ما هي حاسبة محول الخفض (Buck Converter)؟
محول الخفض هو منظّم تيار مستمر/مستمر يعمل بالتبديل (Switching)، ووظيفته خفض جهد دخل مرتفع إلى جهد خرج أقل ومنظَّم بكفاءة عالية. تحسب هذه الأداة جهد الخرج في الحالة المستقرة انطلاقًا من جهد الدخل ودورة تشغيل التبديل، كما تساعدك على تحديد حجم الملف (Inductor) المناسب لتيار تموّج معيّن. تنطبق المعادلات على محول يعمل في وضع التوصيل المستمر (CCM).
كيفية الاستخدام
أدخل جهد الدخل (Vin)، ودورة تشغيل المفتاح (D) كنسبة مئوية، وتردد التبديل بالكيلوهرتز، وتيار الحِمل عند الخرج، وقيمة تموّج تيار الملف المستهدفة كنسبة من تيار الخرج (تُعدّ نسبة 30% نقطة بداية شائعة). تُرجِع الحاسبة جهد الخرج المنظَّم، وتموّج تيار الملف بالأمبير، وقيمة المحاثة الموصى بها بالميكروهنري.
شرح المعادلة
في محول خفض مثالي يعمل في وضع CCM، تكون نسبة التحويل ببساطة Vout = Vin × D، حيث D هي الجزء من كل دورة تبديل الذي يكون فيه المفتاح العلوي في حالة تشغيل. تُستنتج قيمة الملف من توازن الفولت–ثانية: L = (Vin − Vout) · D / (f · ΔI_L)، حيث f هو تردد التبديل بالهرتز، وΔI_L هو تموّج تيار الملف المرغوب من القمة إلى القمة.
مثال محلول
لخفض 12 فولت بدورة تشغيل D = 42% (0.42): Vout = 12 × 0.42 = 5.04 فولت. ومع تيار خرج Iout = 2 أمبير وتموّج 30%، يكون ΔI_L = 0.6 أمبير. وعند تردد f = 100 كيلوهرتز: L = (12 − 5.04) × 0.42 / (100000 × 0.6) = 2.9232 / 60000 ≈ 48.72 ميكروهنري.
المصطلحات الأساسية والمتغيرات
محول باك هو دارة التبديل بنمط DC-DC التي تخفض جهد الدخل الأعلى إلى جهد خرج منخفض منظم. تظهر المتغيرات أدناه في المعادلات المحددة للمحول.
- جهد الدخل (Vin)
- الجهد المستمر غير المنظم المزود للمحول، بالفولت (V). يجب أن يكون دائماً أعلى من الجهد الناتج المطلوب لتعمل طوبولوجيا باك.
- جهد الخرج (Vout)
- الجهد المستمر المنظم الموصول للحمل، بالفولت (V). في محول باك مثالي بموصلية مستمرة \(V_{out} = V_{in} \times D\).
- نسبة التشغيل (D)
- جزء كل فترة تبديل يكون فيها المفتاح العالي في حالة تشغيل، معبر عنه كنسبة (0–1) أو نسبة مئوية (0–100%). يحدد مباشرة نسبة التحويل: \(D = V_{out}/V_{in}\).
- تردد التبديل (f)
- معدل تشغيل وإيقاف المفتاح الرئيسي، بالهرتز (Hz) — عادة ما يُعبر عنه بـ كيلوهرتز (kHz). تردد أعلى \(f\) يسمح بمحاثات ومكثفات أصغر لكنه يزيد من خسائر التبديل.
- تموج تيار الملف ((\(\Delta I_L\))
- التباين من ذروة إلى ذروة للتيار في الملف على مدار دورة تبديل واحدة، بالأمبير (A). عادة ما يُحدد كنسبة مئوية من تيار الخرج (الحمل).
- نمط التوصيل المستمر (CCM)
- نمط تشغيل يكون فيه تيار الملف غير ساقط أبداً إلى الصفر أثناء دورة التبديل. العلاقة البسيطة \(V_{out}=V_{in}\,D\) تنطبق في CCM؛ عند الأحمال الخفيفة قد يدخل المحول إلى نمط التوصيل غير المستمر (DCM)، حيث تعتمد النسبة أيضاً على الحمل.
- المحاثة (L)
- قيمة ملف الطاقة، بالهنري (H) — عادة ما يُعبر عنها بالميكروهنري (µH). يحدد تموج التيار لجهد دخل/خرج وتردد محددة: \(L = \dfrac{(V_{in}-V_{out})\,D}{f \cdot \Delta I_L}\).
الأسئلة الشائعة
هل يكون الخرج دائمًا Vin × D؟ تصحّ هذه العلاقة المثالية في وضع التوصيل المستمر، وهي تتجاهل هبوط الجهد في المفتاح والدايود والفواقد المقاومة، التي تخفض الخرج الفعلي قليلًا.
ما قيمة تيار التموّج التي ينبغي اختيارها؟ عادةً ما تتراوح بين 20% و40% من أقصى تيار خرج؛ والتموّج الأقل يتطلب ملفًا أكبر.
هل يؤثر التردد على جهد الخرج؟ لا — يعتمد Vout على جهد الدخل ودورة التشغيل فقط. أما التردد فيؤثر على حجم الملف والمكثّف، وليس على الجهد المنظَّم.
