مزود الطاقة

أعمل مهندس كهربائي منذ 15 عامًا. وقد شاركت في مشاريع متنوعة، من إنشاء مبانٍ جامعية جديدة إلى ترميم مبانٍ تاريخية مهمة. وتُعد مهنة الهندسة مشوقة لأن كل يوم فيها يحمل في طياته جديدًا. وأنا أعمل في تصميم الشبكات الكهربائية للمباني، حيث يشمل ذلك أنظمة الطاقة، والإضاءة، والبيانات، وإنذار الحريق، والحماية من الصواعق، وغيرها الكثير. ومعظم الأجهزة اليوم قابلة للتحكم عن بُعد، ومن المهم مواكبة أحدث التطورات في هذا المجال. يتطلب عملي التعاون الوثيق مع مهندسين متخصصين في مجالات أخرى، لذا من الضروري أن يكون لدي معرفة عملية بما يقومون به، حتى وإن لم أكن أمتلك خبرتهم المتخصصة. فالعمل الجماعي مهارة أساسية يجب على كل مهندس تطويرها. وإدارة الوقت والتنظيم الشخصي هما أمران مهمان للغاية؛ لأن العقود يجب أن تُنجز في مواعيدها المحددة، ليس فقط لتجنب الغرامات المالية، ولكن أيضًا للحفاظ على سمعة الشركة. بصفتي مهندسًا، أعمل دائمًا وفقًا للإرشادات واللوائح، لذلك من المهم جدًا بالنسبة لي ربط النظرية بالتطبيق. فعلى سبيل المثال، يجب تحديد أحجام جميع الكابلات داخل المبنى، وحساب مستويات الإضاءة، وتحديد مسافات تركيب أجهزة إنذار الحريق، وفقًا للإرشادات الواردة في اللوائح. وقد ساعدني إكمال مؤهلاتي على فهم المعلومات التي أحتاج إلى معرفتها، وكيفية الوصول إليها. ومع أنني حصلت على مؤهلات جيدة، إلا أنه من المهم جدًا الاستمرار في التطوير المهني ومواكبة التكنولوجيا المتغيرة باستمرار. فأنا أحضر فعاليات التطوير المهني المستمر بانتظام. فمن المهم تحديث سيرتي الذاتية باستمرار لضمان قدرة شركتي على المنافسة.

من المهم أن تطور معرفتك ومهاراتك حتى تتمكن بثقة من:

• تعرف المكونات من خلال رموز دوائرها
• تحديد المكونات الحقيقية وقيمها باستخدام رموز الألوان وما إلى ذلك.
• وضع مخططات رسمية باستخدام حزمة البرامج المناسبة
• محاكاة الدوائر التناظرية والرقمية
• إعداد مكونات الدوائر الإلكترونية، سواء كانت نماذج أولية أو دائمة، وذلك بتجهيز الأسلاك وتقليمها وتشكيل أطراف المكونات لتتناسب مع أماكنها
• وضع المكونات الإلكترونية في لوحات التجارب ولوحات التوصيل الشبكية مثل لوحة التوصيل فيروبورد.
• لحام المكونات بدقة وإتقان
• اتباع تقييمات الأخطار والإرشادات الأخرى للعمل بأمان
• تحديد أدوات القياس المناسبة واختبارها بدقة
• جدولة البيانات وتقديمها في أشكال رسومية مناسبة مثل رسومات الأشكال الموجية والرسوم البيانية والصور الفوتوغرافية
• مقارنة القياسات بالقيم المتوقعة والتحقيق في أي حالات شاذة
• الاحتفاظ بسجلات دقيقة ومنظمة.

35

ستدرس في هذه الوحدة التصميم الآمن وبناء واختبار الدوائر الإلكترونية التناظرية باستخدام مكونات منفصلة (مثل المقاومات والمكثفات والمحثات والصمامات الثنائية والترانزستورات والدوائر المتكاملة (على سبيل المثال، المكبرات التشغيلية ومنظمات الجهد). وستبحث في كيفية تعديل الدوائر التناظرية لتلبية مواصفات معينة. يستخدم المصممون الإلكترونيون برامج التصميم والمحاكاة الاحترافية لاختبار أفكار التصميم قبل بناء النموذج الأولي واختبارها. وستستخدم برامج مشابهًا لتصميم الدوائر ومحاكاتها وإنشائها بأمان واستخدام الأدوات التقليدية لاختبارها. ستفكر في المهارات والفهم الذي اكتسبته والسلوكيات التي طبقتها في أثناء دراسة الوحدة.

ستقيّم بسلسلة من الواجبات التي يحددها معلمك.

ستُقيّم هذه الوحدة بسلسلة من المهام المقيمة داخليًا التي يحددها معلمك، وفي أثناء دراستك لهذه الوحدة، ستجد أنشطة عن تمارين تقييمية تساعدك على إنجاز تقييمك بنجاح. وإنجاز هذه الأنشطة لا يعني أنك قد حصلت على درجة معينة، بل يعني أنك قد نفذت بحثًا أو تدريبًا مفيدًا سيكون مناسبًا عند إنجاز واجبك النهائي. من أجل تنفيذ المهام المحددة في واجبك، من المهم التأكد من أنك قد استوفيت جميع معايير التقييم. ويمكنك تنفيذ ذلك بالعمل على كل واجب. إذا كنت تهدف إلى تحقيق درجة التفوق أو الامتياز، فيجب عليك التأكد من تقديم المعلومات في واجبك بالأسلوب الذي يتطلبه المعيار ذي الصلة. فعلى سبيل المثال، يتطلب مستوى التفوق تحليلاً للموضوع، بينما يتطلب مستوى تقدير الامتياز تحليلك له. ستتألف الواجبات التي حددها معلمك من عدد من المهام المصممة لتلبية المعايير الواردة في الجدول، ومن المحتمل أن تتخذ شكل تقارير مكتوبة، ولكنها قد تشمل أيضًا:

• استخدام حزمة برامج التصميم بمساعدة الحاسوب لإدخال ومحاكاة أنواع الدوائر التناظرية باستخدام المعايير الوطنية أو الدولية المناسبة
• استخدام إحدى طرق النمذجة المناسبة لإنشاء دوائر إلكترونية تناظرية وأخذ قياسات لإثبات تشغيل كل منها
• حساب القياسات النظرية لكل نوع من أنواع الدوائر التناظرية لتوضيح العلاقة بين قيم المكونات ومعلمات الدائرة
• تفسير موجز عميل معين وتحديد المكونات لإنشاء الدائرة التناظرية لتلبية متطلبات هذا الموجز
• استعراض الأنشطة المنجزة والتفكير فيها، وتحديد ما الذي سار على أكمل وجه والتحسينات التي يمكن إجراؤها.

36

يوضح لك هذا الجدول ما يجب عليك تنفيذه بهدف الحصول على درجة النجاح أو التفوق أو الامتياز، وأين يمكنك إيجاد أنشطة لمساعدتك.

37

نتاج التعلم أ وب

يتعاون الطلاب في مجموعات صغيرة لمناقشة التطبيقات الإلكترونية التي درسوها بالفعل. هل صممت وبنيت أي دوائر إلكترونية؟ ما الطرق التي استخدمتها؟ يمكنك الاطلاع على محتوى الوحدة وإعداد قائمة بالعناصر التي تعتقد أنك تعرف شيئًا عنها بالفعل. ما المهارات التي تعتقد أنك بحاجة إلى تطويرها؟ تحتاج في هذه الوحدة إلى مقارنة مهاراتك ومعرفتك الأولية بمهاراتك ومعرفتك النهائية وتحديد كيفية تطورها. من المهم أن تكون صادقًا في إجابتك!

• أ. التحقق من تشغيل الدوائر الإلكترونية التناظرية أحادية الوظيفة بالبحث والمحاكاة
• ب. استكشاف التشغيل الآمن للدوائر الإلكترونية التناظرية أحادية الوظيفة التي تشكل اللبنات الأساسية للدوائر التجارية.
• ج. تعديل دائرة إلكترونية تناظرية أحادية الوظيفة لتلبية معايير معينة على النحو المعمول به في نطاق واسع في الصناعة
• د. مراجعة تطوير الدوائر الإلكترونية التناظرية وتقييم الأداء الشخصي.

• أ. التحقق من تشغيل الدوائر الإلكترونية التناظرية أحادية الوظيفة بالبحث والمحاكاة

• ب. استكشاف التشغيل الآمن للدوائر الإلكترونية التناظرية أحادية الوظيفة التي تشكل اللبنات الأساسية للدوائر التجارية

كل يوم نستخدم عددًا متزايدًا من الأجهزة الرقمية، لذلك قد تتساءل عما إذا كانت الدوائر التناظرية ما تزال تستحق الدراسة. ولكن عندما تنظر عن كثب، تجد أن الأجهزة الرقمية يجب أن تتفاعل مع عالم تناظري. على سبيل المثال، يعد الميكروفون ومكبر الصوت في هاتفك الخلوي من المكونات التناظرية. فالهاتف الخلوي يحتاج إلى مكبر للصوت للتحكم في مستوى الأصوات. يحتوي هاتفك الخلوي والجهاز اللوحي الإلكتروني والحاسوب المحمول على مقاييس التسارع وأجهزة استشعار تعمل باللمس وأجهزة استشعار القرب وأكثر من ذلك. يحتاج النموذج التحكم فيه عن بعد إلى الاستجابة لتردد معين. ويحتاج جهاز الألعاب إلى مذبذب لتوليد التردد الصحيح للتحكم. وتحتاج أنظمة الاتصالات إلى مذبذبات ومرشحات لفصل القنوات. لذا، ستدرس في هذه الوحدة الدوائر الإلكترونية التناظرية التي تشكل اللبنات الأساسية للأنظمة الأكثر تعقيدًا. يعتمد مصممو الدوائر الإلكترونية على الاستخدام المتكرر للبرامج لمحاكاة أفكار التصميم قبل بناء الدوائر النموذجية. ستستخدم برامج مشابهة لتصميم ومحاكاة الدوائر قبل إنشائها واختبارها.

38

توجد عدة أنواع من برامج التصميم والمحاكاة. وتشترك كلها في بعض الخصائص. يمكنك إنشاء دوائر باستخدام السحب والإسقاط لوضع المكونات والأدوات في رسم تخطيطي. ويمكنك توصيل المكونات معًا ببساطة باستخدام نقاط توصيل المكونات. يحتوي كل اسم مرجعي (على سبيل المثال، ⁦R1 C1⁩) وقيمة مكون (على سبيل المثال، 10 كيلو أوم، 220 نانو فاراد). يبني البرنامج نموذج رياضي للدائرة باستخدام شبكة المكونات والعقد (نقاط الاتصال) المعروفة باسم القائمة الشبكية لمحاكاة تشغيل الدائرة. وهذا مشابه للطريقة التي تكتب بها المعادلات العقدية باستخدام قوانين كيرشوف للجهد والتيار لتحليل الدائرة. عادةً ما تحتوي برامج التصميم والمحاكاة على برنامج محاكاة مع التركيز على الدوائر المتكاملة ⁦(SPICE)⁩ مدرجًا بداخلها. يحتوي نموذج ⁦SPICE⁩ على معلومات المكونات (التسمية والقيمة ونوع النموذج) والعقد التي يتصل بها. على سبيل المثال:

``spice rR3 2 0 3000 vresR3 rR2 2 0 2000 vresR2 rR1 1 2 1000 vresR1 vV1 1 0 dc 12 ac 0 0 ``

يشير ⁦r⁩ إلى أن ⁦R3⁩ و ⁦R2⁩ و ⁦R1⁩ مقاومات. ⁦R3 = 3000⁩ $\Omega$، ويتصل بالعقدتين 2 و ⁦0. R2 = 2000⁩ $\Omega$، ويتصل بالعقدتين 2 و ⁦0. R1 = 1000⁩ $\Omega$، ويتصل بالعقدتين 1 و 2. يستخدم البرنامج قائمة المقاومات نموذج "⁦vres⁩" الموجود في مكتبته الذي يستخدم قانون أوم. يشير ⁦v⁩ إلى أن ⁦V1⁩ هو مزود جهد. توضح ⁦12 dc⁩ أن القيمة هي 12 فولت تيار مستمر. وهو يتصل بالعقدتين 1 و 0. لا تحتاج إلى أن تكون قادرًا على كتابة ملف ⁦SPICE⁩، فحزمة البرامج تقوم بذلك نيابة عنك. ومع ذلك، من المفيد أن ترى كيف ترتبط بالمبادئ الكهربائية التي تدرسها. يوضح الشكل 20.1 الرسم التخطيطي لشبكة كهربائية مرسومة في حزمة البرامج. ويوضح أيضًا كيفية إعداد المعلمات لإجراء محاكاة لظروف تشغيل التيار المستمر والقيم المحسوبة للجهد والتيار في الدائرة. تستخدم الرسومات التخطيطية رموز المعيار الدولي ⁦IEC60617⁩.

لمزيد من المعلومات حول المكونات الإلكترونية وتطبيقاتها، راجع الوحدة 19: الأجهزة والدوائر الإلكترونية والوحدة 23: الأنظمة الإلكترونية التناظرية والرقمية.

• رسم تخطيطي - رسم تخطيطي يستخدم الرموز القياسية لتمثيل عناصر نظام ما. مخطط دائرة.
• اسم مرجعي - اسم يُستخدم لتحديد مكون في رسم تخطيطي (مثل ⁦C2⁩، ⁦R1⁩). لكل مكون اسم مرجعي فريد.
• قيمة مكون - قيمة المكون في الرسم التخطيطي (على سبيل المثال 22 كيلو أوم، 10 ميكروفاراد). يمكن أن يكون لأكثر من مكون القيمة نفسها.
• محاكاة - استخدام الحاسوب لنمذجة تشغيل الدائرة للتنبؤ بعملها. وتسمح المحاكاة للمستخدم بتجربة أسئلة "ماذا لو" قبل إنشاء دائرة حقيقية.
• عقدة - نقطة يُوصل فيها مكونين أو أكثر في شبكة.
• شبكة كهربائية - مكونات كهربائية/إلكترونية متصلة ببعضها، عادةً لتشكيل دائرة.

39

يمكنك التحقق من القيم باستخدام القلم والورق والآلة الحاسبة؛ فهي صحيحة. يمكنك أيضًا استخدام الأدوات الافتراضية في الرسم التخطيطي. قارن القيم المتحصل عليها في الشكلين 20.1 و 20.2.

يمكن أيضًا استخدام قائمة شبكية لتحويل الرسم التخطيطي إلى تخطيط لوحة مطبوعة لإنشاء دائرة عمل. تشتمل أوصاف الأنواع المختلفة من الدوائر التناظرية التي يتناولها محتوى الوحدة على استخدام البرامج وتقنيات البناء والاختبار. ومن المحتمل أن يكون البرنامج الذي تستخدمه مختلفًا عن ذلك الموضح. لذا، من المهم أن تتمكن من استخدام البرنامج المتاح لك.

قبل البدء في جزء مصادر الطاقة، راجع بنية مواد أشباه الموصلات، مثل السيليكون، وكيف يمكن تشويبها لإعطاء مواد من النوع ⁦n-type⁩ و ⁦p-type⁩. تحقق من أنك تفهم كيفية عمل الدايود (ثنائي الوصلة) ذي وصلة ⁦p-n⁩ في الانحياز الأمامي والعكسي. ابحث عن هذا إذا لزم الأمر.

يوفر مزود الطاقة الكهرباء لتشغيل النظام الإلكتروني. ويجب أن يكون مزود الطاقة قادرًا على توفير مستويات الجهد والتيار اللازمة لتشغيل الأجهزة أو المكونات في النظام ضمن التفاوتات المحددة. فهو يُحوّل الكهرباء ذات التيار المتناوب ⁦(AC)⁩ إلى خرج تيار مستمر ⁦(DC)⁩ منخفض الجهد. قد يوفر المزود العملي أكثر من خرج جهد واحد. يوضح الشكل 20.3 مخططًا تفصيليًا لمزود طاقة تيار مستمر منخفض الجهد منظم.

يكون تزويد الطاقة من عدة أنظمة فرعية:

• محول
• مقوم
• التنعيم/مرشح
• منظم.

  ستشرح الأنظمة الفرعية في الفقرات الآتية.

• الأدوات/الأجهزة الافتراضية - الأدوات الإلكترونية المصممة باستخدام البرنامج عند تنفيذ المحاكاة (على سبيل المثال، ملتيميتر، راسم الذبذبات، مولد الإشارات، مخطط بود).
• قائمة شبكية - قائمة بالمكونات والعقد في الشبكة وكيفية توصيلها.

يتناول نتاج التعلم ب في الوحدة 57: المبادئ الكهربائية والإلكترونية، المكونات الأساسية: المقاوم والمكثف والمحث، وكيفية تصرفها في دوائر التيار المستمر والتيار المتناوب والصيغ المتعلقة بها.

40

تتطلب معظم الدوائر الإلكترونية جهد تيار مستمر أقل قيمة من جهد التيار المتناوب. ويُستخدم محول خفض لتوفير جهد دخل تيار متناوب منخفض الجهد. يتكون المحول من ملفين مرتبطين بقلب مغناطيسي؛ وهما الملف الابتدائي والملف الثانوي. يُركز القلب على التدفق المغناطيسي الناتج عن تدفق التيار في الملف الابتدائي. وتنتقل الطاقة إلى الملف الثانوي بالتدفق المغناطيسي. يُشكل الجهد المتناوب في الملف الابتدائي تدفقًا مغناطيسيًا متناوبًا في القلب، الذي بدوره يؤدي إلى جهد متناوب في الملف الثانوي.

يتسم المحول المثالي بالآتي:

• لا يوجد فقد
• مقاومة ملفات صفرية
• تدفق تسرب صفري
• نفاذية أساسية عالية جدًا

نسبة الجهد للمحول هي: $K = \frac{N_p}{N_s} = \frac{V_p}{V_s} \text{ (نسبة اللفات)}$ (حيث $V_p$ = الجهد في الملف الابتدائي، $V_s$ = الجهد في الملف الثانوي، $N_p$ = عدد اللفات في الملف الابتدائي و $N_s$ = عدد اللفات في الملف الثانوي). إذا كان $V_p < V_s$ في المحول، فإن الجهد الثانوي يكون أصغر من الجهد الابتدائي. وهذا ما يسمى بمحول خافض. إذا كان $V_p > V_s$ في المحول، فإن الجهد الثانوي يكون أكبر من الجهد الابتدائي. وهذا ما يسمى بمحول رافع.

يمكن العثور على نسبة التيار للمحول المثالي بملاحظة عدم وجود فقد، وبالتالي: طاقة الدخل = طاقة الخرج $V_p I_p = V_s I_s$ نعيد ترتيب الصيغة، فتكون: $\frac{V_p}{V_s} = \frac{I_s}{I_p} = \frac{N_p}{N_s}$ (حيث إن $I_p$ = التيار في الملف الابتدائي و $I_s$ = التيار في الملف الثانوي). عادةً ما تُصنف المحولات بحسب طاقتها التي هي نتاج الجهد والتيار. وهذا ما يسمى تصنيف ⁦VA (⁩أو ⁦kVA⁩ في محول عالي الطاقة). $VA = V_p I_p = V_s I_s \text{ تصنيف}$

لمزيد من المعلومات حول المبادئ الكهربائية وتطبيق الأساليب الرياضية لحل المسائل الهندسية، راجع الوحدة 57: المبادئ الكهربائية والإلكترونية.

• محول - جهاز كهربائي يستخدم مجالًا مغناطيسيًا لنقل الطاقة الكهربائية من دائرة التيار المتناوب الابتدائية إلى دوائر التيار المتناوب الثانوية.
• محول رافع - محول يزيد فيه الجهد الثانوي عن الجهد الابتدائي.
• محول خافض - محول يقل فيه الجهد الثانوي عن الجهد الابتدائي.

41

يمكنك تحديد مصدرين رئيسيين لفقد الطاقة في محول حقيقي:

• الفقد بالقلب (بسبب التيارات الدوامية)، ويُسمى أحيانًا فقد الحديد
• الفقد بالملف (بسبب مقاومة الملفات التي تسبب التسخين)، وعادة ما يُسمى فقد النحاس.

يتمتع المحول المثالي بمعدل قدرة يبلغ 240 فولت أمبير. يتم توصيل مزود تيار متناوب بجهد 120 $V_{rms}$ بالملف الابتدائي. $V_{rms}$ هي قيمة جذر متوسط مربع الجهد الابتدائي. نسبة اللفات، ⁦K⁩، هي 10:1. احسب:

• ب. التيار الابتدائي
• ج. التيار الثانوي

الحل:

$\frac{V_p}{V_s} = \frac{N_p}{N_s}$ $\frac{120}{V_s} = \frac{10}{1}$ أعد الترتيب لجعل $V_s$ الموضوع، $\frac{V_s}{120} = \frac{1}{10}$ $V_s = \frac{120}{10} = 12 V_{rms}$

• ب. استخدم نسبة ⁦VA⁩،

$\text{تصنيف VA} = V_p I_p$ $120 \times I_p = 240$ $I_p = \frac{240}{120} = 2A$

• ج. استخدم صيغة نسبة التيار،

$\frac{I_s}{I_p} = \frac{N_p}{N_s}$ $\frac{I_s}{2} = \frac{10}{1}$ $I_s = 20 A$

42