التيار المستمر – ما هو؟ مصادره وميزاته

ما هو التيار المستمر؟

التيار المستمر (DC) هو نوع من التيار الكهربائي الذي يتدفق باستمرار في اتجاه واحد. على عكس التيار المتردد (AC)، الذي ينعكس فيه اتجاه وقوة التدفق دورياً، يحافظ التيار المستمر على تدفق ثابت للإلكترونات في اتجاه واحد. هذه الخاصية تجعله مناسباً بشكل خاص للتطبيقات التي تتطلب جهداً ثابتاً، مثل الأجهزة التي تعمل بالبطاريات كالهاتف المحمول، والألواح الشمسية، والعديد من الدوائر الإلكترونية. ^[1]

كيف تتحرك الإلكترونات في التيار المستمر؟

يكون تدفُّق الإلكترونات ذات الشحنة السالبة في التيار المستمر من منطقة ذات كثافة إلكترون عالية إلى منطقة ذات كثافة إلكترون منخفضة، أي أنه في البطاريات يكون تدفق هذه الإلكترونات دائماً من القطب السالب ذو الكثافة العالية للإلكترونات، باتجاه القطب الموجب ذو الكثافة المنخفضة للإلكترونات. أما اتجاه التيار في التطبيقات النظرية يكون من القطب الموجب باتجاه القطب السالب.

يتمُّ استخدام التيار المستمر غالباً في التطبيقات التي تتطلب جهداً منخفضاً، مثل: إضاءة طاولة المكتب، ألعاب الأطفال، شاحن الهواتف المحمولة، البطاريات العادية، والبطاريات القابلة لإعادة الشحن، مثل: بطارية الليثيوم.

ما هي مستويات الجهد للتيار المستمر؟

توجد مجموعة متنوعة من مستويات الجهد للتيار المستمر، وتكون القيم النموذجية كالتالي: 1.2 – 1.5 – 3 – 3.3 – 3.6 – 5 – 6 – 10 – 12 – 15 – 18 – 18.5 – 19 – 20 – 24 – 48 فولت. ^[2]

عملية تغيير جهد التيار المستمر أعلى تكلفةً وأصعب بكثير من التيار المتناوب، غير أنه يتميز بالكفاءة العالية وفقده القليل من الطاقة عند نقله لمسافاتٍ طويلة.

ماهي مصادر التيار المستمر؟

من أهم مصادر التيار المستمر:

1- البطاريات العادية الجافة، البطاريات الحمضية، الموجودة في السيارات والبطاريات القابلة لإعادة الشحن.

2- الخلايا الشمسية الموجودة في ألواح الطاقة الشمسية.

3- مولدات التيار المستمر.

4- المحولات الكهربائية التي تحول التيار المتناوب إلى تيار مستمر، مثل: شاحن الهاتف المحمول. ^[2]

ما هي ميزات التيار المستمر؟

1- من أهم ميزات هذا التيار أنه قابلٌ للتخزين في بطاريات إعادة الشحن، مثل: بطارية الليثيوم.

2- يتميز التيار المستمر بالكفاءة العالية وفقده القليل للطاقة، مقارنةً بالتيار المتناوب، وخاصةً عندما يتمُّ نقله لمسافاتٍ طويلة، ولكن كلفة بناء محطات التحويل بين مصدر الطاقة للتيار المستمر والمستهلك تكون عالية الكلفة وغير مجدية اقتصادياً، لذلك لا يزال يُستخدم التيار المتناوب في المسافات الطويلة.

3- أقل خطورةً من التيار المتناوب، وخاصةً عندما يكون في جهدٍ أخفض من 48 فولت، لذلك يتمُّ استخدام التيار المستمر في أغلب ألعاب الأطفال.

4- أغلب مكونات اللوحات الإلكترونية، مثل: أشباه الموصلات التي تعمل بكفاءةٍ مع التيار المستمر. ^[2]

ما هو الفرق بين تيار AC وDC؟

يختلف التيار المتردد (AC) والتيار المُستمر (DC) بشكل أساسي في طريقة تدفق الشحنة الكهربائية. وفيما يلي شرح مفصل:

1- اتجاه التدفق

التيار المتردد: تعكس الإلكترونات اتجاهها دورياً بين القيمة السالبة والموجبة، ويحدث هذا الانعكاس عند تردد ثابت عادةً 50 هرتز أو 60 هرتز، حسب المنطقة.

التيار المستمر: تتدفق الإلكترونات في اتجاه ثابت وواحد بالقيمة الموجبة، مما يُنتج تدفقاً ثابتاً أحادي الاتجاه للكهرباء.

2- طريقة التوليد والمصادر

التيار المتردد: يُولّد بواسطة محطات توليد الطاقة التي تستخدم المولدات الكهربائية. قدرته على تغيير مستويات الجهد بسهولة تجعله مثالياً لتوزيع الطاقة على نطاق واسع ولمسافات بعيدة، ولهذا السبب تُزوّد ​​منافذ الكهرباء المنزلية بطاقة تيار متردد لتجنُب فَقد كمية كبيرة من الطاقة.

التيار المستمر: يُولّد بواسطة مصادر مثل البطاريات والخلايا الشمسية وخلايا الوقود. تعمل العديد من الأجهزة الإلكترونية، مثل الهواتف الذكية وأجهزة الحاسوب المحمولة، على التيار المستمر، حتى لو كانت موصولة بمقبس تيار متردد، حيث يتم تحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر عبر محولات.

3- تحويل ونقل الجهد

التيار المتردد: من أهم مزاياه سهولة تحويل الجهد باستخدام المحولات. حيثُ يتم رفع جهد التيار المتردد لنقل فعال لمسافات طويلة مما يقلل من خسائر الطاقة، ​​ثم خفضه لاحقاً للاستخدام الآمن في المنازل والشركات.

التيار المستمر: لطالما كان تغيير مستويات جهد التيار المستمر أكثر صعوبة وأقل كفاءة. على الرغم من أن إلكترونيات الطاقة الحديثة قد حسّنت تحويل التيار المستمر إلى تيار مستمر، إلا أن البنية التحتية لنقل التيار المتردد أكثر كفاءة من الناحية الاقتصادية لتوصيل الطاقة لمسافات طويلة وعلى نطاق واسع.

4- التطبيقات

التيار المتردد: يُشغّل الأجهزة المنزلية والمعدات الصناعية ومعظم شبكات الكهرباء الوطنية. سهولة نقله وتحويله تجعله العمود الفقري لتوزيع الكهرباء العامة.

التيار المستمر: ضروري للأجهزة والأنظمة التي تتطلب جهداً ثابتاً ومستقراً، مثل الأجهزة الإلكترونية، وإضاءة LED، وتقنيات الطاقة المتجددة مثل الألواح الشمسية.

5- شكل الموجة

التيار المتردد: عادةً ما يظهر على شكل موجة جيبية، وهو مثالي لعمل المحركات الكهربائية وتحويل الطاقة نظراً لطبيعته الدورية المتوقعة.

التيار المستمر: يُوفر جهداً ثابتاً، وهو ذو قيمة عالية في الدوائر الإلكترونية التي تحتاج إلى مصدر طاقة مستقر للعمل بشكل صحيح.

لماذا لا يتُم استعمال التيار الكهربائي المستمر في المنازل؟

لا يُستخدم التيار المستمر (DC) عادةً في الطاقة المنزلية، ويعود ذلك أساساً إلى مزايا التيار المتردد (AC) في نقل وتحويل وتوزيع الطاقة بكفاءة وخاصة عند نقلها لمسافات طويلة والتي لا يُمكن للتيار المستمر توفيرها. فعند نقل الكهرباء بجهد عالٍ، يكون التيار عند هذا الجهد المُرتفع أقل بكثير، مما يُقلل من الفقد الناتج عن المقاومة في شبكة التوزيع أي مقاومة الأسلاك الكهربائية، وبمجرد وصول التيار المتردد عالي الجهد إلى وجهته، تقوم المحولات بتخفيضه بأمان للاستخدام المنزلي. من ناحية أخرى، لا يمكن تحويل التيار المستمر بين مستويات الجهد المُختلفة بنفس فعالية التقنيات التقليدية، مما يجعل نقله لمسافات طويلة أقل كفاءة وأكثر تكلفة.

ولهذا السبب يتم استخدام التيار المُتردد في المنازل عوضاً عن التيار المُستمر الذي ينحصر استخدامه في العديد من الأجهزة الإلكترونية الحديثة مثل أجهزة الحاسوب ومصابيح LED. حيثُ تتضمن هذه الأجهزة محولات داخلية أو خارجية لتحويل مصدر التيار المتردد إلى تيار مستمر. ويزداد الاهتمام بشبكات التيار المستمر الصغيرة، لا سيما في أنظمة الطاقة المتجددة حيث تُنتج الألواح الشمسية طاقة التيار المستمر. ومع ذلك، يُعاد تحويل هذه الطاقة إلى تيار مُتردد من خلال الإنفرتر لتُصبح ملائمة لشبكة الكهرباء المنزلية.