دارات Buck وBoost: فهم آلية خفض ورفع الجهد

نوفمبر 8, 2019·
خالد حميدي
خالد حميدي
· 2 دقيقة قراءة
دارات Buck وBoost: فهم آلية خفض ورفع الجهد

مقدمة

تعد دارات تحويل الجهد DC-DC Converters من أهم اللبنات الأساسية في الإلكترونيات الحديثة. سواء كنت تعمل على روبوت، لوحة تحكم، شاحن بطارية، أو أي مشروع كهربائي، ستحتاج غالبا إلى خفض الجهد (Buck) أو رفعه (Boost).

في هذا المقال نستعرض دارتين أساسيتين تستخدمان في جميع أنظمة القدرة تقريبا، مع شرح آلية العمل وقوانين التصميم ونتائج عملية من المحاكاة.

أولا: خافضة للجهد

محاكاة دارة Buck

فكرة عمل دارة Buck

تقوم دارة Buck بخفض جهد الدخل إلى جهد خرج أصغر، . العناصر الأساسية هي:

  • مفتاح إلكتروني S1
  • ملف L
  • ديود D1
  • مكثف C2
  • مقاومة حمل R1

آلية العمل

1. عندما يكون S1 في حالة ON

  • يصل جهد الدخل مباشرة إلى الملف.
  • يتزايد تيار الملف حسب العلاقة: vL=Ldidtv_L = L \frac{di}{dt}
  • يتم تخزين الطاقة في مجال مغناطيسي داخل الملف.

2. عندما يكون S1 في حالة OFF

  • ينخفض الجهد فجأة على الملف.
  • يحافظ الملف على استمرارية التيار عبر الديود D1.
  • يتم تفريغ الطاقة في الحمل والمكثف.

النتيجة: يكون جهد الخرج أقل من جهد الدخل.

العلاقة الرياضية الأساسية

جهد الخرج يتحدد بالعلاقة:

Vout=D⋅Vin V_{out} = D \cdot V_{in}

حيث D = Duty Cycle = نسبة الزمن الذي يكون فيه المفتاح ON.

مثال: عند D = 0.4 وجهد دخل 12V، نحصل على

Vout=0.4×12=4.8  V V_{out} = 0.4 \times 12 = 4.8\; \text{V}

تحليل شكل الموجة

المنحنى يظهر السلوك الطبيعي لدارات LC:

  • ذبذبات ابتدائية (Transient Response)
  • تواتر تيار الملف أثناء ON/OFF
  • استقرار الجهد مع الزمن

ثانيا: رافعة للجهد

محاكاة دارة Boost

فكرة عمل دارة Boost

تقوم دارة Boost برفع الجهد من قيمة منخفضة إلى قيمة أعلى. العناصر الأساسية هي:

  • مفتاح S2
  • ملف L1
  • ديود D1
  • مكثف خرج C2
  • مقاومة حمل R1

آلية العمل

1. عندما يكون S2 في وضع ON

  • يتصل الملف بجهد الدخل فقط.
  • يتزايد تيار الملف ويخزن المجال المغناطيسي.

2. عندما يكون S2 في وضع OFF

  • يحاول الملف الحفاظ على التيار.
  • يرتفع الجهد بسرعة عبر الديود.
  • يتم شحن المكثف بجهد أعلى من Vin.

العلاقة الرياضية الأساسية

جهد الخرج يتبع العلاقة:

Vout=Vin1−D V_{out} = \frac{V_{in}}{1-D}

عند D = 0.2 وجهد دخل 12V، نحسب

Vout=121−0.2=15  V V_{out} = \frac{12}{1-0.2} = 15\; \text{V}

وهو قريب جدا من القيمة المقاسة: 15.478V.

تحليل شكل الموجة

المنحنى يظهر:

  • زيادة تدريجية في الجهد
  • استقرار الخرج عند ~15.4V
  • استجابة زمنية تعتمد على قيم L وC

مقارنة

الدارةالوظيفةالعلاقة الأساسية
Buckتخفيض الجهدVout=D⋅VinV_{out} = D \cdot V_{in}
Boostرفع الجهدVout=Vin1−DV_{out} = \frac{V_{in}}{1-D}

خلاصة

دارتا Buck و Boost هما أساس محولات الجهد في الإلكترونيات الحديثة. فهمهما ضروري لأي مهندس يعمل في مجالات مثل:

  • الروبوتات
  • أنظمة الطاقة الشمسية
  • شواحن البطاريات
  • وحدات التحكم الدقيقة
  • الأنظمة المحمولة

برنامج Multisim يسمح بمحاكاة هذه الدارات والتأكد من القيم الصحيحة قبل تنفيذها عمليا.

إلكترونيات تعليم
خالد حميدي
Authors
خالد حميدي
مهندس ميكاترونكس | متخصص في هندسة علم الفضاء والطيران | مطور أنظمة
مُبدع في هندسة الميكاترونيك والفضاء، يحوّل التعقيد إلى شيفرة نابضة بالحياة، ويبتكر آلات ذكية تمحو الحدود بين الحلم والواقع، لتجعل نبض المستقبل يُسمَع اليوم.

ذات صلة

Sound
Click to unlock audio
اضغط لتفعيل الصوت