عناصر إلكترونيات القدرة والتحكم الإلكترونى فى المحركات الكهربائية

[F.Abdelaziz]

عناصر إلكترونيات القدرة والتحكم الإلكترونى فى المحركات
عناصر إلكترونيات القدرة الأساسية :
1- الثنائى (الموحد) Diode (Rectifier)
يتكون الثنائى من وصلة ثنائية ( سالب – موجب ) P – N مصنوعة من أشباه الموصلات مثل السليكون Si أو الجرمانيوم Ge . يتواجد الثنائى عادة فى الأسواق على شكل اسطوانة مرسوم عليها شريط ملون على أحد جانبيه للدلالة على مكان المادة السالبة N والتى تمثل المهبط Cathode , أما الجانب الآخر فيمثل المادة الموجبة P والتى تمثل المصعد Anode .

يعتبر الثنائى فى الوضع الطبيعى كمفتاح مفتوح , وحتى يعمل الثنائى كمفتاح مغلق يجب تعريضه لانحياز أمامى Forward bias أى تعريض مصعده لجهد موجب , وتعريض مهبطه لجهد سالب , ويكون اتجاه مرور التيار من المصعد إلى المهبط ويقال : إن الثنائى فى حالة وصل On .
أما إذا تعرض الثنائى لانحياز عكسى Reverse bias , أى تعرض مهبطه لجهد موجب بالنسبة لجهد المصعد , يمر تيار صغير يسمى تيار التسريب Leakage current , وعمل الثنائى فى هذه الحالة كطمفتاح مفتوح , ويقال : إن الثنائى فى حالة قطع Offكما فى الشكل التالى :

والجدير بالذكر أن ثنائى الجرمانيوم يتحول لحالة الوصل عندما يكون فرق الجهد بين مصعده ومهبطه أكبر من 0.3V ويكون فقد الجهد فيه 0.3V تقريبا , أما ثنائى السليكون فيتحول لحالة الوصل عندما يكوزن فرق الجهد بين مصعده ومهبطه أكبر من 0.6V ويكون فقد الجهد فيه 0.6V تقريبا , علما بأن الثنائى السليكونى هو السائد تقريبا فى الأسواق لأنه الأكثر استقرارا فى درجات الحرارة العالية , وتستخدم الثنائيات على نطاق واسع فى دوائر التوحيد Rectification circuits .

ويندرج تحت عائلة الثنائيات ثنائيات خاصة تعرف بثنائيات الزنر , وهى ثنائيات سليكونية لها خواص تسمح بإمرار جهد مستمر ثابت فى الانحياز العكسى , وهى تشبه الثنائيات العادية فى الشكل .
عندما يتعرض ثنائى الزنر لانحياز أمامى يعمل كثنائى عادى ,ويتحول لحالة الوصل , ويمر التيار الكهربائى , ويكون فرق الجهد بين مصعدة A ومهبطه K مساويا 0.6 : 0.7V تقريبا . وعندتعريض ثنائى الزنر لانحياز عكسى فإن ثنائى الزنر يكون فى حالة قطع فى البداية , وبمجرد زيادة فرق بين مهبطه ومصعده عن جهد انهياره يتحول الثنائى لحالة الوصل وبالتالى يعمل ثنائى الزنر فى هذه الحالة كمنظم للجهد للمحافظة على الجهد بين مهبطه ومصعده بحيث لا يتجاوز جهد الزنر للثنائى .
رمز ثنائى الزنر :

[saqqqsa]

بارك الله فيك

[فكروعلم]

شكراً موضوع جيد

[F.Abdelaziz]

دوائر التوحيد Rectification circuits :
تستخدم الثنائيات على نطاق واسع فى دوائر التوحيد . تقوم دوائر التوحيد بتحويل التيار المتردد AC إلى تيار مستمر DC .
تنقسم دوائر التوحيد إلى نوعين , هما :
1- دوائر توحيد أحادية الوجه , وتنقسم بدورها إلى :
أ‌- دوائر توحيد نصف موجة .
ب‌- دوائر توحيد موجة كاملة باستخدام محول بنقطة منتصف .
ج‌- دوائر توحيد موجة كاملة باستخدام قنطرة توحيد ذات الأربع ثنائيات .
2- دوائر توحيد ثلاثية الوجه , وتنقسم بدورها إلى :
أ‌- دوائر توحيد نصف موجة .
ب‌- دوائر توحيد موجة كاملة .

دوائر التوحيد الأحادية الوجه :
أولا : دوائر التوحيد النصف موجة :
الشكل التالى يعرض دائرة توحيد نصف موجة . فعندما يكون فرق الجهد بين النقطة A والنقطة B أكبر من 0.7V فإن الثنائى D يتحول لحالة الوصل ON . وهذا يؤدى لوصول التيار الكهربى إلى المقاومة RL وبمجرد إنخفاض فرق الجهد بين النقطة A والنقطة B عن 0.7V فإن الثنائى D سوف يتحول لحالة الفصل OFF , وفى هذه الحالة ينقطع مرور التيار الكهربى بالمقاومة RL وهكذا .

الشكل التالى يبين شكل موجة الجهد Vs على أطراف الملف الثانوى للمحول T1 , وكذلك شكل موجة الجهد Vo على أطراف المقاومة RL فى دائرة التوحيد النصف موجة المبينة أعلاه , ويلاحظ أن نصف الموجة الموجب هو فقط الذى يظهر على أطراف المقاومة RL .

ثانيا : دائرة توحيد الموجة الكاملة :

[F.Abdelaziz]

ثانيا : دائرة توحيد الموجة الكاملة :
الشكل التالى يعرض دائرة توحيد موجة كاملة باستخدام محول له نقطة طرف تفرع فى المنتصف , فعندما يكون الطرف A موجبا فإن الثنائى D1 سيكون فى حالة وصل ON , ويمر التيار الكهربى خلاله وصولا للمقاومة RL , وذلك فى نصف الموجة الموجب للجهد Vs . وعندما يكون جهد الطرف B موجبا فإن الثنائى D2 سيكون فى حالة وصل ON , ويمر التيار الكهربى خلاله وصولا للمقاومة RL , وذلك خلال نصف الموجة السالب للجهد Vs .

الشكل التالى يبين شكل موجة الجهد للملف الثانوى وموجة الجهد بين النقطة A ونقطة المنتصف Vin , وكذلك موجة الجهد الخارج على أطراف المقاومة Vo . ويلاحظ أن الجهد Vin يساوى نصف الجهد Vs ويلاحظ أيضا أن الجهد على المقاومة RL جهد مستمر متغير القيمة .

الشكل التالى يعرض دائرة توحيد موجة كاملة باستخدام قنطرة توحيد . ففى نصف الموجة الموجب لجهد الملف الثانوى Vs فإن الطرف A يكون موجبا فيمر التيار الكهربى فى المسار: A – D1 – RL – D3 – B , وفى نصف الموجة السالب لجهد الملف الثانوى Vs فإن الطرف B يكون موجبا فيمر التيار الكهربى فى المسار : B – D2 – RL – D4 – A وبالتالى نحصل على جهد مستمر عند الحمل .

الشكل يبين شكل موجة الجهد للملف الثانوى Vs وكذلك موجة الجهد الخارج على أطراف المقاومة Vo .

الجدول التالى يعقد مقارنة بين خواص دوائر التوحيد السابقة حيث Is هو تيار الملف الثانوى للمحول :

تفسير الجدول :
للحصول على جهد خرج بالقيمة Vo وتيار خرج بالقيمة Io يتم اختيار معدلات المحول ( سعة المحول بالفولت أمبير VA , وجهد الملف الثانوى Vs , والتيار المار بالثنائى, والجهد العكسى للثنائى ) تبعا لطريقة التوحيد المستخدم .

دوائر التوحيد الثلاثية الأوجه :

[F.Abdelaziz]

دوائر التوحيد الثلاثية الأوجه :
أولا : دائرة توحيد نصف الموجة :
الشكل التالى يبين دائرة توحيد نصف موجة ثلاثيى الوجه , حيث يتحول الثنائى الذى له أعلى جهد لحالة الوصل , وينتقل أعلى جهد عبر هذا الثنائى لمهبط الثنائيين الآخرين فيتحولان لحالة القطع , لذلك يصبح فى كل لحظة ثنائى واحد فى حالة زصل والاثنان الأخران فى حالة قطع كما هو مبين بالشكل .

يلاحظ من هذه المنحنيات أنه فى الفترة 0-30 درجة يكون الجهد VCN أعلى جهد فيتحول الثنائى D3 لحالة الوصل وينتقل الجهد VCN للمقاومة R ليكون Vo . وفى الفترة 30-150 درجة فإن أعلى جهد موجب هو VAN فيتحول D1 لحالة الوصل وينتقل الجهد VAN للمقاومة R ليكون Vo . وفى الفترة 150 – 270 درجة يكون VBN هو أعلى جهد موجب وينتقل الجهد VBN للمقاومة R ليكون Vo . وفى الفترة 270 – 390 درجة فإن الجهد VCN يكون أعلى جهد موجب وينتقل الجهد VCN للمقاومة R ليكون Vo . ويكون تردد موجة الخرج مساويا ثلاث مرات من تردد المصدر المتردد .

ثانيا : دائرة توحيد الموجة الكاملة :
الشكل التالى يعرض دائرة توحيد موجة كاملة ثلاثية الأوجه . وعادة يكون هناك ثنائيان فى حالة وصل فى أى لحظة , فى حين تبقى أربعة ثنائيات فى حالة قطع , ويكون أحد الثنائيات من الثنائيات الفردية D1,D3,D5 والآخر من الثنائيات الزوجية D2,D4,D6 . وعادة يمر التيار الكهربى من المصدر من الخط الذى له أعلى جهد موجب فى الثنائى الزوجى عبر الحمل ثم عبر الثنائى الفردى الذى يؤدى إلى خط المصدر الذى له أعلى جهد سالب , ولذلك يمكن تحديد مسار التيار فى أى لحظة بتحديد الطرف الأعلى جهدا موجبا والطرف الأعلى جهدا سالبا , ويقوم الطرف الموجب بتحويل الثنائى الزوجى الخاص به لحالة الوصل ويقوم الطرف السالب بتحويل الثنائى الفردى الخاصبه لحالة الوصل .

الشكل التالى يعرض شكل موجات الجهد للأوجه الثلاثة ومعكوسهم (الشكل أ ) , وكذلك شكل موجة الخرج Vo على المقاومة R (الشكل ب ) .

الجدول التالى يبين الأوجه الأعلى – جهد موجب , والأعلى – جهد سالب , وكذلك الثنائيات التى فى حالة وصل فى كل فترة .

والجدير بالذكر أنه لتعيين الوجه الأعلى جهدا موجبا نتبع الآتى :
فى الفترة 0-60 درجة يكون VBC هو إعلى فرق جهد سالب , أى أن VCB هو إلى فرق جهد موجب , أى أن الوجه C هو إلى جهد موجب , والوجه B هو إعلى جهد سالب , وأيضا الفترة 60-120 درجة , فإن VAB هو أعلى جهد موجب , أى أن الوجه A له أعلى جهد موجب , والوجه B له أعلى جهد سالب وهكذا .

ثنائى الزنر Zener Diode

[F.Abdelaziz]

ثنائى الزينر Zener Diode
إن ثنائى الزينر هو ثنائى سليكونى له خواص تسمح بإمرار جهد ثابت فى الانحياز العكسى , وهو يشبه فى الشكل الثنائى العادى .
فعندما يتعرض ثنائى الزينر لانحياز إمامى يعمل كثنائى عادى ويتحول لحالة الوصل on ويمر التيار الكهربائى ويكون فرق الجهد بين طرفيه مساويا 0.6-0.7V تقريبا , وعند تعريض ثنائى الزينر لانحياز عكسى فإن ثنائى الزينر يكون فى حالة قطع فى البداية , وبمجرد زيادة الجهد عن جهد الانهيار للثنائى يتحول الثنائى لحالة الوصل , ويمر تيار كبير فيه , ويكون فرق الجهد على طرفى الثنائى مساويا جهد الزينر .

ويستخدم ثنائى الزينر لتنظيم الجهد . الشكل (أ) التالى يبين دائرة تستخدم ثنائى زينر لتنظيم الجهد على أطراف المقاومة RL , بحيث لا يزيد الجهد على أطرافها عن 5.1V , فى حين أن الشكل (ب) يبين الدائرة المكافئة , وذلك باستبدال ثنائى الزينر ببطارية جهدها 5.1V .

فيما يلى أهم المعادلات التى تستخدم مع ثنائى الزينر :

حيث :
V جهد المصدر .
Vz الجهد على أطراف ثنائى الزينر .
Iz التيار المار فى ثنائى الزينر .
IL تيار الحمل .
Pz القدرة المستهلكة فى ثنائى الزينر ويجب ألا تتعدى القيمة المسموح بها من ورق البيانات .

الثايركتور Thyrector :
يعمل الثايركتور كما لو كان ثنائيا زينر موصلين معا خلفا لخلف , وهو يستخدم لخمد قفزات الجهد المفاجئة أثناء العبور Transient , وهو يتحول لحالة الوصل فى كلا الاتجاهين عند تعدى جهد الدائرة جهده الأقصى , وعادة يكون أحد الثنائين منحازا أماميا والثانى كثنائى زينر , وبهذه الطريقة يقوم الثايركتور بخفض جهد الشبكة للجهد المقنن .
الشكل التالى يبين رمز الثايركتور :

[F.Abdelaziz]

الترانزستور Transistor :
يعتبر الترانزستور من أشهر أشباه الموصلات , وهو يستخدم كعنصر قدرة وعنصر إشارة .
يمكن تقسيم الترانزستورات بصفة عامة إلى :
1- ترانزستور ثنائى القطبية BJT .
2- ترانزستور تأثير المجال الالتصاقى JFET .
3- ترانزستور تأثير المجال أكسيد المعدن شبه الموصل MOSFET .
4- ترانزستور أحادى الوصلة UJT .
5- ترانزستور أحادى الوصلة القابل للبرمجة PUT .

الترانزستور الثنائى القطبية BJT :
للترانزستور الثنائى القطبية ثلاثة أرجل , وهى القاعدة Base والباعث Emitter والمجمع Collector , ويصنع الترانزستور من ثلاث طبقات من أشباه الموصلات , وهذه الطبقات بعضها سالب N وبعضها موجب P , وتقسم الترانزستورات حسب قطبية هذه الطبقات إلى ترانزستورات NPN , تتألف من طبقتين سالبتين N وطبقة موجبة P , وترانزستورات PNP تتألف من طبقتين موجبتين وطبقة سالبة . فيما يلى رموز هذه الترانزستورات :

الرمز 1 لترانزستور NPN والرمز 2 لترانزستور PNP .
الشكل التالى يعرض صورا مختلفة للترانزستورات الموجودة فى الأسواق , سواء كانت ترانزستورات إشارة أو ترانزستورات قدرة .

ويعتبر الترانزستور الثنائى القطبية فى حالة فصل فى الحالة الطبيعية , أى أن تيار مجمعه يساوى صفرا , وعند تعريض القاعدة والباعث لانحياز أمامى وتعريض القاعدة والمجمع لانحياز عكسى يتحول الترانزستور لحالة الوصل .
فمثلا : بالنسبة للترانزستور NPN عندما يكون جهد القاعدة أعلى من جهد الباعث وعندما يكون جهد المجمع أعلى من جهد القاعدة يتحول الترانزستور لحالة الوصل , والعكس بالنسبة للترانزستور PNP .
وعلى كل حال فمعظم ترانزستورات القدرة تكون NPN , لذا سوف نتناول هذا النوع على وجه الخصوص .
وعادة يستخدم الترانزستور ثنائى القطبية كمفتاح فى دوائر التحكم فى المحركات , فعندما يكون تيار القاعدة مساويا صفرا فإن هذا يمثل حالة القطع Cut off للترانزستور , ولكن عند مرور تيار قاعدة كاف فإن الترانزستور يتشبع Saturate ويتحول لحالة الوصل الكامل Fully on ويمر تيار كبير فى المجمع وعادة فإن فرق الجهد الفعلى بين مجمع وباعث الترانزستور عندما يكون فى حالة تشبع (وصل كامل) 0.2 : 0.4V .
وتعرف النسبة بين تيار المجمع وتيار القاعدة بمعامل تكبير الترانزستورات أو بكسب التيار Current gain ويطلق عليها بيتا أو hFE .

وتتراوح قيمة للترانزستورات ما بين 35 : 300 والقيمة الطبيعية لها 100 .
وعادة يستخدم الترانزستور كمكبر Amplifier أو كمفتاح Switch . وعادة يستخدم فى مجال التحكم كمفتاح.
الشكل التالى سبين دائرة بسيطة لترانزستور NPN ومقاومتان .

حيث :
VCC جهد البطارية .
Vin جهد إشارة الدخل بين القاعدة والباعث .
VBE فرق الجهد بين القاعدة والباعث .
الجدول التالى يعرض علاقات التيار وقيو VBE , VCE عند حالات التشغيل المختلفة للترانزستور .

حيث إن : ICS تيار المجمع عند التشبع .
والمعادلة التالية تعطى القدرة المستهلكة فى الترانزستور Pt عندما يكون فى حالة تكبير أو تشبع :

ويجب مراعاة عدم تعدى القدرة المستهلكة (المشتتة) Dissipated Power فى الترانزستور عن القيم الموصى بها فى ورق البيانات Data Sheets للترانزستور .