أساسيات تبديل التردد في الإلكترونيات الكهربائية

ويحدّد التردد المتناوب المعدل الذي يسمح فيه جهاز نصف موصل كهربائي، مثل جهاز MSFET أو IGBT، والتحولات بين دوله على نحو متقطع أو خارجه في جهاز تحويل أو إمداد بالطاقة، ويسمح هذا البارامتر، المعبر عنه في كيلوغرامات أو ميغارتس (MHz)، بأن يؤثر مباشرة على حجم المكونات السلبية - الموصلات، والمحولات، والأجهزة التحميلية -

وتخلق عملية التحول طليعة وموجة حالية مع ارتفاع معدلات التغير (DV/dt و dI/dt)، التي تُحدث آثاراً وخطابات طفيلية في الدائرة، وتنتج هذه العناصر الطفيلية كمحيطات غير مقصودة، وتشع أو تصدر ضوضاء على الترددات المتصلة بتردد التبديل وأجهزة التأقلم.

وكثيرا ما تستخدم محولات الطاقة الحديثة أسلوباً في تغيير النبضات، مع تردد ثابت، ولكن توجد أيضاً مخططات تردد متغير، وكل نهج يُفضي إلى التسمية، لأن طيف الضوضاء محدد تعريفاً جيداً، في حين أن تقنيات التردد المتغير يمكن أن تنشر الضوضاء على نطاق أوسع، وتخفض انبعاثات الذروة في أي تردد واحد، ويجلب كل نهج المبادلات بين عنصر الكفاءة والإجهاد والأداء البيئي.

كيف يُغير التردد يُظهرُ النبضاتِ EMI

أما الانبعاثات الكهرومغناطيسية من محول محول، فتتألف من مكونات مختلفة ومتوسطة، ويمكن أن تؤدي إلى تدفقات ضوضاء مختلفة بين خطوط الإمداد، وتنجم أساسا عن التيار المتطور من خلال مرشّح الإنتاج ومزود بالمدخلات، ومع زيادة الترددات المبدلة، فإن حجم الترددات المتناهية في حالة حدوث انخفاضات في معدلات الانبعاثات، ومع ذلك يمكن أن يخفض معدل الانبعاثات الناجمة عن الديمومة في حالة حدوث تغيرات.

وتنشأ الضوضاء الشائعة من الانقلابات الطفيلية بين العداد المتحول والأرض، وغالبا ما تكون من خلال القدرة على التقلب أو التوحيد بين المحولات، وفي ارتفاع ترددات التحويل، ينخفض نقص هذه المركبات الطفيلية، مما يتيح تدفق المزيد من الترددات إلى المسار الأرضي.

ويمكن ملاحظة مظاهرة عملية لهذه الظاهرة بمقارنة إمدادات 100 كيلوهرتز بتصميم ميغاهيرتز، وسيظهر الإمداد بـ 100 كيلوهرتز النسق المهيمن على 100 كيلوهرتز و200 كيلوهرتز و300 كيلوهرتز وما إلى ذلك، مع انخفاض حجم الكمائن، ويحول تصميم 2 ميغاهرتز نطاق التناسق إلى نطاق التردد 2-20 MHz، حيث يرجح أن تتجاوز الانبعاثات الحدود التي حددتها لجنة الاتصالات.

معايير لجنة التنسيق المشتركة والاعتبارات المتعلقة بالامتثال

وتحدد معايير التوافق المغناطيسي المستويات القصوى المسموح بها للانبعاثات التي تجرى والتي تشعبها، فضلاً عن معايير الحصانة، أما بالنسبة للالكترونيات التجارية، فإن أكثر الأطر التنظيمية شيوعاً هي الجزء 15 من اتفاقية التجارة الدولية، واتفاقية حقوق الملكية الفكرية 32 (أوروبا)، والمعايير المنسقة المقابلة في مناطق أخرى، وتصنف هذه المعايير المعدات في حدود الفئة ألف (الصناعية) والتواتر باء (الضجيكية) التي تؤثر على التصميم التقريبي للفصل باء.

ومن الأمثلة على ذلك: أن التحول في إمدادات الطاقة من الفئة باء في 1 ميغاهيرتز يجب أن يظهر انبعاثات تقل عن 250 ميكروفوناً تقريباً في الترددات الأساسية (1 ميغاهرتز) عندما يقاس بشبكة تثبيت خطية (LISN) وإذا كان التحول في الموج يحتوي على طلقات زائدة كبيرة أو رنين، فإن الارتداد الضار عند 3 ميغاهرتز يمكن أن يتجاوز الحد الأقصى بمقياس 10 إلى 15 د.

وبالنسبة لبيئة أكثر طلباً مثل الأجهزة الطبية (IEC 60601-1-2) أو النظم العسكرية (MIL-STD-461)، فإن نطاق التردد يتجاوز 1 GHz، والحدود المفروضة على الانبعاثات أقل، وفي هذه الحالات، كثيراً ما يتطلب تبديل الترددات فوق بضعة ميغاهرتز تقنيات متقدمة للتخفيف من آثارها مثل أسلوب التنقيب عن الأنابيب، أو التصفية النشطة، أو زيادة حجم العرض بين أجهزة الاستيفاء المتعددة.

وضع استراتيجيات لتحسين مستوى الإدارة البيئية في مختلف الترددات

اختيار مخططات التردد والتعديلات

أما القرار الأول في أي تصميم للمحولين المحولين، فهو اختيار التردد المبدل نفسه، وانخفاض الترددات (ما دون 200 كيلوهرتز) في تصميم مرشحات ميسرة لأن التناسقات في نطاق الموصلات التقليدية والمكثفات، ولكن يتطلب مكونات مغناطيسية أكبر وقد ينتج ضوضاء قابلة للاشتعال، كما أن الترددات المتوسطة المدى (200 كيلوهرتز إلى 2 ميغاهرتزقة) تتيح توازناً جيداً بين المفاعلين المصممين.

ويتفاوت أسلوب التبديل عن قصد في الترددات المبدلة على نطاق صغير )مثل ٥ في المائة على قيمة اسمية( لنشر الطاقة عبر نطاق أوسع، ويمكن لهذه التقنية أن تقلل من الذروة التي تم بها تشغيل الطيف من ٥ إلى ١٠ ثنائي دون إضافة عناصر سلبية، غير أن الطيف المنتشر قد يلجأ إلى الضوضاء التصاعدية في الترددات المضغوطة )القدرة الفرعية ١٠ إلى ١٠٠ هرتز(.

PCB العيون وضميمة المكونات

فالتأقلم الأمثل هو الاستراتيجية الوحيدة الأكثر فعالية لمكافحة التوليد المغناطيسي دون زيادة عدد المكونات، والقاعدة الرئيسية هي تقليل مساحة الحلقات الحالية العالية التردد، ولا سيما حلقة الطاقة التي تشمل كبساط المدخلات، وجهاز التبديل، وجهاز الاستصلاح الحساس الذي تستخدمه، وجهاز الاسترجاع الحساس الذي تستخدمه الطائرة المتاخمة، وتضييق نطاق الترددات على الترددات الأرضية، وتضييق نطاق الترددات المتحركة، بما في ذلك المجال المكثف المختلط.

وبالنسبة للمحولين الذين يعملون فوق 1 ميغاهيرتز، تصبح المواد التي تستخدم مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور كبيرة، إذ أن معيار FR-4 له سمسار خسارة يزيد من تواترها، ويحتمل أن يخفف من نزاهة الإشارة في مسارات التغذية المرتدة، كما أن ارتفاع الترددات مثل روجرز 4350B، لا يوفر اتساقا أفضل، وإن كان ذلك بتكلفة أعلى، كما أن التلاعب بالصوت، كما أن القارورات الموازية المتعددة يمكن أن تقلل من أثر الارتفاع الحاد.

تقنيات التصوير والنواحي

(أ) أن تكون أجهزة الفرز ذاتياً، وأن تكون أعلى من الاختبارات، وأن تكون الاختبارات ذاتية، وأن تكون أقل المرشّحة، وأن تكون أقل المرشّحة، وأن تكون مُحدّدة من الحدّ من الارتفاع في مستوى الاختناق.

وتخفض الدوائر النوببرية (RC) أو التجمع الكونغولي من أجل الديمقراطية) التي ترتبط عبر جهاز التحويل أو جهاز الاستصلاح من حجم الرنين الذي يحدث أثناء التحولات إلى العمل والتحول، كما أن هذا الخفض يقلل من عدد المتجانسات العالية التردد ويمكن أن يقلل من الانبعاثات التي يتم قياسها والمشعة، كما أن النادل المصمم جيدا يمكن أن يقلل من الخسائر في ذروتها ولكن يبلغ طولها 6-10 د.

التحولات المتقدمة

وتخفض تقنيات التبديل بالسرقة مثل التحول الصفري والتبديل الصفري الجاري بشكل كبير في نظام تحويل الطاقة الكهربائية أثناء التحولات، وفي محول نظام تحديد أسعار الصرف، يخفض حجم التراكم عبر المبدل إلى صفر قبل أن يتحول إلى أدنى حد ممكن، ويقلل من الطاقة المخزونة في مركز التكتل الطفيلي ويزيل الدي في/د.

لكن المحولات المُغيرة لها سيطرة أكثر تعقيداً وحصّة أكبر من التصميمات العادية للمسح الصلب، وتردد التبديل في المحولات المُتفجرة ليس ثابتاً، بل متبايناً مع الحمولة، مما قد يُعقّد تصميم الرشّ، ويجب على المهندسين التحقق من أن بارامترات الصهاريج المُتسرّبة قد اختيرت بحيث يظل نطاق التردد التشغيلي في مُطفِ الرشّة الرشّة.

التجارة العملية: الكفاءة، الحجم، التكلفة

ويؤدي رفع تردد التبديل إلى خفض حجم المكونات المغناطيسية والمركبات، مما يتيح بصمة أقل عموما، فعلى سبيل المثال، يمكن لمحول صبغة ميغاهرتز أن يستخدم موصلاً بميكروههه، في حين أن محولاً حرارياً يبلغ 100 كيلوهرتز يحتاج إلى 10 ميكروهيد هند بنفس التيار المصغر، كما أن العناصر الأصغر حجماً يمكن أن يقابلها زيادة في حجم النواتج شبه الثابتة.

ومن التحليلات النموذجية للمقايضة: بالنسبة لمحول متغير لحجم التركيزات الجمركية - التعاون التقني البالغ 100 درجة، قد يختار المصممون تواتراً قدره 200 كيلوهرتز لتلبية 80 من متطلبات الكفاءة الذهبية في الولايات المتحدة مع الحفاظ على قيم عنصر المرشّح المعقولة، إذ يمكن أن يؤدي الانتقال إلى 400 كيلوهرتز إلى خفض حجم المحول بنسبة 30 في المائة، ولكن الكفاءة قد تنخفض من 92 في المائة إلى 89 في المائة بسبب ارتفاع معدلات التبديل، ويمكن أن يؤدي التبريد الإضافي المطلوب إلى زيادة ارتفاع معدلات ارتفاع معدلات ارتفاع معدلات ارتفاع معدلات ارتفاع أسعار المنتجات وتكاليف النظام.

وفي الأجهزة ذات التشغيل البطاري المنخفض (مثلاً، القابلات للارتطا)، تكون الترددات المبدلة فوق 2 ميغاهيرتز شائعة لأن القوة منخفضة بما يكفي من أن الخسائر لا تزال مقبولة، وصغر البصمة هي أولوية، وهنا، يُواجه التحدي الذي يواجهه المجلس باستخدام مخطط ثنائي الفينيل متعدد الكلور يخضع للمراقبة الصارمة وأحياناً علبة درع صغيرة، وتشمل عملية الامتثال عادة إجراء اختبارات مع احتمال قريب من الحقول لتحديد النقاط الساخنة وتطبيقها محلياً.

Case Study: Reducing Conducted Emissions in a 500 kHz Buck Converter

(أ) اعتبار 5 خ م و 3 محول للبنك محولاً ب500 كيلوهرتز لمجلس رقابة صناعية، وأظهرت الاختبارات الأولية للحركة انبعاثات تجاوزت الحد الأقصى لفئة كومنولث الدول المستقلة 32 بمقياس 1.5 ميغاهرتز بثمانية د.ب.أظهر التحليل أن الرنين في العقد المبدل كان له تواتر متصاعد قدره 20 ميغاهرتز، وأن هامش الارتطام الذي يناهز 1.5 ميغاهيرتز نتيجة للزيادة غير المباشرة

وهذا المثال يؤكد أهمية قياس طيف الضوضاء الفعلي بدلاً من الاعتماد فقط على المحاكاة، إذ إن العناصر الموازية التي لم تُستَرَد في النموذج - مثل خط العرض المكافئ للمجموعات من المكثفات ومرجع أثر ثنائي الفينيل متعدد الكلور - يمكن أن تغيراً كبيراً الصورة المتسقة، ولا غنى عن عملية إزالة تدريجية باستخدام جهاز تحليل الطيف ونظام المعلومات المسبقة عن المعلومات الجغرافية لتحقيق أداء قوي في مجال الرصد البيئي.

الاتجاهات المستقبلية: موصلات وسامات باندغاب الواسعة النطاق ووكالة البيئة البحرية

وتسمح المواد ذات النطاق الواسع مثل نيتريد الغاليوم وكربايد السليكون بتحويل الترددات إلى ما يتجاوز 10 ميغاهيرتز مع الحفاظ على الكفاءة العالية، كما أن مستويات القدرة على الرش والشحن منخفضة جداً، مما يسمح بمعدلات الدي في كل متر تتجاوز 100 ميغاواط، بينما تؤدي هذه الحواف السريعة إلى تحسين كفاءة استخدام النطاق الترددي، فإنها تولد أيضاً تقنيات الرشاقة الكهربائية

وثمة نهج جديد آخر يتمثل في استخدام الإلغاء النشط لوكالة الطاقة الذرية ] دوائر تحقن حالياً تعويضاً لإبطال الضوضاء على حركة السيارات، وتُحسّن هذه الدوائر الضوضاء عند المدخلات وتولد إشارة عكسية تستخدم فيها جهازاً صغيراً من أدوات الإلغاء، بينما يضيف الإلغاء النشط تعقيداً وتكلفته، فإنه يمكن أن يحقق زيادة جذابة في 20 عنصراً من عناصر التصميمات أو أكثر من غير كبيرة.

الموارد الخارجية لفهم أعمق

خاتمة

والعلاقة بين تغيير التردد والتوافق الكهرومغناطيسي هي اعتبار أساسي في تصميم أجهزة توليد الطاقة الكهربائية، إذ يوازن الترددات المتغيرة بين متطلبات الكفاءة والحجم والتكاليف والامتثال التنظيمي، ومن خلال فهم السلوك الطيفي للشركة، وتطبيق أساليب الفرز والفرز السليم، واستكشاف خيارات التحوُّل والجباية المتقدمة، يمكن للمهندسين أن يكفلوا استيفاء منتجاتهم لمتطلبات التصنيع الإلكتروني دون أن يُقدّموا أدائهما أو إمكانية الالتحاقهم.