برق قدرت
مقاله مبدل های dc به dc
مبدل DC-DC یک مدار الکترونیکی یا وسیله الکترومکانیکی است که یک جریان مستقیم (DC) از یک منبع با یک سطح ولتاژ به سطح دیگر تبدیل میکند.
این مبدل درواقع یک نوع مبدل الکترونیک قدرت است. رنج توان از بسیار کم (باتریهای کوچک) تا توانهای بسیار بالا (انتقال توان ولتاژ بالا) متغیر است.
تاریخچه
قبل از توسعه نیمه‌هادی‌های قدرت و تکنولوژیهای وابسته، یک‌راه تبدیل ولتاژ از یک منبع DC به ولتاژ بالاتر برای کاربردهای توان پایین، تبدیل آن به AC توسط ویبراتور و سپس بالا بردن سطح آن توسط ترانس و استفاده از یک‌سوساز بود.
برای توانهای بالاتر یک موتور الکتریکی برای درایو کردن یک ژنراتور با ولتاژ موردنظر استفاده میشد. گاهی کل این مجموعه در یک بسته‌ی واحد “دینامومتر” قرار میگرفت به صورتی که یک سیمپیچ موتور را درایو میکرد و سیمپیچ دیگر ولتاژ خروجی را تولید میکرد.
این روشها بسیار ناکارآمد و پرهزینه بودند و فقط وقتی راه جایگزینی وجود نداشت مورداستفاده قرار میگرفتند مثلاً برای تیوبهای حرارتی (لامپ خلأ) که به ولتاژ بسیار بالاتر از ولتاژ باتری خودرو نیاز دارند.
ظهور نیمه‌هادی قدرت و مدارهای مجتمع (IC)، به‌کارگیری تکنیک‌هایی همچون تبدیل توان از منبع DC به توان AC با فرکانس بالا به‌واسطه ترانس کوچک و یک‌سوسازی مجدد برای تغییر ولتاژ را به‌طور اقتصادی امکان‌پذیر کرد.
با اینکه در سال ۱۹۷۶ رادیو خودروها دیگر نیازی به ولتاژ بالا نداشت همچنان یک سری از رادیوهای قدیمی برای کار کردن به ویبراتور و دینامومتر نیاز داشتند.
تبدیل ولتاژ بالا به ولتاژ پایینتر توسط الکترونیک خطی امکان‌پذیر بود، بااین‌حال این روشها بسیار ناکارآمد و همراه با تولید حرارت بالا بودند و امکان تبدل توان با بازده بالا با مدارات سوئیچینگ مبتنی بر نیمه‌هادی امکان‌پذیر شدند.
کاربردهای مبدل DC به DC
کانورترهای DC-DC در دستگاههای الکترونیک همراه مانند موبایل و لپ‌تاپ استفاده میشود مخصوصاً وقتی‌که قرار است انرژی خود را از باتری‌ها دریافت کنند.
این‌گونه دستگاههای الکترونیکی اصولاً شامل یک سری زیر-مدار هستند که هرکدام نیازمند سطح ولتاژ مخصوص خود است که با سطح ولتاژ باتری متفاوت است.
علاوه بر این، وقتی از باتری جریان کشیده میشود، پس از مدتی ولتاژش افت میکند. مبدل‌های سوئیچینگ این قابلیت را دارند که باوجود کاهش ولتاژ ورودی، ولتاژ خروجی خود را در سطح مطلوب و ثابت حفظ کنند و بنابراین، نیازی به استفاده از چند باتری با سطح ولتاژ یکسان نیست.
اکثر مبدل‌های DC-DC ولتاژ خروجی تنظیم‌شده‌ای دارند.
مبدل‌های DC به DC که برای افزایش استحصال انرژی از سیستمهای فتوولتائیک یا توربینهای بادی بکار میروند، بهینهساز توان یا پاور اپتیمایزر (power optimizer) نامیده میشوند.
ترانسهایی که برای تبدیل توان در فرکانس اصلی ۵۰-۶۰ هرتز بکار میروند باید سنگین و بزرگ باشند. به خاطر همین موضوع این ترانسها گرانقیمت و دارای تلفات بیشتری هستند. تکنیکهای DC به DC که در آنها از سلف یا ترانس استفاده‌شده، در فرکانسهای بسیار بالاتری کار میکنند و نیازمند قطعات سبکتر و کوچکتر هستند.
تبدیل الکترونیکی
مبدل‌های الکترونیکی رایج از تکنیکهای سوئیچینگ استفاده میکنند. مبدل‌های سوئیچینگ DC به DC توسط ذخیره‌سازی موقت انرژی ورودی و سپس آزادسازی انرژی به خروجی، یک سطح ولتاژ را به سطح دیگر تبدیل میکنند که ممکن است کمتر یا بیشتر از سطح ولتاژ اولیه باشد.
ذخیره کنندهی انرژی میتواند مبتنی بر میدان مغناطیسی باشد (مانند سلف و ترانس) یا الکتریکی باشد (خازن). این روش تبدیل میتواند سطح ولتاژ را افزایش یا کاهش دهد. تبدیل سوئیچینگ بسیار کارآمدتر از تبدیل توان خطی است بطوریکه بازده این تبدیل از ۷۰ تا ۹۸ درصد است.
برای مثال مبدل ۳۳۰ وات رایمون پارو که در فروشگاه قابل‌مشاهده است دارای بازده ۷۸ درصد است. برای بازده بالا، زمان صعود و نزول سریع قطعات نیمه‌هادی نیاز است بااین‌حال ترکیب این حالت گذرای سریع و اثرات پارازیتی، طراحی این‌گونه مدارها را چالش‌برانگیز میکند.
بازده بالاتر مبدل سوئیچینگ نیاز به هیت سینک بزرگتر را مرتفع ساخته و قابلیت تحمل باتری تجهیزات سیار را افزایش می‌دهد. بازده از دههی ۱۹۸۰ به دلیل استفاده از فتها افزایش یافت زیر این قطعات نسبت به ترانزیستورهای ۲قطبی امکان کلید زنی همراه با تلفات کمتر و با فرکانس بیشتر را فراهم میکنند و همچنین نیاز به مدارات درایو سادهتری دارند.
پیشرفت دیگر مبدل‌های DC به DC جایگزین کردن دیود هرز گرد با یک‌سوساز همگام توسط فتها است که مقاومت حالت روشن آنها بسیار پایین است و همین امر تلفات سوئیچینگ را کاهش می‌دهد. قبل از در دسترس قرار گرفتن نیمه‌هادی‌های قدرت، مبدل‌های DC به DC همگام دارای یک ویبراتور الکترومکانیکی همراه با یک ترانس افزاینده بودند که یک لامپ خلأ یا یک‌سوساز نیمه‌هادی را تغذیه میکرد.
اکثر مبدل‌های DC به DC طوری طراحی‌شده‌اند تا توان را در یک‌جهت از ورودی معلوم به خروجی مشخص تبدیل کنند. بااین‌حال اکثر رگولاتورهای سوئیچینگ میتوانند توسط جایگزین کردن دیودها با یک‌سوسازهای فعال کنترل شوندهی مستقل به‌صورت دوطرفه ساخته شوند.
یک مبدل دو طرفه کاربردهای خاص خود را دارد مثلاً در عملکرد احیای ترمز وسایل نقلیه که توان حین رانندگی به تایرها منتقل و حین ترمز گرفتن از چرخهای گرفته میشود.
باوجوداینکه مبدل‌های سوئیچینگ به تعداد قطعات محدودی نیاز دارند، ساختار پیچیدهای دارند. مانند همهی مدارات فرکانس بالا، قطعات این مبدلها باید با احتیاط انتخاب شوند تا عملکرد پایدار را به همراه داشته باشند و همچنین نویز ناشی از سوئیچینگ (EMI/RFI) را در سطح قابل‌قبول نگه‌دارند.
قیمت مبدل‌های سوئیچینگ در کاربردهایی که نیازمند کاهش ولتاژ ورودی است نسبت به رگولاتورهای خطی بیشتر است. ولی با پیشرفتهایی که در طراحی درون تراشه صورت میگیرد، قیمت آنها رو به کاهش است.
مبدل‌های DC به DC در قالب مدارهای مجتمع نیز قابل‌دسترس است که نیاز به چند قطعه اضافی دارد. همچنین ماژولهای هیبرید کامل نیز در بازار عرضه میگردد.
مبدل‌های DC به DC خطی برای اهداف کاهش سطح ورودی و همچنین مبدل‌های DC به DC ساده خازنی (و همچنین مدار دیکسون) که ولتاژ را دو برابر میکنند تاکنون ساخته‌شده‌اند ولی همگی برای توانهای خروجی پایین مورداستفاده قرار می‌گیرند.
از انواع دیگر این مبدل‌های میتوان به توپولوژیهای فوروارد، فلایبک، پوشپول، نیم پل و تمام پل اشاره کرد.
مبدل‌های مغناطیسی
در مبدل‌های DC به DC انرژی به‌طور تناوبی از یک میدان مغناطیسی در یک سلف یا ترانس ذخیره و آزاد میشود. توسط تغییر دیوتیسایکل، توان خروجی به‌راحتی کنترل میشود.
مبدلهایی که بر اساس ترانس ساخته میشود ایزولاسیون بین ورودی و خروجی را به همراه دارند.
هر توپولوژی مبدل DC به DC میتواند یکی از انواع زیر باشد:
-
سوئیچینگ سخت
-
رزونانسی: یک فیلتر LC ولتاژ و جریان روی ترانزیستور را حالت می‌دهد و ترانزیستور حین کلید زنی دارای جریان یا ولتاژ صفر است.
