الاختلافات بين المُنظِّمات الخطية ومُنظِّمات التحويل ومُنظِّمات السلسلة
1. المنظمات الخطية مقابل المنظمات التحويلية
يتطلب المنظم الخطي جهدًا دخل أعلى من الجهد الخرج. يتعامل مع الفرق بين الجهد الدخل والجهد الخرج المعروف باسم جهد الانخفاض عن طريق تغيير المعاوقة عنصر التنظيم الداخلي (مثل الترانزستور).
تخيل المنظم الخطي كخبير دقيق في "التحكم بالجهد". عندما يواجه جهدًا دخل زائد، فإنه يتصرف بحسم "بقطع" الجزء الذي يتجاوز المستوى المطلوب للجهد الخرج، مما يضمن أن يبقى الجهد الخرج ثابتًا. يتم تبدد الجهد الزائد الذي يتم "قصه" على شكل حرارة، مما يحافظ على استقرار الجهد الخرج.
من حيث تكوين الدائرة، يستخدم المنظم الخطي المتسلسل النموذجي مكبر خطأ ومصدر جهد مرجع وترانزستور عابر لتشكيل نظام تغذية راجعة مغلق يراقب ويصحح الجهد الخرج بشكل مستمر وفي الوقت الحقيقي.
تشمل المنظمات الخطية بشكل أساسي المنظمات ذات الثلاثة طرف والمنظمات LDO (Low Dropout). يستخدم الأولى هيكلًا تقليديًا يتطلب فرقًا نسبيًا كبيرًا بين الجهد الدخل والجهد الخرج (عادة ≥2 V)، مما يؤدي إلى كفاءة أقل، ومناسبة للتطبيقات ذات الطاقة المتوسطة إلى العالية. بينما يتم تحسين المنظمات LDO لتحقيق أدنى جهد انخفاض (حتى 0.1 V)، مما يجعلها مثالية للمواقف التي يكون فيها الجهد الدخل والجهد الخرج قريبين - مثل الأجهزة التي تعمل بالبطارية - رغم أن التصميم الحراري الدقيق مطلوب.
يوضح الشكل 1 مبادئ العمل للمنظمات الخطية والتحويلية.
من ناحية أخرى، تقوم المنظمات التحويلية بضبط توقيت التوصيل والإيقاف للتبديلات الكهربائية (مثل MOSFETs) لتعديل نسبة الدورة الزمنية للنقل الطاقي. ثم يتم تحويل الجهد الدخل إلى جهد خرج متوسط ثابت من خلال تخزين الطاقة وترشيحها بواسطة المكثفات والملفات.
خصائصها الأساسية هي التنظيم "بالطريقة القطعية": يتم قطع الجهد الدخل بتردد عالي، ويتم ضبط الطاقة المنقولة إلى الخرج عن طريق تعديل نسبة الدورة الزمنية للتبديل. هذا النهج يحقق كفاءة أعلى بكثير مقارنة بالمنظمات الخطية.
تشمل التوابع الشائعة للمنظمات التحويلية Buck (خفض الجهد) وBoost (رفع الجهد) وغيرها، والتي تدعم نطاقات جهد دخل واسعة وتجعلها مناسبة للتطبيقات ذات الطاقة العالية أو البيئات ذات التقلبات الكبيرة في الجهد الدخل.
يوفر الشكل 2 مقارنة بين المنظمات الخطية والتحويلية. يمكنك اختيار النوع المناسب بناءً على احتياجاتك الخاصة: اختر المنظم الخطي عندما تكون الأولوية للضوضاء المنخفضة وبساطة الدائرة؛ واختر المنظم التحويلي عندما تكون الحاجة لكفاءة عالية وتقديم طاقة عالية.
| الخصائص | المستقر الخطي | المستقر المُحَوِّل |
| الكفاءة | منخفضة (خسارة عالية عند فرق الجهد الكبير) | عالية (80%-95%) |
| متطلبات التبخير الحراري | مطلوب مبرد (يتم تبخير الحرارة مباشرة) | منخفضة (تُنتج الحرارة بشكل غير مباشر من خلال خسارة التحويل) |
| الضوضاء | إخراج نقي، لا يوجد رفرفة ذات تردد عالي | وجود ضوضاء التحويل، يتطلب تحسين المرشح |
| سيناريوهات التطبيق | مصدر طاقة ذو قوة منخفضة ودقة عالية (مثل الأجهزة الاستشعارية) | مصدر طاقة ذو قوة عالية ومدخل جهد واسع (مثل الوحدات الطاقية) |
2. معدّلات الجهد المتسلسلة
توضع معدّلة الجهد المتسلسلة بين مصدر الطاقة والحمل، وتقوم بدور "حارس تنظيم الجهد الدقيق". تعمل مبدأها على تعديل المقاومة المتغيرة بشكل ديناميكي استجابة للتغيرات في الجهد الداخل أو التيار الخارج، مما يحافظ على ثبات الجهد الخارج عند قيمة محددة مسبقًا.
في التقنية الإلكترونية الحديثة، تستخدم معدّلات الجهد المتسلسلة الدوائر المتكاملة أجهزة نشطة مثل MOSFETs أو الترانزستورات ثنائية القطب (BJTs) لتستبدل المقاومات المتغيرة التقليدية، مما يعزز بشكل كبير أداء وموثوقية المعدّلة.
تكوين دائرة معدّلة الجهد المتسلسلة دقيق ومنظم، ويتألف أساساً من الأجزاء الأساسية التالية:
● الترانزستور الخارجي: يتم توصيله بالتسلسل بين الدبابيس الداخل والخارج للمعدّلة، ويقوم بدور جسر يربط مصدر الطاقة العلوي بالحمل السفلي. عندما يحدث تذبذب في الجهد الداخل أو التيار الخارج، يقوم الإشارة من مضخم الخطأ بتوجيه الجهد البوابة (لـ MOSFETs) أو التيار القاعدة (لـ BJTs) لهذا الترانزستور بدقة.
● مصدر الجهد المرجعي: يعمل كمعيار ثابت لمضخم الخطأ، ويمثل دورًا حيويًا. يستند مضخم الخطأ إلى هذا المرجع الثابت لتنظيم البوابة أو القاعدة للترانزستور الخارجي بدقة، مما يضمن ثبات الجهد الخارج.
● مقاومات التغذية الراجعة: تقوم هذه المقاومات بتقسيم الجهد الخارج لإنتاج جهد راجع. يقارن مضخم الخطأ هذا الجهد الراجع مع الجهد المرجعي لتحقيق التنظيم الدقيق للخرج. يتم توصيل المقاومتين الرجعتين بالتسلسل بين دبوس VOUT و GND، ويتم تغذية الجهد عند نقطة الوسط إلي مضخم الخطأ.
● مضخم الخطأ: يعمل كـ "الدماغ الذكي" لمعدّلة الجهد المتسلسلة، حيث يقوم مضخم الخطأ بمقارنة دقيقة بين الجهد الراجع (أي الجهد عند نقطة الوسط للمقاومات الرجعتين) والجهد المرجعي. إذا كان الجهد الراجع أقل من الجهد المرجعي، يزيد مضخم الخطأ من قوة الدفع إلى MOSFET، مما يقلل من الجهد البوابة-المصدر وبالتالي يرفع الجهد الخارج. وعلى العكس، إذا كان الجهد الراجع أعلى من الجهد المرجعي، يقلل مضخم الخطأ من قوة الدفع إلى MOSFET، مما يزيد من الجهد البوابة-المصدر ويقلل الجهد الخارج وفقًا لذلك.
في هذا المقال، استكشفنا بشكل أعمق مبادئ العمل والأدوار وتكونات الدوائر لمجموعة من معدّلات الجهد. في الجزء التالي، سنشرح آلية التنظيم الديناميكي لمعدّلات الجهد الخطية ونوضح الفروق بين معدّلات الجهد الثلاثية الأطراف ومعدّلات الجهد ذات الانخفاض المنخفض (LDO).
