شرح المرحلات الكهربائية: دليل لكيفية عملها وأنواعها

قد لا يكون المرحل مكونًا أساسيًا لا غنى عنه في ساحة الهندسة الكهربائية والإلكترونيات الضخمة، ولكن يمكن القول إنه أحد أكثر المكونات الأساسية والقابلة للتكيف. إنه الشيء الذي يسمح بصمت بالقدرة المعقدة والتحكم في عدد لا نهائي من الأنظمة، بدءًا من السيارة التي تقودها أو المصنع الآلي الذي يصنع الشيء الذي تشتريه كل يوم. ولكن، ما هو عنصر الأزمة هذا وكيف يقوم بدوره الأهم؟

يتناول هذا البرنامج التعليمي مناقشة متعمقة للتتابع الكهربائي. سنقوم بتفكيكه إلى مبادئه الأساسية، ونقارن بين متغيراته المختلفة، ونراجع كيفية استخدامه عمليًا، ونقدم بعض النصائح العملية حول كيفية اختياره وتوصيله بالأسلاك واستكشاف أخطائه وإصلاحها. سواءً كنت طالبًا أو خبيرًا في مجال الأعمال اليدوية أو مهندسًا، فإن هذا الوصف المتعمق سيسلحك هذا الوصف المتعمق بمعرفة متينة بالتتابع الكهربائي.

ما هو المرحل الكهربائي بالضبط؟

ما هو المرحل؟ المرحل الكهربائي هو مفتاح يعمل بالكهرباء بالمعنى الأساسي. والتطبيق الأساسي للطاقة الكهربائية الصغيرة نسبياً في إحدى الدوائر هو تنظيم مفتاح (فتح/إغلاق) دائرة أخرى، غالباً ما تكون أكبر بكثير، وقد يشمل ذلك طاقة عالية أو تياراً عالياً. يتيح المرحل عددًا كبيرًا من إشارات التحكم في التيار المنخفض للتحكم في حمل كهربائي عالي الطاقة. هذه القدرة ليست مجرد راحة؛ بل هي أساس الأنظمة الكهربائية المعاصرة وتوفر ثلاث قيم أساسية:

• التحكم: توفر المرحلات طريقة آمنة لأداء المهمة الخطرة المتمثلة في تمرير إشارة ذات جهد منخفض وتيار منخفض، على سبيل المثال إشارة مرسلة من متحكم دقيق أو جهاز استشعار، أو مفتاح بسيط للوحة القيادة، للتحكم في عمل جهاز عالي الجهد وعالي التيار مثل محرك أو ضاغط أو مجموعة من الأضواء القوية.
• العزل (العزل الجلفاني): وهو أحد أهم عناصر السلامة في المرحل. يتم فصل دائرة التحكم (“المدخل”) ودائرة الحمل (“الخرج”) كهربائياً وفيزيائياً. يتجنب هذا العزل نقل الإشارات الكهربائية عالية الطاقة من جانب الحمل إلى إلكترونيات التحكم الحساسة والمعدات المتصلة والمشغل.
• التضخيم: بالمعنى الفعلي، أ التتابع سيكون بمثابة مضخم الإشارة. يمكن لملي أمبير أو نحو ذلك من التيار عبر ملف الترحيل أن يتحكم بفعالية في دائرة بعشرات أو حتى مئات الأمبيرات وبالتالي يمكن استخدام المرحل للتعامل بشكل مرضٍ مع الأحمال الحثية أو حتى أحمال التيار المستمر، بما في ذلك التطبيقات ذات التيارات الأعلى.

كيف تعمل المرحلات: المبادئ الأساسية

ولكي نفهم المرحلات بشكل صحيح، علينا أن نتناول أولاً أكثر أنواع المرحلات شيوعًا وشبيهة بالطبيعية: المرحل الكهروميكانيكي (EMR). وتشغيله هو مظهر حقيقي من مظاهر الكهرومغناطيسية في العمل، ويستخدم من الناحية المفاهيمية في صياغة الأنواع الأخرى من المرحلات.

السجلات الطبية الإلكترونية عبارة عن مجموعة من العناصر المتعددة التي يجب أن تعمل بالتعاون فيما بينها:

• لفائف: جسم على شكل أسطوانة مع سلك نحاسي محاط بقلب معدني. وعندما يمر التيار عبر هذا السلك يعمل القلب مؤقتاً كمغناطيس، وهو مغناطيس كهربائي.
• حديد التسليح: جزء متحرك مصنوع من الحديد وينجذب إلى الشحنة التي هي المغناطيس الكهربائي. وهو مصنوع للدوران.
• نير: هيكل حديدي صلب يوفر مسارًا منخفض الممانعة للتدفق المغناطيسي، حيث يتركز المجال المغناطيسي على المحرك.
• جهات الاتصال: هذه هي المكونات المادية للمفتاح التي تتصل ببعضها البعض لتكوين دائرة كهربائية وإذا انفصلت فإنها تقطع الدائرة. وتتكون المرحلات من أنواع مختلفة من الملامسات مثل الملامسات المفتوحة عادة (NO) والملامسات المغلقة عادة (NC). ويعتمد مقدار وطبيعة الملامسات على التطبيق المعني.
• مفتوح عادةً (NO): عندما يكون التتابع غير مفعلة فإن مجموعة الملامسات غير متصلة. الدائرة مفتوحة.
  • مغلق عادةً (NC): هذا هو عكس التلامس المفتوح عادةً حيث تكون ملامسات المرحل على اتصال عندما لا يكون المرحل مفعلًا. إنه مغلق.
  • مشترك (COM): يتم توصيل المحرك بالطرف الذي يتم نقله إلى ملامسات NO أو NC.
• الربيع: جزء لتوفير المحرك إلى وضع السكون عند توقف الملف عن التنشيط.

المرحلات الميكانيكية مقابل مرحلات الحالة الصلبة (SSR)

المرحل الكهروميكانيكي بكل ذكائه هو جهاز ذو أجزاء متحركة. ومع التحسن التكنولوجي، هناك متغير إلكتروني بالكامل، يعرف باسم مرحل الحالة الصلبة (SSR). وعلى الرغم من أنهما يشتركان في الغرض العام، إلا أن التركيب الداخلي وطبيعة الأداء فيهما مختلفان عملياً. وهذا التمييز مهم جداً في تصميم الأنظمة الحديثة.

لا تحتوي SSR على أجزاء متحركة. ويتم تبديل الحمل الكهربائي الذي ينجزه باستخدام أشباه موصلات، وتحديداً الثايرستور أو TRIAC أو ترانزستورات الطاقة. يتم توصيل إشارة التحكم هذه تقليديًا بأشباه موصلات التبديل من خلال قارنة ضوئية (صمام ضوئي وكاشف ضوئي) وهذا يوفر عزلًا كلفانيًا مطلقًا كما هو الحال في الموزع الكهرومغناطيسي. ويتيح ذلك عملًا آمنًا في ظل ظروف أكثر تطلبًا مثل التعرض العالي للقوس الكهربائي أو ضرورة تنظيم الأجهزة الإلكترونية.

فيما يلي مقارنة مفصلة بين الاثنين:

كما ترى، عندما تكون هناك حاجة إلى بيئة ذات متطلبات عالية فيما يتعلق بالموثوقية والتبديل السريع والعمر الافتراضي الطويل، فإن مرحلات الحالة الصلبة هي الخيار الأفضل. ويمكن استخدامها أيضًا في التحكم والأتمتة الحديثة حيث تكون طبيعة تشغيلها صامتة وصعبة ضد الصدمات والاهتزازات.

لماذا تفضل الأنظمة الحديثة مرحلات الحالة الصلبة

في OMCH، نحن متخصصون في شركة OMCH، نتخصص في مرحلات الحالة الصلبة مصممة للأتمتة الصناعية. توفر مرددات SSR SSR-DA/AA من OMCH، مثل سلسلة OMCH SSR-DA/AA، تحكمًا دقيقًا ومتانة استثنائية، مما يقضي على مشكلات مثل مقاومة التلامس أو قوس كهربائي التي يمكن أن تحدث في المرحلات الميكانيكية التقليدية. وهذا يضمن أقصى وقت تشغيل وكفاءة للتطبيقات الحرجة مثل أنظمة التحكم في الإضاءة أو أنظمة السلامة.

التطبيقات الشائعة وحالات الاستخدام الشائعة

تفسر مرونة المرحلات سبب استخدامها في جميع مجالات التكنولوجيا تقريبًا. كما أنها ضرورية في مجموعة كبيرة من التطبيقات بسبب قدرتها على توصيل تيارات عالية أو تيار مستمر بأمان:

• في أنظمة السيارات: سيارة القرن الحادي والعشرين هي عالم من المرحلات. والسبب في الحاجة إليها هو أن إلكترونيات التحكم في السيارة (وحدة التحكم الإلكترونية في السيارة (ECU) ووحدة التحكم في الهيكل) تعمل على تيارات منخفضة جداً في حين أن هناك حاجة إلى تيار عالٍ جداً في أشياء مثل المصابيح الأمامية ومحركات بدء التشغيل ومراوح التبريد. وتملأ المرحلات هذه الفجوة، وتبدو السلامة والكفاءة في التحكم في هذه الأحمال الثقيلة من خلال مفتاح صغير على لوحة العدادات أو إشارة من وحدة التحكم الإلكترونية في السيارة.
• في لوحات التحكم الصناعية: تعتمد الأتمتة الصناعية إلى حد كبير على المرحلات. وهي عبارة عن وسطاء في لوحة التحكم بين المعدات عالية الطاقة في المصنع ووحدة التحكم المنطقي القابلة للبرمجة (PLC). مثال على ذلك هو خرج إشارة التيار المستمر بجهد 24 فولت من وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) التي قد تنشط مرحلًا والذي بدوره قد يقوم بتشغيل أو إيقاف تشغيل محرك ثلاثي الأطوار بجهد 480 فولت تيار متردد. إن SSR لها تطبيقات خاصة هنا لأنها تتمتع بعمر طويل في الاستخدامات عالية الدورة مثل التحكم في السخان ومحركات المحركات.
• في المنزل الذكي ومشاريع اصنعها بنفسك: في المشاريع التي يحتاج فيها الهاوي أو الصانع إلى جعل مشاريعه تتصل بالعالم الحقيقي، فإن المرحلات هي الحل. لا يمكن تشغيل آلة صغيرة مثل مصباح أو صانع قهوة أو جهاز منزلي مباشرةً بواسطة متحكم صغير مثل Arduino أو Raspberry Pi. باستخدام وحدة الترحيل يمكن استخدام المتحكم الدقيق لتبديل طاقة التيار المتردد العادية التي يمكن العثور عليها في المنزل بأمان وهذا التصميم هو أساس أي مشروع منزلي ذكي أو مشروع أتمتة يمكن تخيله.

كيفية اختيار المرحل المناسب

يعد اختيار المرحل الصحيح أمرًا بالغ الأهمية لسلامة وموثوقية دائرتك. وهو ينطوي على مطابقة مواصفات المرحل مع متطلبات التطبيق الخاص بك. ضع في اعتبارك العوامل المهمة التالية:

• جهد الحمل والتيار: إنها المواصفات الأكثر أهمية. ما هو الجهد (تيار متردد أو تيار مستمر) للجهاز المراد تبديله؟ ما مقدار التيار الذي سيتطلبه عند تشغيله؟ يجب أن تكون هذه القيم أقل من تصنيف التلامس (أو الخرج) للمرحل. لا تنس أبدًا هامش الأمان بنسبة 20-30 في المائة.
• جهد إشارة التحكم: الجهد اللازم لإكمال تنشيط ملف الترحيل (م.ك.م.م) أو دائرة الإدخال (م.م.م.أ). يجب أن تكون قادرة على أن تكون مساوية أو أكبر من خرج جهاز التحكم الخاص بك (على سبيل المثال Arduino يعطي 5 فولت، بطارية السيارة تعطي 12 فولت، PLC تعطي 24 فولت).
• تردد التحويل: ما هو عدد المرات التي يجب فيها تشغيل المرحل وإيقاف تشغيله؟ في معظم تطبيقات التبديل (أكثر من مرة في الثانية) يكون مرحل الحالة الصلبة فقط هو القابل للتطبيق لأنه حتى المرحل الكهرومغناطيسي معرض للفشل ميكانيكياً بسبب التبديل العالي.
• البيئة العوامل: بيئة العمليات. هل يوجد أي اهتزازات أو صدمات عالية؟ هل التشغيل في صمت ضروري؟ هل هناك غازات قابلة للانفجار (حيث يكون المرحل المختوم ضروريًا)؟ عادةً ما يكون SSR بديلاً أفضل وأكثر أمانًا في البيئات عالية الاهتزازات مثل تلك التي يكون فيها الصمت والموثوقية العالية ضروريين.

دليل عملي لتوصيل الأسلاك المرحلية

يتم استخدام مخطط ترقيم قياسي لترقيم المحطات الطرفية في معظم مرحلات السيارات والمرحلات الصناعية، مما يبسط توصيل أسلاك هذه المرحلات. وأكثرها شيوعاً هي:

• 85 و86: هما طرفا ملف الترحيل. سيتم تنشيط المرحل عن طريق تطبيق الجهد الصحيح عليهما. والقطبية غير مهمة في معظم مرحلات التيار المستمر على الرغم من أنها قد تحتوي على صمام ثنائي داخلي كاتم للصوت وفي هذه الحالة سيتم وضع علامة عليها.
• 30: الطرف المشترك. يرتبط هذا بشكل عام بإمداد دائرة الحمل بالطاقة.
• 87: الطرفية المفتوحة عادةً (NO). هذا هو الطرف الطرفي 30 الذي يتم تشغيله عند إغلاق المرحل.
• 87أ: التلامس المغلق عادةً (NC) (في المرحل ذي الخمسة أسنان). هذا هو الطرف النهائي المتصل بالطرف 30 عندما لا يكون الترحيل قيد التشغيل.

استكشاف مشاكل الترحيل الشائعة وإصلاحها

عادةً ما يكون المرحل هو السبب في تعطل الدائرة، خاصةً إذا كان مصدر الطاقة لا يعمل بشكل صحيح. فيما يلي بعض المشكلات التي تحدث عادةً وكيفية تشخيصها:

المشكلة 1: يصدر المرحل صوت “نقر”، لكن الحمل لا يعمل.

• السبب المحتمل: يعني أن دائرة التحكم (الملف الذي يتم تنشيطه) على ما يرام؛ يوجد عطل في دائرة الحمل. قد تكون التلامسات الداخلية للمرحِّل مهترئة أو محترقة (محروقة) بشكل سيئ بحيث لا يمكن إجراء تلامس كهربائي جيد. وبدلاً من ذلك، قد يكون ذلك بسبب سوء توصيل الحمل، أو سلك مفصول أو مكسور أو صمام محترق في جانب الحمل (السنون 30 و87).

المشكلة 2: يصبح المرحل ساخنًا جدًا.

• السبب المحتمل: في حالة المرحل الكهرومغناطيسي، لا يمكن توصيل الملف إلا بجهد معين قبل أن يصبح الملف ساخنًا جدًا ويحترق. في كلٍ من الموزعات الكهرومغناطيسية وموزعات SSRs، في حالة ما إذا كان المرحل صغيرًا جدًا للتعامل مع تيار الحمل، فإن المرحل سوف يسخن بشكل مفرط وتدريجيًا ويتعطل.

المشكلة 3: المرحل في وضع التشغيل الدائم أو الإيقاف الدائم.

• السبب المحتمل: في المرحل الكهرومغناطيسي، قد يؤدي ارتفاع التيار الهائل إلى لحام الملامسات الداخلية معًا، مما يجعل المرحل في وضع “التشغيل”. وبدوره، لن يسمح سلك الملف المحترق بتشغيله أبدًا. قد تؤدي حالة الجهد الزائد الكبير أو التيار الزائد في مرحل SSR إلى إتلاف أشباه الموصلات الداخلية، مما يجعلها دائرة مفتوحة بشكل دائم (أو دائرة مغلقة بشكل دائم مضادة للصمامات).