كيف تُزود مشروعك بالطاقة

نظرة عامة

في هذا الدرس سنتعرف على الطرق المُختلفة لتوصيل الطاقة إلى مشاريعك الالكترونية. سنشرح بالتفصيل بعض الاعتبارات المُتعلقة بالجهد والتيار التي يجب أن تضعها في حسبانك. كما سنشرح بعض الاعتبارات الأخرى الخاصة بتوصيل الطاقة إلى المشاريع المتنقلة أو التي يتم التحكم بها عن بعد، أو بعبارة أخرى المشاريع التي لا يُمكن أن يوجد بجوارها مقبس للتيار الكهربائي كالموجود في الحائط.

إذا كان هذا هو المشروع الالكتروني الأول لك فلديك الخيار في قراءة هذا الدرس أو استخدام مصدر الطاقة المُوصى باستخدامه مع مشروعك أو اللوح التطويري (Development board) الذي اخترته.

مواضيع مُقترحة للقراءة

إليك بعض الدروس المرتبطة بهذا الدرس والتي قد تحتاج للاطلاع عليها قبل الاستمرار في قراءته:

• الجهد، التيار، المقاومة، وقانون أوم
• القدرة الكهربية
• تقنيات البطاريات
• أساسات الوصلات
• كيف نستخدم المقياس المتعدد (المالتيميتر)
• مُنظمات الجهد
• دوائر التوالي والتوازي

طرق توصيل الطاقة للمشاريع

إليك بعض الطرق الأكثر استخداماً لتوصيل الطاقة لمُختلف المشاريع:

• مُزودات الطاقة التي تقوم بتحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر (AC to DC power supplies) (مثل المُستخدمة في أجهزة الكمبيوتر والكمبيوتر المحمول)
• مُزودات الطاقة التي يُمكن تغيير قيمة التيار المستمر الذي تنتجه (Variable DC bench power supply)
• البطاريات
• عبر كابلات USB

أربعة من الطرق الشائعة لتزويد أي مشروع الكتروني بالطاقة

أي خيار يجب أن أستخدم لتزويد مشروعي بالطاقة؟

إجابة هذا السؤال تعتمد بدرجة كبيرة على المُتطلبات الخاصة بمشروعك.

إذا كنت تستخدم حزمة المُخترع الخاصة بـ SparkFun أو أي لوح تطويري أساسي آخر فغالباً لن تحتاج سوى لكابل USB. بطاقة أردوينو أونو (Arduino Uno) مثال على ذلك، حيث لا تتطلب سوى كابل للتحويل من USB A إلى USB B لتزويدها بالطاقة.

أما إذا كنت تقوم ببناء العديد من المشاريع الالكترونية وتختبر الدوائر الالكترونية بانتظام فيوصى بشدة أن تمتلك مُزود طاقة يُمكن تغيير قيمة التيار المستمر الذي ينتجه (variable DC bench power supply). وهذا يسمح لك بضبط الجهد على قيم معينة بناء على ما يحتاجه مشروعك. كما أنه يوفر لك الحماية من خلال تحديد أقصى قيمة للتيار مسموح بمرورها. كما أنه في حال وجود أي دائرة قصر (short circuit) بداخل المشروع فسيقوم مُزود الطاقة بالتوقف فوراً لمنع حدوث أي تلف للمُكونات التي يحتوي عليها المشروع.

غالباً ما يتم بعد اختبار الدائرة استخدام مُزود طاقة يقوم بتحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر (AC to DC power supply). كما أنه خيار رائع في حال كنت تستخدم بشكل متكرر نفس اللوح التطويري في مشاريعك. هذه المحولات تحتوي عادة على قيمة جهد وقيمة شدة تيار مُحددتين، لذلك من الضروري أن تتأكد أن مُزود الطاقة الذي تختاره له المواصفات المناسبة التي تتماشى مع المشروع الذي تُزوده بالطاقة، ولا يتجاوز تلك المواصفات.

إذا كنت تريد أن تجعل مشروعك محمولاً أو أن تضعه في مكان بعيد عن أي مصادر للتيار المتردد الآتي من شبكات التوزيع المنزلية فإن البطاريات هي الحل الأمثل لتحقيق ذلك. تأتي البطاريات بأنواع وأحجام متنوعة للغاية. اقرأ الدرس إلى نهايته لتتمكن من تحديد النوع الذي يُناسبك بدقة منها. من البطاريات شائعة الاستخدام في المشاريع الالكترونية بطاريات النيكل هيدريد القابلة للشحن (rechargeable NiMH) وبطاريات الليثيوم بوليمر أيون (lithium polymer ion).

الاعتبارات المتعلقة بالجهد والتيار

ما هي كمية الجهد الذي أحتاج إليه لمشروع ما؟

هذا يعتمد بدرجة كبيرة على الدائرة، لذلك لا توجد إجابة مُباشرة لهذا السؤال. لكن مُعظم الألواح التطويرية التي تحتوي على مُعالجات دقيقة (microprocessor) تحتوي على مُنظم جهد مُدمج بها. وهذا يسمح لنا بتزويدها بجهد في مدى مُحدد أكبر من الجهد الخارج من مُنظم الجهد. العديد من المُعالجات الدقيقة والدوائر المتكاملة الموجودة على الألواح التطويرية تستخدم جهداً قيمته 3.3V أو 5.5V، لكنها تحتوي على مُنظمات جهد يُمكنها العمل بجهد بأي قيمة بين 6V و12V.

تأتي الطاقة من مُزود الطاقة ومن ثم يتم تنظيم الجهد بواسطة مُنظم الجهد، حيث يتم توصيل جهد ثابت إلى كل شريحة حتى عندما يتذبذب التيار في أوقات مُختلفة. للتحقق من الجهد الآمن يُوصى بقراءة صحيفة البيانات الخاصة بمُنظم الجهد الموجود على اللوح التطويري لمعرفة مدى الجهد الموصى به من قبل المُصنع.

ما هي شدة التيار الذي أحتاج إليه لمشروع ما؟

هذا السؤال كذلك يعتمد على اللوح التطويري والمُعالج الدقيق اللذان تستخدمهما وكذلك على الدائرة التي تخطط لتوصيلها بهما. إذا لم يتمكن مُزود الطاقة الخاص بك من تزويد المشروع بالتيار الذي يتطلبه من الممكن أن تبدأ أشياء غريبة بالحدوث في الدائرة وبشكل غير مُتوقع، وهذا يُطلق عليه brown-out.

كما كان الحال مع الجهد، يُوصى بفحص صحف البيانات لتقدير احتياجات مُختلف مُكونات الدائرة. من الجيد كذلك أن تضع في اعتبارك أن تزويد الدائرة بتيار أكبر مما تحتاجه أفضل من أن يتم تزويدها بتيار أقل مما يكفيها. إذا كانت دائرتك تتضمن عناصر تتطلب كميات كبيرة من التيار مثل المُحركات أو الكميات الكبيرة من الديودات المُضيئة (LEDs) فمن الممكن أن تحتاج لاستخدام مُزود طاقة كبير أو استخدام مُزودات طاقة منفصلة للمتحكم الدقيق والمُحركات. مرة الأخرى نذكرك بأنه من الأفضل لك أن تزود الدائرة بتيار أكبر مما تحتاجه عن أن تزودها بتيار أقل مما يكفيها.

ليست لديك فكرة عن كمية التيار التي يستهلكه المشروع الخاص بك؟

بعد أن تعتاد على التعامل مع الدوائر الالكترونية لفترة سيكون من السهل عليك تقدير كمية التيار التي يتطلبها أي مشروع تقوم بعمله. لكن الطرق الشائعة لمعرفة ذلك بشكل تجريبي هي إما استخدام مُزود طاقة يُمكن تغيير قيمة التيار المستمر الذي يخرجه ويحتوي على شاشة لعرض قراءة بقيمة التيار أو استخدام مالتيميتر رقمي (digital multimeter) لقياس قيمة التيار الذي يسري بداخل الدائرة أثناء تشغيلها. إذا كنت لا تعرف كيفية قراءة التيار باستخدام مالتيميتر يُمكنك الاطلاع على درسنا الخاص بذلك (كيفية استخدام المقياس المتعدد (المالتيميتر)).

مالتيميتر رقمي

نوصي بشدة بامتلاك جهاز مالتيميتر رقمي ضمن أدواتك الالكترونية الأساسية. فهو جهاز رائع لقياس الجهد والتيار وغير ذلك.

التوصيلات

كيف أقوم بتوصيل البطارية أو مُزود الطاقة بدائرتي؟

في الواقع توجد العديد من الطرق يُمكن استخدامها لتوصيل مصدر الطاقة بمشروعك.

طرق شائعة لتوصيل مصادر الطاقة بالدائرة الخاصة بك

مزودات الطاقة على اختلاف أنواعها غالباً ما يتم توصيلها بالدوائر الكهربية من خلال وصلات قوابس الموزة (banana jacks) أو عبر الأسلاك مُباشرة. وهي مُشابهة للوصلات التي توجد في كابلات مجسات المالتيميتر.

كثير من المشاريع يتم تركيبها على لوح تجارب (breadboard) في البداية كنموذج أولي قبل أن تصبح في صورتها النهائية. هناك العديد من الطرق لتوصيل الطاقة إلى الدوائر الكهربية على ألواح التجارب، وكثير منها يتضمن نفس الوصلات المذكورة هنا.

بعد أن يتجاوز المشروع مرحلة النموذج الأولي غالباً ما ينتهي به المطاف على لوح دوائر مطبوعة (PCB). تُعد الوصلة الاسطوانية (barrel connector) –ويُطلق عليها أيضاً القابس الاسطواني (barrel jack)- من أكثر وصلات الطاقة استخداماً في ألواح الدوائر المطبوعة الخاصة بالالكترونيات الاستهلاكية والتجريبية على حد سواء. من الممكن أن تختلف تلك الوصلات في الحجم، ولكنها جميعاً لها نفس الوظيفة، وتمثل طريقة بسيطة وموثوقة لتوصيل الطاقة إلى مشروعك.

البطاريات بشكل عام يتم وضعها في علبة تحتوي البطاريات ويتم توصيلها بالدائرة باستخدام الأسلاك أو القوابس الاسطوانية. هناك أيضاً بعض البطاريات مثل بطاريات الليثيوم بوليمر أيون تستخدم وصلات من نوعية JST connector.

للتعرف أكثر على مُختلف الوصلات التي يمكن استخدامها لتوصيل الطاقة قم بالاطلاع على درسنا الخاص بتلك الوصلات (connectors tutorial).

تزويد المشاريع المحمولة أو التي يتم التحكم بها عن بعد بالطاقة

ما هي البطارية التي يجب أن أختارها؟

عند الحاجة لتوصيل الطاقة إلى دائرة يتم التحكم بها عند بعد تقابلك نفس الأمور المتعلقة باختيار البطارية التي يُمكنها تزويدك بالجهد والتيار اللذان تحتاجهما. عُمر البطارية (Battery life) أو سعتها (capacity) هو مقياس للشحنة الكلية التي تحتويها البطارية. وتُقاس سعة البطارية غالباً بأمبير-ساعة (ampere-hours (Ah)) أو بالملي أمبير-ساعة (milliampere-hours (mAh))، وهي تخبرنا عن عدد الأمبيرات التي تستطيع البطارية المشحونة بالكامل تزويدنا بها خلال ساعة واحدة. على سبيل المثال البطارية التي سعتها 2000mAh تستطيع تزويد تيار تبلغ شدته 2A (2000mA) لساعة واحدة.

من المهم كذلك النظر في حجم البطارية وشكلها ووزنها عندما يكون المشروع الذي تقوم بتنفيذه محمولاً، وخاصة إذا كنت تقوم بتصميم شيء يطير مثل الطائرات الرباعية الصغيرة (quad-copter). بإمكانك الاطلاع على قائمة ويكبيديا (wikipedia list) الخاصة بأنواع البطاريات لتتعرف عليها بشكل أفضل. كما يُمكنك معرفة المزيد حول أنواع البطاريات من خلال درسنا الخاص بتقنيات البطاريات.

توصيل البطاريات على التوالي (series) وعلى التوازي(parallel)

من الممكن توصيل البطاريات على التوالي أو على التوازي للحصول على الجهد والتيار اللذان يحتاجهما مشروعك. عندما يتم وضع بطاريتين أو أكثر على التوالي يكون الجهد الناتج يساوي مجموع جهود البطاريات. على سبيل المثال بطاريات الرصاص المُستخدمة في السيارات (lead-acid car batteries) تُصنع في الأساس من ستة بطاريات رصاص صغيرة مُتصلة على التوالي، وكل من تلك البطاريات لها جهد 2.1V، وبالتالي يكون مجموع الجهد 12.6V. عند توصيل بطاريات على التوالي يُوصى باستخدام بطاريات لها نفس التركيب الكيميائي. كذلك كن حذراً عند شحن عدة بطاريات متصلة على التوالي لأن العديد من الشواحن مُصممة لشحن بطارية واحدة فقط.

أما عند توصيل بطاريتين أو أكثر على التوازي تكون السعة الكلية لها تساوي مجموع سعات البطاريات. على سبيل المثال عند توصيل أربع بطاريات AA على التوازي سيكون الجهد الكلي 1.5V، لكن السعة تتضاعف أربع مرات.

ما هي سعة البطارية التي يحتاج إليها مشروعي؟

من السهل إجابة هذا السؤال بعد تحديد كمية التيار الذي تستهلكه الدائرة الخاصة بك في المتوسط. في المثال التالي سنستخدم التقدير. لكن من الأفضل أن تقوم بقياس التيار الذي تستهلكه دائرتك باستخدام مالتيميتر رقمي للحصول على نتائج دقيقة.

كمثال على ذلك دعونا نبدأ بدائرة نقوم بتقييم استهلاكها للطاقة ومن ثم نختار بطارية مُناسبة ونحسب المدة التي يُمكن أن تعمل فيها الدائرة اعتماداً على الطاقة المُستمدة من البطارية. سنستخدم مُتحكم دقيق ATmega 328 microcontroller ليكون المُكون الأساسي في الدائرة. هذا المُتحكم يستهلك 20mA في المتوسط. سنقوم بتوصيل ثلاثة ديودات مُضيئة حمراء مع ثلاث مُقاومات مُحددة للتيار بقيمة 330Ω (330 ohm current limiting resistors) بمنافذ الدخل/الخرج الخاصة بالمُتحكم الدقيق. بهذا الترتيب كل ديود مُضيء تتم إضافته يجعل الدائرة تستهلك حوالي 10mA بشكل إضافي. سنضيف أيضاً مُحركين معدنيين صغيرين (Micro Metal motors) إلى المُتحكم الدقيق، كل من هذين المُحركين يستهلك تقريباً 25mA عند تشغيله. وبالتالي يكون الاستهلاك الكلي للتيار:

دعونا نختار بطارية قلوية AA لنستخدمها في هذه الحالة لأنها يُمكنها تزويدنا بتيار أكبر مما نحتاجه (يصل إلى 1A)، ولها سعة مُناسبة (عادة في مدى يتراوح بين 1.5Ah و 2.5Ah)، كما أنها موجودة في كل مكان. سنفترض في مثالنا هذا أن مُتوسط سعة البطارية 2Ah. الجانب السلبي فيما يتعلق باستخدام بطاريات AA هو أن الجهد الذي تنتجه 1.5V، ولأن المكونات التي لدينا تعمل بجهد 5V فسنحتاج لرفع الجهد. من الممكن استخدام رافع جهد (5V step-up breakout) للحصول على الجهد المطلوب أو يُمكننا بدلاً من ذلك استخدام ثلاث بطاريات AA على التوالي للحصول على قيمة جهد قريبة من القيمة التي نحتاجها. توصيل ثلاث بطاريات AA على التوالي يعطينا 4.5V (حاصل ضرب 1.5 * 3). من الممكن كذلك أن نضيف بطارية رابعة للحصول على جهد كلي 6V ومن ثم نقوم باستخدام منظم جهد لتخفيضه إلى 5V (القيمة التي تتطلبها الدائرة).

لحساب المدة التي يُمكن أن تعمل خلالها الدائرة اعتماداً على طاقة البطارية نقوم باستخدام المُعادلة التالية:

بالنسبة لدائرة تستهلك 100mA من التيار بشكل ثابت ويتم تزويدها بالطاقة باستخدام ثلاث بطاريات AA متصلة معاً على التوازي يكون زمن التشغيل:

أي أنه في الظروف المثالية لعمر البطارية تستطيع تلك البطاريات الثلاثة المتصلة معاً على التوازي تزويد الدائرة بالطاقة لمدة 60 ساعة. لكن من الجيد هنا أن نفترض أننا سنحصل على أقل مما نحصل عليه في الظروف المثالية لعمر البطارية. لنقل أننا سنحصل على 75% من العمر المثالي للبطارية، أي أن تلك البطاريات تستطيع تزويد الدائرة بالطاقة لمدة 45 ساعة.

من الممكن كذلك ان يتغير عُمر البطارية بناء على كمية التيار الفعلية التي يتم استهلاكها. الرسم البياني التالي الخاص ببطارية Energizer AA يوضح العُمر المتوقع لها بناء على الاستهلاك الثابت للتيار.

رسم بياني يوضح العلاقة بين التيار وعُمر البطارية لبطارية Energizer AA

هذه الطريقة هي واحدة من بين عدة طرق يُمكن استخدامها لتوصيل الطاقة إلى مشروعك عن بعد.

المصادر والمُضي قُدماً

من المفترض أنك الآن قد تعرفت على أكثر الطرق شيوعاً لتوصيل الطاقة إلى الدوائر الالكترونية، وأنه بإمكانك اختيار أفضل طريقة من بينهم بناءً على المُتطلبات المُحددة لمشروعك. تستطيع الآن اتخاذ القرارات في هذا الشأن بشكل أفضل بعد أن تعرفت على الاعتبارات الخاصة بالجهد والتيار والوصلات وإمكانية الحركة.

إذا أردت أن تتعرف على المزيد فيما يتعلق بدوائر النماذج الأولية فقم بالاطلاع على درسنا الخاص بألواح التجارب:

• ألواح التجارب (Breadboards)

ولمزيد من المعلومات حول كيفية بناء ألواح دوائر مطبوعة خاصة بك قم بالاطلاع على الدروس التالية (قريباً):

• ما هي ألواح الدوائر المطبوعة (What is a PCB)
• كيفية قراءة المخططات (How to Read a Schematic)
• تصميم ألواح الدوائر المطبوعة باستخدام برنامج Eagle (Designing PCBs in Eagle)
• تعلم كيفية اللحام (Learn how to Solder)

تمّت ترجمة هذه المادّة من موقع sparkfun تحت تصريح كرييتف كومّونز 3 (Creative Commons 3.0)