الدوائر المفتوحة أساسية لسلامة وموثوقية الأنظمة الكهربائية. غالبًا ما تُعتبر عطلًا أو خطأً. ومع ذلك، فإن استخدامها المتعمد في الأنظمة الكهربائية يضمن سلامة النظام وموثوقيته. على سبيل المثال، تُعد الدوائر المفتوحة، مثل القواطع والفيوزات، أساسيةً في الدوائر الكهربائية لمنع تلف الأجهزة بسبب التيار الزائد.

من ناحية أخرى، يُطلق على انقطاع التيار الكهربائي من المصدر إلى الحمل دون أي تدخل اسم عطل الدائرة المفتوحة. هذا النوع من العطل غير مرغوب فيه ويجب معالجته في الوقت المناسب. قد يُسبب عطل الدائرة المفتوحة تلفًا في النظام، وفي أسوأ الحالات، عطلًا كاملًا. لضمان سلامة النظام وموثوقيته، يجب معالجة أعطال الدائرة المفتوحة في الوقت المناسب.

تُستخدم أجهزة إلكترونية متنوعة، مثل قواطع الدائرة، والفيوزات، والترانزستورات، على نطاق واسع في الأنظمة الكهربائية. تعمل هذه الأجهزة على مبدأ الدوائر المفتوحة. على سبيل المثال، عندما يسحب الجهاز تيارًا من حدٍّ مُحدد، يُنشئ الفيوز دائرة مفتوحة ويقطع مسار الدائرة. لذلك، يُعدّ فهم الدوائر المفتوحة ومبادئ تشغيلها أمرًا بالغ الأهمية لمهندسي الكهرباء لتصميم أنظمة كهربائية متينة.

تساعدك هذه المقالة على فهم مفاهيم الدوائر المفتوحة، وأسبابها، وخصائصها، ومبادئها الأساسية، وكيفية اختلافها عن الدوائر القصيرة. كما تستكشف دور الدوائر المفتوحة في سلامة النظام وموثوقيته.

ما هي الدائرة المفتوحة؟

الدائرة الإلكترونية ليست سوى مسار حلقة مغلقة. يتدفق التيار من المصدر إلى الحمل عبر هذه الحلقة المغلقة. من ناحية أخرى، تُعرف الدائرة المفتوحة بأنها حالة لا يتدفق فيها التيار من المصدر إلى الحمل. قد يحدث هذا لأسباب متعددة، منها ضعف التوصيلات وقطع الأسلاك. في بعض الحالات، قد يؤدي ارتفاع درجة حرارة الأسلاك أو تآكلها إلى قطعها. إذا لم تكن حالة الدائرة المفتوحة ضرورية، فقد تتسبب في تقلبات في الجهد واستخدام غير ضروري للطاقة.

لنأخذ مثالاً على مصباح LED كما هو موضح في الشكل 1. عندما يعمل المفتاح كدائرة قصر، يتدفق التيار من المصدر إلى الحمل، مما يُشعِل مصباح LED. من ناحية أخرى، عندما يعمل المفتاح كدائرة مفتوحة كما هو موضح في الشكل 2، يتوقف التيار عن الانتقال من المصدر إلى الحمل، ويبقى مصباح LED في حالة إيقاف. لذلك، تجدر الإشارة إلى أن وضع المفتاح في دائرة مفتوحة أو دائرة قصر يُغيّر وظيفة الدائرة بأكملها.

فهم الدوائر المفتوحة

للتعامل مع الدوائر الكهربائية، من الضروري فهم تشريح الدوائر المفتوحة والقصيرة. يساعد فهم هذه المفاهيم على منع تلف الأنظمة الكهربائية وضمان السلامة. في هذا القسم، سنتناول بالتفصيل التفاصيل والمواصفات الفنية لتشريح الدوائر المفتوحة ومقاومتها.

تشريح الدوائر المفتوحة

علم التشريح عمومًا هو دراسة بنية النظام. لذا، فإن تشريح الدائرة الكهربائية هو دراسة بنية الدائرة. يساعد فهم تشريح الدائرة الكهربائية المهندسين على تحديد وتشخيص أعطال الأنظمة الكهربائية.

تتكون الدائرة الكهربائية من مكونات أساسية يجب توفرها للحفاظ على تدفق الإلكترونات. الدائرة المفتوحة هي نوع من الدوائر الإلكترونية يمنع تدفق التيار الكهربائي إلى الحمل. تتكون الدائرة المفتوحة من المكونات الرئيسية التالية:

1.     مصدر الطاقة: عادةً ما تعمل البطاريات أو الخلايا الشمسية كمصدر رئيسي للطاقة. يكون مصدر الطاقة عادةً نشطًا، ولكن لا يتدفق التيار في الدائرة بسبب انقطاع السلك أو ضعف التوصيل.

2.     حمل: مكون في الدائرة يستهلك الطاقة الكهربائية لإنتاج الناتج المطلوب مثل المقاومة والمروحة والمصباح.

3.     الأسلاك المكسورة: قد يكون سبب انقطاع الأسلاك عوامل مختلفة، مثل ارتفاع درجة الحرارة أو عطل في المكونات. تُنشئ هذه الأسلاك المكسورة دائرة كهربائية مفتوحة، مما يؤدي إلى خلل في عملها.

4.     مفتاح كهربائي: المفتاح هو الجهاز الذي نقوم بتوصيله عمدًا بالدائرة للتحكم في تدفق التيار مثل مرحل أو ترانزستور أو ثايرستور أو ثنائي.

مقاومة الدائرة المفتوحة

عندما ينقطع أو ينقطع السلك أو الموصل الذي يربط الدائرة بحلقة مغلقة، يتوقف تدفق التيار. ينص قانون أوم على أن المقاومة تعيق تدفق التيار. لذلك، نظريًا، يُعطي التيار الصفري في الدائرة مقاومة لا نهائية. تُعرف هذه المقاومة اللانهائية بمقاومة الدائرة المفتوحة. في حالة الدائرة المفتوحة، يمكن الاستنتاج أن:

   إن تطبيق قانون أوم ينص على أن:

تلعب مقاومة الدائرة المفتوحة دورًا هامًا في الأنظمة الكهربائية، إذ تُمثل انسدادًا/انقطاعًا كاملًا في الدائرة. عادةً، تُمثل المقاومة اللانهائية في الدائرة عطلًا قد يُسبب تلفًا في النظام إذا لم يُعالج في الوقت المناسب. على سبيل المثال، قد يكون خلل في أداء الهاتف الذكي ناتجًا عن إجهاد فيزيائي أو كسر في المسارات في لوحة الدوائر المطبوعة (PCB). تؤدي هذه المسارات المكسورة إلى حالة دائرة مفتوحة. قد تشمل الأسباب المحتملة الأخرى لحالات الدائرة المفتوحة في الأجهزة الإلكترونية الإجهاد الفيزيائي، والاهتزازات الشديدة، والتقلبات الشديدة في درجات الحرارة.

أسباب الدوائر المفتوحة  

قد يكون احتمال حدوث دائرة مفتوحة مقصودًا أو غير مقصود. ومع ذلك، فإن الأسباب الأكثر شيوعًا للدوائر المفتوحة هي عطل في المكونات، وعوامل خارجية، وأخطاء بشرية.

فشل المكون

عندما يتعطل أو يتلف أحد مكونات الدائرة الكهربائية. قد تتعدد أسباب تعطل المكونات، ولكن أكثرها شيوعًا هي:

1.     المقاومات المنفوخة: في الدوائر الإلكترونية، غالبًا ما تحترق المقاومات بسبب ارتفاع درجة حرارتها، مما يُؤدي إلى فتح الدائرة.

2.     الأسلاك المكسورة: مع مرور الوقت وآثار التقدم في السن، قد تنقطع الأسلاك وتُشكّل دائرة كهربائية مفتوحة. ومن الأسباب الأخرى لانقطاع الأسلاك الإجهاد البدني والحوادث.

3.     المفاتيح المعيبة: من الملاحظات الشائعة وجود عطل في نظام الإضاءة. يحدث هذا بسبب عطل في المفتاح. يؤدي عطل المفتاح إلى فتح الدائرة الكهربائية.

عوامل خارجية

هناك أيضًا عوامل خارجية مختلفة تساهم بشكل كبير في حدوث أعطال الدائرة المفتوحة.

1.     العوامل المناخية: يمكن أن يحدث خلل في الدائرة أيضًا بسبب اختلافات في درجة الحرارة تؤدي إلى حالة الدائرة المفتوحة.

2.     انقطاع التيار الكهربائي: انقطاع التيار الكهربائي هو خطأ رئيسي في الدائرة المفتوحة والذي يجب معالجته في الوقت المناسب.

3.     تلف الأجهزة: قد يؤدي تلف دوائر الأجهزة الإلكترونية نتيجةً للإجهاد الفيزيائي أو الاهتزازات إلى انقطاعها. على سبيل المثال، قد ينقطع توصيل بطارية الدراجة الهوائية نتيجةً لاهتزازات الطريق.

خطأ بشري

في بعض الأحيان، قد يكون هناك إهمال من فني التركيب أو عامل التركيب، مما قد يؤدي إلى حدوث خطأ وحدوث أعطال في الدائرة الكهربائية. وتشمل هذه الأعطال التوصيلات الخاطئة، والعزل غير السليم، وسوء التعامل مع المكونات الكهربائية.

الدائرة المفتوحة مقابل الدائرة القصيرة

في الهندسة الكهربائية، يُعد فهم مفهومي الدوائر المفتوحة والقصيرة، وهما مفهومان متعارضان تمامًا، أمرًا أساسيًا لتصميم أنظمة كهربائية آمنة وموثوقة. الدائرة المفتوحة هي حالة يعجز فيها التيار عن الانتقال من المصدر إلى الحمل، مما يُنتج مقاومة لا نهائية. بينما تُوفر الدائرة القصيرة أقل مسار مقاومة (0Ω) لتدفق التيار، وتُنتج تيارًا لا نهائيًا. يُعد مفهوما الدوائر المفتوحة والقصيرة أساسيين لتحديد أعطال النظام ومعالجتها، ومنع تعطله.

في الدائرة المفتوحة، لا ينتقل التيار من المصدر إلى الحمل. ولأن الإلكترونات لا تنتقل في الدائرة المفتوحة، فإنها توفر مقاومة لا نهائية، وتيارًا صفريًا، ولا تنقل الطاقة من المصدر إلى الحمل. من ناحية أخرى، توفر الدائرة القصيرة مسار مقاومة ضئيلًا. وبالتالي، يؤدي مسار المقاومة الضئيل إلى تدفق هائل للتيار، وفرق جهد صفري، ونقل أقصى للطاقة. قد يؤدي هذا إلى ارتفاع درجة حرارة المكونات الكهربائية واحتمال تلفها.

يتم توضيح الاختلافات الرئيسية بين الدوائر المفتوحة والدوائر القصيرة في الجدول الأول. 

الجدول الأول: مقارنة بين الدائرة المفتوحة والدائرة القصيرة

	الجهد االكهربى	حالياًّ	المقاومة	الطاقة
الدائرة المفتوحة	يساوي جهد الدخل
قصر الدائرة	V= I x R => I x 0 => 0 فولت		صفر أوم (0Ω)

ومن ثم، يمكن العثور على الخصائص الرئيسية للدوائر المفتوحة والدوائر القصيرة في الجدول الأول.

الجدول الثاني: خصائص الدائرة المفتوحة والدائرة القصيرة

فتح الدائرة الكهربائية الجهد

يلعب جهد الدائرة المفتوحة دورًا هامًا في تحديد أقصى سعة جهد لجهاز ما. وهو أقصى جهد يمكن للجهاز إنتاجه. يُقاس هذا الجهد في حالة عدم وجود حمل. وقد ذكرت شركات تصنيع الإلكترونيات هذا الجهد في الدليل الفني للجهاز.

تيار الدائرة القصيرة

يُعرَّف تيار قصر الدائرة بأنه التيار العالي الذي تُنتجه البطارية لتشغيل المصهر، مما يمنع تلف الجهاز الإلكتروني. يُقاس تيار قصر الدائرة عادةً عند عدم توصيل أي حمل. في أغلب الأحيان، تُشير الشركات إلى تيار قصر الدائرة كأحد مواصفات الأجهزة الإلكترونية.

تحديد الدوائر المفتوحة في الأنظمة الكهربائية

يُعدّ تحديد الدوائر المفتوحة في الأنظمة الكهربائية الخطوة الأولى نحو تشخيصها بفعالية. هناك طرق مختلفة لتحديد الدوائر المفتوحة المحتملة في الأنظمة الكهربائية، ومنها:

• التفتيش المادي:  قد يقوم الفني من خلال التفتيش بالبحث عن أي أسلاك مكسورة أو اتصالات فضفاضة، إن وجدت.

• اختبار الصفير: اضبط جهاز القياس المتعدد الرقمي (DMM) على وضع اختبار الصمام الثنائي. في حال وجود دائرة كهربائية مفتوحة بين طرفين، لن تُصدر مجسات جهاز القياس المتعدد الرقمي (DMM) صوت تنبيه.

• اختبار المقياس المتعدد:  قِس المقاومة والجهد عند نقاط مُشتبه بها. إذا أظهر جهاز القياس المتعدد مقاومة لا نهائية، فهذا يُشير إلى وجود دائرة كهربائية مفتوحة.

أهمية الدوائر المفتوحة في موثوقية النظام وسلامته

الدوائر المفتوحة والقصيرة بالغة الأهمية للأجهزة الكهربائية، ويجب معالجتها بعناية. سوء التعامل معها قد يؤدي إلى عواقب وخيمة على سلامة النظام وموثوقيته. تعمل قواطع الدائرة، والفيوزات، والترانزستورات، والمرحلات على مبدأ الدائرة المفتوحة لحماية النظام من أي خطر.

A.    قاطع الدائرة: تستخدم قواطع الدائرة تصميم دائرة مفتوحة تلقائيًا. إذا تجاوز التيار المسموح به في الجهاز الحد المسموح به، فإنه يُفعّل القاطع لفتح الدائرة. هذا يحمي الجهاز من أي تلف محتمل.

B.    الصمامات: السلك المعدني هو المكون الأساسي للصمام. عندما يحاول الجهاز استهلاك تيار يتجاوز الحد المحدد، يذوب السلك المعدني ويشكل دائرة كهربائية مفتوحة، مما يحمي الجهاز من أي تلف محتمل. 

C.   مفتاح كهربائي: لوحة التوزيع في منزلك مثالٌ أيضًا على الدائرة المفتوحة. تُستخدم هذه اللوحات للتحكم في وقت تشغيل وإيقاف الأجهزة، مثل المراوح والمصابيح.

كما تلعب الدوائر المفتوحة دورًا حاسمًا في ضمان موثوقية الأنظمة الكهربائية مثل:

A.    في المواقف الخطرة، تعمل الدوائر المفتوحة على عزل القسم المعيب من النظام ومنع الجهاز من الفشل المحتمل. 

B.    عندما يتجاوز التيار الحدود المحددة، تعمل الدوائر المفتوحة على حماية النظام الكهربائي عن طريق فصل تدفق التيار.

خاتمة

في الختام، تلعب الدوائر المفتوحة دورًا هامًا في الأنظمة الكهربائية. في معظم الحالات، تُصنف الدوائر المفتوحة على أنها أعطال. ومع ذلك، تُستخدم الدوائر المفتوحة أيضًا في أجهزة الحماية الإلكترونية مثل قواطع الدائرة والفيوزات. لذلك، يُعد فهم الدوائر المفتوحة ومبادئها الرئيسية واختلافاتها وأسبابها وخصائصها أمرًا أساسيًا لسلامة الأنظمة الإلكترونية وموثوقيتها وتشخيصها.