Table of Contents

أثر كفاءة جهاز توليد الطاقة على حياة البطاريات في الأجهزة النقالة

إن حياة البطاريات هي أحد أكثر القياسات أهمية في الأداء بالنسبة للأجهزة الإلكترونية المحمولة - السماعات، والأقراص، والهواتف اللاسلكية، والمواشي الذكية، ومجسات إيوت، تعتمد كلها على إدارة فعالة للطاقة لتوفير وقت معقول للاستخدام بين الرسوم، وفي قلب كل جهاز إرسال لاسلكي، يكمن مضخم الطاقة، وهو عنصر مسؤول عن تعزيز إشارة الترددات المنخفضة القدرة إلى مستوى مناسب

فهم كفاءة استخدام الطاقة

وتُعرَّف كفاءة استخدام الطاقة كمضخم للطاقة بأنها نسبة قوة إنتاج الترددات المتوسطة (P) إلى قوة مدخلات البلدان النامية (P]DC ) المستهلكة من البطارية:

Efficiency (Mos) = P]out] / P]DC 100٪]

ويعني ارتفاع قيمة الكفاءة أن جزءاً أكبر من طاقة البطارية يتحول إلى طاقة إشارة مبعثرة، ومن الناحية العملية، فإن السلطة الفلسطينية التي تعمل بنسبة 60 في المائة من الكفاءة لن تضيع سوى 40 في المائة من طاقة المدخلات كدفئة، بينما يفقد المرء كفاءة بنسبة 30 في المائة الفرق البالغ 70 في المائة في مياه المجاري الحرارية والبطارية.

المصادر الرئيسية لفقدان السلطة في أجهزة تقوية السلطة

وينشأ عدم الكفاءة عن عدة آليات مادية لا يمكن تجنبها:

  • Conduction losses:] Resistive heating in the transistor channel and interconnects.
  • Switching losses:] In shifting-mode amplifiers, transitions between on/off states dissipate power.
  • Harmonic generation:] Non-linearities create frequency components that are filtered out and wasted.
  • Biasing overhead:] Linear classes require constant DC bias current even when no RF signal is present.

وهذه الخسائر ليست ثلاثية، ففي هاتف نموذجي من طراز 4G LTE الذكية، يمكن للسلطة الفلسطينية أن تستهلك أكثر من 30 في المائة من مجموع طاقة النقل، مما يجعل كفاءتها من الدرجة الأولى بالنسبة للبطارية المثلى.

صنفات مكبرات القوى وكفاءة التجارة

وتصنف المضخات من خلال زاويتها وعلم الطبوغرافيا التي تدور فيها، والتي تحدد مباشرة الحد الأقصى من الكفاءة النظرية، واختيار الصف هو قرار تصميمي أساسي يوازن بين التسلسل وثبات النطاق والكفاءة.

الفئة ألف

ويدير المضخمون من الفئة ألف التي تعمل في الوقت الراهن طوال دورة الـ 360 درجة، وهم يقدمون خطا ممتازا ولكنهم يعانون من أقصى قدر نظري من الكفاءة لا يتجاوز 50 في المائة، وفي الممارسة العملية، يجلسون حوالي 20 إلى 30 في المائة، ويستنزفون البطارية باستمرار، مما يجعلها غير مناسبة للأجهزة المحمولة التي تعمل بالبطارية إلا إذا كان يلزم توافر درجة من التسلسل (مثل بعض معدات الاختبار).

الفئة باء والفئة ألف باء

ولا تجري المضخمات من الفئة باء إلا خلال نصف الدورة (180 درجة)، مما يرفع الكفاءة النظرية إلى 78.5 في المائة، غير أنها تنطوي على تشويه في المقاطع، وتسد الفجوة من حيث التحيز فوق النسيج بقليل، مما يوفر الكفاءة في نطاق الـ 50 إلى 65 في المائة مع الحفاظ على التواؤم المقبول، ويُوجد هذا النوع من الـ (ألف) عادة في المواد القديمة 2G/3، وبعض وحدات التحلل المتوسطة المدى.

الفئة جيم

وتُعدّد الفئة جيم أقل من 180 درجة ويمكن أن تحقق الكفاءة التي تزيد على 80 في المائة، ولكنها غير خطية بدرجة عالية، وتستخدم أساسا في مخططات التعبئة الثابتة (مثلاً، FM أو بعض الرادار) ولكنها غير مناسبة للإشارة الحديثة المتحركة من السعة مثل 4G/5G.

الفئة دال، هاء، واو (المضخمات المتسولة)

وتقوم شركة " Switching-mode PAs " بتشغيل المترجم كمفتاح، وتحويله بالكامل إلى (الاستمناء) أو إلى مخرج كامل (العملية) - ومن الناحية المثالية، لا يوجد ارتفاع في حجمه وفي الوقت الراهن، وبالتالي تُقلل الخسائر إلى أدنى حد، وتقارب الكفاءة النظرية 100 في المائة، وتصل عمليات التنفيذ العملية إلى 70-95 في المائة تبعاً للتواتر والتنفيذ.

  • Clas D] uses a pulse-width modulated signal but suffers from shifting losses at high frequencies.
  • Clas E] employs a resonant network to shape voltage and current waveforms so that the transistor shiftes at zero voltage or zero current, minimizing overlap losses. Efficiencies above 80% are common in the low-GHz range.
  • Clas F] uses harmonic terminations to shape the output voltage into a square wave and current into a half-sine wave, achieving theoretical efficiencies of 100%. In practice, 80-90% is achievable.

وتعتمد الأجهزة المحمولة الحديثة بشكل متزايد تصميمات من الفئة هاء أو الفئة واو بالنسبة للسلطة العامة الخلوية الرئيسية، ولا سيما بالنسبة لمستويات الطاقة التي تبلغ 4G/5G حيث كل مليوات من مسائل الطاقة البطارية.

كيف أن الكفاءة تؤثر مباشرة على حياة البطاريات

ويمكن تقدير أثر كفاءة السلطة الفلسطينية على حياة البطاريات كمياً بفحص الطاقة الإجمالية المستمدة من البطارية أثناء دورة نقل.

  • With a Class AB PA at 40% efficiency:] DC power from bat = 200 mW / 0.4 = 500 mW. Over one hour of continuous transmission, the bat must supply 500 mWh.
  • With a Class E PA at 80% efficiency:] DC power = 200 mW / 0.8 = 250 mW, consuming only half the energy for the same task.

وفي جهاز يحمل بطارية تبلغ ٣,٣ ميغاه في الساعة ٧/٣ )١١-١( و، سيخفض مجرى مجرى ماء ٥٠٠ ميغاواط وقت الكلام إلى ٢٢ ساعة تقريبا، بينما يمتد نطاقه ٢٥٠ ميغاواط إلى ٤٤ ساعة - مضاعفة من معدل ضربات هذا العنصر الواحد، وفي الواقع، فإن استخدام السلطة الفلسطينية الخلوية متقطع ويتفاوت بقوة الإشارة، ولكن المبدأ يتمسك بما يلي: كل نقطة مئوية من نقاط تحسين الكفاءة تترجم مباشرة إلى مكاسب قابلة للقياس.

دور السلطة الاحتياطية والتسلسل

وتحتاج مخططات تعديل حديثة (QPSK، 16QAM، 64-QAM، مكتب مكافحة التصحر والجفاف) إلى درجة عالية من التسلسل لتجنب الاقتراض الطيفي والتدخل في القنوات المتاخمة، حيث تعمل المضخات عادة على مستوى الطاقة بعدة علامات تنازلية تقل عن نقطة الضغط التي كانت فيها درجة ضغط الدم 1 مدداً، حيث يمكن أن تقل الكفاءة إلى حد كبير، إذ يمكن أن تؤدي نسبة التراجع عن الطاقة إلى انخفاض الكفاءة بمقدار النصف أو أكثر.

وللتخفيف من ذلك، يستخدم المصممون تقنيات مثل:

  • Envelope tracking:] Dynamically adjusting the supply voltage to follow the RF envelope, keeping the PA in a high-efficiency region across a wide output power range.
  • Digital predistortion:] Pre-distorting the input signal so that the PA’s non-linearity is cancelled, allowing operation closer to saturation without violating linearity specs.
  • Average power tracking:] slower variation of supply voltage based on long-term average power, simpler than envelope tracking but still useful.

وقد اعتمدت هذه الابتكارات على نطاق واسع في أيدي 4G و 5G، حيث أفادت التقارير أن تتبع المظاريف وحده يؤدي إلى تحسين كفاءة السلطة الفلسطينية عموما بنسبة 30 إلى 50 في المائة في ظروف التشغيل المعتادة.

العوامل المؤثرة في كفاءة المبلِّغين في الممارسة

تواتر العمل وباندويث

ومع ازدياد الترددات، تتسبب الكفاءات الطفيلية والعروض في المترجم والتغليف في خسائر أكبر، وتعاني فئات تغيير الحركة من زيادة الخسائر في الترددات المتعددة الجنسيات، وبالتالي يمكن للمصممين اختيار فصول خطية ذات كفاءة متوسطة أو اعتماد عمليات متقدمة لشبه الموصلات، بينما تشكل النطاقات الواسعة لخمسة آلاف (حتى 6 غيرتز ونسبة مئوية من الهضبة التقليدية) تحديات إضافية تبلغ 28 في المائة من الغيلان

العنصر النوعية والتكامل

وتخفض الموصلات العالية الجودة والمكثفات والفرعيات من الخسائر المقاومة في شبكات المطابقة والانهاءات المتجانسة، وتزيد الأجهزة السلبية المتكاملة (IPDs) والمواد ذات الخسائر المنخفضة من مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور (مثلاً، روجرز، ميغترون) أهمية لتقليل تدهور الكفاءة إلى أدنى حد، كما أن اختيار التكنولوجيا - GaAs HBT، والهيمنات المهيمنة من طراز GMOS، والآلات المهيمنة، والغازلة

الحرف مقابل الكفاءة

وفي نظم الاتصالات، لا يمكن التفاوض على التسلسل من أجل الحفاظ على التموين في إطار نظام التحويل، حيث إن أجهزة الاستنشاق بالأجهزة غير الخطية ذات الصبغة البديلة، وتحتاج إلى التكتم الخارجي (مثلاً، ] أو تركيبة الصدر ) أو ما قبل التحلل، وقد شهدت شركة دوهرتي للكهرباء، التي اخترعت في عام 1936، أجهزة متنقلة

التقدم التكنولوجي في تحسين الكفاءة في الأجهزة النقالة

تعقب المظروف (خ)

(ب) إن نظام تتبع المظروف هو أكثر الابتكارات تأثيراً في كفاءة السلطة الفلسطينية في الأجهزة التي تعمل بالبطارية، بدلاً من تزويد السلطة الفلسطينية بفولاذ مرتفع ثابت، يستخدم جهازاً محولاً عالي السرعة من طراز DC-DC لتحديث حجم الإمدادات في الوقت الحقيقي مع حافظة الترددات، وتعمل السلطة الفلسطينية دائماً بالقرب من نقطة بلوغها القصوى للكفاءة.

Gallium Nitride (GaN) Power Amplifiers

وتتيح أجهزة التحلل الحراري الغازي عدة مزايا للأجهزة المحمولة: ارتفاع معدل الانهيار (تدني قدرة الإنتاج المرتفع من طبقة معينة)، وارتفاع حركة الإلكترونية (تبدل أسرع)، وسرعة السير الحراري الممتازة، وفي حين أن تكلفة استخدام اليدين الاستهلاكيتين باهظة، فإن الشبكة العالمية للغاز النووي تظهر الآن في وحدات متوسطة عالية المستوى من الماء ومحطات قاعدية صغيرة الحجم من حيث الاستهلاك العسكري أو الصناعي المحمول،

التحلل الرقمي

وتستخدم إدارة التنمية جهازاً رقمياً لأجهزة توجيه الإشارة لنموذج عدم خطية السلطة الفلسطينية وما قبل تشويه إشارة النطاق الأساسي، مما يتيح لها أن تعمل بشكل فعال على نحو أوثق من التشبع، وهذه التقنية تنقل عبء التسلسل من أجهزة قياس إلى أجهزة قياسية إلى أجهزة قياسية، مما يتيح استخدام أجهزة تحويل ذات كفاءة عالية ولكنها غير خطية في المائة [FLT].[

مقدم من شركة " سمايكون "

وقد مكّن دمج البرنامج في 28 ميلاً واقياً من أجهزة إرسال ذات جهاز واحد للأجهزة حيث تتعايش حلقات المراقبة الرقمية (DPD, ET) مع دوائر نموذجية لنموذج الإبلاغ الكيميائي، ويتيح هذا التصميم المشترك زيادة عدد حلقات التصعيد إلى المستوى الأمثل ويقلل من استهلاك الطاقة من الوصلات البينية المشتركة بين الشيكات، وعلى سبيل المثال، فإن آخر 5 جي من السوكات المتنقلة تدمج السلطة الفلسطينية في الرقاقة الرئيسية، وتنقذ كلاً من الفضاء والطاقة.

الآثار المترتبة على تصميم الأجهزة وخبرة المستعملين

الإدارة الحرارية

ويؤدي عدم كفاءة استخدام السلطة الفلسطينية إلى توليد الحرارة الزائدة التي يجب تفريقها من خلال داء الجهاز، وفي شكل مضغوط (الهواتف، والملابس المغلقة)، كثيرا ما تحد القيود الحرارية من الحد الأقصى من قدرة النقل أو دورة الرسوم، ويقلل تحسين كفاءة السلطة الفلسطينية من توليد الحرارة، مما يسمح باستمرار الأداء الأعلى دون التهوية الحرارية، مما يؤثر تأثيرا مباشرا على درجة الموثوقية - وهي درجة أقل من التحلل على مر الزمن.

Battery Capacity and Form Factor

وعندما تستهلك السلطة الفلسطينية قدرا أقل من الطاقة، يكون لدى صناع الأجهزة خيارين: الاحتفاظ بنفس البطارية وتمديد فترة التشغيل، أو تقليص البطارية لتقليل الحجم/الوزن مع الحفاظ على الوقت الحالي للركض، وبالنسبة للأجهزة القابلة للذوبان والقابلات للسمع، فإن هذا الأخير كثيرا ما يكون أكثر قيمة، إذ أن تخفيض استهلاك السلطة في السلطة الفلسطينية يمكن أن يتيح بطارية أصغر بنسبة 20 في المائة، أو فتح حيز لسمات أخرى أو تصميمات.

خبرة المستعملين: وقت الكلام، ودورات البيانات

وبالنسبة للمستهلكين، فإن أكثر الآثار وضوحاً هو وقت الكلام ومدة دورة البيانات. فخمسة جيغا نرويج هي بوجه خاص غسيل الطاقة: فقد زادت مودمات 5 جي في أوائل استهلاك الطاقة الكهربائية من الأجهزة بمقدار 1.5 - 2 مرة مقارنة بتصميم جهاز هضاري متعدد الأجهزة، مقترناً بالنوم العدواني وتتبع المظاريف، مما أدى إلى تضييق نطاق استخدام أجهزة الهاتف الذكية ذات التردد 5 جي في استخدام البطارية المماثلة لنموذج 4 جي، وذلك بفضل تحسين كبير إلى تحسين القدرة على استخدامهيدالية.

بيانات الأمثلة والتقديرات في العالم الحقيقي

فعمليات الاختبار المستقلة غالباً ما تحدد مدى الحياة في البطارية ذات الهواتف الذكية في ظل الاستخدام الخلوي، فعلى سبيل المثال، يستخدم جهاز إيفون 14 برو ماكس جهازاً متكاملاً لتعقب المظروف لـ 5 جي، مما يسهم في أكثر من 25 ساعة من وقت إعادة البث بالفيديو، وكثيراً ما ترى الأجهزة التي لا تستخدم تكنولوجيا المعلومات، مثل هواتف الأندرويد، 15 إلى 20 في المائة من فترات البطارية المماثلة.

التوقعات المستقبلية: 6 زاي وما بعده

ونظراً لأن النظم اللاسلكية تدفع نحو ارتفاع الترددات (الفرق الفرعية) والزيادات الموجية الأكثر تعقيداً (مثلاً، OTFS)، فإن كفاءة السلطة الفلسطينية ستظل تحدياً رئيسياً.

(ب) وعد بدفع كفاءة السلطة الفلسطينية المتكاملة إلى ما يتجاوز 90 في المائة حتى في ترددات مم-وايف، كما أن المشاركة في تصميمها مع هوائيات (مثل الصفائف المرحلية) تتيح فرصاً لتوزيع الطاقة بمزيد من الذكاء، مما يقلل من الحاجة إلى استخدام السلطة الفلسطينية ذات القدرة العالية في نظم التضليل.

خاتمة

فكفاءة توسيع الطاقة عامل محوري في تحديد حياة البطاريات بالنسبة للأجهزة المحمولة، وهو ما يحكم المعدل الذي تتحول فيه الطاقة المخزنة إلى طاقة قابلة للاستخدام، ومن المبادلات المتأصلة في فئات المضخمات إلى الابتكارات الحديثة مثل تعقب المظاريف، ومترجمات الغازات النووية، والاختبار الرقمي، فإن كل نقطة مئوية من نقاط الكفاءة تتسع مباشرة لزمن التشغيل أو تتيح استخدام عوامل شكلية أصغر.