اختيار المرحل المناسب: دليل لجميع الأنواع والاستخدامات

المرحلات الكهربائية هي واحدة من أكثر المكونات الأساسية، ولكنها أيضًا واحدة من أكثر المكونات تنوعًا في عالم الإلكترونيات والهندسة الكهربائية الضخم. دوغ برينتون كان ستاتس في جوهرها، فهي وسيلة بسيطة، ولكنها ذكية للتحكم في حمل كهربائي عالي الطاقة بإشارة كهربائية منخفضة الطاقة، أو إشارة ضوئية، وهي الطريقة التي يتم بها بناء العمود الفقري لجميع أنظمة الأتمتة والتحكم في كل مكان. المرحلات هي الأبطال المجهولين، والتي تمكن الآلات الصناعية التي تقود عالمنا بالإضافة إلى الراحة اليومية لإلكترونيات السيارات. ومع ذلك، فإن مصطلح المرحلات يغطي عائلة واسعة من المنتجات - أنواع مختلفة من المرحلات، يتميز كل منها بنوع جهاز التحويل ونوع المحطات الطرفية وغيرها من المعلمات. ولا يقتصر فهم هذه الفروق على الإطار الأكاديمي فقط. إنه أمر ضروري عند صياغة دوائر كهربائية آمنة ومتمرسة وراسخة. هذا الدليل هو عبارة عن جولة في مبادئ الفهم المنطقي لتشغيل المرحلات، وصولاً إلى خطوات تطبيق المرحلات حيث يمكنك اختيار المرحل الأنسب لتطبيقك بطريقة واثقة للغاية.

ما هو المرحل وكيف يعمل؟

يمكن تعريف المرحل ببساطة على أنه مرحل إلكتروني أو بالأحرى الحث الكهروميكانيكي، الذي يعمل كمفتاح يتم تشغيله كهربائياً. ويستخدم بشكل أساسي لعزل إشارة دخل تحكم كهربائياً إلى دائرة تحميل. يتم تشغيل المرحل بواسطة مصدر الطاقة: عادةً ما يكون الجهد المنخفض وسحب التيار (على سبيل المثال 5 فولت يتم تغذيته بواسطة متحكم دقيق). عندما يتم ذلك يتم إغلاق المفتاح في المرحل إما ماديًا أو إلكترونيًا، ويكمل دائرة كهربائية مستقلة عالية الطاقة (على سبيل المثال إمداد تيار متردد 240 فولت لمحرك). الميزة الأكثر أهمية لهذا الفصل هو أنه يعزل إلكترونيات التحكم الحساسة عن الجهد العالي والقوة الدافعة الكهربائية الخلفية والضوضاء الكهربائية لدائرة الطاقة.

وأشهرها هو المرحل الكهروميكانيكي (مرحلات emr). وتعطي طريقة عملها مثالاً خالصاً على الحث الكهرومغناطيسي. ففي داخل مرحل كهرومغناطيسي كهرومغناطيسي تتصرف حلقة صغيرة من السلك كمغناطيس كهربائي. تتصل بهذا الملف، بواسطة دائرة التحكم بجهد كهربائي، قوة مغناطيسية. هذا هو التجاذب المغناطيسي الذي يسحب نحو حديد التسليح المتحرك الذي يمثل رافعة صغيرة. عندما يدور المحرك، فإنه يجبر زوجًا من الملامسات المادية معًا على إغلاق المفتاح الذي قد يمر به تيار كهربائي عبر الحمل الكهربائي. وبمجرد أن ينقطع جهد التحكم عن المحرك، ينهار المجال المغناطيسي ويدفع زنبرك أو مغناطيس دائم المحرك إلى حالته الطبيعية وينعكس وضع ملامساته، مما يؤدي إلى كسر الدائرة مرة أخرى. هذه هي آلية الترحيل الأساسية والأساسية والقوية التي يمكننا جميعًا أن نبني عليها جميع أنواع المرحلات الأخرى من مختلف أنواع المرحلات.

مصطلحات الترحيل الرئيسية التي يجب أن تعرفها

قبل مناقشة الأنواع المختلفة من المرحلات، من المهم التعرف على المصطلحات الشائعة المستخدمة في وصف خصائص المرحلات وكذلك عملياتها. الخطوة الأولى لفهمها بشكل صحيح هي إتقان هذه المفردات، بحيث يسهل قراءة أوراق البيانات، واختيار المكون المناسب.

عمود ورمي

يشير هذا إلى الهيكل المتشابك لمفتاح التتابع.

• القطب هو وصلة المرحل وهو عدد الدوائر المستقلة التي يتحكم بها المرحل. هناك دائرة واحدة يتحكم فيها مرحل أحادي القطب (SPST). أما مرحل القطب المزدوج (DP) فيحتوي على دائرتين مستقلتين مرة واحدة على نفس المرحل. يشار إلى الرمي على أنه مقدار المواضع التي يمكن توصيل القطب بها.
• المرحل ذو الرمية الواحدة (ST) هو مرحل تشغيل/إيقاف تشغيل أساسي مع توصيل واحد فقط بالقطب. قد تغير الرمية المزدوجة (مرحلات الرمية المزدوجة) القطب إلى جهتي اتصال مختلفتين أخريين وبالتالي إعادة توجيه تدفق التيار. أشكال AR الشائعة هي SPST (قطب واحد، رمية واحدة) و SPDT (قطب واحد، رمية مزدوجة) و DPDT (قطب مزدوج، رمية مزدوجة).

نموذج الاتصال (NO، NC)

هذا يُعرِّف موضع الاتصال والحالة الافتراضية لملامسات المرحل عندما لا يتم تنشيط الملف.

• مفتوح عادةً (NO): يكون تلامس المفتاح مفتوحًا في الوضع العادي تاركًا الدائرة غير مكتملة. عندما يتم تطبيق الطاقة على الملف، فإن ذلك يغلق التلامس وتكتمل الدائرة.
• مغلق عادةً (NC): يغلق تلامس المفتاح عندما يستقر في الوضع الطبيعي وتكتمل الدائرة. عندما يتم توصيل الطاقة بالملف يتم فتح التلامس وتنقطع الدائرة.
• سيحتوي مرحل أحادي القطب مزدوج الرمية (spdt) على طرف مشترك واحد، وطرف واحد مفتوح عادةً (NO) في وضع التشغيل وآخر مغلق عادةً (NC) في وضع التشغيل.

جهد الملف وتقييم التلامس

هاتان من أكثر المواصفات الكهربائية أهمية.

• جهد الملف: هذا هو مقدار الجهد اللازم في دائرة التحكم الذي سيتم ضمانه عند تنشيط الملف في المرحل. يجب أن يكون التصنيف بنفس جهد مدخلات عنصر التحكم (على سبيل المثال 5 فولت، 12 فولت، 24 فولت تيار مستمر كإشارة).
• تقييم الاتصال: يشير هذا إلى أعلى تصنيف للجهد، والتصنيف الحالي الذي يمكن أن تستوعبه جهات الاتصال المادية للترحيل بأمان. وعادةً ما يتم تحديده بالأمبير (A) عند جهد معين ونوع الحمل الكهربائي المخدوم (على سبيل المثال 10 أمبير عند 250 فولت تيار متردد). قد تتسبب القراءة أعلى من تصنيف التلامس في ارتفاع مقاومة التلامس وتوليد نوع من الحرارة والفشل.

الأنواع الرئيسية للمرحلات حسب البناء

على الرغم من أن جميع المرحلات تخدم بعض أغراض التبديل، إلا أن الطريقة التي تم تنظيمها داخلها هي العامل الحاسم في تحديد معايير أدائها، ومتطلبات التيار المنخفض، وقابليتها للتطبيق على الشبكات الكهربائية المختلفة. إن التعرف على الأنواع الخمسة المهمة سيساعد في اتخاذ قرار فعال.

المرحلات الكهرومغناطيسية (EMRs)

أكثرها تقليدية ومعروفة على نطاق واسع هي المرحلات الكهرومغناطيسية. وهي تعمل بواسطة قانون القوة المغناطيسية كما هو موضح أعلاه التي تحرك الملامسات الفيزيائية. وعند فتحها يكون لها فجوة هوائية حقيقية بين الملامسات، مما يضمن عزلاً كهربائياً جيداً جداً. وهذا يجعلها غير حساسة للعابر على خطوط النقل والقواطع. وهي قادرة على تبديل التيار المتردد والتيار المستمر، وتميل إلى أن تكون رخيصة الثمن، ولكن يعيبها أنها سريعة فقط مثل نظام التحويل الميكانيكي، وأن لها عمر افتراضي محدود لأن موضع التلامس يمكن أن يبلى.

مرحلات الحالة الصلبة (SSRs)

مرحل الحالة الصلبة هو جهاز تبديل أكثر حداثة، لا يحتوي أي منها على ملامسات فعلية. وبدلاً من الملف الواحد، فإنها تستخدم أشباه موصلات لتبديل تدفق التيار، مع اقتران إشارة الدخل عبر قارنة ضوئية كشكل من أشكال العزل. تستهلك SSRs القليل من الطاقة، ولا تولد أي ضوضاء، وهي سريعة وقوية. ومع ذلك، فإنها تمتلك مقاومة التلامس الخاصة بها، وقد تحتاج إلى تبريد بسبب درجة الحرارة المحيطة بها، كما أنها أغلى ثمناً.

مرحلات الحمل الزائد الحراري

مرحلات الحمل الزائد الحرارية هي أجهزة مرحلات حماية تحمي المحركات من خلال حمايتها من التيار الزائد. وهي تعمل على تيار كهربائي يسخن قطعة من شريط ثنائي المعدن. عندما يكون الحمل الكهربائي زائدًا، يؤدي نوع الحرارة الناتج إلى انحناء الشريط، مما يؤدي إلى تغيير مكان التلامس وإزالة الحمل. التوجيه تمكّنها خصائص تشغيل مرحل التأخير الزمني الخاصة بها من تمرير تيارات التدفق القصيرة دون التعثر دون داعٍ.

مرحلات القصب

مرحل القصب هو شكل خاص من أشكال الترحيل حيث تكون الملامسات مصنوعة من قصبتين مغناطيسيتين مغلفتين بالزجاج. ويتم وضعهما داخل ملف يسحب القصبتين معًا مغناطيسيًا عند تنشيطه. وهي مقاومة للعوامل الجوية بإحكام ضد الظروف البيئية مثل الأوساخ والماء. تطبيقات سريعة ومنخفضة الاستهلاك للطاقة حيث تكون هناك حاجة إلى تيار منخفض، فهي صغيرة وسريعة وموثوقة ولكن ذات تصنيف تيار منخفض.

المرحلات الهجينة

يمكن استخدام المرحلات الهجينة لاحتواء جهاز مرحل إلكتروني ومُرحِّل كهربائي في وحدة واحدة، حيث يمكن استخدام مُرحِّل إلكتروني SSR لإجراء التبديل قصير المدى ثم ترك مُرحِّل كهربائي للحفاظ على التيار الكهربائي. وهذا يقلل من القوة الدافعة الكهربائية الخلفية والانحناء عند التبديل بالإضافة إلى التدفق الفعال للتيار وانخفاض استهلاك الطاقة.

أنواع مختلفة من الترحيل: مقارنة

يحتاج الاختيار بين النوعين إلى فهم جيد للمفاضلة بينهما. ويوضح الجدول أدناه المقارنة المباشرة بين أكثر أنواع الترحيل شيوعًا وفقًا لأهم مؤشرات الأداء.

وتكرارًا باختصار، سترغب في استخدام موزع الطاقة الكهرومغناطيسية SSR مفضلًا حتى على التكلفة، عندما يتطلب تطبيقك فقدانًا منخفضًا للطاقة وسرعة تبديل وعمرًا طويلًا. تعتبر مفاتيح التبديل الكهرومغناطيسية فعالة من حيث التكلفة في الأغراض العامة عالية الطاقة. يعد مفتاح القصب جيدًا في المعدات الحساسة حيث تكون المساحة مرتفعة.

كيفية اختيار المرحل المناسب: دليل من 4 خطوات

بعد أن تكون لديك خلفية جيدة عن نوع المرحل ومعلماته، يمكنك الآن الاعتماد على الإجراء المنهجي لاختيار المكون المثالي.

الخطوة1: حدد الحمولة (تيار متردد/تيار متردد، جهد، تيار)

صف الحمل الكهربائي الذي تريد تبديله. اعرف ما إذا كان الحمل تيار مستمر أو تيار متردد، ومعدل جهده ومعدل تياره. يجب أن يكون المرحل دائمًا ذا تصنيف يتجاوز تصنيف الحمل بشكل مريح، مع هامش آمن، خاصة عندما يكون الحمل عبارة عن خطوط نقل حثي أو قواطع دوائر كهربائية.

الخطوة2: تحديد إشارة التحكم الخاصة بك

افحص مدخلاتك على التحكم. ما مدى توافر جهد مصدر الطاقة لتنشيط المرحل؟ تأكد من أن التيار الكهربائي المتاح لتنشيط ملف المرحل أو أشباه الموصلات كافٍ في دائرة التحكم لديك.

الخطوة 3: النظر في تردد التبديل والعمر الافتراضي

ما هو تردد تبديل المرحل؟ يمكن أن يكون تصميم الحالة الصلبة أو مرحل الإغلاق أكثر ملاءمة للتشغيل المستمر أو المتكرر. وحيثما لا يلزم إجراء التبديل بشكل متكرر، يمكن استخدام مرحل emr.

الخطوة4: تقييم القيود البيئية والمادية

فكر من حيث درجة الحرارة المحيطة، والضوضاء، والاهتزاز، واحتياجات مرحل التأخير الزمني ومساحة اللوحة. اختر النوع الذي يلبي هذه الاحتياجات على أسس بيئية وميكانيكية دون الكثير من مقاومة التلامس أو توليد الكثير من أنواع الحرارة.

التطبيق العملي ومخطط الأسلاك

دعونا نضع هذا موضع التنفيذ مع مشروع هواية: التحكم في مصباح باستخدام Arduino ووحدة ترحيل.

دائرة التحكم:

• وحدة VCC الوحدة → → اردوينو 5 فولت
• GND للوحدة → GND للأردوينو
• الوحدة النمطية IN → دبوس رقمي أردوينو (على سبيل المثال، الدبوس 7)

دائرة الطاقة:

• اقطع سلك التيار المتردد الحي.
• طرف واحد → طرف التوصيل COM.
• الطرف الآخر → طرف التتابع NO.

عندما يرسل Arduino إشارة HIGH (عالية) إشارة الإدخال, فإنه ينشِّط المرحِّل، ويغلق المُرحِّل الاتصالات الفعلية وإكمال دائرة التحميل, وتشغيل المصباح. عندما تنخفض الإشارة، يعود المرحل إلى وضعه الوضع الطبيعي, فتح الدائرة.

توفير مرحلات عالية الجودة لتطبيقك

عندما تحدد احتياجاتك، فقد حان الوقت للعثور على قطع غيار أصلية عالية الجودة. انظر إلى السمات الأخرى بخلاف السعر الذي يتضمن سمعة الشركة المصنعة والقطع الأصلية وأوراق البيانات المفصلة. عندما يتعلق الأمر بالاستخدام الصناعي حيث تكون الجودة المنتظمة والاختيار الواسع مرغوبًا فيه، فإن البائعين، مثل أومتش في omch.com، لا تقدر بثمن. تتطلب المرحلات الكهرومغناطيسية للأغراض العامة وكذلك مرحلات الحالة الصلبة والترحيل ومرحلات الإغلاق ومرحلات الحماية المتقدمة موردًا مخصصًا يمكن الاعتماد عليه لضمان أدائها.

فكرة أخيرة

باختصار، يبرز التتابع، بأشكاله المختلفة، كمثال للجماليات الهندسية الرائعة. إن الإلمام بمبادئها وتعلم مصطلحاتها وإدراك المزايا الفريدة لكل نوع منها، يجعلها أداة رائعة في التصميم. يضمن لك اتباع نهج منهجي في اختيار القطعة ليس فقط الحصول على جزء فعال ولكن أيضًا الحصول على أفضل تصميم لمنتجك من حيث الأداء والأمان وطول العمر. لا يهم إذا كنت تعمل في مجال صنع دوائر كهربائية معقدة في صناعة صناعية أو كنت هاويًا تقوم ببعض التجارب، فلا يزال المرحل الصحيح هو أساس المشروع الناجح.