اكتشف أسرار الدوائر الإلكترونية #0003

[م.وليد الفرا]

اكتشف أسرار الدوائر الإلكترونية #0003
السلام عليكم جميعا
في هذا الجزء الثالث من اكتشف أسرار لن اقدم تساؤلات وانتظر الإجابة عليها كعادتي، بل سأدخل مباشرة إلى الموضوع، أرجو ان ينال إعجابكم وتعم به الفائدة على الجميع.

سنتكلم اليوم عن تطبيق شاع استخدامه بكثرة في العديد من الأجهزة الكهربية وهو منبع القدرة بدون محول

Transformerless power supply.
سنقوم بتحليل الدائرة التالية والتي تعرض إحدى اشهر الصور لبنية هذا النوع من البورسبلاي التي تصادفنا في العديد من الأجهزة الكهربية.

هذا المخطط عرضه أخي الأستاذ زكي شاكر في أحد ردوده على موضوع:
http://www.qariya.info/vb/showthread.php?t=13687

كما ترى، فيوز ومكثف متصل على التوازي مع مقاومة، تليه قنطرة توحيد ومكثف فلتر وديود زينر، بهذه العناصر فقط تحصل على منبع قدرة بون محول. تعالوا الآن نقترب اكثر من الدائرة.

متى يضطر المصمم إلى استخدام هذا النوع من منابع القدرة؟

1. الحجم الكلي للجهاز

1. : في كثير من الأحيان يفرض عليك التصميم وظروف عمل الجهاز أن يكون الحجم محدودا بمساحة معينة أو شكل خارجي معين لا يعطيك إمكانية استخدام محول على الإطلاق، لان المحول كبير الحجم ثقيل الوزن. افضل مثال لهذه الحالة هو الجهاز الذي نسميه هنا في غزة "تايمر الدرج". تايمر الدرج هذا هو جهاز صغير الحجم يشبه في شكله وحجمه قاطع الكهرباء "النص أوتوماتيك" الموجود في صندوق التحكم الرئيسي بشبكة المنزل. وظيفته هو إضاءة جميع اللمبات الموجودة داخل "بير السلم" (بالمعنى المصري) لمدة زمنية محددة ثم إطفاءها أوتوماتيكيا. لا تستطيع-بأي شكل من الأشكال- أن تضع الدائرة الإلكترونية للتايمر (المُؤقت الزمني) والريلي وأيضا المحول وتوابعه في حجم قاطع التيار "النص أوتوماتيك" إلا إذا استخدمت تقنية حديثة جدا.

2. التكلفة الكلية للجهاز: أحيانا يكون الجهاز المُراد تصنيعه رخيص الثمن في السوق، وأنت (أي المصمم) تريد أن تخفض ثمن التكلفة لتربح ولو بشكل رمزي. إحدى طرق خفض التكلفة هي اللجوء إلى استخدام هذا النوع من منابع التغذية وهو باستبدال المحول "غالي الثمن نسبياً" بمكثف "رخيص الثمن نسبياً".

ما ذُكر أعلاه أيضاً يعتبر من مزايا هذا النوع من منابع التغذية، لكن ما هي عيوبه؟

[م.وليد الفرا]

أهم العيوب تتلخص في:
1- خطورته على الإنسان والجهاز: والخطورة المقصودة هنا لا تصل إلى درجة الموت، لان المُفترض أن الشخص الذي يتعامل مع الجهاز هو شخص فني أو مهندس يعرف الشيء الموجود بين يديه وطرق التعامل الصحيحة معه، كل ما في الأمر انك عندما تقوم بلمس أي جزء من الدائرة (حتى المنطقة التي يُفترض أن الجهد فيها منخفض) ستشعر بصعقة كهربية مؤلمة، لأنه لا يوجد عزل isolation بين جهد الشبكة (220 V AC) وبين بقية الجهاز، المحول يُوجِد هذا النوع من العزل. غياب العزل أيضا يضر بالجهاز عند حدوث أي مشاكل في جهد الشبكة، ويكون التلف في الجهاز اكبر بكثير مما هو الحال مع وجود المحول.
2- ضعف التيار الناتج: ستلاحظ أثناء عمليات التحليل والحساب انك لن تستطيع الحصول على أي كمية تشاء من التيار الكهربي، بل إن هناك قيود وحدود لقيمة التيار الناتج تجعل هذا النوع من منابع التغذية محدود الاستخدام.

أين يُستخدم؟ أنا شخصيا شاهدت هذا النوع من منابع التغذية مُستخدم في جهاز تايمر الدرج وفي لوحة التحكم (اليدوية) بالمكيفات المركزية وفي بعض دوائر شحن البطاريات (لا تقُل لي أن البطاريات تحتاج إلى تيار عالي، الحديث هنا عن بطاريات 6 فولت صغيرة الحجم وطبعا يكون الشحن بطيء لان ذلك لمصلحة البطارية).

[م.وليد الفرا]

التحليل والحسابات:
اولاً: ما هو الجهد الناتج عن هذا البورسبلاي؟
الجهد الناتج هو جهد ديود الزينر المستخدم. الزينر في المخطط أعلاه قيمة جهده 12 فولت، اذن هذا البور يعطينا 12 فولت. لو استبدلت الزينر 12 بزينر 9 فولت سيكون الجهد الناتج للبور سبلاي 9 فولت، خلصنا من الجهد، واضحة.
ملاحظة هامة: لو لمست نقطة الـ 9 فولت أو الـ 12 فولت ستشعر بصعقة كهربية قوية!! في غياب المحول ينعدم العزل بين جهد الشبكة وبقية الجهاز. لا تنخدع بالقراءة 9 فولت على جهاز الفولتميتر. لا تلمس بيدك العارية أي جزء من الدائرة دون فصل الجهاز كليا عن الشبكة.
ثانياً: حساب التيار الاقصى الذي يمكن ان يزوده هذا البور سبلاي؟
اتبع الخطوات التالية:
 احسب المفاعلة السعوية Xc للمكثف C1 بالكيلو اوم
 احسب قيمة هذه المفاعلة على التوازي مع قيمة المقاومة R1 فتحصل على المعاوقة المكافئة الكلية Z
 استخدم Z هذه في حساب التيار الاقصى كما يلي:

الرقم 1,4 الذي ظهر في الحسابات اعلاه هو قيمة الهبوط في الجهد على ديودين من ديودات القنطرة.

[م.وليد الفرا]

ماذا نستنتج من كل ذلك؟
 ان اقصى تيار يمكن ان يقدمه هذا البورسبلاي هو 15 ميللي. يعني لو كان الجهاز الذي يغذيه هذا البور يتطلب اكثر من 15 فلن يستطيع هذا البور اعطاءه اكثر من ذلك. على سبيل المثل بعض انواع الريلي يتطلب اكثر من 50 ميللي امبير و 12 فولت لينشط ملفه، هذا البور لا يكفي لذلك.
 يمكن زيادة هذا التيار بزيادة سعة المكثف C1 الى حد معين. افرض ان قيمة سعة المكثف C1 تساوي 1000 نانو/ 400فولت (أي 1 ميكرو) فانه باعادة الحسابات اعلاه سنجد ان التيار الاقصى سيصل الى 66 ميللي. لكن هل نستطيع تكبير قيمة سعة المكثف الى ما نشاء؟ الحقيقة نعم، كلما زادت سعة المكثف كلما زاد التيار الممكن الحصول عليه من هذا البور، لكن المكثفات الاكبر من 1000 نانو/ 400فولت تكون تقريبا بنفس حجم محول صغير وبنفس سعرة، وهنا يكون الافضل استخدام المحول للحصول على ميزة العزل انفة الذكر طالما ان الحجم اصبح غير مهم والثمن واحد، فكر فيها!!.
 المقاومة R1 لا تأثير لها تقريبا على قيمة Z طالما بقيت كبيرة جداً. وهنا اؤكد على كلمة كبيرة. يجب ان تضع في رأسك ان قيمة هذه المقاومة يجب ان لا تقل عن 100 كيلو/ربع وات. انا لو مكانك ساستخدم 470 كيلو/ربع وات دون تفكير او تردد. القيمة 470 كيلو عندما تتصل على التوازي مع المكثف الذي تكون قيمة مفاعلته السعوية Xc صغيرة جدا مقارنة مع قيمة المقاومة، ستكون النتيجة تقريبا هي Xc نفسها. يمكن ايضا الاستغناء كليا عن هذه المقاومة، حيث انه في غيابها يكون المكثف نظريا متصل على التوازي مع مقاومة R1 قيمتها ما لانهاية.
ما دام الامر كذلك، فما دور هذه المقاومة؟ بسيطه يا سيدي، خد عندك: الوظيفة الرئيسية لهذه المقاومة R1 هي تفريغ المكثف C1 عند فصل الجهاز عن الشبكة 220فولت. لان المكثف C1 يكون مشحون بجهد الشبكة 220 فولت × جذر 2 أي حوالي 311 فولت، ولو فكرت ولمسته حتى والدائرة مطفيه ستأكل ضربة مؤلمة منه لانه سيفرغ في جسمك الغض.
طيب تمام، كم من الوقت يلزم هذه المقاومة لتفريغ المكثف؟ الجواب: حوالي عُشر الثانية. تعال نحسبها:

T = R1 X C1
T = 470 K X 220n = 0.1034 second

أي حوالي 0,1 ثانية (اقل من رمشة العين)
في ناس بيقولوا ان: T = 1.1 X R1 X C1
لا فرق كبير الحالتين تقريبا واحد.

[م.وليد الفرا]

 بقي ان اتكلم عن نقطتين هامتين، الاولى ان انبهك الى ان المكثف C1 ليس مجرد مكثف عادي، بل يجب ويجب ويجب ان يكون مكتوب على جسمه على الاقل 250 فولت. اذا استخدمت مكثف جهده الاقصى اقل من ذلك سينفجر في وجهك. الثانية: ان المقاومة R1 ليست وطيه بل مجرد مقاومة عادية ربع وات، اذا استخدمت نص او واحد وات فلا مانع، لكن ربع وات يكفي لان التيار المار بها صغير اصلا حتى لو وصل الى 100 ميللي امبير. ايضا لا تحاول استخدام مقاومة صغيرة القيمة (يعني اقل من 10 كيلو) لان ذلك سيجعل التيار اعلى وسيخلط الامور عليك وستحتاج هنا الى مقاومة اكبر من 10 وات. سيتطلب الامر معرفة جيدة بحسابات الاعداد المركبة Complex numbers والدخول الى متاهات انت في غنى عنها. التزم بالقيمة المذكورة في المخطط وتلاعب في قيمة المكثف فقط لزيادة او انقاص التيار.
 القنطرة ومكثف التنعيم يقومان بنفس الدور الذي يقومان به في أي بورسبلاي.
 للمساعدة سأضع الآن جدول اقدم فيه قيم مختلفة للمكثف C1 وقيم التيار المقابلة له:

الحسابات اعلاه تمت مع مقاومة R1 تساوي 470 كيلو.
اذا اردت تيار 50 ميللي مثلا يجب ان تكون قيمة المكثف بين 470 و 940 نانو، وهكذا.
أي تعليق او تصحيح او اضافة او تساؤل يكون على الرحب والسعة
هذا والله الموفق
اتمنى ان تكونوا قد استمتعتم برفقتي كل هذا الوقت
اخوكم المهندس/ وليد الفرا "ابا القاسم"

[ميلاد صموئيل]

الله ينور عليك
تلك الدائرة استخدمها فى معظم دوائرى مثل ( تيمر الدرج ) او تسمى( ماكينة السلم ) عندنا فى مصر واستخدمها ايضا فى اجهزة الايت سيستم
ولكن كثيرا ما اجد ان ( الزينر احترق ) مش عارف ليه
هل اركب زينر قدرته اعلى 2 وات مثلا ؟
ولا ممكن يكون الزينرات من نوعية رديئة ؟
المهم وضعت مقاومة 300 اوم على التولى مع الزينر لحمايته
مع العلم انى استخدم مكثف 900 نانو فراد
وشكرا يا اخ وليد على المجهود الرائع

[bad_boy]

شكرا اخي وليد على هذا الشرح المتميز لهذه الدائرة
وبعد اذنك عندي سؤال
هل الجهد الخارج مستقر (مثل البطارية؟)

يعني ينفع اني مثلا اشغل دائرة ارسال او دائرة قائمة على الميكرو كنترولر على هذه الدائرة؟؟؟؟؟؟؟؟

[م.وليد الفرا]

الاخ الحبيب ميلاد
نقطة ممتازة من معلم
تلف الديود زينر هو اشهر اعطال هذا النوع من خلال الممارسة العملية مثلك
لانه اي الزينر يعتبر الجزء الاضعف في الدائرة كما سأبين لك
تكبير قدرة هذا الزينر يحسن الوضع الى حد كبير لكن لن يحل المشكلة بشكل مطلق
اسباب تلف زينر:
1- مشاكل الشبكة نفسها تيارها وجهدها وهذه لا يمكن التحكم بها
2- ان هذا البور عندما يعمل بدون حمل يضطر الزينر المسكين ان يبتلع لوحده كل التيار وهذا عبئ عليه خاصة عندما يكون المكثف 900 نانو اي التيار بحدود 60 ميللي
60 ميللي × 12 فولت = 720 ميللي وات (قريب من 1 وات)
لو ارتفع جهد الشبكة بشكل مفاجئ (لأي سبب) سيزداد التيار وستتجاوز قيمة القدرة الواحد وات وسيتلف الزينر على الاغلب
انا اعتقد ان التسمية الافضل لهذا البور هو"البوسبلاي الخارج عن السيطرة out of control" لانه يكون تحت رحمة الشبكة والاحمال.
اذا تذكرنا ان احد اسباب اختيار هذا البور هو التكلفة، فانني افضل ان يحترق الزينر كل فتره وبنغيره يا سيدي، لانه لا يمكنك الحصول على كل المزايا دون عيوب
اتمنى لك ولجميع الاخوة التوفيق