دوائر التيار المتردد

التيار المتردد

هو نوع من أنواع التيار الكهربائي ويطلق عليه اسم التيار المتناوب، والذي يرادفه في اللغة الإنجليزية مصطلح Alternating Current، وأما التعريف العلمي لهذا التيار هو ذلك التيار الكهربائي الذي يعكس اتجاهه بشكل دوري ويتذبذب في مكانه ذهابًا وإيابًا ما بين 50 إلى 60 مرة في الثانية الواحدة، وكذلك هو ذلك التيار الذي تتغير شدته من درجة الصفر إلى أقصى درجة، ثم تهبط إلى الصفر مرة أخرى خلال نصف دورة، ويعكس اتجاهه مرة أخرى، وتزداد شدته من الصفر إلى أقصى درجة، وهكذا في كل دورة أو دائرة يمر بها هذا التيار، أي ما يسمى بدوائر التيار المتردد، وسيتم في هذا المقال توضيح مفهوم دوائر التيار المتردد.

دوائر التيار المتردد

يُقصد بدوائر التيار المتردد هو تغير في حالة التيار الكهربائي بحيث تعيد نفسها على فترات زمنية متساوية، ويمر هذا التغير ما بين قمتين متناوبتين في الهبوط والارتفاع، حتى تتكون دورة من نصفي اهتزازة متتابعتين إحداها موجبة الإشارة، وأخرى سالبة الإشارة، وعليه ينتج فرق جهد كهربائي تتحكم به المقاومة في دوائر التيار المتردد.

المقاومة في دوائر التيار المتردد

تحتوي دوائر التيار المتردد على مقاومات تمانع من مرور هذا التيار فيها، وذلك لأن الجهد والتيار الكهربائي يرتفعان ويهبطان مع بعضهما البعض في نفس الفترة الزمنية، والفرق بينهما يساوي صفر درجة في زاوية الطور، وترتبط زاوية الطور بمعامل القدرة الذي يتراوح ما بين الصفر إلى درجة واحدة، وكلما اقتربت زاوية الطور من واحد درجة تولدت القدرة الفعالة التي تقاس بوحدة واط، والتي تستخدم في مجالات متعددة مثل إدارة المحرك، وتسخين الملف الحراري، وإضاءة المصابيح، وأما إذا اقتربت أو انخفضت زاوية الطور إلى أقل من درجة واحدة تولدت القدرة غير الفعالة والتي تمر بين دوائر التيار المتردد دون الاستفادة منها، وتقاس القدرة غير الفعالة بوحدة فار VAR.

خصائص التيار المتردد

يتميز التيار الكهربائي المتردد بأنه الأكثر استخدامًا في نقل الطاقة الكهربائية مقارنة بالتيار المستمر المباشر؛ لأنه نسبة الطاقة المفقودة تكون منخفضة، ولأنه الأكثر شيوعًا فهو يتصف بعدة خصائص، وهي كالآتي: يستخدم لنقل الطاقة الكهربائية من أماكن توليدها إلى أماكن استهلاكها، ولمسافات بعيدة محافظًا على الطاقة الكهربائية. يتميز بأنه منخفض التكلفة؛ لتنوع توليده من توربينات أو مولدات الرياح، ومساقط المياه. يمكن تحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر من خلال التعديل على المولد الكهربائي، كما يمكن تحويله من وإلى جهود عالية بسهولة باستخدام المحولات الكهربائية. من أشهر أشكال التيار المتردد هي الموجة الجيبية والذي يستخدم في المنازل والمكاتب، والموجة المربعة التي تستخدم في الإلكترونيات، والموجة المثلثية التي تستخدم في مضخمات الصوت.

تطبيقات على دوائر التيار المتردد

الرنين والمحول الكهربي والمرشحات الكهربية

عندما يكون التيار المتردد المار في دائرة RLC اكبر ما يمكن تكون الدائرة في حالة الرنين Resonance وهذا يعني ان مقاومة الدائرة للتيار اقل مايمكن.

وحيث أن معاوقة الدائرة Impedance تعتمد على تردد التيار المار في الدائرة.  ومن المعادلة السابقة نلاحظ ان التيار اكبر ما يمكن عندما تكون X_L-X_C=0. وفي هذه الحالة تكون المعاوقة تساوي المقاومة Z=R.  والتردد الذي يجعل ذلك متحقق يسمى تردد الرنين Resonance Frequency ω_o.

X_L-X_C=0

وهذه قيمة ترد الرنين الذي يمر في دائرة الـ RLC بأقل مقاومة.  والتيار يصل إلى قيمة عظمى عند التردد wo  والذي يعتمد على قيمة سعة المكثف C والحث الذاتي للملف L.

يوضح الشكل اعلاه العلاقة بين تردد تيار المصدر المار في دائرة RLC وقيمة التيار عند مقاومات مختلفة.  نلاحظ أن القيمة العظمى للتيار تزداد كلما قلت قيمة المقاومة R ونلاحظ أيضا ان القيمة العظمى للتيار تكون عند التردد ω_o وذلك لان كلا من السعة والحث الذاتي لم يتغيرا.

تستخدم دوائر الرنين في اجهزة الاستقبال مثل الراديو والتلفزيون حيث ان لكل محطة اذاعية او تلفزيونية لها تردد محدد وبجهاز الاستقبال نستقبل التردد الذي يمر في دائرة الرنين والذي تكون مقاومته له اقل ما يمكن وباقي الترددات لا تمر لان معاوقة دائرة الاستقبال لها تكون كبيرة وبتغير سعة المكثف (عن طريق ادارة الواح المكثف لتغير المساحة) يمكن التنقل بين المحطات. وبالتالي كلما كان اتساع منحني التيار والتردد اقل ما يمكن كلما كانت قدرة جهاز الاستقبال احسن لأانها سوف تفصل بين الترددات المتجاورة.  وهذا يلعب دورا في تقييم اجهزة الاستقبال وتحديد سعرها.

المرشحات الكهربية Filters circuits 

تستخدم المرشحات في الدوائر الكهربية مثل دوائر الاستقبال في الراديو للتخلص من الترددات التي قد تشوش على الاشارة المراد التقاطها وتكبيرها وتتكون المرشحات الكهربية من مقاومة ومكثف موصلين على التوالي. يمكن ترشيح الترددات العالية او الترددات المنخفضة وذلك من خلال طريق توصيل المقاومة والمكثف كما سنرى بعد قليل……

مرشح الترددات العالية العالي High-pass filter

توضح الدائرة الكهربية المبينة في الشكل المقابل فكرة عمل مرشح الترددات العالية High-pass filter.  حيث ان المصدر متصل مع المكثف والمقاومة على التوالي ويكون الجهد الناتج على طرفي المقاومة.

القيمة العظمى للجهد V_in تعطى بالعلاقة:

وقيمة الجهد الناتج على طرفي المقاومة يعطى من خلال قانون اوم

V_out = I_m R

بقسمة المعادلتين نحصل على المعادلة التالية

من المعادلة نلاحظ أن عند الترددات المنخفضة تكون قيمة الجهد V_out اقل بكثير من V_in وعند الترددات المرتفعة تكون قيمتي الجهد متساويتيين V_in=V_out.  وهذا يعني ان الدائرة تمرر فقط الترددات المرتفعة ولذلك سميت High-pass filter بينما الترددات المنخفضة توقف ولا تمرر.

مرشح الترددات المنخفضة Low-pass filter

في حالة توصيل المخرج على طرفي المكثف بدلا من المقاومة يصبح عمل المرشح هو تمرير الترددات المنخفضة وحجب الترددات العالية.

وقيمة الجهد الناتج على طرفي المكثف يعطى كالتالي:

بقسمة المعادلتين نحصل على المعادلة التالية

من المعادلة نلاحظ أن عند الترددات المنخفضة تكون قيمتي الجهد V_out و V_in متساويتين بينما عند الترددات المرتفعة قيمة الجهد V_out أقل بكثير من V_in وهذا يعني ان الدائرة تمرر فقط الترددات المنخفضة ولذلك سميت Low-pass filter بينما الترددات المرتفعة توقف ولا تمرر.

كما يمكن استخدام مقاومة وملف RL Filters للحصول على مرشح يعمل بنفس الفكرة.  كما يمكن تصميم مرشح يمرر حزمة من الترددات Band-pass filter

المحول الكهربي Transformer

تستخدم المحولات الكهربية في كافة التطبيقات اما لرفع الجهد أو خفضه حسب الحاجة.  ففي محطات توليد  الطاقة الكهربية يتم رفع فرق الجهد إلى قيم مرتفعة جدا تصل إلى 350000 فولت عند تيار كهربي صغير وذلك لتقليل الطاقة المفقودة على شكل حرارة I²R. ولتحقيق ذلك نحتاج الى المحول الكهربي الذي يقوم برفع او خفض الجهد الكهربي والتيار الكهربي دون احداث تغيير في قيمة حاصل ضرب IV.

يتكون المحول الكهربي Transformer مضلع معدني لنقل الفيض المغناطيسي كما في الشكل المقابل، بين ملفين يسمى الاول الملف الرئيسي Primary ويسمى الثاني بالملف الثانوي Secondary.  يتم توصيل الملف الرئيسي بالمصدر المراد رفع او خفط قيمة جهده بينما نحصل من الملف الثانوي على النتيجة.  مثل المحول المستخدم في تشغيل بعض الاجهزة الكهربية التي تحتاج الى 9 فولت فيقوم المحول بخفض قيمة الجهد من 220 فولت الى 9 فولت لتناسب تشغيل الجهاز.

بالتحكم بعدد لفات كلا من الملف الرئيسي والملف الثانوي يمكن رفع او خفض الجهد حسب النسبة بين عدد لفات الملفين كما هو موضح في المعادلات التالية:

ينتقل الفيض المغناطيسي من المتولد في الملف الرئيسي عبر مادة المعدن الى الملف الثانوي حيث يتولد فرق جهد يعطى من قانون فراداي على النحو التالي:

بتقسمة المعادلتين نحصل على

عندما تكون N₂ أكبر من N₁ يكون فرق الجهد الناتج اكبر من فرق جهد المصدر V₂>V₁ وها ما يعرف بمحول رافع الجهد Step-up transformer.  بينما يحدث العكس اذا كانت N₂ اقل من N₁ ويكون المحول خافضا للجهد Step-down-transformer.