استخدام الصمامات الثنائية كمقوم للتيار

استخدام الصمامات الثنائية (الدايودات) كمقوم للتيار: شرح التوحيد النصفي والكلي للموجة

المقدمة

هل سبق لك أن فتحت محول تيار مستمر (DC) قديم بدافع الفضول؟ ربما لاحظت وجود أربع دايودات سوداء صغيرة مرتبة على شكل مربع أو ماسة. هذا الترتيب ليس عشوائيًا — إنه ما يُعرف باسم قنطرة توحيد الموجة الكاملة (Bridge Rectifier)، وهي البطل المجهول المسؤول عن تحويل التيار المتردد (AC) القادم من الحائط إلى تيار مستمر ناعم تستخدمه أجهزتك الإلكترونية.

تُعتبر المقومات عنصرًا أساسيًا في معظم الأجهزة الإلكترونية. من دونها، لن يحصل الأردوينو أو شاحن اللابتوب أو حتى التلفاز على نوع التيار الذي يحتاجه. في هذا المقال، سنستعرض كيف تُستخدم الصمامات الثنائية (الدايودات) في تحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر، بدءًا من المقوم النصفي البسيط وصولًا إلى قنطرة التوحيد الكاملة. سواء كنت تبني وحدة تغذية خاصة بك أو ترغب فقط في فهم ما بداخل المحول، فهذه المقالة ستوضح لك الصورة.

ما هو المقوم (موحد التيار)؟

المقوم هو دائرة إلكترونية تقوم بتحويل التيار المتردد (AC) — الذي يغيّر اتجاهه باستمرار — إلى تيار مستمر (DC) يسير في اتجاه واحد فقط. وتُعرف هذه العملية باسم التوحيد (Rectification)، والعنصر الأساسي الذي يجعلها ممكنة هو الثنائي (الدايود).

يعمل الصمام الثنائي مثل صمام أحادي الاتجاه للتيار الكهربائي، حيث يسمح بمرور التيار في اتجاه واحد (الانحياز الأمامي) ويمنعه في الاتجاه المعاكس (الانحياز العكسي). هذه الخاصية هي التي تمكّن عملية التحويل من تيار متناوب إلى تيار ثابت (مستمر).

هل كل الصمامات الثنائية متشابهة؟

على الرغم من أن جميع الصمامات الثنائية تشترك في سلوكها أحادي الاتجاه، إلا أنها تأتي بأنواع مختلفة مُصمّمة لأغراض متخصصة. من أكثر الأمور التي تسبب اللبس هو الخلط بين ثنائيات التوحيد والثنائيات الباعثة للضوء (LEDs).

• ثنائيات التوحيد مصممة لتحمل تيارات وجهود عالية، وهي مثالية لتحويل الطاقة.
• أما LEDs فهي مصممة لإصدار الضوء، وحساسة جدًا للتيار العالي — عادة لا تتحمل أكثر من 30 ملي أمبير بدون مقاومة مقيّدة للتيار.

إذا فتحت محول تيار مستمر بجهد 12 فولت، ستجد غالبًا أربع صمامات ثنائية سوداء أسطوانية مرتبة على شكل مربع — هذه هي قنطرة التوحيد الكاملة. من المرجح أن تكون:

• 1N5408 — تتحمل حتى 3 أمبير وجهد عكسي يصل إلى 1000 فولت
• أو 6A10 — تتحمل حتى 6 أمبير، وتُستخدم في المحولات ذات القدرة الأعلى

هذا يوضح الفرق الكبير بين الثنائيات الصغيرة، والـLEDs، وثنائيات التوحيد القوية — من المهم استخدام النوع المناسب للتطبيق.

التوحيد النصفي

كيف يعمل

في دائرة مقوم نصف الموجة، نستخدم دايود واحد فقط. خلال نصف الموجة الموجب من التيار المتردد، يكون الثنائي موصلاً ويتيح مرور التيار إلى الحمل. أما خلال نصف الموجة السالب، فيمنع الثنائي مرور التيار، وبالتالي نحصل على تيار مستمر متقطع.

شكل الموجة الناتج

الناتج يحتوي فقط على النصف الموجب من الموجة الجيبية الداخلة. يتم قطع النصف السالب بالكامل، ما يؤدي إلى نبضات متقطعة مفصولة بمناطق فارغة.

المزايا والعيوب

المزايا:

• سهل جدًا في التركيب
• يتطلب دايود واحد فقط

العيوب:

• غير فعال (يستخدم نصف الإشارة فقط)
• يحتوي على تموجات عالية
• غير مناسب للتطبيقات عالية القدرة

تطبيقات عملية

• دوائر الكشف عن الإشارات
• الدوائر منخفضة الاستهلاك التي تفضل البساطة على الكفاءة

التوحيد الكامل باستخدام قنطرة من الصمامات الثنائية

كيف يعمل

تُستخدم أربع صمامات ثنائية مرتبة على شكل مربع أو ماسة لتشكيل قنطرة التوحيد. خلال كل نصف دورة من الموجة المترددة، يسمح زوج من الصمامات الثنائية بمرور التيار في اتجاه واحد عبر الحمل.

شكل الموجة الناتج

يتم استخدام كلا نصفي الموجة المترددة (الموجب والسالب)، ما يعطي شكل موجة نبضي بتردد أعلى وتموجات أقل مقارنةً بالتوحيد النصفي.

المزايا والعيوب

المزايا:

• يستفيد من كامل الإشارة
• لا يتطلب محول ذو نقطة منتصف
• تصميم شائع ومضغوط في المحولات التجارية

العيوب:

• يوجد فقد في الجهد مقداره تقريبًا 1.4 فولت بسبب مرور التيار عبر صمامين ثنائيين في كل نصف دورة

ترشيح الإشارة الخارجة

الإشارة الناتجة من المقوم تكون متقطعة (نبضية)، وهي غير مناسبة مباشرة لتغذية الدوائر الحساسة. لذا يتم إضافة مكثف ترشيح يقوم بتخزين الشحنة عند ارتفاع الجهد وتفريغها ببطء عندما ينخفض، مما يملأ الفجوات بين النبضات.

تحسين إضافي

للحصول على خرج أنعم، يمكن استخدام:

• مرشحات RC (مقاومة + مكثف)
• ملفات (Inductors)
• منظمات الجهد (مثل 7805، LM317)

التعويض عن فقد الجهد في الثنائيات

في قنطرة التوحيد، يحدث فقد للجهد قدره 1.4 فولت (حوالي 0.7 فولت في كل دايود)، مما يؤدي إلى انخفاض الجهد الخارج عن القيمة المطلوبة.

للتعويض عن هذا الفقد، يمكن اتباع طريقتين:

• رفع الجهد الخارج من محول AC قليلاً — غالبًا بحوالي 1.4 فولت إضافية لضمان وصول الجهد بعد التوحيد إلى المستوى المطلوب.
• إضافة منظم جهد (Voltage Regulator) بعد مرحلة التوحيد والترشيح — مثل 7805 (لتثبيت الجهد عند 5 فولت) أو LM317 (منظم قابل للضبط)، للحصول على جهد ثابت ونقي.

كثيرًا ما تُستخدم الطريقتان معًا في تصميمات دوائر التغذية.

تطبيقات المقومات

تُستخدم المقومات في العديد من الأجهزة، منها:

• شواحن الهواتف واللابتوبات
• وحدات تغذية المتحكمات الدقيقة (مثل Arduino)
• دوائر شحن البطاريات
• مضخمات الصوت
• أنظمة التحكم الصناعية

الخلاصة

الثنائيات قد تكون صغيرة الحجم، لكنها تلعب دورًا كبيرًا في تحويل التيار الكهربائي. سواء كانت دايود واحد في مقوم نصف الموجة أو أربع دايودات في قنطرة توحيد كاملة، فإن المقومات تمثل حجر الأساس للعديد من الأجهزة الإلكترونية. فهمك لطريقة عملها يفتح الباب لتصميم وحدات تغذية خاصة بك ويُعمّق معرفتك بأنظمة الإلكترونيات.

أو بإمكانك إستكشاف تصنيفات أخرى

عالم الإلكترونيات

الفيزياء وميكانيكا الطيران

استكشف العالم الخفي تحت المجهر