در علم برق و الکترونیک، تبدیل ولتاژ یکی از موارد بسیار کاربردی و مهم است که در دستگاه‌‌ها و سیستمهای الکترونیکی مختلف، نیاز به آن وجود دارد. یکی از روش‌های تبدیل ولتاژ، استفاده از ساختارهای مداری سوئیچینگ مانند مبدل باک است که به عنوان مبدل کاهنده نیز شناخته می‌شود. مبدل باک مزایای متعددی از جمله بازدهی بالا، اندازه فشرده و مقرون به صرفه بودن دارد. در این مقاله، به اصول عملکرد مبدل باک و کاربردهای مهم آن پرداخته شده است.
بیشتر بخوانید: مبدل بوست چیست؟
مبدل باک چیست؟
مبدل باک، یک منبع تغذیه سوئیچینگ است که ولتاژ ورودی را به یک ولتاژ خروجی پایین‌تر تبدیل می‌کند. این مبدل بر اساس اصل مدولاسیون عرض پالس (PWM) عمل می‌کند و مدار آن از یک سلف، یک دیود، یک کلید قدرت (معمولا یک ترانزیستور پرسرعت) و یک خازن تشکیل می‌شود. کلید قدرت، مقدار متوسط جریان عبوری از سلف را کنترل می‌کند و دیود مدار از عبور جریان معکوس جلوگیری می‌کند. در نهایت، خازن خروجی وظیفه فیلتر کردن ریپل ولتاژ را در سمت خروجی مبدل باک بر عهده دارد. ساختار مداری این مبدل را در تصویر زیر مشاهده می‌فرمایید:
نحوه عملکرد مبدل باک
عملکرد مبدل باک شامل دو حالت اصلی روشن و خاموش بودن کلید قدرت می‌باشد. در حالت روشن، کلید (ترانزیستور) وصل بوده و اجازه عبور جریان از طریق سلف را می‌دهد. در نتیجه در طول بازه زمانی که کلید روشن می‌ماند، انرژی در میدان مغناطیسی سلف ذخیره می‌شود. در تصویر زیر وضعیت مبدل باک در حالت وصل بودن کلید قدرت را ملاحظه می‌فرمایید:
هنگامی که کلید خاموش می‌شود، سوئیچ قطع شده و باعث هدایت دیود می‌شود. سپس انرژی ذخیره شده در سلف به سمت خازن خروجی و بار منتقل می‌شود. جریان سلف در این بازه زمانی به تدریج کاهش می‌یابد. تصویر پایین، وضعیت مبدل باک در حالت قطع بودن کلید قدرت را نشان می‌دهد:
از مبدل باک به منظور کاهش ولتاژ مدار استفاده می‌شود و در این مبدل، ولتاژ خروجی همواره کمتر از ولتاژ ورودی است. به کل فرایند یک بار روشن و خاموش شدن کلید مدار، دوره تناوب کلیدزنی گفته می شود که با Ts مشخص می شود. اگر طول مدت روشن بودن کلید در یک دوره تناوب را DTs نام گذاری کنیم، مبدل باک به مدت Ts-DTs در وضعیت خاموش خواهد بود. عبارت D در مبدل باک، "چرخه کاری" نامیده می شود. به طور مثال اگر چرخه کاری D=30% باشد، کلید مبدل به مدت 30% از Ts روشن و به اندازه 70% از Ts خاموش خواهد ماند.
همچنین، با در نظر گرفتن موارد فوق می توان گفت که فرکانس کلیدزنی (fs) برای مبدل باک برابر با معکوس دوره تناوب، fs=1/Ts خواهد بود. مبدل‌های سوئیچینگ به طور معمول فرکانس کلیدزنی بالا در حد چند تا چند صد کیلوهرتز دارند. در تصویر زیر، یک بازه کلیدزنی مدار باک مشاهده می شود:
کاربرد مبدل باک
مبدل باک به دلیل امکان کاهش ولتاژ، بازدهی مناسب و طراحی فشرده، کاربردهای گسترده ای در حوزه‌های مختلف دارد. برخی از کاربردهای مهم این مبدل عبارتند از:
الف) منابع تغذیه
از مبدل های باک به طور گسترده در مدارهای منبع تغذیه دستگاه های الکترونیکی مانند رایانه‌ها، تلفن‌های هوشمند و سایر ابزارهای الکترونیکی قابل حمل استفاده می شود. این مبدل مطابق با نیازهای دستگاه، به طور موثر ولتاژ خروجی را نسبت به ولتاژ ورودی منبع تغذیه (باتری یا شبکه AC) کاهش می‌دهد.
ب) صنایع خودروسازی
در صنعت خودرو از مبدل‌های باک برای اهداف مختلفی استفاده می‌شود. از جمله در تنظیم کننده‌های ولتاژ، سیستمهای روشنایی LED، واحدهای کنترل موتور و ... .
ج) سیستمهای انرژی تجدیدپذیر
مبدل‌های باک نقش مهمی در سیستمهای انرژی تجدیدپذیر مانند پنل‌‌های خورشیدی و توربین‌های بادی دارند. سیستم های خورشیدی و بادی ولتاژهای متغیری را تولید می‌کنند که باید کاهش یافته و تنظیم شوند تا با نیازهای شبکه یا باتری مطابقت داشته باشند.
د) دستگاه‌های قابل حمل
در دستگاه‌های قابل حمل و پوشیدنی که اندازه و کارایی مهم است، مبدل‌های باک کاربرد گسترده‌ای دارند. این مبدل‌ها در دستگاه هایی مانند اندازه گیر تناسب اندام، ساعت‌های هوشمند و هدفون‌های بی‌سیم استفاده می‌شوند که عمر باتری و فشردگی مدارات در آن ها بسیار مهم است.
ه) سیستمهای کنترل صنعتی
مبدل‌های باک در سیستم های کنترل صنعتی مانند روباتیک، درایوهای موتور و تجهیزات اتوماسیون کاربردهای بسیاری دارند. سیستمهای کنترل صنعتی به تنظیم دقیق ولتاژ و تبدیل توان کارآمد نیاز دارند و مبدل باک، ولتاژ کاهش یافته دقیق و تنظیم شده را برای این سیستم ها فراهم می آورد.
جمع بندی
در این مقاله، مطالب مهمی در مورد مبدل سوئیچینگ باک DC-DC ارائه شد. علاوه بر این، نحوه عملکرد و کاربردهای مهم این مبدل در زندگی امروزی و صنعت توضیح داده شد و به طور کامل مورد بحث و بررسی قرار گرفت. تمامی موارد فوق را همراه با نکات تجربی دیگر در مورد مبدل باک و سایر انواع مبدل‌های DC به DC ایزوله و غیر ایزوله و نکات عملی مربوط به هر کدام از آنها به طور کامل در دوره جامع منبع تغذیه و اینورتر بررسی کرده ایم.
در پایان، ممنون که همراه ما بودید. هر سوال یا ابهامی در مورد مطالب ارائه شده در این مقاله دارید حتما در کامنت ها بنویسید، به تمام سوالات پاسخ داده میشه. اگه انتقاد یا پیشنهادی هم داشتید ممنون میشم با ما در میان بزارید.
