مدار الکتریکی چیست؟

الکتریسیته یکی از رایج‌ترین فرم‌های انرژی بوده که به‌سادگی به حالت‌های دیگر مانند جابجایی، حرارت، نور و غیره تبدیل می‌شود. برای استفاده عملی از این انرژی باید آن را کنترل کرده و به فرم های دیگر تبدیل کرد. به‌عنوان‌مثال تبدیل انرژی الکتریکی توسط الکتروموتورها به انرژی مکانیکی را در نظر بگیرید. در این روش الکتریسیته باعث دوران الکتروموتور و درنتیجه به حرکت در‌آمدن ماشین‌آلات خواهد شد. نکته‌ی بسیار مهم در تبدیل انرژی الکتریکی ایجاد یک حلقه‌ی بسته برای عبور آن است. این حلقه به‌صورت کلی مدار الکتریکی نام داشته و شامل اجزای اصلی و تکمیلی می‌شود.
از اجزای اصلی در مدارهای الکتریکی می‌توان به منبع، سیم‌های رابط و بار اشاره کرد. حذف هریک از اجزای اساسی باعث توقف تبدیل انرژی الکتریکی به سایر فرم ها خواهد شد. طبق تصویر زیر و جهت افزایش قابلیت‌های کنترلی و ایمنی از اجزای دیگری مانند کلید، فیوز و لوازم اندازه‌گیری نیز در مدار استفاده می‌شود. این المان‌ها از اجزای تکمیلی محسوب شده و در پروسه‌ی تبدیل انرژی نقشی ندارند.

تصویر 1 مدار الکتریکی شامل: (1) منبع تغذیه، (2) فیوز، (3) سوئیچ، (4) آمپر متر و (5) موتور

آنچه در این مقاله می خوانید−

مدار الکتریکی چیست؟

منبع الکتریکی

انرژی الکتریکی به شکل های مختلفی تولید می شود. از روش های پرکاربرد تولید انرژی الکتریکی می توان به فعل و انفعال های شیمیایی، نور و میدان مغناطیسی اشاره کرد. انرژی مورد نیاز مدار توسط منبع الکتریکی تأمین شده که می‌تواند یکی از حالت‌های مستقیم یا متناوب را داشته باشد. به‌صورت کلی این منبع باعث ایجاد اختلاف‌پتانسیل در مدار شده و الکترون‌های آزاد را از سیم‌های رابط به سمت بار هدایت می‌کند. تاکید می شود که جهت ایجاد و تبدیل انرژی الکتریکی باید بین قطب های مولد، اختلاف پتانسیل یا ولتاژ وجود داشته باشد. میزان اختلاف‌پتانسیل در یک منبع الکتریکی با واحد ولت اندازه‌گیری شده که می‌تواند باعث عبور جریان در مدار شود. جریان الکتریکی یا همان عبور الکترون‌های آزاد نیز با واحد آمپر اندازه‌گیری شده و معرف عبور مقدار مشخصی از الکترون‌ها در زمان و مسیر مشخصی از مدار است.

عبور \(6.28\times 10^{18}\) یا \(6,280,000,000,000,000,000\) الکترون در 1 ثانیه معادل 1 آمپر است.

نحوه ی قرار گیری قطب های منبع ولتاژ در مدار، جهت جریان الکتریکی را تعیین می کند. میزان اختلاف ولتاژ منبع نیز تعیین کننده ی میزان شدت جریان مدار خواهد بود.

منبع جریان مستقیم

منابع جریان مستقیم با عبارت DC به معنی Direct Current شناخته می شوند. جهت جریان در این منابع به صورت ثابت و از قطب مثبت به قطب منفی است. جهت جریان و پلاریته ی منبع DC نسبت به زمان تغییر نمی کند. منابع مستقیم یا DC در مدارهای جریان مستقیم استفاده می شوند. از منابع DC می توان به ژنراتورهای جریان مستقیم، باتری، پاور و پنل خورشیدی اشاره کرد. در تصویر یک مدار شامل منبع تغذیه ی DC، سیم های رابط و بار را مشاهده می کنید. صرف نظر از نوع منبع تغذیه، روش عملکرد و تبدیل انرژی در مدارهای DC یکسان است. همانطور که مشاهده می کنید جریان الکتریکی از قطب مثبت خارج شده و با عبور از بار به قطب منفی باز می گردد.

تصویر 2 منبع و مدار جریان مستقیم

منبع جریان مستقیم ممکن است به شکل های مختلفی نمایش داده شود. از اطلاعات بسیار مهم منبع جریان مستقیم می توان به وضعیت قطب ها، ولتاژ و جریان آن اشاره کرد. در تصویر دو مدل گرافیکی منبع جریان مستقیم را مشاهده می کنید.

تصویر 3 منبع جریان مستقیم

منبع جریان متناوب

جریان متناوب با حروف AC به معنی Alternative Current شناخته می شود. جهت و دامنه ی ولتاژ در مدارهای متناوب به صورت منظم تغییر می کند. تغییر ولتاژ به صورت منظم باعث تغییرات شدت جریان با همان ریتم در مدار خواهد شد. در نظر داشته باشید که هرگونه تغییر در پلاریته یا دامنه را نمی توان به صورت AC تعریف کرد. آهنگ تغییرات پلاریته و دامنه ی ولتاژ در مدارهای AC کاملا منظم بوده و در بازه های خاصی تکرار می شود. با توجه به تغییرات پلاریته در منابع AC از عبارت های + و – برای نمایش قطب ها استفاده نمی شود. از پارامترهای منبع تغذیه ی متناوب می توان به ولتاژ، فرکانس و جریان اشاره کرد. با توجه تغییرات ولتاژ در منابع AC، کمیت های دیگری مانند اختلاف فاز، توان اکتیو، راکتیو و ظاهری نیز تعریف می شود. منابع تغذیه ی AC می توانند بیشتر از دو پایانه یا ترمینال داشته باشند. به عنوان مثال در تولید و انتقال انرژی الکتریکی اغلب از منابع و شبکه های AC به صورت 3 فاز استفاده می شود. در تصویر یک مدار بسته ی جریان متناوب شامل منبع، سیم های رابط و بار را مشاهده می کنید.

تصویر 4 مدار جریان متناوب

هادی‌ها

انرژی الکتریکی با جاری شدن الکترون های آزاد ایجاد می شود. به منظور جاری کردن الکترون ها و هدایت آن ها به سمت بار باید از مسیر مشخصی استفاده کرد. مسیر عبور جریان الکتریکی توسط انواع هادی ها ایجاد می شود. در واقع هادی ها باعث اتصال بار به منبع تغذیه و تشکیل یک مدار کامل می شوند. هادی ها شکل های بسیار متنوعی دارند. از هادی های مهم می توان به سیم، کابل و شینه اشاره کرد.

تصویر 5 هادی‌های استفاده شده در مدار

هادی‌ها باید بر اساس ولتاژ و جریان عادی و حالت‌های خاص مانند اتصال کوتاه انتخاب شوند. از نکات مهم در انتخاب هادی می‌توان به قدرت عایقی، میزان مقاومت آن در برابر شرایط محیطی، سطح مقطع، میزان تحمل جریان اتصال کوتاه، میزان افزایش دما در اثر عبور جریان، میزان افت ولتاژ و غیره اشاره کرد.

تصویر 6 مدار جریان مستقیم شامل باتری، سیم های رابط و بار

بار الکتریکی

تبدیل انرژی الکتریکی به سایر فرم‌های انرژی توسط بار الکتریکی انجام می‌شود. عبارت بار یا Load به‌صورت کلی به تمام تجهیزاتی گفته می‌شود که انرژی الکتریکی را دریافت کرده و آن را تبدیل می‌کنند. به‌ عنوان‌ مثال الکتروموتور، لامپ، سیستم‌های تهویه و غیره از مدل‌های مختلف بار در یک مدار الکتریکی هستند.

عبور الکترون‌ها از مدار و بار متصل شده به آن باید با آهنگ ثابتی انجام شود. به عبارت دیگر میزان ولتاژ و جریان در مدار باید مقدار مشخصی داشته و مطابق با بارهای نصب شده در آن باشد. خارج شدن کمیت‌های اساسی مانند ولتاژ و جریان از محدوده‌ی مجاز می‌تواند خسارت‌های زیادی را به مدار و بارهای متصل شده به آن وارد کند. جهت مشخص کردن حالت غیرعادی و جلوگیری از خسارت‌ها، از سیستم‌های حفاظت ولتاژ و جریان در مدار استفاده می‌شود.

اطلاعات بیشتر در خصوص تجهیزات سوئیچ، کنترل و حفاظت از مدارهای الکتریکی را می‌توانید در بخش مقالات آموزش مدار فرمان، بریکرهای فشار ضعیف، راه‌اندازی الکتروموتورهای سه فاز و تاسیسات الکتریکی مطالعه کنید.

جدا کننده ها

برای یک مدار کامل نیاز به منبع تغذیه، سیم های رابط و بار است. اتصال این ادوات به یکدیگر باعث جاری شدن جریان و تبدیل انرژی الکتریکی به سایر فرم ها خواهد شد. منبع تغذیه می تواند ولتاژ و جریان بالایی داشته باشد. در این حالت اتصال مستقیم هادی ها به آن برای روشن و خاموش کردن بار میسر نیست. از طرفی هنگام اتصال هادی ها ممکن است خطرات دیگری مانند شوک و آتش سوزی نیز رخ بدهد. برای ایمن و راحت تر کردن پروسه ی خاموش و روش کردن بار از انواع جداکننده استفاده می شود.

جداکننده ها از نظر مکانیزم قطع و وصل، تعداد کنتاکت، روش عملکرد و غیره می تواند مدل های بسیار متنوعی داشته باشند. در اغلب مدارها از کلیدهای قابل قطع و وصل تحت بار نامی برای خاموش و روشن کردن بارها استفاده می شود. مسائل مربوط به کلیدها و انواع آن ها در بخش های دیگر به صورت کامل شرح داده شده است. از کلیدها برای ساخت مدارهای خودکار نیز استفاده می شود.

در تصویر قرار گرفتن یک کلید بین بار و منبع تغذیه برای خاموش و روشن کردن سیستم را مشاهده می کنید. تعداد کنتاکت های کلید با توجه به نوع بار و مدار تعیین می شود. به عنوان مثال در یک مدار DC می توان یک کلید تک کنتاکت تعبیه کرد. قطع کردن کلید باعث باز شدن مدار و قطع شدن جریان الکتریکی می شود. قطع شدن جریان الکتریکی به معنی توقف تبدیل انرژی است. کلید در حالت بسته باید توانایی تحمل جریان عبوری نرمال و جریان خطا را داشته باشد.

تصویر 7 قرار دادن کلید بین منبع تغذیه و بار

تجهیزات کنترلی

برای ساخت مدارهای خودکار به قطع کننده ها و ادوات کنترلی نیاز است. از قطع کننده های مهم در مدارهای خودکار می توان به کنتاکتور، کلید موتور دار، بریکر موتور دار و SSR اشاره کرد. این تجهیزات دارای مدار کنترلی برای قطع و وصل جریان بار هستند. بخش کنترلی می تواند به صورت دستی، نیمه خودکار یا تمام خودکار طراحی شود. از شستی ها، سنسورها، تایمرها، ساعت ها، کنترل کننده ی منطقی و غیره در مدار فرمان دستی، نیمه خودکار و خودکار استفاده می شود.

تصویر 8 کنترل کننده ی منطقی قابل برنامه ریزی لوگو از برند زیمنس

سافت استارتر و درایو

راه اندازی الکتروموتورها فقط با کنتاکتورها و به صورت تک ضرب یا ستاره مثلث انجام نمی شود. در بسیاری از شرایط نیاز است تا جریان راه اندازی موتورها کاهش پیدا کرده و یا کنترل پیوسته ای روی سرعت، جهت گردش و غیره داشته باشیم. جهت کاهش جریان راه اندازی و کنترل الکتروموتورها از ادوات نیمه هادی مانند سافت استارترها و درایوها نیز استفاده می شود. سافت استارترها جهت کاهش جریان راه اندازی به همراه راه اندازی و توقف نرم استفاده می شوند. این تجهیزات، کنترلی روی سرعت الکتروموتور نداشته ولی می توانند از آن در برابر برخی از خطاها حفاظت کنند. درایو بر خلاف سافت استارتر می تواند جهت گردش و سرعت الکتروموتور را کنترل کند. این تجهیز جریان متناوب را به مستقیم تبدیل کرده و در ادامه یک ولتاژ متناوب با دامنه و فرکانس مناسب ایجاد می کند. درایوها تولید کننده ی پدیده ای بنام هارمونیک هستند. هارمونیک ها اثرات مخربی داشته و باید کنترل شوند. مبدل ها و درایوها در صنایع دیگر مانند روشنایی و فوتوولتائیک نیز استفاده می شوند.

تصویر 9 دیاگرام عملکرد درایو الکتروموتور

تجهیزات اندازه گیری

برای اندازه گیری پارامترهای یک مدار الکتریکی دستگاه های مختلفی وجود دارد. ولت متر و آمپر متر از ساده ترین دستگاه‌های اندازه گیری در مدارهای AC و DC هستند. در مدارهای پیچیده از تجهیزات دیگری مانند وات متر، وار متر، فرکانس متر و غیره نیز استفاده می شود. در مدارهای AC کمیت های الکتریکی بسیار بیشتر بوده و نیاز به ادوات خاصی مانند پاورمیترها و پاور آنالیزرها دارند. از این ادوات جهت اندازه گیری پارامترهای خاص مانند توان ظاهری، دیماند، هارمونیک، رخ داد ها و غیره بهره گرفته می شود.

تصویر 10 دستگاه آنالایزر کیفیت توان از برند سیرکاتور سری A1500

در مدارهای متناوب از سیستم های جبران سازی توان راکتیو نیز استفاده می شود. این تجهیزات با عنوان رگولاتور خازن شناخته شده و کنترل کننده ی اصلی بانک های خازن هستند. رگولاتور خازن به صورت دائم در حال اندازه گیری توان دریافتی از شبکه است. در صورت افزایش تبادل توان راکتیو با شبکه، این دستگاه وارد عمل شده و یک یا چند خازن را به مدار سوئیچ می کند. با این کار میزان تبادل توان راکتیو با شبکه کاسته خواهد شد. مسائل مربوط به جبران سازی توان راکتیو در بخش های دیگر به صورت کامل شرح داده شده است.

تصویر 11 رگولاتور خازن ترکیب شده با پاورمیتر از برند سیرکاتور سری کامپیوتر اسمارت 3

تجهیزات حفاظتی

حفاظت الکتریکی مدل های بسیار متنوعی دارد. حفاظت بر اساس حساسیت تاسیسات، پارامترهای مهم و شرایط مدار طراحی و پیاده سازی می شود. با پیچیده تر شدن تجهیزات موجود در مدارها باید از ادوات حفاظتی مناسب استفاده کرد. حفاظت نامناسب باعث افزایش ریسک شوک الکتریکی، آتش سوزی، عملکردهای اشتباه، بی برقی و خسارت به محصول و صدمه به تاسیسات الکتریکی می شود. حفاظت الکتریکی را می توان به گروه های بسیار متنوعی مانند حفاظت ولتاژ، حفاظت فرکانس، حفاظت اضافه جریان، حفاظت جریان باقی مانده، حفاظت توان، حفاظت جهت دار، حفاظت محدود و غیره تقسیم کرد.

حفاظت جریانی از پایه ای ترین مدل های نصب شده در مدارهای الکتریکی است. همانطور که در بخش قبلی شرح داده شد، اتصال کوتاه یک اثر مخرب در تاسیسات الکتریکی است. به منظور کاهش صدمات ناشی از اتصال کوتاه باید از حفاظت جریانی استفاده کرد. ساده ترین حالت حفاظت جریانی با قرار دادن فیوز یا بریکر در مدارها ایجاد می شود. با افزایش اهمیت مدار و تاسیسات باید حفاظت های تکمیلی مانند RCD ها و حفاظت ولتاژی را اضافه کرد. مسائل مربوط به حفاظت الکتریکی در ادامه بیشتر بررسی خواهد شد.