זרם חילופין (AC) לעומת זרם ישר (DC)

מאמר מתורגם. מקור: Alternating Current (AC) vs. Direct Current (DC)

ברק!

מאיפה לדעתכם להקת רוק אוסטרלית AC/DC קיבלה את השם שלה? מזרם חליפין וזרם ישר כמובן! גם AC וגם DC מתארים את צורת זרימת הזרם במעגל. עם זרם ישר (DC - Direct Current) המטען החשמלי (הזרם) זורם רק בכיוון אחד. המטען בזרם חליפין (AC - Alternating Current), לעומת זאת, משנה את הכיוון שלו כל הזמן. המתח במעגל AC מתהפך גם הוא בגלל שהזרם משנה כיוון.

רוב האלקטרוניקה הדיגיטלית שתבנו תשתמש ב-DC, אבל חשוב להבין גם כמה מושגי AC. מערכת החשמל בבית מספקת AC, כך שאם אתם רוצים לחבר פרוייקט שלכם לשקע, תצטרכו להמיר AC ל-DC. ל-AC יש גם כמה תכונות שימושיות, כמו היכולת להמיר רמות מתח באמצעות רכיב בודד (שנאי), וזו הסיבה ש-AC נבחר כאמצעי העיקרי להעברת חשמל למרחקים ארוכים.

במדריך זה תלמדו על:

• היסטוריה מאחורי AC ו-DC
• דרכים שונות ליצור AC ו-DC
• כמה דוגמאות לשימושי AC ו-DC

מדריכים מומלצים:

• מה זה חשמל?
• מהו מעגל?
• מתח, זרם, התנגדות וחוק אוהם
• הספק חשמלי

זרם חליפין (AC)

זרם חליפין מתאר זרימה של מטען שמשנה את הכיוון שלו כל הזמן. כתוצאה מכך, גם רמת המתח מתהפכת יחד עם הזרם. AC משמש לאספקת חשמל לבתים, משרדים וכו'.

יצירת AC

אפשר לייצר AC ע"י מכשיר שנקרא אלטרנטור. המכשיר הוא סוג מיוחד של גנרטור שבנוי ליצירת זרם חילופין.

לולאה של חוט מסובבת בתוך שדה מגנטי, שמייצר זרם לאורך החוט. הסיבוב של החוט יכול להגיע ממקורות שונים: טורבינת רוח, טורבינת קיטור, זרם מים וכו'. בגלל שהחוט מסתובב ונכנס כל פעם לקוטביות מגנטית שונה, המתח והזרם על החוט מתחלפים. הנה אנימציה קצרה המדגימה את העיקרון:


אפשר להשוות את יצירת ה-AC לאנלוגיה של המים שהצגנו קודם:


כדי לייצר AC בצינורות שבתמונה, אנחנו מחברים כננת מכנית לבוכנה שמזיזה את המים בתוך הצנרת קדימה ואחורה (זרם ה"חילופין" שלנו). שימו לב שהקטע הדק בצינור מייצר התנגדות (resistance) לזרימת המים, בלי קשר לכיוון הזרימה.

צורות גל

AC יכול להיות בצורות שונות, כל עוד המתח והזרם מתחלפים. אם נחבר אוסצילוסקופ למעגל AC ונשרטט את המתח לאורך זמן, אנחנו יכולים לראות צורות גל שונות. הסוג הנפוץ ביותר של AC הוא גל סינוס. ה-AC בבתים ומשרדים הוא תנודות מתח שמייצרות גל סינוס.



צורות נפוצות אחרות של AC הן גל מרובע וגל משולש:

גלים מרובעים משמשים לעתים קרובות באלקטרוניקה דיגיטלית ומיתוג.


גלים משולשים אפשר למצוא בסינתזה של קול והם משמשים באלקטרוניקה לינארית כמו מגברים.

תיאור גל סינוס

בדרך כלל מתארים גל AC בתור נוסחה מתמטית. נשתמש בגל סינוס הנפוץ בתור דוגמה. יש שלושה מאפיינים לגל סינוס: עוצמה (התנופה), תדר ופאזה.
אם נתייחס רק למתח, נוכל לתאר את גל הסינוס בעזרת נוסחה מתמטית הבאה:


V(t) הוא המתח שלנו כפונקציה של זמן, מה שאומר שהמתח משתנה ככל שהזמן חולף. המשוואה מימין לסימן שווה מתארת איך המתח משתנה לאורך הזמן.

V_p היא המשרעת (העוצמה, האמפליטודה). נתון זה מתאר את המתח המקסימלי שגל הסינוס שלנו יכול להגיע בכל כיוון, מה שאומר שהמתח שלנו יכול להיות Vp+ וולט, Vp- וולט, או ערך כלשהו ביניהם.

פונקציית ()sin מציינת שהמתח שלנו יהיה בצורה של גל סינוס מחזורי, המתנדנד סביב 0V.

2π הוא קבוע הממיר את התדר ממחזורים (ב-הרץ) לזווית (רדיאנים בשניה).

f מציין את התדר של גל הסינוס ביחידות של הרץ, או פעמים בשניה. התדר אומר לנו כמה פעמים גל מסוים מופיע בפרק זמן של שניה אחת (במקרה הזה הגל הוא מחזור אחד של גל סינוס - עליה וירידה).

t הוא משתנה בלתי תלוי: הזמן (נמדד בשניות). ככל שהזמן משתנה, צורת הגל משתנה.

φ מתאר את הפאזה של גל סינוס. פאזה מציינת עד כמה הגל מוזז בהשוואה לזמן. בדרך כלל מופיע כמספר בין 0 ל-360, ביחידות של מעלות. בגלל האופי המחזורי של גל הסינוס, אם הגל מוזז ב-360 מעלות, הוא הופך שוב לאותו הגל כאילו שהיה מוזז ב-0 מעלות. כדי לפשט, בהמשך המדריך נניח שהפאזה היא 0 מעלות.

אפשר לקחת את השקע הביתי כדי לקבל דוגמה לגל AC. בארצות הברית, המתח שמסופק לבתים הוא AC עם אמפליטודה של כ-170V ותדר של 60Hz. אפשר להציב את המספרים האלה לנוסחה כדי לקבל את המשוואה הבאה (זכרו שאנחנו מניחים שהפאזה היא 0):


אפשר להשתמש במחשבון גרפי או אתר חינמי כמו Desmos כדי לראות איך נראה הגל:


שימו לב, שכמו שחזינו, המתח עולה ל-170V ויורד ל-170V- בצורה מחזורית. בנוסף 60 מחזורים של גל סינוס מתרחשים כל שניה. אם היינו מודדים את המתח בשקע הקיר (בארה"ב), זה מה שהיינו רואים. אזהרה: אל תנסו למדוד מתח בשקע הקיר עם אוסצילוסקופ! רוב הסיכויים שמשהו יהרס.

הערה: אולי שמעתם שמתח ה-AC בארה"ב הוא 120V. גם זה נכון. איך? כשמדברים על AC (בגלל שהמתח כל הזמן משתנה), לרוב קל יותר להשתמש בערך הממוצע. כדי להגיע לערך זה, משתמשים בחישוב RMS - Root Mean Squared. בדרך כלל יהיה שימושי יותר להשתמש בערך RMS של AC כשרוצים לחשב הספק חשמלי. למרות שבדוגמה שלנו המתח היה משתנה בין 170V למינוס 170V, מתח ה-RMS של ערכים אלה הוא 120V.

יישומים

שקעים בבית ובמשרד הם כמעט תמיד AC. וזה בגלל שיחיסית קל לייצר ולהוביל AC למרחקים ארוכים. במתחים גבוהים (מעל 110kV) יש פחות איבוד אנרגיה בהעברת הכוח החשמלי. שימוש במתחים גבוהים יותר מצריך זרמים נמוכים יותר, ובזרמים נמוכים יותר נוצר פחות חום על הקווים החשמליים בגלל ההתנגדות שלהם. אפשר להמיר AC בין מתחים גבוהים ונמוכים ולהפך בקלות ע"י שנאים.

AC יכול גם להפעיל מנועים חשמליים. מנועים וגנרטורים הם כמעט אותו הדבר, רק שהמנוע ממיר אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית (אם מסובבים את ציר המנוע, נוצר מתח על החיבורים שלו!). כל זה שימושי למכשירים גדולים כמו מדיחי כלים, מקררים, מכונות כביסה וכו', שפועלים על AC.

זרם ישר (DC)

זרם ישר קצת יותר קל להבנה בהשוואה לזרם חילופין. במקום להתנדנד קדימה ואחורה, DC מספק מתח או זרם קבוע.

יצירת DC

אפשר לייצר DC בכמה דרכים:

• גנרטור AC בשילוב עם מכשיר שנקרא "קומוטטור" (commutator) יכולים לייצר זרם ישר
• שימוש ברכיב שנקרא "rectifier" (מיישר) שממיר AC ל-DC
• סוללות מספקות DC, שנוצר מתגובה כימית בתוך הסוללה

אם שוב נשתמש באנלוגיה של מים, DC הוא כמו מיכל מים עם צינור בקצה.



המיכל יכול לדחוף את המים רק בכיוון אחד - מתוך הצינור. בדומה לסוללה שמייצרת DC, כשהמיכל מתרוקן, המים מפסיקים לצאת מהצינור.

תיאור ה-DC

DC מוגדר כזרימה "חד-כיוונית" של זרם, כלומר הזרם זורם רק בכיוון אחד. זרם ומתח יכולים להשתנות לאורך זמן, כל עוד הכיוון שלהם לא משתנה. כדי לפשט דברים, נניח שהמתח הוא קבוע. לדוגמה, נניח שסוללת אצבע AA מספקת 1.5V, שאפשר לתאר במונחים מתמטיים כ:


אם נשרטט את זה לאורך זמן, נקבל מתח קבוע:


מה זה אומר? זה אומר שאפשר לסמוך על רוב מקורות DC שיספקו מתח קבוע לאורך זמן. במציאות, סוללה תאבד לאט לאט את המטען, מה שאומר שהמתח ירד עם השימוש בסוללה. ברוב המקרים אפשר להניח שהמתח הוא קבוע.

יישומים

כמעט כל פרוייקטי האלקטרוניקה ורכיבים הנמכרים באתר מופעלים ע"י DC. כל מה שפועל על סוללות, מתחבר לקיר עם שנאי, או משתמש בכבל USB כדי לקבל מתח, כולם מסתמכים על DC. דוגמאות לאלקטרוניקה DC כוללות:

• טלפונים סלולריים
• טלויזיות (ה-AC נכנס לתוך הטלויזיה, שמומר ל-DC בתוכה)
• פנסים
• רכבים היברידיים וחשמליים

קרב הזרמים

כמעט כל בית ומשרד מחוברים היום ל-AC. אבל ההחלטה לעשות זאת לא היתה פשוטה. בסוף שנת 1880 מגוון המצאות בארה"ב ואירופה הובילו למאבק רציני בין הפצה של זרם חליפין לזרם ישר.

ב-1886, חברת Ganz Works הנמצאת בבודפשט חישמלה את כל רומא ב-AC. תומס אדיסון, לעומת זאת, בנה 121 תחנות כוח DC ברחבי ארה"ב ב-1887. נקודת המפנה הגיעה כש-George Westinghouse, תעשיין מפורסם מפיטסבורג רכש את הפטנטים של ניקולה טסלה על מנועי AC והולכה בשנה שלאחר מכן.

AC מול DC

תומס אדיסון, תמונה מתוך biography.com.

בשנות ה-1800 המאוחרות, לא היה קל להמיר DC למתחים גבוהים. כתוצאה מזה, אדיסון הציע מערכת של תחנות כח קטנות ומקומיות שיספקו חשמל לשכונות בודדות, או חלקים בעיר. הכוח היה מסופק ע"י 3 חוטים מתחנת הכוח: 110V, 0V+ ו-110V-. אפשר היה לחבר מנורות ומנועים בין אחד מהחוטים של 110V ו-0V (הניוטרל). 110V אפשר ירידת מתח מסוימת בין תחנת הכוח לצרכן (בית, משרד וכו').

למרות שנלקחה בחשבון ירידת מתח על פני קווי החשמל, תחנות הכוח היו צריכות להיות בטווח של 1 מייל (1.6 ק"מ) מהצרכן. מגבלה זו הפכה את אספקת החשמל באיזורים כפריים לקשה במיוחד, אם לא בלתי אפשרית.


ניקולה טסלה (תמונה מ-wikipedia.org)


George Westinghouse (תמונה מ-pbs.org)

עם הפטנט של טסלה, ווסטיגהאוס שכלל את מערכת הפצת ה-AC. שנאים סיפקו דרך זולה להעלות את מתח ה-AC לכמה אלפי וולט ולהוריד בחזרה לרמות שימושיות. במתחים גבוהים אפשר יהיה להעביר את אותו ההספק עם זרם נמוך יותר, מה שאומר שפחות הספק מתבזבז בגלל התנגדות החוטים. כתוצאה מכך, תחנות כוח גדולות יכולות להיות ממוקמות קילומטרים רבים הרחק מהצרכן ויכלו לספק שירות להרבה יותר אנשים ובניינים.

מסע ההשמצה של אדיסון

במהלך כמה שנים הבאות, אדיסון ניהל קמפיין שנועד להרתיע מאוד את השימוש ב-AC בארה"ב, שכלל הטעיה של בתי המחוקקים והפצת מידע כוזב על ה-AC. אדיסון גם הנחה כמה טכנאים לחשמל בפומבי חיות עם AC כדי להראות עד כמה ה-AC מסוכן יותר מ-DC. בניסיון להציג את הסכנות, הרולד פ. בראון (Harold P. Brown) וארטור קנילי (Arthur Kennelly), שניהם עובדים של אדיסון, עיצבו את הכיסא החשמלי הראשון עבור מדינת ניו יורק, שהשתמש ב-AC.

עלייתו של ה-AC

ב-1891 התקיימה תערוכה אלקטרו-טכנית בפרנקפורט, גרמניה והציגה הולכה ראשונה של AC תלת-פאזי, שהפעילה אורות ומנועים בתערוכה. כמה נציגים של של מה שיהפוך אחרי זה ל-General Electric נכחו בתערוכה והתרשמו מאוד ממה שראו. שנה אחרי זה הוקמה General Electric והתחילה להשקיע בטכנולוגיית AC.


תחנת כוח Edward Dean Adams במפלי ניאגרה 1896 (תמונה מ-teslasociety.com).

ב-1893 ווסטינגהאוס זכה בחוזה לבניית סכר הידרואלקטרי כדי לרתום את הכוח של מפלי הניאגרה ולהעביר AC ל-Buffalo, NY. הפרויקט הושלם ב-16 בנובמבר 1896 וכוח AC התחיל להפעיל תעשיות בבאפלו. אבן דרך זו סימנה את הדעיכה של DC בארה"ב. האירופה אימצה את AC בסטנדרט של 220-240 וולט ב-50Hz, הסטנדרט בצפון אמריקה נהיה 120V ב-60Hz.

מתח גבוה בזרם ישר (HVDC)

מהנדס שוויצרי רנה ת'ורי (René Thury) השתמש בסדרה של גנרטורים כדי לייצר מערכת DC במתח גבוה ב-1880, שאפשר יהיה להשתמש בה כדי להעביר DC למרחקים ארוכים. אבל בגלל עלויות גבוהות ותחזוקה של מערכת ת'ורי, ה-HVDC לא אומץ במשך כמעט מאה שנה.
עם המצאת מוליכים למחצה בשנות ה-1970, התאפשר מעבר חסכוני בין AC ל-DC. ניתן היה להשתמש בציוד מיוחד כדי לייצר מתח DC גבוה (חלקם הגיע ל-800kV). חלקים באירופה התחילו לפרוס קווי HVDC לחיבור חשמל בין מדינות שונות.

קווי ה-HVDC חווים פחות אובדן אנרגיה במרחקים גדולים במיוחד, בהשוואה לקווי AC תואמים. בנוסף, HVDC מאפשר לחבר בין מערכות AC שונות (50Hz ו-60Hz). למרות היתרונות, מערכות HVDC יקרות יותר ופחות אמינות ממערכות AC הנפוצות.

בסופו של דבר, נראה שהמשאלות של אדיסון, טסלה ווסטינגהאוס התגשמו. AC ו-DC יכולים להתקיים יחד וכל אחד משרת מטרה.

לאן ממשיכים?

אחרי מדריך זה אתם אמורים להכיר היטב את ההבדלים בין AC ל-DC. קל יותר להמיר את AC בין רמות מתח שונות, מה שהופך העברת מתח גבוה לאפשרית יותר. DC, לעומת זאת, מצוי כמעט בכל מכשיר אלקטרוני. אתם צריכים לדעת ששניהם לא ממש מתערבבים טוב, ושתצטרכו להמיר AC ל-DC אם תרצו לחבר את רוב האלקטרוניקה לשקע בקיר. עם הבנה זו תוכלו להתמודד עם מעגלים ורעיונות משוכללים יותר, אפילו אם הם כוללים AC.

ממליצים לקרוא את המדריכים הבאים כשתהיו מוכנים לצלול עמוק יותר לעולם האלקטרוניקה:

• מעגלים טוריים ומקביליים
• TODO: Logic Levels
• איך משתמשים ברב-מודד
• TODO: How to Power a Project