وحدات التغذية الكهربية ثابتة الجهد – مثبتات الجهد و التيار
فى هذه السلسلة سنحاول بإذن الله مناقشة وحدات التغذية من حيث ضرورتها و الحاجة إليها – دوائر التقويم و خرجها – تثبيت الخرج – المثبتات الخطية – المثبتات التقطيعية – رفع و خفض الجهد – محولات الفرايت – الوحدات المتعددة الخرج – مثبتات التيار و محددات التيار
تتكون وحدات التغذية من مجموعة من الدوائر و التجهيزات لتأخذ الطاقة الكهربية من المصدر المتاح وقد يكون مستمر أو متردد، لتخرج جهدا واحدا أو أكثر بقدرة تغذية – “تيار” - حسب الحمل المراد تغذيته، لهذا قد يكون المصدر المتاح هو 110 أو 220 أو قيم أخرى بتردد 50 هرتز أو 60 هرتز أو أى تردد آخر مثلا 400 ذ/ث فى بعض الأجهزة المحمولة جوا و قد يكون بطارية أو لوحدة تغذية مستمر من ضوء الشمس.
فى الحالة الأولى حيث المصدر متردد، سنستخدم دوائر تقويم للحصول على جهد مناسب و بعد ذلك سيكون لدينا مصدر جهد مستمر و لكنه غير ثابت لأنه يعتمد على قيمة خرج المحول وجهد المصدر وشكل موجة الخرج فى المتردد وعلى تيار الحمل أيضا، أما فى حالات المصدر المستمر فيتغير الفولت بحسب جهد المصدر فالبطاريات تتغير بحسب شحنتها و المصادر الشمسية بحسب الشمس و الجميع يتأثر أيضا بتيار الحمل.
يجب هنا أن نفرق بين الجهد الثابت و المستمر فالجهد المستمر هو الذى لا يتغير فى زمن قليل مثل جهد البطاريات و الخلايا الشمسيه لكنه غير ثابت، فالخلايا و البطاريات يتغير خرجها كما ذكرت سابقا. طبعا وضح أن الجهد الثابت هو الذى لا تتغير قيمته ولا طبيعته بتغير الحمل أو الوقت ولذا فمن الشائع تعبير مثبت الجهد المتردد وهو الذى يثبت الجهد المتردد وكذا يثبت تردده مع تغير الحمل و تغير المصدر.
الأحمال تتباين فى احتياجاتها فبعضها لا يتأثر بالتغيير فى الفولت و الآخر قد يتأثر تأثر شديد و مباشر فمثلا دوائر عائلة TTL الرقمية يتراوح جهد التغذية من 4.75 إلى 5.25 فولت أى 5 فولت +/- ربع فولت و خارج هذا النطاق فالأداء غير مضمون، و كذا بعض أنواع الميكرو كونترولر بعضها متسامح من 3 إلى 5 فولت و الآخر لا يقبل هذا التفاوت.
هناك مشكلة أخرى هامه وهى التداخل بين المراحل عبر وحدة التغذية فلو نظرنا للوحدات فى الرسم التالى
سنجد أن الوحدات بالرسم العلوى ستسحب تغذيتها من المصدر +/-V وهو له مقاومة داخلية صغيرة جدا لكنها موجودة كما بالرسم وبقيمة Rs و هذا التيار يسبب ظهور فولت عليها يؤثر فى الثلاثة الباقية – أى أن كل واحدة تؤثر فى الثلاثة الأخريات، و لو كان هذا التيار نبضى بتردد عالى، سيكون له القدرة على الإنتقال لدخوله عبر السعات الشاردة وقد يظهر مباشرة فى خرج دائرة أخرى.
فى الرسم السفلى حيث تكون وحدات متتابعة، فالتغير فى جهد التغذية يجد طريقة لدخول أحد المراحل فيكبر فيها و ينتقل للتالية و هكذا مما يسبب تشويه الخرج و عدم الإستقرار حيث يكون أحد الأسباب فى تحويل المكبر إلى مذبذب.
مما سبق نشأت الحاجة لتثبيت الجهد فى الخرج بدقة تزداد حسب حاجة التطبيق و هى وسائل منذ بدء استخدام الصمامات المفرغة ولكنها طورت بحسب التقنية المتاحة.
التحميل
أو
أو
Switching Power supply Design.pdf (2.2% u)
دوائر التقويم و خرجها :
لا شك أن الجميع يعلم هذه الدوائر لكن فقط من وجهة موحد 50ذ/ث وجه واحد موجة جيبية و لكن هل تعلم أن بعض لوحات الحاسب الآلى عليها مثبت متعدد الأوجه؟ نعم و يأخذ من مستمر أيضا…
هذه دائرة تقويم نصف موجة و دائرة موجة كاملة
دوما نتناولها بحيث دخلها هو موجة جيبية
نرى هنا المتردد باللون الأسود و المتوسط الحسابى باللون الأخضر و الفولت الفعلى باللون الأحمر و التيار المار فى الثنائيات باللون الزهرى.
نلاحظ هنا أن المتوسط الحسابى يعتمد على الموجة الداخلة و يتغير فقط إن تغير جهد الدخل
متوسط الجهد المستمر لنصف الموجة = الجهد الأقصى ÷ 3.14 = 0.318 الجهد الأقصى
جذر متوسط التربيع لنصف الموجة = الجهد الأقصى ÷ 2 = 0.5 الجهد الأقصى
متوسط الجهد المستمر للموجة الكاملة = الجهد الأقصى ×2÷ 3.14 = الجهد الأقصى
جذر متوسط التربيع لنصف الموجة = الجهد الأقصى ÷ جذر2 = 0.707 الجهد الأقصى
لهذا وضع مكثف بالخرج كما بالصورة يجعل جهد الخرج يتراوح ما بين القيمة العظمى و قيمة الجهد المستمر الممكن الحصول عليه بدون مكثف (من تحليل فورير الذى يقول أن هذا الشكل يكافئ أو يمكن تحليله أو إعادة تكوينه من هذه المركبة من الجهد المستمر إضافة للعدد من الترددات التوافقية كل بقيمته). و نلاحظ أيضا أننا نتحدث عن الجهد الأقصي بدلا من القيمة الفعلية و المسماة جذر متوسط التربيع RMS وذلك لأنه ما سيمكننا الحديث عنه فقط فى الوحدات النبضية، حيث كلما تغير عرض النبضة تتغير معادلة الحساب لقيمة RMS و يصعب إيجادها لكل قيمة،لكننا سنعرف دوما قيمة النبضة العظمى.
و نلاحظ أيضا أن تغيير التردد لا يوثر فى الخرج إلا فى وجود المكثف لأنه يخزن بعض الطاقة لما بين النبضتين.
قبل أن نترك هذا الموضوع يجب أن نعرض للفازات المتعددة، حيث نرى هنا تقويم 3 فاز نصف موجة حيث نلاحظ هنا تداخل قمم الموجات مما يرفع جهد الخرج المستمر لقيمة 0.82719 من القيمة العظمى وهى أعلى من قيمة RMS حيث تبلغ 1.17 القيمة الإسمية أى أننا لو استخدمنا 3 من محولنا العادى 220/12 فولت فسنحصل على خرج مستمر 12×1.17= 14.04 فولت و تقل الحاجة لوجود مكثف أيضا و تصبح الحاجة إلية لترشيح نبضات التداخل من ضوضاء المصدر أكثر من وظيفة التنعيم
وهنا نجد موجة كاملة 3 فاز حيث يصبح المستمر الخارج 2.34 من القيمة الإسمية أى 1.65438 من القيمة العظمى فيكون المثال السابق له خرج 28.08 فولت
نلاحظ هنا أيضا عدة نقاط هامة وهى أن الجهود لا تتساوى لحظيا فى الفازات و من ثم دوما هناك دايود واحد فى تقويم نصف الموجة أو موجة كاملة موصل لحظيا و يتحمل التيار كله وقتيا لكن لفترة زمنية أقل وهذا يزيد من تحمله لحصوله على فرصة أكبر ليبرد.
أيضا تردد الجزء الباقى من المصدر يزداد بازدياد عدد الأوجه حيث ينتج تقويم الموجة الكاملة ضعف عدد الفازات فنجد ان تقويم وجه واحد نصف الموجة يعطى نفس تردد المصدر، تقويم موجة كاملة يعطى 2×تردد المصدر، نصف موجة 3 فاز يعطى 3×تردد المصدر و موجة كاملة 3 فاز يعطى 6×تردد المصدر و كلما زاد التردد كان أفضل فى التخلص منه حيث نفس المكثف تزداد كفاءته لإنخفاض مقاومته بنفس نسبة التردد.
و سنرى الدخل النبضى المرة القادمة إن شاء الله
هنا نجد نفس الدائرة ولكن بدخل نبضى و بنفس الألوان
نجد هنا أن تغيير عرض النبضة أصبح ممكنا و من ثم كل القيم السابقة قابلة للتغيير حسب عرض النبضة، و يلزم إعادة حساب كل نسبة عرض لإرتفاع بمفكوك فورير لتحديد الترددات و قيمها، لكن حساب الجهد المستمر أصبح سهلا لكونها مستطيلة الشكل و متوسطها الحسابى سهل، ببساطه:
الإرتفاع × العرض ÷ المسافة بين النبضتين أى
الفولت × زمن عرض النبضة ÷ الزمن بين النبضتين.
هنا أيضا يجب مناقشة الأوجه المتعددة، فلو نظرنا هنا للدائرة 3 فاز سنجد أن تغيير عرض النبضة من السهل جدا أن يتعدى زمن نبضة الوجه الآخر و يصبح زوج من الدايودات مفتوح فى أن وهذا يجعل الحمل مشتركا لحظيا بينهما مما يزيد من قدرة الخرج.
من المقدمة السابقة نجد أنه عندما يسحب الحمل تيار، سيتغير جهد الخرج بسبب تفريغ المكثف أولا ثم أن عندما يزداد السحب يدخل تأثير دائرة المصدر مثل المحول و هبوط الجهد على الثنائيات الخ.
أعلم أن هناك العديد من القراء الأعزاء سيعترضون لأن جهد الثنائى 0.6 فولت لكن بعضهم سيقول 0.7 و سينشأ جدال، حسنا لماذا لا نحتكم لمن صنع هذه الأشياء؟
هذه صورة من الداتا شيت للثنائى الشهير 1N4004 و آخر شهير ولكنه سريع يستخدم فى دوائر التقطيع
نلاحظ أن الثنائى 1N4004 بالجدول السفلى يكون عليه 1.1 فولت أثناء مرور 1 أمبير و الثانى بالجدول العلوى عليه فولت بحسب رقمه فالرقم المناسب للجهود 50 إلى 300 عليه 1 فولت ثم الأعلى 1.3 و أخيرا 1.7 فولت!
و السبب اختلاف نسبة الشوائب و أسباب أخرى.
إذن لننسى قصة 0.6 هذه و نعتمد الداتا شيت دوما فالمسألة بالغة الخطورة حيث لو لدينا 3 أمبير تمر فى دايود باعتبار 0.6 سنتوقع حرارة 1.8 وات بينما حسب الداتا شيت هى 1.7×3= 5.1 وات وهذا إن لم يبرد سيتلف الدايود.
أرجو أن نلاحظ أن هناك شروط مذكورة أيضا بالداتا شيت منها درجة الحرارة حيث ينخفض الفولت بارتفاع الحرارة و العكس.
مما سبق نجد أن أسباب تغير الفولت عديدة و غير ثابتة أى من المستحيل تصميم دائرة تغذية لها جهد ثابت لا يتأثر بجهد الدخول و تيار الحمل و تغير الحرارة.
الحل أن نستخدم دائرة لتثبيت الجهد وهى ببساطة دائرة تستشعر جهد الخرج و تقارنه بجهد مرجعى ثابت ثم تضبط الخرج بناء على ذلك
مثبت الجهد :
تتكون مثبتات الجهد من المكونات الثلاث المبينه بالصورة:
الجهد المرجعى و مكبر الخطأ و المتحكم
الجزء الأيسر و الممثل بالقنطرة و المرشح هو جزء اختيارى بحت فقد لا يكون موجودا مثلا فى أنظمة الطاقة الشمسية ووحدات التحويل من مستمر لمستمر DC-DC وقد يكون جزء من المتحكم كما فى وحدات تغذية موتورات التيار المستمر. لكن المهم هو فهم الأجزاء الباقية.
يتكون المتحكم من صمام تحكم و دائرة موائمة، و أقول هنا صمام تحكم لكونه يصلح أن يكون أى من أغلب وسائل التحكم فى التيار فهو قد يكون ثايريستور أو ترانزيستور أو موسفيت أو IGBT ولهذا تكون دائرة الموائمة هى للتنسيق بين خرج المكبر و متطلبات هذا الصمام و الهدف المراد تحقيقه.
الهدف المراد تحقيقه هنا إما تحكم تدريجى فيسمى منظم خطى أو التحكم النبضى فيسمى “مفتاحى – تقطيعى” أو سمه ما شئت.
قبل أن نناقش التركيب يجب أن نعلم ما نبحث عنه وهو ما يسمى خصائص المثبت:
1- تثبيت الخرج ضد الدخول. وهو عندما يكون الحمل ثابتا، كم يتغير جهد الخرج عندما يتغير الدخول من أقل قيمة مسموحة لأعلى قيمة، و يتكرر هذا مرة و الحمل أقل ما يكون و مرة عندما يكون أعلى ما يكون.
2- تثبيت الخرج عندما يطبق الدخل فجأة، فالبعض يسمح بارتفاع لحظى كبير قبل احكام السيطرة مما قد يكون خطرا على الحمل.
3- كم يظهر من هذا الدخل فى الخرج لو كان هذا التغير من جهد متردد؟
4- كم يتغير الخرج عندما يزداد حمل الخرج تدريجا من صفر أمبير إلى حمل كامل.
5- كم يتغير الخرج لو طبق هذا الحمل فجأة.
6- كم يكون هذا التغير فى حال رفع الحمل فجأة (الحالة 4 و الحالة 5).
7- ما هو تأثير درجة الحرارة على القيم السابقة.
ألآن لنرى كيف تترجم هذه المكونات لدائرة واقعية
سنجد أن الزينر هو الجهد المرجعى و مكبر الخطأ هنا هو الترانزيستور Q2 و صمام التحكم هو Q1 و دائرة الموائمة Interface هى المقاومة R1
كيف تعمل؟
المقاومة R1 تمد الترانزيستور Q1 بتيار انحياز يكفى ليكون مفتوح و موصل بكامل طاقته – أعلم أنك ستقول حال التشبع ولكنى قد أخالفك الرأى و قريبا سنرى لماذا!!
الزينر لا خلاف عليه وكونه فى دائرة المشع Emitter للترانزيستور Q2 يجعل Q2 فى وضعية بحيث يجب أن يرتفع جهد قاعدته Base لأعلى من جهد الزينر على الأقل بقيمة 0.5 فولت وهو جهد الفتح Cutin voltage لكى يبدأ العمل، و 0.6 ليكون فاعلا وهذه هى المقارنة بالمرجع و تكبير جهد الخطأ.
لنفترض أن المقاومة المتغيرة عند المنتصف تماما أى أن الجزء R1=R2 وهنا متى بلغ الخرج ضعف قيمة الزينر+ 0.5 سيبدأ الترانزيستور Q2 فى سحب تيار من المقاومة R1 و سيكون عاملا عند 0.6 فولت ساحبا تيار من المفترض ذهابه إلى قاعدة Q1 و الذى يسبب توصيله، هكذا يقل توصيل Q1 و يمنع الخرج من الازدياد لأن كلما زاد الخرج زاد جهد النقطة Vs و من ثم تيار قاعدة Q2 و الذى يضرب فى بيتا Q2 و يظهر مسحوبا من R1 مقللا من توصيل Q1 حتى لو وصل Q2 “نظريا” للتشبع سيصبح جهد قاعدة Q1 هو جهد الزينر أى أن الخرج سيكون أقل من Vs
لنعطى للزينر قيمة 4.4 لنرى بالحساب كيف تسير الأمور وهى قيمة غير عملية لكن أسهل حسابيا
جهد القاعدة = جهد الزينر + جهد القاعدة باعث 0.6 فولت
4.4 + 0.6 = 5 فولت أى عند 5 فولت سيسحب Q2 تيار من قاعدة Q1 متحكما فى كميه التيار الخارج للحمل
بما أن جهد القاعدة Vs هو 5 فولت إذن الخرج 10 فولت لإفتراضنا أن المقاومة المتغيرة فى المنتصف تماما.
لو زاد الحمل فى الخرج أى زاد التيار سيحاول خفض جهد الخرج، مما يقلل من قيمة 10 فولت و من ثم نصفها الـ 5 فولت على قاعدة Q2 فيقل تيار القاعدة و من ثم تيار مجمع Q2 تاركا مزيد من التيار من المقاومة R1 لكى يذهب للترانزيستور Q1 لكى يمرر تيار أكثر.
لو قل الحمل فى الخرج، وارتفع الفولت عن 10 فولت سيرتفع بالتالى النصف الـ5 فولت و بالتالى تيار قاعدة Q2 و من ثم تيار مجمعه و الذى يسحبه من R1 أى من الذاهب لقاعدة Q1 فيقل توصيله ليخفض الخرج.
من الشرح يمكن أن نغير قيمة الخرج بتغيير وضع المقاومة المتغيرة، فلو حركنا المنزلق لأسفل تصبح مثلا R2 = ضعف R1 إذن سيظل 5 فولت على R1 ولكن على R2 الضعف أى 10 فولت و بالتالى الخرج يصبح 15 فولت.
ولو صار Q2 فى حال التشبع “نظريا” أى سحب أعلى تيار، أو تلف كقصر سيكون جهد قاعدة Q1 هو جهد الزينر أى 4.4 و يطرح منه جهد القاعدة باعث للترانزيستور Q1 فيكون الخرج 3.8 فولت. هذا فقط لتوضيح كيف كلما زاد توصيل Q2 قلل من الخرج.
استخدام مكبر العمليات:
لو أردنا زيادة كسب المكبر يمكن إضافة أى دوائر بالترانزيستور المعروفة لكن أسهلها هى استخدام مكبر عمليات حيث يمكنك أن تحدد الكسب بسهولة فهو
الكسب = المقاومة Rf مقسومة على Rs و كل ما عليك مراعاته أن تكون Rs تساوى 10 أمثال المقاومة المتغيرة حتى لا تؤثر على قيمتها.
طبعا باستخدام 3 ترانزيستور سيكون تيار قاعدة Q4 فى حدود بضع مللى أمبير وهو ما يمكن لأى مكبر عمليات أن يوفره.
ما يجب أن نهتم به فى اختيار المكبر هو
1- أن يكون جهد التغذية مناسب لتشغيله فمثلا 741 لا يعمل بأقل من 9 فولت بينما LM358 يبدأ من 3 فولت.
2- أن يصل جهد الخرج لقرابة الصفر و 741 لا ينزل خرجه لأقل من 2.5 فولت بينما LM358 يصل إلى 0.2 فولت.
3- أن لا يكون سريع الإستجابة فيسبب اهتزاز الدوائر و الخرج فمثلا LM358 أقصى تردد له 1 ميجا بينما LM318 يصل لأكثر من 15 ميجا.
الآن أين نوصل Vcc,Vzz بالدائرة
يمكننا أن نوصلهما بالخرج الثبت لكن لو الخرج متغير سيحد ذلك من الجهد الأدنى الممكن الوصول إليه، لذا يمكن توصيله بجهد الدخول، ولو كان أعلى مما تتحمله هذه الدوائر فيمكن استخدام مثبت آخر لهذا الغرض فقط.
استخدام مكبر عمليات لا يقتصر فى الحقيقة على زيادة الكسب ولكنه يوفر سهولة كبيرة فى إضافة دوائر حماية متنوعه مثل الحد من التيار المار للحمل و الحماية ضد القصر الخ.
استخدام موسفيت و IGBT
مشكلة الترانزيستور الرئيسى Q1 هى انخفاض بيتا فى التيارات العالية لكن الموسفيت لا يعانى من هذا القصور فغالبية وحدات موسفيت القدرة تبدأ التوصيل عند جهد بين البوابة و الباعث Vgs حوالى 2 إلى 4 فولت و تصبح تامة التوصيل عند 6 إلى 8 فولت و كل الخواص تعطى عند 10 فولت و أقصى تحمل هو 20 إلى 24 فولت بحسب رقم الترانزيستور، غنى عن الذكر أن هناك وحدات صممت لجهد 5 فولت و لكنها صممت أصلا للتعامل مع الوحدات الرقمية و من هذا لا نتوقع التصرف الأمثل فى الدوائر الخطية مالم ينص على ذلك فى الداتا شيت.
أذكر هنا بالقيم السابقة " حوالى 2 إلى 4 فولت " الخ، هذا التراوح بين الوحدات ذات نفس الرقم حتى لا نفترض قيم مقدسة مثل 0.6 فولت للترانزيستور العادى.
استخدام موسفيت سيغنينا عن الحاجة لدائرة دارلتجتون و المقاومة R1 يمكن ببساطة أن تكون بضع كيلو أوم بلا مشاكل مما يتيح استخدام ترانزيستور ذو تيار قليل و كسب عالى فى Q2 كما يتيح استخدام وحدات تيار عالى مباشرة كالدائرة بالرسم.
لكننا كنا نتحدث عن التيار و الآن نحن نتحدث عن الفولت، هل تغيرت الأمور؟
لو ارتفع الخرج سيرتفع جهد قاعدة Q2 فيزيد تياره و ينخفض جهد نقطه المجمع / بوابه مما يزيد جهد البوابة / مصدر Vgs للموسفيت فيزيد توصيله وهذا عكس ما نريد، لذا يجب استخدام إما ترانزيستور PNP تابع مهبطى فى Q2 و نخسر الكسب أو نضيف ترانزيستور عاكس هكذا.
الآن لو ارتفع الخرج سيزيد توصيل Q3 فيقل جهد المجمع C و من ثم جهد قاعدة Q2 فيقل توصيله و تياره فيقل جهد البوابة / مصدر فيقل توصيل Q1 مقلللا من الخرج.
بالنسبة لمكبر العمليات فالأمر أصبح أسهل كما بالرسم
لو ارتفع الخرج سيرتفع خرج المكبر بنسبة التكبير المذكورة فيرتفع جهد البوابة فيقل الفرق بين البوابة و المصدر فيقل توصيل الموسفت مخفضا الخرج.
نلاحظ هنا مشكلة الموسفيت أن جهد البوابة / مصدر يجب أن يكون من 4 إلى 8 فولت وهو المدى العامل للموسفيت من القطع للتوصيل وهذا يحد من أقل قيمة بين الدخول و الخروج لذا فهو ليس الأنسب لوحدات LDO و لكنه لا يشكل عائق فى الوحدات النبضية كما سنرى لاحقا.
ما يجب مراعاته عند اختيار الموسفيت
1 – أن يتحمل 1.5 مرة مثل الفولت الأقصى للدخول تحسبا للطوارئ (راجع الداتا شيت).
2 – أن يتحمل على الأقل 1.5 مرة مثل التيار الأقصى للحمل و الأفضل الرجوع للداتا شيت لمنحنى التحميل و الذى يربط فرق الجهد بالتيار.
بالطبع يمكن اختيار سالب N-ch للوحدات العادية أو موجب P-ch لوحدات LDO ذات الإنخفاض الأقل لكن لكثرة استخدام الأول قد تجده أقل سعرا و يتحمل فولت أعلى.
استخدام IGBT
ما يجب مراعاته فى IGBT أنه ترانزيستور عادى NPN يفتح باستخدام MOSFET فى تركيبة دارلنجتون وقد كان يرجى منه التفوق على كلاهما لكن الواقع أثبت عكس ذلك فجهد التشبع بين طرفى الترانزيستور يكون 2 فولت و احيانا أعلى مما يسبب فقدا كبيرا فى الحرارة فتركيبة الوحدة كدارلنجتون لا تسمح بجعل وصلة القاعدة / مجمع للترانزيستور بأن تكون أمامية Forward Biased مما يجعل الفولت بين المجمع و الباعث عالى نوعا ما ولن يصل لقيمة التشبع المتوقعة. و إذا قورن بمقاومة الموسفيت عند الفتح و التى وصلت بضع مللى أوم سنجد أن الموسفيت أصبح أفضل.
أعتقد أن IGBT كان ضرورة و حلم تحقق فى فترة ما لكنه فقد بريقة بتطور الموسفيت الحالى.
هذا فضلا عن سهولة توصيل الموسفيت على التوازى وصعوبة ذلك فى IGBT و قد كانت الحاجة ماسة عندما لم يتوافر موسفيت بتيار عالى و فولت عالى لكن حاليا يمكن أن تجد 1000 فولت بتيارات عشرات الأمبير أو فولت متوسط مع تيارات مئات الأمبير – فقط قوم بزيارة لأحد مواقع الشركات المنتجة ستجد ما لم تتصوره.
الجهد المرجعى :
وهو إما زينر أو دائرة متكاملة و الزينر كما يعلم الجميع مجرد دايود له جهد انهيار محدد لكن مالا يعلمه الكثير أنه غير دقيق، فالجهد عليه يتغير بتغير التيار المار فيه كما يثبت منحنى الخواص له كما بالشكل،
المنحنيات لمجموعة الزينر المبينة أرقامها وهى عائلة بقدرة 5 وات.
كل خط رأسى يمثل رقم من السلسلة وله فولت محدد وتبدأ بأقلها فولت على أقصى اليسار تدريجا. نلاحظ أن المحور الرأسى يمثل التيار المار به، فنجد أن الوحدات الأقل فولت قد يتغير الفولت عليها بتغير التيار حتى 1 أو 2 فولت وهو يكاد يكون ضعف قيمة الزينر، فمثلا خامس خط من اليسار يبدأ من 2.5 إلى 4.5 فولت، فضلا عن أن الوحدات ذات التيار العالى مكلفة جدا ولا تناظر الدقة المتدنية التى نحصل عليها منها، ولا ننسى تاثرة بدرجة الحرارة.
البعض قد يظن أننا لو وضعنا زينر ذو وات أعلى فى دائرة يمر بها تيار كبير سيجعله يعمل دون مشاكل.
رجاء ان لا ننسى أن القدرة الحرارية المتولدة به و المطلوب التخلص منها إما بالإشعاع فى الهواء أو التوصيل بمبرد كافى تخضع لنفس القانون:
التيار × الفولت و التيار هنا الفعلى المار به و الذى يزيد لو رفع الحمل عنه فجأة وهذه الحرارة ستجعله يبدأ بقيمة فولت ما و تتغير عندما يسخن.
لذا إقتصر استخدام الزينر على دوائر الحماية و دوائر القص حيث فى دوائر الحماية لو ارتفع الجهد ينهار الزينر فيقدح ثايريستور للتيار المستمر أو تراياك للمتردد فيكون قصر على خط التغذية ليحرق فيوز فيما هو معروف بدائرة Crawbar أو “العتلة” أو قضيب الحماية تشبها بذلك المسمى بذات الإسم و المستخدم فى دوائر الضغط العالى عند الخطر وهو متصل جيدا بالأرضى للأمان، فيلقى على خطوط التيار لتفعيل دوائر الحماية لتفصل التيار أسرع من الذهاب لمفتاح القطع و فصل التيار عند الطوارئ.
طبعا لاحاجة للتوضيح أن لو كان الحمل مثلا TTL أى 5 فولت يكون الزينر 5.1 أو 5.6 فولت و لو كان الحمل مثلا 2 أمبير يكون الثايريستور 8 أمبير أو أعلى و الفيوز 3 أمبير حتى نضمن أن قصر الثايريستور لا يسبب تلفه – فقط يتلف الفيوز، و تيار الفيوز لا يسبب احتراق مصدر التغذية أيضا.
أما الدقة فالخرج هنا ثابت وليس من النوع المتغير القابل للضبط فضلا عن أن المطلوب الحماية منه هو انهيار الترانزيستور المتحكم فيمر الدخل بكامله للخرج وهو فرق عادة كبير.
دوائر القص هى ببساطة مقاومة و زينر للأرضى أو بين خطين فإن زاد الجهد عن المسموح يحمى الزينر مدخل الجهاز أو الميكرو أو يقى من التشويه فى مكبر نتيجة إرتفاع جهد الدخل الخ كما بالرسم الأيسر.
أما بالنسبة للجهد المتردد فيمكن وضع 2 زينر متعاكسين كما بالرسم الأيمن و المسماة Back to Back بنفس القيمة و يفضل استخدام مقاومتين متساويتين ليكون الخرج متماثلا حول الصفر.
لعدم دقة و ثبات جهد الزينر ففى الوحدات ذات الدقة العالية تستخدم متكاملة مثل TL431 و سنشرحها فى المرة القادمة إن شاء الله.
الوحدات المرجعية :TL431
هذه الوحدات مبنية على فكرة عبقرية نشرها الباحث ديفيد هيلبيبر David Hilbiber عام 1964 حيث أثبت أن لو لدينا وصلتين سيليكون متماثلتين “دايودين مثلا” و يمر فى كل منهما تيار مختلف، فرغم أن قيمتى التيارين ستتغير بالحرارة و سيتغير الفولت إلا أن التغير فى الفرق بينهما لو اختير بدقة سيلاشى كل منهما الآخر، وعليه فإن الدائرة المبينه بالرسم ستعطى جهدا ثابتا قرابة 1.25 فولت لا يتأثر بالفولت او الحرارة وهما من المشاكل الرئيسية فى الزينر.
الوصلتين هنا هما القاعدة/باعث BE للترانزيتورين T1,T2 و المقاومات تحدد الفرق بين تياراتهما لذا فالفرق بينهما نتيجة الطرح بمكبر العمليات سيعطى المرجع الثابت.
هذه النظرية استخدمت لبناء متكاملة المرجع الثابت و التى لايخلو منها وحدة تغذية حاسب أو مصدر تغذية جيد.
تتكون هذه المتكاملة كما بالصورة اليسرى من مولد الجهد المرجعى السابق شرحه مع مكبر عمليات لتوفير التيار اللازم لتشغيل ترانزيستور الخرج الذى يسمح بتيار حتى 100 مللى أمبير وللمتكامله ثلاث أطراف:
1- ألمرجع Reference وهو مدخل لتغير قيمة الجهد على طرف الكاثود. لو وصل بالكاثود، سيكون الخرج هو الجهد المرجعى 2.44 إلى 2.55 فولت.
2- الكاثود حيث يكون جهد الخرج.
3- الأنود ويوصل عادة بالأرض أو السالب
سيقول البعض حسنا هناك 0.11 فولت بين الصغرى و العظمى، أجل و لكنها أولا توازى 4.5% بدلا من 10 % أو أكثر للزينر و ثانيا قيمة لا تتغير لكل وحدة بتغير التيار و الحرارة على خلاف الزينر.
الدائرة اليسرى تبين التوصيل للجهد المرجعى و اليمنى تيبن كيف يمكنك زيادة الخرج وليس الجهد المرجعى، فمازال الجهد المرجعى ثابتا بين الطرف 1 المسمى reference و الأنود كما بالصورة.
الداتا شيت به عديد من التطبيقات الأخرى لهذه المتكاملة كمرجع متغير و مصدر تيار ثابت حتى أنها تستخدم كمكبر صوت ذو قدرة صغيرة.
زيادة التيار لمثبتات المتكاملات الخطية:
صنع من الوحدات السابقة 1 أمبير و أقل و 3 أمبير و 5 أمبير فقط و طبعا كلما زاد التيار زاد الفقد كحرارة لكون هذه الدوائر ذات كفاءة منخفضة وهى الآن لا تستخدم سوى قرب الجهد المطلوب لأسباب سنناقشها فى المقارنة بين الخطى و النبضى فضلا عن أنه من المفضل أن يكون كل كارت عليه مثبت جهد لتقليل التداخل بين الكروت فى الأنظمة المتعددة الكروت، وهذا دعا لتصنيع وحدات ذات هبوط قليل Low Drop Out و اختصارا LDO حتى تستخدمها عند جهد أقرب من الخرج عن تلك التقليدية و ستكون الموضوع التالى بإذن الله .
لزيادة التيار عما سبق، أولا لماذا لا نوصل الوحدات على التوازى ولا حاجة لطول الشرح؟!!
السبب بسيط جدا أنه لا توجد وحدتين متماثلتين إطلاقا لذا لا يمكن توصيل وحدات TL431 على التوازى لهذا السبب.
ماذا عن 7805 و عائلتها؟ نفس المشكلة فمن الداتا شيت سنجد أن الخرج يتفاوت من وحدة لأخرى فى حدود 0.2 فولت لوحدات 5 فولت ويصل إلى 0.6 لوحدات 15 فولت وهذا يجعل التيار من نصيب الأعلاها خرجا فتشعر الأقل أن الخرج أعلى مما يجب فتوقف التغذية.
نفس الكلام بالنسبة للمتغيرة LM317 فجهد المرجع 1.2 فولت أيضا متراوح كما ذكرت من 1.2 إلى 1.3 وهذا يسبب نفس المشكلة، فالتوصيل على التوازى لا يصلح بدون مقاومات لتنسيق الأحمال و التى بدورها تزيد من الفقد.
هذه الدائرة من ملف الداتا شيت لشركة NS وهى تستخدم ترانزيستور PNP كما بالرسم العلوى و فكرته أن المقاومة RS تحسب على أساس جهد القاعدة/باعث VBE للترانزيستور مقسوما على التيار المطلوب مروره فى المثبت. فلو أردنا مثلا أن يمر 0.5 أمبير فى المثبت و جهد القاعدة/باعث VBE للترانزيستور = 1.3 فولت ستكون 1.3÷0.5 = 2.6 أوم
طالما التيار أقل من 0.5 أمبير فالمتكاملة تتحكم وتقوم وحدها بالخرج، وعندما يمر فى المتكاملة تيار حمل = 0.5 أمبير سيبدأ الترانزيستور فى التوصيل و هنا كلما زاد تيار الحمل زاد توصيل الترانزيستور و تحمل هو الفرق و هكذا يزداد التيار مع الإحتفاظ بكون الخرج هو خرج المتكاملة و يتمتع بكل مزاياها السابقة، لو زاد الخرج لأي سبب ستقلل المتكاملة من تيارها و من ثم يغلق الترانزيستور، و إن قل الخرج ستزيد المتكاملة من تيارها و من ثم تغذية قاعدة الترانزيستور فيزيد من تياره – فقط فقدنا نقطة Fail Safe أو الفشل الآمن فتلف الترانزيستور سيضع الدخل بكاملة على الخرج لذا يجب وضع دائرة الحماية crowbar أو “العتلة” التى سبق شرحها فى الزينر.
أرجو الا يشكو الكثير من عدم دقه هذه المعادلة و السبب ليس فى قانون أوم فلم يخرق منذ أن جعله الله ليحكم أول نفريغ كهربى فى أول سحابة تكونت فى أول كوكب فى الكون حتى الآن ولكن السبب أن الجهد 1.3 فولت بحسب الصانع سيزداد بزيادة التيار و يتأثر بالحرارة و يختلف من ترانزيستور لآخر بنفس الرقم ، لكون الفولت غير دقيق و من ثم ستكون النتائج…
يمكن زيادة الخرج عن تحمل ترانزيستور واحد بتوصيل مجموعة على التوازى مع مراعاة وضع مقاومات صغيرة متساوية واحدة فى دائرة باعث كل ترانزيستور لتساوى تقسيم الحمل بين الترانزيستورات و الدائرة تفصيلا موجودة فى الداتا شيت للدائرة LM317 ولا داعى لتكرارها.
لتقليل احتمال التلف للترانزيستور يمكن استخدام دائرة حماية ضد زيادة التيار كما بالرسم السفلى حيث عندما يمر أقصى تيار مسموح به فى المقاومة Rsc يكون عليها ما يكفى لتشغيل الترانزيستور Q2 و من ثم يكون قصر على المقاومة R1 التى تفتح Q1 و من ثم تتسبب فى غلق Q1 نسبيا ليحد من تيار الحمل لقيمة مقبولة.
قبل أن نترك الموضوع هناك خطأ شائع للأسف مدعوما ببرامج المحاكاة المتنوعة حيث يفترض أن دائرة تابع المهبط تصلح هنا بالمخالفة لمقترحات الشركات المصنعة، فمثلا هذه الدائرة وضعت فى منتديات كثيرة
لنناقشها مع الإفتراض الجدلى الخاطئ بأن هذه القيم التالية ثابتة لا تتأثر بالحرارة ولا تختلف من قطعة لأخرى ولا تتغير بتيار الحمل.
أول خطأ اعتمده برنامج المحاكاة هو المساواة بين جهد 1N4004 و جهد قاعدة/باعث VBE للترانزيستور فكلاهما فى تقديره وصلة سيليكون (!) بينما الأول تعرضنا له سابقا ويساوى 1.1 فولت و الثانى مرفق أسفل الدائرة و يساوى 1.5 فولت و هناك 0.4 فولت فرق بينهما كما بالرسم وتتغير حسب الظروف.
الخطأ الثانى للبرنامج افتراضه أن الخرج سيكون ثابتا مهما تغير التيار بينما هذا غير صحيح فجهد قاعدة/باعث VBE للترانزيستور يتغير بتغير التيار و درجة الحرارة.
الخطأ الثالث أنه أهمل التيار × المقاومة 0.47 و باعتبار التيار المطلوب من الدائرة 10 أمبير سيقسم على 3 و يمر كل ثلث فى مقاومة 0.47 مكونا فولت = 1.565 فولت متغير بحسب الحمل أى ان تثبيت الخرج لم يعد له وجود وبالتبعية كافة مزايا المتكاملة.
كل هذه الدوائر تعانى من الفقد العالى كحرارة نتيجة التحكم الخطى الذى يتطلب جهدا كبيرا بين الدخول و الخروج لذا لجأ البعض لإنتاج ما عرف بذات الإنخفاض القليل LDO وهو موضوعنا التالى بإذن الله
مثبتات التيار و محددات التيار :
تحديد التيار هو أن لا نتدخل فى أداء الدائرة حتى يصل التيار لقيمة ما يمكن ضبطها أو يسبق تحديدها و عندها فقط نخفض جهد الخرج لمنع زيادة التيار. قانون أوم يحتم أن لا وسيلة سوى تقليل الفولت.
إذن لم الحاجة لذلك، أبسط مثال 7805 لو زاد التيار سيقل الخرج حتى لا تحترق فلو احترقت سيخرج الدخل بكاملة بلا تحكم إلى الحمل متلفا إياه، وهذا عكس عطب المتكاملة، فيكون لتلف جزءأو مكون ما أو أكثر فى دائرتها الداخلية لذا يمكن أن تمنع الخرج كليا طبقا للتعريف التلف الآمن، أما الإحتراق نتيجة إرتفاع شديد فى الحرارة فيسبب “طبخ” المكونات حيث تندمج الشوائب ألتى تضاف أصلا بالحرارة المحكومة للسيليكون أو غيره و عندما تندمج الشوائب لا يصبح هناك سالب أو موجب N, P و تصبح قطعة من المعدن الموصل.
الإستخدام الآخر ولا يقل أهميه، عندما تصمم دائرة أو تصلح دائرة، كثيرا ما يكون أحد الترانزيستورات يقود آخر ولو زاد التيار سيتلف ترانزيستورات قدرة غالية الثمن أو تردد عالى مكلفة الخ
هنا نعلم أن أقصى تيار مثلا 500 مللى فنضبط الخرج على 500 مللى فيعطى المصدر الجهد حتى 500 مللى و هنا يبدأ فولت الخرج فى النزول لمنع زيادة التيار، و عندها نعلم أن هناك مكون ما يسبب هذا، فنستمر فى البحث حتى يتم الإصلاح.
مثال ذلك ما شرحناه فى دائرة زيادة تيار المثبت فى الموضوع الخاص بزيادة التيار قبل السابق.
أيضا كثير من الأجهزة يضع مقاومة صغيرة 0.01 أوم مثلا حتى لا تؤثر على الخرج و يكبر الفولت عليها بمكبر عمليات و يستخدم فى التحكم فى الدائرة.
أما تثبيت التيار فهو أمر مختلف وهو أن الحمل يحتاج مثلا 100 مللى أمبير فنظبط التيار على 100 مللى، وهذا يعنى أن فولت الخرج سيزداد طالما أن التيار المار فى الحمل أقل من 100 مللى، و عندما يصل التيار إلى 100 مللى سيتحمل المثبت أى فرق فى الجهد بين ما يحتاجه الحمل طبقا لقانون أوم و بين جهد المصدر.
لا يخفى هنا أن قانون أوم يحتم أن يكون جهد المصدر عاليا بالقدر الكافى لأن يمرر وحدة تيار أعلى من القيمة المطلوبة ( فى مثالنا السابق100 مللى) حتى يمكن للمتحكم أن يقوم بدوره و إلا فلن يخلق المتحكم تيارا من عنده.
أرجو ملاحظة أنى لم اتحدث عن المقاومة، فالحمل هنا 100 مللى وهذا ما يهم، لو تغيرت مقاومة الحمل لأى سبب سيتغير الفولت ليظل التيار ثابتا و طبيعة الحمل هى التى تحدد هذا فهناك المقاومات الحساسة للضوء و غيرها.
أبسط طريقة أن نضع مقاومة صغيرة فى مسار تيار الحمل و نستغل الفولت عليها فى تثبيت التيار ولكن حتى لا نخوط فى كثير من الحسابات و التصميمات هنا حلا بسيطا وغير مكلف باستخدام 7805
هنا يجب أن نلاحظ أن 7805 هى مثبت فولت ولا تفعل شيئا سوى تثبيت الفولت بين طرفى الخرج و الطرف الأوسط على 5 فولت وهى لا تعلم ماذا بالخارج من دوائر، فكل ما تستشعره هو ما بين طرفى الدخول و الطرف الأوسط (المرجع) وهو لا يجب أن يزيد عن 35 فولت كما يقول الداتا شيت و تمرر ما يكفى من التيار ليصبح ما بين الخرج و المرجع (الطرف الأوسط) 5 فولت. هذا ما لم يزداد التيار المطلوب عن القيمة العظمى المقننه للوحدة حسب عائلتها فالرسم هنا يحدد رقم المتكاملة به حرف L فى الوسط يعنى تيار 100 مللى أمبير كحد أقصى.
مما سبق سنجد أن التيار المار فى الحمل هو ببساطة هذه الفولتات الخمس مقسومة على قيمة المقاومة أى 5 / R1 فقط لا غير.
لو وصلنا حملا يحتاج تيار 50 مللى مثلا و كان على طرفى الحمل 12 فولت مثلا فمن الرسم
1- لا بد من وجود 5 فولت بين طرفى المتكاملة
2- يجب أن يكون الحد الأدنى بين الدخول و الخروج 2.5 فولت متوفر حسب الداتا شيت
إذن مجموع هذه القيم هو 19.5 فولت لتبدأ المتكاملة فى تثبيت التيار و أقل من ذلك لا تعمل ولا تنطبق المعادلة.
ما هو عيب هذه العائلة و لماذا الأفضل استخدام LM317 هذا موضوعنا القادم بإذن الله
المتكاملة LM317 وهل هى أفضل من 7805 :
لو لاحظنا المعادلة المكتوبة أسفل الرسم السابق لعائلة LM78xx تجد أنها أضافت قيمة للمعادلة التى شرحناها المرة السابقة وهى Io وهو قيمة التيار الأساسى المار من الطرف الأوسط ( الأرض).
فى التوصيل العادى كمثبت جهد، قيمة هذا التيار لا تهم فهى لا تمر فى الحمل لذا لم يهتم كثيرا بقيمتها لكنها تتراوح ما بين 0.5 مللى أمبير إلى 0.8 مللى و تتغير بحسب العائلة، هذا التيار يتأثر بالحرارة أيضا و لذا لم يكن مرحبا بأن تستخدم كمصدر جهد متغير أساسا. و فى تطبيقنا الحالى سيكون هذا هو الحد الأدنى للتيار و الذى قد يسبب خطأ فى النتيجة.
صنعت LM317 أساسا لتعمل مصدر جهد متغير و ليس ثابتا، ولذا روعى فى التصميم أن يكون الخرج أقل ما يمكن 1.2 فولت و تقليل هذا التيار للحد الأدنى 50 ميكرو أمبير و تثبيته بقدر الإمكان و جعل كافة التيارات الأخرى لعود للحمل بدلا من طرف الضبط Adj و من هكذا أصبحت أفضل كمثبت جهد متغير.
نفس الدائرة يمكن استخدامها كمصدر تيار ثابت باستخدام LM317 وهنا سيكون قيمة المقاومة اقل من السابقة
لو أردنا 100 مللى تيار حمل ستكون المقاومة للمتكاملة 7805 = 5 / 0.1 = 50 أوم
و القدرة 5 فولت * 0.1 أمبير = 0.5 وات
بينما ستكون للمتكاملة LM317 1.2 / 0.1 = 12 أوم فقط
و القدرة 1.2 فولت * 0.1 أمبير = 0.12 وات فقط
أيضا بحساب أقل فولت كما بالمعادلة السابقة سنجد أنه لنفس الحمل عليه 12 فولت سيكون
أقل فولت = 12 + 1.2 + 2.5 = 15.7 فولت بالمقارنة بقيمة 19.5 السابقة.
لذا فهى أفضل من عدة نواحى.
للحصول على تيار أكبر يمكن توصيل عدة دوائر على التوازى و ليس توصيل المتكاملات على التوازى للتباين بين خواص كل متكاملة عن زميلتها.
للحصول على فولت أعلى فالمتكاملة TL783 تعطى من 1.2 حتى 125 فولت.
قد نحتاج لتصميم دائرة لتحديد التيار عند قيمة ما لكن التيار أكبر من احتمال هذه المتكاملات مثلا 20 أمبير أو اكثر لتغذية موتورات أو أحمال أخرى. هذا يتطلب وسيلة لقياس التيار فى الحمل وهذا موضوعنا القادم إن شاء الله
وسائل قياس التيار:
سواء الهدف تثبيت التيار أم تحديده فيجب أن نجد وسيلة لقياس أو متابعة هذا التيار و تحويله لصورة مناسبة للتحكم. أشهر الطرق المستخدمة هى الطرق الثلاث التالية:
المقاومة الصغيرة:
سبق أن تحدثنا عن هذه الطريقة فى دائرة زيادة التيار للمتكاملات و فى الموضوع السابق أيضا، ولنجمل هذا الموضوع، توضع مقاومة صغيرة فى مسار التيار ثم تكبير الفولت الناشئ عليها للحد المناسب للدائرة.
ميزة هذه الطريقة سهولتها لكن مشكلتها الرئيسية فى المقاومة.
فى التيارات الصغيرة حتى 10 أمبير أو أكثر قليلا قد لا تبدو المشكلة ملحوظة فيمكنك ايجاد مقاومة 0.01 أوم بقدرة 1 وات أو يمكنك تجميعها من مجموعة على التوازى لكن بزيادة التيار سنحتاج لمقاومة أقل مما يجعل قياسها صعبا و استخدامها إلى حد ما ليس مريحا لتكون الحرارة عليها أثناء عملها.
لو لدينا مثلا موتور يحتاج 40 أمبير، فالمقاومة السابقة ستولد حرارة 40 * 40 * 0.01 = 16 وات وهذا يحتاج لتبريد كثير و تجهيزات فضلا عن عدم سهولة توصيلها بالبوردة.
ما فعلته فى هذه الحالات هو التحايل على المكونات للحصول على ما أريد.
أولا تقليل المقاومة إلى 0.001 أى 1 مللى أوم سيفيد ولن يعوق العمل، فالفولت عليها سيكون :
0.001 * 40 = 40 مللى فولت وهو بتكبيره 100 مرة فقط يصبح 4 فولت تصلح لأى دائرة و الفقد سيصبح 1.6 وات وهو رائع لكن من أين أجد 1 مللى أوم؟؟
إما تستورد لإستخدام القيم المحسوبة أو تلجأ للحيلة ثم الضبط و المعايرة .
السخانات الكهربية و الدفايات و مجففات الشعر و غيرها كثير لها سلك غيار للسخان
كلما زادت القدرة كان ذلك أقضل، فمثلا السخان 1 كيلو وات يمر به حوالى 5 أمبير عند 220 فولت و لذلك فلو وجدنا 5 كيلو وات فهو يستهلك قرابة 23 أمبير
الآن نحن لا نريد له أن يسخن لدرجة الإحمرار لذا سنكتفى بربع أو ثلث هذه القيمة و لتكن 5 أمبير.
الموتور بحاجة إلى 40 أمبير!! حسنا يمكننا دوما استخدام أكثر من سلك معا.
الأن الخدعة الواجب مراعاتها هى
مقاومة السلك وهو ساخن سبعة أمثال أو أكثر مقاومتة وهو بارد إذن لا تقيس السلك بالآفو ثم تحسب المقاومة بالقانون و تكتب هنا لماذا لا تتطابق؟!!! السبب أنك تقيس وهى جزء من ثمانية أجزاء من قيمة تشغيلها
حسنا لا تقيس أيضا ثم تضرب فى 8 وتقول لماذا ، هذه نسب تتباين بحسب التركيب فالسلك سبيكة نيكل كروم و تباين النسب يسبب تباين كل ما يلى ذلك من خواص
الحل البسيط قيس المقاومة بالآفو وهذه هى القيمة التى سنستخدمها و تذكر أننى قلت سنمرر ثلث التيار أو ربعه لكى لا يسخن.
حسنا قسنا السلك 5 كيلو وات ووجدناه 1 أوم أو 2 أو حتى نصف أوم
لا بأس، نقيس طوله الآن و بالقسمة نعلم كم مللى أوم لكل 10 سم
فى المثال السابق باستخدام سخان 5 كيلو و قدرنا أن نمرر به فقط 5 أمبير سنحتاج 8 أسلاك متوازية لتمرر 40 أمبير و كل سلك منها 8 مللى أوم
لو حسبت مما سبق أن 2 سم مثلا تكفى 1 مللى أوم فالطول 16 سم تكفى 8 مللى أوم و ثمانية أسلاك منها مضفورة توفر لك 1 مللى أوم و تثبت باستخدام روزيته تثبيت ذات قطر مناسب
هنا الدقة ليست ضرورة فستحتاج مكبر عمليات سواء استخدمت مقاومات دقيقة أو هذه الطريقة ففى هذه الطريقة كل شيئ يمكن علاجه باستخدام كسب أكبر قليلا من المطلوب مع مقاومة متغيرة لضبط الكسب ليوفر مع المقاومة الفولت المناسب للتحكم.
هذه الطريقة تصلح مع التيار المستمر و المتردد و أيضا لترددات مختلفة بفتراض تقويم الخرج بعد التكبير.
محول التيار موضوعنا القادم إن شاء الله
[FONT=“Times New Roman”][SIZE=“4”][B][U]محول التيار Current Transformer[/U:]
سبق أن تحدثنا تفصيلا عن محول التيار فى سلسلة المحولات لذا لن نخوض مرة أخرى فى تركيبه و لكن سنذكر استخداماته
هو ببساطة حلقة من الحديد السيليكونى للترددات المنخفضة أو الفرايت للترددات العادية و العالية حيث يمر الكابل المطلوب قياس التيار به داخله و يلف عليه لفات لتوليد جهد يقاس كدليل على قيمة التيار المار به.
يجب أن نلاحظ أن كل محول له قيمة مقاومة حمل يجب توصيلها بين طرفى الملف و إلا سيخرج فولت عالى لا يعبر عن التيار المار به. معظم المحولات تعمل بمقاومة 100 أوم و كثير من وحدات التغذية ذات التيار العالى تضع هذه المحولات فى مسار ترانزيستورات القدرة بحيث تقيس تيار النبضات المار بها و من ثم يمكن التحكم و تحديد التيار من الفولت المتولد منها.
لو وضع المحول فى مسار تيار متردد يمكن ببساطة تقويم الجهد الناتج سواء قبل أو بعد التكبير ولو وضع فى مسار نبضى فلا حاجة للتقويم فالخرج سيكون نبضى أيضا إلا أن استخدام ثنائى واحد كمقوم نصف موجة قد يكون ضروريا حيث النبضة تقوم بشحن مكثف للتنعيم و إن لم يمنع تفريغ المكثف فالملف يعتبر قصر فى الفترة بين النبضتين و سيفرغ المكثف شحنته.
نفس هذه الفكرة مع إضافة المكبر أيضا فى غلاف واحد صنعت فى متكاملة برقم LTS-25NP و التى يمكن استخدامها مباشرة على بوردة حيث يمر التيار المطلوب قياسة من الأطراف المبينة فى الإطار الأحمر و مثلها على الجانب الآخر وهذه بتوصيل الأطراف معا تقيس 25 أمبير أما لو وصلتهم بالتوالى تقيس 8 أمبير أى تزيد من حساسيتها.
هناك متكاملة أخرى تستخدم ظاهرة “هال” Hall Device وهى شريحة من أشباه الموصلات تولد جهد بين طرفين عند تعرضها لمجال المغناطيسى و يتناسب معه لذا يستغل المجال المتولد من التيار المار فى السلك لتوليد فرق جهد يكبر بمكبر داخلى للحصول على فولت يستخدم حسب الحاجة و سميت هذه المتكاملة Current Sensor - AC & DC "ACS758LCB-050B" Up to 50A وهذا شكلها و تركيبها الداخلى
يلاحظ فى هذين النوعين أنهما يحتويان على مكبر داخلى يتطلب تغذية و يجب أن تكون مثبته حتى لا تولد جهد خطأ بالخرج كما أن المكبر عادة يولد جهد = نصف التغذية عندما يكون التيار = صفرا وهذا يمكن من قياس التيار الموجب و السالب و المتردد.
أيضا يجب أن تعتبر هذا الجهد كصفر فولت عندما تستخدم مقارن أو مكبر خارجى فى تصميمك لتستخدمه ولن تستخدم مقاومتين متساويتين كمرجع للمقارنة ثم تقول لماذا هناك خطأ. من الطبيعى أن المقاومات ليست متساوية فهناك 5% نسبة دقة فيها كما أن هناك تفاوت صغير بين متكاملة و أخرى لذا يجب استخدام مقاومة متغيرة لضبط الصفر فهذا ما يوضع فى أى بنسة قياس تيار مستمر فى الواقع.
بهذا نكون قد ناقشنا كل مكونات المثبتات و أنهينا نقاش الخطية منها و سنبدأ إن شاء الله المرة القادمة النبضية أو التقطيعية.
من فضلكم … أين الصور والرسومات ؟؟؟
الموضوع جميل جدا والشرح مفيد لكن الصور والرسومات مهمة جدا
دوائر التثبيت النبضية أو التقطيعية Switching mode power supply
هناك تشابهات بين النوعين مثل الصلاحية لجهود الدخول المختلفة و تيارات حمل متنوعة و لكن هناك تباينات و اختلافات عديدة نذكر منها ما يلى
الفرق بين المثبت الخطى و النبضى:
1- تصميم الخطى أبسط و اسهل فالحد الأدنى له ذو مكونات أقل و أبسط من النبضى الذى لا يستغنى عن وجود ملف أو محول وهو ما يجعل تصميمه أعقد مع ضرورة استخدام مكونات تناسب التردد المستخدم.
2- الخطى لا يولد ضوضاء بينما النبضى يولد ضوضاء و يمكن التحكم فيها و التغلب عليها
3- الخطى لا يولد مجالات كهرو مغناطيسية كثيرة بينما النبضى يولد و يمكن حجبها.
4- كفاءة الخطى قليلة و تقل كلما زاد المدى لجهد الدخول بينما النبضى كفاءته عالية تصل إلى أكثر من 80% ولا تتأثر كثيرا بمدى جهد الدخول
5- دوائر الخطية ثقيلة و حجمها كبير بينما النبضية صغيرة و خفيفة الوزن – قارن شاحن النقال (القديم بمحول مع الحديث النبضى) ولهذا فالنبضى أنسب للتغليف و الشحن و أقل كلفة
6- أكثر كلفة لكون الترانزيستورات يجب أن تتحمل التيار مع الفولت و تبدد الحرارة المتولدة بينما النبضى يمكن من أن يتحمل الترانزيستور تيار أعلى لأنه إما مفتوح لا يمرر تيار أو موصل لا يتكون عليه فولت عالى يسبب حرارة
7- هناك تطبيقات لا تصلح للدوائر الخطية و يجب أن تنفذ بالدوائر النبضية فقط مثل المسماة معزولة جلفانيا أو ذات الأرضى المعزول حيث لا يتصل أرضى الخرج بأرضى الدخل) وهى مستخدمة بكثرة فى الأجهزة الطبية و بعض خطوط نقل البيانات فى الأوساط الصناعية؛ و توليد فولت أعلى من الدخول و توليد مصادر مترددة من مستمر وغيرها
المثبتات النبضية أو التقطيعية تنقسم لخمسة أنواع رئيسية :
1- النوع الأول المحتوى على محول Transformer Coupled Regulator وهو إما محول بنقطة وسطية و هذا النوع يصلح لكافة التطبيقات و يناسب القدرات الأعلى حيث شاهدت وحدات تفوق كيلووات وهو ربما الأكثر شيوعا.
أو بمحول أيضا لكن ملف واحد و ترانزيستور لذا هو مناسب لقدرات متوسطة و القليلة حتى أنه من شاحن الهاتف حتى شاحن الحاسب النقال و كثير من التلفاز و الشاشات و يسمى أحيانا Flyback-Mode Switching Regulators وهو حتى 200 وات أو أكثر.
2- نوع يعطى جهد خرج أقل من جهد الدخل وهذا المعتاد كالأنواع الخطية وهو يستبدل المحول بملف لتخفيض الكلفة. و يسمى خافض للجهد Buck Regulator و احيانا Forward-Mode Switching Regulators
3- نوع يعطى جهد خرج أعلى من جهد الدخل وهو أيضا يستبدل المحول بملف لتخفيض الكلفة. و يسمى رافع للجهد Boost Regulator .
4- وهناك نوع خافض – رافع للفولت أى يسمح بخرج من تقريبا صفر إلى جهد أعلى من المصدر ويسمى buck boost
5- وهناك نوع خامس يسمى Resonant Converter أو المغيرات ذات الرنين.
النوع الأول مثبت الجهد ذو المحول Transformer Coupled Regulator :
يوجد ثلاث توصيلات مختلفة للمحول،
ا - ذو النقطة الوسطية . و يسمى أحيانا Push Pull للتشابه.
ب - جهد الإرتداد Fly Back.
ج - بدون نقطة وسطية المتصل بقنطرة.
النوعين الأول و الثانى متميزان من حيث توفيرهما العزل التام بين الدخل و الخرج و سهولة توظيف الفازات المتعددة لمشاركة الحمل و رفع التردد و كونها أسهل من حيث التصميم ولذا فهى فى كل وحدات تغذية الحاسب.
ذو النقطة الوسطية موضوعنا القادم إن شاء الله
المحول ذو النقطة الوسطية:
هذا النوع نوقش كثيرا كمصدر للتيار المتردد و لكن إضافات قليلة تحيله إلى مصدر تيار مستمر وهو مستخدم فى أكثر الدوائر تطلبا و تناسب أى قدرة قد لا توفرها بسهولة الدوائر الأخرى لمرونتها الشديدة و اسلوبها النمطى Systematic .
البعض يسمونه نظام Push Pull أو الدفع و الجذب لتشابهه مع النظام المعروف فى دوائر تكبير الترددات الجيبية لكن لأن المفتاح الأول يفتح و يغلق ثم تمر فترة “صمت” كلاهما مغلق ثم يفتح الثانى و يغلق ثم فترة صمت أخرى، لا تتحقق ظاهرة ازدياد التيار فى أحدهما مع تناقص التيار فى الآخر وهى المعروفة بهذا الاسم.
لإستخدامها كمثبت فالتركيب ببساطة هو مولد موجة مثلثة أو سن منشار و مقارن ليقارن الخرج بالمرجع هكذا يتحدد عرض نبضة الخرج و التى بدورها تحدد زمن توصيل كل ترانزيستور قدرة متصل بمحول الخرج ذو النقطة الوسطية المتصلة بالتغذية و الذى يغذى خرجة دائرة تقويم ثم مرشح.
لكى نفهم تصرف كل مكون من هذه الدائرة، يجب أن ندرس ما يحدث لحظة بلحظة و نأخذ كل جزء على حدة ثم نركب الأشياء معا.
أهم هذه القطع هى المحول و ترانزيستورى الخرج لذا سنبدأ بدراستهما أولا.
أظن هذه الدائرة معروفة للجميع. الآن نعلم أن النبضات لا تكون موجة مربعة أى أن البدء بدون توصيل ثم نبضة 1 يفتح الترانزيستور 1 ثم يغلق ثم فترة أخرى كلاهما مغلق ثم الفترة 2 ليفتح 2 ثم يغلق و بعد فترة بدون توصيل من الإثنين تبدأ الدورة من جديد.
أعلم الإعتراض الفورى أن ملف المحول سيسبب انهيار للترانزيستور، لكن لماذا، و هل تعلم أنه لن ينهار لو الوحدة تحت الحمل؟؟ فالحمل سيمتص المجال المخزون بالملف و يخمده فورا.
نأخذ الدائرة لحظة بلحظة، أولا الإثنين بدون توصيل. الطرف الأوسط للمحول عليه +ف ومن ثم سيظهر على الطرفين الآخرين ثم على الترانزيستورين.
الآن بدأت النبضة1 للترانويستور 1 السفلى، سينخفض مجمعه C للصفر أى سيهبط +ف. المحول له ملفين متماثلين فسيرتفع جهد النقطه العليا بنفس القدر ومن ثم مجمع C الترانزيستور 2 فإن لم يحتمل سينهار فورا ، لكن يمكننا اختيار ترانزيستور يتحمل هذا خاصة لو +ف منخفضة كأغلب الحالات…
حسنا ستسير الأمور بخير حتى نهاية T1 و التى فى خلالها التيار يتزايد باستمرار فى اتجاه الترانزيستور 1 السفلى.
حسنا الآن الخرج للحمل لديه ما يكفى و قرر المقارن إنهاء T1 ، التيار المار فى Q1 سيسبب نبضه عالية على مجمعه C ، حسنا أيضا لو التغذية 12 فولت و النبضة العالية 40 فولت و الترانزيستور 60 فولت ما المشكلة؟
المشكلة فى المحول أنه سيعكس هذه النبضه 40 فولت على الترانزيستور الآخر مسببة فولت سالب على المجمع.
أرجو أن نعود لشرح تركيب الترانزيستور و الذى لا يفرق بين كتلة المجمع و الباعث وسألنا لماذا سمى هذا مجمع ولم يكن الآخر و علمنا أن الشكل و المساحة أثناء التصنيع كانا من الأسباب
أى أن الآن أصبح لدينا ترانزيستور قلب مجمعة إلى باعث و باعثة إلى مجمع (حقا بيتا قليلة جدا لكنها ليست بصفر) وفى توصيل التشبع (قاعدة بمجمعه الجديد ) فيكون فى حال التوصيل. وهذا ما يدمر الترانزيستور خاصة أن هذه اللحظة لم يتم غلق الأول تماما و بدأنا فتح الثانى معه و سبب هذا قصر على طرفى المحول.
نفس النتيجة باستخدام موسفيت أيضا.
إذن ببساطة ضع الدايودين المعتادين بين المجمع و التغذية كل ما ذكر كان متوقعا…
أجل متوقع لكن ضرورى لنعلم لماذا لا ينفع توصيل الدايودات بهذه الطريقة وهو موضوعنا القادم إن شاء الله
