مكتسبات قبلية: المنفذات والملتقطات والمنفذات المتصدرة

3. الموزعات الهوائية والكهروهوائية

دور الموزع

الموزع (distributeur) هو المنفذ المتصدر للدافعة: يوجّه الهواء المضغوط من المصدر نحو إحدى حجرات الدافعة، ويصل الحجرة الأخرى بالتفريغ (échappement). وحين يُتحكم فيه بوشيعة كهربائية يسمّى موزعًا كهروهوائيًا (électropneumatique): يستقبل أمرًا كهربائيًا من جزء التحكم ويوزع طاقة هوائية.

التسمية: عدد الفتحات / عدد الوضعيات

يُسمّى الموزع بعددين: عدد الفتحات (orifices) ثم عدد الوضعيات (positions). فالموزع 5/2 له خمس فتحات ووضعيتان، والموزع 3/2 له ثلاث فتحات ووضعيتان. (في بعض الوثائق المكتوبة بالعربية يظهر «2/5» بسبب اتجاه الكتابة، والمقصود واحد: خمس فتحات ووضعيتان.)

ترقيم الفتحات المعياري:

| الرقم | الدور | |---|---| | 1 | التغذية بالهواء المضغوط (P) | | 2 و 4 | فتحتا الاستعمال نحو الدافعة | | 3 و 5 | فتحتا التفريغ | | 12 و 14 | فتحتا التحكم: 14 تصل 1 بـ 4، و12 تصل 1 بـ 2 |

قراءة الرمز

• كل مربع يمثل وضعية؛ الأسهم داخله تبيّن مسار الهواء، والعلامة T فتحة مسدودة.
• تُرسم الفتحات على مربع وضعية الراحة (المربع المجاور للنابض في الموزع أحادي الاستقرار).
• على جانبي الرمز نجد وسائل التحكم: وشيعة كهربائية (مستطيل بخط مائل)، أو زر يدوي، أو عجلة ميكانيكية، أو أمر هوائي، أو نابض إرجاع (ressort).


في الرمز (a) يصل الموزع 3/2 في الراحة الفتحة 2 بالتفريغ 3 ويسدّ التغذية 1، وحين تُغذّى الوشيعة 12 يصل 1 بـ 2. في (b) و(c) يصل الموزع 5/2 في وضعية 12 الفتحة 1 بـ 2 والفتحة 4 بـ 5، وفي وضعية 14 يصل 1 بـ 4 والفتحة 2 بـ 3.

أحادي الاستقرار أم ثنائي الاستقرار؟

| الخاصية | أحادي الاستقرار (monostable) | ثنائي الاستقرار (bistable) | |---|---|---| | وسائل التحكم | وشيعة واحدة ونابض | وشيعتان (أمران) | | بعد زوال الأمر | يرجع إلى وضعية الراحة | يبقى في آخر وضعية (ذاكرة) | | الأمر اللازم | مستمر طوال مدة بقاء الدافعة في وضع العمل | نبضة تكفي | | عند انقطاع التيار | ترجع الدافعة إلى وضع الراحة | تبقى الدافعة حيث هي | | الأوامر في المتمن | $A^+$ وحده | $A^+$ و $A^-$ |

> الموزع ثنائي الاستقرار عنصر ذاكرة: يكفيه أمر قصير ليغيّر وضعيته، ولا يرجع إلا بالأمر المعاكس. أما أحادي الاستقرار فلا يبقى في وضعية العمل إلا ما دام الأمر قائمًا.

الربط بين الدافعة والموزع


في الأعلى، الدافعة B أحادية المفعول موصولة بالفتحة 2 لموزع 3/2: الأمر $B^+$ يُخرج الذراع، وزواله يُرجعه بالنابض. في الأسفل، الفتحة 4 للموزع 5/2 تغذّي الحجرة الخلفية للدافعة A والفتحة 2 تغذّي الحجرة الأمامية: $A^+$ (الوشيعة 14) يُخرج الذراع و $A^-$ (الوشيعة 12) يُدخله.

النتيجة على المتمن: مثال محلول

دورة: تخرج الدافعة A، ثم تخرج B، ثم تدخل B، ثم تدخل A. الدافعتان مزدوجتا المفعول: A يتحكم فيها موزع 5/2 ثنائي الاستقرار، وB يتحكم فيها موزع 5/2 أحادي الاستقرار.

| المرحلة | الأمر المكتوب | حالة A | حالة B | |---|---|---|---| | 1 | $A^+$ | تخرج | داخل | | 2 | $B^+$ | خارج (ذاكرة الموزع) | تخرج | | 3 | لا شيء | خارج | تدخل (يرجع موزعها بنابضه) | | 4 | $A^-$ | تدخل | داخل |

لاحظ أن المرحلتين 2 و3 لا تحويان أمرًا للدافعة A ومع ذلك تبقى خارج، لأن موزعها ثنائي الاستقرار. أما B فيكفي أن يزول الأمر $B^+$ في المرحلة 3 لتدخل.

لو كانت A بموزع أحادي الاستقرار لوجب كتابة $A^+$ في المراحل 1 و2 و3 معًا، وإلا دخلت A في منتصف الدورة.

ملاحظة للامتحان

• لا تُغذَّ الوشيعتان $A^+$ و $A^-$ لموزع ثنائي الاستقرار في المرحلة نفسها: يبقى الموزع في وضعيته السابقة أو يكون سلوكه غير محدد.
• الموزع أحادي الاستقرار يُختار حين يجب أن ترجع الدافعة إلى وضع آمن عند انقطاع التيار (مثل ملقط يجب أن يفتح، أو ذراع يجب أن يتراجع).
• الكهروصمام (électrovanne) ليس موزعًا لدافعة: هو صمام 2/2 يفتح مجرى سائل أو غاز أو يغلقه، ويُعدّ في البكالوريا منفذًا يتحكم فيه مرحل أو ملامس KA.

4. الملامسات والمرحلات وأجهزة الحماية

الملامس الكهرومغناطيسي

الملامس (contacteur) منفذ متصدر كهربائي: جهاز يغلق دارة الاستطاعة أو يفتحها عن بعد بأمر كهربائي ضعيف. بفضله تتحكم دارة تحكم ضعيفة التيار (تحت $24\ V$ مثلًا) في محرك يستهلك عدة أمبيرات تحت $380\ V$، وهو الذي يجعل التشغيل الآلي ممكنًا.

يتكوّن الملامس من:

• كهرومغناطيس: وشيعة (bobine) مع دارة مغناطيسية ثابتة وأخرى متحركة.
• أقطاب رئيسية (pôles principaux): ثلاثة تماسات قوية لدارة الاستطاعة.
• تماسات مساعدة (contacts auxiliaires): تماسات ضعيفة لدارة التحكم (الإمساك، التشابك، الإشارة).
• نابض إرجاع وغرف لإخماد القوس الكهربائي.

عمله: حين تُغذّى الوشيعة تجذب الدارةُ الثابتة الجزءَ المتحرك، فتنغلق الأقطاب الرئيسية والتماسات المفتوحة في الراحة، وتنفتح التماسات المغلقة في الراحة. وحين تُقطع التغذية يُرجع النابض كل شيء إلى الراحة. فالملامس جهاز أحادي الاستقرار: لا يبقى مغلقًا إلا ما دامت وشيعته مغذّاة.

ترقيم الأطراف

| العنصر | الترقيم | ملاحظة | |---|---|---| | الأقطاب الرئيسية | 1-2، 3-4، 5-6 | الأرقام الفردية جهة الشبكة | | الوشيعة | A1-A2 | — | | تماس مساعد مفتوح في الراحة (NO) | 13-14، 43-44 | رقم الآحاد 3-4 | | تماس مساعد مغلق في الراحة (NC) | 21-22، 31-32 | رقم الآحاد 1-2 | | المرحل الحراري: تماس مغلق | 95-96 | يُوضع في دارة التحكم | | المرحل الحراري: تماس مفتوح | 97-98 | للإشارة بخلل |

في التماس المساعد، رقم العشرات رقم ترتيب التماس، و رقم الآحاد يدل على وظيفته.

المرحل الكهرومغناطيسي

المرحل (relais) يعمل بالمبدأ نفسه (وشيعة تحرك تماسات)، لكنه مصمّم لتيارات ضعيفة: تماساته (مشترك COM، ومفتوح NO، ومغلق NC) تتحمل بضعة أمبيرات، ووشيعته تعمل غالبًا تحت توتر مستمر (5 أو 12 أو $24\ V$). يُستعمل للعزل بين دارة إلكترونية ودارة أخرى، وللتحكم في وشيعة ملامس أو مصباح أو كهروصمام.

| المقارنة | الملامس KM | المرحل KA | |---|---|---| | التيار المقطوع | قوي (دارة الاستطاعة) | ضعيف (دارة التحكم) | | إخماد القوس | غرف إخماد | غير ضروري غالبًا | | الاستعمال | المحركات، المقاومات | الواجهة بين التحكم والاستطاعة، المنطق المربوط |

أجهزة الحماية في خط التغذية

• الفاصل الحامل للمنصهرات Q (sectionneur porte-fusibles): يعزل التجهيز عن الشبكة أثناء الصيانة، ويحمل المنصهرات. لا يُفتح تحت الحمولة.
• المنصهرات (fusibles): النوع aM (مرافق للمحرك) يحمي من الدارة القصيرة فقط ويتحمل تيار الإقلاع؛ والنوع gG للاستعمال العام يحمي من الحمولة الزائدة والدارة القصيرة.
• المرحل الحراري F (relais thermique): يحمي المحرك من الحمولة الزائدة (surcharge) ومن انقطاع طور. يحوي صفائح مزدوجة المعدن تسخن بتيار المحرك؛ إذا تجاوز التيار قيمة الضبط مدة كافية، يفتح تماسه 95-96 في دارة التحكم فتنقطع تغذية الوشيعة وينفتح الملامس. يُضبط على التيار الاسمي للمحرك $I_n$.

دارة الإقلاع المباشر بالإمساك الذاتي


على اليسار دارة الاستطاعة: الشبكة، ثم الفاصل Q1 بمنصهراته، ثم الأقطاب الرئيسية لـ KM1، ثم العناصر الحرارية لـ F1، ثم المحرك. وعلى اليمين دارة التحكم: المنصهرة FU، ثم التماس 95-96 لـ F1، ثم زر التوقيف S1، ثم زر التشغيل S2 وعلى التوازي معه تماس الإمساك KM1 (13-14)، ثم وشيعة KM1.

كيف تعمل؟ الضغط على S2 يغذّي الوشيعة KM1، فينغلق تماسها 13-14 الموازي لـ S2. حين يُترك S2 يبقى التيار مارًا عبر 13-14: هذا الإمساك الذاتي (auto-maintien)، وهو ذاكرة كهربائية. الضغط على S1 أو فتح F1 يقطع التيار فيُفتح 13-14 ويتوقف المحرك.

إذا رمزنا بـ $S_1$ و $S_2$ للزرين (1 عند الضغط) و $F$ للمرحل الحراري (1 عند الخلل):

$ KM1 = \overline{F}\cdot\overline{S_1}\cdot(S_2 + KM1) $

إذا ضُغط الزران معًا يتوقف المحرك: الأولوية للتوقيف، وهو التركيب الآمن.

مثال محلول: اختيار المرحل الحراري والمنصهرة

محرك ثلاثي الطور على شبكة $380\ V$: استطاعته النافعة $P_u = 4\ kW$، ومردوده $\eta = 0{,}84$، ومعامل استطاعته $\cos\varphi = 0{,}83$. اختر المرحل الحراري والمنصهرة aM من الجدول (مقتطف من دليل صانع):

| مجال ضبط المرحل الحراري | المنصهرة aM | |---|---| | من 4 إلى 6 A | 8 A | | من 5,5 إلى 8 A | 12 A | | من 7 إلى 10 A | 12 A | | من 9 إلى 13 A | 16 A |

الحل: الاستطاعة الممتصة $P_a = \dfrac{P_u}{\eta} = \dfrac{4000}{0{,}84} = 4762\ W$، ومنه تيار الخط:

$ I = \dfrac{P_a}{\sqrt3\,U\cos\varphi} = \dfrac{4762}{\sqrt3\times380\times0{,}83} $

$ I \approx 8{,}72\ A $

نختار المرحل الذي يحوي مجاله $8{,}72\ A$: المجال من 7 إلى 10 A، ونضبطه على $8{,}7\ A$، والمنصهرة المرافقة aM من عيار $12\ A$. (المجال 9–13 لا يصلح لأن $8{,}72\ A$ خارجه.)

أخطاء شائعة

• وضع تماس الإمساك KM1 على التسلسل مع S2 بدل التوازي.
• ضبط المرحل الحراري على تيار الإقلاع أو على عيار المنصهرة: يُضبط على $I_n$.
• القول بأن المرحل الحراري يقطع دارة الاستطاعة بنفسه: هو يفتح 95-96 في دارة التحكم، والملامس هو الذي يقطع الاستطاعة.

5. المحركات والمنفذات الكهربائية الأخرى

المحرك اللاتزامني ثلاثي الطور

هو المنفذ الكهربائي الأكثر استعمالًا في الصناعة: متين، رخيص، قليل الصيانة. ساكنه (stator) يحوي ثلاث وشائع تُنشئ حقلًا مغناطيسيًا دوارًا، ودواره (rotor) قفص سنجاب يدور بسرعة أقل قليلًا من سرعة الحقل.

سرعة التزامن (سرعة الحقل الدوار) بدلالة تردد الشبكة $f$ وعدد أزواج الأقطاب $p$:

$ n_s = \dfrac{60\,f}{p}\quad(tr/min) $

| $p$ | 1 | 2 | 3 | 4 | |---|---|---|---|---| | $n_s$ عند $50\ Hz$ بـ $tr/min$ | 3000 | 1500 | 1000 | 750 |

سرعة الدوار $n$ أصغر قليلًا من $n_s$، والفرق النسبي هو الانزلاق (glissement):

$ g = \dfrac{n_s - n}{n_s} $

كيف نجد $p$ من لوحة البيانات؟ سرعة التزامن هي القيمة من الجدول الأكبر مباشرة من السرعة الاسمية: محرك سرعته $1430\ tr/min$ له $n_s = 1500\ tr/min$ أي $p = 2$.

الإقران: نجمي أم مثلثي؟

لوحة البيانات تحمل توترين، مثل 220/380 V. التوتر الأصغر هو التوتر الذي تتحمله وشيعة واحدة. نقارنه بالتوتر المركب للشبكة $U$:

| لوحة المحرك | شبكة $380\ V$ (بين طورين) | السبب | |---|---|---| | 220/380 V | نجمي (Y) | في النجمي تأخذ الوشيعة $\dfrac{380}{\sqrt3} = 220\ V$ | | 380/660 V | مثلثي (Δ) | في المثلثي تأخذ الوشيعة $380\ V$ مباشرة |


يبيّن الشكل لوحة المرابط: في الإقران النجمي تربط قطعة واحدة الأطراف W2 وU2 وV2، وتصل الشبكة إلى U1 وV1 وW1؛ وفي الإقران المثلثي تربط ثلاث قطع عمودية U1 بـ W2، وV1 بـ U2، وW1 بـ V2.

• عكس اتجاه الدوران: نبادل طورين من أطوار التغذية (بملامسين KM1 وKM2 مع تشابك، وهذا موضوع درس الإقلاع في اتجاهين).
• منفذه المتصدر: الملامس، مع الفاصل الحامل للمنصهرات والمرحل الحراري.

محرك التيار المستمر

سرعته تتناسب تقريبًا مع توتر تغذيته، ويُعكس اتجاه دورانه بعكس قطبية التغذية. يُستعمل في الآليات الصغيرة (باب آلي، مضخة صغيرة، لعب). منفذه المتصدر مرحل (أو مرحلان لعكس الاتجاه) أو مقحل أو جسر من المقاحل.

المحرك خطوة/خطوة

يدور بزاوية ثابتة $\alpha$ عند كل نبضة تصل إلى طابق التحكم فيه، فنعرف وضعيته بعدّ النبضات دون ملتقط. عدد الخطوات في الدورة وسرعة الدوران:

$ N = \dfrac{360°}{\alpha}\qquad n = \dfrac{f}{N}\ (tr/s) $

حيث $f$ عدد النبضات في الثانية. منفذه المتصدر طابق استطاعة بمقاحل يقوده سجل إزاحة أو الدارة SAA1027 أو ميكرومراقب (موضوع الوحدة 6).

منفذات كهربائية أخرى

| المنفذ | يحوّل الطاقة الكهربائية إلى | المنفذ المتصدر | |---|---|---| | مقاومة التسخين | حرارة: $P = \dfrac{U^2}{R}$ | ملامس | | الكهروصمام EV | فتح مجرى سائل أو غاز | مرحل أو ملامس KA | | الكهرومغناطيس، الجرس | قوة جذب، صوت | مرحل | | المصباح الدال | ضوء | مرحل، مقحل |

مثال محلول 1: قراءة لوحة بيانات

لوحة محرك: 380/660 V — 50 Hz — 7,5 kW — 2900 tr/min، والشبكة ثلاثية الطور $380\ V$.

• الإقران: التوتر الأصغر $380\ V$ يساوي توتر الشبكة المركب، فالإقران مثلثي.
• سرعة التزامن: القيمة الأكبر مباشرة من 2900 هي $n_s = 3000\ tr/min$، فـ $p = 1$ (قطبان).
• الانزلاق:

$ g = \dfrac{3000 - 2900}{3000} \approx 3{,}33\ \% $

مثال محلول 2: مقاومة تسخين

مقاومة تسخين مكتوب عليها $2\ kW$ و $220\ V$:

$ I = \dfrac{P}{U} = \dfrac{2000}{220} \approx 9{,}09\ A $

$ R = \dfrac{U^2}{P} = \dfrac{220^2}{2000} = 24{,}2\ \Omega $

مثال محلول 3: محرك خطوة/خطوة

محرك خطوته $\alpha = 1{,}8°$ يتلقى $400$ نبضة في الثانية. عدد الخطوات في الدورة $N = \dfrac{360}{1{,}8} = 200$، فسرعته $n = \dfrac{400}{200} = 2\ tr/s = 120\ tr/min$، ولكي يدور 3 دورات يحتاج إلى $600$ نبضة، أي $1{,}5\ s$.

أخطاء شائعة

• اختيار الإقران حسب التوتر الأكبر في اللوحة: القاعدة هي التوتر الأصغر = توتر الوشيعة.
• حساب الانزلاق بالقسمة على $n$ بدل $n_s$.
• عكس دوران المحرك اللاتزامني «بعكس القطبية»: هذا خاص بمحرك التيار المستمر؛ في ثلاثي الطور نبادل طورين.

6. الملتقطات

تعريف وتصنيف

الملتقط (capteur) يحوّل مقدارًا فيزيائيًا (وضعية، حضور، حرارة، ضوء، ضغط، مستوى…) إلى إشارة كهربائية أو هوائية يستعملها جزء التحكم. نصنّف الملتقطات:

| حسب | الأنواع | أمثلة | |---|---|---| | إشارة الخروج | ثنائي الحالة TOR (tout ou rien): 0 أو 1 | نهاية الشوط، ملتقط الجوار، المحرار ثنائي الحالة | | | تماثلي (analogique): قيمة مستمرة | المقاومة الحرارية CTN، المقاومة الضوئية LDR | | | رقمي (numérique): عدد ثنائي | المرمّز الدوار | | طريقة الكشف | بالتماس / بدون تماس | نهاية الشوط / الحثي والسعوي والكهروضوئي | | مصدر الطاقة | فعّال (actif): يولّد إشارته / منفعل (passif): يحتاج إلى تغذية | المزدوجة الحرارية / CTN وLDR |

ملتقط نهاية الشوط الميكانيكي

قاطعة بتماس مفتوح أو مغلق تُفعَّل حين يضغط الجزء المتحرك على ذراعها أو عجلتها. بسيط ورخيص ويقطع تيارًا معتبرًا، لكنه يحتاج إلى تماس ميكانيكي ويتآكل، ويرتد تماسه (rebonds). مثاله $a_0$ و $a_1$ على الدافعة A.

ملتقطات الجوار (sans contact)

• الحثي (inductif): مذبذب يُنشئ حقلًا مغناطيسيًا متناوبًا أمام وجهه؛ اقتراب جسم معدني يُخمد التذبذب بتيارات فوكو فيتغير الخرج. يكشف المعادن فقط، على مسافة صغيرة (بضعة مليمترات). مداه الاسمي $s_n$ يُعطى للفولاذ، وينقص مع المعادن الأخرى بمعامل تصحيح، والمسافة المضمونة $s_a \leq 0{,}81\,s_n$.
• السعوي (capacitif): يكشف تغيّر السعة أمام وجهه، فيكشف كل المواد: المعادن، والبلاستيك، والخشب، والورق، والسوائل، والمساحيق، ولو عبر جدار غير معدني (مستوى سائل في خزان بلاستيكي). حساس للرطوبة والغبار، ويُضبط بمعدّلة.
• المغناطيسي (ILS: قاطعة بصفائح مرنة): صفيحتان تنغلقان بوجود مغناطيس. يُثبّت على جسم الدافعة ليكشف مغناطيس المكبس.

الملتقطات الكهروضوئية

مرسل (ثنائي ضوئي يبث غالبًا أشعة تحت الحمراء) ومستقبل (مقحل ضوئي). ثلاثة أنماط:


في الشكل (a) نمط الحاجز (barrage): المرسل والمستقبل في علبتين متقابلتين، والجسم يقطع الحزمة. في (b) النمط الانعكاسي (reflex): المرسل والمستقبل في علبة واحدة وعاكس يُرجع الحزمة، والجسم يقطعها. في (c) نمط الانتشار أو التقارب (proximité): الجسم نفسه يعكس الضوء نحو المستقبل.

| النمط | المدى | مزايا | حدود | |---|---|---|---| | الحاجز | كبير (حتى عشرات الأمتار) | الأكثر موثوقية | علبتان وتوصيلان | | الانعكاسي | متوسط | علبة واحدة توصَل | الأجسام اللامعة قد تخدعه (يُستعمل مرشح استقطاب) | | الانتشار | صغير | لا عاكس | يتأثر بلون الجسم وحالة سطحه |

ملتقطات أخرى

• حرارية: المحرار ثنائي الحالة (thermostat) يفتح أو يغلق تماسًا عند عتبة؛ والمقاومة الحرارية CTN تنقص مقاومتها حين ترتفع الحرارة (و PTC تزداد)؛ والمزدوجة الحرارية (thermocouple) تولّد توترًا صغيرًا.
• ضوئية: المقاومة الضوئية LDR تنقص مقاومتها كلما ازدادت الإضاءة.
• الضغط: ملتقط الضغط (pressostat) يغيّر تماسه عند ضغط معيّن.
• المستوى: العوامة (flotteur) أو ملتقط سعوي.
• الوزن: ملتقط وزن يعطي إشارة عند بلوغ كتلة معيّنة.

مثال محلول 1: اختيار الملتقط المناسب

| الحالة | الملتقط المختار | لماذا؟ | |---|---|---| | عدّ قطع فولاذية على بساط | حثي | يكشف المعدن بلا تماس ولا يتآكل | | كشف قارورات بلاستيكية | سعوي أو كهروضوئي | الحثي لا يرى البلاستيك | | كشف صناديق كرتون على بعد $3\ m$ | كهروضوئي حاجز أو انعكاسي | المدى كبير | | وضعية مكبس داخل دافعة جسمها من الألمنيوم | ILS | يكشف مغناطيس المكبس عبر الجسم | | نهاية شوط عربة ثقيلة | نهاية شوط ميكانيكي | بسيط ومتين |

مثال محلول 2: مدى ملتقط حثي

ملتقط حثي مداه الاسمي $s_n = 8\ mm$ (للفولاذ). الجسم المراد كشفه من الألمنيوم، ومعامل التصحيح المعطى $0{,}4$.

$ s_n' = 0{,}4\times8 = 3{,}2\ mm $

$ s_a = 0{,}81\times3{,}2 \approx 2{,}6\ mm $

يجب إذن أن يمر الجسم على مسافة لا تتجاوز $2{,}6\ mm$ تقريبًا من وجه الملتقط؛ على $4\ mm$ لن يُكشف.

ملاحظة للامتحان

> الحثي = معدن فقط؛ السعوي = كل المواد؛ الكهروضوئي = مدى كبير؛ نهاية الشوط = تماس ميكانيكي.

حين يُطلب «علّل اختيار الملتقط» اذكر مادة الجسم و المسافة و ضرورة التماس أو عدمها.

7. الربط بين جزء التحكم والجزء المنفذ

لماذا نحتاج إلى طابق واجهة؟

جزء التحكم والجزء المنفذ لا يتكلمان «اللغة» نفسها: مخرج دارة منطقية أو ميكرومراقب يعطي $5\ V$ وتيارًا لا يتجاوز نحو $20\ mA$ (في PIC16F84A: $20\ mA$ خارجًا من المربط و $25\ mA$ داخلًا إليه)، بينما وشيعة ملامس تحتاج إلى توتر متناوب $24\ V$ أو $220\ V$. لذلك نضع بينهما طابق واجهة (interface) يكيّف المستوى ويعزل الدارتين.

| تكنولوجيا جزء التحكم | إشارة الخرج | كيف تُغذّى المنفذات المتصدرة | |---|---|---| | منطق مربوط بالمرحلات، معقب كهربائي | تماسات مرحلات | تماسات وحدات المراحل تغذّي وشائع الملامسات والموزعات مباشرة | | المبرمج الآلي API | مخارج بمرحلات أو بمقاحل $24\ V$ مستمر | الوشائع تُربط بالمخارج مباشرة (في حدود تيار المخرج) | | دارات منطقية، PIC16F84A | 0 أو $5\ V$، بضعة ميليأمبيرات | يلزم مقحل ومرحل، أو مقرن ضوئي، أو ترياك ضوئي وترياك |

الربط بالمبرمج الآلي


في الأعلى، المداخل: الزر dcy وملتقط نهاية الشوط $a_1$ بين $+24\ V$ والمدخلين I1 وI2، وملتقط ثلاثي الأسلاك من نوع PNP: السلك البني BN إلى $+24\ V$، والأزرق BU إلى $0\ V$، والأسود BK (الخرج) إلى المدخل I3؛ والمشترك COM إلى $0\ V$. في الأسفل، المخارج بمرحلات: المشترك C إلى الطور L للتوتر المتناوب $24\ V$، والمخرجان O1 وO2 يغذّيان وشيعتي KM1 وY1 الراجعتين إلى N.

• الملتقط PNP يصل مخرجه بالموجب ($+24\ V$) حين يكشف؛ والملتقط NPN يصله بالسالب ($0\ V$). يجب أن يناسب نوع الملتقط نوع مداخل المبرمج.
• عدد المداخل المستعملة يساوي عدد الملتقطات والأزرار، وعدد المخارج يساوي عدد الوشائع (الموزع ثنائي الاستقرار يأخذ مخرجين).

واجهة المقحل والمرحل


المخرج RB0 للميكرومراقب يقود المقحل T عبر المقاومة $R_B$؛ المقحل يغذّي وشيعة المرحل KA، والثنائي D على التوازي معها؛ وتماس KA في الأسفل يغذّي وشيعة الملامس KM1 تحت توتر متناوب $24\ V$.

أدوار العناصر (سؤال متكرر):

• المقحل T: يعمل مبدّلة: محصور (bloqué) حين يكون $RB0 = 0$، ومشبع (saturé) حين يكون $RB0 = 1$.
• المقاومة $R_B$: تحدّ من تيار القاعدة وتضمن تيارًا كافيًا للإشباع.
• الثنائي D (ثنائي العجلة الحرة، diode de roue libre): حين ينحصر المقحل، تولّد الوشيعة توترًا عكسيًا كبيرًا قد يُتلف المقحل؛ الثنائي يعطي التيار مسارًا ليتلاشى. يُربط مقلوبًا: مهبطه نحو $+V_{cc}$.
• المرحل KA: يكيّف الاستطاعة ويعزل الدارة الإلكترونية عن دارة التوتر المتناوب.

شرط الإشباع وحساب $R_B$:

$ I_C = \dfrac{V_{cc} - V_{CEsat}}{R_{bob}} $

$ I_{Bmin} = \dfrac{I_C}{\beta_{min}}\qquad I_B = k\,I_{Bmin} $

$ R_B = \dfrac{V_{OH} - V_{BEsat}}{I_B} $

حيث $k$ معامل أمان للإشباع (من 2 إلى 5)، و $V_{OH}$ توتر المخرج في الحالة 1. نختار القيمة القياسية الأصغر مباشرة من $R_B$ المحسوبة، لأن مقاومة أصغر تعطي تيار قاعدة أكبر.

مثال محلول: حساب طابق الواجهة

المعطيات: $V_{cc} = 12\ V$، مقاومة وشيعة المرحل $R_{bob} = 400\ \Omega$، $V_{CEsat} = 0{,}2\ V$، $V_{BEsat} = 0{,}7\ V$، $\beta_{min} = 80$، $V_{OH} = 5\ V$، $k = 2$. القيم القياسية المتوفرة: 4,7 و5,6 و6,8 kΩ.

$ I_C = \dfrac{12 - 0{,}2}{400} = 29{,}5\ mA $

$ I_{Bmin} = \dfrac{29{,}5}{80} \approx 0{,}369\ mA $

$I_B = 2\times0{,}369 \approx 0{,}738\ mA$، ومنه:

$ R_B = \dfrac{5 - 0{,}7}{0{,}738\times10^{-3}} \approx 5{,}83\ k\Omega $

نختار $R_B = 5{,}6\ k\Omega$، فيكون $I_B = \dfrac{4{,}3}{5600} \approx 0{,}77\ mA$، وهو أكبر من $0{,}369\ mA$: المقحل مشبع. واختيار $6{,}8\ k\Omega$ كان سيعطي $0{,}63\ mA$، أي هامشًا أقل من المطلوب $(k = 2)$.

عزل آخر: المقرن الضوئي والترياك الضوئي

• المقرن الضوئي (optocoupleur): ثنائي ضوئي ومقحل ضوئي في علبة واحدة، فيمر الأمر ضوءًا ولا اتصال كهربائي بين الدارتين.
• الترياك الضوئي (opto-triac) مثل MOC3041: يقدح ترياكًا يغذّي حمولة متناوبة (مصباح، مقاومة، محرك صغير) — موضوع الوحدة 7.

المداخل نحو جزء التحكم

• الأزرار وملتقطات نهاية الشوط تُربط بمداخل الدارة المنطقية مع مقاومة سحب (نحو $V_{cc}$ أو نحو الأرض) كي لا يبقى المدخل عائمًا.
• تماس ميكانيكي يقود عدادًا يحتاج إلى دارة ضد الارتداد (قلاب RS).
• الملتقط التماثلي (LDR، CTN) يمر بـ مقارن ليعطي إشارة ثنائية الحالة، أو بمحول تماثلي رقمي ليعطي عددًا (الوحدتان 1 و8).

8. تمارين محلولة بنمط البكالوريا

التمرين 1: محطة ختم الصناديق

التقديم: محطة آلية تضع ختمًا على صناديق من الكرتون تصل على بساط.

دفتر الشروط: حين يضغط العامل على الزر dcy والدافعتان في الراحة ($a_0$ و $b_0$):

• يدور البساط (المحرك M1) حتى يكشف الملتقط $p$ صندوقًا أمام المحطة؛
• يتوقف البساط، وتخرج الدافعة A لتثبيت الصندوق حتى $a_1$؛
• تخرج الدافعة B فتختم الصندوق حتى $b_1$، ثم ترجع حتى $b_0$؛
• ترجع الدافعة A حتى $a_0$؛
• يدور البساط لإخراج الصندوق حتى يزول $p$، ويعود النظام إلى حالته الابتدائية.

الاختيارات التكنولوجية: الدافعة A مزدوجة المفعول $(D = 40\ mm$ و $d = 16\ mm)$ بموزع 5/2 ثنائي الاستقرار؛ الدافعة B أحادية المفعول $(D = 32\ mm$، قوة نابضها في نهاية الشوط $60\ N)$ بموزع 3/2 أحادي الاستقرار؛ ضغط الهواء $6\ bar$؛ المحرك M1 ثلاثي الطور يغذّيه الملامس KM1؛ $a_0$ و $a_1$ و $b_0$ و $b_1$ ملتقطات نهاية شوط.

الأسئلة:

• أكمل جدول الاختيارات التكنولوجية، واقترح نوع الملتقط $p$ مع التعليل.
• لماذا لا يظهر أي أمر للدافعة A في مرحلتي الختم ورجوع B، ولا يظهر أمر لدخول B؟
• أنشئ المتمن من وجهة نظر جزء التحكم واكتب معادلات المخارج.
• احسب قوة تثبيت A، وقوة رجوعها، وقوة الختم النافعة لـ B.

الحل:

1. جدول الاختيارات:

| الأشغولة | المنفذ | المنفذ المتصدر | الملتقطات | |---|---|---|---| | نقل الصندوق | M1 (محرك 3~) | الملامس KM1 | $p$ | | التثبيت | الدافعة A | موزع 5/2 ثنائي الاستقرار ($A^+$ و $A^-$) | $a_0$ و $a_1$ | | الختم | الدافعة B | موزع 3/2 أحادي الاستقرار ($B^+$) | $b_0$ و $b_1$ |

الصندوق من الكرتون فالملتقط الحثي لا يكشفه؛ نختار ملتقطًا كهروضوئيًا (حاجزًا أو انعكاسيًا)، أو ملتقطًا سعويًا إن كانت المسافة صغيرة.

2. موزع A ثنائي الاستقرار: بعد الأمر $A^+$ في المرحلة 2 يحفظ وضعيته، فتبقى A خارجة في المرحلتين 3 و4 دون أمر، ولا ترجع إلا بالأمر $A^-$ في المرحلة 5. موزع B أحادي الاستقرار ولا وشيعة ثانية له: يكفي أن يزول $B^+$ (في المرحلة 4) ليرجع الذراع بالنابض.

3. المتمن من وجهة نظر جزء التحكم:


يبيّن المتمن المراحل من 0 إلى 6: البساط في المرحلتين 1 و6، والتثبيت في 2، والختم في 3، ولا أمر في 4 لأن B ترجع بنابضها، ورجوع A في 5، والعودة إلى المرحلة الابتدائية بالاستقبالية $\overline{p}$.

معادلات المخارج:

$ KM1 = X_1 + X_6 $

$ A^+ = X_2\qquad B^+ = X_3\qquad A^- = X_5 $

4. القوى:

$ S_A = \dfrac{\pi\times0{,}04^2}{4} = 1{,}257\times10^{-3}\ m^2 $

قوة التثبيت $F_s = 6\times10^5\times1{,}257\times10^{-3} \approx 754\ N$.

$ S_A' = \dfrac{\pi\,(0{,}04^2 - 0{,}016^2)}{4} $

أي $S_A' = 1{,}056\times10^{-3}\ m^2$، وقوة الرجوع $F_r = 6\times10^5\times1{,}056\times10^{-3} \approx 633\ N$.

$ F_B = 6\times10^5\times\dfrac{\pi\times0{,}032^2}{4} - 60 $

$ F_B \approx 482{,}5 - 60 \approx 423\ N $

التمرين 2: محرك البساط وحمايته

المعطيات: لوحة بيانات المحرك M1: 220/380 V — 50 Hz — 1,1 kW — 1400 tr/min — $\cos\varphi = 0{,}8$ — $\eta = 0{,}78$؛ الشبكة ثلاثية الطور $380\ V$ و $50\ Hz$. مقتطف من دليل الصانع:

| مجال ضبط المرحل الحراري | المنصهرة aM | |---|---| | من 1,6 إلى 2,5 A | 4 A | | من 2,5 إلى 4 A | 6 A | | من 4 إلى 6 A | 8 A |

الأسئلة: 1. ما إقران المحرك؟ 2. احسب $p$ و $n_s$ و $g$. 3. احسب تيار الخط. 4. اختر المرحل الحراري والمنصهرة. 5. في نمط الصيانة يُشغَّل البساط يدويًا بالزرين S2 (تشغيل) وS1 (توقيف) مع إمساك ذاتي: اكتب معادلة KM1 وبيّن ما يحدث إذا اشتغل المرحل الحراري F1.

الحل:

1. توتر الوشيعة $220\ V$ والشبكة $380\ V$: إقران نجمي.

2. القيمة الأكبر مباشرة من 1400 هي $n_s = 1500\ tr/min$، فـ $p = 2$، و:

$ g = \dfrac{1500 - 1400}{1500} \approx 6{,}67\ \% $

3. $P_a = \dfrac{1100}{0{,}78} \approx 1410\ W$، ومنه:

$ I = \dfrac{1410}{\sqrt3\times380\times0{,}8} \approx 2{,}68\ A $

4. القيمة $2{,}68\ A$ داخل المجال من 2,5 إلى 4 A: نضبط المرحل على $2{,}7\ A$ تقريبًا، والمنصهرة aM عيارها $6\ A$.

5.

$ KM1 = \overline{F_1}\cdot\overline{S_1}\cdot(S_2 + KM1) $

إذا اشتغل F1 فتح تماسه 95-96، فصار $\overline{F_1} = 0$ و $KM1 = 0$: تنقطع تغذية الوشيعة، وينفتح تماس الإمساك، ويتوقف المحرك. ولا يعود إلى الدوران من تلقاء نفسه بعد تبريد المرحل، لأن تماس الإمساك انفتح: يجب إعادة تسليح المرحل ثم الضغط من جديد على S2.

التمرين 3: واجهة التحكم بالميكرومراقب

في نسخة ثانية من المحطة، جزء التحكم ميكرومراقب PIC16F84A. المخرج RB0 $(V_{OH} = 5\ V)$ يقود المرحل KA عبر المقحل T كما في شكل طابق الواجهة، وتماس KA يغذّي وشيعة KM1 تحت توتر متناوب $24\ V$.

المعطيات: مرحل $12\ V$ مقاومة وشيعته $240\ \Omega$؛ $V_{cc} = 12\ V$؛ المقحل: $\beta_{min} = 100$ و $V_{CEsat} = 0{,}2\ V$ و $V_{BEsat} = 0{,}7\ V$؛ معامل الإشباع $k = 2$؛ القيم القياسية: 3,3 و3,9 و4,7 و5,6 kΩ.

الأسئلة: 1. لماذا لا تُربط وشيعة KM1 مباشرة بالمربط RB0؟ 2. احسب $I_C$. 3. احسب $I_{Bmin}$ ثم $R_B$. 4. اختر $R_B$ القياسية وتحقق من الإشباع. 5. ما دور D؟ 6. أكمل جدول التشغيل.

الحل:

1. RB0 يعطي $5\ V$ مستمرًا وتيارًا محدودًا (نحو $20\ mA$)، والوشيعة تحتاج إلى توتر متناوب $24\ V$؛ ثم إن الربط المباشر لا يعزل الميكرومراقب عن دارة الاستطاعة.

2.

$ I_C = \dfrac{12 - 0{,}2}{240} \approx 49{,}2\ mA $

3. $I_{Bmin} = \dfrac{49{,}2}{100} = 0{,}492\ mA$ و $I_B = 2\times0{,}492 = 0{,}983\ mA$:

$ R_B = \dfrac{5 - 0{,}7}{0{,}983\times10^{-3}} \approx 4{,}37\ k\Omega $

4. نختار القيمة الأصغر مباشرة $R_B = 3{,}9\ k\Omega$: $I_B = \dfrac{4{,}3}{3900} \approx 1{,}10\ mA$، وهو أكبر من $0{,}983\ mA$، فالمقحل مشبع. (القيمة 4,7 kΩ تعطي $0{,}91\ mA$ فقط.)

5. D ثنائي العجلة الحرة: يحمي المقحل من التوتر العكسي الذي تولّده وشيعة KA لحظة انحصاره.

6. جدول التشغيل:

| RB0 | حالة T | وشيعة KA | تماس KA | KM1 | المحرك | |---|---|---|---|---|---| | 0 | محصور | غير مغذّاة | مفتوح | غير مغذّى | متوقف | | 1 | مشبع | مغذّاة | مغلق | مغذّى | يدور |