تصميم وتنفيذ دارة لتحويل التيار المستمر 12 فولت إلى تيار متناوب 220 فولت

مقدمة:

عادةً ما نحتاج المحوّلات في الأماكن التي يصعب تغذيتها بتيّار متناوب من الشبكة الكهربائية الرئيسية، إذ تُستخدم دارة المحوّل لتحويل التيار المستمر إلى تيار متناوب، ولها نوعين:

• محوّلات موجة جيبيّة مثاليّة (خالية من الضجيج) عالية التكلفة.
• محوّلات معدّلة أو أشباه المحوّلات وتتميز برخصها.

تنتج المحولات المعدلة موجة مُربّعة ولا تُستخدم لتشغيل المَعدّات الإلكترونية الحساسة، وسنشرح في هذا المقال طريقة صنع دارة محول جهد بسيطة، باستخدام ترانزستورات الطاقة كمفاتيح switch، لتحويل إشارة مستمرة بجهد 12 فولت إلى إشارة متناوبة أحادية الطور بجهد 220 فولت.

 

مبدأ عمل الدارة:

يعتمد مبدأ عمل المحولات على إنتاج ذبذبات كهربائية (أو هزّات) بوساطة التيار المستمر المُطبق عليها، وتطبيقها على الملف الأوّلي للمحولة عبر تضخيم التيار، ثم يُرفع جهد الملف الأولي اعتماداً على عدد لفّات الملفين الأولي والثانوي.

تصميم دارة محول باستخدام الترانزستورات:

 

 

يمكن أيضاً تصميم محول تيار مستمر بجهد 12 فولت إلى تيار متناوب بجهد 220 فولت باستخدام ترانزستورات بسيطة، إذ يُمكن استخدامه لتشغيل المصابيح حتى 35 واط، ولكن يمكن تعديلها لتشغيل أحمال ذات استطاعة أكبر عبر زيادة ترانزستورات الموسفت MOSFETS، وسنطبّق في هذه الدارة محولاً ذا موجة مربّعة لتشغيل الأجهزة التي لا تتطلب موجة تيار متناوب جيبية مثالية.

 

مخطط الدارة:

 

المكونات المطلوبة:

• بطارية 12 فولت
• ترانزستور MOSFET IRF 630 عدد /2/
• ترانزستورات 2N2222
• مكثف 2 ميكرو فاراد عدد /2/
• مقاومة:
  • 680 أوم عدد /2/
  • 12 كيلو أوم عدد /2/
• محول رافع جهد 12V-220V ذو النقطة الوسطى center-tapped (ملفّه الثانوي متفرّع عند المنتصف أي له ثلاثة أطراف ويؤمن جهدي خرج بدلاً من واحد كالمحولات العادية).
• ورقة بيانات (Datasheet) لترانزستور 2N2222
• ورقة بيانات (Datasheet) لترانزستور IRF630

 

آلية العمل:

تقسم الدارة الى ثلاثة أجزاء:

• الهزّاز
• المُضخّم
• المُحوّل

 

ويجب أن يكون الهزاز ذا تردد 50 هرتز ليتوافق مع تردد كهرباء الشبكة المتناوبة، ويتحقق هذا بتصميم هزاز عديم الاستقرار ينتج موجة مربعة بتردد 50 هرتز، وعناصره في هذه الدارة هي المقاومات R_1→4 والمكثفتين C₁ وC₂ والترانزستورين T₂ وT₃ إذ يُنتج كلٌّ منهما موجات مربعة معكوسة بينما تُحدد قيم R₁ وR₂ وC₁ تردد الخرج (وتكون قيم R₄ وR₃ وC₂ مطابقة لهم بالترتيب)، أما المعادلة الممثلة للتردد الناتج فهي:

F = 1/(1.38*R₂*C₁)

 

ثم تُضخِّم ترانزستورات الطاقة (الموسفت) T₁ وT₄ الإشارات المعكوسة الناتجة عن الهزاز، ليمرّراها إلى المحول رافع الجهد ذو النقطة الوسطى الموصولة مع منبع تيار مستمر بجهد 12 فولت.

 

فيديو تصميم وتشغيل الدارة: يوضح الفيديو المرفق مكونات الدارة وكيفية توصيلها وتشغيلها.

ختاماً، يجمع المحول بين الإشارات المعكوسة الواصلة من ترانزستورات التضخيم لتوليد موجة خرج مربعة متناوبة بجهد 220 فولت، ولكن يجب أن تكون نسبة لفات المحول 1:19 لتحويل 12 فولت إلى 220 فولت، أيضاً يُمكن تشغيل أحمال تصل إلى 85 واط باستخدام بطارية بجهد 24 فولت ولكنّ التصميم السابق غير فعال في هذه الحالة، إذ يجب زيادة عدد ترانزستورات الموسفت لزيادة قدرة المحول.

 

دارة تحويل تيار مستمر بجهد 12 فولت إلى تيار متناوب بجهد 220 فولت باستخدام هزاز عديم الاستقرار:

يُمكن استخدام الثايرستورات أو الترانزستورات كمفاتيح في دارات التحويل، وتُستخدم عادةً ترانزستورات الطّاقة في التطبيقات ذات الاستطاعة المنخفضة والمتوسطة، بسبب ممانعة الخرج المنخفضة للغاية لتلك الترانزستورات منتجةً تيار خرج أعظمي (أعلى قيمة ممكنة)، ويمثّل استخدام الترانزستور كمفتاح switch أحد أهم تطبيقاته، إذ تتأرجح نقطة عمله بين منطقتي الإشباع والقَطع، وتكون كلٌّ من وصلتي (قاعدة – مجمّع) وَ(باعث – مجمّع) مُنحازة أمامياً في منطقة الإشباع، لنحصل على أدنى قيمة لجهد وصلة (الباعث – مجمّع) وأعظم قيمة لتيار المجمّع.

يعد الهزاز من العناصر المهمّة في هذه الدارة، إذ تُستخدم دارة المؤقت 555 كهزاز عديم الاستقرار لتوليد إشارة خرج تنقل نقطة العمل بين الحالتين، وتُحدد قيم المقاومات والمكثفة تردد الاهتزاز.

 

 

مكونات الدارة:

• V₁: 12 فولت
• R₁: مقاومة 10 كيلو أوم
• R₂: مقاومة 150 كيلو أوم
• R₃: مقاومة 10 أوم
• R₄: مقاومة 10 أوم
• Q₁: ترانزستور TIP41
• Q₂: ترانزستور TIP42
• D₁=D₂: ديود 1N4007
• C₃: مكثف 2200 ميكروفاراد
• T₁: محول رافع جهد 12 فولت/220 فولت

 

 

شرح تصميم الدارة:

تصميم الهزاز: يمكن استخدام الهزاز عديم الاستقرار كهزاز لذلك استخدمنا دارة المؤقت 555، ويُحسب تردد اهتزازها في حالة عدم الاستقرار من المعادلة:

f = 1.44/(R₁+2*R₂)*C

إذ أنّ:

• R₁: المقاومة بين طرفي التفريغ (discharge pin) و Vcc
• R₂: المقاومة بين طرفي التفريغ والعتبة (threshold)
• C: السعة بين طرفي العتبة والأرضي.

وتُحسب نسبة دورة عمل إشارة الخرج (duty cycle) من المعادلة:

D = (R₁+R₂)/(R₁+2*R₂)

 

أما قيم R₁ وR₂ فتكون 10 كيلو أوم 140 كيلو أوم على التوالي، نظراً لحاجتنا إلى تردد اهتزاز مساوٍ إلى 50 هرتز ودورة عمل 50% بافتراض قيمة للمكثف C مساوية إلى 0.1 ميكروفاراد، ولكن يُفضّل استخدام مقاومة متغيرة بقيمة 150 كيلو أوم لضبط إشارة الخرج، واحتجنا إلى مكثف سيراميكي سعته 0.01 ميكروفاراد بين رجلي التحكم والأرضي.

 

تصميم دارة التبديل(Switching):

كما ذكرنا سابقاً صُممت هذه الدارة لتوليد إشارة خرج متناوبة ذات جهد 220 فولت، ويتطلب ذلك استخدام ترانزستورات عالية الطاقة للسماح بتدفق أعظمي للتيار إلى الحمل، ولهذا استخدمنا ترانزستور طاقة TIP41 بتيار أعظمي للمجمع قيمته 6 أمبير، إذ يُحسب تيار القاعدة بتقسيم قيمة تيار المجمع على ربح التيار المستمر، فينتج تيار انحياز مساوٍ إلى: 0.4A *10 = 4A

 

ومع ذلك، يُفضل اعتماد قيمة أقل من الحد الأقصى لتيار القاعدة للترانزستور إذ تتجاوزه القيمة السابقة، ولنفترض أن تيار الانحياز هو 1 أمبير فتكون قيمة مقاومة الانحياز:

R_b = (V_cc – V_BE(ON))/I_bias

 

ويبلغ V_BE(ON) لكل ترانزستور حوالي 2 فولت، أي تساوي R_b لكل منهما 10 أوم، ونظراً لاستخدام الديودات للتحييز، يجب أن يساوي هبوطُ الجهد الأمامي عبر الديودات هبوطَ الجهد الأمامي عبر الترانزستورات، ولهذا استخدمنا ديودات 1N4007، وتكون شروط التصميم لكل من ترانزستورات PNP و NPN متطابقة (استخدمنا هنا ترانزستور طاقة TIP42 من نوع PNP).

 

 تصميم أحمال الخرج:

قد يحتوي خرج دارة التبديل على ترددات توافقيّة أخرى غير تردّد التيار المتناوب الأساسي نظراً لكونه ناتج عن تعديل عرض       النبضة، لذلك نحتاج لمكثف إلكتروليتي يسمح بمرور التردد الأساسي فقط وتصفية التوافقيات، وقد اكتفينا بسعة 2200   ميكروفاراد، وأيضاً يُفضّل استخدام محول رافع للجهد فالمطلوب الحصول على خرج 220 فولت (استخدمنا هنا محول رافع للجهد     12 فولت/220 فولت).

تشغيل دارة محول التيار المستمر 12 فولت إلى تيار متناوب 220 فولت:

• يولّد المؤقت 555 في حالة عدم الاستقرار موجة مربعة ذات تردد 50 هرتز بعد تشغيل الدارة بالبطارية 12 فولت.
• ينحاز الديود D₂ أمامياً عند الجهد المرتفع لخرج المؤقت logic high level ويمرر التيار إلى R₃ ومنها إلى قاعدة الترانزستور Q₁ ناقلاً إياه إلى حالة العمل.
• ينحاز D₁ أمامياً عند الجهد المنخفض للمؤقت logic low level ويتدفق التيار عبره إلى R₄ ومنها إلى قاعدة Q₂، مما يؤدي إلى تشغيله.
• مما يسمح بتوليد جهد مستمر عبر  الملف الأولي للمحولة على فترات متناوبة، ويضمن المكثف أن تردد الإشارة عند التردد الأساسي المطلوب.
• بعد ذلك يُرفع جهد إشارة التيار المتناوب من 12 فولت إلى 220 فولت بمروره إلى الملف الثانوي للمحولة عبر ملفها الأولي.

تطبيقات محول التيار المستمر 12 فولت إلى تيار متناوب 220 فولت:

يمكن استخدام هذه الدارة في:

• السيارات والمركبات المختلفة لشحن البطاريات الصغيرة.
• قيادة (تحكم) محركات التيار المتناوب منخفضة الطاقة.
• نظام الطاقة الشمسية.

 

   القيود:

• يصعب الحصول على إشارة خرج ذات دورة عمل مطابقة لقيمة 50% عملياً، فقد تتأرجح قيمة الخرج حول تلك النسبة بسبب استخدام المؤقت 555.
• يقلل استخدام الترانزستورات من كفاءة الدارة.
• قد يتسبب استخدام ترانزستورات التبديل بتشوّه التحويل cross over distortion (وهو تشوّه ناتج عن عملية التبديل بين عناصر قيادة الأحمال) في إشارة الخرج، ولكن يُقلَّل هذا التشوه نسبياً باستخدام ديودات الانحياز.

 

  ملاحظة:

يمكن استخدام أي هزاز عديم الاستقرار بدلاً من دارة المؤقت 555، كالهزاز عديم الاستقرار 4047، إذ يُضخِّم تيار الخرج قبل تطبيقه على المحول.

---

المصدر: هنا

ترجمة: إيليا سليمان، مراجعة: رولا فضل دنوره ، تدقيق لغوي: حنين غاليه، تصميم: علي العلي، تحرير: نور البوشي.