كيفية تحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر: ممارسات ونصائح آمنة

الكهرباء هي الدم الخفي للحضارة في عالمنا الحديث. إنها متوفرة في مقابس جدراننا، لكن الأجهزة الإلكترونية التي تميز وجودنا، والحواسيب القوية التي تقود صناعتنا، والهاتف الذكي الصغير في جيبنا، لا يمكنها الاستفادة من هذه الكهرباء مباشرة. يجب أن يكون لديهم أولاً تغيير أساسي صامت. هذه العملية هي عملية تحويل التيار المتردد (AC) أو التيار الذي ينتقل عبر مسافات طويلة في مصدر الطاقة إلى منازلنا وشركاتنا، إلى تيار مباشر (DC) وهو التيار الثابت والمستقر الذي تتطلبه الدوائر الرقمية الدقيقة لأجهزة الكمبيوتر الخاصة بنا.

هذه العملية التحويلية إلى التيار المستمر ليست مجرد عملية أكاديمية، ولكنها ضرورية لكل من له علاقة بالإلكترونيات، بدءًا من الهاوي الفضولي إلى المهندس المحترف. سيدعو هذا الدليل إلى هذه العملية ويناقش القواعد العامة لتصميم مزود الطاقة والتقنيات التي تضمن ذلك وممارسات السلامة التي يجب اتباعها دائمًا وبغض النظر عن الظروف.

لماذا نقوم بتحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر

يجب أن يتعلم المرء أن يدرك الفرق بين التيار المتردد والتيار المستمر ليقتنع بضرورة التحويل. التيار المتردد هو الفائز بلا منازع في نقل الطاقة. يتم إنتاجه في محطات توليد الطاقة، ويمكن زيادة جهده (بالتيار المتردد) بسهولة بواسطة المحولات إلى مستويات عالية جدًا بحيث ينتشر لمئات الأميال عبر شبكة النقل بأقل قدر من فقدان الطاقة. لا يكون التيار المتدفق في خط مستقيم ولكن شكل موجة التيار المتردد يكون بطريقة متناوبة سريعة. ويحدث ذلك 60 مرة في الثانية (60 هرتز) في الولايات المتحدة.

ولكن نفس الشيء الذي يجعل من التيار المتردد أفضل مرشح للاستخدام في الإرسال يجعله عيباً. فهو غير مستدام إلى حد كبير لاستخدامه كمصدر لتشغيل الإلكترونيات لأنه متقلب. يعتمد المنطق الرقمي والمعالجات الدقيقة ومصابيح LED أيضًا على جهد ثابت ويمكن التنبؤ به لكي تعمل بشكل صحيح. فهي مبنية على أساس عالم ثنائي من حالات التشغيل وإيقاف التشغيل، وهذا يستلزم تدفقًا ثابتًا أحادي الاتجاه للطاقة.

هذا ما يلعبه التيار المستمر. في التيار المستمر، يتحرك التيار الكهربائي في اتجاه واحد فقط وهذا يوفر تيارًا مستمرًا ثابتًا ثابتًا ومستويًا. تخيّل أن التيار المتردد هو النهر الهائج والعظيم الذي يحرك المياه فوق قارة، والتيار المستمر هو التدفق السلس والمنظم عبر قنوات الري التي تسقي المحاصيل. المحاصيل هي أجهزتنا الإلكترونية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والأجهزة الطبية وإمدادات الطاقة للكمبيوتر وهي تتطلب تغذية ثابتة. وبالتالي، تحتوي جميع الأجهزة الإلكترونية تقريبًا على محول طاقة تيار مستمر أو محول طاقة خارجي لغرض رئيسي واحد هو تنفيذ التحويل الساحر والحاسم من التيار المتردد إلى التيار المستمر.

عملية التحويل العالمية المكونة من 3 خطوات

وبشكل أساسي، فإن عملية تحويل الموجة المتموجة للتيار المتردد إلى خط مسطح للتيار المستمر هي عملية تنقية من ثلاث خطوات. وبغض النظر عن التكنولوجيا المعينة المستخدمة، فإن هذه هي المبادئ الأساسية للتصحيح والترشيح والتنظيم التي تعتبر عالمية في ترويض التيار المتردد إلى خرج تيار مستمر مفيد.

التصحيح: تغيير اتجاه التيار

الخطوة الأولى والأكثر أهمية هي التصحيح. والهدف من هذه الخطوة هو دفع التيار المتردد الذي يمر في كلا الاتجاهين الموجب والسالب في تيار يمر في اتجاه واحد. ويتم تحقيق ذلك من خلال استخدام الثنائيات وهي مكونات إلكترونية تخدم الغرض من صمام أحادي الاتجاه للكهرباء.

مقوم جسر الصمام الثنائي كامل الموجة حيث يتم تنظيم أربعة صمامات ثنائية هو الحل الأكثر انتشارًا وفعالية من حيث التكلفة. وتتميز أسلاك هذا المقوم بالذكاء لتحويل مدخلات التيار المتردد بطريقة تعكس النصف الموجب والسالب من شكل موجة التيار المتردد إلى خرج واحد موجب متدفق فقط. هذا ليس تيار متردد بعد الآن ولكنه ليس تيارًا مستمرًا نقيًا أيضًا. بل هو بالأحرى “تيار مستمر نابض” على شكل سلسلة من المطبات الموجبة المتتالية مع سعة كبيرة من التأرجحات.

التصفية: تنعيم التدفق الكهربائي

ينتج المقوِّم تيارًا مستمرًا نابضًا، وهو لا يزال متقلبًا للغاية بحيث لا يمكن لأي مكون إلكتروني الاستفادة منه. وهذا من شأنه أن يتسبب في تكرار الجهد إلى الصفر بين القمم، وهذا من شأنه أن يجعل أي جهاز يستمر في التشغيل والإيقاف. أما العملية الثانية فهي التصفية التي تهدف إلى جعل هذه النتوءات سلسة.

ويتم ذلك في الغالب باستخدام مكثف ضخم وأحيانًا ملف محث. يقوم المكثف بتخزين وتفريغ الطاقة الكهربائية. ويأتي بعد المقوِّم، ويتم شحنه مع ارتفاع الجهد مع كل نبضة، ويتم تفريغه تدريجيًا مع ارتفاع الجهد مرة أخرى. وهذا يمنع الفجوات بين النبضات، مما يقلل إلى حد كبير من تقلبات الجهد (ما يسمى بالتموج) ويحول التيار المستمر النابض إلى جهد أكثر سلاسة وثباتًا (عادةً في فولت تيار مستمر).

التنظيم: تحقيق جهد مستقر

في حين أن التصفية تعمل على تنعيم التيار المستمر إلى حد كبير، فإن جهد الخرج يظل متغيرًا مع التغيرات في مدخلات التيار المتردد أو التباين في حمل التيار المستمر. في حالة الإلكترونيات الحساسة، هذا أمر لا يطاق. الخطوة الأخيرة هي التنظيم.

منظم الجهد هو عنصر أو دائرة تضمن ثبات جهد الخرج عبر هذه الاختلافات. ويمكن أن يكون عبارة عن صمام ثنائي زينر أساسي أو دائرة متكاملة معقدة (IC)، ولكن مهمته هي تحويل التيار المستمر المرشح إلى خرج ثابت ومنظم بإحكام. وكمثال على ذلك، فإن منظم 5 فولت سينتج 5 فولت بالضبط، حتى مع تغير مدخلاته بين 7-12 فولت، لتوفير الجهد الأمثل للجهاز وجعله يعمل بشكل مثالي.

المكونات الرئيسية في دائرة التحويل من تيار متردد إلى تيار مستمر

وفي حين أن العملية مفاهيمية، إلا أن تنفيذها يعتمد على مكونات إلكترونية ملموسة. ولفهمها فهماً أساسياً، هناك أربعة مكونات رئيسية أساسية هي تصميم مزود طاقة التيار المستمر كما هو موضح أعلاه.

• المحول: غالبًا ما يكون المحول أول مكون في السلسلة، حيث يقوم المحول بتخفيض جهد التيار المتردد العالي من مقبس الحائط (على سبيل المثال، 120 فولت أو 230 فولت) إلى جهد تيار متردد أقل وأكثر أمانًا ومناسب للدائرة.
• مقوم الصمام الثنائي / مقوم الجسر: الثنائيات هي بوابات أحادية الاتجاه للتيار. مقوم الجسر هو ببساطة وحدة معبأة مسبقًا تحتوي على أربعة صمامات ثنائية مرتبة لتصحيح الموجة الكاملة بكفاءة.
• المكثف والملف: تقوم هذه المكونات بتخزين وتنعيم الشحنة الكهربائية، مما يقلل بشكل كبير من التموج ويساعد في الحفاظ على جهد كهربائي ثابت.
• منظم الجهد: هذه الدائرة المتكاملة هي حارس البوابة النهائي، مما يضمن بقاء الإخراج ثابتًا وفي المستوى الدقيق المطلوب من قبل الطرف النهائي حمولة التيار المستمر.

تطبيقات وتقنيات العالم الحقيقي

معرفة النظرية ومكوناتها شيء وتطبيقها شيء آخر. وفي الممارسة العملية، يتم تطبيق هذه المبادئ في فئتين رئيسيتين من إمدادات الطاقة بالتيار المستمر؛ إمدادات الطاقة الخطية وإمدادات الطاقة ذات الوضع التبادلي.

مصدر إمداد الطاقة الخطي

يمثل هذا التطبيق الأكثر وضوحًا لعملية الخطوات الثلاث. وهي تتضمن محولاً كبيراً لتقليل الجهد، ومقوماً لتغييره، ومكثفاً كبيراً لترشيحه ومنظماً خطياً لتنعيم الخرج. تُعتبر الإمدادات الخطية ذات قيمة عالية بسبب بساطتها ومخرجاتها منخفضة الضوضاء للغاية، وتستخدم في الغالب في مجال الصوت الحساس والراديو. ومع ذلك فإنها تفقد الجهد الزائد في شكل حرارة (الطاقة = التيار × الجهد، وليس الجذر التربيعي)، مما يجعلها غير فعالة (كفاءة تتراوح بين 30 و60 بالمائة). والتأثير التراكمي لهذه الطاقة المهدرة بالاقتران مع المحول الكبير هو إمدادات كبيرة وثقيلة وساخنة.

مزود طاقة وضع التحويل (SMPS)

إنه محول أكثر تقدمًا. فهو يقوم بتصحيح التيار المتردد عالي الجهد أولاً، ثم يقوم بتقطيعه إلى آلاف النبضات في الثانية عن طريق مفتاح عالي التردد. يتم إرسال هذه النبضات إلى محول عالي التردد صغير الحجم وخفيف الوزن متبوعًا بتصحيح وتصفية لاحقة. يتم تعديل المفتاح بدقة بواسطة وحدة تحكم في التغذية الراجعة لتمكين SMPS من تحويل الطاقة بأقل قدر من الطاقة المهدرة. ويؤدي ذلك إلى كفاءة تتراوح بين 80-95+، كما يمكن توفير إمدادات طاقة أصغر حجمًا وأخف وزنًا وأكثر برودة. وحدات SMPS اليوم هي وحدات إمداد طاقة كمبيوتر قياسية وشواحن الهواتف بالإضافة إلى أنظمة مصادر الطاقة الصناعية.

كيفية اختيار مصدر الطاقة المناسب

يؤدي فهم التقنيتين الأساسيتين بطبيعة الحال إلى السؤال: أيهما مناسب لتطبيقك؟ يعتمد الاختيار على المفاضلة بين الأداء والكفاءة والتكلفة. فيما يلي الرسم البياني تلخيص الاختلافات الرئيسية

بالنسبة للتطبيقات المتطلبة حيث تكون الكفاءة والحجم الصغير والموثوقية غير قابلة للتفاوض، فإن مزود طاقة وضع التحويل (SMPS) عالي الجودة هو الخيار الاحترافي الواضح. عند الحصول على مثل هذه المكونات المهمة، من الضروري التعاون مع أحد المتخصصين. أومتش, ، على سبيل المثال، تقدم مجموعة واسعة من حلول SMPS من الدرجة الصناعية المصممة للأداء وطول العمر. استكشاف مورد موثوق به مثل www.omch.com يمكن أن توفر حل الطاقة المعتمد والقوي الذي يتطلبه مشروعك.

احتياطات السلامة الحرجة عند التعامل مع طاقة التيار المتردد

العمل بالكهرباء من التيار المتردد الرئيسي يختلف عن العمل بالتيار المستمر منخفض الجهد من البطارية. يمكن أن يتسبب الجهد الكهربائي في حدوث صدمات, الطفرات, أو حتى تكون قاتلة. اتبع دائمًا بروتوكولات السلامة الصارمة:

• افصل الطاقة دائماً قبل لمس أي دائرة كهربائية.
• استخدم محول العزل عند اختبار الدوائر الحية.
• قاعدة اليد الواحدة لتجنب مرور التيار عبر صدرك.
• استخدام الصمامات على مدخل التيار المتردد للحماية من التحميل الزائد.
• ضمان التأريض المناسب لتعطل القواطع بأمان.
• تجنب البيئات الرطبة, ، حيث أن الماء يوصل الكهرباء.
• استخدم أدوات معزولة مصنفة للجهد الكهربائي الرئيسي.

استكشاف مشاكل التحويل الشائعة وإصلاحها

حتى مع التصميم الجيد، يمكن أن تنشأ مشاكل:

• المشكلة: لا يوجد جهد عند الخرج
  الأسباب المحتملة: الصمامات المنفجرة، سلك الطاقة المقطوع، عطل في السلك الكهربائي ثنائي الفينيل متعدد الكلور اتصال، أو منظم فاشل.
• المشكلة: الإخراج منخفض جدًا أو غير مستقر
  الأسباب المحتملة: مكثف غير مناسب الحجم، مفرط حمولة التيار المستمر, ، أو جهد الدخل أقل من تسرب المنظم.
• المشكلة: ارتفاع درجة الحرارة الزائد
  الأسباب المحتملة: السحب المفرط للتيار (الحد الأقصى تجاوز التصنيف) أو انخفاض كبير جدًا في جهد المدخلات إلى المخرجات. قد تكون هناك حاجة لمشتتات حرارية.

من خلال فهمك لهذه المبادئ والتقنيات وتدابير السلامة، فإنك تكون مجهزًا جيدًا لتصميم أو استكشاف الأخطاء وإصلاحها إمدادات طاقة التيار المستمر التي تحول بشكل موثوق مصدر طاقة التيار المتردد إلى قابلة للاستخدام وآمنة وفعالة خرج تيار مستمر مستقر-تشغيل كل شيء من الخلايا الشمسية إلى الأتمتة الصناعية.