محولات الطاقة Transducers

يمكن أن يكون شكل الطاقة المحول بواسطة أي محول طاقة ميكانيكية وطاقة ضوئية وطاقة كيميائية وطاقة كهرومغناطيسية، وهذا يعتمد على نوع المحول واستخدامه، حيث في الغالب يجد محول الطاقة تطبيقاته في أجهزة القياس، كما أنّ مكبر الصوت هو أيضاً مثال على محول الطاقة الذي لديه القدرة على تغيير الإشارة الكهربائية إلى إشارة صوتية مكافئة.

ما هي محولات الطاقة Transducers؟

محولات الطاقة “Transducers”: هي الجهاز الذي يتم استخدامه لتحويل الطاقة من شكل إلى آخر مختلف ولكن بشكل مكافئ، وفيما يتعلق بالأجهزة يمكننا القول بشكل أكثر تحديداً أنّ المحولات هي الأجهزة التي تغير الكمية غير الكهربائية إلى شكلها الكهربائي المكافئ.

لا يوجد محول طاقة فعال بنسبة “100%”، كما يتم دائماً فقدان بعض القوة في عملية التحويل، حيث عادةً ما تتجلى هذه الخسارة في شكل حرارة، كما تقترب بعض الهوائيات من كفاءة “100%”، وهوائي جيد التصميم مزود بقدرة “100 واط” من ترددات الراديو “RF”، ويشع “80 واط” أو “90 واط” في شكل مجال كهرومغناطيسي.

كما يتم تبديد عدد قليل من الواط كحرارة في موصلات الهوائي وموصلات خط التغذية والعازل، وفي الأجسام القريبة من الهوائي، ومن بين أسوأ محولات الطاقة من حيث الكفاءة المصابيح المتوهجة لا تشع لمبة “100 واط” سوى بضع واط في شكل ضوء مرئي، كما يتم تبديد معظم الطاقة على شكل حرارة وتشع كمية صغيرة في طيف الأشعة فوق البنفسجية.

أنواع محولات الطاقة:

محول الطاقة هو قلب نظام الأجهزة، حيث في الأساس، يتم تصنيف المحولات وفقاً لمبدأ التشغيل والاستخدامات والمخرجات المطلوبة، كما يمكن تصنيفه بشكل رئيسي على النحو التالي:

أولاً: محول الطاقة النشط والسلبي “Active and Passive transducer”:

يُظهر هذان العنصران اختلافاً وفقاً لتقنية تحويل الطاقة، ومحولات الطاقة النشطة هي نوع محول الطاقة الذي لا يستخدم أي مصدر خارجي لتوليد الإنتاج، وهذه في الواقع تولد الطاقة الدافعة من النظام قيد التشغيل، وفي مقابل ذلك فإنّ المحول السلبي هو محول طاقة يتطلب أو يستخدم مصدراً خارجياً للطاقة من أجل قيادة النظام، كما قد يتم دفع بعض الطاقة من النظام قيد القياس.

ثانياً: محول تماثلي ورقمي “Analog and Digital Transducer”:

يختلف هذان المحولان عن بعضهما البعض في طريقة توفير النواتج، حيث ينتج محول الطاقة التماثلي إشارة تماثلية كمخرج في وقت تحويل الطاقة، والإشارة التماثلية هي إشارة مستمرة للوقت، وعلى العكس من ذلك يولد محول الطاقة الرقمي إشارة رقمية عند الناتج، أي في شكل نبضات.

ثالثاً: محول الطاقة الابتدائي والثانوي “Primary and Secondary Transducer”:

يتم تصنيف محولات الطاقة الأولية والثانوية على معايير طرق التطبيق، حيث أنّ محول الطاقة الأساسي هو الذي لا يتطلب وحدة استشعار المدخلات الفردية، وهذا يعني أنّه يمكن اكتشاف المدخلات المطبقة مباشرةً بواسطة هذه المحولات، ومع ذلك يتطلب محول الطاقة الثانوي وحدة إضافية يمكنها اكتشاف المدخلات المطبقة، كما يتم بعد ذلك تغذية ناتج هذا الكاشف إلى محول الطاقة لتحويل الطاقة.

رابعاً: محول ومحول معكوس “Transducer and Inverse Transducer”:

تقوم المحولات بتغيير أي وحدة فيزيائية إلى مكافئها الكهربائي، بينما يعكس محول الطاقة العكسي هذه العملية ويحول الكمية الكهربائية إلى مكافئ غير كهربائي، كما يظهر تقدم محول الطاقة مع تطور تقنية “VLSI”، وتُعرف هذه أحياناً باسم المحولات الذكية، ممّا يتيح فهم كيفية عملها.

خامساً: محول ذكي “Smart Transducer”:

محولات الطاقة الذكية “Smart Transducer”: هي تحسين إلى حد ما لدائرة محول الطاقة التي تتشكل عندما يتم استنتاج مجموعة من أجهزة الاستشعار ومحول الطاقة ودائرة تكييف الإشارة وأجهزة العرض في شريحة واحدة، ومع تطور تقنية “VLSI”، أصبح دمج هذه المكونات في شريحة واحدة مهمة أسهل إلى حد ما.

يمثل الشكل الموضح تالياً مخطط الكتلة لمحول طاقة ذكي يتألف من مكونات مختلفة:

فمثلاً إذا كانت المدخلات المقدمة للشريط ثنائي المعدن أي المستشعر هي درجة الحرارة التي تولد الإزاحة كناتج لها، يعمل ناتج الإزاحة هذا كمدخل لمقياس الجهد أي محول الطاقة الذي يوفر بالشكل التالي كمية كهربائية مكافئة للمدخلات المطبقة بالسيارات.

كما أنّ “mV” هي وحدة صغيرة ولا يمكنها قيادة الدوائر الأخرى لنظام الأجهزة، وبالتالي يتم استخدام دائرة تكييف الإشارة هنا، كما تتكون دائرة تكييف الإشارة هذه من جهاز “op-amp” يعمل هنا في وضع الحلقة المفتوحة أي يعني أنّ كسبه مرتفع، والذي ينتج ناتجاً بالفولت، كما يتم بعد ذلك تغذية هذه الكمية التماثلية المضخمة إلى محول تماثلي إلى رقمي، والذي يولد إشارة رقمية مكافئة عند الناتج وبعد ذلك يعرض جهاز العرض هذا الإشارة الرقمية عند الناتج.

• “VLSI” هي اختصار لـ “Very large scale integration”.

• “op-amp” هي اختصار لـ “Operational Amplifier”.

كيفية تحديد الحساسية الشاملة للنظام في المحول ذكي “Smart Transducer”:

حساسية الشريط المعدنين، هي:

S1 = Δx / ΔT

حيث أنّ “Δx” هو التغيير في ناتج الإزاحة للشريط و”ΔT” هو التغيير في درجة حرارة الإدخال المطبقة، أمّا حساسية مقياس الجهد، فهي:

S 2 = ΔV / Δx

حيث أنّ “ΔV” هو التغيير في ناتج مقياس الجهد، وأمّا حساسية “op-amp”:

S 3 = ΔE / ΔV

حيث أنّ “ΔE” هو التغيير في ناتج المرجع أمبير، لذلك فإنّ الحساسية الشاملة للنظام، هي:

S = S1 * S 2 * S3

S = ΔE / ΔT

معايير اختيار محول الطاقة:

توجد عدة معايير، من أجل الحصول على تحويل مناسب للطاقة بواسطة أي محول طاقة، هذه المعايير هي كما يلي:

أولاً: الحساسية “Sensitivity”:

يجب أن يكون النظام حساساً لأي تغيير في المدخلات المطبقة عليه، حيث سيوفر النظام الحساس نتائج دقيقة عند النواتج.

ثانياً: الدقة “Accuracy”:

دقة النظام “Accuracy”: هي القدرة على توليد نتائج صحيحة أو خالية من الأخطاء، كما يجب معايرة الوحدة بشكل صحيح من أجل الحصول على نتائج دقيقة.

ثالثاً: نطاق التشغيل “Operating range”:

يجب اختيار نطاق التشغيل بشكل صحيح للحصول على نتائج خالية من الأخطاء، وأيضاً يجب تحديد النطاق وفقاً لنظام الأجهزة، كما يجب أن يكون نطاق التشغيل الخاص به مرتفعاً بحيث يمكنه العمل حتى نطاق كبير.

رابعاً: الصلابة “Ruggedness”:

يجب أن يكون النظام متيناً من حيث استخدامه، حيث يجب أن تكون متينة بما يكفي لتحمل شدة كهربائية وميكانيكية عالية.

خامساً: الخطية “Linearity”:

يجب أن تكون خاصية الإدخال والإنتاج لأي محول خطي من أجل الحصول على النتائج المرجوة.

سادساً: التكرار “Repeatability”:

يجب أن يولد محول الطاقة نفس المخرجات بشكل متكرر عند تطبيق نفس الإدخال في أطرافه.

سابعاً: المعلمات الكهربائية “Electrical parameters”:

يجب اختيار المعلمات الكهربائية للنظام بشكل صحيح، كما يتعلق ذلك من حيث نسبة الإشارة إلى الضوضاء “SNR” في وقت تضخيم الإشارة واستجابة التردد وطول الكابل المطلوب.

• “SNR” هي اختصار لـ “Signal to Noise Ratio”.

مزايا محول الطاقة:

• يبسط تضخيم وتوهين الإشارة.

• إنّه جهاز يستهلك طاقة منخفضة.

• بسبب تقنية التصنيع “IC”، يمكن تنفيذها في الرقاقة الصغيرة، وبالتالي يصغر حجمها.

ملاحظة:“IC” هي اختصار لـ “International Communications”.

شروط أنواع محولات الطاقة:

أولاً: النطاق الديناميكي:

النطاق الديناميكي لمحول الطاقة: هو النسبة بين إشارة السعة العالية وكذلك إشارة السعة الأقل بحيث يمكن للمحول أن يترجم بكفاءة، وعندما يكون للمحولات نطاق ديناميكي عالي تكون أكثر دقة وحساسية.

ثانياً: التكرار:

التكرار: هو قدرة محول الطاقة على توليد مخرجات متساوية بمجرد تحفيزها من خلال مدخلات مماثلة.

ثالثاً: الضوضاء:

يضيف ناتج محول الطاقة بعض الضوضاء العشوائية، حيث في محولات الطاقة الكهربائية، يمكن أن تكون الضوضاء المضافة بواسطة هذا كهربائية بسبب التأثير الحراري للشحنات داخل الدوائر، كما يمكن أن تتلف الإشارات الصغيرة بسبب الضوضاء أكثر من الإشارات الكبيرة.

ثالثاً: التخلف:

في هذه الخاصية، لا يعتمد إنتاج محول الطاقة على مدخلاته الحالية فحسب، بل يعتمد أيضاً على مدخلاته السابقة.

تطبيقات أنواع محولات الطاقة:

• تُستخدم أنواع المحولات في التطبيقات الكهرومغناطيسية، مثل الهوائيات والخراطيش المغناطيسية ومستشعرات تأثير القاعة ورؤوس قراءة القرص والكتابة.

• تُستخدم أنواع المحولات في التطبيقات الكهروميكانيكية، مثل مقاييس التسارع و”LVDT” ومقاييس الجلفانومتر ومستشعرات الضغط وخلايا التحميل و”MEMS” ومقاييس الجهد وأجهزة استشعار تدفق الهواء والمحركات الخطية والدوارة.

• تُستخدم أنواع المحولات في التطبيقات الكهروكيميائية، مثل مستشعرات الأكسجين وأجهزة استشعار الهيدروجين ومقاييس الأس الهيدروجيني.

• تُستخدم أنواع المحولات في التطبيقات الكهروضوئية، مثل مكبرات الصوت والبلورات الكهروضغطية والميكروفونات وأجهزة الإرسال والاستقبال فوق الصوتية والسونار، وإلخ..

• تُستخدم أنواع المحولات في التطبيقات الكهروضوئية، مثل “LED” والصمامات الضوئية وثنائيات الليزر والخلايا الكهروضوئية و”LDRs” والمصابيح الفلورية والمصابيح المتوهجة والترانزستور الضوئي.

• تُستخدم أنواع المحولات في التطبيقات الكهروحرارية، مثل الثرمستورات والمزدوجات الحرارية وكاشفات درجة حرارة المقاومة “RTD”.

• تُستخدم أنواع المحولات في التطبيقات الصوتية الراديوية، مثل “Geiger-Muller Tube” وأجهزة الإرسال والاستقبال الراديوية.

ملاحظة:“LDRs” هي اختصار لـ “Liquid Droplet Radiators” و”RTD” هي اختصار لـ “Resistance Temperature Detector”.

ملاحظة:“MEMS” هي اختصار لـ “Micro electro mechanical systems” و”LED” هي اختصار لـ “Light Emitting Diode”.

ملاحظة:“LVDT” هي اختصار لـ “Linear Variable Differential Transformer”.