ما هي المقومات الجسرية وكيف تعمل؟

التعريف والوظيفة الأساسية للمقومات الجسرية

تتكون المقومة الجسرية بشكل أساسي من أربع ديودات مرتبة معًا لتحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر من خلال ما يُعرف بالتصحيح الموجي الكامل. وتختلف هذه المقومات عن الأنواع نصف الموجية لأنها تستفيد فعليًا من جانبي إشارة التيار المتردد بدلاً من جزء واحد فقط، مما يقلل من هدر الطاقة ويجعل كفاءتها أعلى بحوالي مرتين بشكل عام. وبفضل الترتيب الفيزيائي لهذه المكونات على شكل جسر، لا توجد حاجة إلى محولات مركزية مُقسمة تكون عادة مكلفة. وهذا يوفر المال في تكاليف المكونات الخاصة بمزودات الطاقة البسيطة، ربما بنسبة تصل إلى 30 بالمئة حسب مواصفات التصميم. والأهم هو أن هذا التكوين يحافظ على تدفق الكهرباء في اتجاه واحد طوال الوقت، حتى في حال تم عكس الاتصال المدخل عن طريق الخطأ.

دور المقومات الجسرية في الإلكترونيات الكهربائية الحديثة

تلعب المقومات الجسرية دورًا رئيسيًا في توصيل التيار المتردد من مآخذ الحائط إلى جميع الأجهزة التي تعمل بالتيار المستمر والتي نستخدمها يوميًا، مثل هواتفنا وأجهزة المنزل الذكي. تمثل هذه المكونات النقطة الابتدائية لمعظم مصادر الطاقة ذات الوضع التبديلي، حيث تساعد على تحويل الكهرباء بكفاءة مع تقليل إنتاج الحرارة. وفقًا لأحد أبحاث السوق الحديثة لعام 2023، فإن حوالي 8 من كل 10 محولات صغيرة بقدرة أقل من 100 واط تحتوي فعليًا على مقومات جسرية، لأنها توفر توازنًا جيدًا بين الأبعاد الفيزيائية وتكاليف التصنيع ومعدلات التحويل التي تتراوح عادةً بين 85٪ وأكثر بقليل من 90٪. ما الذي يجعلها شائعة بهذا الشكل؟ إنها لا تحتاج إلى محولات، مما يعني أن المصانع يمكنها إنتاج وحدات شحن أصغر دون التضحية كثيرًا بالأداء. ولهذا السبب يستمر تقنيونا الحديثة في التناقص في الحجم عامًا بعد عام.

عملية التقويم الكامل للموجة: شرح مبسط لتحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر

تعمل الجسرية المؤلفة من أربع صمامات على مرحلتين:

• الدورة الموجبة: توصّل الثنائيات D1 وD3، مشكّلة مسار تيار أمامي
• الدورة السلبية: تُفعَّل الثنائيات D2 وD4، مع الحفاظ على قطبية المخرجات

يحوّل هذا التشغيل ذو المسارين إشارة الدخل المتناوبة 60 هرتز إلى تيار مستمر متذبذب بتردد 120 هرتز، ثم تقوم المكثفات بتنعيمه إلى قضبان جهد مستقرة. يُفضّل المهندسون هذه الطريقة على البدائل ذات الموجة النصفية لأنها تقلل سعة التموج بنسبة 50% بينما تضاعف جهد المخرج الفعّال لنفس مواصفات المحول.

تصميم الدائرة الداخلية وعمل الثنائيات في مرشحات الجسر

ترتيب الأربعة ثنائية وتخطيط المكونات في دوائر مرشح الجسر

تستخدم مرشحات الجسر ترتيبًا من أربع ثنائيات لتمكين التقويم الكامل للموجة دون الحاجة إلى محول ذو وصلة مركزية. في هذا الترتيب:

• توصل اثنتان من الثنائيات خلال نصف الدورة الموجبة لإشارة الدخل المتناوبة (عادةً D1 وD3)
• تُفعَّل الاثنتان المتبقيتان خلال نصف الدورة السالبة (D2 وD4)

يضمن هذا التصميم تدفق التيار في اتجاه واحد عبر الحمل بغض النظر عن قطبية التيار المتردد. تقوم التصاميم الحديثة بتحسين المسافات بين المكونات لتقليل التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) و buildup الحرارة، مما يحسن الموثوقية في التطبيقات عالية التردد.

تدفق التيار خلال الدورتين الموجبة والسالبة لمدخلات التيار المتردد

عندما ننظر إلى ما يحدث خلال النصف الموجب من الدورة، فإن الجهد الوارد يتسبب فعليًا في توصيل الثنائيات D1 وD3 للتيار الكهربائي. وهذا يُكوّن مسارًا واضحًا للتيار المار من طرف المصدر التيار المتردد الحيوي عبر الحمل والعودة إلى الطرف المحايد. وعندما تأتي الدورة السالبة، تتغير الأمور تمامًا. حيث يؤدي عكس الاستقطاب إلى تنشيط الثنائيات D2 وD4 بدلًا من ذلك. وعلى الرغم من تغير الاتجاه، فإن التيار لا يزال يمر عبر الحمل بنفس الطريقة تمامًا كما كان من قبل. ما يجعل هذا الترتيب فعالًا جدًا هو أنه عمليًا يضاعف تردد الخرج بالمقارنة مع تلك المقومات النصف موجية الأساسية الموجودة هناك. وبسبب هذه الظاهرة التضاعفية، يتم تقليل كمية التموج في الإشارة بشكل كبير حتى قبل إجراء أي تصفيّة إضافية.

اعتبارات هبوط الجهد: الثنائيات السيليكونية مقابل الثنائيات شوتكي

تُنتج ديودات السيليكون العادية عادةً انخفاضًا في الجهد يبلغ حوالي 0.7 فولت لكل منها، وبالتالي عند استخدامها في تشكيل جسر يمكن أن تستهلك ما يصل إلى 1.4 فولت إجمالاً. وهذا يعني أن جهد الخرج ينخفض بنسبة تتراوح بين 5 إلى 10 بالمئة في تلك الأنظمة منخفضة الجهد التي نتعامل معها غالبًا. لكن الديودات شوتكي تقلل من خسائر التوصيل بنحو 60 بالمئة تقريبًا، لأنها تُحدث انخفاضًا بحوالي 0.3 فولت فقط لكل دايوذ، ليصل المجموع إلى 0.6 فولت عبر الجسر. ولهذا السبب يفضّل العديد من المصممين استخدام هذه الديودات في الأجهزة العاملة بالبطاريات حيث يكون كل ملي أمبير مهمًا. ولكن هناك نقطة يجب الإشارة إليها أيضًا. تميل هذه الديودات شوتكي إلى تسريب تيار أكبر، أحيانًا يصل إلى 5 ملّي أمبير حتى في درجات حرارة الغرفة. ولذلك، يتجنب المهندسون عادةً استخدامها في الأعمال التناظرية الدقيقة حيث يكون التحكم في التيارات العكسية أمرًا بالغ الأهمية.

تنعيم المخرج: تصفية الموجة المتقطعة في جهد التيار المستمر

فهم التيار المستمر المتموّج وضرورة تقليل التموج

تُنتج مقومات الجسر تيارًا مستمرًا متذبذبًا مع جهد تموج متبقي، وعادةً ما يكون بتردد 100 هرتز في التصاميم أحادية الطور والموجة الكاملة. يمكن أن تتسبب هذه التقلبات في التداخل مع الدوائر الرقمية وأجهزة التحكم بالمحركات. يؤدي التموج الزائد عن 5٪ من الجهد الاسمي إلى تقليل عمر المكونات بنسبة 23٪ في مصادر الطاقة ذات التبديل (IEEE Power Electronics Society 2023)، مما يجعل التصفية ضرورية للإلكترونيات الحساسة.

الترشيح باستخدام المكثفات: الدور والتكامل من أجل تنعيم الجهد

تقلل المكثفات المُنَعِّمة من التموج من خلال دورات الشحن والتفريغ:

• تخزين الطاقة أثناء قمم موجة التيار المتردد
• إطلاق التيار المخزن أثناء انخفاضات الجهد
• تقليل سعة التموج بنسبة 60–80٪

توضع بعد مرحلة المقوم، وتسيطر المكثفات الإلكتروليتية بسبب كثافة السعة العالية (1–10,000 ميكروفاراد). وتُكمِّلها الأنواع الخزفية في التصاميم المختلطة لقمع الضوضاء عالية التردد.

حساب السعة المثلى لقمع التموج الفعّال

استخدم هذه الصيغة لتحديد الحد الأدنى للسعة:

C = I_load / (f_ripple – V_ripple(max))  

حيث:

• I_load = أقصى تيار حمل (أمبير)
• f_ripple = تردد الموجة المتبقية (100 هرتز للطور الواحد ذي الموج الكامل)
• V_ripple(max) = جهد الموجة المتبقية القصوى المقبولة من قمة إلى قمة (فولت)

لحمل بتيار 2أ مع أقصى موجة متبقية 500 ملي فولت عند تردد 100 هرتز:
C = 2 / (100 – 0.5) = 40,000 µF

إن زيادة الحجم بنسبة 20–30٪ تعوّض تأثيرات عمرة المكثف ودرجة الحرارة.

أنواع مقومات الجسر ومزايا كفاءتها

الأنواع الشائعة: السيليكون القياسي، شوتكي، القائم على SCR، والمقومات المتزامنة

تأتي المقومات الجسرية اليوم بأربع أنواع رئيسية تعتمد على نوع الكفاءة المطلوبة في التطبيقات المختلفة. لا تزال الأنواع القياسية المصنوعة من ديودات السيليكون شائعة بسبب قدرتها على تحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر بسعر معقول. أما في الحالات التي يكون فيها كل فولت مهمًا، فإن الإصدارات المبنية على ديودات شوتكي تعمل بشكل أفضل نظرًا لانخفاض الجهد الأقل عبر وصلاتها. وغالبًا ما تُستخدم هذه الأنواع في أشياء مثل وحدات التحكم بشحن الألواح الشمسية، حيث تكون الفروق الصغيرة ذات أهمية كبيرة. ثم هناك النماذج القائمة على SCR التي توفر تحكمًا دقيقًا جدًا في المحركات الصناعية، رغم أن أحدًا لا يحب التعامل مع الدوائر المعقدة المطلوبة لتشغيلها بشكل صحيح. وأخيرًا، لدينا تصاميم المقومات المتزامنة الجديدة التي تستخدم مقاطع MOSFET مزوجة بمشغلات ذكية. يمكن لهذه التصاميم خفض خسائر التوصيل بنسبة تقارب 40 بالمئة في تطبيقات إمدادات الطاقة عالية التردد، مما يجعلها أكثر جاذبية على الرغم من ارتفاع تكلفتها الأولية.

مقارنة الأداء: الكفاءة وحالات الاستخدام لتقنيات الدايود المختلفة

كشفت دراسة كفاءة المقومات لعام 2023 عن تنازلات واضحة:

التكنولوجيا	نطاق الكفاءة	حالة الاستخدام المثالية
دايود السيليكون	80–85%	مصادر الطاقة الخطية
شوتكي	88–92%	محولات تيار مستمر منخفض الجهد
قائم على SCR	75–82%	مشغلات المحركات ذات التحكم الطوري
متماثل (MOSFET)	94–97%	مزوّدات طاقة الخوادم، شواحن المركبات الكهربائية

تُسيطر مصححات شوتكي على التطبيقات دون 50 فولت بسبب أزمنة الاسترداد السريعة (10 نانوثانية)، في حين تتفوق أنواع SCR في تنظيم التيار الصناعي بين 100–500 أمبير.

تطبيقات كفاءة عالية باستخدام تصاميم MOSFET ومصححات متزامنة

بدأت أحدث تقنية لمقوم الجسر دمج ترانزستورات غاليوم نيتريد (GaN MOSFETs)، مما يدفع كفاءة أنظمة طاقة الاتصالات نحو 99%. ويأتي هذا الرقم المثير للإعجاب من خلال تقليل خسائر التبديل المزعجة بشكل كبير عند التشغيل بترددات تفوق 1 ميغاهيرتز. وبالنظر إلى التطبيقات في مجال السيارات، فإن الشواحن المدمجة التي تعتمد تصميمات توقيت متزامن تقلل من الإجهاد الحراري بنسبة تقارب 30% مقارنةً بالأساليب القديمة المستندة إلى وحدات الصمامات الثنائية. وقد رأينا تأكيداً لهذا من خلال اختبارات مكثفة أجريت مؤخراً على أنظمة المركبات الكهربائية. وفي توربينات الرياح، يجرب المهندسون حلولاً هجينة تجمع بين ديودات كربيد السيليكون ومفاتيح IGBT. وتُظهر هذه التركيبات تحسناً بنسبة 2% تقريباً في الكفاءة القصوى لعمليات التقويم، مع الحفاظ على الأداء تحت ظروف شديدة تتضمن جهداً بمقدار 3 كيلوفولت والتيار بمستوى 100 أمبير. وتكمن أهمية مثل هذه التحسينات في سياقات الطاقة المتجددة، حيث يُعد كل نقطة مئوية إضافية عاملاً حاسماً في تحسين أداء النظام الكلي.

تطبيقات وأداء المقومات الجسرية في العالم الواقعي

التطبيقات الرئيسية في مصادر الطاقة، ومحركات المحركات، والأنظمة الصناعية

تلعب المقومات الجسرية دورًا رئيسيًا في الأنظمة الكهربائية الحديثة. تقوم هذه الأجهزة بتحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر بكفاءة ممتازة، ولهذا السبب تعد ضرورية لتزويد أجهزة الكمبيوتر بالطاقة. بدونها، قد تتعرض اللوحات الدوائر الحساسة لاندفاعات جهد غير مستقرة قد تُتلف كل شيء بدءًا من محركات الأقراص الصلبة وصولاً إلى اللوحات الأم. في البيئات الصناعية، يستخدم المصنعون المقومات الجسرية للتحكم في سرعة دوران المحركات والقوة التي تولدها. ونراها منتشرة في المصانع أيضًا، حيث تُستخدم لتغذية آلات اللحام وتشغيل خطوط التجميع الآلية. أما في الأماكن التي لا يمكن فيها التسامح مع انقطاع التيار الكهربائي، مثل المستشفيات ومزارع الخوادم، فإن أنظمة التغذية الكهربائية غير المنقطعة تعتمد على هذه المكونات للتبديل بين الطاقة الرئيسية ومولدات الاحتياط دون أي تأخير. ويحافظ هذا الانتقال السلس على تشغيل الأجهزة المنقذة للحياة ويمنع فقدان البيانات عند حدوث اضطرابات في الشبكة الكهربائية.

المزايا مقارنةً بالمقومات نصف الموجة والمقومات الكاملة ذات النقطة الوسطية

تُميز المقومات الجسرية عن مقومات الموجة النصفية التي تقوم أساسًا بإهمال نصف إشارة التيار المتردد، أو تلك النماذج ذات المركز المتمركز التي تحتاج إلى محولات خاصة. مع المقومات الجسرية، نحصل على تحويل كامل للموجة باستخدام مكونات عادية متوفرة في أي متجر إلكترونيات. لم يعد هناك حاجة لتلك الوصلات المركزية المعقدة بعد الآن، وبالتالي تصبح الأنظمة أسهل في البناء وأرخص بنسبة تقارب 30 بالمئة لمعظم تطبيقات الطاقة المنتشرة في المدن. ميزة كبيرة أخرى هي قدرتها على تقليل إجهاد الجهد العكسي القصوى بنحو النصف بالمقارنة مع الأنظمة التي تعتمد على ديودين فقط. وهذا يعني أن المكونات تدوم لفترة أطول في البيئات الصعبة مثل محطات شحن المركبات الكهربائية، حيث تكون الموثوقية أمرًا بالغ الأهمية.

قياس الكفاءة والموثوقية في سيناريوهات التحويل الكهربائي العملية

عند تقييم الأداء، ينظر المهندسون إلى مدى قدرة النظام على كبح الموجات المتذبذبة، وغالبًا ما يستهدفون أقل من 5٪ في الأنظمة الجيدة، إلى جانب التحقق من الاستقرار الحراري عند تحميل النظام. بالنسبة لتصاميم تعتمد على MOSFET والتي يُفترض أن تكون فعّالة إلى حد كبير، فإن اختبارات حمولة البنك تساعد في التأكد من تحقيق هذه النسب التي تفوق 95٪ بالفعل. ويُستخدم التصوير الحراري أيضًا، خاصةً عند التعامل مع مكونات تعمل بالتبديل عند الترددات العالية، نظرًا لأنها تميل إلى توليد بقع ساخنة تحتاج إلى عناية. عادةً ما تدوم المعدات الصناعية لفترة طويلة جدًا قبل الحاجة إلى استبدالها، حيث تتجاوز فترة متوسط الوقت بين الأعطال غالبًا 100 ألف ساعة. هذا النوع من الموثوقية يفسر سبب أداء هذه الوحدات بشكل جيد جدًا في الأماكن التي لا يمكن فيها التسامح مع توقف التشغيل، مثل بنية الاتصالات السلكية واللاسلكية أو المزارع الشمسية، حيث يكون التشغيل المستمر أمرًا بالغ الأهمية.

الأسئلة الشائعة

ما الغرض من استخدام مرشح جسري؟

يُستخدم المصحح الجسري لتحويل التيار المتناوب (AC) إلى تيار مستمر (DC)، ويُستخدم عادةً في مصادر الطاقة، ومحركات السير، والأجهزة الإلكترونية لضمان تحويل طاقة مستقر وفعال.

لماذا يكون المصحح الجسري أكثر كفاءة من المصحح نصف الموجة؟

يكون المصحح الجسري أكثر كفاءة من المصحح نصف الموجة لأنه يستخدم كلا نصفي دورة التيار المتناوب، مما يقلل من هدر الطاقة ويضاعف الكفاءة، كما أنه يستغني عن الحاجة إلى محولات ذات نقطة وسطية.

ما هي مزايا استخدام ديودات شوتكي في المصححات الجسرية؟

تقدم ديودات شوتكي في المصححات الجسرية انخفاضًا في فرق الجهد، مما يقلل من فقدان القدرة ويعزز الكفاءة، خاصة في التطبيقات منخفضة الجهد حيث يكون كل واط مهمًا.

كيف يعمل الترشيح بالكاباسيتور في دوائر المصحح الجسري؟

يعمل الترشيح بالكاباسيتور في دوائر المصحح الجسري على تخزين الطاقة خلال قمم الموجة المتناوبة وإطلاقها خلال انخفاضات الجهد، مما يقلل من سعة الموجة المتذبذبة ويوفر خرجًا مستمرًا أملسًا.

ما دور الترانزستورات MOSFET في تصميمات المقومات الجسرية الحديثة؟

تُحسِّن الترانزستورات MOSFET في تصميمات المقومات الجسرية الحديثة الكفاءة من خلال تقليل خسائر التوصيل وتحسين الأداء في التطبيقات عالية التردد، مما يعود بالفائدة على الأنظمة الإلكترونية المدمجة والفعالة من حيث استهلاك الطاقة.