محول التيار المستمر إلى التيار المستمر

محول التيار المستمر إلى التيار المستمر هو دائرة إلكترونية أو جهاز كهروميكانيكي يحول مصدر التيار المستمر من مستوى جهد إلى آخر. وهو نوع من محولات الطاقة الكهربائية . تتراوح مستويات الطاقة من منخفضة جدًا (للبطاريات الصغيرة) إلى عالية جدًا (لنقل الطاقة ذات الجهد العالي).

قبل تطوير أشباه الموصلات الكهربائية ، كانت إحدى طرق تحويل جهد التيار المستمر إلى جهد أعلى، لتطبيقات الطاقة المنخفضة، هي تحويله إلى تيار متردد باستخدام مُذبذب ، ثم باستخدام محول رافع للجهد ، وأخيرًا باستخدام مُقوِّم . ^{[ 1 ] [ 2 ]} وعند الحاجة إلى طاقة أعلى، كان يُستخدم غالبًا مُولِّد كهربائي ، حيث يُشغِّل مُحرك كهربائي مُولِّدًا يُنتج الجهد المطلوب. (يمكن أن يكون المُحرك والمُولِّد جهازين منفصلين، أو يمكن دمجهما في وحدة "دينامومتر" واحدة بدون عمود طاقة خارجي). لم تُستخدم هذه التصاميم، التي كانت غير فعالة نسبيًا ومكلفة، إلا عند انعدام البدائل، كما هو الحال لتشغيل راديو السيارة (الذي كان يستخدم صمامات حرارية (أنابيب) تتطلب جهودًا أعلى بكثير من تلك المُتاحة من  بطارية السيارة 6 أو 12 فولت). ^{[ 1 ]}

أدى إدخال أشباه الموصلات الكهربائية والدوائر المتكاملة إلى جعلها مجدية اقتصاديًا باستخدام التقنيات الموضحة أدناه. على سبيل المثال، تتمثل الخطوة الأولى في تحويل مصدر الطاقة المستمر إلى تيار متردد عالي التردد كمدخل لمحول - وهو صغير الحجم وخفيف الوزن ورخيص الثمن نظرًا لتردده العالي - والذي يغير الجهد الذي يتم تقويمه مرة أخرى إلى تيار مستمر. ^{[ 3 ]} على الرغم من أنه بحلول عام 1976، لم تعد أجهزة استقبال راديو السيارات التي تعمل بالترانزستور تتطلب جهودًا عالية، إلا أن بعض هواة الراديو استمروا في استخدام مصادر الطاقة الاهتزازية والمحركات الديناميكية لأجهزة الإرسال والاستقبال المتنقلة التي تتطلب جهودًا عالية، حتى مع توفر مصادر الطاقة الترانزستورية. ^{[ 4 ]}

بينما كان من الممكن الحصول على جهد أقل من جهد أعلى باستخدام منظم خطي أو حتى مقاوم، فإن هذه الطرق كانت تبدد الطاقة الزائدة على شكل حرارة؛ ولم يصبح التحويل الموفر للطاقة ممكناً إلا باستخدام دوائر الوضع التبديلية ذات الحالة الصلبة.

تُستخدم محولات التيار المستمر إلى التيار المستمر في الأجهزة الإلكترونية المحمولة، مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة ، التي تعمل بالطاقة من البطاريات بشكل أساسي. غالبًا ما تحتوي هذه الأجهزة على عدة دوائر فرعية ، لكل منها متطلبات جهد كهربائي خاصة بها تختلف عن الجهد الذي توفره البطارية أو مصدر طاقة خارجي (قد يكون أعلى أو أقل من جهد المصدر). بالإضافة إلى ذلك، ينخفض ​​جهد البطارية مع استهلاك الطاقة المخزنة فيها. توفر محولات التيار المستمر إلى التيار المستمر المُبدَّلة طريقة لزيادة الجهد من جهد بطارية منخفض جزئيًا، مما يوفر المساحة بدلًا من استخدام بطاريات متعددة لتحقيق نفس الغرض.

معظم دوائر محولات التيار المستمر إلى التيار المستمر تنظم أيضًا جهد الخرج. ومن الاستثناءات مصادر طاقة LED عالية الكفاءة ، وهي نوع من محولات التيار المستمر إلى التيار المستمر التي تنظم التيار المار عبر مصابيح LED، ومضخات الشحن البسيطة التي تضاعف أو تزيد جهد الخرج ثلاث مرات.

تُسمى محولات التيار المستمر إلى التيار المستمر المصممة لزيادة حصاد الطاقة لأنظمة الخلايا الكهروضوئية وتوربينات الرياح بمحسنات الطاقة .

في المركبات الكهربائية ، تقوم محولات التيار المستمر بخفض الجهد العالي لبطارية الدفع إلى 12 فولتًا، مما يسمح بتشغيل الملحقات مثل الإضاءة، ومراوح التحكم في المناخ، وأجهزة الترفيه الإلكترونية، وغيرها من الأنظمة. ^{[ 5 ]} كما يمكن لهذا المحول إعادة شحن البطارية المساعدة ذات جهد 12 فولت المستخدمة لتشغيل السيارة وأحمال الاستعداد مثل نظام الدخول بدون مفتاح أو أنظمة الأمان أثناء توقفها.

تقوم محولات التبديل، أو محولات التيار المستمر إلى التيار المستمر ذات الوضع المُبدَّل، بتخزين طاقة الإدخال مؤقتًا ثم إطلاقها إلى الخرج بجهد مختلف، قد يكون أعلى أو أقل. ويتم التخزين إما في مكونات تخزين المجال المغناطيسي (المحاثات، المحولات) أو مكونات تخزين المجال الكهربائي (المكثفات). تُتيح هذه الطريقة زيادة أو خفض الجهد. غالبًا ما يكون تحويل التبديل أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة (تتراوح الكفاءة النموذجية بين 75% و98%) من تنظيم الجهد الخطي، الذي يُبدد الطاقة غير المرغوب فيها على شكل حرارة. يتطلب تحقيق الكفاءة أوقات صعود وهبوط سريعة لأجهزة أشباه الموصلات؛ إلا أن هذه الانتقالات السريعة، بالإضافة إلى التأثيرات الطفيلية للتصميم، تجعل تصميم الدوائر أمرًا صعبًا. ^{[ 6 ]} تُقلل الكفاءة العالية لمحولات الوضع المُبدَّل من الحاجة إلى مُشتتات الحرارة، وتزيد من عمر بطارية الأجهزة المحمولة. تحسّنت الكفاءة منذ أواخر ثمانينيات القرن الماضي بفضل استخدام ترانزستورات FET عالية القدرة ، القادرة على التبديل بكفاءة أعلى مع خسائر تبديل أقل عند الترددات العالية مقارنةً بترانزستورات ثنائية القطب عالية القدرة ، كما أنها تستخدم دوائر قيادة أقل تعقيدًا. ومن التحسينات المهمة الأخرى في محولات التيار المستمر إلى التيار المستمر استبدال الصمام الثنائي العكسي بتقويم متزامن ^{[ 7 ]} باستخدام ترانزستور FET عالي القدرة، الذي يتميز بمقاومة تشغيل أقل بكثير، مما يقلل من خسائر التوصيل. قبل التوافر الواسع لأشباه الموصلات عالية القدرة، كانت محولات التيار المستمر إلى التيار المستمر المتزامنة منخفضة القدرة تتكون من مُهتز كهروميكانيكي متبوع بمحول رفع الجهد لتغذية صمام مفرغ أو مقوم شبه موصل، أو نقاط تلامس مقوم متزامن على المُهتز.

صُممت معظم محولات التيار المستمر إلى التيار المستمر لنقل الطاقة في اتجاه واحد فقط، من مدخل مخصص إلى مخرج. مع ذلك، يمكن جعل جميع تصميمات منظمات التبديل ثنائية الاتجاه، بحيث تنقل الطاقة في كلا الاتجاهين، وذلك باستبدال جميع الثنائيات بتقويم نشط يتم التحكم فيه بشكل مستقل . يُعد المحول ثنائي الاتجاه مفيدًا، على سبيل المثال، في التطبيقات التي تتطلب الكبح التجديدي للمركبات، حيث يتم تزويد العجلات بالطاقة أثناء القيادة، بينما يتم تزويدها من العجلات عند الكبح.

على الرغم من قلة مكوناتها، تُعدّ محولات التبديل معقدة إلكترونيًا. وكما هو الحال مع جميع الدوائر عالية التردد، يجب تحديد مكوناتها بدقة وترتيبها فيزيائيًا لتحقيق تشغيل مستقر والحفاظ على ضوضاء التبديل ( التداخل الكهرومغناطيسي/التداخل الراديوي ) ضمن مستويات مقبولة. ^{[ 8 ]} تُعدّ تكلفتها أعلى من منظمات الجهد الخطي في تطبيقات خفض الجهد، إلا أن تكلفتها تتناقص مع تطور تصميم الرقائق.

تتوفر محولات التيار المستمر إلى التيار المستمر على شكل دوائر متكاملة (ICs) لا تتطلب سوى عدد قليل من المكونات الإضافية. كما تتوفر هذه المحولات أيضاً كوحدات دوائر هجينة كاملة ، جاهزة للاستخدام ضمن التجميعات الإلكترونية.

يمكن وصف منظمات الجهد الخطية ، التي تُستخدم لإخراج تيار مستمر ثابت مستقل عن جهد الدخل وحمل الخرج من دخل أعلى ولكنه أقل استقرارًا عن طريق تبديد الفولت أمبير الزائد على شكل حرارة ، بأنها محولات تيار مستمر إلى تيار مستمر، ولكن هذا ليس الاستخدام الشائع. (وينطبق الأمر نفسه على مقاومة خفض الجهد البسيطة ، سواء كانت مثبتة بواسطة منظم جهد لاحق أو ثنائي زينر أم لا ).

توجد أيضًا دوائر مضاعفة الجهد السعوية البسيطة ودوائر مضاعفة ديكسون التي تستخدم الثنائيات والمكثفات لضرب جهد التيار المستمر بقيمة عددية صحيحة، وعادة ما توفر تيارًا صغيرًا فقط.

قبل توفر أجهزة إلكترونيات الطاقة، كانت المحولات الكهروميكانيكية ذات أهمية تجارية.

تتكون مجموعة المحرك والمولد من محرك كهربائي ومولد كهربائي متصلين معًا. يجمع المحرك الديناميكي بين وظيفتي المحرك والمولد في وحدة واحدة، حيث تُلف ملفات كل منهما حول دوار واحد؛ وتشترك الملفات في نفس ملفات المجال الخارجي أو المغناطيس. ^{[ 4 ]} عادةً ما تُدار ملفات المحرك بواسطة مبدل كهربائي في أحد طرفي العمود، بينما تُدار ملفات المولد بواسطة مبدل كهربائي آخر في الطرف الآخر من العمود. تكون مجموعة الدوار والعمود بأكملها أصغر حجمًا من زوج من الآلات، وقد لا تحتوي على أي أعمدة إدارة مكشوفة.

تستطيع المولدات الكهربائية التحويل بين أي مزيج من الجهد والتيار المتردد ومعايير الطور. وقد شاع استخدام مجموعات المولدات الكهربائية الكبيرة لتحويل كميات الطاقة الصناعية، بينما استُخدمت الوحدات الأصغر لتحويل طاقة البطاريات (6 أو 12 أو 24 فولت تيار مستمر) إلى جهد تيار مستمر عالٍ، وهو ما كان مطلوبًا لتشغيل معدات الصمامات المفرغة (الصمامات الحرارية).

لتلبية متطلبات الطاقة المنخفضة عند الفولتيات الأعلى من تلك التي توفرها بطارية السيارة، استُخدمت مصادر طاقة اهتزازية أو "طنانة". يهتز الجهاز ميكانيكيًا، حيث تعمل نقاط التلامس على تبديل قطبية البطارية عدة مرات في الثانية، محولةً التيار المستمر إلى تيار متردد ذي موجة مربعة ، والذي يمكن تغذيته بعد ذلك إلى محول كهربائي ذي جهد خرج مطلوب. ^{[ 1 ]} ويصدر الجهاز صوت طنين مميز.

حلت المحولات الإلكترونية في نهاية المطاف محل المحولات الكهروميكانيكية لأنها لا تحتوي على أجزاء متحركة (باستثناء مراوح التبريد)، وكانت بشكل عام أصغر حجمًا وأخف وزنًا وأرخص في النهاية من المحولات الكهروميكانيكية ذات التصنيف المماثل.

تخضع محولات التيار المستمر إلى التيار المستمر لأنواع مختلفة من الديناميكيات الفوضوية مثل التشعب ، ^{[ 18 ]} والأزمة ، والتقطع . ^{[ 19 ] [ 20 ]}

استراحة

محول يكون فيه جهد الخرج أقل من جهد الدخل (مثل محول باك ).

خطوة للأمام

محول يقوم بإخراج جهد أعلى من جهد الإدخال (مثل محول رفع الجهد ).

وضع التيار المستمر

لا يصل التيار، وبالتالي المجال المغناطيسي في تخزين الطاقة الاستقرائي، إلى الصفر أبدًا.

نمط التيار المتقطع

قد يصل التيار، وبالتالي المجال المغناطيسي في تخزين الطاقة الاستقرائي، إلى الصفر أو يتجاوزه.

ضوضاء

ضوضاء الإشارة الكهربائية والكهرومغناطيسية غير المرغوب فيها ، وعادة ما تكون ناتجة عن عمليات التبديل.

ضوضاء الترددات اللاسلكية

تُصدر محولات التبديل بطبيعتها موجات راديوية بتردد التبديل وتوافقياته. وتُنتج محولات التبديل التي تُنتج تيار تبديل مثلثي، مثل محول سبليت باي ، ومحول التغذية الأمامية ، ومحول تشوك في وضع التيار المستمر، ضوضاء توافقية أقل من محولات التبديل الأخرى. ^{[ 21 ]} تُسبب ضوضاء الترددات الراديوية تداخلًا كهرومغناطيسيًا . وتعتمد المستويات المقبولة على المتطلبات، فعلى سبيل المثال، يتطلب القرب من دوائر الترددات الراديوية كبحًا أكبر من مجرد الامتثال للوائح.

محولات التيار المستمر/المستمر المدمجة في الملف

قد تشمل هذه المكونات دائرة متكاملة للتحكم في الطاقة، وملف، ومكثف، ومقاوم؛ مما يقلل من مساحة التركيب مع عدد قليل من المكونات في حل متكامل واحد.

ضوضاء الإدخال

قد يحتوي جهد الدخل على ضوضاء ملحوظة. إضافةً إلى ذلك، إذا قام المحول بتحميل الدخل بحواف تحميل حادة، فقد يُصدر المحول ضوضاء ترددات لاسلكية من خطوط الطاقة المُغذية. يجب منع ذلك من خلال ترشيح مناسب في مرحلة دخل المحول.

ضوضاء الخرج

يُنتج محول التيار المستمر المثالي جهدًا ثابتًا ومستويًا. مع ذلك، تُنتج المحولات الحقيقية جهدًا مستمرًا مُضافًا إليه مستوى معين من التشويش الكهربائي. تُنتج محولات التبديل تشويشًا عند تردد التبديل وتوافقياته. إضافةً إلى ذلك، تُعاني جميع الدوائر الإلكترونية من بعض التشويش الحراري . تتطلب بعض دوائر الترددات الراديوية والدوائر التناظرية الحساسة مصدر طاقة بتشويش منخفض للغاية، بحيث لا يُمكن توفيره إلا بواسطة مُنظم جهد خطي. ^{[ 22 ]} يُمكن لبعض الدوائر التناظرية التي تتطلب مصدر طاقة بتشويش منخفض نسبيًا أن تتحمل بعض محولات التبديل الأقل تشويشًا، على سبيل المثال، استخدام موجات مثلثية مستمرة بدلًا من الموجات المربعة. ^{[ 21 ]}

• محول رفع/خفض الجهد
• نظام الشحن الموحد
• مزود طاقة ذو وضع تبديل
• شاحن تيار مستمر إلى تيار مستمر

• تقنيات محولات التيار المستمر إلى التيار المستمر للمركبات الكهربائية/الهجينة
• كتب إلكترونيات القدرة
• مذكرة تطبيقية لمنظم التبديل لإمداد طاقة شاشة LCD