وحدات التغذية الكهربائية

وحدات التغذية الكهربائية electrical power supply units هي منابع أو مصادر sources للطاقة الكهربائية، وقد تكون منابع معزولة مستقلة مثل البطاريات batteries أو تكون منابع داخلية مرتبطة بالشبكة، هذه المنابع تقدم الطاقة الكهربائية على شكل توتر أو تيار مستمر direct أو متناوب alternative.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 لمحة تاريخية

إن أقدم مصدر للطاقة الكهربائية هي المدخرات الجافة، وتشير اللقِّية والحفريات الأثرية أن أول مدخرة في العالم كانت في بابل القديمة بلاد الرافدين أطلق عليها مدخرة بغداد (250ق.م)، وهي مكونة من أنابيب من النحاس وأنابيب من الحديد، واستخدم العزل الأسفلتي فيها، لكن من غير الواضح الغاية أو الهدف من استخدامها، قد تكون في المجال الطبي والمعالجات الدينية، وهي تعطي باستخدام محلول ملح الطعام توتراً قدره 0.25 ڤولت بتيار 250 ميلي أمبير.

ـ في عام 1786 تم الحصول على تيار من خلايا نحاسية وحديدية.

ـ في عام 1796 بنى ڤولطا أول منبع للتيار الكهربائي باستخدام ملح الطعام، وعرف فيما بعد باسم غلفاني. وفي عام 1800 وضع ڤولطا منبعاً للتيار الكهربائي الغلفاني بالاستخدام بحضور نابليون بونابرت. وفي عام 1876 ظهرت أول الخلايا الجافة.

ـ وفي عام 1882 تم تصنيع بطارية بتوتر 15000 ڤولت.

أما المصدر الآخر من وحدات التغذية وهو التيار المتناوب أو العناصر الإلكترونية المستخدمة لتحويل التوتر المتناوب إلى توتر مستمر فقد تطور على مراحل كان أهمها التوصل إلى صنع محول كهربائي عام 1880، وهو أهم مكونات وحدات التغذية بقصد عزل الوحدة عن الشبكة.

في عام 1900 تم تطوير ديودات (ثنائيات الأقطاب) diodes، وعام 1920 تم تطوير الصمامات الزئبقية المستخدمة في تحويل التوتر المتناوب إلى توتر مستمر. في عام 1930 اكتشفت المقومات المصنعة من السيلينوم ذات شبكة القيادة selenium rectifiers grid control، وبدءاً من منتصف القرن العشرين أخذت التطورات العلمية والتقانية في مجال الطاقة الكهربائية ووحدات التغذية تتلاحق بفواصل زمنية متقاربة، فظهرت أنصاف النواقل[ر] semiconductors والترانزستور transistor وكانت القوة الأساسية في وحدات التغذية بعد عام 1990، فقد طور الترانزستور ثنائي القطبية المعزول البوابةisolated gate bipolar trans.(IGBT) الذي شاع استخدامه في أنظمة التبديل من التيار المتناوب إلى المستمر AC-DC converter أو من المستمر إلى المستمر DC-DC converter أو من المستمر إلى المتناوب..DC-AC converters

 المفهوم الفيزيائي لوحدات التغذية الكهربائية (المنابع الكهربائية)

خواص منبع التيار المستمر.

يمثل منبع التيار المستمر بمنحني خواص كما في الشكل (1)، حيث يعطى توتر الخرج تابعاً للتيار المار Id. فإذا عُمل بصورة طبيعية على الجزء AB من المنحني يُقال: إن المنبع هو منبع توتر مستمر وتُستخدم العلاقة الآتية للتعبير عن ذلك:

Ud = Udo – R.Id

حيث :R المقاومة الداخلية التسلسلية.

Udo: توتر المنبع المثالي عند اللاحمل.

وبالمقابل إذا عُمل على الجزء DC من منحني الخواص يُقال: إن المنبع هو منبع تيار، وتستخدم العلاقة الآتية:

I d = I d cc – G.Ud

حيث G: التوصيلية conductance الداخلية الموصلة على التفرع.

I d cc: تيار القصر للمنبع.

يجب تمييز المنابع والأحمال بعضها من بعض وتعريفها بسبب وجود تغيرات سريعة في التوتر والتيار نتيجة عمليات التبديل، وهي إما أن تكون منابع توتر أو حمل توتر أو منابع تيار أو حمل تيار.

يقال: إن وحدة التغذية هي «منبع توتر» إذا لم يتشوه شكل موجة التوتر على خرجها نتيجة استجرار قيم مختلفة للتيار؛ أي إنها لا تتأثر بعملية عدم استمرار التيار، وبما أن مرور التيار يجب أن يتسبب في هبوط توتر فإن منبع التوتر يبدي ممانعة معدومة لمرور التيار.

ويقال: إن وحدة التغذية هي «منبع تيار» عندما لا تتغير موجة التيار نتيجة ربطها إلى أي حمل متغير؛ أي إن منبع التيار يظهر ممانعة لا نهائية للتوتر الخارجي والتغيرات السريعة للتوتر لا تشوه التيار.

يرمز لمولد التوتر بدائرة في داخلها رمز المساواة = إذا كان توتراً مستمراً، أو الرمز ~ إذا كان التوتر متناوباً.

ـ تحقيق وحدة تغذية بالتوتر المتناوب (منبع تيار متناوب):

تحسين وحدة التغذية.

يمكن تحقيق منبع توتر متناوب أو تيار متناوب إلكترونياً باستخدام نظام مبدلات الطور phase regulators أو المدرِّجات gradaters، وهي أنظمة تبدل التوتر المتناوب إلى توتر متناوب بقيمة فعالة أصغر مع المحافظة على التردد. كما يمكن باستخدام المعرّجات inverters، وتستخدم في هذه الحالة القدرة من الشبكة العامة، ويُحوّل التوتر المتناوب إلى توتر مستمر باستخدام دارات تقويم مناسبة وبعدئذ تستخدم المعرجات لتحويل التوتر المستمر إلى متناوب. والمعرِّجات متعددة منها: معرِّجات التوتر voltage inverters (VI)ومعرِّجات التيار current inverters (CL) والمعرِّجات المهتزة resonante inverters (RI).

ـ كذلك يمكن تحسين نوعية المنبع المتناوب أو تغييره بإضافة حثيّة أو مكثف، لكن إذا كانت هذه العناصر ذات قيم كبيرة فإنه تحت تأثير المركّبة الأساسية للتيار أو التوتر سينشأ هبوط توتر أو استهلاك كبير للاستطاعة، كما يستدعي عادة إضافة المرشحات filters التي تسمح بالحصول على فرق كبير بين التأثير الناتج من المركبة الأساسية والتأثير الناتج من التوافقيات لها.

ـ إذا أخذت إشارة الخرج مثالاً لمنبع توتر متناوب إلكتروني جيبي فإنه يُلحظ أن شكل تيار الخرج مربع بسبب وجود المبدل، وهو شكل التيار الذي يستجره الجسر الأحادي الطور عادة من الشبكة العامة. ويكون التوتر u على طرفي المنبع المتناوب شكل (3ـ أ) متأخراً في الطور عن التيار i الذي يقدمه بسبب الممانعة الداخلية غير المهملة، ولتحسين هذا المنبع (وحدة التغذية) يمكن إضافة مرشح مكونٍ من ممانعة تسلسلية وسعة تفرعية شكل (3ـ ب) على طرفي المنبع.

وعموماً يجب أن تصمم وحدات التغذية بحيث تتصف بالخواص الآتية:

أشكال وحدات التغذية ذوات نظام التبديل.

أ ـ عزل المنبع عن الحمل. ب ـ أن تكون ذات كثافة تيار عالية لإنقاص الحجم والوزن. ج ـ تحديد اتجاه جريان الاستطاعة. د ـ مردود تبديل عال. هـ ـ تقديم أمواج توتر وتيار ذوات نسب تشويه ضعيفة. وـ عامل استطاعة متحكم به إذا كان المنبع متناوباً.

 تصنيف وحدات التغذية

تصنف وحدات التغذية وفقاً لنوع التوتر التي تقدمه في نوعين:

وحدات التغذية بالتيار المستمر، ووحدات التغذية بالتيار المتناوب.

وتقسم وحدات التغذية بالتيار المستمر إلى ثلاثة نماذج:

1ـ وحدات التغذية ذوات نظام التبديل: توجد أربعة أشكال لأنظمة التبديل أو ما يسمى نظام تعديل عرض النبضة pulse width modulation (P.W.M). وهي:

ـ مبدل التغذية الخلفية fly back converter.

ـ مبدل دفع جذب push- pull converter.

ـ مبدل نصف جسري half- bridge converter.

ـ مبدل جسري كامل full- bridge converter.

يوضح الشكل (4) بنية هذه المبدلات الأربعة عامة.

وتجدر الملاحظة أن المبدلات الجسرية أفضل من نظام الدفع الجذب وخاصة للتطبيقات التي تعمل على توتر مرتفع، أما مبدلات الدفع الجذب فيفضل استخدامها في التطبيقات ذات التوتر المنخفض.

وحدة التغذية المهتزة.

2ـ وحدات التغذية المستمرة المهتزة: تستخدم هذه الوحدات إذا كان التوتر المستمر في الخرج ذا تغيرات محدودة، وتستخدم في بنيتها معرجات نبضية مهتزة pulse resonant inverter. يكون تردد عمل المعرِّج من رتبة تردد الاهتزاز وكبيراً جداً، ويكون توتر خرج المعرِّج دائماً متناوباً ولا يوجد تشبع للمحول. يبين الشكل (5) مثالاً على الجسرية الكاملة للمعرّج. وسيكون حجم المحول ومرشح الخرج صغيراً بسبب ارتفاع تردد عمل المعرّج.

هذا النوع من الوحدات حديث ومتطور، ويرتبط تقدمها أساساً بعمليتي استخدام الترانزستورات المضاعفة.

مما سبق ومن خواص تيار الخرج Vdوتوتره Idلوحدات التغذية يُرى أن المبدل المهتز يتصرف تصرف منبع توتر مع تنظيم معتدل (ويسمى عندئذٍ مبدل مهتز تسلسلي). كما أن المهتز التفرعي له سلوك مماثل من أجل القيم الصغيرة للتيار Id ومن هنا أتت فكرة تحقيق تشكيلات أخرى للملفات والمكثفات.

يجب الانتباه في جميع الحالات لما يأتي:

1ـ الفواقد في العناصر التحريضية، والملفات والسعات.

2ـ ممانعة التسريب للمحول والممانعة المغنطيسية، ومقاومة الملفات.

3ـ الدقة في اختيار السعات المستخدمة لمصايد Snubber على أطراف أنصاف النواقل المستخدمة عند التيارات الضعيفة.

وحدة تغذية ثنائية الإتجاه.

3ـ وحدات التغذية ثنائية الاتجاه bidirectional DC power supply: من الأفضل في التطبيقات الهندسية ـ مثل عمليات شحن المدخرات وتفريغها ـ وجود إمكانية لسريان الطاقة بالاتجاهين (منبع ـ حمل)، ويبين (الشكل 6) دارة الاستطاعة ثنائية الاتجاه. ويعتمد اتجاه سريان الاستطاعة على قيم التوترات في كلا الطرفين Vs وVo، ونسبة التحويل (a) بين الطرفين تساعد على تبادل الاستطاعة بين المنبع والحمل. فإذا كان الجداء aVs أصغر من Vo يعمل المعرج بالاتجاه العكسي، وإذا كان الجداء aVs أصغر من Vo تنتقل الاستطاعة من الخرج إلى الداخل. وتسمح المبدلات ثنائية الاتجاه للتيار التحريضي بالمرور في أي اتجاه، وعندئذ يكون التيار مستمراً أو غير متقطع.

 الآفاق المستقبلية

تتطور وحدات التغذية من يوم إلى آخر مع تطور تصنيع العناصر الإلكترونية وتضاؤل حجمها، حتى غدا من المستحيل إجراء صيانة ميدانية للوحدات الإلكترونية. إن هذا التطور في العناصر واكبه تطور في علم البرمجيات، فأصبح بالإمكان التحكم بكل مكونات النظام وتحديد فترات الشحن لوحدات التغذية وفترات التفريغ والتغذية، وكذلك تحديد سعة الوحدات المتوافرة والزمن الكافي لتشغيلها وشحنها، وغير ذلك من المتطلبات التي كان من الصعب تحقيقها بالعناصر الإلكترونية التمثيلية المعروفة قبل اليوم.

 المصادر

• هاشم ورقوزق. "وحدات التغذية الكهربائية". الموسوعة العربية.