريًا، تُعد هذه العملية مثالية؛ عمليًا، تُحقق كفاءات تتجاوز 80-90% بشكل روتيني. عادةً ما يمر التيار الخارج عبر مرشح لإنتاج تيار مستمر نقي. ومن خلال التحكم في أوقات التشغيل والإيقاف ( دورة التشغيل ) للمفتاح في خلية التبديل، يمكن تنظيم جهد الخرج .

هذا المبدأ الأساسي هو جوهر معظم مصادر الطاقة الحديثة، بدءًا من محولات التيار المستمر الصغيرة في الأجهزة المحمولة وحتى محطات التبديل الضخمة لنقل طاقة التيار المستمر ذات الجهد العالي .

توصيل عنصرين للطاقة

الشكل 1: التكوينات المختلفة غير الممكنة: قصر دائرة مصدر الجهد، مصدر تيار في دائرة مفتوحة، مصدران للجهد موصولان على التوازي، مصدران للتيار موصولان على التوالي. أي من هذه الدوائر سيؤدي إلى عطل أو توليد كميات كبيرة من الحرارة!
الشكل 2: كما هو الحال مع مصادر الجهد والتيار، يجب تجنب نقل الطاقة المباشر من مكثف إلى آخر أو من محث إلى آخر، لأنه يؤدي إلى خسائر كبيرة.

تربط خلية التبديل عنصرين من عناصر الطاقة، والتي يشار إليها غالبًا باسم المصادر، على الرغم من أنها يمكن أن تنتج الطاقة أو تمتصها. [ 2 ]

توجد بعض المتطلبات لتوصيل مصادر الطاقة. يوضح الشكل 1 التكوينات غير الممكنة، وهي كالتالي:

  • لا يمكن تقصير مصدر الجهد ، لأن قصر الدائرة سيفرض جهدًا صفريًا وهو ما يتعارض مع الجهد الناتج عن المصدر؛
  • وبالمثل، لا يمكن وضع مصدر التيار في دائرة مفتوحة؛
  • لا يمكن توصيل مصدرين (أو أكثر) للجهد على التوازي، لأن كل مصدر منها سيحاول فرض الجهد على الدائرة؛
  • لا يمكن توصيل مصدرين (أو أكثر) للتيار على التوالي، حيث سيحاول كل منهما فرض التيار في الحلقة.

ينطبق هذا على المصادر التقليدية (البطارية، المولد) والمكثفات والمحاثات: على نطاق زمني قصير، يُعادل المكثف مصدر جهد، والمحث مصدر تيار. توصيل مكثفين بجهدين مختلفين على التوازي يُعادل توصيل مصدرَي جهد، وهو أحد التوصيلات المحظورة في الشكل 1.

يوضح الشكل 2 ضعف كفاءة هذا النوع من التوصيل. يتم شحن مكثف واحد إلى جهد V، وهو موصول بمكثف آخر له نفس السعة ولكنه غير موصول.

قبل التوصيل، تكون الطاقة في الدائرةهـ=12ج⋅V2{\displaystyle E={\frac {1}{2}}C\cdot V^{2}}وكمية الشحنات Q تساويج⋅يو{\displaystyle C\cdot U}، حيث U هي طاقة الوضع.

بعد إجراء التوصيل، تكون كمية الشحنات ثابتة، وتكون السعة الكلية2ج{\displaystyle 2C}لذلك، فإن الجهد عبر المكثفات هوسؤال2ج=V2{\displaystyle {\frac {Q}{2C}}={\frac {V}{2}}}الطاقة في الدائرة هي12(2ج)(V2)2=هـ2{\displaystyle {\frac {1}{2}}(2C)\left({\frac {V}{2}}\right)^{2}={\frac {E}{2}}}لذلك، تم تبديد نصف الطاقة أثناء عملية الاتصال.

وينطبق الأمر نفسه على التوصيلات المتسلسلة لمحثين. التدفق المغناطيسي (Φ=ل⋅أنا{\displaystyle \Phi =L\cdot I}يظل ثابتًا قبل عملية التبديل وبعدها. وبما أن الحث الكلي بعد عملية التبديل يساوي 2L، فإن التيار يصبحأنا2{\displaystyle {\frac {I}{2}}}(انظر الشكل 2). الطاقة قبل عملية التبديل هي12ل⋅أنا2{\displaystyle {\frac {1}{2}}L\cdot I^{2}}بعد ذلك، يصبح12ل⋅(أنا2)2{\displaystyle {\frac {1}{2}}L\cdot \left({\frac {I}{2}}\right)^{2}}وهنا أيضاً، يتم تبديد نصف الطاقة أثناء عملية التبديل.

ونتيجةً لذلك، يتضح أن خلية التبديل لا يمكنها إلا توصيل مصدر جهد بمصدر تيار (والعكس صحيح). مع ذلك، باستخدام المحاثات والمكثفات، يُمكن تغيير سلوك المصدر: على سبيل المثال، يُمكن توصيل مصدرَي جهد عبر مُحوِّل إذا كان يستخدم مُحاثة لنقل الطاقة.

بنية خلية التبديل

الشكل 3: خلية التبديل تربط مصدرين مختلفين (مصدر تيار ومصدر جهد). نظريًا، تستخدم الخلية مفتاحين، ولكن نظرًا لضرورة تشغيلهما بتزامن تام، يُستبدل أحدهما بثنائي في التطبيقات العملية. هذا يجعل خلية التبديل أحادية الاتجاه. ويمكن الحصول على خلية تبديل ثنائية الاتجاه بتوصيل خليتين أحاديتي الاتجاه على التوازي.

كما ذُكر سابقًا، يجب وضع خلية التبديل بين مصدر الجهد ومصدر التيار. وبحسب حالة الخلية، يكون المصدران إما متصلين أو معزولين. عند العزل، يجب توصيل مصدر التيار بدائرة قصر، إذ يستحيل توليد تيار في دائرة مفتوحة. يوضح الشكل 3 (أعلى) المخطط الأساسي لخلية التبديل. تستخدم هذه الخلية مفتاحين بحالتيْن متعاكستين: في التكوين الموضح في الشكل 3، يكون المصدران معزولين، ومصدر التيار موصول بدائرة قصر. يكون المصدران متصلين عندما يكون المفتاح العلوي في وضع التشغيل (والمفتاح السفلي في وضع الإيقاف).

يستحيل تحقيق تزامن مثالي بين المفاتيح. ففي لحظة ما أثناء عملية التبديل، سيكون أحدها في وضع التشغيل (مما يؤدي إلى قصر دائرة مصدر الجهد) أو في وضع الإيقاف (مما يؤدي إلى ترك مصدر التيار في دائرة مفتوحة). لهذا السبب، يجب استبدال أحد المفاتيح بثنائي. يُعد الثنائي جهاز تبديل طبيعي، أي أن حالته تُتحكم بها الدائرة نفسها. سيُشغل أو يُطفأ في اللحظة المناسبة تمامًا. نتيجة استخدام الثنائي في خلية التبديل هي جعلها أحادية الاتجاه (انظر الشكل 3). يمكن بناء خلية ثنائية الاتجاه، لكنها تُعادل خليتين أحاديتي الاتجاه موصولتين على التوازي.

خلية التبديل في المحولات

الشكل 4: توجد خلية التبديل في كل مصدر طاقة تبديلي

توجد خلية التبديل في أي محول إلكتروني للطاقة . يوضح الشكل 4 بعض الأمثلة. وكما هو واضح، يتم توصيل "مصدر تيار" (وهو في الواقع حلقة تحتوي على محاثة) دائمًا بين نقطة المنتصف وأحد التوصيلات الخارجية لخلية التبديل، بينما يتم توصيل مصدر جهد (أو مكثف، أو توصيل مصدر جهد ومكثف على التوالي) دائمًا بالتوصيلين الخارجيين. [ 3 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ بيريت، روبرت (2013-03-01). أجهزة أشباه الموصلات في إلكترونيات القدرة . جون وايلي وأولاده. ISBN 978-1-118-62320-6.
  2. ^ ليمن، إي. (2017). خلية التبديل الموسعة : الطريق نحو معالجة مرنة متعددة المستويات للطاقة . الجامعة التقنية في أيندهوفن. رقم ISBN  978-90-386-4216-1.
  3. ↑ شيرون، ي. (2012-12-06). التبديل المرن . سبرينغر ساينس آند بيزنس ميديا. ISBN 978-94-011-2350-1.
  • أربع بنى طوبولوجية لـ Boostbuck