استخدام المُستَعَدِّين في نظامي قوة النبض واللزر لمراقبة المباني

مؤسسة السواحل ذات القوة العالية

وينتمي المترجمون إلى أسرة أجهزة شبه موصل مصممة خصيصاً لتطبيقات التبديل ذات الطاقة العالية، وعلى عكس المترجمين العاديين الذين يعملون في أجهزة خطية أو مشبعة، فإن المغاوير يعملون كمفات مثبتة في شكل مجرى مائي، ويظلون محاصرين حتى يسقط هذا المنعطف تحت تيار ثابت، وهذا السلوك الذي يجعل من التطرفين مجهزين بشكل فريد في قوة البولز.

ويتكون الهيكل الأساسي لحامض الغدة النيتروجين من أربعة طبقات متغيرة من نوع P وN-type السيليكون، أما المحطات الثلاث فهي المقطع والقطع والبوابة، وتبدأ البوابات الصغيرة بتلقي ردود الفعل المتجددة داخل الجهاز، وتشغلها على الفور تقريبا، وتفقد البوابة السيطرة، وتتحول امتياز الغدة الدرقية فقط عندما تهبط الرافعات الحالية للشحن إلى الصفر.

إن التطاير والتصنيفات الحالية لأغراض الغدة الحديثة هي أجهزة ثابتة - فردية يمكن أن تصمد أكثر من ٨ كيلوفولت وتحمل عدة آلاف من الأمفيتامينات، ويتيح التسلسل والتصفيق الموازي للنظم الوصول إلى مستويات الميغافولت والميغاب، وهذا التصعيد هو السبب الرئيسي الذي يجعل أطباء الغدة الدرقية يتحولون إلى شبكات كهربائية ذات جودة عالية ومنشآت قوة نبضية واسعة النطاق.

For a deeper introduction, the Wikipedia article on thyristors] provides an excellent technical overview.

نظم الطاقة النبضية: توليد نبضات عالية الطاقة

وتكمن تكنولوجيا النبض في تخزين الطاقة الكهربائية على مدى فترة طويلة نسبيا ثم إطلاقها في انفجار قصير جداً وشديد القوة، وتتراوح فترات النبض العادية بين الثانية الصغرى والثانية المليمئة، مع وجود قوى ذروة في نطاق الجيغاوات، ويكمن التحدي في تحويل تلك الطاقة من أجهزة تخزين أو تخزينها في عبوة ذات شق ثانوي مرتفع.

التطبيقات الرئيسية في قوة نبضات

مسرعات الجسيمات

وفي مسرعات الجسيمات، تستخدم الدراجات لتبريد المغناطيسات التي تنحني وتركيز شعاع الجسيمات، وتعتمد المنظمة الأوروبية للبحوث النووية على أكياس غزيرة ضخمة في نظمها المغنطية المتحركة لتحول بسرعة تيارات عشرات الكيلومترات، ويجب أن تعمل هذه المفاتيح مع مرطب توقيتي من بضع ثواني نانوية فقط للحفاظ على جودة الأشعة.

المفرزات الطبية والاختراق

يستخدم المُرشّحون الخارجيون والمرشّحون المُشغّلون للقلب، أجهزة مُقرّرة للتحكم في نبضات الطاقة، ويُخزن الجهاز الطاقة في مُخزن، ثم يُطلقها من صدر المريض عبر مُفتاح غرز، ويؤثر التوقيت الدقيق ومراقبة الطاقة بشكل مباشر على نجاح نظم العلاج المُفتوحة.

إطلاق البنادق والكهرباء

تحتاج أجهزة الإطلاق الكهرومغناطيسية العسكرية والبحثية (بندقية) إلى نبضات عالية جداً في الوقت الراهن، وغالباً ما يُستخدم ملايين من الأمفيتامينات لتسريع المجازير، وتُستخدم مصارف الـ(تيريستور) لتصريف مصارف الكابستيكتور في اللحظة المحددة اللازمة، وقد أثبت برنامج سلاح السكك الحديدية التابع للبحرية الأمريكية استخدام وحدات غدر متقدمة لتحقيق سرعات الإطلاق خارج المشهد 6.

Industrial Pulsed Power

وفي الأماكن الصناعية، تستخدم حقول كهربائية نقية للتمدد الغذائي، ومعالجة المياه، وتكوين المعادن، وتتحكم مفاتيح ثيرستور في نبضات التكاثر العالية الدوافع اللازمة لقتل البكتيريا أو تركيب معدن الورق دون نظام غذائي آلي، وموثوقية الدروع وفعاليتها من حيث التكلفة تجعلها العمود الفقري لهذه النظم.

For a comprehensive survey of pulse power technology, see the IEE Transactions on Plasma Science] special issues on pulsed power.

نظم الليزر: التوقيت ومراقبة الطاقة مع المحررين

نظم الليزر الحديثة، خاصة الليزر الصلب والغاز تعتمد بشدة على إمدادات الطاقة المطهرة التي تستخدمها الغسالة، عادة ما تضخ الليزر بواسطة المصابيح الكهربائية ذات الصبغة العالية، وتتأكد نوعية الشعاع الليزري من طاقة النبض ومدته وقابلية التكرار، وهي مرتبطة ارتباطا مباشرا بتصوير النبض الكهربائي العالي الذي يغذي الليزر.

فلاشلمب - لازر

في الليزر المضخمة، يتم تفريغ مصرف كبير من مكثفات الأغاني من خلال مصباح اكسينون، وجهاز غسيل (أو كومة من الدروع المربطة بسلسلة) يعمل كمفتاح رئيسي، ويجب أن يكون الوقت سريعا جدا لإنتاج وميض مشرق و قصير يضخ بشكل فعال قضيب الليزر، ويجب التقليل إلى أدنى حد من علامات التبديل التي تستخدمها لاس متحكمات.

Q-Switched Lasers

وتنتج تقنيات مسحوق الكهرومغناطيسي نبضات الليزر قصيرة جداً عالية القوة، وتُطلق في أوقات دقيقة مقارنة بنبض الضخ، ويتحكم الباحثون في كل من مشغل الوميض وسائق الكمبيوت، ويمكن أن تشمل القوى الشمسية الناتجة عن ذلك ذروة الأشعة المصغرة من ثاني أكسيد النيتروز.

Gas Lasers and Excimer Lasers

وتحتاج الليزرات المميزة المستخدمة في السيرة الذاتية للموصلات شبه الموصلات وجراحة العين إلى نبضات عالية الفولط جداً لخلق التصريف الكهربائي من خلال خليط الغاز، وكثيراً ما تستخدم وحدات التبديل القائمة على العجل في دائرة الطاقة النقية التي تُحمّل وتُسدّد أجهزة التكرير القصوى (حتى عدة كيلوهرتز) وكميات عالية (أعراقية)

مثال ملحوظ هو استخدام أطباء الليزر في جراحة الـ(لوس أنجلوس)

مقارنة مع مفاتيح تبديل الطاقة الأخرى

وفي حين أن حكامك يهيمنون على أعلى نظم الطاقة والفولط، فإن المهندسين كثيرا ما يختارون بينهم، وشركة IGBTs، وشركة MOSFETs، ويلخص الجدول التالي الاختلافات الرئيسية في استخدامات نبضات القلب والليزر.

Parameter	Thyristor	IGBT	Power MOSFET
Voltage Rating	Up to 8 kV+	Up to 6.5 kV	Typically < 1.2 kV
Current Handling	Up to 10 kA+	Up to 3 kA	Up to ~500 A
Switching Speed	Moderate (microseconds turn-off)	Fast (hundreds of nanoseconds)	Very fast (tens of nanoseconds)
On-State Voltage Drop	Low (~1.5 V)	Moderate (~2-3 V)	Higher (RDS(on) dependent)
Self-Turn-Off	No (conventional SCR)	Yes	Yes
Cost per kVA	Lowest	Moderate	Higher for high voltage

وبالنسبة لنظم توليد الطاقة النبضية التي تتطلب ذروة عالية للغاية، وحيث تكون الخسائر في التحولات الصغيرة، فإن صانعي الدراجات لا يمكن تداركها في كثير من الأحيان، إلا أنه عندما يلزم التبديل السريع مع السيطرة الكاملة (مثلاً في بعض نظم ضغط النبض المغناطيسي)، قد يفضلون استخدام مركبات الإيغ بي بي تي أو مركبات إي جي تي، ويعتمد الاختيار على الفولط المحدد، الحالي، والسرعة، والقيود المفروضة على التكاليف.

اعتبارات التصميم لنظم نبضات العيادة

ويتطلب تنفيذ أطباء الغدة الدرقية في نظم نبضات وأشعة الليزر اهتماماً دقيقاً لعدة جوانب حاسمة في التصميم.

دوائر نوببر

ويُحتمل أن يكون المُستبدئون عرضة للضغط الزائف بسبب ارتفاع مستوى الدفتر (درجة ارتفاع الفولط) عبر المُفتاح، حيث تُعد شبكات النوبات سلسلة من دوائر RC عبر الجهاز، تحد من منحدر الفولط وتستوعب الطاقة أثناء التحولات، ويمتد تصميم النسيج السليم إلى حياة الغدة الدرقية ويمنع التحول العرضي.

دائرة البوابة

يجب أن يكون نبض البوابات قويا وسريعا بما يكفي لضمان التناوب الموحد عبر وعاء السيليكون بأكمله، وعدم كفاية البوابة يمكن أن تسبب التصريف المحلي وتدمر الجهاز، وفي نظم القوى العالية، غالبا ما توفر وحدات دفع البوابة نبضات متزامنة متعددة وتشمل العزل البصري لمنع التدخل في الحلقات الأرضية.

الإدارة الحرارية

ويمكن أن تؤدي العملية المنزوعة إلى تسخين شديد داخل ثديك حتى لو كان متوسط الطاقة منخفضاً، ويجب تصميم الازدحام الحراري في مجموعة الأجهزة والثلاج الحراري لمعالجة ارتفاع درجة الحرارة القصيرة الأجل (المجرى الحراري).

سلسلة وسلسلة من المباريات

ولتصل إلى أعلى فولت أو تيارات، فإن حكامات الغدة الدرقية ترتبط بسلسلة أو موازية، وتتطلب سلسلة من السلاسل شبكات توازن فولتاجية (مجهزة ومكثفات موازية) لضمان توزيع الفولط حتى أثناء الحجب والتبديل، وتحتاج أجهزة الباراميل إلى بوابة مضاهاة وترسيب متأنية لتقاسم النسق الحالي على قدم المساواة، ويمكن أن تؤدي عوامل تضخم الغدة إلى الفشل محليا.

EMI and Noise Suppression

ويولد التحول السريع للتيارات الكبيرة تدخلاً كهرومغناطيسياً كبيراً، فالضغوطات المسلَّحة، والحواجز السليمة، والرش على مفاتيح الأشعة فوق البنفسجية، هي أمور أساسية، وفي نظم الليزر، يمكن لأي ضوضاء كهربائية أن تقترن بأجهزة التحكم الحساسة أو حتى تؤثر على نوعية الشعاع الليزري.

من أجل توجيه التصميم العملي، العديد من صناعات شبه الموصلات تقدم ملاحظات طلبية، على سبيل المثال، (مذكرة تطبيقات (آي تي تي تي تي تي تي: 0))

أنواع الاثيسار المتقدمة للنظم الحديثة

وتقتصر هذه المعايير على عدم قدرتها على الإيقاف عن طريق البوابة، وتعالج عدة مشتقات حديثة هذا الأمر وتقدم تحسينات في الأداء.

GTOs Gate Turn-Off Thyristors (GTOs)

ويمكن إيقاف استخدام أجهزة التحويل العالمية عن طريق تطبيق نبضات سريعة سلبية، مما يلغي الحاجة إلى دوائر خارجية للإيرادات، وتبسيط التصميم، وتستخدم أجهزة التصوير GTOs على نطاق واسع في أجهزة الدفع المتوسطة الحجم ونظم التثبيت، وتخفض مكسبها الحالي منافذ التشغيل عن طريق أجهزة الإيغ بي تي، ولكنها تستطيع التعامل مع تيارات أعلى من الأخطاء.

محرري البوابة المتكاملة

وتجمع هذه المركبات بين مجموعة أدوات التشغيل العالمية وسائق بوابة منخفضة الموصلات مدمجة في مجموعة واحدة، وهي توفر سرعة التحول، وكفاءة أعلى، وقدرات أفضل من قدرات أجهزة التصوير المقطعي، مما يجعلها مثالية لتطبيقات القدرة على النبض حيث تكون هناك حاجة إلى معدلات عالية للتكرار، مثل أجهزة النمذجة ذات الصلصة لأجهزة المعجِّل.

MS-Controlled Thyristors (MCTs)

وتستخدم سلاسل الإمداد المتعددة الأطراف هيكلاً من طراز MOSFET يدمج في بوابة الغد لتوفير التحولات والتقلبات التي تخضع للسيطرة الفولطية، وهي تجمع الكثافة العالية الحالية لأغرارها مع الدافع السهل لأجهزة الإمداد بالطاقة الشمسية، ولكنها لم تعتمد بعد على نطاق واسع بسبب تحديات التصنيع.

أطباء مُصابون بالدوار الخفيف

وفي تطبيقات الصمامات ذات التأثير العالي (مثل HVDC)، تُطلق الدروع من خلال النبضات الخفيفة عبر الألياف البصرية، وتوفر عزلة كهربائية كاملة، وتقضي شركة نمور تحرير تاميل إيلام على الحاجة إلى إمدادات الطاقة ذات البوابة المعقدة، وهي محصنة بدرجة كبيرة أمام شركة EMI، بينما تستخدم أساساً في نقل الطاقة، يجري استكشافها أيضاً من أجل نظم ليزر كبيرة تتطلب عزلة عالية جداً.

الاتجاهات والتطورات المستقبلية

ولا يزال مجال التحول السريع في الطاقة يتطور، إذ أن نصف الموصلات الواسعة النطاق مثل كاربيد السيليكون ونيتريد الغاليوم (GaN) تشكل تحدياً في استخدامات الطاقة المتوسطة نظراً لارتفاع سرعة التحول فيها وتسامحها في درجات الحرارة، غير أن ثلاجات سيك ما زالت في مرحلة مبكرة ولا يمكنها حتى الآن أن تضاهي التقديرات الحالية لأجهزة السيليكون فوق 10 كيلوت.

وثمة اتجاه آخر يتمثل في دمج وحدات غرس الغدة الدرقية مع سائقي البوابات المدمجة، والبنات، والتشخيصات، ويمكن لهذه " مفاتيح التبديل الذكية " أن تبلغ عن الحالة الصحية، ودرجة الحرارة، وعدد دورات التبديل، مما يتيح الصيانة التنبؤية في التطبيقات الحرجة مثل مفاعلات الصمامات ونظم الليزر العسكرية.

وبالإضافة إلى ذلك، فإن الدفع نحو ارتفاع معدلات التكرار في الليزر الصناعية (10 كيلوهرتز وما بعده) هو دفع الطلب على أنواع أغذية أسرع يمكن أن تسترد بسرعة، ويجري اختبار التصميمات المتقدمة التي تستخدمها محطة الحاويات المحتوية على بوابة إيجابية خلال الفترة الواقعة خارج الدولة لتلبية هذه المتطلبات.

كما أن تطوير نظم الطاقة القابلة للتكرار وذات الموثوقية العالية من أجل توليد الطاقة الجيل القادم من الصمامات (مثلاً، الاندماج في العزلة) سيعتمد اعتماداً كبيراً على تكنولوجيا الغدة الدرقية، وتتطلب هذه النظم تيارات ضخمة ذات دقة توقيتية دقيقة تتجاوز مليارات النبضات - وهي تحد يُعتبر أن ثكبات السليكون، بقوتها المثبتة، في وضع فريد يمكنها من مواجهته.

For a forward-vis, the ]EPFL Pulsed Power Laboratory] offers insights into cutting-edge research in this domain.

خاتمة

وبقي المُستعمرات لبنة البناء الأساسية لضبط دقيق في أنظمة نبضات و ليزر، وقدرتها على تحويل تيارات وفولاذات هائلة ذات قدرة عالية على إعادة التكرار، تجعلها لا غنى عنها عبر مجموعة واسعة من التطبيقات العالية الطاقة، من الأجهزة الطبية التي توفر الأرواح إلى النظم الصناعية التي تصنع الميكروفونات، ومن المُسرعات العلمية التي تستكشف الكون إلى التكنولوجيات العسكرية التي تحميها.