الکتریسیته در تاسیسات به زبان ساده(قسمت اول)

از: Carol Fey

ماخذ: کتاب Quick and Electricity

 

مقدمه

تصور کنید که من یک عروسک خوک اسباب‌بازی صورتی رنگ مخملی و نرم را جلوی شما بگذارم. این عروسک با باتری کار می‌کند. از شما می‌پرسم: «این خوک چه دخلی به اصول الکتریسیته دارد؟» من این کارها را واقعاً در کلاس‌های درس انجام می‌دهم و همیشه دعا می‌کنم که یک نفر از شاگردان مغرور و عصبانی به من بگوید: «هیچی!» حالا من می‌توانم کارم را آغاز کنم! من خوک عروسکی را بر می‌دارم، آن را روشن می‌کنم و روی میز قرار می‌دهم. عروسک شروع به راه
رفتن می‌کند، صداهای خرخر مانندی از خود در می‌آورد و دم کوچک خود را تکان تکان می‌دهد. شاگرد مغرور و عصبانی من دست به سینه نشسته و در کمال انزجار به صحنه خیره شده است. این وضعیت برای من بهشت است. به آنها اعلام می‌کنم: “این خوک عروسکی دارای اجزایی مشابه با یک مدار اولیه الکتریکی است، آیا کسی می‌تواند آنها را نام ببرد؟ من تمام سه جزء را می‌خواهم.” و البته هیچ جوابی نمی‌گیرم؛ پس با بیرون آوردن دسته برچسب‌هایی به شکل خوک از کیفم ادامه می‌دهم: “من برای هر جواب یکی از این برچسب‌ها را جایزه می‌دهم. جواب صحیح و غلط فرقی نمی‌کند. ببینید به چه کلاس خوبی آمده‌اید!”
“در این زمان مطمئناً یکی از حاضرین که نمی‌تواند در برابر شادی این لحظات مقاومت کند می‌گوید: “باتری”. من با خوشحالی از این حرف استقبال می‌کنم و می‌گویم: “بله، باتری منبع تغذیه این سیستم است. خوک عروسکی و مدار اولیه الکتریکی دارای منبع تغذیه هستند.”

حالا با کمی مراسم و شوخی، برچسب را هدیه می‌کنم و ادامه می‌دهم: “خب، چه چیز دیگری ببین این دو مشترک است؟” خوک عروسکی را بالا می‌برم و به کلید آن اشاره می‌کنم: “این چه چیزی است که خوک را روشن می‌کند؟ یکی از حاضرین که می‌خواهد کار را به شوخی بکشاند جواب می‌دهد: “این یک کلید است.” برچسب دیگری اهدا می‌گردد.

و ادامه می‌دهم: “حالا یک کلید و یک منبع تغذیه داریم. چه چیزی کم است تا مدار کامل شود؟ هروسک چطور حرکت می‌کند؟” از جایی در انتهای کلاس صدایی به گوش می‌رسد: “موتور.”

“بله، درست است! موتور حکم بار را دارد و سومین بخش مدار را تشکیل می‌دهد. حالا یک منبع تغذیه، یک کلید و یک بار داریم. چه کسی بگوید که موتور را کجاست؟ جایزه، در انتظار شماست!” صدایی شنیده نمی‌شود ولی دست همان کسی که قبلاً گفته بود “هیچی” بلند شده است. یک برچسب به او هدیه می‌دهم و تشکر می‌کنم. البته خود او برچسب را قبول نمی‌کند و دوستش آن را بر می‌دارد. می‌بینید که هیچ‌کس نمی‌تواند در کلاس‌های الکتریسیته مقاومت کند!

الکتریسیته‌ای که من تدریس می‌کنم از نوع P.I.G است یعنی “Practice is Good” آیا تا به حال دیده بودید که درس الکتریسیته با یک خوک عروسکی آغاز شود؟ کتابهای پایه الکتریسیته و کلاس‌های آموزشی معمولاً با مطالب پیچیده آغاز می‌شوند. اکثر آنها کار را با تشریح تئوری الکترونها شروع می‌کنند و سعی دارند به شما بیاموزند که چگونه آن خلاصه‌های مثبت و منفی نامرئی در داخل سیم‌ها شناورند! تئوری الکترونها! این تئوری چگونه می‌تواند به شما کمک کند تا مداری
را سیم‌کشی کنید و یا عیب آن را رفع نمایید؟ به قول شاگرد عصبانی کلاس: “هیچی!”

در این سلسله مقالات اثری از تئوری الکترون ها نخواهید یافت. ما در اینجا تنها به بخش عملی الکتریسیته خواهیم پرداخت و این بدان معنی است که به مباحث ریاضی کاری نداریم. پس خبری هم از قانون اهم و قانون کیرشوف نیست! اما تا حد امکان به کاربرد های عملی این قوانین میپردازیم تا مطالبی را که لازم است عنوان نموده باشیم ولی سعی میکنیم که با طرح نکردن مطالب غیر ضروری کار را برای شما ساده تر کنیم.

برای اینکه این آموزش ها را لذت بخش سازیم و هیچکدام از خوانندگان فراموش نکنند که الکتریسیته مبحثی شیرین است تصور کنید که همراه این مجموعه مقالات یک صفحه برچسب های شکل خوک هم وجود دارد.

پس به خود سخت نگیرید و فقط برای خواندن این مقدمه به خود یک برچسب هدیه بدهید. سخاوتمند باشید و هرچند وقت یک بار خود را به یک برچسب میهمان کنید.

تنها یک نکته ای که در اینجا باید متذکر شد این است که هرگز به تنهایی و بدون حضور افراد مجرب اقدام به سیم کشی و یا بستان الکتریکی و نمونه‌هایی که در
این مقالات معرفی می‌شوند نکشید تا ایمنی شما تضمین گردد.

مدار اولیه

بهتر است خود عروسکی باتری‌دار را دقیق‌تر ارزیابی کنیم. این جوک دارای سه جزء اساسی یک مدار ساده و اولیه الکتریکی است. مجدداً تکرار می‌کنیم که این اجزاء شامل منبع تغذیه، کلید و بار می‌باشد. هر مدار الکتریکی حداقل یکی از این اجزاء را داراست و در واقع هر چیزی که در مدارات الکتریکی وجود دارد به نوعی یکی از این سه جزء می‌باشد. واژه مدار یا Circuit برگرفته از واژه دایره یا Circle می‌باشد (ارتباط آن با واژه سیرک یا Circus را کتمان نمی‌کنیم!) ولی ذهن خود را مشوش نسازید! پس یک مدار را حرکتی دایره‌وار در نظر بگیرید. می‌توانید مدار را یک گردون‌بند فرض کنید که سه جزء آن مانند دانه‌های گردنبند هستند. اگر تمامی آنها بدون قطع شدگی به هم متصل باشند، مدار کار خواهد کرد. مدار پایه خود عروسکی باتری‌دار نیز از این قاعده مستثنی نیست. حال به بررسی یک به یک اجزاء این مدار می‌پردازیم. یادآوری مجدد: اجزاء مدار عبارتند از منبع تغذیه، کلید و بار.

منبع تغذیه

الکتریسیته باید از جایی تأمین شود و در این جوک عروسکی از باتری می‌آید. نیروی باتری، جریان مستقیم نام دارد و با DC نشان داده می‌شود. این نیرو از آنجایی “مستقیم” لقب گرفته است که طرحی که در اسیلوسکوپ برجا می‌گذارد، خطی مستقیم می‌باشد.

مداراتی که ما با آنها سر و کار داریم غالباً دارای باتری نیستند و از پریزهای دیواری تغذیه می‌شوند. در این صورت منبع تغذیه مورد استفاده از نوع جریان متناوب یا AC خواهد بود. جریان متناوب بدان جهت متناوب نامیده شده است که طرحی بالا و پایین رونده در اسیلوسکوپ برجا می‌گذارد. دنبال علت آن نباشید!

اگر به فکر فرو رفته‌اید به خود یک برچسب هدیه بدهید!

جریان منشأ گرفته از پریزهای دیواری معمولاً ولتاژ خط، ۱۲۰ یا ۲۲۰ (بسته به منطقه) نامیده می‌شود. این الکتریسیته از نیروگاه‌هایی که کیلومترها از ما دورند تأمین می‌شود. پدر من که برق‌کار یک شرکت بود این موضوع را بدین ترتیب برای من توضیح می‌داد: نیروگاه، الکتریسیته خیلی بزرگ! تولید می‌کند و آن را از طریق ترانس‌هایی در خطوط پیشرفته‌تر توزیع می‌کند. ترانس، الکتریسیته خیلی بزرگ را به الکتریسیته‌های کوچک‌تر تبدیل می‌کند البته باز هم الکتریسیته بزرگ است و قبل از رسیدن به منازل ما چند مرحله دیگر کوچک می‌شود.

نیروگاه‌هایی که کیلومترها از ما دورند تأمین می‌شود. پدر من که برق‌کار یک شرکت بود این موضوع را بدین ترتیب برای من توضیح می‌داد:
نیروگاه، الکتریسیته خیلی بزرگ! تولید می‌کند و آن را از طریق ترانس‌هایی در خطوط پیشرفته‌تر توزیع می‌کند. ترانس، الکتریسیته خیلی بزرگ را به الکتریسیته‌های کوچک‌تر تبدیل می‌کند البته باز هم الکتریسیته بزرگ است و قبل از رسیدن به منازل ما چند مرحله دیگر کوچک می‌شود.

اشکال شایع در خط فشرده را نمادهایی از منبع تغذیه ولتاژ خط فرض نمایید. دو نکته در این شکل برای من سؤال برانگیز است. ابتدا این که اگر قانون این است که یک مدار کامل نباید دارای قطع شدگی باشد پس چرا بین دو خط فلش دار است؟ برای یافتن پاسخ بهتر است از قوه تصور خود بهره بگیرید. فرض کنید که مدار واقعاً تمام مسیر را تا نیروگاهی که الکتریسیته در آنجا تولید میشود طی میکند.

مدار های الکتریکی را هرگز اینطور نخواهید دید ولی اگر از لحاظ ذهنی به شما کمک میکند آنها را اینگونه تصور کنید.

ما معمولا عادت داریم که جهت نشانه روی فلش ها را سمت و سوی حرکت چیزی بدانیم و اینکه بخواهیم ادعا کنیم الکتریسیته در جهت آن فلش ها حرکت میکند واقعا وسوسه کننده است ولی اصلا چنین تصوری را به ذهن خود راه ندهید چون این نقشها چنین معنایی ندارند. اگر واقعاً قانع نمی شوید و قلب ها باید حتماً به معنی معنی دار نشانه رفته باشند می توانید هر دوی آنها را به سمت نیروگاه، منبع اصلی الکتریسیته، در نظر بگیرید.

زمانی که الکتریسیته با ولتاژ ۱۲۰ یا ۲۲۰ ولت به ساختمان رسید می توان از آن و یا با کاهش بیشتر توسط ترانس های کاهنده، در ولتاژهای پایین تر استفاده نمود. ولتاژ پایین در تأسیسات و تهویه مطبوع معمولاً به ۲۴ ولت اطلاق می گردد. این ولتاژ در اکثر کنترل های گرمایشی و تهویه مطبوع به کار برده می شود.

چند دلیل برای استفاده از ولتاژ پایین ۲۴ ولت در کنترلها بیاورید. برای پرسیدن این سؤال خوب به خود یک برچسب هدیه بدهید! اولین نکته این است که در بسیاری از کشورها نیازی به گواهی یا مدرک خاصی برای سیم کشی مدارات ۲۴ ولتی نیست. دوم این که ولتاژ پایین دقت بیشتری در کنترل دما ارائه خواهد نمود. کنترل های ولتاژ پایین می توانند دمای یک اتاق را با دقتی در حد چند درجه فارنهایت در نقطه تنظیم یا ست پوینت تثبیت کنند. به تجربه ثابت شده است که انسان ها قادر به احساس اختلاف دما در حد دو درجه فارنهایت نیستند. اما کنترل های ولتاژ خط اختلاف دمایی بیشتر از این حد ایجاد می کنند که در اصطلاح تاب و نوسان دمایی یا Temperature Swing نامیده می شود. اگر دمای اتاق ها بیش از دو درجه فارنهایت افزایش یا کاهش یابد، مردم عباراتی مانند “خدا اینجا
چقدر گرمه” و یا “سرده” میشه به کم حرارت رو زیاد کنن” بر زبان خواهند آورد. هیچگاه فراموش نکنید که ما در صنعت تأسیسات، مسئول تأمین آسایش هستیم.
ترانس کاهنده مورد استفاده برای تبدیل ولتاژ ۱۲۰ به ۲۴، در شکل ۷ نشان داده شده است. ترانسها دارای دو بخش می باشند. بخش اولیه (درست مانند
مدرسه اولیه به معنی دوره های ابتدایی است) در نقشه ها معمولاً در سمت چپ نشان داده می شود. این بخش اولیه ۱۲۰ یا ۲۲۰ ولت است و ولتاژ از اینجا وارد ترانس می شود.

بخشی که در سمت راست قرار دارد، اصطلاحاً ثانویه نامیده می شود و الکتریسیته بعد از کاهش یافتن در این بخش جاری می شود. این بخش معمولاً ۲۴ ولت است و ولتاژ در اینجا از ترانس خارج می شود. بخش ثانویه این ترانس، منبع تغذیه کننده مدارات ۲۴ ولتی خواهد بود.
آن نکته های آهن که در وسط ترانس قرار دارند، هسته نامیده می شوند. ترانس ها از جمله معدود تجهیزاتی هستند که هرچه سنگین تر باشند، بهتر عمل خواهند کرد! سنگینی بیشتر ترانس به معنی وجود آهن بیشتر در ساختار آن است و هرچه آهن در یک ترانس بیشتر باشد، انتقال ولتاژ از اولیه به ثانویه با
کیفیت بهتری صورت خواهد گرفت.
اگر به چگونگی انتقال ولتاژ از اولیه به ثانویه فکر کنید، تنها توضیح ساده برای آن جاده است! توضیح بهتر می تواند الکترومغناطیس باشد. اگر علوم دوره دبستان
را به خاطر بیاورید، درسی داشتیم درباره این که اگر سیمی را به دور یک میخ بزرگ آهنی بپیچیم و سیم را نیرو بدهیم، میخ تبدیل به آهنربا خواهد شد. بخش اولیه یک ترانس مانند آن سیم است و هسته مانند میخ عمل می کند. این سیمهای پیچیده شده به دور هسته را سیم پیچ اولیه می نامیم. در بخش ثانویه ترانس با سیم های کاملاً جدیدی روبرو می شویم که در اصطلاح سیم پیچ ثانویه خوانده می شوند. سیم پیچهای اولیه و ثانویه هیچ ارتباطی با هم نداشته و هیچ نوع اتصال فیزیکی و یا الکتریکی بین آنها وجود ندارد. تنها ارتباط میان اولیه و ثانویه از نوع مغناطیسی می باشد.
مجدداً به حلقه ترانس نگاه کنید. ولتاژ در بخش اولیه ۱۲۰ ولت است و در سمت راست با ثانویه ولتاژ به ۲۴ ولت می رسد. در نقشه عنوان شده است که ۵۰۰ دور سیم در سمت اولیه هسته پیچیده شده است و ۱۰۰ دور سیم در بخش ثانویه وجود دارد. نسبت ۵۰۰ به ۱۰۰ برابر ۵ به ۱ است و به عبارت دیگر مقدار سیم های موجود در بخش ثانویه بخش اولیه است پس می توان انتظار داشت که ولتاژ ثانویه ۱/۵ اولیه باشد. این نکته درستی است چون ۲۴ تقسیم بر ۱۲۰ همان نسبت را دارا می باشد. توجه داشته باشید که می توان ترانسها را برای افزایش ولتاژ نیز به کار برد.
منبع تغذیه ولتاژ پایین در یک نقشه سیم کشی مانند شکل ۸ نشان داده شده است.

کلید ها و سوئیچ ها

همه ما با این تفکر که می توان چیزی را با کلید روشن یا خاموش کرد آشنا هستیم اما چیزی که با آن مأنوس نیستیم این است که وقتی کلیدی و یا سوئیچی روشن باشد، آن کلید یا سوئیچ بسته است و وقتی کلید یا سوئیچ خاموش باشد، آن کلید باز خواهد بود. بهتر است به داخل یک کلید معمولی نظری بیاندازیم.

به یاد داشته باشید که این یک مدار پایه است و برای کار کردن آن، دایره باید کامل (بسته) باشد. اگر حتی یک بازشدگی در مدار وجود داشته باشد، آن مدار کار نخواهد کرد.

کلید با سوئیچ وظیفه بستن و باز کردن مدار را بر عهده دارد. عزیزان تأسیساتی توجه داشته باشند شباهت میان الکتریسیته و آب در اینجا پایان می پذیرد. زمانی که شیری باز باشد، سیال از درون آن عبور می کند و وقتی که بسته باشد، جریان قطع می شود ولی در یک مدار الکتریکی، باز به معنی قطعی در مسیر الکتریسیته می باشد و با کلید باز، خاموش است. کلیدها یا سوئیچها را بعضاً با علامتی چهار حرفی مانند SPST و یا DPDT نمایش می دهند. اگر با معنی تک یا
Single به معنی دوتایی یا Double و به مفهوم قطب یا Pole و T به معنی وضعیت یا Throw می باشد. قطب در کلیدها جایی است که دو نقطه به هم متصل می شوند. یک چوب ماهیگیری را در نظر آورید (توضیح مترجم : چوب ماهیگیری در زبان انگلیسی Pole نامیده می شود و نویسنده آن را با ابهام به کار برده است). اگر یک سر چوب در دست شما و سر دیگر آن در دست دوستتان باشد، با هم یک قطب (Single) Pole را تشکیل می دهید. اما اگر دو نفر از دوستان در کنار شما دو نفر باشند و چوب ماهی گیری دیگری آن دو را به هم متصل کرده باشد دو قطب خواهیم داشت. هیچ اتصال الکتریکی میان دو قطب وجود ندارد اما دو قطب در کلید ها با هم و همزمان قطع و وصل میشوند.

باز هم به ماهی گیری فکر کنید. تصور کنید که خود شما به تنهایی یک چوب ماهی گیری را در دست گرفته‌اید، اگر چوب را پرتاب کنید آنگاه، قطب، شما را به یکی از دوستان متصل می‌کند؛ به این حالت یک وضعیتی با Single Throw اطلاق می‌شود. حال فرض کنید که می‌توانستید پس از این کار به عقب برگشته و چوب را به سمت یکی دیگر از دوستان پرتاب کنید؛ چنین قابلیتی دو وضعیتی یا Double Throw نامیده می‌شود و شما می‌توانید در آن واحد با یکی از دوستان مرتبط باشید ولی نه با هر دوی آنها.
اگر حالت دو قطبی وجود داشته باشد می‌توان هم از قابلیت یک وضعیتی و هم از قابلیت دو وضعیتی استفاده نمود.

ترموستات تنها یک کلید است!

یک ترموستات چیزی جز یک کلید نیست. آکواستات‌ها و هیومیدست‌ها نیز به طریقی مشابه در ردیف کلیدها می‌باشند. به عنوان یک قانون کلی، نام هر وسیله‌ای که در جهان تأسیسات و تهویه مطبوع پسوند “ستات” داشت، یک کلید به شمار می‌رود؛ یک ترموستات برای دمای اتاق، آکواستات برای دمای آب و هیومیدست برای رطوبت می‌باشد. هر یک از این “ستات”ها در عکس‌العمل به شرایط خاصی باز یا بسته می‌شوند. یک ترموستات گرمایشی پس از آن که دما به حدی مشخص نزول نمود، بسته می‌شود و با این کار گرمای اضافی وارد می‌سازد. همین کلید در صورت وجود گرمای کافی باز می‌شود و گرما را قطع می‌نماید.
هر ترموستات مرغوب غیرالکترونیکی ولتاژ پایین، یک کلید یا سوئیچ حباب جیوه دارد. جیوه بدان جهت در ساختار ترموستات‌ها به کار برده می‌شود که خاصیت ویژه فلز بودن و سیال بودن را همزمان داراست. جیوه، ضمن این که به راحتی حرکت می‌کند توان هدایت الکتریسیته را نیز دارد. مجدداً به نقشه ترموستات نگاه کنید. آیا چگونه می‌توانید در درون حباب حرکت کرده و به نقطه‌های برسید که دو ترمینال کلید را به هم متصل کند؟ اگر حباب کمی به سمت چپ متمایل شود، جیوه به سمت کلید حرکت خواهد کرد، آیا اینطور نیست؟ و چه چیزی باعث متمایل شدن حباب می‌شود؟ حلقه‌ای از فلز به حباب متصل است که بی‌نیتال دارد. ما می‌دانیم که فلزات در اثر گرما منبسط شده و در اثر سرما منقبض می‌شوند. اگر بی‌متال سرد شود (شینجا سرد است!) منقبض خواهد شد. به نقشه نگاه کنید و ببینید که اگر بی‌متال منقبض شود، حباب جیوه به سمت چپ متمایل خواهد شد و ما دقیقاً در همین وضعیت نیاز داریم که جیوه دو ترمینال کلید را به هم متصل
کند. بله! گرما حاضر است!

کلیدهایی که وظیفه کنترل دما را بر عهده دارند (مانند ترموستات‌ها، آکواستات‌ها و غیره) به گونه‌ای طراحی شده‌اند که در عکس‌العمل به افزایش و یا کاهش دما باز یا بسته می‌شوند. به عنوان مثال یک ترموستات گرمایشی با افت دما بسته شده، و در واقع کلید روشن می‌شود. یک کلید ایمنی حد بالا (آکواستات یا کلید حد بادوها) با افزایش دما باز می‌شود و در واقع کلید با بالا رفتن بیش از حد دما خاموش می‌گردد. عملکرد سوئیچ کردن حرارتی که کنتاکت‌های جایگزین را انتخاب می‌نماید باید کاملاً مورد توجه قرار گیرد.
علامت های بسیار متنوعی در نقشه های فنی برای کلیدها و سوئیچ‌ها به کار برده می‌شوند و معمولاً جزئیاتی در کنار آنها درج می‌شود که نباید مایه نگرانی شما را فراهم آورند چون یک کلید در هر حال یک کلید خواهد بود. یک کلید در کار ما یا باز است یا بسته و اینکه چرا در این وضعیت قرار دارد خیلی به ما مربوط نمی‌شود! یک فیوز کلیدی یک بار مصرف است.

بار ها

بار به مصرف‌کننده الکتریسیته اطلاق می‌گردد. بارها عموماً الکتریسیته مصرف می‌کنند تا گرما، حرکت، نور، صدا و غیره تولید نمایند. موتورها، لامپ‌های روشنایی و زنگ‌های درها نمونه‌هایی از این بارها می‌باشند. علامتی که در نقشه‌های فنی برای بار به کار برده می‌شود غالباً به شکل یک خط پیچ و تاب‌دار است. این خط پیچ و تاب‌دار تلویحاً به ما می‌گوید که بار دارای مقداری مقاومت است و عبور الکتریسیته از آن کار چندان ساده‌ای نخواهد بود. مقاومت پدیده‌ای است که گرما، نور و… را تولید می‌کند. البته علامت موتور یک استثناء است چون به شکل خطوط پیچ و تاب‌دار نیست. اگر در نقشه‌ای به علامت موتور برخورد کردید از قوه تخیل خود بهره گرفته و دو نقطه روی آن را با یک خط پیچ‌دار به هم وصل کنید!

در اینجا لازم است تا نکته‌ای مهم درباره اتصال به زمین عنوان کنیم. مدارهای مستقل ۲۴ ولتی معمولاً نیاز به اتصال به زمین ندارند. اطمینان حاصل کردن از وجود اتصال به زمین مناسب در ولتاژ خط بر عهده برقکاران مجاز و مجرب می‌باشد. اتصال به زمین برای بعضی از مدارات کنترل مانند راه اندازهای الکترونیکی که با میلی‌ولت سروکار دارند حائز اهمیت فراوان است. ولتاژ و مدارات بالادست الکترونیکی به قدری پایین است که می‌توان برای اطمینان حاصل کردن از عبور کامل ولتاژ در مدار، آن را به گره یا دیگ متصل نمود. اصول پایه این روش مانند اتصال به زمین می‌باشد، اما کاربرد آن نوع متفاوتی است.

ادامه دارد…

 

منبع: مجله صنعت تاسیسات شماره 62

 

اگر شما هم مشتاق یادگیری تخصصی و حرفه ای دوره های تاسیسات مکانیکی با اساتیدی مجرب هستید میتوانید در دوره های تاسیسات مکانیکی شرکت کنید.