فهم المخططات الكهربائية: دليل شامل

هل أنت مصمم محترف أم جديد في مجال الكهرباء؟ إذا كانت الإجابة بنعم، فعليك البدء من الأساسيات. لا بد أنك تتساءل عن ماهية المخطط الكهربائي. لا تقلق، سأشرح لك المفهوم بالتفصيل.

 بدايةً، تُشبه رموز المخططات الكهربائية لغة الدوائر الكهربائية. ما أهميتها؟ لأنها تساعدك على فهم هدف تصميم دائرتك. قراءتها وفهمها ليسا أسلوبًا يجب تعلمه ثم نسيانه، بل هو ضرورة. الآن، بما أنك تُدرك أهمية المخطط الكهربائي ولكنك لا تعرف كيفية قراءته، فهذه المقالة لك! لذا، دعنا لا نُضيع وقتك ونتعمق في تفاصيل مكونات المخطط الكهربائي، وطرق تفسيرها، والمزيد.

ما هو المخطط الكهربائي؟

المخطط الكهربائي هو طريقة أخرى لعرض أو رسم المسار الكهربائي للدائرة. مصطلح "المخطط الكهربائي" هو توضيح فني يُستخدم ليساعد الفرد على التفكير في المكونات الأساسية وارتباطها بالدائرة الكهربائية. تُظهر مخططات الدوائر التقليدية فقط التركيب المادي للنظام وساعات العمل، بينما يوضح المخطط الكهربائي كيفية انتقال الكهرباء وترابطها في النظام.

دعونا الآن نلقي نظرة على الميزات الرئيسية للرموز التخطيطية الكهربائية، بما في ذلك:

●      المقاومات المتغيرة ومفاتيح الضغط والثنائيات.

●      فهو لا يشمل فقط موقع مكونات الدائرة، بل يشمل أيضًا ترتيب هذه المفاهيم.

●      وهي أيضًا وسيلة اتصال مفهومة في عالم الهندسة.

●      يقدم معلومات محددة حول ما إذا كان المكون أصليًا، أو قيمته، أو تقييمه.

باختصار، بدون مخططات، سيكون هناك فوضى كاملة في العثور على الأخطاء، وإنشاء الدوائر، وبناء الأنظمة.

تتضمن العناصر الرئيسية الموجودة عادةً في المخطط الكهربائي ما يلي:

فيما يلي قائمة بالعناصر المشتركة الموجودة عادةً في المخطط الكهربائي، بالإضافة إلى شرح لمعانيها:

●      المصباح يُمثَّل بدائرةٍ بداخلها صليب. يشبه شكله مصباحًا كهربائيًا، حيث يُضاء عند مرور تيارٍ كهربائيٍّ فيه.

●      مفاتيحيظهر على شكل انقطاع في خط، بين طرفيه خط مائل. وهو ينظم تدفق التيار في الدائرة.

●      الأسلاك:يوضح هذا الخط المستقيم الاتصال بين المكونات في الدائرة.

●      متصل/غير متصل:تشير رموز الأسلاك هذه إلى ما إذا كانت الأسلاك متصلة (خط رفيع بنقطة) أم لا (تقاطع الخطوط المنقطة بدون نقطة).

●      المقاوم: ويظهر على شكل خط متعرج يقيد التيار الكهربائي مع السماح بأجزاء وممارسات دوائر مختلفة.

●      المقاومة المتغيرة: إنه عبارة عن مقاومة بها سهم يمر عبرها، مما يشير إلى أنها مقاومة يمكنك من خلالها ضبط مقاومتها للتحكم في التيار.

●      المكثف (مكثف التشغيل):يحتفظ بالطاقة الكهربائية ويقدمها حسب الحاجة، غالبًا لتسهيل أو تصفية الإشارات.

●      المكثف المستقطب: بشكل أساسي، مكثف الاستقطاب هو أي مكثف عادي، باستثناء المكثف الذي يحمل قطبية محددة بـ (+) و(-). يُستخدم في دوائر التيار المستمر.

●      الصمام الثنائي:يحتوي على سهم مثلث يشير إلى خط، ويسمح للتيار بالجري في اتجاه واحد فقط، لحماية المكونات الحساسة.

●      LED (الصمام الثنائي الباعث للضوء):حيثما يوجد مصباح LED أو الصمام الثنائي الباعث للضوء، لدينا الأسهم التي تشير إلى الخارج حيث يوجد تيار اتجاهي واحد.

فهم أساسيات الدائرة

عند تعلم أساسيات الدائرة الكهربائية، يجب أن تكون على دراية بالمكونات الرئيسية. أولًا، ما هي الدائرة الكهربائية؟ بمعنى آخر، الدائرة الكهربائية هي شيء يتدفق عبره أي تيار كهربائي. الأمر سهل، أليس كذلك؟ حسنًا، لنتعمق أكثر ونلقي نظرة على الأجزاء الرئيسية التي يجب مراعاتها عند بناء تصميم دائرتك الكهربائية.

هكذا تعمل الدائرة:

عندما يدفع مصدر الطاقة الإلكترونات عبر الموصلات في مسار مغلق، تتدفق هذه الإلكترونات في دائرة لإنتاج التيار.

لكي يتدفق التيار:

●      لا ينبغي أن يكون مسار الدائرة مكسورًا، بل يجب إغلاقه.

●      يجب أن يدفع الطرف الموجب لمصدر الطاقة التيار عبر الدائرة ويعود إلى طرفه السالب.

لا، نحن جميعًا نعلم كيف تعمل الدائرة، لذا دعنا ننتقل إلى الأنواع المختلفة من الدوائر التي من المحتمل أن نواجهها.

●      سلسلة الدائرةفي هذه الحالة، يمر التيار عبر المكونات واحدًا تلو الآخر في مسار واحد. إذا تعطل أحد مكونات الدائرة، فسيؤثر ذلك على الدائرة بأكملها.

●      التوصيل بالتوازيتُمثل هذه الدائرة مكونات مُركّبة في فروع مُختلفة، حيث يُسمح بمسار واحد فقط لتدفق التيار. إذا تعطل أحد الأجزاء، فسيظل كل شيء آخر يعمل بشكل جيد.

●      الدائرة المركبة:يتكون من تكوينات متسلسلة ومتوازية لتحقيق بعض أهداف التصميم.

القوانين الأساسية التي تحكم الدوائر.

حسنًا، دعونا نلقي نظرة على القوانين الأساسية التي تمتلكها الدوائر.

1. قانون أوم:

يشرح العلاقة بين الجهد (فولت) والتيار (I) والمقاومة (R). من المهم فهم سلوك الجهد والتيار والمقاومة في الدائرة.

V= I×RV = I \ مرات

RV=I×R

2. قوانين كيرشوف:

ينص قانون كيرشوف للتيار (KCL) على أن:

مجموع التيار الكلي الداخل إلى وصلة دائرة كهربائية يساوي إجمالي التيار الخارج منها. صيغة KCL هي:

∑I(داخل) = ∑I(خارج)

أين:

I(in) هي التيارات المتدفقة إلى الوصلة.

I(out) هي التيارات المتدفقة خارج الوصلة.

طرق تمثيل الدائرة بيانياً

عندما يتعلق الأمر بتمثيل دائرة كهربائية، ما المقصود بها؟ هل هي رسم تخطيطي مملوء بوحدات النظام الدولي للوحدات (SI)؟ أم رسم تخطيطي من نوع مخطط انسيابي؟ سأكون صريحًا معك، لا أعتقد أن هناك طريقة واحدة تناسب الجميع. هناك العديد من طرق التمثيل البياني المتاحة في السوق، ولكل منها مزاياها. أيٌّ من هذه الطرق أنسب لاستخدامك التالي في المشروع؟ دعنا نوضح لك الأمر. بنهاية هذا القسم، ستعرف أي التصاميم البيانية يجب عليك اختياره.

1. رسم تخطيطي

إنها مخططات لدوائرك الكهربائية. ما الذي تقدمه؟ إنها بسيطة التمثيل ليتمكن المبتدئ من فهمها. وهي مصممة لربط الاتصالات بين المكونات. فبدلاً من النظر إلى التصميم المادي للدائرة، تستخدم رموز مخططات الأسلاك لفهم استخدام الدائرة.

2. مخطط الأسلاك

بعد ذلك، لدينا مخطط الأسلاك في الصفحة. يُقدم هذا المخطط نظرة عملية على الدوائر المتكاملة. لا يتعلق الأمر بالرموز المجردة التقليدية المملة التي تُعرض عليك؛ بل بمدى سهولة تشغيل مكوناتك في الواقع. يتيح لك هذا المخطط تركيب وإصلاح لون الأسلاك، والتوصيلات المادية، ومواضع أطراف التوصيل.

3. مخطط كتلة

ما الانطباع الذي يتركه هذا التمثيل البياني في ذهنك عند سماع مصطلح "مخطط الكتل"؟ هل هو مخطط انسيابي أم مخطط كتل؟ إذا كنت ستختار المخطط الانسيابي، فربما تكون محقًا. يُقدم هذا المخطط الانسيابي نظرة عامة شاملة على النظام. ويُقسّم المخطط إلى قسمين:

●      شواحن

●      مكبر الصوت التشغيلي

أفضل ما في الأمر؟ إنه لا يتطرق إلى التفاصيل الدقيقة، بل يُحلل كيفية تكامل هذا المحتوى مع الفراغ الذي يسدّه. عندما تُخطط لبناء مخطط كتلي للمشروع التالي، انتبه لهذا المخطط، لما له من فائدة في التخطيط عالي المستوى أو شرح الأنظمة لغير المتخصصين.

4. الرسم التخطيطي التصويري

هذا هو بلا شك أسلوبنا المفضل، لأنه أسهل صيغة للمبتدئين وغير الخبراء. من منا لا يحب الرسوميات؟ أعني، جميعنا نحبها. أسهل وأضمن طريقة لحفظ الدائرة هي رؤية صورتها بدلاً من قراءة جميع رموزها. بشكل عام، يستبدل هذا الأسلوب الرموز برسوم توضيحية واقعية، مما يُسهّل رؤية تفاعل الدائرة مع نظيراتها. 

5. مخطط الخط الواحد (SLD)

في حين أن المخطط أحادي الخط قد يصبح معقدًا في بعض الأحيان، إلا أنه بعد الانتهاء منه، يُمكنه تحليل أنظمتك الكهربائية المعقدة إلى تمثيلات أحادية الخط واضحة وأنيقة. ومع ذلك، فهو يُركز على الأجزاء الكبيرة من خطوط الطاقة والمحولات وقواطع الدوائر، ولذلك، فهو مثالي للأنظمة الأكبر، بما في ذلك شبكات الطاقة الصناعية ومخططات المباني الكهربائية.

كيفية قراءة دائرة بسيطة

ينبغي أن يكون جميع المهندسين والكهربائيين والهواة قادرين على قراءة مخطط الدائرة الكهربائية. مخطط الدائرة الكهربائية (المعروف أيضًا باسم المخطط التخطيطي) هو تمثيل رمزي لأجزاء النظام الكهربائي. إليك كيفية قراءته.

الخطوة 1: فهم أساسيات نظام الدائرة

الفكرة هنا هي فهم المكونات أولًا. على سبيل المثال، في مخططات الدوائر الكهربائية، تُمثَّل المكونات برموز موحدة. ولكن أي رموز؟ إليك ما هي:

●      المقاومات: يتم تمثيلها على شكل خطوط أو متعرجة.

●      المكثفات: خطوط متوازية (واحد مستقيم، والآخر منحني للمكثفات المستقطبة).

●      الثنائيات: نقاط المثلث في خط، تشكل اتجاه تدفق التيار.

●      مصادر الطاقة: خطوط طويلة وقصيرة للبطاريات، أو خطوط متموجة في حالة مصدر التيار المتردد.

الخطوة 2: تحديد مصدر الطاقة

بعد أن تعرفتَ على الرموز، يمكنك الآن معرفة كيفية تشغيل الدائرة. ولكن كيف يتم ذلك؟ أولًا، عليكَ تحديد مصدر الطاقة: عادةً ما يكون بطارية أو قابس تيار متردد. بعد ذلك، سجّل قطبيته أو جهده. على سبيل المثال، إذا كانت دائرة تيار مستمر، فإن الخط الأطول يُشير إلى الطرف الموجب، والخط الأقصر إلى الطرف السالب.

الخطوة 3: اتبع تدفق التيار

حان الوقت للتحقق من اتجاه تيار دائرتك، وما إذا كان يتدفق في الاتجاه الصحيح أم الخاطئ. عادةً، يمر التيار الكهربائي من الطرف الموجب للتيار إلى الطرف السالب. وقد ثبت أن هذا أكثر تأثرًا بتدفق التيار التقليدي. لمعرفة ذلك، ما عليك سوى تتبع المسار من مصدر الطاقة عبر المكونات والعودة إلى المصدر، وستعرف مسار تدفق التيار.

الخطوة 4: تحليل المكونات الفردية

بعد إتمام جميع هذه الخطوات، عليك تحليل جميع التوصيلات المنفصلة. قد يبدو الأمر صعبًا بعض الشيء في البداية، لكنه يُحدث فرقًا كبيرًا. كل ما تحتاج معرفته هو وظيفة كل مكون. دعني أوضح لك الأمر.

●      المقاومات: حدّ تدفق التيار. لاحظ قيم المقاومة (بالأوم) المطبوعة بجانب الرمز.

●      المكثفات: كما أنها تخزن وتُطلق الطاقة الكهربائية. ينبغي البحث عن قيم السعة بالفاراد.

●      سويتشات:تحكم في تدفق التيار. المفاتيح المفتوحة تقطع الدائرة، والمفاتيح المغلقة تغلقها.

●      الثنائياتتسمح الثنائيات بتدفق التيار في اتجاه واحد فقط. بعد ذلك، ابحث عن القطب الموجب (الأنود) والقطب السالب (الكاثود).

●      المصابيح: تُصدر ضوءًا كالثنائيات للتيار الكهربائي. عليك ملاحظة قطبية إشاراتها.

الخطوة 5: التعرف على التكوين المتسلسل والمتوازي

وأخيرًا، إليك الجزء الأسهل. عليك معرفة ما إذا كان التوصيل على التوالي أم على التوازي في المخطط الكهربائي. إذا كانت المكونات متصلة طرفًا بطرف، فهي متصلة على التوالي. أما الحالة الأخرى التي تكون فيها المكونات متصلة عبر النقطتين المشتركتين فتُسمى دائرة متوازية.

كيفية قراءة وتفسير الرسم التخطيطي

إذا كنت هاويًا وترغب في بناء بعض الأدوات البسيطة، فمن الضروري جدًا أن تتعلم كيفية قراءة المخطط التخطيطي وتفسيره. قراءة المخطط أشبه بتعلم قراءة الخريطة: إذا كنت تعرف معناها، يمكنك إيجاد طريقك. على سبيل المثال، يُستخدم رمز محدد لكل مكون: خط متعرج للمقاومات، وخطوط متوازية للمكثفات، ومثلثات للثنائيات. يجب أن تعرف هذه الرموز جيدًا في البداية لفهم المخطط التخطيطي.

ستحتاج إلى معرفة هذه الرموز ووظائفها وشكلها. بعد ذلك، عليك العثور على مصدر الطاقة. سيُسمى برمز البطارية +++، ثم تتبع الخطوط (الأسلاك) إلى المكونات لمراقبة تدفق التيار.

بعد ذلك، ابحث عن رموز مثل R1R1R1 أو C1C1C1، لتتعرف على مكونات المقاومة بالأوم، أو على مكونات المكثفات بالفاراد. بعد معرفة وظيفة كل جزء من الدائرة، حاول تتبع مسار التيار الكهربائي. بهذه الطريقة، ستتمكن من فهم وتفسير المخطط التخطيطي بسهولة.

كيفية تصميم مخطط تخطيطي بمظهر احترافي

لا يدرك الكثيرون الخطوات البسيطة المتبعة عند تصميم مخطط تخطيطي. إن إنشاء مخطط تخطيطي احترافي ليس بالأمر السهل. ولكن بمجرد معرفة الخطوات الصحيحة، ستكون مسؤولاً عن مخطط الأسلاك عالي التقنية التالي. إذا كنت مبتدئًا، فإن استخدام برامج تصميم المخططات مثل KiCad وEagle وAltium وغيرها سيفي بالغرض. بعد ذلك، رتّب دائرة الأنظمة المحددة في كتل وظيفية (المدخلات، والعمليات، والمخرجات)، بحيث تتدفق من اليسار إلى اليمين أو من الأعلى إلى الأسفل للإشارة إلى تقدم الإشارة أو الطاقة.

بعد ذلك، ستحتاج أساسًا إلى استخدام الرموز الكهربائية الاعتيادية ليسهل على الجميع فهمها. يجب تخصيص مُعرِّفات فريدة لجميع المكونات (مثل R1، C2، U3، إلخ)، وتدوين جميع القيم (المقاومة، السعة، ورقم قطعة الدائرة المتكاملة (IC) إن وجد). الالتزام بهذه القواعد هو السبيل الوحيد لضمان عمل مخططك، وشكله الجيد، ودقته.

الخاتمة

المخططات التخطيطية هي بمثابة مخططات للتجميع واستكشاف الأخطاء وإصلاحها والتعاون. فهي توضح وظائف الدائرة وبنيتها باحترافية. بعد اتباع معايير الصناعة، وتنظيم المكونات بطريقة منطقية، وإبراز الوضوح، تضمن هذه المخططات أن تكون مفيدة وجذابة للعين.