جریان متناوب و جریان مستقیم

جریان متناوب (Alternating Current یا AC) و جریان مستقیم (Direct Current یا DC) دو نوع جریان در مدار هستند. در جریان مستقیم، جریان الکتریکی تنها در یک جهت حرکت می‌کند. اما جریان الکتریکی در جریان متناوب به طور منظم در حال تغییر مسیر است. ولتاژ مدار AC نیز به طور منظم معکوس می‌شود، چراکه جریان حاضر در مدار مسیر خود را تغییر می‌دهد.

بیشتر مدارهای الکترونیکی دیجیتالی که می‌بندیم از جریان DC استفاده می‌کنند. با این حال دانستن برخی از مفاهیم جریان AC نیز ضروری است. اکثر خانه‌ها از جریان AC استفاده می‌کنند، بنابرین اگر بخواهید پروژه‌ای که ساخته‌اید را با یک پریز تست کنید، باید جریان AC را به DC تبدیل کنید. همچنین جریان AC یک سری خصوصیات مفید نیز دارد، مثلا اینکه می‌تواند سطح ولتاژ را تنها با کمک یک وسیله (یک مبدل یا Transformer) تغییر دهد. این مثال درواقع یکی از دلایلی است که از جریان AC برای انتقال برق در راه‌های طولانی استفاده می‌شود.

در این مقاله موارد زیر را یاد خواهید گرفت:

• تاریخچه‌ی جریان AC و DC
• راه‌های متفاوت تولید جریان AC و DC
• چند مثال از کاربردهای AC و DC

توصیه می‌شود قبل از مطالعه‌ی این مقاله کمی اطلاعات راجع به برق، مدار، ولتاژ و سایر مفاهیم مربوطه کسب کنید.

جریان متناوب (AC)

جریان متناوب جریانی است که به طور منظم تغییر جهت می‌دهد. نتیجه‌ی این تغییرات این است که سطح ولتاژ نیز همزمان با تغییر جهت جریان، معکوس می‌شود. از جریان AC برای رساندن برق به خانه‌ها، ساختمان‌های اداری و سایر مکان‌ها استفاده می‌شود. جریان AC توسط دستگاهی به نام مولد جریان متناوب (alternator) تولید می‌شود. این دستگاه یک نوع خاصی از ژنراتور برق است که برای تولید جریان متناوب ساخته شده‌است.

یک حلقه از سیم‌ها در یک مدار مغناطیسی چرخیده شده‌اند که این مدار مغناطیسی جریان را درون این سیم‌ها القا می‌کند. چرخش سیم‌ها می‌تواند با استفاده از یک توربین بادی، توربین بخار، آب جاری و روش‌های دیگر اتفاق بیفتد. از آنجایی که سیم‌ها همواره در حال چرخش هستند و به طور منظم در قطب‌های مغناطیسی متفاوت قرار می‌گیرند، جریان و ولتاژ نیز تغییر می‌کنند. انیمیشن کوتاه زیر کاملا گویای عملکرد این وسیله است:

نحوه‌ی تولید جریان AC را می‌توان با نحوه‌ی چرخش جریان آب مقایسه کرد:

برای تولید جریان AC در تعدادی لوله‌ی آب، کافیست یک میل لنگ مکانیکی را به یک پیستون که آب را در لوله‌ها عقب و جلو می‌برد (به شکل جریان متناوب) متصل کنیم. توجه داشته باشید که قسمت تو رفته‌ی لوله همیشه در برابر جریان مقاومت می‌کند و فرقی نمی‌کند که جهت جریان از کدام طرف باشد.

شکل موج جریان AC

جریان AC می‌تواند چندین شکل و حالت داشته باشد، درواقع هر موقع جریان و ولتاژ متناوب باشند آن جریان AC است، حال به هر شکلی که باشد. اگر یک اسیلوسکوپ به یک مدار با جریان AC وصل کنیم و ولتاژ آن را دنبال کنیم، ممکن است به چندین شکل موجی متفاوت برخورد کنیم. در بیشتر اوقات جریان AC موج سینوسی تولید می‌کند. جریان AC که در اکثر خانه‌ها و ادارات وجود دارد، دارای یک ولتاژ نوسان‌دار است که موج سینوسی تولید می‌کند.

سایر اشکالی که در جریان AC زیاد دیده می‌شوند، موج‌های مربعی و مثلثی هستند:

امواج مربعی بیشتر در مدارهای دیجیتال و سوئیچی استفاده می‌شوند تا عملکردشان را بررسی کنند.

امواج مثلثی بیشتر در مباحث صوتی استفاده می‌شوند و بیشتر برای آزمایش قطعات الکترونیکی خطی نظیر تقویت‌کننده‌ها استفاده می‌شوند.

تعریف موج سینوسی

معمولا شکل موج AC را به صورت ریاضی تعریف می‌کنیم. برای اینکار، از موج سینوسی استفاده می‌کنیم. هر موج سینوسی سه بخش دارد: دامنه، فرکانس و فاز. فقط با دیدن ولتاژ می‌توانیم یک موج سینوسی را با توابع ریاضی تعریف کنیم:

(V(t ولتاژ ما در تابع زمان است که درواقع به این معناست که ولتاژ ما با تغییر زمان، تغییر می‌کند. معادله‌ای که در سمت راست علامت مساوی قرار دارد نشان می‌دهد که ولتاژ چگونه در طول زمان تغییر می‌کند.

Vp دامنه است. این مقدار مشخص می‌کند که حداکثر ولتاژی که موج سینوسی ما می‌تواند دریافت کند (در هر جهتی)، چقدر است. یعنی ولتاژ ما یا می‌تواند Vp+ ولت، یا Vp- ولت، و یا یک مقدار در بین این دو باشد.

تابع ()sin مشخص می‌کند که ولتاژ ما باید در شکل یک موج سینوسی باشد، که یک فرم نوسان نرم حول محور ۰ ولت است.
مقدار ۲Π یک ثابت است که فرکانس هر دوره (هرتز) را به فرکانس زاویه‌ای (رادیان بر ثانیه) تبدیل می‌کند.

f فرکانس موج سینوسی را تعریف می‌کند. این مقدار بر حسب «هرتز» یا «واحد بر ثانیه» داده می‌شود. فرکانس مشخص می‌کند که در هر ثانیه چند طول موج (یک بار اوج گرفتن و سقوط کردن موج) شکل می‌گیرد.

t متغیر وابستگی ما است: زمان (در ثانیه). با تغییر زمان، شکل موج ما نیز تغییر می‌کند.

Φ فاز موج سینوسی ما را مشخص می‌کند. فاز، اندازه‌ی تغییر شکل موج در هر زمان است. این مقدار معمولا بین ۰ تا ۳۶۰ است و به صورت درجه محاسبه می‌شود. از آنجایی که موج سینوسی ساختاری منظم دارد، اگر موج ما ۳۶۰ درجه تغییر کرده باشد، دوباره به همان شکل موج قبلی تبدیل می‌شود، یعنی انگار که صفر درجه تغییر کرده‌است. برای سادگی مطلب، در ادامه‌ی این آموزش ما فاز را صفر در نظر می‌گیریم.

برای یک مثال خوب می‌توانیم از پریز منزل کمک بگیریم. در ایالات متحده، برق منازل دارای جریان AC با حدود ۱۷۰ ولت (مقدار دامنه) و فرکانس ۶۰ هرتز است. از این اعداد در فرمول استفاده می‌کنیم (به یاد داشته باشید که فاز را صفر در نظر گرفته‌ایم):

می‌توانیم از یک ماشین حساب نموداری برای طراحی نمودار این معادله استفاده کنیم. اگر ماشین حساب نموداری در دسترس نداشتید می‌توانید از یک نرم‌افزار رسم نمودار رایگان و آنلاین نظیر Desmos استفاده کنید (توجه داشته باشید که شاید برای دیدن پاسخ مجبور باشید به جای «v» از «y» در معادله استفاده کنید).

توجه کنید که همانطور که پیش‌بینی کرده بودیم، ولتاژ به طور منظم بین ۱۷۰ ولت تا ۱۷۰- ولت در حال تغییر است. به علاوه، در هر ثانیه ۶۰ بار این موج سینوسی تکرار می‌شود. اگر ولتاژ پریز برق خانه را با یک اسیلوسکوپ اندازه بگیریم، این شکل را خواهیم دید (هشدار: سعی نکنید ولتاژ خانه را با یک اسیلوسکوپ اندازه‌گیری کنید! این کار باعث آسیب دیدن دستگاه شما می‌شود).
نکته: شاید شنیده باشید که جریان برق در ایالات متحده ۱۲۰ ولت است. این حرف نیز درست است. وقتی حرف از جریان AC می‌زنیم، با توجه به تغییر دائمی ولتاژ، معمولا آسان‌تر است که فقط یک میانگین یا یک ریشه را مد نظر بگیریم. برای این کار، از یک متد به نام «ریشه‌ میانگین مربعی» استفاده کنیم. معمولا استفاده از مقدار RMS برای جریان AC به محاسبات برقی کمک می‌کند. حتی با اینکه در مثال ما ولتاژ از ۱۷۰- ولت تا ۱۷۰ ولت متناوب بود، ولی ریشه میانگین مربعی آن ۱۲۰ ولت است.

کاربردهای جریان AC

تقریبا تمام پریز‌های خانه‌ها و ادارات دارای جریان AC هستند، به این دلیل که تولید و انتقال جریان AC در مسیرهای طولانی راحت‌تر است. در ولتاژهای بالاتر (بالای ۱۱۰هزار ولت)، انرژی کمتری در هنگام انتقال برق تلف می‌شود. ولتاژهای بالاتر یعنی جریان کمتر، و جریان کمتر یعنی گرمای حاصل از مقاومت در سیم برق کمتر است. جریان AC را به راحتی می‌توان توسط مبدل‌ها از ولتاژهای بالا تولید و یا به ولتاژهای بالا تبدیل کرد.

همچنین جریان AC قادر به برق رسانی به موتورهای الکتریکی نیز می‌باشد. موتور و ژنراتور دستگاه‌های دقیقا یکسانی هستند، ولی موتورها انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کنند (اگر دسته‌ی یک موتور بچرخد، یعنی که یک ولتاژ در ترمینال آن تولید شده‌است). از این ویژگی در خیلی جاها نظیر ماشین‌های ظرف‌شویی، یخچال‌ها و خیلی موارد دیگر که با جریان AC کار می‌کنند، استفاده می‌شود.

جریان مستقیم (DC)

فهم جریان مستقیم کمی ساده‌تر از جریان متناوب است. به جای اینکه به عقب و جلو نوسان داشته باشد، جریان DC یک ولتاژ یا جریان ثابت را تولید می‌کند. به چندین روش می‌توان جریان DC تولید کرد:

• یک ژنراتور AC که به دستگاهی به نام کموتاتور (commutator) مجهز شده باشد، می‌تواند جریان مستقیم تولید کند.
• استفاده از یک وسیله به نام «یکسو کننده» (rectifier) که جریان AC را به DC تبدیل می‌کند.
• باتری‌ها جریان DC تولید می‌کنند که این جریان از یک واکنش شیمیایی درون باتری تولید می‌شود.

دوباره از مثال آب استفاده می‌کنیم. جریان DC شبیه یک مخزن آب است که در ته آن یک شلنگ متصل شده است.

این مخزن فقط می‌تواند آب را به یک جهت فشار دهد: به بیرون از شلنگ. همانند یک باتری، وقتی مخزن خالی باشد، دیگر آبی در لوله‌ها جریان نمی‌گیرد.

تعریف جریان DC

جریان DC جریانی یک جهته است، یعنی که جریان آن فقط در یک جهت حرکت می‌کند. ولتاژ و جریان آن می‌توانند در زمان متفاوت باشند، ولی جهت آن باید همواره مستقیم باشد و تغییری نکند. برای سادگی مساله، فرض می‌کنیم ولتاژ ثابت است. برای مثال، فرض می‌کنیم یک باتری AA داریم که ۱.۵ ولت جریان دارد، این مساله را به صورت ریاضی زیر تعریف می‌کنیم:

اگر این جریان را در طول زمان دنبال کنیم، یک ولتاژ ثابت را خواهیم دید:

این به چه معنا است؟ به این معنا که ما می‌توانیم به منابع DC اعتماد کنیم که در طول زمان یک ولتاژ ثابت را به ما می‌دهند. البته در واقعیت، یک باتری کم کم شارژ خود را از دست می‌دهد، یعنی که با گذر زمان، ولتاژ آن افت می‌کند. ولی برای بیشتر اهداف می‌توانیم ولتاژ را ثابت فرض کنیم.

کاربردهای جریان DC

هر وسیله‌ای که از باتری استفاده می‌کند یا به وسیله‌ی یک آداپتور AC به پریز وصل می‌شود، یا از کابل USB برای برق‌رسانی خود استفاده می‌کند، با جریان DC کار می‌کند. از دستگاه‌های الکترونیکی که با جریان مستقیم کار می‌کنند می‌توان موارد زیر را نام برد:

• تلفن‌های همراه
• تلویزیون‌های فلت اسکرین (Flat-Screen) (جریان AC وارد تلویزیون می‌شود، و سپس به DC تبدیل می‌گردد)
• چراغ‌قوه‌ها
• اتومبیل‌های هیبرید و الکتریکی

نبرد جریان‌ها

تقریبا تمام خانه‌ها و ادارات با جریان AC کار می‌کنند، ولی این اتفاق یک تصمیم یک شبـه نبوده‌است. در اواخر دهه‌ی ۸۰ میلادی، اختراعات مختلفی در ایالات متحده و اروپا رخ داد که منجر به یک نبرد کامل بین جریان متناوب و جریان مستقیم شد.

در سال ۱۸۸۶، یک شرکت الکتریکی به نام «Ganz Works»، واقع در شهر بوداپست در مجارستان، تمام رم را توسط جریان AC به برق مجهز کرد. از طرفی دیگر، توماس ادیسون در ایالات متحده، ۱۲۱ نیروگاه برق DC را تا سال ۱۸۸۷ تاسیس کرد. نقطه‌ی عطف نبرد موقعی بود که جورج وستینگ‌هاوس (George Westinghouse)، یک صنعتگر معروف از شهر پیتسبرگ در پنسیلوانیا، در سال بعد، حق اختراع موتورهای AC و مبدل‌های آن را از نیکولا تسلا (Nikola Tesla) خریداری کرد.

جریان متناوب در مقابل جریان مستقیم

توماس ادیسون

در اواخر قرن نوزدهم، امکان تبدیل ساده‌ی جریان DC به ولتاژهای بالا وجود نداشت. به همین جهت، ادیسون یک سری نیروگاه کوچک و محلی برای ارائه‌ی برق در محل‌های مختلف و بخش‌های شهری استفاده می‌کرد. برق توسط سه سیم پخش می‌شد: یک سیم ۱۱۰ ولت، یک سیم ۰ ولت، و یک سیم ۱۱۰- ولت. چراغ‌ها و موتورها می‌توانستند به هرکدام از سیم‌های ۱۱۰+ ولت یا ۱۱۰- ولت، و ۰ ولت (نول) وصل شوند. ولتاژ ۱۱۰ ولت کمی کاهش ولتاژ بین نیروگاه و مصرف کننده (خانه، ادارات و …) داشت.

با اینکه این کاهش ولتاژها حساب شده بود، با این حال نمی‌شد بین نیروگاه و کاربر بیش از یک مایل فاصله قرار داشته باشد. این محدودیت عمل پخش برق بین بخش‌های روستایی را بسیار سخت و تقریبا غیر ممکن می‌ساخت.

نیکولا تسلا

جورج وستینگ‌هاوس

به کمک طرح‌های تسلا، وستینگ‌هاوس بر روی بهتر کردن سیستم پخش برق AC کار می‌کرد. این مبدل‌ها یک راه ارزان برای بالا بردن ولتاژ AC تا چندین هزار ولت و پایین آوردن آن برای مصرف، ارائه می‌دادند. در ولتاژهای بالاتر، امکان انتقال همان قدرت با جریان خیلی کمتر وجود داشت که باعث می‌شد اتلاف قدرت به خاطر مقاومت‌های داخل سیم‌ها کاهش پیدا کند. در نتیجه، نیروگاه‌های بزرگ می‌توانستند چندین مایل دورتر از کاربر قرار داشته باشند و به منازل و افراد بیشتری سرویس دهند.

کمپین ادیسون برای تخریب AC

طی چند سال آینده‌ی این ماجراها، ادیسون یک کمپینی به راه انداخت تا جریان AC را به شدت در ایالات متحده تخریب کند. وی برای اینکار یک مجلس قانونگذاری راه‌اندازی کرد و به پخش اطلاعات غلط درمورد جریان AC پرداخت. همچنین ادیسون چندین تکنیسین استخدام کرد تا جلوی مردم به کشتن حیوانات با جریان AC بپردازند تا جریان AC را بسیار خطرناک‌تر از جریان DC جلوه دهند. در راه نشان دادن این خطرات، دو تا از کارکنان ادیسون به نام‌های «Harold P. Brown» و «Arthur Kennelly»، اولین صندلی‌های برقی را در نیویورک ساختند که از جریان AC استفاده می‌کرد.

اوج گرفتن جریان AC

در سال ۱۸۹۱، نمایشگاه الکترو-تکنیکال در شهر فرانکفورت در آلمان برگذار شد و در آن از اولین منتقل‌کننده‌ی راه دور جریان سه فاز AC رونمایی شد که چراغ‌ها و موتورهای نمایشگاه را برق‌رسانی می‌کرد. چند نفری در این نمایشگاه وجود داشتند که از این نمایش بسیار شگفت زده شدند، به طوری که سال بعد جنرال‌الکتریک را تشکیل دادند و شروع به سرمایه‌گذاری برروی تکنولوژی AC کردند.

در سال ۱۸۹۳، وستینگ‌هاوس یک قرارداد برای ساخت یک سد هیدرو الکتریک برای کنترل کردن برق آبشار نیاگارا و انتقال جریان AC به شهر بوفالو در نیویورک، به دست آورد. این پروژه در ۱۶ نوامبر سال ۱۸۹۶ به پایان رسید و از آن زمان برق AC وارد صنایع شهر بوفالو شد. این اتفاق باعث کنار رفتن جریان DC در ایالات متحده شد. استاندارد جریان AC در اروپا بین ۲۲۰ تا ۲۴۰ ولتاژ و ۵۰ هرتز، و در آمریکای شمال ۱۲۰ ولت و ۶۰ هرتز تنظیم شد.

جریان مستقیم فشار-قوی (HVDC)

یک مهندس سوییسی به نام «Rene Thury» از چند ژنراتور به صورت سری استفاده کرد تا جریان مستقیم فشار-قوی را در سال‌های ۱۸۸۰ میلادی تولید کند تا بتوان به کمک آن جریان DC را به راه‌های دور منتقل کرد. با این حال، به دلیل هزینه‌های بالای این سیستم، HVDC تا یک قرن بعد در هیچ‌جا استفاده نشد.

با اختراع قطعات الکترونیکی نیمه‌هادی در دهه‌ی ۷۰ میلادی، تبدیل جریان AC به DC از لحاظ اقتصادی ممکن شد. وسایل خاصی به وجود آمدند که امکان تولید جریان مستقیم با ولتاژ بالا را فراهم می‌کردند، به گونه‌ای که برخی از آن‌ها به ۸۰۰ هزار ولت می‌رسیدند. برخی از بخش‌های اروپا شروع به استفاده از خطوط HVDC برای برق‌رسانی به کشورهای مختلف کردند.

خطوط HVDC اتلاف کمتری نسبت به خطوط مشابه AC در مسیرهای طولانی دارند. به علاوه، HVDC اجازه‌ی اتصال همزمان چند سیستم AC را می‌دهد، مثلا می‌توانید به صورت همزمان هم ۵۰ هرتز و هم ۶۰ هرتز را داشته باشید. با وجود این مزایا، سیستم‌های HVDC گرانتر از سیستم‌های AC هستند، و همچنین کمتر قابل اعتماد هستند. سرانجام رویای هر سه نفر، ادیسون، تسلا و وستینگ‌هاوس، به حقیقت پیوست. جریان AC و DC می‌توانند به طور همزمان وجود داشته باشند و هرکدام برای اهداف متفاوتی استفاده شوند.

حالا درک شما از تفاوت AC و DC بهتر شده است. تغییر سطح ولتاژ در AC آسانتر است که باعث می‌شود انتقال آن با ولتاژ بالا ساده‌تر باشد. در طرفی دیگر، جریان DC تقریبا در تمام بخش‌های الکترونیک یافت می‌شود. البته این هم باید بدانید که این دو خیلی خوب با یکدیگر کار نمی‌کنند و اگر می‌خواهید یک وسیله برقی را به پریز برق متصل کنید، باید جریان AC را به DC تبدیل کنید.