ما هو الدائرة الكهربائية ومتى تستخدم

يمكن حساب القوة الكهرومغناطيسية في الدوائر الكهربائية باستخدام القوانين الأساسية للكهرومغناطيسية في الفيزياء، وهي قانون كولوم وقانون أمبير وقانون فاراداي، ويمكن تطبيق هذه القوانين على التيارات الكهربائية وشحنات الكهربائية الموجودة في الدوائر الكهربائية. ويمكن حساب القوة الناتجة بين التيارات الكهربائية المارة في أسلاك موازية، أو في حلقات متعامدة، أو في مجالات مغناطيسية ناشئة عن تيارات كهربائية متغيرة بزمن، وتستخدم أدوات الحساب الرياضي التقليدية مثل الجبر والتفاضل والتكامل في الحسابات.

يمكن حساب الطاقة الكهربائية في دائرة كهربائية باستخدام العلاقة P = VI ، حيث:
– P هي الطاقة الكهربائية بوحدة الواط (W).
– V هي الجهد الكهربائي بوحدة الفولت (V).
– I هي التيار الكهربائي بوحدة الأمبير (A).

وبالتالي، يمكن حساب الطاقة الكهربائية من خلال ضرب الجهد الكهربائي بالتيار الكهربائي.

تتضمن الدوائر الكهربائية المستخدمة في التحكم بأنظمة الإضاءة الذكية عادةً مجموعة من الحساسات والمفاتيح والبرامج والمحولات والتحويلات الكهربائية. ويتم استخدام هذه المكونات بشكل مختلف وفقًا للتطبيق المحدد وهدف التحكم في الإضاءة. ومن بين الأمثلة على الدوائر الكهربائية المستخدمة في التحكم بأنظمة الإضاءة الذكية:

– دائرة الحساسات الضوئية والحركة، والتي تستخدم لتحديد متى يجب تشغيل الإضاءة وإيقافها عندما لا يكون هناك حركة أو وجود شخص في المنطقة.
– دائرة التحكم في الأبعاد اللونية للإضاءة، والتي تسمح بتحديد درجات اللون ودرجة السطوع للإضاءة وتحكم فيها لخلق أجواء مختلفة في المنزل أو المكتب أو المصنع.
– دائرة التوصيل اللاسلكي والتحكم عن بعد، والتي تتيح للمستخدم التحكم في الإضاءة عن بُعد عبر تطبيقات الهاتف الذكي أو الأجهزة الأخرى المتصلة بالإنترنت.
– دائرة تحويل التيار الكهربائي، والتي تستخدم لتحويل التيار المستمر أو المتردد إلى مستوى تيار يمكن تحكمه به بسهولة والتحكم في إخراج الجهد الكهربائي بشكل دقيق.

توجد العديد من الدوائر الكهربائية المستخدمة في أجهزة الاتصالات اللاسلكية، ومنها:

1. دوائر المودم: وهي الدوائر التي تسمح بتحويل الإشارات الرقمية إلى إشارات صوتية أو إشارات راديوية ليتم إرسالها عبر الهواء.

2. دوائر الاستقبال: وهي الدوائر التي تسمح بتحويل الإشارات اللاسلكية المستلمة من الهواء إلى إشارات رقمية يمكن فك تشفيرها وفهمها.

3. دوائر الإرسال: وهي الدوائر التي تسمح بتحويل الإشارات الرقمية إلى إشارات لاسلكية يمكن إرسالها عبر الهواء.

4. دوائر الاستقرار: وهي الدوائر التي تسمح بتثبيت تردد الإشارة اللاسلكية المرسلة أو المستقبلة.

5. دوائر التضخيم: وهي الدوائر التي تسمح بتضخيم الإشارات اللامرئية والصوتية لتحسين جودة الاتصال.

6. دوائر التحكم في الطاقة: وهي الدوائر التي تسمح بتحديد مستوى الطاقة المناسب للإشارات اللاسلكية وتوزيعها على الهوائيات.

تصميم الدوائر الكهربائية المستخدمة في أنظمة التحكم الآلي يتم بواسطة مهندسي الأتمتة والتحكم. يتضمن عملية التصميم عدة خطوات مهمة، ومنها:

1. تحليل المتطلبات: يتم في هذه الخطوة تحديد المتطلبات والمواصفات للنظام الآلي، مثل الوظائف التي يجب أن يقوم بها النظام والمدخلات والمخرجات المطلوبة.

2. تصميم المخطط البلوكي: يتم في هذه الخطوة تحديد وتوزيع المكونات الرئيسية للنظام، مثل المتحكم البرمجي (PLC) أو المتحكم المنطقي المبرمج (PLC) والمحركات والمستشعرات.

3. تصميم الدوائر الكهربائية: يتم في هذه الخطوة تصميم الدوائر الكهربائية التي تربط المكونات الرئيسية في النظام مع بعضها البعض. يتم تحديد أنواع الأسلاك والمكونات الكهربائية المستخدمة، مثل المقاومات والمكثفات والصمامات والمفاتيح.

4. رسم الدوائر الكهربائية: يتم في هذه الخطوة رسم الدوائر الكهربائية على ورقة تصميم أو باستخدام برامج التصميم الكهربائي المساعدة. يتم تحديد مواضع المكونات والاتصالات بينها وتوصيلات الطاقة والأرض.

5. اختبار وتشغيل الدوائر: بعد تصميم الدوائر الكهربائية، يتم اختبارها للتأكد من عملها بشكل صحيح وفقًا للمتطلبات المحددة. يتم التحقق من توصيلات الأسلاك وعمل المكونات الكهربائية والتأكد من عدم وجود أخطاء في الدوائر.

6. توثيق الدوائر: يتم في هذه الخطوة إعداد وثائق توثيقية للدوائر الكهربائية، مثل رسومات الدوائر وقوائم المكونات والمخططات الكهربائية. تساعد هذه الوثائق في صيانة النظام وتحديثه في المستقبل.

بالإضافة إلى ذلك، يجب أن يتم تصميم الدوائر الكهربائية وفقًا للمعايير الكهربائية المعمول بها في الصناعة، مثل معايير NEC وIEC. يجب أيضًا الأخذ في الاعتبار عوامل السلامة والحماية اللازمة للعاملين والمعدات.

تستخدم النظم الحاسوبية في تحليل الدوائر الكهربائية لمساعدة المهندسين والفنيين على فهم سلوك الدوائر وتحديد القيم المثالية للمكونات الكهربائية المستخدمة فيها. تشمل طرق استخدام النظم الحاسوبية لتحليل الدوائر الكهربائية ما يلي:

1- استخدام برامج التحليل الكهربائية: تتيح هذه البرامج إدخال قيم المكونات الكهربائية في الدائرة وتحليل سلوكها بما في ذلك التيار والجهد والقدرة والمقاومة والسعة والحث.

2- استخدام برامج المحاكاة: تسمح هذه البرامج للمستخدم بإدخال تقديرات لقيم المكونات الكهربائية وتحاكي تفاعلات الدوائر. يمكن للمستخدم تغيير قيم المكونات إلى أن تحقق النتائج المرجوة.

3- استخدام برامج الرسوم البيانية: تسمح هذه البرامج للمستخدم بعمل مخططات ورسوم بيانية للدوائر الكهربائية وتوضيح سلوكها.

4- استخدام البرمجيات الخاصة: من الممكن أن تكون الدوائر الكهربائية المستخدمة في مجالات معينة، مثل الطاقة الشمسية أو السيارات الكهربائية، تحتاج إلى البرمجيات الخاصة التي يتم تطويرها لتلبية الاحتياجات الفريدة لهذه المجالات.

توجد العديد من الدوائر الكهربائية المستخدمة في نظم تحريك الآلات والمحركات، ومنها:

1. دائرة التحكم في سرعة المحرك: هذه الدائرة تستخدم للتحكم في سرعة المحرك وتتكون من متحكم (Controller) ومؤشر (Encoder) وشبكة السوط (Bus Network) وبعض المكونات الأخرى.

2. دوائر التحكم بالحركة: تستخدم هذه الدوائر لتحريك المحور الخطي أو دوران المحرك عند تغيير اتجاه الحركة، وتتكون هذه الدوائر من المجسات (Sensors) والترانزستورات (Transistors) وعناصر التحكم (Control Elements).

3. دوائر الإشارات الرقمية: تستخدم هذه الدوائر لتوصيل الآلات بالحاسب الآلي، وتستخدم في التحكم في الحركات والمواقع.

4. دوائر التحكم بالحرارة: تستخدم هذه الدوائر لتحريك المحور الخطي أو دوران المحرك عندما ترتفع درجة الحرارة العاملة بشكل كبير، ويمكن استخدام هذه الدوائر في المصانع والمعامل والمختبرات.

5. دائرة التحكم بالضوء: تسمح هذه الدائرة بالتحكم في الإضاءة، وتستخدم عادةً في البيوت والمكاتب.

6. دوائر تحويل الطاقة: تستخدم هذه الدوائر لتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حركية، وتتكون من محولات طاقة (Power Transformers) والمدخلات (Inputs) والمخارج (Outputs) والمكونات الأخرى.

تستخدم الدوائر الكهربائية في نظم التحكم الآلي على نطاق واسع للتحكم في العمليات الصناعية والمنازلية والتجارية والطبية والعلمية والعسكرية وغيرها. تعمل هذه الدوائر الكهربائية عن طريق الاستشعار والمعالجة والإخراج لتحديد ومراقبة وتحسين الأداء والكفاءة والأمان للعملية المطلوبة.

وتشمل الدوائر الكهربائية المستخدمة في نظم التحكم الآلي العديد من الأجزاء المختلفة مثل:

1. محولات الجهد: وهي عبارة عن أجهزة تستخدم لتحويل الجهد الكهربائي من مستوى واحد إلى آخر.

2. الاستشعار: وهي عبارة عن أجهزة تستخدم لقياس المتغيرات المختلفة مثل درجة الحرارة والضغط والسرعة والتدفق وغيرها.

3. المعالجة: وهي عبارة عن أجهزة تستخدم لتحويل الإشارات الكهربائية الناتجة عن الاستشعار إلى إشارات رقمية وتفسيرها والقيام بالحسابات اللازمة لتوليد إشارات تحكم.

4. الإخراج: وهي عبارة عن أجهزة تستخدم لتحويل الإشارات التي تم توليدها من خلال المعالجة إلى إشارات كهربائية تستخدم للتحكم في المحركات والصمامات والمفاتيح وغيرها من الأجهزة.

وتتفاوت الدوائر الكهربائية التي تستخدم في نظم التحكم الآلي في الحجم والتعقيد والوظائف التي تؤديها. ومن أمثلة هذه الدوائر الكهربائية: دوائر التحكم في المحركات الكهربائية، دوائر التحكم في الإضاءة والتدفئة والتبريد، دوائر التحكم في الروبوتات والأتمتة الصناعية، وغيرها.

تختلف الدوائر الكهربائية المستخدمة في أنظمة الروبوتات والأتمتة باختلاف تصاميم الروبوتات وأنواعها. ومن بين هذه الدوائر الكهربائية المستخدمة:

1. محركات DC: تستخدم لتحريك أجزاء الروبوت (مثل الذراعين والرؤوس والعجلات) وتتكون من العديد من الأسلاك والمكونات الأخرى.

2. محركات خطوة: تستخدم لتحريك محاور الروبوت بشكل دقيق ويتم التحكم فيها بواسطة متحكمات الحركة ودوائر التحكم.

3. متحكمات الحركة: تسمح بالتحكم في حركة الروبوت بواسطة إرسال إشارات تحكمية إلى المحركات المختلفة.

4. وحدات تحكم الأتمتة: تستخدم لتحكم وإدارة المهام المتكررة والمعقدة التي يقوم بها الروبوت.

5. محولات الطاقة: تستخدم لتحويل الجهد الكهربائي من مصدر الطاقة إلى الجهد الذي يحتاجه الروبوت.

6. الحساسات: تستخدم لتحديد المواقع والحركات وقياس الضغط والحرارة.

7. البطاريات: تستخدم لتزويد الروبوت بالطاقة اللازمة للحركة والعمل.

تستخدم الدوائر الكهربائية في الأنظمة الميكانيكية لتشغيل المحركات الكهربائية وتحكم في حركتها، وكذلك للحصول على الإشارات الحساسة من الاستشعارات.

وهناك عدة أنواع من الدوائر الكهربائية المستخدمة في الأنظمة الميكانيكية، ومنها:

1- دائرة التحكم الكهربائية للمحركات: تستخدم هذه الدائرة لتحكم في الدوران الثابت للمحرك، وتحديد سرعة المحرك، وتحديد اتجاه الدوران. وتتكون هذه الدائرة من العناصر الكهربائية مثل المسرَّعة والمكثفات والمفاتيح والمقاومات.

2- دائرة الاستشعار الكهربائية: تستخدم هذه الدائرة للحصول على الإشارات الحساسة من الاستشعارات في النظام الآلي، مثل الحرارة والضغط والرطوبة والاهتزاز وغيرها. ويتم تصميم هذه الدائرة بحيث يتم تضمين المحولات الكهربائية والمكثفات والمقاومات لتحويل هذه الإشارات إلى إشارة كهربائية.

3- دائرة التحكم في درجة الحرارة: تستخدم هذه الدائرة للحفاظ على درجة حرارة محددة في نظام الآلي. ويتم تصميم هذه الدائرة باستخدام وسائل التحكم في الحرارة مثل المروحة والمبردات والمحركات الكهربائية.

4- دائرة التحكم في الإضاءة: تستخدم هذه الدائرة للتحكم في الإضاءة في الأنظمة الميكانيكية، حيث تتحكم في شدة الإضاءة ووقت التشغيل وغيرها. ويمكن تصميم هذه الدائرة باستخدام النظم الفلكية أو النظم الزمنية أو النظم المنطقية.