الفصل 7

مصادر التغذية ومنظمات الجهد

ספקים ומייצבי מתח

الصف الحادي عشر · 8 ساعات تعليمية

كل الدوائر التي تعلمناها — مكبرات العمليات، المقارِنات، الترانزستورات — تحتاج إلى جهد تغذية مستمر وثابت: 5 V ، 12 V ، ±15 V. لكن الجهد الذي يصل إلى البيت من الشبكة الكهربائية هو جهد متناوب، قيمته الفعالة 230 V وتردده 50 Hz. الجهاز الذي يحوّل جهد الشبكة إلى جهد مستمر وثابت هو مصدر التغذية. في هذا الفصل نبنيه مرحلة بعد مرحلة، ونرسم شكل الجهد بعد كل مرحلة.

في نهاية هذا الفصل سنعرف أن:

نرسم المخطط الصندوقي لمصدر التغذية ونشرح وظيفة كل مرحلة فيه.
نحسب القيمة العظمى للجهد في الملف الثانوي للمحوّل من القيمة الفعالة.
نرسم دائرة تقويم نصف الموجة ودائرة جسر الدايودات، ونحدد أي دايود يوصل في كل نصف دورة.
نرسم إشارة الخرج لكل مقوِّم ونحسب قيمتها العظمى وترددها.
نشرح وظيفة مكثف الترشيح، وكيف يتعلق التموج بالسعة وبتيار الحمل.
نتعرف على منظم الجهد المتكامل من نوع 78xx وعلى أطرافه الثلاثة.
نحسب تيار الحمل والقدرة المبددة في المنظم، ونفحص هل جهد الدخل كاف.

סרטוט תרשים מלבנים של ספק-כוח. סרטוט צורות גלים – المخطط الصندوقي لمصدر التغذية وأشكال الموجات (Power Supply Block Diagram)

مصدر التغذية (ספק כוח): هو دائرة تستقبل جهد الشبكة المتناوب وتُخرج جهدا مستمرا وثابتا، مناسبا لتغذية الدوائر الإلكترونية.

مصدر التغذية مبني من أربع مراحل موصولة الواحدة بعد الأخرى. نرسمه بواسطة مخطط صندوقي (תרשים מלבנים): كل مرحلة هي مستطيل، والسهم يبيّن اتجاه انتقال الإشارة.

المخطط الصندوقي لمصدر التغذية: من جهد الشبكة حتى الحمل

المرحلة	بالعبرية	وظيفتها	شكل الجهد في مخرجها
1. المحوّل	שנאי	يخفض جهد الشبكة إلى جهد متناوب منخفض، ويعزل الدائرة عن الشبكة	إشارة جيب، اتساعها صغير
2. المقوِّم	מיישר	يحوّل الجهد المتناوب إلى جهد في اتجاه واحد فقط	أنصاف موجات موجبة
3. المرشح	מסנן	يملأ الفراغات بين أنصاف الموجات بواسطة مكثف	جهد مستمر تقريبا، فيه تموج صغير
4. منظم الجهد	מייצב מתח	يُخرج جهدا ثابتا لا يتعلق بجهد الدخل ولا بتيار الحمل	خط مستقيم: جهد مستمر ثابت

في الشكل التالي أشكال الموجات في مصدر تغذية حقيقي: محوّل يُخرج 12 V (قيمة فعالة)، جسر دايودات، مكثف ترشيح ومنظم جهد 5 V. الإشارات الأربع مرسومة الواحدة تحت الأخرى، على نفس محور الزمن، ورقم كل إشارة هو رقم المرحلة في المخطط الصندوقي.

شكل الجهد بعد كل مرحلة في مصدر التغذية (الخط المنقط: الجهد في مدخل المرحلة)

في بقية البند نتعرف على المراحل الثلاث الأولى بالتفصيل، وفي البند القادم على منظم الجهد.

المحوّل – שנאי:

المحوّل (שנאי): هو ملفان ملفوفان على قلب حديدي واحد. نوصل جهد الشبكة بـالملف الابتدائي (סליל ראשוני)، ونأخذ الجهد المنخفض من الملف الثانوي (סליל משני). المحوّل يعمل بجهد متناوب فقط.

رمز المحوّل: N_p لفات في الملف الابتدائي و N_s لفات في الملف الثانوي

نسبة التحويل والقيمة العظمى في الملف الثانوي · יחס ההשנאה וערך השיא במשני

V_sV_p = N_sN_p

V_m = 2·V_s

الرمز	المعنى	وحدة القياس
V_p	القيمة الفعالة للجهد في الملف الابتدائي	[V]
V_s	القيمة الفعالة للجهد في الملف الثانوي	[V]
N_p , N_s	عدد اللفات في الملف الابتدائي وفي الملف الثانوي	—
V_m	القيمة العظمى (الاتساع) للجهد في الملف الثانوي	[V]

انتبه: الجهد المكتوب على المحوّل، وكذلك جهد الشبكة 230 V ، هو دائما القيمة الفعالة. المقوِّم والمكثف «يشعران» بالقيمة العظمى، ولذلك أول خطوة في كل حساب هي V_m = 2·V_s.

مثال 7.1

محوّل موصول بالشبكة، V_p = 230 V. في الملف الابتدائي 1150 لفة وفي الملف الثانوي 60 لفة. نحسب:
(أ) القيمة الفعالة للجهد في الملف الثانوي.
(ب) القيمة العظمى لهذا الجهد.
(ج) زمن الدورة.

الحل:

(أ) نستخرج V_s من نسبة التحويل:

V_s = V_p·N_sN_p

V_s = 230·601150 = 12 V

(ب) القيمة العظمى:

V_m = 2·V_s

V_m = 2·12 = 16.97 V

(ج) المحوّل لا يغيّر التردد، ولذلك التردد في الملف الثانوي هو تردد الشبكة f = 50 Hz:

T = 1f

T = 150 = 0.02 s = 20 ms

V_s = 12 V , V_m = 16.97 V , T = 20 ms

سؤال 7.1: مكتوب على محوّل: 230 V / 9 V. ما هي القيمة العظمى للجهد في الملف الثانوي؟

تقويم نصف الموجة – יישור חצי גל:

المقوِّم (מיישר): هو دائرة دايودات تسمح للتيار بأن يمر في الحمل في اتجاه واحد فقط، وهكذا تحوّل الجهد المتناوب إلى جهد له قطبية واحدة.

أبسط مقوِّم هو دايود واحد على التوالي مع الحمل R_L. تعلمنا في الفصل 5 أن دايود السيليكون يوصل فقط في الانحياز الأمامي، عندما يكون الجهد عليه V_D,on = 0.7 V.

دائرة تقويم نصف الموجة: v_s هو جهد الملف الثانوي و v_o هو الجهد على الحمل

نصف الدورة الموجب (v_s > 0.7 V): الدايود في انحياز أمامي ويوصل. يمر تيار في الحمل، وجهد الخرج هو v_o = v_s − 0.7 V.
نصف الدورة السالب: الدايود في انحياز عكسي ولا يوصل (دائرة مفتوحة). لا يمر تيار، ولذلك v_o = 0.

تقويم نصف الموجة · יישור חצי גל

V_o,m = V_m − V_D,on

f_o = f

الرمز	المعنى	وحدة القياس
V_o,m	القيمة العظمى لجهد الخرج	[V]
V_m	القيمة العظمى لجهد الملف الثانوي	[V]
V_D,on	جهد العتبة للدايود، 0.7 V للسيليكون	[V]
f_o	تردد إشارة الخرج	[Hz]
f	تردد إشارة الدخل	[Hz]

مثال 7.2

في دائرة تقويم نصف الموجة القيمة العظمى لجهد الملف الثانوي هي V_m = 10 V ، التردد 50 Hz والحمل R_L = 1 kΩ. نرسم v_o تحت v_s ونحسب:
(أ) القيمة العظمى لجهد الخرج.
(ب) القيمة العظمى لتيار الحمل.
(ج) زمن الدورة وتردد إشارة الخرج.

الحل:

(أ) في قمة نصف الدورة الموجب يهبط على الدايود 0.7 V:

V_o,m = V_m − V_D,on

V_o,m = 10 − 0.7 = 9.3 V

(ب) حسب قانون أوم على الحمل:

I_L,m = V_o,mR_L

I_L,m = 9.31000 = 9.3 mA

(ج) في كل دورة للدخل تظهر في الخرج نبضة واحدة، ولذلك زمن الدورة لا يتغير:

T_o = T = 20 ms

f_o = f = 50 Hz

في الرسم: الخرج (بالأحمر) يتبع النصف الموجب للدخل وهو أقل منه بـ 0.7 V ، وفي النصف السالب يساوي صفرا.

V_o,m = 9.3 V , I_L,m = 9.3 mA , f_o = 50 Hz

تقويم الموجة الكاملة بجسر الدايودات – יישור גל שלם בגשר דיודות:

جسر الدايودات (גשר דיודות): هي أربعة دايودات موصولة على شكل مُعيَّن. جهد الملف الثانوي يدخل إلى رأسين متقابلين، والحمل موصول بين الرأسين الآخرين. الجسر يستغل نصفي الدورة كليهما، ولذلك يسمى التقويم تقويم الموجة الكاملة (יישור גל שלם).

عيب تقويم نصف الموجة أن نصف الزمن لا يصل إلى الحمل أي جهد. جسر الدايودات يحل هذه المشكلة.

في كل نصف دورة يوصل دايودان على التوالي مع الحمل، والدايودان الآخران في انحياز عكسي. في الشكلين: الدايودات الموصلة بالأحمر، والأسهم الخضراء تبيّن مسار التيار.

نصف الدورة الموجب: يوصل D₁ و D₂

نصف الدورة السالب: يوصل D₃ و D₄

	نصف الدورة الموجب	نصف الدورة السالب
الدايودات الموصلة	D₁ و D₂	D₃ و D₄
الدايودات غير الموصلة	D₃ و D₄	D₁ و D₂
مسار التيار	الطرف العلوي للملف ← D₁ ← الحمل ← D₂ ← الطرف السفلي	الطرف السفلي للملف ← D₃ ← الحمل ← D₄ ← الطرف العلوي
اتجاه التيار في الحمل	من الأعلى إلى الأسفل	من الأعلى إلى الأسفل

النتيجة: التيار يمر في الحمل في نفس الاتجاه في نصفي الدورة. النصف السالب «ينقلب» إلى الأعلى، وفي الخرج نحصل على نبضتين في كل دورة للدخل. لأن التيار يمر في دايودين على التوالي، يهبط عليهما معا 2·0.7 = 1.4 V.

سؤال 7.2: في دائرة تقويم نصف الموجة القيمة الفعالة لجهد الملف الثانوي هي 6 V. ما هي القيمة العظمى لجهد الخرج؟

تقويم الموجة الكاملة بجسر الدايودات · יישור גל שלם בגשר

V_o,m = V_m − 2·V_D,on

f_o = 2·f

الرمز	المعنى	وحدة القياس
V_o,m	القيمة العظمى لجهد الخرج	[V]
V_m	القيمة العظمى لجهد الملف الثانوي	[V]
f_o	تردد إشارة الخرج، ضعف تردد الدخل f	[Hz]

مثال 7.3

نبدّل الدايود في المثال السابق بجسر دايودات: V_m = 10 V ، f = 50 Hz ، R_L = 1 kΩ. نرسم v_o ونحسب:
(أ) القيمة العظمى لجهد الخرج.
(ب) القيمة العظمى لتيار الحمل.
(ج) تردد إشارة الخرج وزمن دورتها.

الحل:

(أ) في كل لحظة يوصل دايودان على التوالي:

V_o,m = V_m − 2·V_D,on

V_o,m = 10 − 2·0.7 = 8.6 V

(ب) تيار الحمل الأعظم:

I_L,m = V_o,mR_L

I_L,m = 8.61000 = 8.6 mA

(ج) في كل دورة للدخل نبضتان في الخرج:

f_o = 2·f = 2·50 = 100 Hz

T_o = 1f_o = 1100 = 10 ms

V_o,m = 8.6 V , I_L,m = 8.6 mA , f_o = 100 Hz

	تقويم نصف الموجة	جسر الدايودات
عدد الدايودات	1	4
القيمة العظمى للخرج	V_m − 0.7 V	V_m − 1.4 V
تردد الخرج	f	2·f
متى يصل جهد إلى الحمل	في نصف الدورة الموجب فقط	في نصفي الدورة

ملاحظة: ماذا يحدث إذا كان اتساع الدخل صغيرا؟ الجسر يبدأ بالتوصيل فقط عندما يتجاوز جهد الدخل 1.4 V ، ودائرة نصف الموجة عندما يتجاوز 0.7 V. إشارة اتساعها 1 V تمر في دائرة نصف الموجة باتساع 0.3 V فقط، ولا تمر في الجسر إطلاقا: v_o = 0.

نشاط: تجربة — تقويم نصف الموجة وتقويم الجسر. نبني دائرة تقويم نصف الموجة مع R_L = 1 kΩ ، وندخل إليها من مولد الإشارة إشارة جيب ترددها 50 Hz واتساعها 5 V. نعرض v_s و v_o على قناتي راسم الإشارة، ونقيس القيمة العظمى للخرج وزمن دورته. نكرر القياس لاتساع 2 V ولاتساع 1 V ، ونسجل في جدول: الاتساع في الدخل، القيمة العظمى في الخرج، والفرق بينهما. نبدّل الدايود بجسر دايودات ونعيد كل القياسات. ماذا حدث للفرق؟ وماذا حدث لزمن الدورة؟

▶تجربة حية — مختبر الدايوداتنختار دائرة تقويم نصف الموجة أو جسر الدايودات، نغيّر اتساع إشارة الدخل، ونرى على الشاشة إشارة الخرج وأي دايود يوصل في كل لحظة.

⚠

المختبر غير متاح الآن. المادة في هذا الفصل كاملة من دونه — نواصل القراءة، ونعود إلى التجربة لاحقا أو نفتحها مباشرة من الرابط الذي تحت الإطار.

https://fahed-lab.com/diodes/unified

نفتح المختبر في صفحة مستقلة ↗ fahed-lab.com/diodes/unified

سؤال 7.3: جسر دايودات موصول بملف ثانوي قيمته الفعالة 12 V وتردده 50 Hz. ما هي القيمة العظمى لجهد الخرج؟ وما هو تردد الخرج؟

مكثف الترشيح والتموج – קבל הסינון והאדווה:

الجهد في مخرج المقوِّم له قطبية واحدة، لكنه ما زال يهبط إلى الصفر في كل نبضة، ولا يصلح لتغذية دائرة إلكترونية. الحل هو أن نوصل مكثفا على التوازي مع الحمل. هذا المكثف هو المرشح (מסנן).

جسر دايودات مع مكثف ترشيح C على التوازي مع الحمل

عندما يرتفع جهد المقوِّم نحو القمة، الدايودات توصل والمكثف يُشحن حتى القيمة العظمى V_o,m.
عندما يهبط جهد المقوِّم تحت جهد المكثف، الدايودات تتوقف عن التوصيل. الآن المكثف هو الذي يزود الحمل بالتيار، وهو يتفرغ ببطء عبر R_L.
عند النبضة التالية يرتفع جهد المقوِّم فوق جهد المكثف، والمكثف يُشحن من جديد حتى القمة.

التموج (אדווה): هو التغيّر الصغير الذي يبقى في الجهد المستمر بعد الترشيح: الفرق بين أعلى قيمة وأدنى قيمة لجهد المكثف. نرمز له V_r.

جهد الخرج بعد جسر (V_m = 10 V) مع حمل R_L = 1 kΩ ، لمكثفين مختلفين. الخط المنقط: الخرج بدون مكثف

في الشكل نرى: مع المكثف الصغير يهبط الجهد بين قمة وقمة بحوالي 4.1 V ، ومع المكثف الأكبر بعشر مرات يهبط بحوالي 0.7 V فقط. سرعة تفريغ المكثف يحددها ثابت الزمن τ = R_L·C ، الذي سنتعلمه بالتفصيل في الفصل 8: كلما كان τ أكبر من زمن الدورة، كان التفريغ أبطأ.

ماذا نغيّر	ماذا يحدث للتموج	السبب
نكبّر السعة C	يصغر	المكثف يخزّن شحنة أكبر، وجهده يهبط أقل بين قمة وقمة
نكبّر مقاومة الحمل R_L (تيار حمل أصغر)	يصغر	المكثف يتفرغ بتيار أصغر
نصغّر مقاومة الحمل R_L (تيار حمل أكبر)	يكبر	المكثف يتفرغ بسرعة أكبر
نبدّل نصف الموجة بجسر	يصغر إلى النصف تقريبا	الزمن بين قمة وقمة يقصر إلى النصف
نفصل الحمل (I_L = 0)	يختفي	المكثف لا يتفرغ ويبقى جهده V_o,m

تقدير تقريبي للتموج · הערכה מקורבת של האדווה

V_r ≈ I_Lf_o·C

الرمز	المعنى	وحدة القياس
V_r	جهد التموج، من القمة إلى القمة	[V]
I_L	تيار الحمل	[A]
f_o	تردد خرج المقوِّم: f في نصف الموجة، 2·f في الجسر	[Hz]
C	سعة مكثف الترشيح	[F]

ملاحظة: هذا القانون تقريبي: يفترض أن تيار الحمل ثابت وأن المكثف يتفرغ طوال الزمن بين قمة وقمة. هو صحيح عندما يكون التموج صغيرا بالنسبة إلى الجهد، ويعطي قيمة أكبر قليلا من القيمة الحقيقية.

مثال 7.4

مصدر تغذية مبني من جسر دايودات ومكثف ترشيح C = 1000 µF. تردد الشبكة 50 Hz وتيار الحمل I_L = 100 mA.
(أ) نقدّر جهد التموج.
(ب) ماذا يكون التموج لو استعملنا تقويم نصف الموجة؟
(ج) أي سعة نحتاج في الجسر كي يكون التموج 0.5 V ؟

الحل:

(أ) في الجسر تردد الخرج هو f_o = 2·50 = 100 Hz:

V_r ≈ I_Lf_o·C

V_r ≈ 0.1100·1·10⁻³ = 1 V

(ب) في تقويم نصف الموجة f_o = 50 Hz ، والتموج يتضاعف:

V_r ≈ 0.150·1·10⁻³ = 2 V

(ج) نستخرج السعة من القانون:

C ≈ I_Lf_o·V_r

C ≈ 0.1100·0.5 = 2000 µF

V_r ≈ 1 V , C ≈ 2000 µF

سؤال 7.4: في مصدر تغذية مع جسر دايودات ومكثف ترشيح، بدّلنا الحمل بحمل مقاومته أصغر. ماذا يحدث لتيار الحمل؟ وماذا يحدث للتموج؟

הכרת מייצב מתח משולב מסוג 78xx – منظم الجهد المتكامل من نوع 78xx (78xx Voltage Regulator)

الجهد بعد المرشح مستمر، لكنه غير ثابت: فيه تموج، وهو يتغير عندما يتغير جهد الشبكة أو تيار الحمل. المرحلة الأخيرة في مصدر التغذية، منظم الجهد (מייצב מתח)، تجعل منه جهدا ثابتا.

منظم الجهد (מייצב מתח): هو دائرة تحافظ على جهد خرج ثابت، حتى عندما يتغير جهد الدخل وعندما يتغير تيار الحمل.

في الفصل 5 بنينا منظما بسيطا من دايود زينر ومقاومة. هو مناسب لتيارات صغيرة فقط. في مصادر التغذية نستعمل اليوم منظما متكاملا (מייצב משולב): دائرة كاملة داخل مكوّن واحد له ثلاثة أطراف. أشهر هذه المنظمات هي عائلة 78xx.

المنظم 7805 وأطرافه الثلاثة

الطرف	الاسم	بالعبرية	ماذا نوصل به
1	الدخل (IN)	מבוא	الجهد المستمر غير المنظَّم V_i ، من مكثف الترشيح
2	الأرضي (GND)	אדמה	الخط المشترك للدخل وللخرج
3	الخرج (OUT)	מוצא	الحمل؛ هنا نحصل على الجهد المنظَّم V_o

اسم المنظم وجهد الخرج – שם המייצב ומתח המוצא:

الرقمان الأخيران في اسم المنظم، xx ، هما جهد الخرج بالفولت. الرقمان 78 يدلان على أن الجهد موجب بالنسبة إلى الأرضي.

المنظم	7805	7806	7809	7812	7815	7824
جهد الخرج V_o	5 V	6 V	9 V	12 V	15 V	24 V

شرط العمل: جهد الدخل الأدنى – תנאי העבודה: מתח המבוא המזערי:

المنظم يستطيع فقط أن يُنزل الجهد، ولا يستطيع أن يرفعه. كي يعمل بشكل سليم يجب أن يكون جهد الدخل أعلى من جهد الخرج بفرق أدنى، نرمز له V_drop. قيمته النموذجية في عائلة 78xx هي بين 2 V و 3 V ؛ في الأسئلة هذه القيمة معطاة.

أدنى جهد دخل للمنظم · מתח המבוא המזערי

V_i,min = V_o + V_drop

الرمز	المعنى	وحدة القياس
V_i,min	أدنى جهد دخل يعطي خرجا منظَّما	[V]
V_o	جهد الخرج المنظَّم (الرقمان xx)	[V]
V_drop	الفرق الأدنى بين الدخل والخرج	[V]

تيار الحمل والقدرة – זרם העומס וההספק:

دائرة المنظم 7805 مع مكثف الدخل C_i ، مكثف الخرج C_o والحمل R_L

التيار والقدرة في دائرة المنظم · זרם העומס וההספק במייצב

I_L = V_oR_L

P_reg = (V_i − V_o)·I_L

P_L = V_o·I_L

الرمز	المعنى	وحدة القياس
I_L	تيار الحمل	[A]
R_L	مقاومة الحمل	[Ω]
V_i	جهد الدخل للمنظم	[V]
P_reg	القدرة المبددة في المنظم (تتحول إلى حرارة)	[W]
P_L	القدرة التي يستهلكها الحمل	[W]

لماذا P_reg = (V_i − V_o)·I_L ؟ المنظم موصول على التوالي بين الدخل والحمل. تيار الحمل كله يمر فيه، والجهد الذي يهبط عليه هو الفرق V_i − V_o. التيار الصغير الذي يستهلكه المنظم نفسه نهمله.

ملاحظة: وظيفة المكثفين: C_i يُوصل قريبا من طرف الدخل ويمنع اضطرابات عندما يكون المنظم بعيدا عن مكثف الترشيح؛ C_o يحسّن استجابة المنظم لتغيّر سريع في تيار الحمل. قيمتاهما صغيرتان (قيم نموذجية: 0.33 µF و 0.1 µF) ولا تدخلان في الحسابات.

مثال 7.5

في دائرة المنظم 7805 المرسومة جهد الدخل هو V_i = 12 V والحمل R_L = 100 Ω. معطى V_drop = 2 V. نحسب:
(أ) جهد الخرج.
(ب) هل جهد الدخل كاف؟
(ج) تيار الحمل.
(د) القدرة المبددة في المنظم.
(هـ) قدرة الحمل.

الحل:

(أ) حسب اسم المنظم: V_o = 5 V.

(ب) أدنى جهد دخل:

V_i,min = V_o + V_drop

V_i,min = 5 + 2 = 7 V

جهد الدخل 12 V أعلى من 7 V ، ولذلك المنظم يعمل بشكل سليم.

(ج) تيار الحمل:

I_L = V_oR_L

I_L = 5100 = 0.05 A = 50 mA

(د) القدرة المبددة في المنظم:

P_reg = (V_i − V_o)·I_L

P_reg = (12 − 5)·0.05 = 0.35 W

(هـ) قدرة الحمل:

P_L = V_o·I_L

P_L = 5·0.05 = 0.25 W

V_o = 5 V , I_L = 50 mA , P_reg = 0.35 W , P_L = 0.25 W

ملاحظة: في هذا المثال المنظم يبدد قدرة أكبر من قدرة الحمل. كلما كان جهد الدخل أعلى من اللازم، ضاعت قدرة أكبر على شكل حرارة. عندما تكون P_reg كبيرة نثبّت المنظم على مبرِّد (גוף קירור). التيار الأقصى لمنظمات 78xx الشائعة هو حوالي 1 A (قيمة نموذجية).

الخرج كدالة لجهد الدخل – המוצא כפונקציה של מתח המבוא:

ماذا يحدث عندما يكون جهد الدخل أقل من V_i,min ؟ المنظم يخرج من التنظيم: جهد الخرج يهبط تحت القيمة الاسمية، وهو يساوي تقريبا جهد الدخل ناقص V_drop. في الشكل منحنى الانتقال للمنظم 7805.

منحنى الانتقال للمنظم 7805 عندما V_drop = 2 V (نموذج تقريبي)

مثال 7.6

نغيّر جهد الدخل للمنظم 7805 ونقيس جهد الخرج. معطى V_drop = 2 V. نملأ جدولا لقيم V_i التالية: 4 V ، 6 V ، 7 V ، 9 V ، 12 V.

الحل:

أدنى جهد دخل هو V_i,min = 5 + 2 = 7 V.

لكل V_i ≥ 7 V الخرج منظَّم ويساوي 5 V. لكل V_i أصغر من ذلك الخرج تقريبا V_i − V_drop:

V_i	V_o	حالة المنظم
4 V	≈ 2 V	غير منظَّم
6 V	≈ 4 V	غير منظَّم
7 V	5 V	منظَّم
9 V	5 V	منظَّم
12 V	5 V	منظَّم

نشاط: تجربة — المنظم 7805 : أدنى جهد دخل. نبني دائرة المنظم مع حمل R_L = 100 Ω ، ونوصل بالدخل مصدر جهد مستمرا قابلا للتغيير. نرفع V_i من 3 V إلى 12 V بخطوات من 1 V ، ونقيس V_o بالمقياس المتعدد في كل خطوة. نرسم V_o كدالة لـ V_i ونجد من الرسم: ما هو أدنى جهد دخل يعطي V_o = 5 V ؟ وما هو V_drop للمنظم الذي قسناه؟

الخرج كدالة للحمل – המוצא כפונקציה של העומס:

ما دام جهد الدخل كافيا وتيار الحمل أصغر من التيار الأقصى، جهد الخرج لا يتعلق بالحمل. عندما نغيّر R_L يتغير التيار فقط.

مثال 7.7

منظم 7805 يتغذى من V_i = 9 V. نوصل بمخرجه أحمالا مختلفة. نحسب لكل حمل تيار الحمل والقدرة المبددة في المنظم.

الحل:

جهد الخرج 5 V في كل الحالات. لكل حمل نحسب I_L = V_oR_L ثم P_reg = (V_i − V_o)·I_L:

R_L	V_o	I_L	P_reg
500 Ω	5 V	10 mA	0.04 W
100 Ω	5 V	50 mA	0.2 W
50 Ω	5 V	100 mA	0.4 W
25 Ω	5 V	200 mA	0.8 W
10 Ω	5 V	500 mA	2 W

كلما صغرت مقاومة الحمل كبر التيار وكبرت القدرة المبددة في المنظم، لكن جهد الخرج بقي ثابتا.

نشاط: تجربة — المنظم 7805 : جهد الخرج لأحمال مختلفة. نثبّت V_i = 9 V ، ونوصل بالخرج على التوالي الأحمال 1 kΩ ، 470 Ω ، 100 Ω ، 47 Ω. لكل حمل نقيس V_o ونحسب I_L. هل تغيّر جهد الخرج؟ نقارن مع مُجزِّء جهد بسيط من مقاومتين يُخرج 5 V بدون حمل: ماذا يحدث لجهده عندما نوصل به نفس الأحمال؟

سؤال 7.5: منظم 7812 يتغذى من V_i = 15 V ويزود حملا R_L = 60 Ω. نحسب تيار الحمل والقدرة المبددة في المنظم.

مصدر تغذية كامل – ספק כוח שלם:

مثال 7.8

نعود إلى مصدر التغذية من بداية الفصل: محوّل 230 V / 12 V ، جسر دايودات، مكثف ترشيح C = 1000 µF ، منظم 7805 وحمل R_L = 50 Ω. معطى V_drop = 2 V. نحسب:
(أ) القيمة العظمى للجهد على المكثف.
(ب) تيار الحمل.
(ج) جهد التموج (تقديرا).
(د) أدنى قيمة للجهد في دخل المنظم، وهل هي كافية؟
(هـ) القدرة المبددة في المنظم حسب الجهد المتوسط في دخله.

الحل:

(أ) القيمة العظمى في الملف الثانوي، ثم بعد الجسر:

V_m = 2·V_s = 2·12 = 16.97 V

V_o,m = V_m − 2·V_D,on = 16.97 − 1.4 = 15.57 V

(ب) خرج المنظم 5 V ، ولذلك:

I_L = V_oR_L = 550 = 0.1 A

(ج) نهمل تيار المنظم نفسه، فتيار المكثف هو تيار الحمل. تردد خرج الجسر 100 Hz:

V_r ≈ I_Lf_o·C = 0.1100·1·10⁻³ = 1 V

(د) أدنى جهد في دخل المنظم هو القمة ناقص التموج:

V_i,low ≈ 15.57 − 1 = 14.57 V

V_i,min = V_o + V_drop = 5 + 2 = 7 V

الجهد في دخل المنظم لا يهبط تحت 14.57 V ، وهو أعلى من 7 V . المنظم يعمل بشكل سليم والتموج لا يظهر في الخرج.

(هـ) الجهد المتوسط في دخل المنظم هو منتصف المجال بين القمة والقيمة الدنيا:

V_i,avg ≈ 15.57 + 14.572 = 15.07 V

P_reg = (V_i,avg − V_o)·I_L = (15.07 − 5)·0.1 = 1.01 W

V_o,m = 15.57 V , I_L = 0.1 A , V_r ≈ 1 V , P_reg ≈ 1.01 W

▶تجربة حية — مختبر مصدر التغذية المنظَّمنبني مصدر تغذية مرحلة بعد مرحلة: محوّل، جسر، مكثف ومنظم. نغيّر سعة المكثف والحمل ونرى كيف يتغير التموج، ومتى يخرج المنظم من التنظيم.

⚠

https://fahed-lab.com/regulators/regulated_psu_lab

نفتح المختبر في صفحة مستقلة ↗ fahed-lab.com/regulators/regulated_psu_lab

ملخّص قوانين الفصل:

القانون	الصيغة
نسبة التحويل في المحوّل	V_sV_p = N_sN_p
القيمة العظمى من القيمة الفعالة	V_m = 2·V_s
تقويم نصف الموجة: القيمة العظمى للخرج	V_o,m = V_m − 0.7 V
تقويم نصف الموجة: تردد الخرج	f_o = f
جسر الدايودات: القيمة العظمى للخرج	V_o,m = V_m − 1.4 V
جسر الدايودات: تردد الخرج	f_o = 2·f
التموج (تقريبي)	V_r ≈ I_Lf_o·C
أدنى جهد دخل للمنظم	V_i,min = V_o + V_drop
تيار الحمل	I_L = V_oR_L
القدرة المبددة في المنظم	P_reg = (V_i − V_o)·I_L

قاموس المصطلحات – מילון מונחים:

بالعربية	بالعبرية (كما تظهر في الامتحان)	English
مصدر التغذية	ספק כוח	Power supply
المخطط الصندوقي	תרשים מלבנים	Block diagram
المحوّل	שנאי	Transformer
الملف الابتدائي / الثانوي	סליל ראשוני / משני	Primary / Secondary winding
المقوِّم	מיישר	Rectifier
تقويم نصف الموجة	יישור חצי גל	Half-wave rectification
تقويم الموجة الكاملة	יישור גל שלם	Full-wave rectification
جسر الدايودات	גשר דיודות	Diode bridge
المرشح	מסנן	Filter
مكثف الترشيح	קבל סינון	Smoothing capacitor
التموج	אדווה	Ripple
منظم الجهد	מייצב מתח	Voltage regulator
منظم الجهد المتكامل	מייצב מתח משולב	IC voltage regulator
الحمل	עומס	Load
القدرة المبددة	הספק מבוזבז	Power dissipation
المبرِّد	גוף קירור	Heat sink

أسئلة للتمرين:

نرسم المخطط الصندوقي لمصدر تغذية، ونكتب تحت كل مرحلة وظيفتها في جملة واحدة.

الإجابات: المحوّل: يخفض الجهد؛ المقوِّم: يجعل الجهد في اتجاه واحد؛ المرشح: يصغّر التغيّر في الجهد؛ منظم الجهد: يُخرج جهدا ثابتا

في محوّل موصول بالشبكة (230 V) يوجد 920 لفة في الملف الابتدائي و 72 لفة في الملف الثانوي. نحسب القيمة الفعالة والقيمة العظمى للجهد في الملف الثانوي.

الإجابات: V_s = 18 V ، V_m = 25.46 V

في دائرة تقويم نصف الموجة المرسومة V_m = 8 V و R_L = 500 Ω. نحسب القيمة العظمى لجهد الخرج ولتيار الحمل، ونرسم إشارة الخرج تحت إشارة الدخل.

الإجابات: V_o,m = 7.3 V ، I_L,m = 14.6 mA

جسر دايودات موصول بمحوّل 230 V / 15 V وبحمل R_L = 2 kΩ ، بدون مكثف. نحسب القيمة العظمى لجهد الخرج، القيمة العظمى لتيار الحمل وتردد الخرج.

الإجابات: V_m = 21.21 V ، V_o,m = 19.81 V ، I_L,m = 9.91 mA ، f_o = 100 Hz

في جسر الدايودات المرسوم: أي دايودان يوصلان عندما يكون الطرف العلوي للملف الثانوي موجبا؟ وأي دايودان يوصلان في نصف الدورة الآخر؟ ما هو اتجاه التيار في الحمل في كل حالة؟

الإجابات: النصف الموجب: D₁ و D₂ ؛ النصف السالب: D₃ و D₄ ؛ التيار في الحمل من الأعلى إلى الأسفل في الحالتين

نريد أن تكون القيمة العظمى في مخرج جسر دايودات 11 V. ما هي القيمة الفعالة المطلوبة في الملف الثانوي للمحوّل؟

الإجابات: V_m = 12.4 V ، V_s = 8.77 V

إشارة جيب ترددها 400 Hz تدخل إلى مقوِّم. ما هو زمن الدورة لإشارة الخرج:
(أ) في تقويم نصف الموجة؟
(ب) في جسر الدايودات؟

الإجابات: (أ) T_o = 2.5 ms ، (ب) T_o = 1.25 ms

مصدر تغذية مع جسر دايودات (f = 50 Hz) ومكثف ترشيح C = 2200 µF يزود حملا بتيار 200 mA. نقدّر جهد التموج. ماذا يكون التموج إذا هبط تيار الحمل إلى النصف؟

الإجابات: V_r ≈ 0.91 V ؛ عند نصف التيار V_r ≈ 0.45 V

نحدد لكل تغيير هل يكبر التموج أم يصغر:
(أ) نبدّل المكثف بمكثف سعته أكبر.
(ب) نوصل حملا إضافيا على التوازي مع الحمل.
(ج) نبدّل الجسر بدايود واحد.

الإجابات: (أ) يصغر، (ب) يكبر، (ج) يكبر

10.

ما هو جهد الخرج لكل واحد من المنظمات: 7806 ، 7809 ، 7815 ، 7824 ؟ وما هو أدنى جهد دخل لكل واحد إذا كان V_drop = 2 V ؟

الإجابات: 6 V ، 9 V ، 15 V ، 24 V ؛ أدنى جهد دخل: 8 V ، 11 V ، 17 V ، 26 V

11.

في الدائرة المرسومة منظم 7805 ، V_i = 10 V و R_L = 20 Ω. نحسب تيار الحمل، القدرة المبددة في المنظم وقدرة الحمل.

الإجابات: I_L = 250 mA ، P_reg = 1.25 W ، P_L = 1.25 W

12.

منظم 7812 يتغذى من V_i = 20 V. القدرة المسموح بها للمنظم هي 1.6 W. ما هو أكبر تيار حمل مسموح به؟ وما هي أصغر مقاومة حمل؟

الإجابات: I_L = 200 mA ، R_L = 60 Ω

13.

منظم 7809 له V_drop = 2 V. ما هو جهد الخرج (تقريبا) عندما يكون جهد الدخل:
(أ) 15 V ؟
(ب) 11 V ؟
(ج) 8 V ؟

الإجابات: (أ) 9 V ، (ب) 9 V ، (ج) ≈ 6 V (خارج التنظيم)

14.

مصدر تغذية: محوّل 230 V / 9 V ، جسر دايودات، مكثف C = 470 µF ، منظم 7805 (V_drop = 2 V) وحمل R_L = 100 Ω. نحسب القيمة العظمى على المكثف، تيار الحمل، التموج (تقديرا) وأدنى جهد في دخل المنظم. هل المنظم يعمل بشكل سليم؟

الإجابات: V_o,m = 11.33 V ، I_L = 50 mA ، V_r ≈ 1.06 V ، أدنى جهد ≈ 10.26 V ؛ نعم، لأنه أعلى من 7 V

الإجابات النهائية لأسئلة الفصل

7.1 V_m = 12.73 V

7.2 V_m = 8.49 V ، V_o,m = 7.79 V

7.3 V_o,m = 15.57 V ، f_o = 100 Hz

7.4 تيار الحمل يكبر، والتموج يكبر

7.5 I_L = 200 mA ، P_reg = 0.6 W

שאלות בגרות – أسئلة بجروت للفصل 7

في امتحانات البجروت للسنوات 2016–2026 لم يظهر سؤال مستقل عن مصادر التغذية ومنظمات الجهد. مادة هذا الفصل مطلوبة في المختبر وفي مشروع التخرج.

لوحة القوانين: كل قوانين هذا الفصل مجموعة مع رسومها وجداول رموزها في الفصل 10 — لوحة القوانين الشاملة. (נוסחאון הספר)