يمكن تقسيم المرحلات الكهربائية إلى فئتين، وهما المرحلات الكهروميكانيكية ومرحلات الحالة الصلبة.
المرحلات الكهروميكانيكية
المرحلات الكهروميكانيكية هي الأجهزة التي هي كهرومغناطيسية بطبيعتها وتقوم بتحويل التدفق المغناطيسي، الذي يتم توليده بواسطة إشارة DC أو AC منخفضة الطاقة حول المرحلات، إلى القوة الميكانيكية التي تستخدم لتشغيل الاتصالات الكهربائية في المرحلات. المرحلات الكهروميكانيكية الأكثر استخدامًا لها دائرة؛ جرح حول قلب حديدي ممتص؛ والتي تعرف بالدائرة الأولية.
يحتوي القلب الحديدي على جزء ثابت يسمى النير، وعضو إنتاج وهو جزء متحرك محمل بنابض، والذي يغلق فجوة الهواء بين عضو الإنتاج المتحرك والملف الكهربائي الثابت، وبالتالي يكمل دائرة المجال المغناطيسي. يغلق عضو الإنتاج نقاط الاتصال المرتبطة به ويمكنه التحرك بحرية بين المجال المغناطيسي الناتج بسبب موضعه المحوري أو المفصلي. يتم توصيل زنبرك أو نوابض بين عضو الإنتاج والنير لتوليد شوط العودة لاستعادة الوصلات إلى موضعها الأصلي عندما يتم إلغاء تنشيط ملف الترحيل أو يكون في حالة إيقاف التشغيل.
بناء التتابع الكهروميكانيكية
يوضح الشكل الموضح أعلاه المرحل البسيط الذي يحتوي على مجموعتين من الاتصالات الموصلة كهربائياً. قد تكون المرحلات 'مفتوحة عادة' أو 'مغلقة عادة'. يتم تمييز زوج جهات الاتصال على أنه جهات اتصال مفتوحة أو يتم إجراءها بشكل طبيعي، ويتم وصف زوج واحد على أنه جهات اتصال مغلقة أو مقطوعة بشكل طبيعي. في جهات الاتصال المفتوحة بشكل طبيعي، تكون جهات الاتصال مفتوحة عند عدم وجود طاقة دخل، ويتم إغلاقها فقط عند وجود تيار مجالي، بينما في جهات الاتصال المغلقة بشكل طبيعي، يتم إغلاق جهات الاتصال عند عدم وجود طاقة إدخال، وتكون مفتوحة فقط عندما يكون هناك تيار الحقل الحالي. يتم استخدام هذه المصطلحات بشكل افتراضي للدوائر التي تم إلغاء تنشيطها والتي تكون في حالات إيقاف التشغيل.
إن وصلات المرحلات عبارة عن قطع معدنية موصلة للكهرباء، وعندما تتصل ببعضها البعض فإنها تكمل الدائرة وتنقل تدفق التيار عبر الدائرة تمامًا مثل المفاتيح. في الحالة المفتوحة، تتمتع بمقاومة عالية جدًا بالميجا أوم وتعمل كدائرة مفتوحة، بينما في الحالة المغلقة تعمل كمفتاح مغلق، ومن الناحية المثالية، يجب أن تكون مقاومتها صفر، ولكن هناك دائمًا قدر معين من مقاومة التلامس والذي يطلق عليه 'على المقاومة'.
تتمتع جهات الاتصال والمرحلات الجديدة بمقاومة تشغيل منخفضة جدًا نظرًا لأن أطرافها أنيقة وجديدة، ولكن بمرور الوقت ستزداد هذه المقاومة. هناك تأثير تقوس ملحوظ في نقاط الاتصال والذي يشار إليه بالضرر في أطراف نقاط الاتصال إذا لم تكن محمية بشكل صحيح من الأحمال السعوية والحثية العالية. نظرًا لأن التيار سوف يتدفق عبر نقاط الاتصال عندما تكون متصلة، وسيستمر تأثير التقوس إذا لم يتم التحكم فيه في الزيادة مما يجعل المقاومة كبيرة مما يؤدي في النهاية إلى تمزق نقاط الاتصال وعدم توصيلها حتى عندما تكون في حالة مغلقة.
لتقليل تأثيرات التقوس و'مقاومة التشغيل' العالية في الموصلات، وتحسين عمرها الافتراضي، فإن أطراف التوصيل الحديثة مصنوعة من سبائك فضية مختلفة أو مطلية بها. وتشمل بعضها Ag (الفضة النقية)، وAgCu (النحاس الفضي)، وAgCdO (أكسيد الكادميوم الفضي)، وAgW (التنغستن الفضي)، وAgNi (نيكل الفضة)، وسبائك البلاتين والذهب والفضة وAgPd (البلاديوم الفضي).
يمكن تحقيق العمر الطويل لجهات اتصال التتابع باستخدام تقنية التصفية، والتي تتم عن طريق إضافة شبكة مكثفات مقاومة تعرف باسم Snubber Circuit بالتوازي مع أطراف اتصال التتابع. ستقوم دائرة RC هذه بقصر دائرة الجهد العالي، مما سيؤدي في النهاية إلى قمع أي تأثير تقوس.
تصنيف المرحلات الكهروميكانيكية على أساس أنواع الاتصال
نظرًا لأن NO وNC يصفان كيفية توصيل جهات الاتصال، فيمكن أيضًا تصنيفها بناءً على أفعالها. يمكن صنعها من خلال الانضمام إلى واحد أو أكثر من جهات اتصال التبديل التي يشار إليها أيضًا باسم الأعمدة، والتي يمكن توصيلها بشكل أكبر عن طريق تنشيط ملفات الترحيل مما يؤدي إلى أربعة أنواع مختلفة من جهات الاتصال على النحو التالي:
| يكتب | وصف | طلب |
| رمي أحادي القطب (SPST) | لديها قطب واحد ومخرج واحد. سيكون إما مغلقًا أو منفصلًا تمامًا، ولا يوجد بينهما. | إنها مثالية للتبديل بين التشغيل والإيقاف. |
| رمي مزدوج القطب واحد (SPDT) | يحتوي على مدخل واحد ومخرجين مختلفين. يمكنه التحكم في دائرتين مختلفتين من خلال مدخل واحد. | يتم استخدامها في دوائر التحكم ومفاتيح إخراج نظام PLC. |
| رمي مزدوج القطب (DPST) | لديها مدخلين واثنين من المخرجات. يمكن أن تكون كل محطة من محطاتها إما في وضع إيقاف التشغيل (مفتوح) أو في وضع التشغيل (مغلق). | يتم استخدامها كمنظم حرارة للتحكم في أحمال التدفئة الكهربائية. |
| رمي مزدوج القطب (DPDT) | لديها مدخلين وأربعة مخرجات. يتوافق كل مدخل من المدخلات مع مخرجين، ويمكنه التحكم في دائرتين مختلفتين في نفس الوقت. | يتم استخدامها في اختيار مصدر الطاقة والتحكم في الإضاءة وما إلى ذلك. |
مرحلات الحالة الصلبة
لا تحتوي مرحلات الحالة الصلبة على أي أجزاء متحركة، ولكنها تستخدم الخصائص البصرية والكهربائية لأشباه الموصلات ذات الحالة الصلبة لإنشاء عزل وأداء وظائف التبديل. وبما أنها لا تحتوي على أجزاء متحركة على عكس المرحلات الكهروميكانيكية، فلا يوجد أي تآكل في المكونات. كما أنها توفر عزلًا كاملاً بين جهات اتصال الإخراج والمدخل، وتتميز بمقاومة عالية جدًا في الحالة المفتوحة ومنخفضة جدًا في حالة التوصيل. وهي تشبه في وظائفها المرحلات الكهروميكانيكية، حيث أنها تقوم أيضًا بعمليات التبديل. وهي متوافقة مع معظم عائلات منطق IC دون استخدام مكبرات صوت أو برامج تشغيل أو دوائر عازلة إضافية، نظرًا لمتطلبات طاقة التحكم المنخفضة في الإدخال. ومع ذلك، فهي تتطلب تركيبها بشكل مناسب على المشتتات الحرارية لتجنب ارتفاع درجة الحرارة.
تتابع الحالة الصلبة
عند نقطة العبور الصفرية لشكل الموجة الجيبية للتيار المتردد، يتحول مرحل الحالة الصلبة من نوع التيار المتردد إلى الوضع 'ON' ويمنع التيارات الواردة العالية. أثناء تبديل الأحمال ذات السعة العالية والحث، يتم استخدام دائرة RC Snubber للتخلص من الضوضاء والارتفاعات العابرة للجهد. بما أن جهاز تبديل الخرج عبارة عن مرحل أشباه الموصلات ذو الحالة الصلبة، فإن انخفاض الجهد عند الخرج يكون مرتفعًا جدًا مما يؤدي إلى طلب الجلد الحراري لتجنب ارتفاع درجة حرارة الدائرة وتلفها.
وحدات واجهة الإدخال/الإخراج
وحدات واجهة الإدخال/الإخراج عبارة عن تصميم خاص لمرحلات أشباه الموصلات ذات الحالة الصلبة لتوصيل وحدات التحكم الدقيقة وأجهزة الكمبيوتر وأجهزة PIC بمفاتيح وأحمال العالم الحقيقي. هناك أربعة أنواع أساسية من وحدات الإدخال/الإخراج، أو خرج مستوى منطق CMOS أو جهد إدخال AC/DC إلى TTL، وإدخال منطق CMOS إلى جهد إخراج AC أو DC وTTL. تحتوي هذه الوحدات على جميع الدوائر الإلزامية لتوفير العزل وواجهة كاملة داخل جهاز واحد صغير. يمكن الوصول إليها كوحدات حالة صلبة منفصلة، أو يتم دمجها في أجهزة مكونة من 4 أو 8 أو 16 قناة.
جدول المقارنة بين مرحلات أشباه الموصلات الكهروميكانيكية والحالة الصلبة
تستخدم المرحلات الكهروميكانيكية اتصالات ميكانيكية للتبديل وتحتوي على أجزاء متحركة، بينما تستخدم مرحلات أشباه الموصلات ذات الحالة الصلبة أجهزة أشباه الموصلات للتبديل ولا تحتوي على أي أجزاء متحركة.
| المرحلات الكهروميكانيكية | مرحلات أشباه الموصلات ذات الحالة الصلبة |
| يستخدمون المجالات المغناطيسية والملفات والينابيع وجهات الاتصال الميكانيكية لإجراء التبديل. | وهي لا تستخدم أي أجزاء متحركة، بل تستخدم بدلاً من ذلك الخصائص البصرية والكهربائية لأشباه الموصلات ذات الحالة الصلبة. |
| بسبب الأجزاء المتحركة، فإنها تتعرض لأضرار في المكونات. | أنها لا تخضع لتآكل المكونات. |
| لديهم دورة حياة اتصال محدودة ويشغلون غرفة كبيرة. بالإضافة إلى ذلك، لديهم سرعة تبديل بطيئة. | لا توجد مثل هذه القيود على مساحة أكبر وسرعة بطيئة. |
| يمكن استخدام الجهد ذو المدخلات الصغيرة للتحكم في جهد الخرج الكبير. | يمكن استخدام الجهد ذو المدخلات الصغيرة للتحكم في جهد الخرج الكبير. |
| فهي فعالة من حيث التكلفة. | إنها باهظة الثمن. |
| يمكنهم تبديل أحمال الجهد الصغيرة والإشارات عالية التردد مثل إشارات الصوت والفيديو. | لا يمكنهم تبديل إشارات أحمال التردد العالي والجهد المنخفض مثل إشارات الفيديو والصوت. |
| لديهم التطبيقات الأكثر شيوعًا في السيارات والأجهزة الإلكترونية المنزلية وما إلى ذلك. | لديهم التطبيقات الأكثر شيوعًا في تبديل أحمال التيار المتردد مثل تعتيم الضوء والتحكم في سرعة المحرك وما إلى ذلك. |
خاتمة
المرحل الكهربائي هو مفتاح يقوم بتشغيل وإيقاف الدائرة الكهربائية من خلال إشارة كهربائية خارجية. يمكنهم التحكم في تيار كهربائي مرتفع من خلال إشارة منخفضة الطاقة، وتصنف أيضًا كمحولات طاقة، بسبب قدرتها على تغيير كمية فيزيائية إلى أخرى. تستخدم المرحلات الكهروميكانيكية المجالات المغناطيسية والملفات والينابيع والاتصالات الميكانيكية لإجراء التبديل. بسبب الأجزاء المتحركة، فإنها تتعرض لأضرار في المكونات.
لديهم دورة حياة اتصال محدودة ويشغلون مساحة كبيرة، كما أن لديهم سرعة تبديل بطيئة بينما لا تستخدم مرحلات أشباه الموصلات ذات الحالة الصلبة أي أجزاء متحركة بدلاً من استخدام الخصائص الكهربائية والبصرية لأشباه الموصلات ذات الحالة الصلبة. فهي لا تخضع لتآكل المكونات، ولكنها باهظة الثمن.