لماذا نتعلم تصميم الدوائر الكهربائية
تعتبر دائرة إمداد الطاقة جزءًا مهمًا من المنتج الإلكتروني، ويرتبط تصميم دائرة إمداد الطاقة ارتباطًا مباشرًا بأداء المنتج.
تصنيف دوائر إمداد الطاقة
تشمل دوائر الطاقة في منتجاتنا الإلكترونية بشكل رئيسي مصادر طاقة خطية ومصادر طاقة تحويلية عالية التردد. نظريًا، يُحدد مصدر الطاقة الخطي مقدار التيار الذي يحتاجه المستخدم، والذي يوفره المدخل؛ بينما يُحدد مصدر الطاقة التحويلي مقدار الطاقة التي يحتاجها المستخدم، وكمية الطاقة المُقدمة عند طرف الإدخال.
مخطط تخطيطي لدائرة إمداد الطاقة الخطية
تعمل أجهزة الطاقة الخطية في حالة خطية، مثل رقاقات تنظيم الجهد الشائعة الاستخدام LM7805 وLM317 وSPX1117، وغيرها. يوضح الشكل 1 أدناه مخططًا تخطيطيًا لدائرة إمداد الطاقة المُنظَّمة LM7805.
الشكل 1 مخطط تخطيطي لمصدر الطاقة الخطي
يتضح من الشكل أن مصدر الطاقة الخطي يتكون من مكونات وظيفية مثل التصحيح، والترشيح، وتنظيم الجهد، وتخزين الطاقة. في الوقت نفسه، يُعد مصدر الطاقة الخطي العام مصدر طاقة لتنظيم الجهد على التوالي، حيث يكون تيار الخرج مساويًا لتيار الدخل، I1 = I2 + I3، حيث I3 هو الطرف المرجعي، والذي يكون تياره صغيرًا جدًا، أي I1 ≈ I3. لماذا نتحدث عن التيار؟ في تصميم لوحة الدوائر المطبوعة، لا يتم تحديد عرض كل خط بشكل عشوائي، بل يتم تحديده وفقًا لحجم التيار بين العقد في المخطط. يجب أن يكون حجم التيار وتدفقه واضحين لضمان جودة اللوحة.
مخطط لوحة دارات مطبوعة لمصدر الطاقة الخطي
عند تصميم لوحة الدوائر المطبوعة، يجب أن يكون تصميم المكونات مُدمجًا، وأن تكون جميع الوصلات قصيرة قدر الإمكان، وأن تُرتَّب المكونات والخطوط وفقًا للعلاقات الوظيفية للمكونات التخطيطية. يُعدّ مخطط مصدر الطاقة هذا أول عملية تصحيح، ثمّ التصفية، حيث تُنظِّم التصفية الجهد، ويُنظِّم تنظيم الجهد مكثف تخزين الطاقة، وبعد ذلك يتدفق التيار الكهربائي عبر المكثف إلى الدائرة التالية.
الشكل 2 هو مخطط لوحة الدوائر المطبوعة للمخطط التخطيطي أعلاه، والمخططان متشابهان. تختلف الصورة اليسرى عن الصورة اليمنى قليلاً، حيث يتصل مصدر الطاقة في الصورة اليسرى مباشرةً بقاعدة دخل شريحة منظم الجهد بعد التصحيح، ثم بمكثف منظم الجهد، حيث يكون تأثير ترشيح المكثف أسوأ بكثير، كما أن الخرج يُسبب مشاكل. الصورة اليمنى جيدة. يجب ألا نأخذ في الاعتبار مشكلة تدفق مصدر الطاقة الموجب فحسب، بل يجب أيضًا مراعاة مشكلة التدفق العكسي. بشكل عام، يجب أن يكون خط الطاقة الموجب وخط التدفق العكسي الأرضي قريبين قدر الإمكان من بعضهما البعض.
الشكل 2 مخطط لوحة الدوائر المطبوعة لمصدر الطاقة الخطي
عند تصميم لوحة دوائر كهربائية خطية، يجب الانتباه إلى مشكلة تبديد الحرارة في رقاقة منظم الجهد، وكيفية توليد الحرارة. إذا كانت الواجهة الأمامية لرقاقة منظم الجهد 10 فولت، والطرف الخارجي 5 فولت، والتيار الخارجي 500 مللي أمبير، فسيكون هناك انخفاض في الجهد 5 فولت على رقاقة المنظم، والحرارة المتولدة 2.5 واط؛ إذا كان جهد الدخل 15 فولت، والانخفاض في الجهد 10 فولت، والحرارة المتولدة 5 واط، فيجب توفير مساحة كافية لتبديد الحرارة أو مشتت حراري مناسب وفقًا لقوة تبديد الحرارة. يُستخدم مصدر الطاقة الخطي عادةً في الحالات التي يكون فيها فرق الضغط والتيار صغيرًا نسبيًا، وإلا، يُرجى استخدام دائرة إمداد الطاقة بالتبديل.
مثال على مخطط دائرة إمداد الطاقة بالتبديل عالي التردد
يعتمد مصدر الطاقة التبديلي على استخدام دائرة للتحكم في أنبوب التبديل، مما يوفر تشغيلًا وإيقافًا عالي السرعة، ويولد موجات تعديل عرض النبضة (PWM)، وينظم الجهد باستخدام المحول الكهرومغناطيسي. يتميز مصدر الطاقة التبديلي بكفاءة عالية وحرارة منخفضة، ولذلك نستخدم عادةً الدوائر التالية: LM2575، وMC34063، وSP6659، وغيرها. نظريًا، يكون طرفا مصدر الطاقة التبديلي متساويين، ويتناسب الجهد والتيار عكسيًا.
الشكل 3 مخطط تخطيطي لدائرة إمداد الطاقة التبديلية LM2575
مخطط لوحة الدوائر المطبوعة لمصدر الطاقة التبديلي
عند تصميم لوحة الدوائر المطبوعة لمصدر طاقة التبديل، من الضروري الانتباه إلى: نقطة إدخال خط التغذية الراجعة وثنائي التيار المستمر هما من يُعطى التيار المستمر. كما يتضح من الشكل 3، عند تشغيل U1، يدخل التيار I2 إلى المحث L1. تتمثل خاصية المحث في أنه عندما يتدفق التيار عبر المحث، لا يمكن توليده فجأة ولا يمكن أن يختفي فجأة. إن تغير التيار في المحث له عملية زمنية. تحت تأثير التيار النبضي I2 المتدفق عبر المحاثة، يتم تحويل بعض الطاقة الكهربائية إلى طاقة مغناطيسية، ويزداد التيار تدريجيًا. في لحظة معينة، تقوم دائرة التحكم U1 بإيقاف تشغيل I2، نظرًا لخصائص المحاثة، لا يمكن للتيار أن يختفي فجأة، في هذا الوقت يعمل الثنائي، ويتولى التيار I2، لذلك يُطلق عليه ثنائي التيار المستمر، ويمكن ملاحظة أن ثنائي التيار المستمر يُستخدم للمحاثة. يبدأ التيار المستمر I3 من الطرف السالب لـ C3 ويتدفق إلى الطرف الموجب لـ C3 عبر D1 وL1، وهو ما يعادل مضخة، باستخدام طاقة المحث لزيادة جهد المكثف C3. هناك أيضًا مشكلة نقطة دخل خط التغذية الراجعة لكشف الجهد، والتي يجب إعادتها إلى المكان بعد الترشيح، وإلا فسيكون تموج جهد الخرج أكبر. غالبًا ما يتجاهل العديد من مصممي لوحات الدوائر المطبوعة هاتين النقطتين، معتقدين أن الشبكة ليست هي نفسها هناك، بل في الواقع، المكان ليس هو نفسه، وتأثير الأداء كبير. الشكل 4 هو مخطط لوحة الدوائر المطبوعة لمصدر طاقة التبديل LM2575. دعونا نرى ما هو الخطأ في المخطط الخاطئ.
الشكل 4 مخطط لوحة الدوائر المطبوعة لمصدر الطاقة التبديلي LM2575
لماذا نرغب في شرح مبدأ الرسم التخطيطي بالتفصيل؟ لأنه يحتوي على معلومات كثيرة عن لوحة الدوائر المطبوعة، مثل نقطة وصول دبوس المكون، والحجم الحالي لشبكة العقد، وما إلى ذلك. انظر إلى الرسم التخطيطي، فتصميم لوحة الدوائر المطبوعة ليس مشكلة. تُمثل دائرتي LM7805 وLM2575 دائرة التخطيط النموذجية لمصدر الطاقة الخطي ومصدر الطاقة التبديلي، على التوالي. عند تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة، يكون تخطيط وتوصيل هاتين اللوحتين متصلين مباشرةً، ولكن تختلف المنتجات ولوحة الدوائر، ويتم تعديلها وفقًا للحالة الفعلية.
كل التغييرات غير قابلة للفصل، وبالتالي فإن مبدأ دائرة الطاقة وطريقة اللوحة كذلك، وكل منتج إلكتروني غير قابل للفصل عن مصدر الطاقة ودائرته، لذلك، تعلم الدائرتين، وفهم الآخر أيضًا.
وقت النشر: 4 يوليو 2023
