في العديد من مشاريع الإضاءة، غالبا ما تكون المعلمات البصرية محور التصميم والاختيار والتقييم، مثل فعالية الإضاءة، توزيع الضوء، UGR، ومؤشر عرض الألوان. ومع ذلك، في الواقع، غالبا ما تشير مشاكل مثل عدم السطوع الكافي في نهاية شريط LED، أو السطوع غير المستقر، أو وميض غير طبيعي للمشغل، أو فشل مبكر إلى عامل آخر أقل تقديرا—وهو انخفاض الجهد.

انخفاض الجهد ليس معامل منتج، ولا يظهر في ورقة البيانات، لكنه يؤثر بشكل عميق:

• تشغيل مستقر لمصابيح LED؛
• اتساق السطوع وإعادة إنتاج الألوان في نظام شرائط LED؛
• الإجهاد الحراري وعمر السائق على المدى الطويل؛
• كفاءة الطاقة وسلامة نظام الإضاءة بالكامل؛

من شريط الإضاءة منخفض الجهد إلى نظام التيار المتردد عالي الجهد، ومن مزود الطاقة السلبي إلى دوائر الدافع التعويضية النشطة، فإن انخفاض الجهد لا يسبب فقط مشاكل في السطوع المرئي وتغير اللون، بل قد يؤدي أيضا إلى فقدان السيطرة الحراري وتحفيز آليات الحماية الكهربائية داخل السائق، مما يؤثر في النهاية على عمر المصباح بالكامل.

سيركز هذا المقال على أنظمة إضاءة LED، مع تحليل عميق للمصادر، ومسارات الصدمات، ومظاهر وآليات فشل انخفاض الجهد، وتقديم حلول هندسية لمختلف بنى الأنظمة.

01 ما هو انخفاض الجهد؟ كيف يؤثر على المصباح الكهربائي؟

في الدائرة، عندما يمر التيار عبر السلك، فإن مقاومة السلك نفسها "تستهلك" جزءا من الجهد، مما يؤدي إلى فرق بين جهد خرج مصدر الطاقة والجهد الذي يستلمه المصباح.

يسمى هذا الفرق بانخفاض الجهد. تشمل العوامل الرئيسية التي تؤثر عليها:

• طول السلك: كلما زادت المسافة، زاد انخفاض الجهد.
• سمك السلك: كلما كان السلك أرق، زادت المقاومة.
• تدفق التيار: تتعرض الأنظمة ذات التيار العالي لانخفاض جهد أكبر وبشكل كبير.
• مادة الموصل: الأسلاك النحاسية أفضل من أسلاك الألمنيوم.

يمكنك التفكير في الدائرة بأكملها كأنبوب ماء: ضغط الماء يمثل الجهد، وتدفق الماء يمثل التيار. إذا كان الأنبوب رفيعا وطويلا جدا، وكمية كبيرة من الماء يتدفق، فإن ضغط الماء من الصنبور بالتأكيد لن يكون كافيا—وهذا هو الحدس الفيزيائي لانخفاض الجهد. بالنسبة لإضاءة LED، فإن عواقب ضغط الماء غير الكافي ليست بسيطة.:

• شرائط LED منخفضة الجهد: تغمق الأطراف وتتحول إلى اللون الأحمر، مما يؤدي إلى تشويه اللون.
• تركيبات الإضاءة عالية الجهد: تعويض التحميل العالي للسائق يمكن أن يسبب ارتفاع درجة الحرارة، أو الوميض، أو حتى الاحتراق المبكر.

علاوة على ذلك، الأمر لا يتعلق فقط بما إذا كان "مشرقا أم لا"، بل قد يكون أيضا "ما إذا كان يمكن للمرء أن ينجح".

02 من أين يأتي انخفاض الجهد؟ يبدو الأمر بسيطا، لكنه منهجي للغاية.

جوهر انخفاض الجهد هو أنه عندما يمر التيار عبر موصل مقاوم، يتم "استهلاك" جزء من الجهد على طول الطريق. على الرغم من أنه في الفيزياء هو ببساطة V=IR، إلا أنه في أنظمة الإضاءة الفعلية غالبا ما يكون تجسيدا ديناميكيا ناتج عن تراكب عوامل متعددة. العوامل المؤثرة الشائعة:

• طول الخط: كلما طال الخط، زادت المقاومة وزاد انخفاض الجهد الكهربائي.
• مواصفات الكابل: كلما كان السلك أرق (مساحة المقطع العرضية أصغر)، زادت المقاومة.
• مقدار تيار الحمل: كلما زادت قدرة النظام وزاد التيار، زاد انخفاض الجهد الكهربائي.
• مادة الموصل: النحاس أفضل من الألمنيوم، مما يؤدي إلى انخفاض جهد أقل لنفس المواصفات.
• مستوى جهد النظام: الأنظمة منخفضة الجهد أكثر حساسية لانخفاض الجهد (انظر الجزء 3 للتفاصيل).

تأثير التسخين غير الخطي: على الرغم من أن انخفاض الجهد مرتبط خطيا بالتيار، إلا أن تسخين الخط يزداد بشكل أسي. أي أنه عندما يزداد التيار بنسبة 50٪، يزداد انخفاض الجهد بنسبة 50٪ فقط، لكن طاقة تسخين الخط سترتفع إلى 2.25 ضعف قيمتها الأصلية، مما يؤدي بسهولة إلى النتائج التالية:

• ارتفاع درجة حرارة السلك بشكل مفرط
• ارتفاع درجة الحرارة، تغير اللون، أو حتى ذوبان أطراف الأسلاك
• تعتيق مدخل وحدة الإضاءة
• جهد إدخال السائق ينخفض خارج نطاق تشغيله، مما يؤدي إلى تفعيل آلية الحماية أو التسبب في احتراق

غالبا ما تكتشف هذه "العيوب غير المرئية" عندما تومض الأضواء، أو تقلل من السطوع، أو تفشل مبكرا في العمل، عندما تكون نافذة الوقاية قد انتهت.

صورة: سطوع ضوء غير ثابت ناتج عن انخفاض الجهد في شريط LED (صورة من الإنترنت)

03 التيار المستمر منخفض الجهد مقابل التيار المتردد عالي الجهد: بنية النظام تحدد الحساسية.
يمكن تقسيم أنظمة إضاءة LED بشكل عام إلى فئتين::

1. نظام التيار المستمر منخفض الجهد (LVDC): مثل شرائط LED بجهد 12V/24V
2. أنظمة التكييف عالية الجهد (HVAC): مثل تركيبات الإضاءة التي تعمل بتيار متردد 220 فولت (مصابيح سفلية، أضواء لوحية، مصابيح، إلخ)

هذان النوعان من الأنظمة لهما آليات استجابة مختلفة تماما لانخفاض الجهد: أحدهما هو "التعتيم المباشر"، والآخر هو "إجهاد السائق".

3.1 نظام الجهد المنخفض: لماذا يصبح شريط LED أكثر تعتما كلما تحركت من خلاله؟

خذ طاقة 60 واط كمثال:

• تيار النظام 12 فولت: 60 / 12 = 5 أمبير
• تيار النظام 220 فولت: 60 / 220 ≈ 0.27 أمبير

تحت نفس ظروف الدائرة، يمكن أن يكون التيار في نظام الجهد المنخفض أكثر من 15 ضعف تيار النظام عالي الجهد، وبما أن هبوط الجهد يتناسب طرديا مع التيار، فإن هذا يؤدي إلى:

• انخفاض جهد كبير:النظام منخفض الجهد قد يخفض 2 فولت، وهو بالفعل 16٪–20٪ من إجمالي الجهد.
• النسبة لها تأثير أكبر:إذا قطع شريط LED بجهد 12 فولت 2.5 فولت، قد تصبح الأطراف باهتة أو تتغير لونها.

بالإضافة إلى ذلك، قد تظهر شرائط إضاءة RGB انزياح لوني بسبب قيم Vf غير متسقة للشرائح الثلاث (حيث يطفئ الأزرق والأخضر أولا، ويبقى الأحمر فقط)، وهو تعبير نموذجي لعدم تطابق انخفاض الجهد.

3.2 نظام الجهد العالي: السائق "يكافح"

معظم مصابيح LED بجهد 220 فولت تحتوي على برنامج تشغيل مدمج (مزود طاقة تحويلي)، والذي يمتلك قدرة تكيفية معينة على جهد الإدخال (مثل نطاق 100–240 فولت).

خصائص الأداء:

• عندما يحدث انخفاض بسيط في الجهد: يقوم السائق بضبط دورة عمل التبديل بنشاط لتثبيت تيار الخرج.
• عندما يكون انخفاض الجهد عميقا جدا: يتم تفعيل حماية الجهد المنخفض (UVLO)، وينطفئ المصباح بالكامل فجأة.
• التعرض المطول لظروف الحواف: زيادة حمل السائق، قصر العمر الافتراضي، وحتى فشل حراري في MOSFET.

ميزة هذه الآلية هي أن المستخدمين لا يستطيعون رؤية التغير في السطوع، لكن مخاطر النظام تكون مخفية داخليا، مما يفرض متطلبات أعلى على موظفي الصيانة والمصممين.

04 ما الذي يتغير بالضبط انخفاض الجهد؟ من "تعتيم الأضواء" إلى "فشل النظام"؟
انخفاض الجهد لا يسبب مباشرة انطفاء الضوء، لكنه يضعف تدريجيا استقرار وثبات نظام الإضاءة بطريقة منهجية. يمكننا فهم مسار تأثيره من ثلاثة مستويات:

4.1 المظاهر البصرية: سطوع غير متسق، تظلم، ألقى ألوان

• شريط الضوء يصبح أكثر خفتا كلما تحركت.
  يوجد عادة في مشاريع شرائط LED بجهد 12V/24V، يكون ساطعا في البداية ويتحول إلى اللون الأحمر أو تغير اللون في النهاية، وهذا ملحوظ بشكل خاص في أنظمة RGB. السبب هو عدم كفاية جهد الإدخال في الشريحة بسبب انخفاض الجهد، وعدم توازن جهد الجهد الأمامي (Vf) يسبب اختلاف اللون.
• سطوع غير ثابت في عدة أضواء سفلية/كشافات
  داخل نفس الدائرة، تكون الأضواء الأقرب إلى مصدر الطاقة أكثر سطوعا، بينما الأضواء البعيدة تكون أكثر خفتة، مما يؤدي إلى ضعف اتساق تدفق الضوء ويؤثر على التأثير البصري العام ودقة التصميم.
• وميض موضعي في مصدر الطاقة لمسافات طويلة
  عندما يكون الجهد عند حافة عتبة بدء تشغيل السائق، فإنه يؤدي إلى تشغيل وإيقاف دوري للمستخدم، والذي سيكون مرئيا للمستخدم كومض.

هذه التغيرات البصرية لا تقتصر على تدهور جودة الإضاءة فحسب، بل يمكن تشخيصها بسهولة على أنها "مشاكل في جودة المصباح" أو "عدم استقرار السائق"، بينما تتجاهل مشاكل مصدر الطاقة النظامي.

4.2 استجابة السائق: من التعويض إلى ارتفاع درجة الحرارة إلى الضرر

بالنسبة لمصابيح LED عالية الجهد (مثل المصابيح السفلية، الكشافات، والمصابيح الصناعية)، فإن "الضحايا" الرئيسيين لانخفاض الجهد هم في الواقع مصدر الطاقة. ويظهر كالتالي:

• التشغيل المستمر بحمل عالي:للحفاظ على تيار ثابت في الخارج، يقوم السائق بزيادة وقت تشغيل ترانزستور التبديل بنشاط، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة.
• العمل في حالة حرجة:عندما يكون جهد الإدخال قريبا من الحد الأدنى لبدء التشغيل، قد يحدث وميض أحيانا، أو قد يتم تفعيل حماية الجهد المنخفض.
• تراكم الأضرار طويلة الأمد:المكونات الأساسية مثل MOSFETs والمكثفات الكهربائية تتعرض لإجهاد عالي لفترات طويلة، مما يؤدي إلى تقصير عمر افتراضي بشكل كبير.

باختصار: انخفاض الجهد لن يحرق المصباح، لكنه سيحرق السائق.

4.3 ثغرات استقرار النظام: صعبة الكشف، صعبة التشخيص، ولها عواقب خطيرة.

• غير مرئي أثناء مرحلة البناء
  أثناء التركيب الأولي والاختبار، يجب أن يكون الضوء مضاءا دون أي شذوذات واضحة. غالبا ما تظهر المشاكل فقط بعد عدة أشهر من استخدام الجهاز.
• من الصعب تحديد الموقع أثناء الصيانة
  تركيبات الإضاءة تعمل بوضوح، وتم استبدال السائق، لكن الأضواء لا تزال تومض بشكل متقطع أو السطوع غير مستقر. لكن السبب يكمن في انخفاض الجهد عبر الخط، الذي يقع على بعد عشرات الأمتار.
• تكاليف الصيانة العالية
  إذا كانت نقاط العطل موزعة على نطاق واسع، غالبا ما يتطلب الأمر إعادة توصيل أو استبدال الكابلات ذات المقطع العرضي الأكبر، وهو أكثر تكلفة بكثير من الاستثمار الأولي.

في التصميم الهندسي، فإن انخفاض الجهد ليس من مسؤولية مورد تركيبات الإضاءة ولا مسؤولية مورد نظام التحكم. غالبا ما يتم تجاهلها في التصميم أو يختار فريق البناء الأسلاك بناء على الخبرة، مما يصعب تحديد المسؤولية ومنع المشاكل.

استراتيجيات استجابة انخفاض الجهد 05: من "التحقق" إلى "التصميم المتكرر"
كيف يمكننا تجنب أو تقليل تأثير انخفاض الجهد خلال مراحل التصميم والبناء؟ إليك بعض الاستراتيجيات الشائعة والقابلة للتنفيذ:

5.1 يجب إجراء حسابات انخفاض الجهد قبل اختيار الكابل.

استخدم قانون أوم أو جدول البحث لتقدير انخفاض الجهد، مع التأكد من أن الجهد في النهاية يبقى ضمن نطاق التشغيل الطبيعي للجهاز.

صيغة حساب انخفاض الجهد (تيار متردد أحادي الطور)：

من بينها:

ΔV:انخفاض جهد (V)

L:طول الكابل (م)

I:الحالي(A)

ρ:مقاومة الموصل (النحاس 0.0175)

ج: مساحة المقطع العرضي للموصل (مم²)

التوصية: يجب أن يبقى إجمالي انخفاض الجهد ضمن 3٪ إلى 5٪ من جهد النظام.

5.2 التخطيط المسبق لإمداد الطاقة المقسم أو التعويض عن بعد

• يجب أن تستخدم أنظمة شرائط LED مزود طاقة مجزأ أو مزود طاقة ثنائي الطرف.
• يمكن للتركيبات واسعة النطاق اعتماد بنية وحدة مركزية لتزويد الطاقة + خط جهد ثابت + وحدة محلية تخفض.

يمكن لبرامج التشغيل التي تحتوي على وظيفة تغذية راجعة الجهد عن بعد تعويض فقدان الخطوط بدقة.

صورة: مزود طاقة مقسم ومزود طاقة مزدوج الطرف لشرائط LED (صورة من الإنترنت)

5.3 التكرار ليس نفاية، بل هو شكل من أشكال التأمين النظامي.

• زد قطر السلك بشكل مناسب (مثلا من 1.5 مم² إلى 2.5مم²).
• عند استخدام جهد منخفض لمسافات قصيرة، ينصح ب 24 فولت أكثر من 12 فولت.
• يجب أن يأخذ تصميم الخط في الاعتبار "مقاومة الحلقة" بدلا من مجرد المسافة.

انخفاض الجهد ليس مسألة "ما إذا كان موجودا"، بل هو حد "ما إذا كان قد تسبب في مشكلة". كلما كان التصميم الهندسي أكثر صرامة، زادت استقرارية النظام.

06 نظام الإضاءة ليس مشروعا رقعيا، بل هو مشروع هندسي كامل.
في عصر إضاءة LED، اعتدنا على استخدام مؤشرات جودة الضوء "المرئي" مثل مؤشر عرض اللون، واتساق درجة حرارة اللون، وانخفاض معدل الرطوبة العريضة، والتحكم في الحزمة، كما نحب التركيز على المفاهيم "المتقدمة" مثل التصميم البصري، والتحكم الذكي، وصحة الإيقاع اليومي. ومع ذلك، كلما حسنت هذه الأنظمة قدراتها، كلما اضطررنا إلى تجاهل العوامل الهندسية الأساسية التي تقع تحت فئة "توزيع الطاقة".

انخفاض الجهدهو المثال الأكثر تمثيلا: لا يظهر في حسابات الإضاءة أو يظهر في جدول معلمات اللومينير، لكنه يمكنه خفض مستوى الأداء الأساسي للنظام بشكل صامت. كلما كان المشروع أكبر، وزادت تعقيد الدوائر، وكلما زادت مسافة الطرف، زادت احتمالية أن يصبح انخفاض الجهد "قاتلا مخفيا" لا يمكن تحديده بسرعة.

يجعل المنتجات الجيدة "غير قابلة للاستخدام"، ويجعل الأقراص المستقرة تتوقف عن العمل بشكل غير مبرر، وتسبب في ظهور أعطال تبدو "غير قابلة للتفسير" في أنظمة التحكم. يمكن فعليا تجنب هذه المشاكل في المراحل المبكرة من التصميم—بشرط أن نتعامل مع نظام الإضاءة كنظام هندسي كامل، وليس مجرد مزيج من وحدات الإضاءة ووحدات التحكم.

نظام الإضاءة المستقر والفعال والقابل للتحكم ليس مجرد تراكب للضوء، بل هو نظام تآزري من الضوء والكهرباء والتحكم. فقط من خلال تقدير منطق "الكهرباء" يمكننا حقا الحفاظ على جودة "الضوء".