صمام ثنائي عكسي

الصمام الثنائي العكسي (ويُسمى أيضًا الصمام الثنائي الحر ) هو أي صمام ثنائي موصول عبر ملف حثي، ويُستخدم للتخلص من ظاهرة الارتداد المفاجئ، وهي الارتفاع المفاجئ في الجهد الذي يظهر على الحمل الحثي عند انخفاض تيار التغذية أو انقطاعه فجأة. يُستخدم هذا الصمام في الدوائر التي يتم فيها التحكم في الأحمال الحثية بواسطة مفاتيح ، وفي مصادر الطاقة العاكسة .

استُخدمت دوائر الارتداد منذ عام 1930، وجرى تطويرها بدءًا من عام 1950 لاستخدامها في أجهزة استقبال التلفزيون. كلمة "ارتداد" مشتقة من الحركة الأفقية لحزمة الإلكترونات في أنبوب أشعة الكاثود ، حيث تعود الحزمة للخلف لبدء الخط الأفقي التالي. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}

يُعرف هذا الصمام الثنائي بأسماء أخرى عديدة، مثل صمام التخميد ، والصمام الثنائي المُبدِّل، والصمام الثنائي المُحرِّر، وصمام الكبح، وصمام التثبيت، أو صمام الالتقاط. ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}

عملية

يوضح الشكل 1 ملفًا حثيًا موصولًا ببطارية - مصدر جهد ثابت . يمثل المقاوم المقاومة الساكنة الصغيرة لأسلاك الملف الحثي. عند إغلاق المفتاح، يُطبَّق جهد البطارية على الملف الحثي، مما يؤدي إلى تدفق التيار من القطب الموجب للبطارية عبر الملف الحثي والمقاوم. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]} تتسبب الزيادة في التيار في توليد قوة دافعة كهربائية عكسية (جهد) عبر الملف الحثي نتيجة لقانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي ، والذي يعاكس التغير في التيار. بما أن الجهد عبر الملف الحثي محدود بجهد البطارية البالغ 24 فولت، فإن معدل زيادة التيار محدود بقيمة ابتدائية. ${dI \over dt}={V_{B} \over L},$ لذا، يزداد التيار المار عبر المحث ببطء مع تخزين الطاقة من البطارية في المجال المغناطيسي للمحث. ومع ارتفاع التيار، ينخفض الجهد عبر المقاوم بشكل أكبر، بينما ينخفض الجهد عبر المحث بشكل أقل، حتى يصل التيار إلى قيمة ثابتة. $I=V_{B}/R$ مع وجود جهد البطارية بالكامل عبر المقاومة وعدم وجود أي جهد عبر المحث.

مع ذلك، ينخفض التيار بسرعة عند فتح المفتاح في الشكل 2. يقاوم المحث هذا الانخفاض بتوليد جهد مستحث كبير جدًا ذي قطبية معاكسة لقطبية البطارية، موجب عند الطرف السفلي للمحث وسالب عند الطرف العلوي. ^{[ 5 ]}^{[ 3 ]}^{[ 6 ]} تظهر نبضة الجهد هذه، والتي تُسمى أحيانًا "الدفعة" الاستقرائية، والتي قد تكون أكبر بكثير من جهد البطارية، عبر نقاط تلامس المفتاح. تتسبب هذه النبضة في قفز الإلكترونات عبر الفجوة الهوائية بين نقاط التلامس، مما يؤدي إلى تكوّن قوس كهربائي لحظي عبرها عند فتح المفتاح. يستمر القوس حتى تتبدد الطاقة المخزنة في المجال المغناطيسي للمحث على شكل حرارة. قد يُلحق القوس ضررًا بنقاط تلامس المفتاح، مُسببًا تآكلًا واحتراقًا، مما يؤدي في النهاية إلى تلفها. في حال استخدام ترانزستور للتحكم في التيار، كما هو الحال في مصادر الطاقة التبديلية، فإن الجهد العكسي العالي قد يُتلف الترانزستور.

لمنع نبضة الجهد الاستقرائي عند إيقاف التشغيل، يتم توصيل ثنائي (دايود) عبر المحث، كما هو موضح في الشكل 3. ^{[ 5 ]}^{[ 3 ]}^{[ 6 ]} لا يمرر الثنائي تيارًا كهربائيًا أثناء إغلاق المفتاح لأنه منحاز عكسيًا بجهد البطارية، وبالتالي لا يؤثر على التشغيل الطبيعي للدائرة. مع ذلك، عند فتح المفتاح، يؤدي الجهد المستحث عبر المحث ذي القطبية المعاكسة إلى انحياز الثنائي انحيازًا أماميًا ، فيمرر التيار، مما يحد من الجهد عبر المحث ويمنع بالتالي تشكل القوس الكهربائي عند المفتاح. يشكل المحث والدايود مؤقتًا حلقة أو دائرة تعمل بالطاقة المخزنة في المحث. توفر هذه الدائرة مسارًا للتيار إلى المحث لتعويض التيار القادم من البطارية، فلا ينخفض تيار المحث فجأة ولا يتولد جهد عالٍ. يقتصر الجهد عبر المحث على الجهد الأمامي للدايود، والذي يتراوح بين 0.7 و1.5 فولت تقريبًا. يتناقص تيار "الارتداد" أو "التدفق الحر" المار عبر الصمام الثنائي والمحث تدريجيًا حتى يصل إلى الصفر، وذلك نتيجة تبديد الطاقة المغناطيسية في المحث على شكل حرارة في المقاومة المتصلة على التوالي للملفات. وقد يستغرق هذا بضع ميلي ثانية في المحثات الصغيرة.

(يسار) رسم بياني على راسم الإشارة يُظهر ارتفاعًا مفاجئًا في الجهد الحثي في الملف اللولبي المتصل بمصدر طاقة 24 فولت تيار مستمر. (يمين) نفس الظاهرة العابرة للتبديل مع وجود صمام ثنائي عكسي ( 1N4007 ) موصول عبر الملف اللولبي. لاحظ اختلاف المقياس (50 فولت/قسم على اليسار، 1 فولت/قسم على اليمين).

تُظهر هذه الصور ارتفاع الجهد المفاجئ وكيفية التخلص منه باستخدام صمام ثنائي عكسي ( 1N4007 ). في هذه الحالة، يكون المحث عبارة عن ملف لولبي موصول بمصدر طاقة تيار مستمر 24 فولت. تم تسجيل كل شكل موجي باستخدام راسم إشارة رقمي مضبوط على التشغيل عندما ينخفض الجهد عبر المحث إلى ما دون الصفر. لاحظ اختلاف المقياس: الصورة اليسرى 50 فولت/قسم، والصورة اليمنى 1 فولت/قسم. في الشكل 1، يرتفع الجهد المقاس عبر المفتاح إلى حوالي -300 فولت. في الشكل 2، تمت إضافة صمام ثنائي عكسي بالتوازي مع الملف اللولبي. بدلاً من الارتفاع المفاجئ إلى -300 فولت، يسمح الصمام الثنائي العكسي بتراكم جهد يبلغ حوالي -1.4 فولت فقط (-1.4 فولت هو مجموع جهد الانحياز الأمامي للصمام الثنائي 1N4007 (1.1 فولت) وجهد السلك الواصل بين الصمام الثنائي والملف اللولبي ). كما أن شكل الموجة في الشكل 2 أكثر سلاسة من شكل الموجة في الشكل 1، ربما بسبب حدوث شرارة عند المفتاح في الشكل 1. في كلتا الحالتين، يبلغ إجمالي الوقت اللازم لتفريغ الملف اللولبي بضعة أجزاء من الثانية، على الرغم من أن انخفاض الجهد عبر الصمام الثنائي سيؤدي إلى إبطاء انقطاع المرحل.

تصميم

عند استخدام صمام ثنائي عكسي مع مرحل ملف تيار مستمر ، قد يتسبب ذلك في تأخر فصل التلامسات عند انقطاع التيار الكهربائي، نتيجة استمرار دوران التيار في ملف المرحل والصمام الثنائي. عندما يكون فتح التلامسات بسرعة أمرًا بالغ الأهمية، يمكن وضع مقاومة أو صمام ثنائي زينر منحاز عكسيًا على التوالي مع الصمام الثنائي للمساعدة في تبديد طاقة الملف بشكل أسرع، على حساب زيادة الجهد عند المفتاح.

تُفضّل ثنائيات شوتكي في تطبيقات ثنائيات الارتداد العكسي لمحولات الطاقة التبديلية لأنها تتميز بأقل انخفاض في الجهد الأمامي (حوالي 0.2 فولت بدلاً من أكثر من 0.7 فولت للتيارات المنخفضة) وقدرتها على الاستجابة السريعة للانحياز العكسي (عند إعادة تنشيط المحث). وبالتالي، فإنها تبدد طاقة أقل أثناء نقل الطاقة من المحث إلى المكثف .

الحث عند فتح الاتصال

وفقًا لقانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي ، إذا تغير التيار المار في ملف حثي، فإن هذا الملف يُحدث فرق جهد، وبالتالي يستمر التيار في التدفق طالما وُجدت طاقة في المجال المغناطيسي. إذا كان التيار لا يمر إلا عبر الهواء، فإن فرق الجهد يكون مرتفعًا جدًا لدرجة أن الهواء يصبح موصلًا للتيار. لهذا السبب، في الدوائر الكهربائية ذات المفاتيح الميكانيكية، غالبًا ما يُلاحظ التبديد شبه الفوري للطاقة، الذي يحدث بدون صمام ثنائي عكسي، على شكل قوس كهربائي عبر نقاط التلامس الميكانيكية المفتوحة. تُبدد الطاقة في هذا القوس بشكل أساسي على هيئة حرارة شديدة، مما يُسبب تآكلًا مبكرًا غير مرغوب فيه لنقاط التلامس. هناك طريقة أخرى لتبديد الطاقة وهي الإشعاع الكهرومغناطيسي .

وبالمثل، بالنسبة للتبديل غير الميكانيكي ذي الحالة الصلبة (أي الترانزستور)، فإن انخفاضات الجهد الكبيرة عبر مفتاح الحالة الصلبة غير المفعل يمكن أن تدمر المكون المعني (إما على الفور أو من خلال التآكل المتسارع).

كما تُفقد بعض الطاقة من النظام ككل ومن القوس الكهربائي على شكل طيف واسع من الإشعاع الكهرومغناطيسي، في صورة موجات راديوية وضوء. وقد تتسبب هذه الموجات الراديوية في حدوث نقرات وفرقعات غير مرغوب فيها على أجهزة الاستقبال الراديوية القريبة.

لتقليل الإشعاع الكهرومغناطيسي الناتج عن الأسلاك المتصلة بالملف، والذي يشبه إشعاع الهوائي، يجب توصيل الصمام الثنائي العكسي بأقرب ما يمكن من الملف. كما يقلل هذا الأسلوب من أجزاء الدائرة المعرضة لجهد عالٍ غير مرغوب فيه، وهو ما يُعد ممارسة هندسية جيدة.

الاشتقاق

الجهد عند المحث هو، بحسب قانون الحث الكهرومغناطيسي وتعريف الحث :

V_{L}=-{d\Phi _{B} \over dt}=-L{dI \over dt}

إذا لم يكن هناك صمام ثنائي عكسي، ولكن فقط شيء ذو مقاومة كبيرة (مثل الهواء بين موصلين معدنيين)، لنقل $R 2$ ، فسوف نقربها على النحو التالي:

V_{R_{2}}=R_{2}\cdot I

إذا فتحنا المفتاح وتجاهلنا $V CC$ و $R 1$ ، فسنحصل على:

V_{L}=V_{R_{2}}

أو

-L{dI \over dt}=R_{2}\cdot I

وهي معادلة تفاضلية حلها:

I(t)=I_{0}\cdot e^{-{R_{2} \over L}t}

نلاحظ أن التيار سينخفض بشكل أسرع إذا كانت المقاومة عالية، كما هو الحال مع الهواء.

$الآن ،$ إذا فتحنا المفتاح مع وجود الصمام الثنائي في مكانه، فسنحتاج فقط إلى مراعاة $L1$ و $R1$ و $D1$ . بالنسبة لـ $I$ $> 0$ ، يمكننا أن نفترض ما $يلي$ $:$

V_{D}=\mathrm {constant}

لذا:

V_{L}=V_{R_{1}}+V_{D}

وهو:

-L{dI \over dt}=R_{1}\cdot I+V_{D}

حل المعادلة التفاضلية من الدرجة الأولى هو:

I(t)=(I_{0}+{1 \over R_{1}}V_{D})\cdot e^{-{R_{1} \over L}t}-{1 \over R_{1}}V_{D}

يمكننا حساب الوقت اللازم لإيقاف التشغيل عن طريق تحديد قيمة $t$ التي يكون عندها $I (t) = 0$ .

t={-L \over R_{1}}\cdot ln{\left({V_{D} \over {V_{D}+I_{0}{R_{1}}}}\right)}

إذا كانت $V CC$ = $I 0$ $R 1$ ، فإن

t={-L \over R_{1}}\cdot ln{\left({1 \over {{\frac {V_{CC}}{V_{D}}}+1}}\right)}={L \over R_{1}}\cdot ln{\left({{\frac {V_{CC}}{V_{D}}}+1}\right)}

التطبيقات

تُستخدم ثنائيات الارتداد بشكل شائع عندما تقوم أجهزة أشباه الموصلات بفصل الأحمال الحثية: في مشغلات المرحلات ، ومشغلات محركات جسر H ، وما إلى ذلك. كما يستغل مصدر الطاقة ذو الوضع المبدل هذا التأثير، ولكن الطاقة لا تُبدد على شكل حرارة، بل تُستخدم لضخ حزمة من الشحنة الإضافية في مكثف، من أجل تزويد الحمل بالطاقة.

عندما يكون الحمل الحثي عبارة عن مرحل، يمكن لثنائي الارتداد أن يؤخر بشكل ملحوظ فصل المرحل عن طريق إبقاء تيار الملف متدفقًا لفترة أطول. يؤدي توصيل مقاومة على التوالي مع الثنائي إلى تسريع انحلال التيار الدائري، ولكن على حساب زيادة الجهد العكسي. يتمتع ثنائي زينر الموصول على التوالي ولكن بقطبية معاكسة لثنائي الارتداد بنفس الخصائص، مع زيادة ثابتة في الجهد العكسي. في هذه الحالة، يجب التحقق من كل من جهد الترانزستور وقدرة المقاومة أو ثنائي زينر.

انظر أيضاً

مراجع

↑ شويبر، بيل (10 ديسمبر 2019). "بنية وتشغيل وحدة تزويد الطاقة Flyback" . www.electronicdesign.com . إنديفور بزنس ميديا . تم الاطلاع عليه في 28 مارس 2023 .
↑ "مقدمة عن محول الارتداد" . شركة أوتمل للإلكترونيات. 29 يناير 2021. تم الاطلاع عليه في 28 مارس 2023 .
1 2 3 ويلشر، دون (2012). تعلم الإلكترونيات باستخدام أردوينو . أبريس. ص 74-75 . ISBN 978-1430242673تم الاطلاع عليه بتاريخ 14-05-2020 .
↑ أغاروال، تارون (26 أغسطس 2016). "عمل الصمام الثنائي ذي الدوران الحر أو الصمام الثنائي العكسي ووظائفه" . ELPROCUS . تم الاطلاع عليه بتاريخ 21 مايو 2018 .
1 2 3 هيريك، روبرت ج. (2003). دوائر التيار المستمر/المتردد والإلكترونيات: المبادئ والتطبيقات . سينجايج ليرنينج. الصفحات 879-881 . ISBN 0766820831.
1 2 3 جاكوب، ج. (2001). إلكترونيات القدرة: المبادئ والتطبيقات . سينجايج ليرنينج. ص 292-294 . ISBN 0766823326.

للمزيد من القراءة

أوت، هنري (1988). تقنيات الحد من الضوضاء في الأنظمة الإلكترونية ( الطبعة الثانية). وايلي. ISBN 978-0471850687.

روابط خارجية

ملاحظات فنية حول المرحلات - أمريكان زيتلر
ملاحظات تطبيق المرحل - شركة تي إي للاتصالات
دائرة تحكم عن بعد - إيفوكس ريفا
دوائر تطبيقية لمرحلات الإشارة المصغرة (مؤرشفة بتاريخ 2016-10-02 على موقع Wayback Machine - NEC/Tokin)
زمن تشغيل/إيقاف الصمام الثنائي وتقنية التحكم في سرعة المرحل - مختبرات كليفتون
"صمام ثنائي لمقاومة ارتفاعات الجهد في ملفات المرحلات وارتفاعات الجهد عند إيقاف تشغيل المحركات؟" - sci.electronics.design
حاسبة منظم وضع التبديل العكسي - كل ما يتعلق بالدوائر الكهربائية

[1] شويبر، بيل (10 ديسمبر 2019). "بنية وتشغيل وحدة تزويد الطاقة Flyback" . www.electronicdesign.com . إنديفور بزنس ميديا . تم الاطلاع عليه في 28 مارس 2023 .

[2] "مقدمة عن محول الارتداد" . شركة أوتمل للإلكترونيات. 29 يناير 2021. تم الاطلاع عليه في 28 مارس 2023 .

[Wilcher-3] 1 2 3 ويلشر، دون (2012). تعلم الإلكترونيات باستخدام أردوينو . أبريس. ص 74-75 . ISBN 978-1430242673تم الاطلاع عليه بتاريخ 14-05-2020 .

[4] أغاروال، تارون (26 أغسطس 2016). "عمل الصمام الثنائي ذي الدوران الحر أو الصمام الثنائي العكسي ووظائفه" . ELPROCUS . تم الاطلاع عليه بتاريخ 21 مايو 2018 .

[Herrick-5] 1 2 3 هيريك، روبرت ج. (2003). دوائر التيار المستمر/المتردد والإلكترونيات: المبادئ والتطبيقات . سينجايج ليرنينج. الصفحات 879-881 . ISBN 0766820831.

[Jacob-6] 1 2 3 جاكوب، ج. (2001). إلكترونيات القدرة: المبادئ والتطبيقات . سينجايج ليرنينج. ص 292-294 . ISBN 0766823326.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]