​

جريان متناوب (Alternating Current يا AC) و جريان مستقيم (Direct Current يا DC) دو نوع جريان در مدار هستند. در جريان مستقيم، جريان الكتريكي تنها در يك جهت حركت مي‌كند. اما جريان الكتريكي در جريان متناوب به طور منظم در حال تغيير مسير است. ولتاژ مدار AC نيز به طور منظم معكوس مي‌شود، چراكه جريان حاضر در مدار مسير خود را تغيير مي‌دهد.

فهرست مطالب اين نوشته  پنهان كردن 

1. جريان متناوب (AC)

1.1. شكل موج جريان AC

1.2. تعريف موج سينوسي

2. كاربردهاي جريان AC

3. جريان مستقيم (DC)

4. تعريف جريان DC

5. كاربردهاي جريان DC

6. نبرد جريان‌ها

7. جريان متناوب در مقابل جريان مستقيم

7.1. كمپين اديسون براي تخريب AC

8. اوج گرفتن جريان AC

9. جريان مستقيم فشار-قوي (HVDC)

بيشتر مدارهاي الكترونيكي ديجيتالي كه مي‌بنديم از جريان DC استفاده مي‌كنند. با اين حال دانستن برخي از مفاهيم جريان AC نيز ضروري است. اكثر خانه‌ها از جريان AC استفاده مي‌كنند، بنابرين اگر بخواهيد پروژه‌اي كه ساخته‌ايد را با يك پريز تست كنيد، بايد جريان AC را به DC تبديل كنيد. همچنين جريان AC يك سري خصوصيات مفيد نيز دارد، مثلا اينكه مي‌تواند سطح ولتاژ را تنها با كمك يك وسيله (يك مبدل يا Transformer) تغيير دهد. اين مثال درواقع يكي از دلايلي است كه از جريان AC براي انتقال برق در راه‌هاي طولاني استفاده مي‌شود.

​

در اين مقاله موارد زير را ياد خواهيد گرفت:

• تاريخچه‌ي جريان AC و DC
• راه‌هاي متفاوت توليد جريان AC و DC
• چند مثال از كاربردهاي AC و DC

توصيه مي‌شود قبل از مطالعه‌ي اين مقاله كمي اطلاعات راجع به برق، مدار، ولتاژ و ساير مفاهيم مربوطه كسب كنيد.

جريان متناوب (AC)

جريان متناوب جرياني است كه به طور منظم تغيير جهت مي‌دهد. نتيجه‌ي اين تغييرات اين است كه سطح ولتاژ نيز همزمان با تغيير جهت جريان، معكوس مي‌شود. از جريان AC براي رساندن برق به خانه‌ها، ساختمان‌هاي اداري و ساير مكان‌ها استفاده مي‌شود. جريان AC توسط دستگاهي به نام مولد جريان متناوب (alternator) توليد مي‌شود. اين دستگاه يك نوع خاصي از ژنراتور برق است كه براي توليد جريان متناوب ساخته شده‌است.

يك حلقه از سيم‌ها در يك مدار مغناطيسي چرخيده شده‌اند كه اين مدار مغناطيسي جريان را درون اين سيم‌ها القا مي‌كند. چرخش سيم‌ها مي‌تواند با استفاده از يك توربين بادي، توربين بخار، آب جاري و روش‌هاي ديگر اتفاق بيفتد. از آنجايي كه سيم‌ها همواره در حال چرخش هستند و به طور منظم در قطب‌هاي مغناطيسي متفاوت قرار مي‌گيرند، جريان و ولتاژ نيز تغيير مي‌كنند. انيميشن كوتاه زير كاملا گوياي عملكرد اين وسيله است:

​

نحوه‌ي توليد جريان AC را مي‌توان با نحوه‌ي چرخش جريان آب مقايسه كرد:

​

براي توليد جريان AC در تعدادي لوله‌ي آب، كافيست يك ميل لنگ مكانيكي را به يك پيستون كه آب را در لوله‌ها عقب و جلو مي‌برد (به شكل جريان متناوب) متصل كنيم. توجه داشته باشيد كه قسمت تو رفته‌ي لوله هميشه در برابر جريان مقاومت مي‌كند و فرقي نمي‌كند كه جهت جريان از كدام طرف باشد.

​

شكل موج جريان AC

جريان AC مي‌تواند چندين شكل و حالت داشته باشد، درواقع هر موقع جريان و ولتاژ متناوب باشند آن جريان AC است، حال به هر شكلي كه باشد. اگر يك اسيلوسكوپ به يك مدار با جريان AC وصل كنيم و ولتاژ آن را دنبال كنيم، ممكن است به چندين شكل موجي متفاوت برخورد كنيم. در بيشتر اوقات جريان AC موج سينوسي توليد مي‌كند. جريان AC كه در اكثر خانه‌ها و ادارات وجود دارد، داراي يك ولتاژ نوسان‌دار است كه موج سينوسي توليد مي‌كند.

​

ساير اشكالي كه در جريان AC زياد ديده مي‌شوند، موج‌هاي مربعي و مثلثي هستند:

​

امواج مربعي بيشتر در مدارهاي ديجيتال و سوئيچي استفاده مي‌شوند تا عملكردشان را بررسي كنند.

​

امواج مثلثي بيشتر در مباحث صوتي استفاده مي‌شوند و بيشتر براي آزمايش قطعات الكترونيكي خطي نظير تقويت‌كننده‌ها استفاده مي‌شوند.

تعريف موج سينوسي

معمولا شكل موج AC را به صورت رياضي تعريف مي‌كنيم. براي اينكار، از موج سينوسي استفاده مي‌كنيم. هر موج سينوسي سه بخش دارد: دامنه، فركانس و فاز. فقط با ديدن ولتاژ مي‌توانيم يك موج سينوسي را با توابع رياضي تعريف كنيم:

​

(V(t ولتاژ ما در تابع زمان است كه درواقع به اين معناست كه ولتاژ ما با تغيير زمان، تغيير مي‌كند. معادله‌اي كه در سمت راست علامت مساوي قرار دارد نشان مي‌دهد كه ولتاژ چگونه در طول زمان تغيير مي‌كند.

Vp دامنه است. اين مقدار مشخص مي‌كند كه حداكثر ولتاژي كه موج سينوسي ما مي‌تواند دريافت كند (در هر جهتي)، چقدر است. يعني ولتاژ ما يا مي‌تواند Vp+ ولت، يا Vp- ولت، و يا يك مقدار در بين اين دو باشد.

تابع ()sin مشخص مي‌كند كه ولتاژ ما بايد در شكل يك موج سينوسي باشد، كه يك فرم نوسان نرم حول محور 0 ولت است.
مقدار 2Π يك ثابت است كه فركانس هر دوره (هرتز) را به فركانس زاويه‌اي (راديان بر ثانيه) تبديل مي‌كند.

f فركانس موج سينوسي را تعريف مي‌كند. اين مقدار بر حسب «هرتز» يا «واحد بر ثانيه» داده مي‌شود. فركانس مشخص مي‌كند كه در هر ثانيه چند طول موج (يك بار اوج گرفتن و سقوط كردن موج) شكل مي‌گيرد.

t متغير وابستگي ما است: زمان (در ثانيه). با تغيير زمان، شكل موج ما نيز تغيير مي‌كند.

Φ فاز موج سينوسي ما را مشخص مي‌كند. فاز، اندازه‌ي تغيير شكل موج در هر زمان است. اين مقدار معمولا بين 0 تا 360 است و به صورت درجه محاسبه مي‌شود. از آنجايي كه موج سينوسي ساختاري منظم دارد، اگر موج ما 360 درجه تغيير كرده باشد، دوباره به همان شكل موج قبلي تبديل مي‌شود، يعني انگار كه صفر درجه تغيير كرده‌است. براي سادگي مطلب، در ادامه‌ي اين آموزش ما فاز را صفر در نظر مي‌گيريم.

براي يك مثال خوب مي‌توانيم از پريز منزل كمك بگيريم. در ايالات متحده، برق منازل داراي جريان AC با حدود 170 ولت (مقدار دامنه) و فركانس 60 هرتز است. از اين اعداد در فرمول استفاده مي‌كنيم (به ياد داشته باشيد كه فاز را صفر در نظر گرفته‌ايم):

​

​

مي‌توانيم از يك ماشين حساب نموداري براي طراحي نمودار اين معادله استفاده كنيم. اگر ماشين حساب نموداري در دسترس نداشتيد مي‌توانيد از يك نرم‌افزار رسم نمودار رايگان و آنلاين نظير Desmos استفاده كنيد (توجه داشته باشيد كه شايد براي ديدن پاسخ مجبور باشيد به جاي «v» از «y» در معادله استفاده كنيد).

​

توجه كنيد كه همانطور كه پيش‌بيني كرده بوديم، ولتاژ به طور منظم بين 170 ولت تا 170- ولت در حال تغيير است. به علاوه، در هر ثانيه 60 بار اين موج سينوسي تكرار مي‌شود. اگر ولتاژ پريز برق خانه را با يك اسيلوسكوپ اندازه بگيريم، اين شكل را خواهيم ديد (هشدار: سعي نكنيد ولتاژ خانه را با يك اسيلوسكوپ اندازه‌گيري كنيد! اين كار باعث آسيب ديدن دستگاه شما مي‌شود).
نكته: شايد شنيده باشيد كه جريان برق در ايالات متحده 120 ولت است. اين حرف نيز درست است. وقتي حرف از جريان AC مي‌زنيم، با توجه به تغيير دائمي ولتاژ، معمولا آسان‌تر است كه فقط يك ميانگين يا يك ريشه را مد نظر بگيريم. براي اين كار، از يك متد به نام «ريشه‌ ميانگين مربعي» استفاده كنيم. معمولا استفاده از مقدار RMS براي جريان AC به محاسبات برقي كمك مي‌كند. حتي با اينكه در مثال ما ولتاژ از 170- ولت تا 170 ولت متناوب بود، ولي ريشه ميانگين مربعي آن 120 ولت است.

كاربردهاي جريان AC

تقريبا تمام پريز‌هاي خانه‌ها و ادارات داراي جريان AC هستند، به اين دليل كه توليد و انتقال جريان AC در مسيرهاي طولاني راحت‌تر است. در ولتاژهاي بالاتر (بالاي 110هزار ولت)، انرژي كمتري در هنگام انتقال برق تلف مي‌شود. ولتاژهاي بالاتر يعني جريان كمتر، و جريان كمتر يعني گرماي حاصل از مقاومت در سيم برق كمتر است. جريان AC را به راحتي مي‌توان توسط مبدل‌ها از ولتاژهاي بالا توليد و يا به ولتاژهاي بالا تبديل كرد.

همچنين جريان AC قادر به برق رساني به موتورهاي الكتريكي نيز مي‌باشد. موتور و ژنراتور دستگاه‌هاي دقيقا يكساني هستند، ولي موتورها انرژي الكتريكي را به انرژي مكانيكي تبديل مي‌كنند (اگر دسته‌ي يك موتور بچرخد، يعني كه يك ولتاژ در ترمينال آن توليد شده‌است). از اين ويژگي در خيلي جاها نظير ماشين‌هاي ظرف‌شويي، يخچال‌ها و خيلي موارد ديگر كه با جريان AC كار مي‌كنند، استفاده مي‌شود.

جريان مستقيم (DC)

فهم جريان مستقيم كمي ساده‌تر از جريان متناوب است. به جاي اينكه به عقب و جلو نوسان داشته باشد، جريان DC يك ولتاژ يا جريان ثابت را توليد مي‌كند. به چندين روش مي‌توان جريان DC توليد كرد:

• يك ژنراتور AC كه به دستگاهي به نام كموتاتور (commutator) مجهز شده باشد، مي‌تواند جريان مستقيم توليد كند.
• استفاده از يك وسيله به نام «يكسو كننده» (rectifier) كه جريان AC را به DC تبديل مي‌كند.
• باتري‌ها جريان DC توليد مي‌كنند كه اين جريان از يك واكنش شيميايي درون باتري توليد مي‌شود.

دوباره از مثال آب استفاده مي‌كنيم. جريان DC شبيه يك مخزن آب است كه در ته آن يك شلنگ متصل شده است.

​

اين مخزن فقط مي‌تواند آب را به يك جهت فشار دهد: به بيرون از شلنگ. همانند يك باتري، وقتي مخزن خالي باشد، ديگر آبي در لوله‌ها جريان نمي‌گيرد.

تعريف جريان DC

جريان DC جرياني يك جهته است، يعني كه جريان آن فقط در يك جهت حركت مي‌كند. ولتاژ و جريان آن مي‌توانند در زمان متفاوت باشند، ولي جهت آن بايد همواره مستقيم باشد و تغييري نكند. براي سادگي مساله، فرض مي‌كنيم ولتاژ ثابت است. براي مثال، فرض مي‌كنيم يك باتري AA داريم كه 1.5 ولت جريان دارد، اين مساله را به صورت رياضي زير تعريف مي‌كنيم:

​

اگر اين جريان را در طول زمان دنبال كنيم، يك ولتاژ ثابت را خواهيم ديد:

​

اين به چه معنا است؟ به اين معنا كه ما مي‌توانيم به منابع DC اعتماد كنيم كه در طول زمان يك ولتاژ ثابت را به ما مي‌دهند. البته در واقعيت، يك باتري كم كم شارژ خود را از دست مي‌دهد، يعني كه با گذر زمان، ولتاژ آن افت مي‌كند. ولي براي بيشتر اهداف مي‌توانيم ولتاژ را ثابت فرض كنيم.

كاربردهاي جريان DC

هر وسيله‌اي كه از باتري استفاده مي‌كند يا به وسيله‌ي يك آداپتور AC به پريز وصل مي‌شود، يا از كابل USB براي برق‌رساني خود استفاده مي‌كند، با جريان DC كار مي‌كند. از دستگاه‌هاي الكترونيكي كه با جريان مستقيم كار مي‌كنند مي‌توان موارد زير را نام برد:

• تلفن‌هاي همراه
• تلويزيون‌هاي فلت اسكرين (Flat-Screen) (جريان AC وارد تلويزيون مي‌شود، و سپس به DC تبديل مي‌گردد)
• چراغ‌قوه‌ها
• اتومبيل‌هاي هيبريد و الكتريكي

نبرد جريان‌ها

تقريبا تمام خانه‌ها و ادارات با جريان AC كار مي‌كنند، ولي اين اتفاق يك تصميم يك شبـه نبوده‌است. در اواخر دهه‌ي 80 ميلادي، اختراعات مختلفي در ايالات متحده و اروپا رخ داد كه منجر به يك نبرد كامل بين جريان متناوب و جريان مستقيم شد.

در سال 1886، يك شركت الكتريكي به نام «Ganz Works»، واقع در شهر بوداپست در مجارستان، تمام رم را توسط جريان AC به برق مجهز كرد. از طرفي ديگر، توماس اديسون در ايالات متحده، 121 نيروگاه برق DC را تا سال 1887 تاسيس كرد. نقطه‌ي عطف نبرد موقعي بود كه جورج وستينگ‌هاوس (George Westinghouse)، يك صنعتگر معروف از شهر پيتسبرگ در پنسيلوانيا، در سال بعد، حق اختراع موتورهاي AC و مبدل‌هاي آن را از نيكولا تسلا (Nikola Tesla) خريداري كرد.

جريان متناوب در مقابل جريان مستقيم

​

توماس اديسون

در اواخر قرن نوزدهم، امكان تبديل ساده‌ي جريان DC به ولتاژهاي بالا وجود نداشت. به همين جهت، اديسون يك سري نيروگاه كوچك و محلي براي ارائه‌ي برق در محل‌هاي مختلف و بخش‌هاي شهري استفاده مي‌كرد. برق توسط سه سيم پخش مي‌شد: يك سيم 110 ولت، يك سيم 0 ولت، و يك سيم 110- ولت. چراغ‌ها و موتورها مي‌توانستند به هركدام از سيم‌هاي 110+ ولت يا 110- ولت، و 0 ولت (نول) وصل شوند. ولتاژ 110 ولت كمي كاهش ولتاژ بين نيروگاه و مصرف كننده (خانه، ادارات و …) داشت.

با اينكه اين كاهش ولتاژها حساب شده بود، با اين حال نمي‌شد بين نيروگاه و كاربر بيش از يك مايل فاصله قرار داشته باشد. اين محدوديت عمل پخش برق بين بخش‌هاي روستايي را بسيار سخت و تقريبا غير ممكن مي‌ساخت.

​

نيكولا تسلا

​

جورج وستينگ‌هاوس

به كمك طرح‌هاي تسلا، وستينگ‌هاوس بر روي بهتر كردن سيستم پخش برق AC كار مي‌كرد. اين مبدل‌ها يك راه ارزان براي بالا بردن ولتاژ AC تا چندين هزار ولت و پايين آوردن آن براي مصرف، ارائه مي‌دادند. در ولتاژهاي بالاتر، امكان انتقال همان قدرت با جريان خيلي كمتر وجود داشت كه باعث مي‌شد اتلاف قدرت به خاطر مقاومت‌هاي داخل سيم‌ها كاهش پيدا كند. در نتيجه، نيروگاه‌هاي بزرگ مي‌توانستند چندين مايل دورتر از كاربر قرار داشته باشند و به منازل و افراد بيشتري سرويس دهند.

كمپين اديسون براي تخريب AC

طي چند سال آينده‌ي اين ماجراها، اديسون يك كمپيني به راه انداخت تا جريان AC را به شدت در ايالات متحده تخريب كند. وي براي اينكار يك مجلس قانونگذاري راه‌اندازي كرد و به پخش اطلاعات غلط درمورد جريان AC پرداخت. همچنين اديسون چندين تكنيسين استخدام كرد تا جلوي مردم به كشتن حيوانات با جريان AC بپردازند تا جريان AC را بسيار خطرناك‌تر از جريان DC جلوه دهند. در راه نشان دادن اين خطرات، دو تا از كاركنان اديسون به نام‌هاي «Harold P. Brown» و «Arthur Kennelly»، اولين صندلي‌هاي برقي را در نيويورك ساختند كه از جريان AC استفاده مي‌كرد.

اوج گرفتن جريان AC

در سال 1891، نمايشگاه الكترو-تكنيكال در شهر فرانكفورت در آلمان برگذار شد و در آن از اولين منتقل‌كننده‌ي راه دور جريان سه فاز AC رونمايي شد كه چراغ‌ها و موتورهاي نمايشگاه را برق‌رساني مي‌كرد. چند نفري در اين نمايشگاه وجود داشتند كه از اين نمايش بسيار شگفت زده شدند، به طوري كه سال بعد جنرال‌الكتريك را تشكيل دادند و شروع به سرمايه‌گذاري برروي تكنولوژي AC كردند.

​

نيروگاه ادوارد دين آدامز در آبشار نياگارا، سال 1896

در سال 1893، وستينگ‌هاوس يك قرارداد براي ساخت يك سد هيدرو الكتريك براي كنترل كردن برق آبشار نياگارا و انتقال جريان AC به شهر بوفالو در نيويورك، به دست آورد. اين پروژه در 16 نوامبر سال 1896 به پايان رسيد و از آن زمان برق AC وارد صنايع شهر بوفالو شد. اين اتفاق باعث كنار رفتن جريان DC در ايالات متحده شد. استاندارد جريان AC در اروپا بين 220 تا 240 ولتاژ و 50 هرتز، و در آمريكاي شمال 120 ولت و 60 هرتز تنظيم شد.

جريان مستقيم فشار-قوي (HVDC)

يك مهندس سوييسي به نام «Rene Thury» از چند ژنراتور به صورت سري استفاده كرد تا جريان مستقيم فشار-قوي را در سال‌هاي 1880 ميلادي توليد كند تا بتوان به كمك آن جريان DC را به راه‌هاي دور منتقل كرد. با اين حال، به دليل هزينه‌هاي بالاي اين سيستم، HVDC تا يك قرن بعد در هيچ‌جا استفاده نشد.

با اختراع قطعات الكترونيكي نيمه‌هادي در دهه‌ي 70 ميلادي، تبديل جريان AC به DC از لحاظ اقتصادي ممكن شد. وسايل خاصي به وجود آمدند كه امكان توليد جريان مستقيم با ولتاژ بالا را فراهم مي‌كردند، به گونه‌اي كه برخي از آن‌ها به 800 هزار ولت مي‌رسيدند. برخي از بخش‌هاي اروپا شروع به استفاده از خطوط HVDC براي برق‌رساني به كشورهاي مختلف كردند.

خطوط HVDC اتلاف كمتري نسبت به خطوط مشابه AC در مسيرهاي طولاني دارند. به علاوه، HVDC اجازه‌ي اتصال همزمان چند سيستم AC را مي‌دهد، مثلا مي‌توانيد به صورت همزمان هم 50 هرتز و هم 60 هرتز را داشته باشيد. با وجود اين مزايا، سيستم‌هاي HVDC گرانتر از سيستم‌هاي AC هستند، و همچنين كمتر قابل اعتماد هستند. سرانجام روياي هر سه نفر، اديسون، تسلا و وستينگ‌هاوس، به حقيقت پيوست. جريان AC و DC مي‌توانند به طور همزمان وجود داشته باشند و هركدام براي اهداف متفاوتي استفاده شوند.

حالا درك شما از تفاوت AC و DC بهتر شده است. تغيير سطح ولتاژ در AC آسانتر است كه باعث مي‌شود انتقال آن با ولتاژ بالا ساده‌تر باشد. در طرفي ديگر، جريان DC تقريبا در تمام بخش‌هاي الكترونيك يافت مي‌شود. البته اين هم بايد بدانيد كه اين دو خيلي خوب با يكديگر كار نمي‌كنند و اگر مي‌خواهيد يك وسيله برقي را به پريز برق متصل كنيد، بايد جريان AC را به DC تبديل كنيد.

​