آموزش های پایه ای برق, مقالات
تفاوت بین AC و DC (جریان و ولتاژ)
خرداد
در این مقاله قصد داریم در مورد جریان‌های AC و DC و همچنین تفاوت‌های آن‌ها صحبت کنیم.
فهرست مطالب
- 1- مقدمه
- 2- جریان الکتریکی
- 3- جریان متناوب (AC)
- 4- جریان مستقیم (DC)
- 5- ذخیره سازی و تبدیل‌بین AC و DC
- 5- تفاوت جریان متناوب (AC) و مستقیم (DC)
————————————————–
1- مقدمه
جریان متناوب (AC) و جریان مستقیم (DC) دو نوع جریان الکتریکی هستند که در زندگی روزمره ما در کنار هم وجود دارند.
هر دوی این نوع جریان‌ها برای عرضه‌ی برق به دستگاه‌های الکتریکی استفاده‌می‌شوند.
اما تفاوت‌های بسیار زیادی دارند.
پریزهایی که در خانه‌های ما وجود دارد، تغذیه‌ی AC ، و باتری‌ها نیز تغذیه‌ی DC ارائه‌می‌کنند.
ما نمی‌توانیم دستگاه DC را به پریز AC وصل کنیم (البته می‌توانیم، ولی این دستگاه کار نخواهد کرد و در بدترین حالت ممکن‌است منفجر شود).
دلیل این کار تفاوت‌بین رفتار و تأثیرگذاری‌شان در مدارهاست.
در این نوشته به صورت خلاصه تفاوت بین جریان متناوب (AC) و جریان مستقیم (DC) را بررسی خواهیم‌کرد، اما ابتدا باید AC و DC را مورد توجه قرار‌دهیم.
————————————————–
2- جریان الکتریکی
جریان الکتریکی یعنی حرکت الکترون‌های آزاد در ماده‌ی هادی، تحت تأثیر اختلاف پتانسیل. مواد حاوی الکترون‌های آزاد هادی نامیده‌می‌شوند، و برای هدایت یک جریان الکتریکی مورد استفاده‌قرار‌می‌گیرند.
الکترون‌های آزاد موجود در یک ماده وقتی تحریک می‌شوند که یک ولتاژ یا اختلاف پتانسیل اعمال شود، و بر این اساس با جهت مشخص حرکت می‌کنند؛ یعنی از پتانسیل بالا به پتانسیل پایین. پتانسیل بالا یا ولتاژ بالا با علامت مثبت (+) نشان داده‌می‌شود، و پتانسیل پایین نیز با علامت (-) نشان داده‌می‌شود که قطبیت جریان الکتریکی را تشکیل‌می‌دهند. بر اساس جهت حرکت الکترون یا جریان الکتریکی، جریان به دو دسته کلی تقسیم‍‌می‌شود: جریان متناوب (AC) و جریان مستقیم (DC).
————————————————–
3- جریان متناوب (AC)
وقتی جهت جریان به صورت پریودیک معکوس میشود، گفته میشود جریان متناوب‌است. چون جهت جریان به صورت پریودیک معکوس میشود، قطبیت ولتاژ نیز معکوس میشود، یعنی پتانسیل بالا (+) و پتانسیل پایین (-) باهم تبادل و تعویض می‌شوند. بنابراین، جریان متناوب با علامت موج (~) نشان داده میشود. تعداد دفعاتی که جریان الکتریکی جهت خود را در هر ثانیه تغییر می‌دهد، فرکانس نامیده‌می‌شود و معمولاً 50 هرتز (اروپا) و 60 هرتز (آمریکا) است.
تولید
وقتی یک سیم پیچ یا حلقه‌ای از سیم در میدان مغناطیسی متغیر قرار‌می‌گیرد، یک جریان الکتریکی در سلف القا میشود. این اصول در دستگاه‌هایی با نام آلترناتور رخ می‌دهد که برای تولید جریان متناوب استفاده‌می‌شوند.
آلترناتور از یک سیم پیچ تشکیل شده‌است که در داخل یک میدان مغناطیسی ثابت (از طریق نیروی آب، توربین بخار یا هرچیز دیگری) می‌چرخد. چرخش سیم پیچ خطوط میدان مغناطیسی موثر را تغییر می‌دهد. بنابراین، یک جریان الکتریکی در سیم پیچ القا میشود. چون سیم پیچ چرخنده قطبیت میدان مغناطیسی را تغییر می‌دهد، جریان و ولتاژ الکتریکی القا شده در سیم پیچ جهت خود را به صورت پریودیک تغییر می‌دهد.
پست مرتبط: صاعقه AC است یا DC؟
شکل موج‌ها
دامنه‌ی جریان و ولتاژ متناوب به صورت پیوسته با گذر زمان تغییر می‌کند. دامنه بین نقطه‌ی اوج حداکثر و نقطه‌ی اوج حداقل در یک نقطه‌ی مرجع مشترک نوسان می‌کند. شکل موج حاصل می‌تواند موج سینوسی، مربعی، مثلثی، دندان اره‌ای و غیره باشد. رایج‌ترین شکل موج AC مورد استفاده در خانه‌های ما موج سینوسی‌است.
فرکانس و فاز
قبلاً می‌دانیم که جریان متناوب دارای یک فرکانس مشخص بوده و فرکانس در راکتانس خازن و سلف تأثیر می‌گذارد. بنابراین، جریان متناوب در مدار راکتانس ایجاد می‌کند. راکتانس باعث‌می‌شود بین موج‌های ولتاژ و جریان اختلاف فاز ایجاد شود. همچنین می‌توانیم بگوییم که به همین دلیل فاکتور توان تنها در سیستم‌های AC در دسترس‌است. چون تعریف فاکتور توان cos (θ)است، که در آن θ اختلاف فاز بین شکل موج ولتاژ و جریان‌است؛ پس اختلاف فاز یعنی اختلافی که به نسبت شیفت زمانی بین دو شکل موج AC دیده‌می‌شود.
در این موارد، دامنه‌ی یک موج عقب‌تر (متأخر) از دامنه‌ی موج دیگر‌است. این باعث میشود در مدارها تلفات توان ایجاد شود. برای ارائه‌ی توان کامل به بار، ولتاژ و جریان AC باید همگام (یا هم فاز) شوند. پس فاکتور توان بین cos 0° (فاکتور توان = 1، اختلاف فاز 0 درجه) و cos 90° (فاکتور توان = 0، اختلاف فاز 90 درجه) متغیر‌است.
لینک مقاله مرتبط:
تفاوت بین سیستم‌های انتقال AC و DC -(به همراه مزایا و معایب آن‌ها)
جریان AC
1-مدارات AC تک فاز
- I = P / (V x Cosθ)
- I = (V/Z)
2-مدارات AC سه فاز
- I = P / √3 x V x Cosθ
ولتاژ AC
1-مدارات AC تک فاز
- V = P/(I x Cosθ)
- V = I / Z
2-مدارات AC سه فاز
- VL= √3 VPH یا VL = √3 EPH [اتصال ستاره]
- VL= VPH [اتصال دلتا]
مقاومت AC
- Z = √(R2+ XL2)… برای بار سلفی
- Z = √(R2+ XC2)… برای بار خازنی
- Z = √(R2+ (XL– XC)2… هر دو نوع بار خازنی و بار سلفی
توان AC
1-مدارات AC تک فاز
- P = V x I x Cosθ
2-مدارات AC سه فاز
توان فعال
- 1- P = √3 x VL x IL x Cosθ مدارات سه فاز
- 2- P = 3 x VPh x IPh x Cosθ
- 3- P = √ (S2 – Q2)
- 4- P =√ (VA2 – VAR2
راکتیو
- Q = V I Sinθ
- VAR = √ (VA2 – P2)
- kVAR = √ (kVA2 – kW2)
ظاهری
- S = √ (P + Q2)
- kVA = √kW2 + kVAR2
توان مختلط
- S = V I
- S = P + jQ … (بار سلفی)
- S = P – jQ … (بار خازنی)
که در آن‌ها:
I = جریان بر حسب آمپر (A)
V = ولتاژ بر حسب ولت (V)
P = توان بر حسب وات (W)
R = مقاومت بر حسب اهم (Ω)
فاکتور توان = Cosθ = R/Z
Z = امپدانس = مقاومت مدار AC
IPh = جریان فاز
IL = جریان خط
VPh = ولتاژ فاز
VL = ولتاژ خط
XL راکتاس سلفی = 2πfL؛ که در آن L = اندوکتانس بر حسب هنری
XC راکتانس خازنی = 1/2πfC؛ که در آن C = ظرفیت خازنی بر حسب فاراد
————————————————–
4- جریان مستقیم (DC)
نوعی جریان الکتریکی که جهت آن تغییر نمی‌کند، جریان مستقیم یا DC نامیده‌می‌شود. این جریان تنها در یک جهت جاری میشود و برخلاف AC در جهت معکوس جاری نمی‌شود. چون جهت جریان تغییر نمی‌کند، قطبیت آن نیز تغییری نمی‌کند. بنابراین، جریان مستقیم همیشه با علامت‌های مثبت (+) یا منفی (-) نشان داده‌می‌شود.
تولید
جریان مستقیم را می‌توان به روش‌های بسیاری تولید کرد. همان متد تولید AC را می‌توان برای DC نیز به کار برد. این کار با اتصال یک دستگاه با نام کموتاتور انجام‌می‌شود. کموتاتور یک دستگاه چرخنده‌است که اطمینان حاصل می‌کند جریان در یک جهت جاری شود.
جریان مستقیم معمولاً با استفاده از باتری‌ها یا سلول‌ها تولید می‌شوند. باتری‌ها شامل یک ماده‌ی شیمیایی هستند که بر اساس واکنش شیمیایی الکترون آزاد کرده و آن را به مدار الکتریکی تغذیه می‌کنند.
جریان متناوب را همچنین می‌توان با استفاده از دستگاه (قطعه‌ای) به نام یکسوساز به DC تبدیل کرد.
شکل موج
جریان مستقیم دارای شکل موج نیست، زیرا تنها در یک جهت جاری‌می‌شود. اگر DC را به اسیلوسکوپ متصل کنیم، یک خط مستقیم نشان خواهد داد. با این همه، اگر ولتاژ ضربه‌دار باشد، برای مثال در یک مدار دیجیتال که کاملاً با ولتاژ DC کار می‌کند، شکل موج سیگنال ممکن‌است به صورت یک زنجیره‌ی پالس و یا موج‌های مربعی دیده شود. اما شکل موج هرگز به زیر 0V افت نمی‌کند.
جریان، ولتاژ، مقاومت و فرمول‌های توان DC
جریان DC
- I=V/R
- I=P/V
- I=√P/R
ولتاژ DC
- V=I x R
- V=P / I
- V=√ (P x R)
مقاومت DC
- R=V/I
- R=P/I2
- R=V2/P
توان DC
- P=IV
- P=I2R
- P=V2/R
که در آن‌ها:
I = جریان بر حسب آمپر (A)
V = ولتاژ بر حسب ولت (V)
P = توان بر حسب وات (W)
R = مقاومت بر حسب اهم (Ω)
————————————————–
5- ذخیره‌سازی و تبدیل‌بین AC و DC
در کاربردهای روزمره نیازمند هر دو نوع جریان الکتریکی هستیم. دستگاه‌های دیجیتال، مانند تلفن‌های هوشمند، لپ تاپ‌ها، کامپیوترها و غیره، با DC کار می‌کنند، درحالیکه ابزارهای خانگی مانند فن‌ها، لامپ‌ها، میکسرها و غیره با AC کار می‌کنند.
جریان مستقیم و جریان متناوب را می‌توان به جای همدیگر به کار برد. این دو نوع جریان را می‌توان به راحتی از یک حالت به حالت دیگر تبدیل کرد. دستگاهی که AC را به DC تبدیل‌می‌کند یکسوساز نامیده‌می‌شود، و دستگاهی که DC را به AC تبدیل می‌کند اینورتر نامیده‌می‌شود. ما از هر دوی آن‌ها بری تبدیل بین منابع تغذیه، با توجه به نیازهایمان استفاده‌می‌کنیم.
پریزهای موجود در خانه‌های ما تغذیه‌ی AC ارائه می‌کنند، اما وقتی نیازمند این هستیم که یک دستگاه DC نیز از همان پریز استفاده‌کند، از یکسوساز استفاده‌می‌کنیم (مانند منبع تغذیه‌ی موجود در PC یا آداپتور کابل لپ تاپ). این به ما کمک می‌کند از همان منبع برق برای تغذیه‌ی هر دو نوع دستگاه استفاده کنیم. همچنین می‌توانیم از تغذیه‌ی DC باتری‌ها برای تغذیه‌ی AC با اینورتر استفاده‌کنیم. اما یک محدودیت برای جریان متناوب وجود دارد؛ یعنی جریان الکتریکی تنها می‌تواند زمانی ذخیره شود که در حالت DC قرار داشته‌باشد. بنابراین، AC قبل از شارژ باتری مانند تلفن‌های همراه به DC نرم تبدیل میشود.
ذخیره‌سازی بار، امکان جابه‌جایی و وایرلس بودن دستگاه را فراهم‌می‌کند. ذخیره‌سازی همچنین به عنوان یک پشتیبان اضطرایی در شرایط بحرانی برای تغذیه‌ی تجهیزات حساس مانند بیمارستان‌ها و غیره استفاده‌می‌شود.
تبدیل و انتقال ولتاژ
خطوط انتقال به شکل گرما تلفات توان (I2R) تجربه می‌کنند که علت آن مقدار جریان عبوری از آن‌هاست. برای کاهش مقدار جریان، ولتاژ را افزایش می‌دهیم که همان توان تحویل داده شود (P=I*V).
در AC، ولتاژ‌ها را می‌توان به راحتی با استفاده ازدستگاه‌هایی به نام ترانسفورماتور به ولتاژ‌های بالاتر یا پایین‌تر تبدیل کرد. در ایستگاه ژنراسیون[1] یا تولید، از ترانسفورماتور افزاینده[2] برای افزایش ولتاژ برای انتقال به فاصله‌های دور استفاده می‌کنیم. همچنین، همین ولتاژ برای سطوح ایمن یا خانگی و یا استفاده‌ی تجاری با استفاده از ترانسفورماتور کاهنده[3] که در قطب شرکت‌های توزیع می‌بینیم کاهش داده‌می‌شود.
در انتقال ولتاژ بالای DC تلفات بسیار کمی وجود دارد و تنها نیازمند دو سیم‌است، اما نگهداری آن و تبدیل بین ولتاژ بالا و پایین بسیار هزینه‌بر‌است، پس هرگز از این روش استفاده‌نشده‌است. ولتاژ DC خطرناک‌تر از ACاست، زیرا AC نوسان‌می‌کند ولی DC جریان مستقیم و ثابتی‌است که هرگز شما را رها نخواهد کرد!
————————————————–
6- تفاوت جریان متناوب (AC) و مستقیم (DC)
جدول زیر مقایسه و تفاوت‌های کلیدی بین جریان متناوب AC و جریان مستقیم DC را نشان می‌دهد.
