سلوك الصمام الثنائي في الدارات الكهربائية
بسم الله الرحمان الرحيم
وأفضل الصلاة و السلام على مولانا رسول
الله وعلى آله وصحبه ومن والاه.
سلوك الصمام الثنائي في الدارات
الكهربائية
تكاد لا تخلوا أي دارة كهربائية من الصمام الثنائي، وذلك راجع لوظائفه
المتعددة و المهمة في الدارات الكهربائية. كون هاته الدورة مخصصة للمبتدئين،
سنتناول بعض الأمثلة لاستخدام الصمام الثنائي مع شرح بسيط فقط لفهم سلوكه في
الدارات الكهربائية.
مميزة صمام ثنائي ذي وصلة
يمثل محور الأفاصيل في المعلم أعلاه التوتر بين مربطي الصمام الثنائي. أما
محور الأراتيب فيمثل التيار ID المار في الصمام الثنائي.
تبرز المميزة أن الصمام الثنائي قطب غير خطي و غير تماثلي. وتمكن دراستها
(المميزة) من استنتاج الخاصيات الأساسية التالية للصمام الثنائي:
- عندما يكون التوتر Uak <0 ، نتحدث هنا عن يسار محور الاراتيب، نقول إن الصمام الثنائي
مستقطب في المنحى المعاكس (أو الحاجز). ونلاحظ أن شدة التيار Id منعدمة. إذ يتصرف الصمام الثنائي في هاته الحالة
كعازل بمعنى كمقاومة كهربائية كبيرة جدا أو كقاطع تيار مفتوح. في هاته الحالة يمكن
استبدال الصمام الثنائي بقاطع تيار مفتوح كما في الشكل التالي.
- عندما
يكون التوتر Uak >0 ، هنا
نتحدث عن يمين محور الاراتيب، نقول إن الصمام الثنائي مستقطب في المنحى المباشر
ونلاحظ حالتين:
1- عندما
يكون 0< Uak <Us تكون شدة التيار Id منعدمة إذ يتصرف الصمام الثنائي كقاطع للتيار مفتوح كذلك.
2- عندما
يكون التوتر Uak >=Us ، نسجل
مرور تيار كهربائي في الصمام الثنائي.
نسمي القيمة الدنوية للتوتر Uak التي تبقي دونها شدة التيار منعدمة، عتبة التوتر Us للصمام الثنائي.
عندما يكون الصمام الثنائي موصلا للتيار،
ولتسهيل دراسته في الدارات الكهربائية، يمكن استبدال ترميزه في الدارة بعمود
كهربائي مستقطب بالشكل الموضح يمين الصورة أسفله، ومقاومة كهربائية مركبة معه على
التوالي.
حيث العمود
الكهربائي لا يمنح أي تيار في الدارة، فقط يمثل عتبة التوتر للصمام الثنائي.
والمقاومة rd تمثل المقاومة الداخلة للصمام
الثنائي.
التوتر بين مربطي الصمام الثنائي عندما
يكون موصلا، هو مجموع عتبة التوتر Us
والتوتر Ur بين مربطي المقاومة الداخلية.
من خلال
هاته العلاقة نلاحظ أن التوتر Uak بين
مربطي الصمام الثنائي لا يبقى ثابتا، بل يتغير تبعا لتغير التوتر Ur بين طرفي المقاومة. لان هذا الأخير يتناسب طرديا مع
التيار المار في الصمام وفق قانون أوم:
إذ كلما زاد
التيار المار في الصمام الثنائي زاد التوتر Ur وبالتالي سيزيد التوتر Uak. ونسبة
تغير هذا الأخير يكون نسبيا طفيف ويتعلق بالأساس بنوع الصمام الثنائي المستعمل في
الدارة. هكذا يكون التوتر بين مربطي الصمام الثنائي الحقيقي. لكن جرت العادة
ولتسهيل الحساب في الدارات الكهربائية أن نهمل المقاومة الداخلية للصمام الثنائي
لتبقى عتبة التوتر Us ثابتة وليست لها علاقة بشدة
التيار المار في الصمام الثنائي. نتحدث هنا عن الصمام الثنائي المؤمثل (Diode idéalisé) حيث
مميزته تكون على الشكل في الصورة أسفله. والتي من خلالها نلاحظ أن عتبة التوتر Us تكون ثابتة ومستقلة عن التيار المار في الصمام
الثنائي.
في هاته الحالة يصبح ترميز الصمام الثنائي
عندما يكون موصلا على الشكل المبين على يمين الصورة التالية:
لدراسة الدارات الكهربائية التي تحتوي على صمام ثنائي، يقتضي الحال معرفة
متى يكون الصمام موصلا أو عازلا. لذلك يجب إيجاد التوتر بين مربطي الصمام Uak ما إذا كان يساوي عتبة التوتر Us فإنه في هاته الحالة يكون موصلا للتيار الكهربائي و بالتالي يكون Id>0. أما إذا كان Uak<Us فإن الصمام يعتبر كقاطع للتيار مفتوح. وبالتالي يكون Id=0A.
يستحسن حساب التوتر Uak بين
مربطي الصمام الثنائي بالعلاقة التالية:
لذلك يجب أولا معرفة الجهد في النقطتين Va و Vk ،
للمعلومة فالجهد في أي نقطة في دارة كهربائية هو نفسه التوتر بين تلك النقطة وهيكل
الدارة. لأن جهد الهيكل يكون منعدما.
بالرجوع إلى الجهد لحساب التوتر Uak نتفادى
بذلك الوقوع في أخطاء ستربك جميع الحسابات في الدارة ونتمكن من التحقق بكل دقة ما
إذا كان الصمام الثنائي يحقق الشرط Uak=Us و Id>0A ليكون موصلا أو يحقق الشرط Uak<Us و Id=0A ليكون
عازلا.
نتناول هاته الدارة الكهربائية المكونة من عمود كهربائي E ذي التوتر 10V وصمام ثنائي مؤمثل عتبة توتره Us=0.6V ومقاومة كهربائية R=1KOhm .
نريد أن نعرف ما إذا كان الصمام الثنائي
في هاته الدارة موصلا أم عازلا. طبعا توجد عدة طرق مختلفة لمعالجة هاته المسألة،
لكني أُفضل طريقة وضع الفرضيات. بالنسبة لهاته الدارة لدينا صمام ثنائي واحد، سأقوم
بوضع فرضيتين، الأولى: أن الصمام الثنائي موصل. والثانية: أنه عازل. ثم سأقوم
بدراسة الدارة بأخذ بعين الاعتبار أحد الفرضيتين و سأتحقق من النتائج هل توافق أو تخالف
الفرضية المختارة. إذا كانت توافق فسأحتفظ بها، أما إذا كانت تخالف فسأتجاهلها.
طريقة وضع الفرضيات طويلة نوعا ما لكنا في نظري الخيار الأمثل خصوصا عندما تكون
دارة معقدة تحتوي على عدة صمامات ثنائية كما تحتوي على عدة مولدات كهربائية.
بالنسبة للدارة أعلاه، نفترض بأن الصمام الثنائي موصل. و مادام كذلك فإنه
يمكن لنا أن نعوضه بمولد للتوتر ذي التوتر 0.6V كما على يمين الصورة التالية:
لنحسب التيار Id
حسب قانون أوم لدينا
أي
حسب قانون إضافية التوترات لدينا
أي
إذن
نعلم أن
و
و
وبعد الحساب نجد أن
إذن هاته الفرضية صحيحة. لأنها تحقق الشرط
ليكون الصمام الثنائي موصلا، حيث نجد أن Uak=Us و Id>0 .
سأحتفظ بهاته الفرضية
نمر الآن إلى الفرضية الثانية. حيث يكون
الصمام الثنائي عازلا، لذا نعوضه بقاطع للتيار مفتوح في الدارة
ما دام الصمام الثنائي عازلا فإن التيار
ينعدم في الدارة Id=0A
وبما أن
فإن
وبالتالي فإن
لدينا
وبما أن
فإن
لنحسب التوتر بين مربطي قاطع التيار.
لدينا
أي
إذن
بما أننا افترضنا أن الصمام الثنائي عازل
فإنه يتطلب الأمر أن يكون التيار منعدما وأن يكون التوتر Uak اصغر من عتبة التوتر Us أي Uak<0.6
وهذا يخالف تماما النتيجة المحصل عليها
حيث وجدنا أن Uak=10V. إذن هاته الفرضية خاطئة.
وبالتالي نأخذ بالفرضية الأولى الصحيحة، هي أن الصمام الثنائي في هاته الدارة يكون
موصلا.
نتناول مثالا آخر و هي دارة بسيطة مكونة من صمام ثنائي مؤمثل ذي عتبة
التوتر تساوي 0.6V ومقاومة كهربائية R=100Ohm ومصدر للتوتر E=5V
نفترض كمرحلة أولى أن الصمام الثنائي
موصل، إذن يمكن استبداله بمولد للتوتر و سيكون منحى التوترات على الشكل الموضح على
يمين الصورة التالية:
لنحسب التيار
حسب قانون أوم لدينا
حسب قانون إضافية التوترات لدينا
أي
أي أن
وبعد الحساب نجد أن
وهذا يخالف الشرط الذي يكون فيه الصمام
الثنائي موصلا. حيث يجب أن يكون
إذن نتجاهل فرضية أن الصمام الثنائي موصل
في هاته الدارة.
نمر إلى الفرضية الثانية، كونه عازل. في هاته الحالة يمكن تعويضه بقاطع
تيار مفتوح في الدارة كما هو مبين على يمين الصورة التالية:
لنحسب التوتر Uak
لدينا الأنود متصل بهيكل الدارة إذن الجهد
ينعدم في النقطة A. بما أن قاطع التيار مفتوح فإن
التيار ينعدم في الدارة، وبالتالي ينعدم التوتر بين مربطي المقاومة. إدن
لدينا
أي
إذن
وبالتالي فإن هاته الفرضية صحيحة. حيث
ليكون الصمام الثنائي عازلا يجب أن يكون التوتر أصغر من عتبة التوتر للصمام Uak<Us وأن يكون التيار منعدما في الدارة Id=0A.
إذن يعتبر الصمام الثنائي في هاته الدارة
عازلا.
نأخذ آخر مثال
تحتوي هاته الدارة على توتر سالب E=-10V. فهل الصمام الثنائي في هاته الحالة يكون موصلا أم
عازلا؟
للإجابة على هذا السؤال، نتبع طريقة وضع الفرضيات.
أولا نفترض أن الصمام موصل، إذن يمكن
تعويضه بمولد كهربائي موجه على الشكل المبين على يمين الصورة أسفله. ويكون منحى
التيار من الأنود نحو الكاثود.
لنحسب التيار Id
حسب قانون أوم لدينا
حسب قانون إضافية التوترات لدينا
نعلم أن
إذن
وبعد الحساب نجد أن
بما أن
فإن هاته الفرضية صحيحة سنحتفظ بها.
ثانيا نفترض أن الصمام الثنائي عازل، إذن يمكن تعويضه بقاطع للتيار مفتوح(الصورة
اسفله)، وبالتالي ينعدم التيار في الدارة.
كما ينعدم التوتر بين مربطي المقاومة. إذن ينعدم الجهد في النقطة A. أما الجهد في النقطة K فيساوي -10V
لدينا
أي
إذن
إذا كان الصمام عازلا يشترط أن يكون:
بما أن النتيجة المحصل عليها تخالف النتيجة
المفترضة فإن هاته الفرضية خاطئة.
إذن الصمام الثنائي يكون موصلا في هاته
الدارة.
توجد أمثلة كثيرة تساعد على فهم سلوك الصمام الثنائي في الدارات
الكهربائية. منها السهلة مثل ما جاء في هذا الموضوع، ومنها المعقدة. لكننا لا
نستطيع تناولها بالكامل لكي لا يطول الموضوع. بل سندرسها في دروس قادمة إن شاء
الله
شكرا لكم على كرم المطالعة والسلام عليكم
ورحمة الله.
ليست هناك تعليقات:
إرسال تعليق