كيفية اختيار الصمامات شبه الموصلة للتيار المستمر؟

مقدمة عن الصمامات شبه الموصلة

A فتيل أشباه الموصلات، والمعروف أيضًا باسم وصلة الصمامات شبه الموصلة، يتم تعريفه على أنه مكون مثبت في دائرة كهربائية لضمان التشغيل الآمن للدائرة وحماية أجهزة أشباه الموصلات مثل وحدات الطاقة IGBT. في ظل ظروف الجهد المحددة، يمر التيار عبر عنصر المصهر.

باستخدام التأثيرات الحرارية للتيار، عندما تصل الحرارة المتراكمة إلى مستوى معين، يذوب الجزء المحدد (القسم الضيق) من عنصر المصهر وينفصل في الوقت المحدد، وبالتالي يقاطع تيار الخطأ بأمان.

مبدأ عمل الصمامات شبه الموصلة

عندما يتدفق التيار عبر موصل، يسخن الموصل بسبب مقاومته المتأصلة. تتبع الحرارة المتولدة الصيغة Q=I²Rt، حيث Q هي الحرارة المتولدة، وI هو التيار المتدفق عبر الموصل، وR هي مقاومة الموصل، وt هو الوقت الذي يتدفق فيه التيار عبر الموصل. بناءً على هذه الصيغة، يمكن فهم مبدأ عمل الصمامة على النحو التالي:

مع تدفق التيار عبر الصمامة، ترتفع درجة حرارتها، وتزداد كمية الحرارة المتولدة مع مرور الوقت. تحدد كمية التيار والمقاومة معدل توليد الحرارة، بينما تحدد بنية الصمامة وظروف تركيبها معدل تبديد الحرارة. 

إذا كان معدل توليد الحرارة أقل من معدل تبديد الحرارة، فلن يذوب الصمام. إذا كان معدل توليد الحرارة يساوي معدل تبديد الحرارة، فلن يذوب الصمام لفترة طويلة. ومع ذلك، إذا تجاوز معدل توليد الحرارة معدل تبديد الحرارة، فستزداد الحرارة المتراكمة. وبسبب سعته الحرارية النوعية وكتلته، تتجلى هذه الزيادة في الحرارة في شكل ارتفاع في درجة الحرارة. عندما ترتفع درجة الحرارة فوق نقطة انصهار الصمام، يتعرض الصمام للذوبان والانقطاع.

كيفية اختيار الصمامات شبه الموصلة؟

1. تأكد ما إذا كان يتم استخدام المصهر لدائرة التيار المتردد أو دائرة التيار المستمر.

من المهم تحديد ما إذا كان الصمام مخصصًا للاستخدام في دائرة تيار متناوب (AC) أو دائرة تيار مستمر (DC). قد يؤدي الاستخدام غير الصحيح للصمام المتناوب في دائرة تيار مستمر أو العكس إلى وقوع حوادث.

في دوائر التيار المتردد، يميل تفريغ القوس إلى الانطفاء عندما يصبح جهد الطاقة صفرًا. ومع ذلك، نظرًا لأن جهد التيار المستمر لا يصل إلى الصفر في دوائر التيار المستمر، فهناك خطر عدم انطفاء تفريغ القوس، مما قد يتسبب في تلف الصمامات (راجع الشكل 1).

لذلك، بالنسبة لدوائر التيار المستمر، يجب اختيار صمامات التيار المستمر فقط، وصمامات التيار المتردد فقط لدوائر التيار المتردد!

2. الجهد المقدر (Un): الجهد المقدر الاسمي للصمامة.

تم تقديم هذا المصطلح من منظور الاستخدام الآمن للصمامات، حيث يشير إلى أعلى جهد تشغيل للدائرة التي تم تركيب الصمام فيها مع الحفاظ على حالة عمل آمنة. وهذا يعني أنه يجب وضع الصمام فقط في الدوائر حيث يكون جهد التشغيل أقل من أو يساوي الجهد المقنن للصمامة حتى تعمل بشكل آمن وفعال. وإلا، فقد يحدث قوس كهربائي مستمر وتلف للدائرة عندما يذوب الصمام.

على سبيل المثال، يمكن استخدام الصمامة 250 فولت في الدوائر ذات الجهد 125 فولت أو أقل.

3. التيار المقدر (بشكل أساسي لاختيار التيار الصغير): التيار المقدر الاسمي للصمامة.

يمثل مستوى التيار الذي يمكن للصمام أن يتحمله في ظل ظروف التشغيل العادية، وليس تيار التشغيل. يجب أن يأخذ الاختيار الصحيح لقيمة التيار المقدر في الاعتبار ما يلي:

• بالنسبة لمواصفات UL ذات سعة التحميل الزائد الضعيفة، فإن التيار المقدر In = Ir/Of، حيث Ir هو تيار تشغيل الدائرة، وOf = 0.75 هو عامل تقليل التيار للصمام. على سبيل المثال، إذا كان تيار تشغيل الدائرة Ir هو 1.5 أمبير، فيجب اختيار صمام 2 أمبير (1.5/0.75 = 2 أمبير).
• بالنسبة لمواصفات IEC ذات سعة التحميل الزائد القوية للصمامات، لا يلزم إجراء أي تخفيض، أي أن Ir = In.

4. درجة الحرارة المحيطة (خاصة لاختيار التيار الصغير):

يتم تحديد قدرة الصمامة على حمل التيار من خلال التجارب التي يتم إجراؤها عند درجة حرارة محيطة تبلغ 25 درجة مئوية. ومع ذلك، تتأثر هذه التجارب بالتغيرات في درجة الحرارة المحيطة: مع ارتفاع درجة الحرارة المحيطة، ترتفع درجة حرارة تشغيل الصمامة، مما يؤدي إلى انخفاض قدرتها على حمل التيار وتقصير عمرها الافتراضي. يجب مراعاة خفض التصنيف بسبب درجة الحرارة في مثل هذه الحالات (راجع الرسم البياني أدناه).

على سبيل المثال، عند اختيار فتيل سريع المفعول يعمل عند درجة حرارة 90 درجة مئوية في بيئة صغيرة بتيار 1.5 أمبير، كما هو موضح في الرسم البياني على اليمين، فإن عامل خفض درجة حرارته (Tf) هو 95%.

إذا اتبعت مواصفات IEC: In = In / Tf = 1.5 / 0.95 = 1.58، وبالتالي يوصى باستخدام تيار مقنن يبلغ 1.6A أو 2A.

إذا اتبعت مواصفات UL: In = In / (Of * Tf) = 1.5 / (0.75 * 0.95) = 2.1، وبالتالي يوصى بتيار مقدر بـ 2.5A.

5. الحد الأقصى لقدرة القطع (A/kA):

تشير القدرة القصوى على قطع التيار للصمام إلى الحد الأقصى للتيار الذي يمكن للصمام أن يقطعه أو يفصله بأمان في ظل ظروف محددة دون التسبب في حدوث ضرر. وهو في الأساس أقصى تيار عطل يمكن للصمام التعامل معه وقطعه بأمان.

تعتبر قدرة القطع مؤشر السلامة الأساسي للصمامات. تمتلك الصمامات المختلفة قدرات قطع متفاوتة بناءً على تصميمها وتطبيقاتها المقصودة. تعد قدرة القطع العالية أمرًا بالغ الأهمية لضمان قدرة الصمام على فصل الدائرة بأمان أثناء حدوث عطل أو حالة زيادة الحمل دون التسبب في أي حوادث غير آمنة: مثل التحطم أو الاحتراق أو التناثر أو الانفجار أو إتلاف الأشخاص المحيطين أو المكونات الأخرى.

على سبيل المثال، يمكن للصمامة ذات سعة القطع 10,000 أمبير (10 كيلو أمبير) أن تقطع بأمان تيار خطأ يصل إلى 10,000 أمبير دون التعرض لأضرار.

6. فئات الحماية:

وفقًا لمعايير IEC، يتم تقسيم فئات حماية الصمامات عادةً إلى "النوع g" و"النوع a" (راجع الجدول أدناه):：

"النوع g": حماية كاملة النطاق - قادرة على قطع أي تيار بين ذوبان وصلة المصهر وقدرة القطع المقدرة. مناسبة للحماية من التيارات الزائدة والتيارات القصيرة الدائرة. يمكن أن تعمل بشكل مستقل كحماية لنطاق التيار بالكامل.

"النوع أ": حماية النطاق الجزئي - قادرة على قطع أي تيار زائد بين الحد الأدنى لتيار القطع وقدرة القطع المقدرة. مناسبة للحماية من ماس كهربائي (احتياطي). تتطلب الجمع مع أجهزة حماية أخرى لتوفير حماية شاملة من التيار الزائد.

يتم مقارنة الخصائص العامة للفئتين "g" و "a" مع نفس الأنبوب والجهد والتيار أدناه:

7. خصائص الاندماج:

غالبًا ما يتم تمثيل خصائص الصمامات، المعروفة أيضًا باسم خصائص الوقت/التيار، أو خصائص تكنولوجيا المعلومات، أو خصائص أمبير-ثانية، باستخدام الرسوم البيانية المنحنية:

يوضح منحنى خصائص الصمامات العلاقة الوظيفية بين الأحمال الحالية المختلفة وأوقات نفخ الصمامات المقابلة لها، مما يوفر مرجعًا للاختيار (راجع الرسم البياني)

يجب أن يكون للصمامات قدرة تحمل زائدة معينة:

• وفقًا لمواصفات UL، فإن الحد الأقصى للتيار غير القابل للنفخ للصمامة هو 110%.
• وفقًا لمواصفات IEC، فإن الحد الأقصى للتيار غير القابل للنفخ للصمامة هو 113% In أو 120% In.

يجب أيضًا أن تحترق الصمامات على الفور عند تعرضها لتيار زائد يتجاوز الحد المحدد:

• وفقًا لمواصفات UL، فإن الحد الأدنى لتيار النفخ للصمامة هو حوالي 135%.
• وفقًا لمواصفات IEC، فإن الحد الأدنى لتيار النفخ للصمامة هو حوالي 145%.

8. طاقة الانصهار (I²t):

تشير قيمة طاقة الانصهار إلى قيمة الطاقة عند ذوبان وصلة المصهر، مما يشير إلى قدرة المصهر على تحمل الطفرات. هنا، I هو تيار الحمل الزائد، وt هو وقت النفخ. تحدد الطاقة المطلوبة لنفخ المصهر (If²t) والطاقة المنبعثة من نبضة الطفرة (Ir²t) ما إذا كان المصهر سينفجر أم لا. إذا كان Ir²t > If²t، ينفجر المصهر؛ إذا كان If²t < Ir²t، يمكن للمصهر تحمل الطفرة.

يرتبط وقت نفخ الصمامة بعوامل مثل الحرارة المتولدة عن التيار، وظروف تبديد الحرارة، وخصائص السعة الحرارية للصمامة. يمكن للعديد من العوامل أن تؤثر على وقت نفخ الصمامة، لذا فإن قيم If²t للصمامة ليست ثابتة عند تيارات انقطاع مختلفة أو أوقات انقطاع مختلفة. 

يعكس منحنى If²t-t قيم If²t للصمام في أوقات نفخ مختلفة (انظر الرسم البياني أدناه)، على غرار منحنى خصائص الصمام. وهو بمثابة مرجع للمصممين عند اختيار الصمامات.

9. عمر المنتج/المتانة:

عادة ما تكون مدة صلاحية الصمامات طويلة، وفي حالة عدم وجود أعطال، تكون متزامنة تقريبًا مع عمر المعدات.

تتضمن طريقة اختبار عمر الصمامات الأنبوبية الصغيرة وفقًا لمواصفات IEC الخطوات التالية: في ظل ظروف التيار المستمر (DC)، يتعرض الصمام لتيار 1.20 In (أو 1.05 In) لمدة ساعة واحدة، يليه فصل لمدة 15 دقيقة. تتكرر هذه الدورة بشكل مستمر لمدة 100 دورة. أخيرًا، يتعرض الصمام لتيار 1.5 In (أو 1.15 In) لمدة ساعة واحدة. طوال هذه العملية، يجب ألا يكون هناك أي انفجار أو ظواهر غير طبيعية أخرى.

10. طريقة التثبيت:

تركيب اللوحة: صناديق المصاهر، ومقابس المصاهر، وما إلى ذلك.

التركيب الأساسي: مشابك الصمامات، ومقابس مشابك الصمامات، وما إلى ذلك.

تركيب لوحة الدائرة المطبوعة (PCB): 

• التركيب من خلال الفتحة (اللحام الموجي): الأسلاك الشعاعية، والأسلاك المحورية، وما إلى ذلك.
• التركيب السطحي: متعدد الطبقات، من النوع الرقيق، وما إلى ذلك.

التركيب المعلق: حاملات الصمامات.

الابعاد الخارجية:

• أنبوبي: القطر × الطول.
• الصورة المصغرة: فتحة العدسة × درجة الميل.
• التركيب السطحي: وسادة اللحام - الطول × العرض، المسافة بين الأطراف.

11. شهادة السلامة

CE

شهادة CE هي علامة شهادة مطابقة في السوق الأوروبية المشتركة. CE تعني "Conformité Européene" (المطابقة الأوروبية) وتعمل كعلامة شهادة تستخدمها الدول الأعضاء في الاتحاد الأوروبي (EU) للإشارة إلى أن المنتجات المباعة في أسواقها تتوافق مع اللوائح الأوروبية. شهادة CE طوعية بالنسبة للمصنعين وتهدف إلى ضمان أن المنتجات تلبي متطلبات اللوائح الأوروبية لضمان سلامة المستهلك وصحته وحماية البيئة.

UL

شهادة UL هي شهادة سلامة المنتج الصادرة عن Underwriters Laboratories Inc. (UL)، وهي شركة عالمية مستقلة رائدة في مجال علوم السلامة متخصصة في اختبار سلامة المنتج وإصدار الشهادات له. الغرض من شهادة UL هو ضمان امتثال المنتجات لمعايير السلامة ذات الصلة، مما يمنح الشركات المصنعة الثقة في بيع منتجاتها في السوق.

طريق مسدود

تشير شهادة cUL إلى الشهادة الصادرة عن جمعية المعايير الكندية (CSA). تشير علامة cUL إلى أن المنتج قد تم اعتماده من قبل CSA وأنه يتوافق مع المعايير والمتطلبات ذات الصلة في كندا. تتضمن شهادة cUL عادةً اختبارات السلامة والأداء للمنتجات الكهربائية والإلكترونية. تعد هذه الشهادة متطلبًا أساسيًا لبيع المنتجات في السوق الكندية ومعترف بها على نطاق واسع في البلدان والمناطق الأخرى أيضًا.

وكالة الفضاء الكندية

CSA هو اختصار لجمعية المعايير الكندية، وهي هيئة التصديق المعتمدة للمنتجات الإلكترونية والكهربائية في كندا. يُسمح ببيع المنتجات الكهربائية المعتمدة من قبل هذه المنظمة بحرية في السوق الكندية. لا يمكن بيع المنتجات المعتمدة من قبل CSA إلا في السوق الكندية، وللدخول إلى السوق الأمريكية، يجب عليها أيضًا الحصول على شهادة UL من الولايات المتحدة.

TÜV

شهادة TÜV هي شهادة للمنتج تصدرها منظمة Technischer Überwachungsverein الألمانية (TÜV). TÜV هي هيئة عالمية مستقلة رائدة في مجال التفتيش الفني والشهادة. تغطي هذه الشهادة عادةً جوانب السلامة والجودة والأداء للمنتج، مما يضمن امتثاله للمعايير واللوائح ذات الصلة. يمكن للمنتجات التي تحصل على شهادة TÜV أن تعزز مصداقيتها وقدرتها التنافسية في السوق، وخاصة في ألمانيا والأسواق الأوروبية الأخرى.

بنفايات

تشير شهادة RoHS إلى شهادة المنتجات التي تتوافق مع توجيه تقييد المواد الخطرة الأوروبي (توجيه RoHS). توجيه RoHS هو لائحة وضعها الاتحاد الأوروبي لتقييد محتوى بعض المواد الخطرة المستخدمة في المعدات الإلكترونية والكهربائية، بهدف تقليل التأثير السلبي على البيئة والصحة البشرية.

الوصول

REACH (تسجيل وتقييم وترخيص وتقييد المواد الكيميائية) هي لائحة وضعها الاتحاد الأوروبي بشأن المواد الكيميائية. دخلت لائحة REACH حيز التنفيذ في عام 2007 بهدف حماية صحة الإنسان والبيئة مع تشجيع الشركات على استخدام المواد الكيميائية بشكل أكثر مسؤولية.

12. الامتثال للمعايير

• UL 248-1 Underwriters Laboratories Inc. معيار السلامة
• IEC 60269 (GB13539) – الصمامات ذات الجهد المنخفض:
• IEC 60947 (GB14048) – معدات التحكم والمفاتيح ذات الجهد المنخفض:
• IEC 60947-3 (GB14048-3) – المفاتيح، ومفاتيح الفصل، ومفاتيح الفصل، ووحدات الصمامات المركبة
• IEC 61818 – دليل تطبيق الصمامات ذات الجهد المنخفض:
• IEC 61459 – التنسيق بين الصمامات والملامسات/مشغلات المحرك:

تحليل نمط الفشل الشائع للصمامات

1. اختيار الجهد المقنن غير المناسب، محاثة الدائرة تتجاوز ظروف الاختبار القياسية: إذا كان جهد قطع الدائرة أعلى من الجهد المقنن للصمامة أو إذا تجاوزت المحاثة ظروف الاختبار القياسية، فقد يفشل الصمام في المقاطعة بشكل موثوق، مما يؤدي إلى الانفجار والقوس الكهربائي.
2. اختيار التيار المقدر غير الكافي: قد يؤدي التيار المقدر غير الكافي إلى انفجار المصهر أو تقليل عمره الافتراضي بسبب التيارات الحرارية والتيارات المؤثرة في الدائرة.
3. اختيار التيار المقدر ذو الحجم الكبير: إذا كان حجم المصهر أكبر من اللازم بالنسبة لبعض التيارات الزائدة، فقد يفشل في العمل أو يعمل ببطء شديد، مما يتسبب في تلف المكونات الأخرى.
4. نطاق الحماية الجزئية من النوع "أ" < التيار الزائد: قد لا ينفجر المصهر بشكل موثوق به في حالة التيارات الزائدة ضمن نطاق الحماية الجزئية من النوع "أ".
5. قد يؤدي التركيب غير الصحيح أو مقاومة التلامس العالية إلى ارتفاع درجة الحرارة والتلف.
6. قد تؤدي الاضطرابات الميكانيكية التي تتجاوز معايير تصميم الصمامات إلى إتلاف أو المساس بظروف تشغيل الصمامات.
7. إن تيار الدائرة القصيرة الفعلي يتجاوز بكثير قدرة القطع المقدرة للصمام: قد لا يتمكن الصمام من مقاطعة تيار الدائرة القصيرة بشكل موثوق.
8. المسافة بين الصمامات قريبة جدًا، أو أن تأثير مكونات التسخين الأخرى يمنع تبديد الحرارة بشكل معقول ويقصر من عمر الخدمة؛

توصيات لتجنب أعطال الصمامات وضمان حماية موثوقة للنظام

1. الاختيار: توفير معلمات تشغيل الدائرة الدقيقة للمساعدة في اختيار الصمامات المناسبة للحماية الفعالة.
2. اختر الشركات المصنعة عالية الجودة: اختر الشركات المصنعة ذات المواد عالية الجودة، وجودة العملية، والفحوصات الشاملة، والاتساق في تلبية المتطلبات.
3. اختبار المنتج واختبار التطبيق: إجراء اختبار شامل للمنتجات وتطبيقاتها لضمان الموثوقية.