يعد رافع الجهد أحد أنواع محولات الطاقة DC-DC التي تعمل على رفع جهد الدخل بكفاءة إلى مستوى جهد خرج أعلى. ويلعب دورًا حاسمًا في العديد من الأجهزة التي نتسخدمها في حياتنا اليومية مثل الهواتف والحواسيب والسيارات حيث تكون كفاءة الطاقة وتنظيم الجهد أمرًا ضروريًا. وفي خلال سطور مقالتنا القادمة، سنلقي نظرة عامة على طريقة عمل رافع الجهد ومكوناته واستخداماته.
ما هو رافع الجهد؟
رافع الجهد هو نوع من محولات الطاقة DC-DC التي ترفع جهد الدخل إلى جهد خرج أعلى. يُستخدم عادةً عندما تحتاج إلى زيادة مستوى الجهد في نظام إمداد الطاقة. يعد رافع الجعد ضروري في العديد من الأجهزة المحمولة حيث يلزم زيادة جهد البطارية المتاح لتشغيل مكونات ذات جهد أعلى.
كيف يعمل رافع الجهد؟
يعمل رافع الجهد على أساس مبدأ تخزين الطاقة في محث وإطلاق هذه الطاقة إلى الخرج. وفيما يلي شرح أساسي لكيفية عمله.
مكونات رافع الجهد الرئيسية
- المحث (L): يخزن الطاقة ويطلقها طوال دورات التبديل. وظيفته الرئيسية هي الحفاظ على تخزين الطاقة أثناء التحويل مع التحكم في تدفق التيار.
- المفتاح (S): يكون عادة ( MOSFET أو IGBT) ويقوم بإدارة نقل الطاقة بين المدخل والمخرج، من خلال فصل المحث وتوصيله بالحمل بالتناوب.
- الصمام الثنائي (D): أثناء وقت إيقاف التشغيل، يسمح الصمام الثنائي فقط بتدفق التيار في اتجاه واحد في الدائرة - نحو المخرج. عندما يكون المفتاح مفتوحًا، فإنه يمنع التيار من العودة إلى جانب الإدخال. يضمن تدفق التيار في الاتجاه الصحيح إلى الإخراج.
- مكثف الإخراج (C): مكثف الإخراج مسؤول عن تثبيت الجهد عبر الحمل وتنعيم جهد الإخراج. يضمن جهد إخراج ثابت للحمل ويصفي تموجات الجهد عالية التردد.
- مقاومة الحمل (R): ترمز مقاومة الحمل (R) إلى الحمل الكهربائي المرتبط والمُزوَّد بالطاقة بواسطة محول التعزيز. يجب بناء المحول لإعطاء هذا الحمل الجهد والتيار اللازمين.
طريقة عمل رافع الجهد
- عندما يتم تشغيل المفتاح (عادةً ما يكون ترانزستورًا) في الدائرة، يتدفق التيار من مصدر الطاقة الداخلة عبر المحث. ومع مرور التيار، يخزن المحث الطاقة في شكل مجال مغناطيسي. وخلال هذه المرحلة، يكون الجهد عبر الحمل منخفضًا أو صفرًا لأن الدائرة توجه الطاقة إلى المحث.
- عند إيقاف تشغيل المفتاح، تنهار الطاقة المغناطيسية المخزنة في المحث، مما يؤدي إلى توليد جهد يضاف إلى جهد الدخل. يمر هذا الجهد الأعلى عبر الصمام الثنائي إلى الخرج، حيث يشحن المكثف ويزود الحمل. ثم يساعد المكثف في تنعيم جهد الخرج لضمان استقراره.
- يتم التحكم في المفتاح بواسطة حلقة تغذية راجعة تعمل على ضبط دورة التشغيل/الإيقاف للمفتاح بناءً على جهد الخرج. والهدف هو الحفاظ على جهد خرج ثابت، حتى مع تغير جهد الدخل أو ظروف الحمل.
يمكن تلخيص التشغيل الأساسي لرافع الجهد على الشكل التالي:
- أثناء فترة التشغيل، يخزن المحث الطاقة من مصدر جهد الدخل بينما يمنع الصمام الثنائي تدفق التيار إلى الحمل.
- عند إيقاف تشغيل المفتاح، يطلق المحث طاقته المخزنة عبر الصمام الثنائي، مما يمنح الحمل جهدًا أعلى من جهد الدخل. بينما يعمل مكثف الخرج على تنعيم جهد الخرج، مما يوفر إمدادًا مستقرًا للحمل.
مخطط دائرة رافع الجهد
في رافع الجهد، تُستخدم الطاقة المغناطيسية للمحث لنقل الطاقة من مصدر تيار مستمر بجهد أقل إلى جهد أعلى. بتشغيل المفتاح S، يتم توصيل المحث بمصدر الطاقة المستمر E. انظر إلى الشكل 1.
(الشكل 1)
يتم تحيز الصمام الثنائي D عكسيًا بواسطة الجهد عند الحمل المزود بالطاقة من المكثف. تحت تأثير الجهد E، يزداد تيار المحث خطيًا من قيمته الدنيا إلى قيمته القصوى. انظر إلى الشكل 2.
(الشكل 2)
هنا تنتهي فترة التشغيل وتبدأ فترة الإيقاف، حيث يتدفق تيار المحث عبر الصمام الثنائي إلى الحمل وينقل الطاقة من مصدر التيار المستمر والمحث إلى الحمل. انظر إلى الشكل 3
(الشكل 3)
يتغير اتجاه الجهد عبر المحث ويصبح مساويًا للفرق بين الجهد على الحمل وجهد مصدر التيار المستمر. وتحت تأثير هذا الجهد، ينخفض تيار المحث من قيمته القصوى إلى قيمته الدنيا. انظر الشكل 2. وفي الحالة المستقرة، تكون قيمة الجهد المتوسطة على المحث مساوية للصفر:
من المعادلة السابقة، يمكن ملاحظة أن الجهد عند الحمل سيكون مساويًا لجهد مصدر التيار المستمر إذا كان d = 0
أوضاع التوصيل المستمر والمتقطع :
هناك وضعين أساسين لتوصيل رافع الجهد: وضع التوصيل المستمر (CCM) ووضع التوصيل المتقطع (DCM). يختلف كلا الوضعين في سلوك تيار المحث، مما يؤثر على أداء المحول وكفاءته ومعايير التصميم.
وضع التوصيل المستمر (CCM):
في وضع التوصيل المستمر، يظل تيار المحث موجبًا ولا يصل أبدًا إلى الصفر طوال دورة التبديل. أثناء مرحلة التشغيل، ينمو تيار المحث ويخزن الطاقة في مجاله المغناطيسي. ثم ينخفض هذا التيار أثناء نقله للطاقة المخزنة إلى المخرج عند إيقاف تشغيل المفتاح. يكون شكل الموجة الحالية في وضع التوصيل المستمر على شكل مثلث، ويكون تيار الحمل مساويًا للقيمة المتوسطة للتيار.
من خلال تشغيل وضع التوصيل المستمر يتم إنتاج تيارات ذروة وتموج أقل مما يعزز الكفاءة ويقلل من الضغط على أجزاء رافع الجهد. ولكن الحفاظ على تدفق التيار المستمر، يتطلب استخدام محول أكبر مما يرفع من التكلفة.
وضع التوصيل المتقطع (DCM):
في وضع التوصيل المتقطع، ينخفض تيار المحث إلى الصفر أثناء جزء من دورة التبديل مما يدل على أن نقل الطاقة إلى الخرج قد انتهى قبل بدء فترة التشغيل التالية. هناك فترة فاصلة للتيار الصفري بين إيقاف التشغيل وفترات التشغيل اللاحقة، مما يعطي شكل موجة تيار المحث في وضع التوصيل المتقطع شكلًا شبه منحرف.
وعلى النقيض من وضع التوصيل المتقطع، فإنه يؤدي إلى تيارات ذروة أكبر، وتموج متزايد لجهد الخرج، وكفاءة أقل فيتم استخدامه وضع التوصيل المتقطع بشكل أكبر في التطبيقات ذات الأحمال الخفيفة.
مزايا رافع الجهد:
الكفاءة العالية:
يمكن أن يكون رافع الجهد عالي الكفاءة بنسبة 80% أو أعلى بسبب طبيعته التبديلية التي تقلل من فقدان الطاقة مقارنة بالمنظمات الخطية.
الحجم الصغير:
نظرًا لأن رافع الجهد يعتمد على تخزين الطاقة في مكونات صغيرة (محاثات ومكثفات)، فهي غالبًا ما تكون أكثر دقة وإحكامًا من طرق رفع الجهد الأخرى مثل المحولات. ويكون من السهل دمجها في الأجهزة الإلكترونية المدمجة.
الفاعلية من حيث التكلفة:
يُعد رافع الجهد أرخص وأكثر كفاءة بشكل عام من خيارات رفع الجهد الأخرى مثل المحولات أو البطاريات المتعددة، مما يجعلها شائعة في الأجهزة الإلكترونية المحمولة.
تيار الإدخال المستمر:
يوفر رافع الجهد تيارًا مستمرًا عند الإدخال، وهو ما قد يكون مفيدًا في التطبيقات التي تتطلب تدفقًا سلسًا للطاقة، مثل الأنظمة التي تعمل بالبطارية.
عيوب رافع الجهد :
إجهاد المكونات:
تتعرض المكونات في رافع الجهد لتيارات عالية الجهد باستمرار مما قد يؤدي إلى زيادة الضغط أو يتطلب مكونات أكثر تكلفة يمكنها التعامل مع التيارات المرتفعة.
تموج الإخراج :
يمتلك تيار الخرج شكل موجة نبضي والذي يمكن أن يسبب تموج عند حدوث عملية التبديل وقد يتطلب هذا مكونات ترشيح إضافية لتنعيم الإخراج.
التحكم المعقد :
يتطلب الحفاظ على جهد خرج مستقر تحكمًا دقيقًا من خلال حلقات التغذية الراجعة (غالبًا عبر تعديل عرض النبضة)، مما يضيف تعقيدًا إلى آلية التحكم.
التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) :
قد يؤدي التبديل عالي التردد لرافع الجهد إلى توليد تداخل كهرومغناطيسي، والذي قد يؤثر على الأجهزة الإلكترونية الحساسة القريبة أو يتطلب الحماية.
قيود جهد الإخراج :
يقوم رافع الجهد بزيادة جهد الإدخال، مما يعني أنها لا تستطيع توفير جهد إخراج أقل أو إنتاج جهد سلبي كما أنها لا تناسب التطبيقات التي تتطلب تحويل الجهد ثنائي الاتجاه.
تطبيقات رافع الجهد :
يتميز رافع الجهد بكونه متعدد الاستخدامات، حيث يتم استخدامه على نطاق واسع في مختلف التطبيقات بفضل قدرته على رفع مستويات الجهد بكفاءة. وفيما يلي بعض تطبيقات رافع الجهد الشائعة:
الالكترونيات الاستهلاكية :
يستخدم رافع الجهد في الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية والحواسيب المحمولة والشواحن لتوفير الجهد اللازم.
السيارات :
يُستخدم رافع الجهد في السيارات والمركبات الكهربائية لرفع جهد البطارية إلى المستويات المطلوبة للمحرك. ويستخدم كذلك في أنظمة الكبح المتجدد، حيث يقوم رافع الجهد بتحويل الطاقة المولدة أثناء الكبح إلى جهد أعلى للتخزين.
مصابيح إضاءة LED :
يستخدم رافع الجهد في مصابيح إضاءة LED بغرض توفير الجهد العالي المستقر المطلوب لتشغيل أنظمة الإضاءة.
أنظمة الطاقة الشمسية :
يستخدم رافع الجهد في أنظمة الطاقة الشمسية لزيادة خرج الطاقة عن طريق مطابقة جهد خرج اللوحة مع جهد الشحن الأمثل لمجموعة البطاريات.
في النهاية، قد يكون رافع الجهد جهازًا صغيراً لكنه مفيد للغاية للعديد من المشاريع. سواء كنت بحاجة إلى زيادة الجهد لشريط LED أو تشغيل مستشعر عالي الجهد أو شحن جهاز يعمل بالبطارية، فإن رافع الجهد هو الحل الأمثل. لذا إذا كان مشروعك التالي يحتاج إلى تعزيز الطاقة، فلا تتردد في الحصول على رافع الجهد المناسب من مجموعتنا الآن.