أحدث المقالات

الاثنين، 4 يونيو 2018

المرحل (ريلي) Relay


ما هو المرحل الكهربائي؟

تعريف المرحل الكهربائي (الريلي): هو مفتاح كهروميكانيكي (كهربائي – ميكانيكي) أي يفتح ويغلق دارة كهربائية داخلية عن طريق مرور تيار كهربائي كاف لتوليد مجال مغناطيسي لجذب نقاط التوصيل، ولا يتم التحكم به باليد كالمفتاح الكهربائي العادي. الشكل التالي يوضح مبدأ عمل المرحل (الريلي):

كيف يعمل المرحل؟


قبل البدء بشرح مبدأ عمل المرحل لا بد من أن نفكر في بعض الأسئلة وهي:  
أولاً: كيف تستطيع دارة كهربائية تعمل على فرق جهد قليل أن تتحكم بدارة كهربائية تعمل على فرق جهد 220 فولت؟ 
ثانياً: كيف لا تتداخل الدارة ذات فرق الجهد المنخفض مع الدارة التي تعمل على فرق جهد عالي جدا؟
تكمن الإجابة عن السؤالين السابقين عند معرفة تركيب ومكونات المرحل. فكما نلاحظ في الشكل أعلاه أن المرحل يعتمد في عمله على ملف مغناطيسي يعمل على فرق جهد بسيط نسبيا فيقوم بجذب قطعة الحديد الى منطقة التلامسات لإغلاق الدارة التي تعمل على فرق جهد كبير مثل 220 فولت، ويقوم النابض بإرجاع قطعة الحديد تلك الموجودة في المرحل الى الوضع السابق عند انقطاع التيار الكهربائي.

مما يتكون المرحل وما هي أجزائه؟

يتكون المرحل أو الريلي من الداخل مما يلي:
1- نقاط التوصيل الخاصة بفتح وإغلاق الدارة الكهربائية المربوطة مع المرحل.
2- ملف مغناطيسي يعمل على فرق جهد منخفض نسبيا لجذب نقاط التوصيل.
3- نابض (زنبرك) لإرجاع نقاط التوصيل الى ما كانت عليه عند فصل التيار الكهربائي عن الملف الكهربائي.

شكل المرحل الكهربائي (الريلي)


تتعدد أشكال المرحلات بناء على وظيفتها والشركة التي تصنعها، فمثلا شكل المرحل الخاص بالتلفاز يختلف بالشكل والوظيفة عن المرحل الموجود داخل السيارة. والشكل في الأسفل يعبر عن مجموعة أشكال المرحلات:


أنواع المرحلات Relay Types

تتحدد أنواع المرحلات بحسب التركيب الداخلي والوظيفي لها. فهنالك مصطلحان أساسيان يجب معرفتهما فيما يتعلق بالمرحلات، هما القطب Pole والتحويلة Throw. ويقصد بالمصطلح Pole، القطب الذي سيتحرك لملامسة أو عدم ملامسة نقاط التوصيل والتي بدورها يطلق عليها التحويلة Throw. ففي معظم المرحلات يكون القطب والتحويلة في الوضع الطبيعي قبل تشغيل المرحل إما مفتوحا أو مغلقاً. فإذا كان مفتوحا (وهو النوع الأكثر شيوعا) يطلق عيه المصطلح Normally Open ويتم اختصاره بالحرفين (NO). أما إذا كان المرحل مغلقا بطبيعة الحال، أي أنه سيصبح مفتوحا عند تشغيله فيطلق عيه المصطلح Normally Closed ويتم اختصاره بالحرفين (NC).  والشكل الذي بالأسفل سيوضح ماهية المقصود بـ Normally Closed / Open. أما إذا اشتمل المرحل على كلتا الخياران فتدعى تلك الميزة بـ Make-Before-Break ويرمز لها بالرمز (B-M)، أي أن المستخدم له الحق في اختيار الوضع الذي يريد أن يوضع فيه المرحل من التوصيل.

ملخص بأنواع وطرق تصنيف المرحلات بحسب تركيبها الداخلي ووظائفها:

1- SPST (NO): يعتبر هذا النوع من المرحلات الأكثر انتشاراً على الاطلاق، حيث أن هذا المرحل (الريلي) يتكون من قطب واحد وتحويلة واحدة. وهذا النوع يمثل مفتاحا كهرومغناطيسي مفتوح مادام المرحل لم يتم تغذيته بالكهرباء كما في الشكل التالي:  

2- SPST (NC): يعمل هذا النوع من المرحلات بعكس المرحل السابق، حيث أنه يمثل مفتاحا كهرومغناطيسي مغلقا مادام المرحل لم يتم تغذيته بالكهرباء كما في الشكل التالي:  

3- DPST (NO): يتكون هذا المرحل (الريلي) من قطبين اثنين وتحويلة واحدة. وهذا النوع يمثل مفتاحان كهرومغناطيسيان مفتوحان على الدوام ما لم يتم تغذيت الريلي أو المرحل بالكهرباء كما في الشكل التالي:  

4- SPDT (B-M): يتكون هذا المرحل (الريلي) من قطب واحد وتحويلتان اثنتان. وهذا النوع يمثل مفتاحاً كهرومغناطيسي له خياران اثنان، فإما أن يربط بشكل مفتوح أو أن يكون مغلقا كما في الشكل التالي:  

5- DPDT (B-M): يتكون هذا المرحل (الريلي) من قطبين اثنين وتحويلتان اثنتان. وهذا النوع يمثل مفتاحان كهرومغناطيسيان بأكثر من خيار، فإما أن يربطا بشكل مفتوح أو أن يكونا مغلقان كما في الشكل التالي:  

أماكن تواجد المرحل واستخداماته

هنالك العديد من تطبيقات المرحلات وأماكن تواجدها، أهمها:
1- الحوسبة المبكرة: قبل استخدام الأنابيب المفرغة والترانزستورات، كانت المرحلات تستخدم كعناصر منطقية في الحواسيب الرقمية. من الأمثلة عليها أجهزة الكمبيوتر الكهربائية الميكانيكية مثل (الكمبيوتر) ARRA ، جامعة هارفارد مارك الثاني، Zuse Z2، وZuse Z3. حيث كانت المرحلات تستخدم في التصاميم المنطقية آنذاك.
2- توجد المرحلات في جميع أنواع السيارات، وخاصة الحديثة منها والتي تشمل على مجسات Sensors.
3- يقوم المرحل بعزل بطارية السيارة، وكثيرا ما يستخدم ترحيل 12 فولت لعزل أي بطارية ثانوية إن وجدت في السيارات، كسيارات الدفع الرباعي، والسيارات الترفيهية والقوارب.
4- يتواجد المرحل أو مجموعة من المرحلات في جميع الأجهزة الكهربائية بشكل عام وخاصة تلك التي تشمل بداخل داراتها الكهربائية على فروق جهد متباينة ومختلفة مثل التلفاز، المصابيح الذكية، شاشات الحواسيب وجميع أجهزة التحكم عن بعد. 
5- تدخل المرحلات في تضخيم الإشارات الرقمية، وخاصة في نهاية الأسلاك الطويلة.
6- يقوم المرحل في التحكم في دائرة الجهد العالي مع إشارة الجهد المنخفض، كما هو الحال في بعض أنواع أجهزة المودم أو مضخمات الصوت.
7- كشف وعزل الأعطال في خطوط النقل والتوزيع عن طريق فتح وإغلاق قواطع الدائرة والتي تدعى (مرحلات الحماية).
8- تدخل المرحلات في بعض الوظائف المنطقية والتي تحقق دالة المنطق والوظيفة عن طريق توصيل جهات اتصال الترحيل المفتوحة، فمثلا، الدالة OR يتم انشائها عن طريق توصيل جهات الاتصال المفتوحة بشكل متوازي. بينما يتم تنفيذ وظائف مماثلة كـ NAND وNOR باستخدام جهات الاتصال المغلقة.
9- لأن المرحلات أكثر مقاومة من أشباه الموصلات بالنسبة الى الإشعاع النووي، فإنها تستخدم على نطاق واسع في منطق السلامة الحرجة، كلوحات التحكم لآلات معالجة النفايات المشعة.
10- يمكن تعديل المرحلات لتأخير فتح أو تأخير إغلاق مجموعة من جهات الاتصال وهذا ما يعرف بوظائف تأخير الوقت.
11- التحول إلى إمدادات الطاقة الاحتياطية كجهاز تخزين الكهرباء أو ما يعرف بالـ UPS كما في الشكل التالي:

وظيفة المرحل ومميزاته

1- الربط والتنسيق بين الدارات التي تعمل على فرق جهد منخفض وفرق جهد عالي أي الربط بين الدارات الكهربائية المختلفة في فرق الجهد كما في الشكل الثالث من الأسفل.
2- العزل الكهربائي التام بين الدارات الكهربائية المختلفة في فرق الجهد.
3- الأمان: يمتاز المرحل بالتغليف الممتاز وعدم تسريبه للشرارة الكهربائية الناتجة عن تلامس نقاط التوصيل الخاصة بفرق الجهد العالي.
4- الاستقرار  Stability and Consistencyوعدم التأثر بالعوامل الخارجية كالهزات الناتجة من التحرك ودرجات الحرارة المتفاوتة.

الكهرباء التي تعمل عليها المرحلات

هنالك العديد من أنواع المرحلات والتي يعمل كل منها على فرق جهد مختلف. لكن معظم المرحلات تعمل على فرق جهد يتراوح من 12 فولت وحتى 48 فولت. أما في الجهة المقابلة للمرحل (أي عندما يعمل كطرف توصيل)، فهو يتحمل تيارا كهربائيا يتراوح من 6 الى 250 أمبير ومع هذا، يجب على الشخص قراءة دليل المستخدم الخاص بالمرحل قبل تركيبه، أو قراءة ما كتب عليه كما في الشكل التالي:

عيوب المرحلات

على الرغم من تعدد مزايا المرحلات واستخداماتها كما ذكرنا سابقا، إلا أن هنالك بعض العيوب المصاحبة للمرحل الكهربائي التي من شأنها التقليل من أداء بعض الدوائر الكهربائية والالكترونية والتي تشمل بداخل داراتها تلك المرحلات. فكما نعلم إن جذب الملف الكهربائي المغناطيسي لقطعة الحديد من أجل إغلاق المرحل قد يتطلب وقتا، وذلك لأن المرحل يحتوي أجزاء حركية عند قيامه بإغلاق وفتح الدارة. وهذا الوقت على الرغم من كونه سريع بالنسبة لنا، إلا أنه بطيء نسبيا عند تكرار العملية لمئات المرات.
إضافة الى ذلك، ومع كثرة الحركة الميكانيكية للقطع داخل المرحل فقد يعرض أجزائه الداخلية للتلف. وأخيرا، عند ربط المرحل بالدارة بشكل خاطئ، ذلك من شأنه تدمير الملف الكهرومغناطيسي الذي بداخل المرحل وخاصة عند ربطه بقرق جهد عالي واشتعال المرحل كما في الشكل التالي:

 كيف يتم ربط المرحل بالأردوينو؟

كما نعلم، فإن معظم المرحلات تعمل على فرق جهد يبدأ من 12 فولت. ومن هنا تكمن المشكلة في أن لوح الأردوينو ليس باستطاعته أن يخرج أكثر من 5 فولت. لحل هذه المشكلة هنالك طريقتان:
الطريقة الأولى: ربط ترانزستور مع المرحل باستخدام مصدر طاقة أو فرق جهد خارجي كما في الشكل التالي:

الطريقة الثانية: احضار لوحة مرحل جاهزة متوافقة مع بوردة الأردوينو كما في الشكل التالي:


عزيزي القارئ إذا كان لديك أي سؤال فيما يتعلق بالمرحلات فلا تتردد في كتابته في التعليقات التي بالأسفل.