هناك العديد من التقنيات المتاحة في مجال تصنيع البطاريات , هناك حقا مصادر جيدة متاحة في مجال   التركيب الكيميائي  للبطاريات  , موقع ويكبيديا تحديدا جيد وشامل . يركز هذا الدرس على معظم البطاريات المستخدمة في الأنظمة المدمجة و الالكترونيات .

المصطلحات

فيما يلي بعض المصطلحات التي غالباً ماتستخدم عند الحديث عن البطاريات.

السعة (Capacity)

تختلف البطاريات من حيث معدل الطاقة التي تستطيع تخزينها, عندما تكون البطارية مشحونة بالكامل, تكون السعة هي مقدار الطاقة المخزنة في البطارية, البطاريات ذات النوعية المتشابهة  غالبا ما يتم تقيمها بمعدل التيار الذي يمكن إخراجه في وحدة الزمن. على سبيل المثال هناك بطاريات(بالساعة 1000mAh (milli-Amp و 2000mAh

الجهد الظاهري للخلية(Nominal cell voltage)

هو معدل الجهد المتوسط للخلية عندما تكون مشحونة, الجهد الظاهري للبطارية يعتمد على التفاعل الكيميائي المسبب له, بطارية السيارة من نوع (lead-acid) لهامخرج جهد يساوى12V بينما البطارية من نوع (lithium coin) لها مخرج جهد يساوى 3V.

وتعرف بـ ” الجهد الظاهري ”  , حيث ان القيمة الفعلية لقياس الجهد الكهربائي لمخرج البطارية سوف يتناقص اثناء عملية التفريغ للبطارية , البطارية المشحونة بالكامل من نوع (lipo) سوف تنتج جهد كهربائي عند المخرج حوالى 4.23V اما اثناء عملية التفريغ يصل جهد المخرج الى ما يقارب 2.7V.

الشكل (SHAPE)

البطاريات غالبا ما تأتى في اشكال واحجام متعددة  , الرمز “AA”يرمز إلى  نوع  وشكل محدد من الخلايا , يوجد هناك خيارات عديدة .

الابتدائية مقابل الثانوية (Primary VS Secondary)

البطاريات الابتدائية أو الاولية هي مرادفة في المعنى لإمكانية استخدامها لمرة واحدة , عندما ينضب هذا النوع من الخلايا فأنه لا يمكن اعادة شحنة مرة اخرى ,اما البطاريات الثانوية تعرف بالبطاريات ذات القابلية لإعادة الشحن . هذا يتطلب وجود مصدر اخر للطاقة لإعادة شحن البطارية , هذا النوع من البطاريات يمكن اعادة شحنة وتفريغه عدة مرات طوال عمر البطارية . بشكل عام البطاريات الابتدائية لها معدل تفريغ بطيء وبالتالي تظل لفترة اطول ولكنها قد تعتبر اقل قيمة من الناحية الاقتصادية إذا ما قارناها بالبطاريات ذات القابلية لإعادة الشحن.

كثافة الطاقة (Energy Density)

الجمع بين السعة وشكل وحجم البطارية, كثافة الطاقة للبطارية يمكن حسابها. اختلاف التقنيات المستخدمة في تصنيع البطارية يوفر بطاريات ذات سعات مختلفة , على سبيل المثال بطارية(lithium) تتمتع بحجم اكبر بالمقارنة مع بطاريات (alkaline)أو (Coin cell) .

معدل التفريغ الداخلي(Internal Discharge Rate)

هل حاولت من قبل تشغيل سيارة لم تعمل لمدة ستة شهور ؟ البطاريات تقوم بتفريغ شحنتها إذا بقيت مخزنة أو لم تستخدم, معدل تفريغ البطارية الذاتي في وحدة الزمن هو ما يعرف بمعدل التفريغ الداخلي.

الامان (Safety)

بما ان البطارية تخزن الطاقة ,  فهي تعتبر متفجرات صغيرة جدا , للحماية من الإصابة , البطارية مصممه لتكون أمنة على قدرالإمكان , معظم تكنلوجيا تصنيع البطاريات مصممه لتفريغ البطارية بشكل آمن في حالة سوء الاستخدام . إذا قمت بثني بطارية (alkaline) فأنك قد تشعر بحرارة ولكن البطارية لن تشتعل. معظم بطاريات (lithium Polymer) تحتوى على دوائر حماية داخلية لحماية البطارية من التلف وحمايتها من الاستخدام الغير أمن.

بطارية (lithium Polymer)

بطاريات lithium Polymer  أو ما تعرف اختصارا بـ (lipo)  تعتبر من افضل البطاريات التي يمكن استخدامها في مجال الانظمة المدمجة , وهى متوفرة بكثافة في الاسواق . وبما ان الهواتف المحمول كثيرا ما تستخدم هذا النوع من البطاريات فإنه يمكن العثور عليها بسهولة في الاسواق وبأسعار مناسبة , يجب اختيار الشاحن المناسب لهذا النوع من البطاريات .

الجهد الظاهري(Nominal voltage)

كل بطارية من النوع lipo لها جهد ظاهريnominal voltageيساوى3.7V, عندما تشحن البطارية بالكامل سوف تلاحظ ان قيمة الجهد تقترب من 4.3V ولكن سرعان ما تقل لتصل إلى 3.7V في حالة الاستخدام الطبيعي للبطارية. عندما تنضب يصل جهد الخلية إلى حوالى 3V , وهذا يعنى ان تطبيقك يجب ان يتعامل مع هذه القيم المختلفة للجهد في حالة إذا ما كان يتغذى مباشرة من البطارية . إذا كنت تحتاج الى 5V فهذا يعنى انك سوف تضطر إلى توصيل بطاريتان من نوع lipo لتحصل على جهد يساوى 7.4Vومن ثم تستخدم مثبت جهد لخفض الجهد إلى قيمة ثابتة تساوى 5v.

الموصلات (Connectors)

في عالم الالكترونيات الصغيرة , معظم بطاريات lipo تأتى بأنواع مختلفة من الوصلات ,وتعتبر الوصلات من النوع JST Connector هي الآمن , حيث تمنع توصيل البطارية بشكل خاطئ , الوصلة تستخدم الاحتكاك للتثبيت فمن الشائع استخدام الكماشة لفصل البطارية .

الشحن والتفريغ

يوجد العديد من الشواحن ذات التكلفة المنخفضة المستخدمة لإعادة شحن بطاريات lipo . غالبا مايستخدم معظمها usb لشحن البطارية , لاتحاول اعادةشحن بطاريات lipo بدون استخدام الشاحن , بطارياتlipo قد تتعرض للتلف إذا ماتعرضت إلى جهد شحن يفوق مايمكن ان تتحمله . لذا يجب استخدام الشاحن المصمم خصيصا لشحن بطاريات lipo  .

ايضا بطاريات lipo قد تتعرض للتلف في حالة التفريغ السريع. للحماية من ذلك, معظم بطاريات lipo مزودة بدائرة حماية في الجزء العلوى من الخلية والتي تعمل على فصل دائرة البطارية في حالة انخفاض قيمة الجهد عن قيمة محددة ( عادة ماتكون 3V ).

بطاريات lipo تمتلك معدل تفريغ داخلي بطئ جداً . مما يجعلها اختيار مناسب للمشاريع التي تحتاج إلى معدل منخفض من الطاقة وتعمل لفترات طويلة قد تمتد لأيام وشهور.

احذر كثافة الطاقة
هذا النوع من البطاريات يخزن حزمة من الطاقة ويمكن ان يكون مصدر لتيارات كهربائية مختلفة القيم , دائرة الحماية من الالتماس (short circuit protection) تعمل على فصل دائرة البطارية في حالة حدوث أي التماس.

نوصى باستخدام بطاريات lipo  في معظم التطبيقات المحمولة , فهي متماسكة لحد كبير وفى حالة استخدامها بطريقة امنه فإنها تكون مصدر عظيم للطاقة .

بطاريات من نوع (Nickel Metal Hydride)

بطاريات (Nickel Metal Hydride) او مايعرف اختصارا بـ (NIMH) هي من اكثر تقنيات  صناعة البطاريات القابلة لإعادة الشحن التي اثبتت مكانتها . يتميز هذا النوع من البطاريات بانخفاض سعره ولكنه يعانى من نقص في كمية الطاقة المخزنة إذا ماقارناه ببطارية  lipo . بطاريات NIMH  تتطلب منحنيات شحن اقل صرامة مما يقلل من سعر الشواحن . غالبا ماتجد هذا النوع من البطاريات في المنتجات الالكترونية المنخفضة التكلفة مثل فرشاة الاسنان الكهربائية ومكينات الحلاقة , حيث يعتبر جهد المخرج للبطارية اقل قيمة (ستلاحظ فرشاة الاسنان الخاصة بك تعمل ببطيء ولكنها لاتزال تعمل).

مخرج الجهد الظاهري لكل بطارية يساوى  V1.2. هذا مشابهه جدا للبطاريات (alkaline) التي لها نفس الحجم مع مخرج جهد يساوى 1.5V. تجميع اربع بطاريات من النوع AA NIMH سوف يوفر لك جهد كهربائي عند المخرج يساوى 4.8V والذي يستطيع تشغيل التطبيقات التي تحتاج إلى جهد يساوي 5V ولكن سيصبح الانخفاض في الجهد مجمع.

وبسبب تشابهها مع البطاريات الاستهلاكية العادية , شحن بطارية NIMH يتم باستخدام الشواحن التي توضع في قابس الكهرباء.
نحن ننصح باستخدام بطاريات NIMH  في التطبيقات المصممة لاستخدام بطارية من النوع AA.

خلية العملة (Coin Cell)

خلية العملة أو ماتعرف بـ(Coin Cell) رائعة في التطبيقات الصغيرة والتي تحتاج لمقدار ضئيل من الطاقة  ,هذه البطاريات رخيصة ويمكن شرائها في مجموعات إذا دعت الحاجة. انها رائعة في اختبار مصابيح(LEDS), سوف تجد هذا النوع من البطاريات مخبأة في جهاز التحكم عن بعد (remote control) والشموع الكهربائية وكثير من الاجهزة الصغيرة .

هذا النوع من البطاريات غير قابل لإعادة الشحن , هناك انواع اكثر تعقيدا يمكن اعادة شحنها ولكن الاغلبية العظمى من هذه البطاريات ترمى بعد استخدامها .

التركيبة الكيميائية وتقنية التصنيع لهذا النوع من البطاريات فيه اختلافات كثيرة ,بعضها Alkaline و البعض الاخر lithium الـ Coin Cell Alkaline لها جهد ظاهري يساوى 1.5V بينما في المقابل Coin Cell lithium لها جهد ظاهري يساوى3V.

بطاريات Coin Cell تأتى في احجام مختلفة , ويكون لكل منها شفرة يستدل منها على حجم ونوع المكون الكيميائي للبطارية , بطارية Coin Cell Alkaline  تبدء بحرف ” l ” بينما بطارية Coin Cell lithium  تبدء بحرف ” C ” . ومن الامثلة المشهورة البطارية ذات الشفرة “CR2032 ” هي بطارية من النوع lithium ( وجهد ظاهري يساوى 3V ) مع قطر يساوى 20mm وطول يساوى 32mm . مثال اخر وهو البطارية ذات الشفرة “LR1154 ” لـ “LR44 ” وهي لبطارية من النوع alkaline وجهد يساوى 1.5V مع نصف قطر يساوى 11mm و طول يساوى 5.4mm.

بطاريات Coin Cell رائعة لتغذية التطبيقات الصغيرة مثل المتحكمات و المصابيح.

بطاريات Alkaline

لقد كبرنا مع هذا النوع من البطاريات التي يمكن استخدامها لمرة واحدة ,هذه البطارية قدانتشرت لعدة عقود ,لذا فمن السهل ان تجدها حولك في أي مكان , كما يوجد العديد من حافظات البطاريات والملحقات الخاصة بالبطاريات من نوع AA و  9V.

هذا البطاريات رخيصة وأمنة من حيث الاستخدام ومتوفرة في كل مكان ولكن للأسف فهي غير قابلة لإعادة الشحن . تركيبة Alkaline  الكيميائية تجعلها أمنة .

AA و AAA هما من اشهر انواع بطاريات Alkaline بجهد مخرج ظاهري يساوى 1.2V (ولكن بجهد يساوى 1.5V في اول مرة استخدام), نظرا لان جهد المخرج لهذه البطارية يساوى 1.2V, فأنت تحتاج لتجميع ثلاثة أو اربع بطاريات لتتمكن من تشغيل نظامك الذي يحتاج الي جهد يساوي 3.3V أو 5V.

بطارية 9V مع كيبل التوصيل رائعة , طريقة سريعة لعمل الانظمة المحمولة ولكن لا تتوقع ان تضل لفترة طويلة  , على الرغم من ان جهد المخرج لهذه البطارية يساوى 9V ولكن قيمة السعة لهذه البطارية صغيرة . غالبا ما نستخدم هذا النوع من البطاريات مع المبتدئين حيث يشعرون بالراحة في التعامل مع هذا النوع من البطاريات مع سهولة ايجادها .في حالة توصيل البطارية بشكل معكوس فهذا يؤدي إلى ارتفاع في درجة الحرارة ولكن نسبة الاضرار تكون منخفضة.

مقدمة :

في هذا الدرس سوف نتعرف على الطرق المختلفة  التي يمكن ان توفر من خلالها التغذية للمشاريع الالكترونية الخاصة بك .سوف نتطرق الى بعض التفاصيل الخاصة بالجهد الكهربائي والتيار والتي يجب مراعاتها عند العمل , كما سوف نتطرق ايضا الى بعض التفاصيل الاضافية و التي يجب مراعاتها اذا كان مشروعك من النوع (متحرك / او يتم التحكم به عن بعد) بمعنى اخر , انه لن يكون قريب من مصدر التغذية الموجود بالحائط (قابس الكهرباء) .

اذا كان هذا حقا هو مشروعك الاول , فلديك الخيار في متابعة قراءه هذا الدرس او تلتزم بمصدر التغذية الموصى به لمشروعك.

طرق تغذية المشاريع :

هنا بعض الطرق المستخدمة لتوفير الطاقة للمشاريع :

• وحدة تحويل التيار المتردد(AC) للتيار المباشر(DC) (مثل جهاز الكمبيوتر المحمول)
• مزود طاقة يمكن تحديد الوحدة المتغيرة لتغذية التيار المباشر (variable DC power supply)
• بطاريات
• من خلال كيبل (USB)

أربع طرق شائعه لتوفير الطاقة لمشروعك

ما هو الاختيار المناسب  لإمداد مشروعي بالطاقة ؟

الجواب على هذا السؤال يعتمد إلى حد كبير على المتطلبات المحددة للمشروع.

اذا اردت البدء باستخدام احدى حزم المبتدئين , انت فقط بحاجة الى كيبل (USB). الاردوينو اونو (Arduino UNO ) هو مثال جيد حيث انه يحتاج فقط لكيبل (USB) لامداده بالطاقة وبدء تشغيل المثال على لوحة التجارب .

اذا كنت تعمل في مجال بناء المشاريع واختبار الدوائر بشكل منتظم , فيفضل حصولك على الوحدة المتغيرة لتغذية التيار المباشر (variable DC power supply) . فهذا سوف يساعدك على ضبط الجهد الكهربائي (Voltage) الذى تحتاجه اعتمادا على متطلبات المشروع الخاص بك . كما انه يوفر لك مجموعة من سبل الحماية حيث يمكنك تحديد الحد الاقصى للتيار الذى يمكن استهلاكه من وحدة التغذية . في حالة حدوث التماس كهربائي (short circuit) في المشروع الخاص بك , سوف يتم غلق وحدة التغذية مباشرة وبشكل اتوماتيكي لمحاول حماية بعض المكونات الالكترونية لمشروعك .

غالبا ما تستخدم وحدات التغذية ذات مدخل جهد كهربائي متردد ومخرج جهد كهربائي مستمر (AC TO DC power supply) بعد التأكد من الدائرة . ويعتبر هذا الاختيار رائع في حالة اذا ما كنت تستخدم لوحة التطوير بشكل متكرر خلال المشروع . هذه المحولات عادة ما يكون لها جهد وتيار محددين , لذا فمن المهم ان تكون متأكد من ان المحول الذى اخترته له مواصفات تتناسب مع المشروع المراد تزويده بالطاقة وعدم تجاوزه لهذه المواصفات .

اذا كنت تريد ان يكون مشروعك متحرك او لا يعتمد في تغذيته على مصدر طاقة ثابت , اذا فالبطاريات هي الحل الامثل الذى تبحث عنه . تتوفر البطاريات بأشكال عديدة لذا تأكد من مراجعة الجزء الاخير من هذا الدرس حيث يمكنك اختيار المناسب لك . تشتمل الخيارات على بطاريات lithium polymer و بطاريات NiMH AA’s القابلة لاعاده الشحن .

اعتبارات الجهد والتيار:

ما هو معدل الجهد الكهربائي الذى تحتاجه لمشروعك X  ؟

هذا يعتمد بشكل كبير على الدائرة  . لذا من الصعب الاجابة على هذا السؤال , على اية حال , معظم  لوحات تطوير المعالجات (MICROPROCESSORS) مثل  “Arduino Uno  ” تحتوى على مثبت جهد خاص بها. هذا يسمح لنا بامداد الدائرة بجهد كهربائي محدد يفوق جهد مثبت الجهد . كثير من المعالجات (MICROPROCESSOR)  و الدوائر المدمجة (IC) الموجودة على لوحات التطوير تعمل عند جهد كهربائي (3.3V) او (5V) ولكنها تمتلك مثبت جهد يمكنها من التعامل مع جهد يتراوح ما بين 6V الى 12V .

الطاقة تأتى من مصدر التغذية ومن ثم يقوم مثبت الجهد بتثبيت الجهد , حيث يتم تشغيل كل دائرة مدمجة بجهد ثابت  حتى اذا تغيرت قيمة التيار المسحوب من الدائرة في اوقات مختلفة .

ما هو معدل التيار الذى تحتاجه لمشروعك  X؟

يعتمد هذا السؤال أيضا على لوحة التطوير للمعالج (MICROPROCESSOR)   الذى تستخدمه , كما يعتمد ايضا على طبيعة الدائرة التي سوف يتم توصيلها باللوحة . اذا لم يستطيع مصدر التغذية توفير الطاقة اللازمة لمشروعك , فسوف تلاحظ ان الدائرة تعمل بشكل غير منتظم وبطريقة غير متوقعه .وهذا ما يسمى بـ “brown out  ” .

كما هو الحال مع الجهد، من المستحسن مراجعة سجل البيانات وتقدير ماهي الاختلافات و الاجزاء التي قد تحتاجها الدائرة , و من الافضل ايضا تجميع وافتراض أن دائرتك تحتاج إلى تيار أكثر من الحالي لعدم توفر ما يكفي من التيار . إذا كانت دائرتك تتضمن العناصر التي تتطلب قيمة كبيرة للتيار , كما هو  الحال في المحركات و الأعداد الكبيرة من مصابيح LEDs, فانت تحتاج الى مصدر تغذية كبير او على الاقل الى مجموعة من مصادر التغذية المستقلة للمعالج (MICROPROCESSOR) و المحركات الاضافية , مجددا , من مصلحتك ان تحصل على مصدر تغذية ذو قيمة تيار مرتفعة بدل من مصادر اضافية غير قادرة على امداد دائرتك بالتيار الكافي .

ليس لدي أي فكرة عن قيمة التيار الذى يحتاجه مشروعي ؟

ما أن تبدء في العمل مع الدوائر لفترة , سوف يكون من السهل عليك تحديد قيمة التيار الذى يحتاجه مشروعك , على اية حال , من الطرق الشائعة لتحديده اما باستخدام مصدر تغذية مستمر (DC) يمكنه قراءة قيمة التيار او باستخدام الملتيميتر الرقمي  لقياس قيمة التيار المستهلكة من قبل الدارة اثناء تشغيلها , اذا كنت لا تعرف طريقه قياس التيار باستخدام الملتيميتر  , من فضلك قم بمراجعه درس الملتيميتر .

الملتيميتر الرقمي  (Digital Multimeter)

نحن ننصح بشدة بوجود الملتيميتر الرقمي (MMD) في صندوق العدة الخاص بك  , انه رائع لقياس قيمة الجهد والتيار .

الروابط او الوصلات (Connections)

كيف اقوم بتوصيل البطارية او مصدر التغذية بدائرتي ؟

هناك طرق عديدة لتوصيل مصدر التغذية بدائرتك

طرق شائعة لتوصيل مصدر التغذية بدائرتك

وحدات التغذية المتغيرة غالبا ما يتم توصيلها بالدوائر باستخدام مقبس يمسى banana jakes  او الاسلاك wires   مباشرة , هذا ايضا مشابه للوصلات الموجودة على اسلاك جهاز الملتيميتر .

معظم المشاريع يتم بنائها في البداية  على لوحه التجارب , كمنتج تجريبي , قبل ان يصبح منتج نهائي . هناك طرق عديدة لامداد لوحة التجارب الخاصة بك بالطاقة , كثير من هذه الطرق يعتمد على الوصلات التي تم ذكرها هنا .

بعد ان يتخطى المشروع مرحلة المنتج التجريبي , يتم تحويله في النهاية الى لوحة مطبوعة (PCB) , واحد من اكثر الوصلات المستخدمة في اللوحات المطبوعة النهائية  (في كل من الالكترونيات الاستهلاكية او التجريبية ) هو الوصلة  الاسطوانية (barrel connector) والتي تعرف ايضا بالمقبس الأسطواني  (barrel jack). وقد تختلف في الحجم  ولكنها جميعا تعمل بنفس الطريقة . يمكن الاعتماد عليها لتغذية مشروعك بالطاقة .

البطاريات عموما توضع في علبة والتي تحتوى البطارية ، ويتم توصيلها بالدائرة عن طريق الاسلاك او القابس الأسطواني (barrel jack ) باستخدام وصلة (STJ).

الطاقة المحمولة/طاقة الأجهزة التي يتم التحكم بها عن بعد

ما هي البطارية التي يجب ان استخدمها ؟

عند القيام بتغذية الدوائر المتحكم بها عن بعد , تظل قضية ايجاد البطارية التي سوف تمد الدائرة بالجهد الكهربائي والتيار،العمر الافتراضي للبطارية،او السعة، هو مقياس لاجمالي الشحنة التي تحملها البطارية . سعة البطارية عادة ما يتم حسابها امبير /  ساعة (Ah)  او ميلي امبير / ساعة  (mAh) وهذا يخبرنا بمعدل التيار الذى يمكن ان تمدنا به البطارية المشحونة بالكامل خلال ساعة واحدة . على سبيل المثال  البطارية (2000mAh)  تستطيع ان تمد حتى(2A(2000mA لمدة  ساعة واحدة .

حجم البطارية , ووزنها , وشكلها  ايضا هي اشياء تأخذ بعين الاعتبار عند عمل مشروعك المتحرك لا سيما اذا كان شيء يطير مثل الطائرة. يمكنك الحصول على فكرة تقريبية عن مجموعة متنوعة من البطاريات  عن طريق زيارة قائمة ويكيبيديا .

توصيل البطاريات على التوالي والتوازي

يمكنك توصيل البطاريات على التوالي او التوازي لكي تحصل على الجهد الكهربائي و التيار المطلوبين لمشروعك . عند توصيل بطاريتان او اكثر على التوالي , يتم اضافة الجهد لكل من البطاريتان , على سبيل المثال , بطاريه السيارة (Led-acid) هي مكونه في الاصل من ستة خلايا منفصلة من بطاريات led-acid  موصلة على التوالي .

الست بطاريات ذات الجهد الكهربائي 2.1V تنتج قيمة جهد يصل الى 12.6V , عند توصيلها على التوالي , يفضل ان يكون لها نفس التركيب الكيميائي  , كن حذرا عند القيام بشحن البطاريات الموصلة على التوالي حيث ان العديد من الشواحن تقتصر على شحن البطارية احادية الخلية .

عند توصيل اكثر من بطاريتان او اكثر على التوازي , يتم جمع السعة , على سبيل المثال ,اذا تم توصيل اربع بطاريات من النوع AA على التوازي فهذا سوف ينتج 1.5V لكن قدرة البطاريات سوف تتضاعف اربع مرات.

ما هي سعة البطارية التي سوف احتاجها في مشروعي ؟

هذا السؤال يسهل الاجابة علية عند تحديد مقدار التيار المستهلك من قبل دائرتك . في المثال التالي سوف نستخدم التقدير . ولكن مع ذلك ,فأنه من المفيد لك ان تقوم باستخدام الملتيميتر الرقمي لقياس مقدار التيار المستهلك من قبل دائرتك للحصول على نتائج دقيقة .

على سبيل المثال , دعونا نبدأ مع دائرة , قم بفرض قيمة التيار , قم باختيار بطارية ومن ثم قم بحساب المدة التي سوف تعمل بها الدائرة اعتمادا على طاقة البطارية . دعنا نختار المتحكم من النوع (ATmeg 328) ليكون هو العقل الرئيسي للدائرة . انه يستهلك حوالى 20mA في ظل الظروف الطبيعية . دعنا الان نقوم بتوصيل ثلاثة مصابيح حمراء (RED LEDS) و مقاومات خانقة للتيار ذات قيم قياسية تساوى 330 ohm بمدخل / مخرج    رقمي لمنافذ المتحكم . في هذا الترتيب , كل مصباح تم اضافته يؤدى الى استهلاك تيار مقداره 10mA  من الدائرة . الان دعنا نقوم ايضا بتوصيل محركان الى المتحكم , كل واحد منهما يستهلك حوالى 25mA عند بدء التشغيل , فيكون المجموع المحتمل للتيار المستهلك هو:

دعونا نختار لها بطارية من النوع  AA  لان لديها ما يكفى من التيار (1A) , لديها سعة مناسبة  (1.5 Ah to 2.5Ah)  وهي شائعة جدا . سوف نفترض ان المتوسط   2Ah لهذا المثال . الجانب السلبي لاستخدام بطاريه AA ان لها جهد مخرج يساوى 1.5V فقط , وبما ان بقية مكونات الدائرة تعمل عند 5V , نحن نحتاج الى تكثيف الجهد ,يمكن استخدام مكثف الجهد (5V step-up breakout)   للحصول على الجهد المطلوب او يمكن توصيل ثلاثة بطاريات من النوع  AA على التوالي لنحصل على جهد كهربي يساوى 4.5V (ثلاث أضعاف 1.5 ) . يمكنك ايضا اضافة بطارية اخرى لتحصل على جهد كهربائي يساوى 6V ومن ثم قم بتثبيت قيمة الجهد طبقا لما تحتاجه دائرتك.

لحساب المدة الزمنية التي يمكن للدائرة ان تعمل فيها اعتمادا على طاقة بطارية واحدة , سو نستخدم المعادلة التالية :

للدائرة التي يتم تغذيتها بثلاثة بطاريات من النوع AA متصلين على التوازي  و تغذي دائرة تستهلك تيار يساوى 100mA ,هذا يترجم الى :

سوف نحصل بشكل مثالي على 60 ساعة من العمر الافتراضي  لثلاثة بطاريات من النوع  alkaline AA’s الموصلة على التوازي . مع ذلك , انه تدريب جيد ان تقوم بعملية الـ “derate”  للبطارية , وهي تعنى افتراض انك سوف تحصل على فترة زمنية اقل من العمر الافتراضي للبطارية . دعونا نفترض جدلا انك سوف تحصل على 75%  من العمر الافتراضي للبطارية , وبالتالي يمكن ان نحصل على 45  ساعة من العمر الافتراضي للبطارية  لمشروعنا.

كما يمكن ان يتغير العمر الافتراضي للبطارية اعتمادا  على معدل استهلاك التيار . هنا رسم بياني لبطارية AA يوضح العمر الافتراضي المتوقع للبطارية اعتمادا على القيمة الثابتة لاستهلاك التيار .

هذه واحده من العديد من الاعدادات التي يمكن استخدامها لتغذية مشروعك بالطاقة عن بعد

أساسيات الكهرباء

عندما ننطلق في اكتشاف عالم الإلكترونيات و الكهرباء, من المهم أن ندرك مفهوم التيار الكهربائي, الجهد الكهربائي و المقاومه. تمثل هذه العناصر حجر الأساس لمعالجة و استعمال الكهرباء. قد يكون من الصعب في البداية إدراك هذه المفاهيم لأننا لا يمكننا رؤيتها. فالإنسان لا يمكنه رؤية تدفق الطاقه من خلال سلك أو الجهد لبطاريه فوق الطاولة, حتى البرق رغم أنه مرئي, إلا أنه ليس تبادل الطاقه بين الغيوم  و الأرض بل ردة فعل للهواء عند مرور الطاقة الكهربائيه فيه.

من أجل الكشف عن تنقل هذه الطاقة الكهربائيه, يجب علينا إستعمال أدوات قياس مثل

المتعدد الرقمي (Multimeter) ، راسم اشارة الذبذبات  (Oscilloscope) حتى يمكننا مشاهدة ما يحدث لطاقه في نظام معين.

لاتخف ، هذا الدرس سوف يقدم فهم مبدئي لتيار الكهربائي, الجهد الكهربائي و المقاومه و العلاقة بينهم.

جورج أوهم

محتوى الدرس

• علاقة الشحنة الكهربائيه بالجهد الكهربائي, التيار الكهربائي و المقاومه
• مفهوم الجهد الكهربائي, التيار الكهربائي و المقاومه
• قوانين أوهم و كيفية استعمالها لفهم علم الكهرباء
• تجربة صغيرة لشرح هذه المفاهيم

الشحنة الكهربائية

الكهرباء هو نتاج تنقل الإلكترونات, هذه الإلكترونات تكوّن الشحنة الكهربائية التي يمكن لنا أن نستغلها للقيام بعمل ما. يستخدم المصباح الكهربائي, التلفاز الهاتف و غيرهم من الأجهزة تحرك الإلكترونات حتى تعمل. كل هذه الأجهزة تعمل باستعمال نفس مصدر الطاقة أي تحرك الإلكترونات.

يمكن لنا أن نفسر المفاهيم الثلاثة التي يختص بها هذا الدرس باستعمال الإلكترونات أو بالأحرى تحرك الإلكترونات لخلق الشحنة الكهربائية

• الجهد الكهربائي : هو الفرق في الشحنة بين نقطتين في سلك ناقل
• التيار الكهربائي : هو نسق تدفق الشحنة عبر سلك ناقل
• المقاومة:  هي نزعة السلك الناقل لمقاومة تدفق الشحنة

إذن عندما نتحدث عن هذه المفاهيم فإننا نتحدث في الحقيقة عن تنقل الشحنة الكهربائية و هكذا عن تصرف الإلكترونات.

تمثل الدائرة الكهربائية عقدة مغلقة تسمح بتنقل الشحنة من نقطة إلى أخرى و يمكننا أن نتحكم في تدفق الشحنة لإستعمالها عن طريق مكونات الدائرة.

الجهد الكهربائي (Voltage)

هي كمية الطاقة المتواجدة بين نقطتين في دائرة كهربائية, بلغة أخرى الجهد الكهربائي هو الفرق في الشحنة الكهربائية بين نقطتين في دائرة كهربائية. يقاس الجهد الكهربائي بالفولت (Volt)

وحدة الفولت سميت من الفيزيائي الإيطالي « Alessandro Volta » الذي اخترع أول بطارية كيميائية. نرمز لوحدة الفولت في المعادلات و الرسوم الهندسية باستعمال الحرف « V ».

عندما نفسر الجهد الكهربائي, التيار الكهربائي و المقاومة عادة ما نستعمل مقاربة ببرميل الماء. في هذه المقاربة الشحنة الكهربائية ممثلة بكمية الماء, الجهد الكهربائي يمثل بضغط الماء و التيار الكهربائي ممثل بتيار الماء.

إذن:

الماء = الشحنة الكهربائية

الضغط = الجهد الكهربائي

التيار = التيار الكهربائي

لنفترض أن برميل الماء مرتفع عن الأرض و في أسفله خرطوم.

الضغط في نهاية هذا الخرطوم يمثل الجهد الكهربائي, الماء في البرميل يمثل الشحنة الكهربائية. كلما تزداد كمية المياه في البرميل كلما ترتفع الشحنة كلما يرتفع الضغط في نهاية الخرطوم.

يمكن لنا أن نعتبر أن هذا البرميل عبارة عن بطارية ،حيز لتخزين الطاقة ثم إطلاقها. عندما يبدأ البرميل في الافراغ تنخفض قيمة الضغط في الخرطوم. هذا الأمر مماثل لانخفاض الجهد الكهربائي في البطارية.

التيار الكهربائي(Current)

يمكننا أن نعتبر كمية المياه المارّة في الخرطوم كالتيار الكهربائي فكلما ارتفع الضغط كلما ارتفع التيار و العكس صحيح. يمكن لنا قياس حجم المياه المتنقلة عبر الخرطوم في فترة من الزمن كما يمكننا قياس كمية الإلكترونات المتنقلة عبر الدائرة الكهربائية.

يقاس التيار الكهربائي باستعمال وحدة الأمبير أو (Amps)

1 أمبير يساوي تدفق 8^10*6.241 إلكترونات في الثانية، يرمز التيار الكهربائي في المعادلات و الرسوم الهندسية بحرف “i”

لنعتبر الآن أن لدينا برميلين كل واحد يملك خرطوم في أسفله, البرميلان يحتويان على نفس كمية الماء و لكن الخراطيم يختلفان في الحجم

كلا الخراطيم لهم نفس الضغط في نهايتهما و لكن عندما يبدأ الماء بالتدفق نلاحظ أن كمية المياه المتدفقة من الخرطوم الضيق أقل من كمية المياه المتدفقة من الخرطوم الواسع. بلغة أخرى التيار الكهربائي المتنقل عبر الخرطوم الضيق أقل من التيار الكهربائي المتنقل عبر الخرطوم الواسع. إذا كنا أن نريد أن تكون كمية المياه المتدفقة متساوية علينا أن نضيف مياه أكثر  في البرميل ذا الخرطوم الضيق.

هكذا يرتفع الجهد الكهربائي في نهاية الخرطوم الضيق و ينتج عن ذلك تدفق مياه أكثر .

من هنا نستنتج أن ارتفاع الجهد الكهربائي يولد ارتفاع في التيار الكهربائي.

يمكن لنا أن نلاحظ إذن العلاقة بين الجهد و التيار الكهربائي و لكن هنالك عامل آخر لا يجب نسيانه و هو عرض الخرطوم أي المقاومة

• الماء = الشحنة الكهربائية
• الضغط = الجهد الكهربائي
• التيار = التيار الكهربائي
• عرض الخرطوم = المقاومه

المقاومة

لنعتبر مرة أخرى برميلا الماء لهما خرطومان مختلفة الحجم

من الواضح أنه لا يمكننا وضع نفس كمية المياه في أنبوب ضيق و أنبوب واسع بنفس كمية الضغط, فالأنبوب الضيق يقاوم تدفق المياه أكثر من الأنبوب الواسع

يمكن أن نقارب هذه الفكرة في الكهرباء بسلكين لهم نفس الجهد الكهربائي و لكن مقاومة مختلفة. الدائرة الكهربائية التي تملك مقاومة أكثر تسمح لاكترونات(شحنة) أقل بالمرور ، بمعنى أن الدائرة الكهربائية التي تمتلك مقامة أكبر تسمح بمرور تيار كهربائي أقل.

حدد أوهم وحدة المقاربة 1 Ohm بالمقاومة بين نقطتين في سلك كهربائي يمر عبره 1V و يستهلك 1 Amps. نرمز لهذه الوحدة باستعمال الحرف Ω

قانون أوهم

إستطاع “جورج أوهم” أن يجمع بين الجهد الكهربائي و التيار الكهربائي و المقاومة في معادلة واحدة تسمى “قانون أوهم”:

V = I * R

V = الجهد الكهربائي

R = المقاومه

I = التيار الكهربائي

مثلا لنفترض أن لدينا دائرة كهربائية بجهد كهربائي يساوي 1V ،  تيار كهربائي بقيمة 1 Amps و مقاومة تساوي 1 Ohm إذن باستعمال قانون أوهم لدينا:

1V = 1 A * 1 Ω

لنفترض أن هذه المعادلة ترمز لبرميل الماء بخرطوم أكبر, كمية المياه في البرميل ممثلة بـ 1V و صغر الخرطوم “المقاومة” تساوي 1Ω ، باستعمال قانون أوهم يمكن لنا أن نتحصل على 1Amps.

لننظر إلى برميل الماء مع خرطوم أصغر, بما أن الخرطوم صغير تكون المقاومة مرتعة.

لنفترض أن المقاومة تساوي 2Ωو كمية الماء في البرميل مماثلة للبرميل الآخر. حسب قانون أوهم لدينا:

1V = ?A * 2Ω

و لكن ما قيمة التيار الكهربائي؟ بما أن المقاومة أكبر و الجهد هو نفسه نتحصل على قيمة 0.5Amps

1V = 0.5 Amps * 2Ω

إذن قيمة التيار الكهربائي أقل من البرميل صاحب المقاومة الأكبر.

بالإرتكاز على قانون أوهم يمكن لنا إستنتاج عنصر من المعادلة إذا كان لدينا العنصرين المتبقيين, سوف نثبت هذا في تجربة:

تجربة قانون أوهم

في هذه التجربة نريد أن نستعمل بطارية 9V  لتشغيل مصباح « LED » وهي مصابيح صغيرة و حساسة, لا يمكنها استيعاب كمية كبيرة من الكهرباء. في وثيقة الجهاز « Datasheet » نجد قيمة « current rating » أو قيمة التيار الكهربائي القصوى التي يمكن لها أن تتحمله.

القطع المطلوبة

• جهاز الملتيميتر (multimeter)
• بطارية 9V
• مقاومة 560Ω (أو أقرب قيمة)
• مصباح led

ملاحظة: مصابيح « led »  تقدم مفهوم إنخفاض الجهد في الدائرة الكهربائية ، يعني تغيير كمية التيار الكهربائي المتنقل فيها. لكن في هذه التجربة نريد فقط أن نحمي المصباح من التيار الكهربائي المفرط و بالتالي سنهمل الخصائص الكهربائية للمصباح و سنهتم فقط بقيمة المقاومة باستعمال قانون أوهم حتى نتأكد أن التيار الكهربائي أقل من 20mAmps أو 18mAmps  “القيمة الأفضل” حتى نضمن سلامة المصباح.

إذا قمنا بربط البطارية مباشرة مع المصباح, يصبح لدينا حسب قانون أوهم

V = I * R

I = V / R

و بما انه ليس لدينا أية مقاومة

I = 9 V/ 0 Ohm

القسمة على صفر تنتج تيارا كهربائيا لانهائي ،  الذي يؤدي إلى طلب الكمية القصوى من الكهرباء التي يمكن للبطارية أن توفرها و هو مايؤدي إلى احتراق المصباح, و بما أننا لا نريد هذه الكمية القصوى من الكهرباء تمر عبر المصباح سنحتاج إلى مقاومة و هكذا تصبح دائرتنا الكهربائية مثل الآتي

يمكن لنا أن نستخدم قانون أوهم لحساب قيمة المقاومة اللازمة التي تعطينا قيمة التيار الكهربائي المطلوب

V = I * R

R = V / I

R = 9V/ 0.0018 Amps

R = 500Ω

إذن نحتاج إلى مقاوم بقيمة  500Ω للحفاض على التيار الكهربائي في حدود 18mAmps حتى نضمن سلامة المصباح

500Ω ليست قيمة مقاومة متداولة سنستعمل مقاومة بقيمة 560Ω عوضا عنها

تمثل الصورة التالية دائرتنا بعد التجميع

ممتاز !! لقد قمنا باختيار مقاومة مناسبة قادرة على إبقاء التيار الكهربائي تحت القيمة القصوى التي يمكن للمصباح استعابها و لكنها قادرة على تشغيله.

مقاومة الحد من التيار الكهربائي هي تطبيق معروف لهواة الإلكترونيات, و سوف تحتاج عادة إلى قانون أوهم للتحكم في قيمة التيار الكهرباء في الدائرة الكهربائية.