مقدمه عن دوائر Buck Converters النبضيه لخفض الجهد وتثبيته - ج 1 مصور

بسم الله الرحمن الرحيم 

مصدر الموضوع مدونه هندسه للالكترونيات

http://handsa4us.blogspot.com

نسخه فى كتاب الكترونى على هذا الرابط

http://handsa4us.blogspot.com/2015/0...onverters.html

جروب الفيس بوك والدعم المباشر هنا 

https://www.facebook.com/groups/handsa4us/

سنتحدث اليوم ان شاء الله عن تصميم دوائر Buck Converters والذى هو نوع من انواع smps الغير معزوله Non-Isolated

، كثيره هى تلك العائله

هذا التصميم يقوم بخفض اى بنقل الجهد من قيمه مرتفعه الى قيمه اخرى اقل جهدا اى منخفضه ،

يعنى مثلا وفى مثالنا اليوم سنصمم دائره تعطى 5 فولت وبتيار قيمته 5 امبير وخلال حيز دخل متغير من 8 فولت وحتى 30 فولت هذا كمثال ،

· فى البدايه فان السؤال الملح والذى يفرض نفسه على الموقف الان هو لماذا نحتاج دوائر smps لتأديه هذا الغرض ولدينا من الدوائر الخطيه الكثير الذى يمكنه ان يؤدى هذا الغرض بسهوله ويسر ، 

· اقول لك يا صديقى لقد اخطأت فان كانت تلك الدوائر الخطيه تصمم بكل سهوله ويسر فانها ليست بالكفائه المطلوبه خصوصا عندما نتحدث عن جهود مرتفعه فى قيم دخلها ومنخفضه 

فى قيم خرجها فسنحتاج هنا الى تبديد قدره كبيره جداً فالقدره المبدده تحسب هكذا مثلا ..

و على سبيل المثال لو اردنا عمل دائره لاخراج 5 فولت من جهد دخل 30 فولت 3 امبير مثلاً فاننا و هنا سينتهى بنا المطاف عند قدره مقدارها 

775 وات من الحراره الناتجه والتى سنحتاج الى تبديدها

وهذا سيسبب تلف المنظم على الارجح واحتراقه ،

بالطبع هناك بعض الحيل التى يمكن ان نتحايل بها 

على مثل هذه المواقف لكن فى النهايه و عندما 

نتحدث عن المشاريع ذات القدرات العاليه والتكلفه 

الاقل سنجد انفسنا على وعد دائماً مع ما يسمى 

باسم smps وقد سبق ان قمت بشرح طرق 

تصميماتها المختلفه فى عده مواضيع متصله ومتتاليه 

تجدونها 

على هذا الرابط

دعونا نبدا الشرح اليوم بافتراض مصدر للدخل مقداره 10 فولت 

ثم نضع معه مفتاح على التوالى هذا المفتاح من الممكن ان يكون مستقبلاً ترانسيستور bjt او ترانسيستور Mosfet او حتى 

سويتش ميكانيكى وشخص ما يقوم بتبادل عمليه 

الضغط عليه باستمرار على سبيل التسليه والمرح مثلاً ،

لو قمنا بالتسليه السابق الحديث عنها وصممنا ما سبق مع مفتاح ميكانيكى ثم تبادلنا عمليات الوصل والفصل الميكانيكه على المفتاح 

بانتظام وعلى فترات متساويه مثلاً فسينتح عندنا موجه مربعه وحسب زمن الضغط وعدد الضغطات كالتالى ،،، 

سبق وان قلت ان البديل الاليكترونى لعمليه الوصل والفصل الميكانيكيه تلك يعرف علمياً باسم التردد وهو عدد الذبذبات الكامله 

فى الثانيه الواحده والجديد هنا فى الموجه المربعه 

هو اضافه جزئيه اخرى الى عدد الذبذبات الكامله فى الثانيه الواحده 

تعرف تلك الجزئيه باسم الـ duty cycle

ولو افتراضنا اننا قمنا ومع تبادل عمليات الضغط على السويتش 

بتوليد تردد ما وجعلنا الـ duty cycle بقيمه 50% 

(تساوى عمليات الوصل و الفصل في الزمن )

وبفرض قيمه الجهد كما سبق وان قلنا 10 فولت تيار مستمر 

فان مع الموجه المربعه هذا معناه 10 فولت نصف الوقت 

و صفر فولت النصف الاخر ،

ولو قمنا باضافه low-pass filter (ملف ومكثف) مع الدائره السابقه 

و كما بالشكل التالى ،

فان ما سيحدث هو ان الملف سيقاوم التغير المفاجىء في التيار 

والمكثف ايضا سيقاوم التغير المفاجىء في الجهد 

وبالتالى فان التاثير المشترك والناتج عن تلك التوليفه 

هو متوسط خرج مقداره 5 فولت ثابتين نسبياً 

هذا رائع ولكن الحقيقه لو قمنا بعمل ذلك عمليا فان الصدمه ستكون موجعه ومفاجئه وسنرى ما لايحمد عقباه كما بالصوره التاليه :- 

لماذا حدث ذلك مع الدائره لماذا احترق المفتاح ؟

نتخيل معاً الدائره فى الوضع الاول وهى مغلقه

التيار سيمر وسيسلك مساره المعتاد خلال الملف دا شىء طبيعى 

ولا جديد به ولكن وعند فتح مفتاح الدائره ولأن التيار فى الملف 

لن ولا يمكنه اساساً ان ينتهى وفوراً لحظه فتح المفتاح 

وهذا يعنى ان التيار لايزال يمر داخل الملف. . اذا ما نظرنا هناك 

وفى هذا الجانب من الملف والذى هو بجوار طرف المفتاح 

سنجد انه اصبح غير متصل بأى شىء ، و هنا ستوجد كتله كبيره 

من الالكترونات كما بالصوره التاليه ،

وهذا سيسبب جهد عكسى كبير قد يصل الى بضع مئات وربما الاف الفولتات وهى شحنه كافيه لان تتلف المفتاح الذى يمكن ان يتم توصيله فى هذه المنطقه وهذا ما حدث بالفعل ،

هذا ليس بأمر جديد علينا فقد قابلتنا مثل تلك الشحنات من قبل فى دوائر الترانسيستور والريلاى من منا لا يتذكر تلك الصوره 

اتضح وبعد مراجعه دوائر الترانسيستور ان هناك صداقه قديمه بيننا 

و بين تلك المشكله ، نجد ايضاً ان الحل لذلك هو اضافه موحد للدائره وباضافه هذا الموحد فان التيار يمكنه الان ان يمر بسلام ولن 

يضرنا فتح وغلق السويتش كيفما نشاء ووقتما نشاء 

وسيسلك التيار هذا المسار المحدد بالشكل التالى :-

والان اصبحنا وجهاً لوجه امام الدائره الرئيسيه والكلاسيكيه 

للـ Buck Converters وهى باختصار كالتالى :- 

ويمكننا استخدام ذلك النموذج لنقل الجهد من منطقه مرتفعه 

الى اخرى منخفضه وبطريقه اكثر كفائه بكثير عن المنظمات الخطيه .

وعموما فان العلاقه الرياضيه بين جهد الخرج وجهد الدخل 

تكون كالتالى و بكل هذه البساطه 

هذه العلاقه ليس بها غير مجهول واحد فقط وهو قيمه الـ duty cycle 

فنحن نعلم مسبقاً قيمه جهد الخرج وقيمه جهد الدخل 

وبالتالى و المفترض ان هذه العلاقه ستخبرنا وبكل دقه 

بالقيمه المطلوبه للـ duty cycle لتحقيق الجهد المرغوب.

(اذن نلاحظ ان العلاقه بين فولت الخرج ودخله تتوقف 

على قيمه duty cycle فقط –هذا كلام سنحتاجه لاحقاً- )

كلام جميل الان سنبدل السويتش بترانسيتور وسنبدل عمليات الوصل والفصل الميكانيكيه تلك بمولد نبضات pwm 

مرحبا بك عزيزى القارىء امام منحنى جديد من الـ Buck Converter 

اكثر واقعيه وقرباً من التصميم الفعلى .

مولد النبضات هذا وفى هذا التصميم الكلاسيكى من الممكن ان يكون 

اى ic متاح - سامع حد بيقولى (حتى لو كان المؤقت البسيط 555 ) اجيبه نعم حتى لو كان التايمر المحبوب 555 بل ومن الممكن ربط هذه الدائره مع محولات خطيه كالتالى 

ننتقل الى الصوره الاتيه فهى مهمه ونركز فيها قليلاً 

لا فرق بينها وبين سابقتها الا اننا اضفنا بعض المفاهيم المهمه 

التى سنحتاجها عند عمليه التصميم وان كانت تلك الصوره 

تسبق الاحداث الا اننى عرضتها لغرض ما وهو اننى قلت سابقاً 

وداخل هذا الموضوع ان العلاقه بين جهد الخرج والدخل تتوقف وفقط 

على قيمه duty cycle لكن الحقيقه غير ذلك 

الكلام ده نظرى بحت .. اينعم صحيح ولكن غير واقعى ، 

فجميع عناصر الدائره ليست مثاليه والتيار لن يبقى 

دائماً عند القيمه المطلوبه ، هناك فقد فى الموسفت وايضاً 

فى الموحد وايضاً فى الملف و حتى فى اسلاك التوصيل نفسها 

ليس هذا فحسب بل ان الخطوره ايضاً تزيد بزياده سحب التيار 

من الدائره فكلما حدث ذلك ستزيد قيمه المفاقيد اى كلما زاد 

سحب التيار سيزيد ذلك من فقد الجهد ، ان ما نريده الان هو نظام 

يقوم دائماً بمراقبه جهد الخرج ويقوم بضبط عرض النبضه وفقاً لذلك ، نظام يمكنه ان يستشعر الخرج ويحس به فعند زياده سحب التيار 

مما يعنى احتماليه حدوث هبوط فى الجهد هنا يزيد هذا النظام 

من عرض النبضه فيعود الجهد الى مستواه الطبيعى كما نرى ،

ولو وصل جهد الخرج لقيمه كبيره مما يعنى تيار اقل يقلل هذا النظام من عرض النبضه فنعود ايضاً الى المستوى الطبيعى والمطلوب 

اذن سيكون لدينا خرج ثابت على طول خط العمل وهذا هو المطلوب. 

طبعاً كل هذا من المفترض ان يحدث فى اجزاء من الثانيه وهذا 

يعنى ضروره وجود حلقه مغلقه تتابع وتراقب ذلك باستمرار وهو 

ما يأخذنا راسنا لدوائر التغذيه العكسيه وقد قمت بشرحها من قبل 

فى موضوع تصميم دوائر الباور النبضيه جزء2 على هذا الرابط ، 

القصه هنا اكثر بساطه من دوائر الباور النبضيه المعزوله 

فهنا سنستخدم مقسم للجهد على الخرج ثم نأخذ منه طرف الى

مدخل الفيد باك الموجود داخل اى سى الكنترول 

بكل سهوله ويسر،

- مولدات الموجه المربعه الكلاسيكيه لن تصلح معنا الان وسنحتاج الى ايسيهات تستطيع ان تتحكم بعرض النبضه اتوماتيكيا تستطيع ان 

تغير فيها وفق شروط العمل عموما اليوم ساعرض تصميم سهل 

يوضح الفكره فقط والمره القادمه سنرى تصميم من افكارنا الخاصه 

من البدايه و حتى النهايه و بالارقام والحسابات وباستخدام خامات محليه متوفره بكثره فموضوع اليوم 

هو دردشه اليكترونيه حول هذا التصميم اما التصميم الفعلى 

سيكون موضوعنا القادم ان شاء الله 

ننتقل الان وبعد هذه الدردشه الى تصميم الدائره المطلوبه

5 فولت خرج حيز دخل من 8 وحتى 28 فولت تيار 

يصل الى 5 امبير كحد اقصى ولفتره عمل طويله 

الحقيقه الشركات المصنعه سهلت المواضيع كثيرا علينا 

واصبحت تنتج ايسيهات مدمج بداخلها الموسفت وتتعامل 

مع الفيد باك من خلال مراقبه جهد الخرج ولن نضيف لهذه الايسيهات

فى الدائره غير بعض العناصر البسيطه كملف وموحد ومكثفات فقط

لا غير نشوف كدا دئره من مثل تلك الدوائر

هذا العنصر LM2678 الحقيقه روعه تصل الكفائه الى 92% نستطيع

تغير خرجه الى قيم ثابته ومنتظمه من 1.2 فولت وحتى 37 فولت 

يتعامل مع جهد دخل من 8 وحتى 40 فولت تردد ثابت 

مقداره 260 كيلو هيرتز وان كنا نحتاج الى تغير فولت الخرج فيمكننا استخدام هذه التصميم وقد تم اضافه مقسم للجهد على الخرج كما نرى 

يتم اختيار قيمه جهد الخرج المرغوبه من خلال العلاقه الاتيه 

هذا كمثال حتى نفهم مبدا عل تلك الدوائر تعالوا نرى العناصر ونفهم اهميتها 

- نجد على الدخل مكثف كيماوى ذو سعه كبيره على التوازى 

مع مكثف اخر 10مايكرو يفضل ان يكون Ceramic capacitor 

وطبعا دا لمساعده lm2678 على ان تسطيع بسهوله

الحصول على التيار من الدخل وذلك عند السرعات العاليه من التردد 

وذلك بمنع المحثات الطفيليه والخاصه باسلاك التوصيل وهذا

يساعد فى عمل الدائره باستقرار .

- الموحد يجب ان يكون شوتكى دايود schottky diode لسرعته الكبيره وايضا لجهد انحيازه الامامى الصغير وهذا ما سيقلل من الحراره الناتجه وطبعا دا شىء مهم فى دوائر كتلك تتعامل مع تيارات عاليه

- مكثف ال bootstrap مهم جدا لمساعده الترانسيستور الداخلى على العمل ويفضل ان تكون قيمته بين 10 الى 100 نانو فاراد وبجهد 50 فولت على الاقل وبفضل ان يكون Ceramic capacitor وقد سبق وشرحت ذلك 

على هذا الرابط

- مكثفات الخرج اثنان على التوازى بغرض تنعيم التيار واعطائنا جهد ثابت القيمه ذو جوده عاليه نسبياً احدهم كيماوى والاخر Ceramic capacitor

مقاومات تقسيم الجهد هى لضبط التغذيه العكسيه وتحديد قيمه جهد الخرج من العلاقه السابق الاشاره لها.

يتبع ان شاء الله >>>>

نرجوا من الله لنا ولكم التوفيق،،

ايهاب محمد عبد الفتاح 

10-8-2015