كيف تُحقِّق مُعَدِّلات الجسر تحويلًا كفؤًا من التيار المتردد إلى التيار المستمر

ما هو محول الجسر وكيف يقوم بتحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر

يعمل المقوم الجسري كدائرة إلكترونية لتحويل التيار المتناوب (AC) إلى تيار مستمر (DC) بشكل أقرب، على الرغم من بقاء بعض النبضات ضمنه. ويستخدم هذا المقوم أربع ديودات مرتبة بشكل يشبه الجسر عندما تُرسم على الورق. وبالمقارنة مع مقومات الموجة النصفية التي تقوم فعليًا بإهمال نصف الكهرباء الواردة، فإن النوع الجسري يتعامل مع جانبي إشارة التيار المتناوب، وبالتالي نحصل على ضعف تقريبًا من الطاقة المحولة مقارنةً بالتصاميم الأبسط. ما يحدث هنا ذكيٌّ جدًا في الحقيقة. فالأنصاف السالبة من التيار الكهربائي يتم عكسها بفضل طريقة توصيل الديودات وتوصيلها معًا، مما يضمن تدفق التيار في اتجاه واحد فقط. وهذا أمر مهم جدًا لأن معظم الأجهزة تحتاج إلى اتجاه ثابت للتيار لتعمل بشكل صحيح، مثل شحن الهواتف أو تشغيل مصابيح LED على سبيل المثال.

تقويم الموجة الكاملة باستخدام تشكيل مكوّن من أربع ديودات

يُمكّن الجسر المؤلّف من أربع ديودات من تقويم الموجة الكاملة من خلال مسارَيْ توصيل متكاملين:

1. الدورة الموجبة : التوصيل في الصمامات D1 وD2، وتوجيه التيار عبر الحمل
2. الدورة السالبة : تنشط الصمامات D3 وD4، مع الحفاظ على قطبية مخرجات ثابتة

كما ورد في الدراسات المتعلقة بكفاءة المقومات، فإن هذه الطريقة تقلل جهد التموج بنسبة 50٪ مقارنةً بالنظم ذات الموجة النصفية، وتحقق كفاءة تتراوح بين 81 و85٪ عند التردد القياسي 60 هرتز. كما أن التردد المضاعف للإخراج الناتج (120 هرتز) يبسط عملية الترشيح اللاحقة في مصادر الطاقة.

المكونات الأساسية لدارة مقوم الجسر

تُحدد الأداء ثلاثة عناصر رئيسية:

• ثنائيات : أربعة أجهزة شبه موصلة (عادةً من السيليكون) تتيح التحويل من ثنائي الاتجاه إلى اتجاه واحد
• المحولة : اختياري للتحجيم الكهربائي
• تحميل : يؤثر المعاوقة على مدى تموج الجهد والكفاءة الشاملة

إن إزالة المحولات ذات التغذية المركزية تقلل تكلفة المكونات بنسبة 15-20٪ في التطبيقات منخفضة الجهد مع الحفاظ على التوافق مع مدخلات التيار المتردد المختلفة.

تكوينات مرشح الجسر: تصميمات أحادية الطور مقابل ثلاثية الأطوار

مرشح الجسر أحادي الطور: البنية والتشغيل

يعتمد هيكل مقوم الجسر أحادي الطور في الواقع على أربع ديودات مرتبة بشكل يشبه الحلقة لتحويل التيار المتناوب إلى تيار مستمر. عندما تكون موجة الكهرباء صاعدة، تسمح ديودتان من هاتين الديودات بمرور التيار من خلالهما. ثم عندما تنعكس الموجة اتجاهها، تتولى الديودتان الأخريان العمل بحيث يستمر التيار في التدفق في اتجاه واحد فقط. وفقًا لذلك المقال على موقع GeeksforGeeks حول مقومات الجسر، فإن هذه الطريقة الكاملة للموجة توفر لنا طاقة تيار مستمر أنظف بكثير مقارنةً بالخيارات النصف موجية، مع فقدان ضئيل جدًا للجهد أثناء العملية. التصميم بسيط جدًا ولا يتسم بالتعقيد، ولهذا السبب نجد هذه الدوائر في كل مكان، بدءًا من شواحن الهواتف ووصولًا إلى وحدات تحكم الإضاءة LED التي يثبتها الناس حاليًا في منازلهم.

مقومات الجسر ثلاثية الطور للتطبيقات الصناعية

الأنظمة الصناعية التي تتطلب طاقة عالية تستخدم عادةً مقومات جسر ثلاثية الطور تحتوي على ستة ديودات لمعالجة الموجات الكهربائية المتناوبة الثلاث، والتي تكون متزاحة بزاوية 120 درجة لكل منها. ما تقوم به هذه التشكيلة هو إنتاج خرج تيار مستمر مع ارتعاش جهدي لا يتجاوز حوالي 4.2%. وهذا أفضل بكثير مما نراه في التصاميم شبه الموجية التي يمكن أن تصل نسبة الارتعاش فيها إلى نحو 48%. ويذكر فريق JAST Power في دليلهم الخاص بالمقومات الصناعية أن هذا النوع من المقومات يصل بكفاءته إلى 98% عند استخدامه في تطبيقات مثل محركات السير والماكينات العددية (CNC)، وذلك بسبب تقليلها الكبير لخسائر التوصيل. وبما أنها تعمل مع جهود دخل تتراوح بين 400 و690 فولت، تصبح هذه المقومات مكونات أساسية في المحولات الخاصة بالطاقة المتجددة وفي جميع أنواع المعدات الصناعية الثقيلة حيث يكون التحويل المستقر للطاقة ضروريًا تمامًا.

المقومة الكاملة الموجة مقابل المقومة النصف موجية: مقارنة الأداء

تتفوق مقومات الجسر الموجي الكامل على نظيراتها ذات الموجة النصفية لأنها تعمل مع كلا طرفي دورة التيار المتناوب. وهذا يعني ضعف عدد النبضات في الثانية وتقلبات جهد أقل بكثير في المخرج. وفقًا لبحث نُشر العام الماضي من قبل IEEE، تصل هذه الأنظمة ذات الموجة الكاملة إلى كفاءة حوالي 90 بالمئة، في حين لا تتجاوز نظيراتها ذات الموجة النصفية 40 بالمئة تقريبًا. وميزة كبيرة أخرى هي أن الموجة الكاملة لم تعد تتطلب تلك المحولات المركزية الخاصة بعد الآن. مما يقلل تكاليف التصنيع بنحو دولارين وعشرة سنتات لكل وحدة عند الإنتاج بكميات كبيرة. ومع ذلك، هناك حالات يكون فيها استخدام الموجة النصفية منطقيًا. فعديد من تطبيقات المستشعرات الأساسية ودوائر التحكم البسيطة لا تحتاج كل تلك الكفاءة الزائدة. بالنسبة للمشاريع التي تراعي التكلفة، حيث يهم إنجاز عمل ما بسرعة أكثر من استغلال آخر قرش من الأداء، تظل الموجة النصفية خيارًا عمليًا على الرغم من محدوديتها.

مقاييس الأداء الرئيسية: الكفاءة، والموجة المتذبذبة، وتصنيفات الصمامات الثنائية

كفاءة التحويل لمقومات الجسر

تبلغ كفاءة مقومات الجسر الحديثة 94-97٪ في التحويل الموجي الكامل، وتنجم الخسائر الأساسية عن هبوط جهد الاستقطاب الأمامي للدايوود (0.7 فولت لكل دايود سيليكون). أظهرت دراسة إلكترونيات القدرة لعام 2024 أن استبدال السيليكون بدايوودات شوتكي (هبوط 0.3 فولت) يقلل الخسائر التوصيلية بنسبة 42٪ عند مستويات خرج 12 فولت، مما يعزز الكفاءة الشاملة للنظام.

فهم عامل التموج، وفولطية التموج، والتكرار

عندما نتحدث عن مقومات الموجة الكاملة، فإنها تولد تردد اهتزاز (ريبلك) حوالي 100 هرتز لأنظمة الطاقة المتناوبة القياسية ذات 50 هرتز، أو 120 هرتز عند العمل مع أنظمة 60 هرتز. وهذا يعني أننا عمومًا نحتاج إلى مكثفات ترشيح أصغر بالمقارنة بما هو مطلوب في حالة المقومات النصف موجية. الآن، يقيس عامل التموج بشكل أساسي كمية التيار المتناوب المتبقية بالنسبة لجهد الخرج المستمر. يتغير هذا القيمة حسب نوع الحمل المتصل وفعالية دائرة الترشيح. لأغراض عملية عديدة، يجد المهندسون المصممون لهذه الدوائر أن مكثفًا بسعة 1000 ميكروفاراد يعمل بشكل جيد جدًا للحفاظ على التموج أقل من 5 بالمئة عند التعامل مع أحمال حول 500 ملي أمبير. بالطبع هناك استثناءات تعتمد على متطلبات محددة، لكن هذا يُعد نقطة بداية جيدة للعديد من التطبيقات.

الجهد العكسي الأقصى (PIV) ودوره في اختيار الصمامات الثنائية

لكي تعمل بشكل صحيح، يجب أن تتحمل كل ديود ما يُعرف بالجهد العكسي الأقصى الذي يطابق أعلى نقطة في إدخال التيار المتردد. على سبيل المثال، خذ نظامًا قياسيًا بجهد 120 فولت جذر متوسط المربع (RMS)، والذي يصل في الواقع إلى حوالي 170 فولت كحد أقصى. معظم المهندسين يختارون ديودات ذات تصنيف حوالي 200 فولت للجهد العكسي الأقصى (PIV) فقط لضمان السلامة. ولكن عند النظر إلى بيانات محاكاة SPICE، نجد أمرًا مثيرًا للاهتمام يحدث هنا. إذا عملت المكونات بنسبة تزيد حتى 15٪ عن تصنيف الجهد العكسي الأقصى الخاص بها، خاصة عندما ترتفع درجات الحرارة إلى حوالي 85 درجة مئوية، فإن معدلات الفشل تقفز بشكل كبير لتصل إلى نحو ثلاثة أضعاف المعدل الطبيعي. ولهذا السبب يميل العديد من الفنيين ذوي الخبرة دائمًا إلى الحذر الشديد عند اختيار المكونات لهذه الأنواع من الدوائر.

موازنة الكفاءة وتبدد الحرارة في التصميم

إدارة الحرارة أمر بالغ الأهمية: كل ارتفاع بمقدار 10 درجات مئوية فوق 75 درجة مئوية يؤدي إلى تقليل موثوقية الصمام الثنائي إلى النصف بسبب زيادة الفقد في القدرة (P = I × V). وتشمل الحلول الفعالة صبّات النحاس على اللوحة المطبوعة (PCB) والمُشتتات الحرارية ذات واجهات حرارية بسعة 2 واط/مم²، والتي تحافظ على درجات حرارة الوصلة دون 110 درجة مئوية حتى تحت أحمال مستمرة تبلغ 5 أمبير.

تنعيم المخرج باستخدام الترشيح بالمحثات في مصادر الطاقة المستمرة

يولد المقوم الكمي تيارًا مستمرًا متذبذبًا غير مناسب للإلكترونيات الحساسة. ويُثبت الترشيح بالمحثات هذا المخرج، مما يجعله قابلاً للاستخدام في الأنظمة الرقمية وال_ANALOG الحديثة.

دور المحثات المُنَعِّمة في تقليل جهد التموج

تعمل المكثفات المستخدمة في التسوية على تخزين الطاقة عندما تحدث قفزات في الجهد، ثم تطلقها عند حدوث انخفاض، مما يساعد في ملء الفجوات في شكل الموجة الكهربائية. وفقًا لمختلف الأبحاث في مجال الإلكترونيات القدرة، يمكن لهذه المكونات أن تقلل من تقلبات الجهد بنسبة تصل إلى حوالي 70 بالمئة. على سبيل المثال، قد تخفض مكثفة قياسية بسعة 100 ميكروفاراد التغيرات في الجهد من نحو 15 فولت إلى أقل من 5 فولت في نظام منتظم بجهد 12 فولت عندما تكون الأمور تعمل بشكل طبيعي. يجعل هذا النوع من الأداء المكثفات أجزاءً أساسية في العديد من الدوائر الإلكترونية التي تتطلب توصيل طاقة مستقر.

اعتبارات التصميم من أجل تصفية فعالة باستخدام المكثفات

يتطلب التصفية المثلى موازنة ثلاث معلمات:

• تيار الحمل : فالتيارات الأعلى تتطلب سعات أكبر (حوالي 470 ميكروفاراد) للحفاظ على فترات التفريغ
• تردد الموجة : تتيح المخرجات الموجية الكاملة عند الترددات الأعلى استخدام مكثفات أصغر
• تصنيف الجهد : يجب أن تكون المكثفات مصنفة لتحمل جهد يصل إلى 1.5 ضعف الجهد القصوى للمدخلات على الأقل لتجنب التلف

كما هو موضح في مصادر الهندسة الكهربائية، فإن السعة المطلوبة تتبع:

C = \frac{I_{load}}{f \cdot V_{ripple}}  

حيث أنا هو تيار الحمل، م هي تردد التموج، و الخامس هي جهد التموج المسموح به.

تأثير حجم المكثف على استقرار الإخراج والاستجابة

يؤثر حجم المكثف بشكل مباشر على تقليل التموج والاستجابة الديناميكية. وتوضح بيانات الاختبار هذا التنازل:

السعة	جهد الوميض	زمن الارتفاع (0-90%)
47µF	8.2V	12 مللي ثانية
220µF	2.1V	38 مللي ثانية
1000 ميكروفاراد	0.5V	165 مللي ثانية

لتحقيق التوازن بين الأداء، غالبًا ما تجمع الأنظمة عالية السرعة مثل مزودات الطاقة المنظمة (SMPS) مكثفًا خزفيًا سعة 10 ميكروفاراد مع مكثف كهربائي سعة 100 ميكروفاراد على التوازي—وذلك لتحقيق استجابة سريعة للتغيرات المفاجئة وقمع فعال لتذبذب الجهد.

التطبيقات الواقعية والتطورات في تقنية مرشح الجسر

مرشحات الجسر في الإلكترونيات الاستهلاكية ومزودات الطاقة

تمكّن مرشحات الجسر من تحويل التيار المتناوب إلى تيار مستمر بكفاءة وحجم صغير في الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والأجهزة المتصلة بالإنترنت (IoT). وتصل كفاءة بنيتها ذات الموجة الكاملة إلى 92–97% في المزودات الحديثة، مما يقلل من هدر الطاقة. وبإلغاء الحاجة إلى المحولات الضخمة ذات الطرف المركزي، فإنها تدعم تقليل الحجم بنسبة 30%—وهو أمر بالغ الأهمية للشواحن الرفيعة والسريعة المتوافقة مع تقنية USB-PD.

الاستخدام في مزودات الطاقة المنظمة (SMPS)، والأنظمة الصناعية، وشواحن الهواتف المتنقلة

تحتاج أنظمة SMPS إلى دارات تقويم جسرية للتعامل مع هذا النطاق الواسع من المدخلات التيار المتردد من 90 إلى 264 فولت. وتظهر هذه مصادر الطاقة في كل مكان هذه الأيام، خاصةً في محركات المحركات الصناعية الكبيرة وأنظمة الطاقة الاحتياطية الموجودة في مراكز البيانات. وعندما ننتقل إلى الأنواع ثلاثية الطور، فإنها تُقدِّم أداءً متميزًا حقًا في الأعمال الشاقة. عند حوالي 50 كيلوواط، يمكن لهذه الأنظمة تحقيق كفاءة قريبة من الكمال تصل إلى 98٪ تقريبًا، وتتمكن في الوقت نفسه من الحفاظ على التوافقيات المنخفضة تحت السيطرة بأقل من 5٪. كما أن النهج الوحدوي يُعد منطقيًا أيضًا لمشاريع الطاقة الشمسية وطاقة الرياح. ومع تقنية التقويم النشط، يحصل المهندسون على تحكم أفضل في اتجاهات تدفق الطاقة وكيفية اتصال النظام بالشبكة الكهربائية الرئيسية. وهذا أمر مهم جدًا مع زيادة الربط بمصادر الطاقة المتجددة عبر مختلف القطاعات الصناعية.

دراسة حالة: الدمج في حلول الطاقة المدمجة والوحدوية

تم تحقيق تصميم لمُحمِّل سيارات على متن المركبة قلل عدد المكونات بنسبة 40٪ باستخدام وحدات جسر متكاملة. وقد ساهم استخدام ركائز الربط النحاسي المباشر (DCB) في تحسين التبديد الحراري بنسبة 30٪، مما يتيح تشغيلًا مستمرًا عند 15 أمبير بدرجة حرارة محيطة تبلغ 85°م. وقد خفض هذا الأسلوب تكاليف الإنتاج بنسبة 22٪، واستوفى معايير مقاومة الصواعق وفقًا لمعيار IEC 61000-4-5.

الاتجاهات المستقبلية: التصغير والموثوقية المُحسَّنة

تُحقِق تصميمات المقومات الحديثة تقدماً كبيراً بفضل المواد الجديدة ذات الفجوة العريضة مثل نيتريد الغاليوم وكربيد السيليكون. تسمح هذه المكونات للمصنّعين بتقليل أحجام الشريحة بنسبة تصل إلى 60 بالمئة مع القدرة على التعامل مع مواصفات الانهيار الكهربائي العالية البالغة 1200 فولت. بالنسبة للدوائر الجسرية النشطة، بدأ المهندسون باستخدام برامج ذكية للتنبؤ تمكنهم من تقليل خسائر التبديل بنحو 37% عند التشغيل بمستويات طاقة منخفضة. وهناك أمر آخر يحدث أيضاً، إذ أصبحت ميزات التشخيص الذاتي الآن قياسية، حيث تكتشف المشاكل في الصمامات الثنائية قبل أن تفشل تماماً. وهذا يعني أن الفنيين يمكنهم جدولة عمليات الإصلاح بدلاً من التعامل مع الأعطال غير المتوقعة. ويظهر الأثر بشكل خاص في القطاعات الحيوية مثل معدات الطيران والأجهزة الطبية، حيث لا يمكن التهاون مع توقف الأنظمة.

قسم الأسئلة الشائعة

ما هي الوظيفة الأساسية للمقوم الجسري؟

تتمثل الوظيفة الأساسية لمُستَقِم الجسر في تحويل التيار المتناوب (AC) إلى تيار مستمر (DC)، مما يجعله مناسبًا لتشغيل الأجهزة الإلكترونية التي تتطلب جهد تيار مستمر ثابت.

كيف يختلف مُستَقِم الجسر عن مُستَقِم الموجة النصفية؟

يستخدم مُستَقِم الجسر أربع ديودات لتحويل دورة الدخل المتناوبة بأكملها إلى تيار مستمر، مما يضاعف تردد الخرج ويعزز الكفاءة بالمقارنة مع مُستَقِم الموجة النصفية، الذي يستخدم ديودًا واحدًا فقط ويحول نصف الموجة المتناوبة فقط.

ما الفوائد المترتبة على استخدام مُستَقِم الجسر مقارنةً بأساليب التقويم التقليدية؟

توفر مُستَقِمات الجسر كفاءة أعلى، وتقلل جهد الاهتزاز (Ripple Voltage)، وتحذف الحاجة إلى محولات مركزية مكلفة، ما يجعلها أكثر إحكاماً وفعالية من حيث التكلفة.

لماذا تُستخدم المكثفات المستوية في دوائر مُستَقِم الجسر؟

تقلل المكثفات المستوية جهد الاهتزاز الناتج عن المستقيم، مما يضمن خرج تيار مستمر مستقر ومناسب لتشغيل المكونات الإلكترونية الحساسة.

ما هي التطورات التي تُجرى في تقنية المقومات الجسرية؟

تشمل التطورات استخدام مواد ذات فجوة نطاق عريض مثل نيتريد الغاليوم، وتقليل الحجم بشكل محسن، وزيادة الموثوقية، وتقنيات التقويم النشطة التي تقلل من خسائر التبديل وترفع كفاءة النظام.