وحدات الإمداد بالقدرة بدون إستخدام محولtransformerless power supply

وحدات الإمداد بالقدرة بدون إستخدام محولtransformerless power supply : للمهندس فتح F.Abdelaziz


الغرض :

الحصول على جهد منخفض من جهد الشبكة 220V AC بدون إستخدام محول خافض .

هذه الطريقة شائعة الاستخدام فى الدوائر الالكترونية العامة ذات القدرة المنخفضة كإضاءة دايود مشع أو كدائرة إحساس بالجهد .

المميزات :
رخيصة جدا مع أقل فقد فى الطاقة وحيز صغير .

عيوبها :
بها أقصى درجات المخاطر للتعرض للصدمات الكهربية .
غير مناسبة لشدة تيار أكبر من 50 ملى امبير .

مبدأ العمل :
تعتمد الدائرة فى الاساس على سعة المكثف . وسعة المكثف ببساطة تعوق أو تقاوم أو تمانع مرور التيار الكهربى وتسمى المعاوقة سعوية reactance .
معاوقة المكثف للتيار المتردد تعتمد على كل من تردد الاشارة أو التيار المار خلاله وعلى قيمة المكثف نفسه .
وباختصار نستخدم المكثف كمقاومة لعمل هبوط فى الجهد وتحديد التيار المار عند تردد محدد .
ومن ثم يمكن تطبيق قانون اوم R = V / I



تمهيد :

معاوقة المكثف تعطى بالعلاقة
Xc = 1 / (wc)
حيث Xc هى معاوقة المكثف بالأوم
w ( تقرأ اوميجا) هى التردد الزاوى حيث أنها تساوى 2 * Pi * Freq in Hz
و Pi = 3.14
C هى قيمة سعة المكثف بالفاراد
ويمكن كتابة المعادلة السابقة على الصورة
Xc = 1 / (2 * Pi * F * c)


أمثلة توضيحية :

مثال 1 :

• نفترض إستخدام مكثف 470 nF (0.00000047 Farad) على التردد 50 Hz
• تكون معاوقته
Xc = 1 / (2 * 3.14 * 50 * 0.00000047) = 6776 ohms
• فإذا كان جهد الدخل 230 V وجهد الخرج المطلوب 12 V يكون
• الجهد على المكثف يساوى (جهد الدخل – جهد الخرج ) اى (230 - 12)
• ويكون التيار المسموح به يساوى الجهد على المكثف مقسوما على معاوقته (قانون اوم ) إى
I = (230 - 12) / 6776 = 32mA

مثال 2 :

نفترض إستخدام مكثف 1.7 uF capacitor (0.0000017 Farad)
وأن جهد الخرج 24 V
كرر الخطوات
Xc = 1 / (2 * 3.14 * 50 * 0.0000017) = 1873 ohms
I = (230 - 24) / 1873 = 110 mA

مثال 3 :

استخدام مكثف 1 uF capacitor (Farad 0.000001)
مع جهد خرج 24 V يكون
Xc = 1 / (2 * 3.14 * 50 * 0.000001) = 3184 ohms
I = (230 - 24) / 3184 = 65mA

مثال 4 :

إستخدام مكثف 1 uF capacitor (Farad 0.000001) وتردد 50 Hz
ونفترض حدوث دائرة قصر (short circuit) أى جهد الخرج V 0 فيكون
Xc = 1 / (2 * 3.14 * 50 * 0.000001) = 3184 ohms
I = (230 - 0) / 3184 = 72 Ma
وبمقارنة نتيجة مثال 3 (نفس المكثف) نجد ان التيار لم يزداد بقيمة كبيرة . وهى احدى المميزات .

طريقة حساب قيمة المكثف بمعرفة كل من جهد الدخل وجهد الخرج وتيار الخرج (الحمل )

الجهد على المكثف Uc = جهد الدخل (230V) – جعد الخرج U اى (230 - U)
والتيار المار فى الدائرة (دائرة توالى ) هو I وبتطبيق قانون أوم على معاوقة المكثف Xc (بدلا من المقاومة) نحصل على
Xc = Uc/ I
وقيمة Xc هى
Xc = 1 / (wc)
اى
Xc = 1 / (2 * Pi * F * c)
بالتعويض بقيمة Xc فى المعادلة الاولى نحصل على معادلة قيمة C المطلوبة فى حالة جهد دخل 230V وتردد 50 Hz
C = I / (2 * 3.14 * 50 * (230 - U))
C = I / (314 * (230 - U))
حيث قيمة C بالفاراد وI هو اقصى تيار مسموح به بالأمبير و U هو جهد الخرج بالفولت .

أمثلة توضيحية :

مثال 1:
الجهد المطلوب U = 12 V والتيار المطلوب I = 10 Ma يكون
C = 0.01 / (314 * (230 - 12))
C = 146 nF
نأخد اقرب قيمة قياسية وهى 150 nF

مثال 2:

جهد الخرج U = 24 V وتيار الخرج I = 110 mA فيكون

C = 0.11 / (314 * (230 - 24))
C = 1.7 uF
اقرب قيمة قياسية هى 2.2 uFويمكن استخدام مكثفين على التوازى الاول 1 uF والثانى
680 nF

التطبيقات العملية

دائرة عملية 12 فولت – 10ملى امبير




1- تضاف مقاومة على التوالى R1 مع المكثف C1 لتحديد ومنع اندفاع (زيادة كبيرة ) التيار الكهربى عند شحن وتفريغ المكثف .
قيمة المقاومة تعتمد على قيم كل من المكثف والتيار المفاجىء المتوقع حدوثه ولكن عامة تحسب قيمتها من العلاقة
R = 3 / I
حيث R بالاوم و I بالامبير
وحيث أن أقصى تيار مطلوب هو I max = 10 ma أى (0.01 A) فان
R = 3 / 0.01 = 300 ohms
2- الدايود D1 مقوم نصف موج حيث يمرر النصف موجة السالب الى الارضى ونستفيد من نصف موجة الموجب .
3- الدايود D2 يسمح بمرور التيار الى الحمل وأساسا لمنع مكثف الترشيح C2 من التفريغ خلال النصف دورة السالب .
4- مكثف الترشيح C2 يعطى بالعلاقة
C = 200 * (I / U)
حيث C بالميكروفاراد
I اقصى تيار بالملى امبير
U جهد الخرج المطلوب
C2 = 200*10/12 =166UF
وعمليا اقرب مكثف 220ميكرو فاراد ( الاكبر افضل ولكن يزداد حجمه )
5- الزنر دايود D3 لتنظيم الجهد
6- واخيرا مكثفنا C1 بقيمة 390nf والذى يجب أن يكون أكبر من القيمة المحسوبة من المعادلات السابقة (تعطى حوالى 150nf ) مع وضع معامل أمان والقيم القياسية المتاحة وكلما كان أكبر كان أفضل والجدول الاتى يعطى قيم
عملية للاختيار :



ملحوظة 1:
يجب أن يكون جهد المكثف C1 250 V ac او 400 V DC ومن الأفضل أن يكون جهد المكثف 400 V ac او630 V DC .

ملحوظة 2 :
جهد المكثف C2 يجب أن يكون أكبرمن جهد الخرج (حوالى مرة ونصف)
دائرة اخرى محسنة باضافة منظم جهد مع زيادة فى تيار الخرج
لتصبح الدائرة




التيار هذه الدائرة من 40 الى 50ملى أمبير .
تم تغير الزنر دايود الى آخر بجهد 15فولت لأن جهد دخل المنظم يجب أن يكون أكبر من خرجه على الاقل بحوالى 3V .
تخفيض الجهد باستخدام مقاومات فقط
يستخدم فى هذه الطريقة المقاومات فقط ولكن المشكلة فى الطاقة الحرارية المتولدة فى تلك المقاومات .

الدائرة التالية مثال لوحدة تغذية من هذا النوع لتنتج +15 V و +12 V



دوائر عملية أخرى