اتصال کوتاه

.

.

«برداشت انرژی» هنر استخراج نیروی قابل استفاده  از آن منابع انرژی است که معمولاً خیلی ضعیف و حتی مُرده فرض می‌شوند و یا استخراج انرژی از آن‌ها بسیار مشکل یا غیرعملی به نظر می‌رسد. در این تارنما پیش از این هم نمونه هایی از مدارهایی که چنین وظیفه‌ای را بر عهده دارند با نام «ژول دزد، دزد انرژی» عرضه شده است، اما در این نوشتار از روش به کلی متفاوتی سخن رانده می‌شود.

سخن بر سر استفاده از منابع و حامل‌های ولتاژ بالا و فشار قوی است، منابع و حامل‌هایی که انرژی الکتریکی را در  ولتاژهایی میان یک کیلوولت  تا 30 کیلوولت در خود دارند و مدارهایی که می‌توانند این ولتاژها را به ولتاژهای «معمولی» قابل استفاده در مدارهای الکترونیکی تبدیل کنند. توان الکتریکی که مدارهای ما ارایه می‌دهند در بازه ی چند میلی‌وات تا چند وات قرار دارد.

مدارهایی که در این‌جا معرفی می‌شوند، همگی نوعی از مدارهای تبدیل‌کننده‌ی ولتاژ یا «مُبَدّل ولتاژ^[1]» هستند که ولتاژی را از سطحی که مطلوب نیست به سطح دیگری که مطلوب هست تغییر و تبدیل می‌دهند.

اما، در جایی که ما با ولتاژهای خیلی بالا و همزمان با توان‌های خیلی پایین سر و کار داریم، چگونه باید مداری با راندمان بالا طراحی کنیم که از یک سو تاب مقاومت در برابر ولتاژ بالا را داشته باشد، و از سوی دیگر تلفات اندکی داشته باشد؟ ما در این جا با ولتاژهایی بالاتر از دو هزار ولت سر و کار داریم که ترانزیستورها طاقت تحمل آن را ندارند. شاید بگویید از لامپ خلاء استفاده شود. اما، خیر! ناممکن است! چون در این لامپ‌ها مقدار زیادی انرژی در «رشته‌ی التهابی»، در فیلامان آن‌ها، تلف می‌شود. افزاره‌های ویژه‌ای مانند تریستورها  نیز فقط در ابعاد صنعتی و کاربردهای با جریان‌های زیاد توجیه دارند.

بنابراین، پس از تفکر زیاد به این نتیجه رسیدیم که از یک افزاره‌ی کهنسال از نوع غیرفعال (Passive) در مدار خود استفاده کنیم و آن چیزی نیست جز یک «شکاف جرقه» که به آن «فاصله‌ی جرقه^[2]» نیز می‌گویند. اما این پدیده‌ی فن‌آوری قرن نوزدهم چگونه به ما در قرن 21-ام در رسیدن به هدف خود یاری خواهد رساند؟

.

شکاف جرقه چه افزاره‌ای است؟

آشناترین شکاف جرقه که همه‌ی ما آن را دیده‌ایم، «شمع جرقه» در موتورهای بنزینی است.

.

.

انواع دیگر شکاف جرقه که در مدارهای الکترونیکی به کار برده می‌شوند، وظیفه‌ی حفاظت از مدارها را در برابر پالس‌های ولتاژ بالا بر عهده دارند. شکل ظاهری و مشخصات فنی برخی از این افزاره‌ها در تصویر زیر ملاحظه می‌شوند.

.

.

.

البته خوب است که فاصله ی جرقه را خودمان بسازیم. وسیله‌ای شبیه چیزهایی که در تصویر زیر دیده می‌شوند، به آسانی ساخته می‌شوند.

.

.

بیایید همه‌ی پیش‌داوری‌ها و تردیدها را کنار گذاشته و واقعیت‌ها را در مورد «شکاف جرقه» بررسی کنیم:

الف)      ولتاژ جرقه‌زنی آن‌‌ها را می‌توان با تغییر دادن فاصله‌ی بین الکترودها تعیین و تنظیم نمود،

ب)        این افزاره در حالت آماده‌باش (Standby) هیچ توان الکتریکی مصرف نمی‌کند،

پ)        «آتش به اختیار» است و وقتی اختلاف ولتاژ میان الکترودهای آن به «ولتاژ شکست» رسید، خودش به خودش فرمان جرقه‌زنی می‌دهد، و افزون بر این، وقتی که جریان الکتریکی گذرنده از شکاف از مقدار «جریان نگه‌داری» یا به عبارتی «جریان ابقا^[3]» کم‌تر شود، خودش خودش را خاموش می‌کند،

ت)        راندمان شکاف جرقه خیلی بالاست زیرا «جریان نشتی» آن در «حالت خاموش^[4]» یا قطع آن قدر کم است که قابل چشم پوشی می‌باشد، و ولتاژ «حالت روشن^[5]» یا وصل آن می‌تواند مقداری میان 100 تا 500 ولت داشته باشد. این ولتاژها ممکن است خیلی بزرگ به نظر برسند، اما وقتی بدانیم که ولتاژ تغذیه‌ی مدار 20 تا 40 برابر بزرگ‌تر از این مقادیر است، بنابراین رسیدن به آن مقدارهای ولتاژی با مشکلی روبرو نخواهد شد،

ث)        این افزاره‌ها ساختمان مقاومی دارند و بسیار بادوام هستند. به این جهت، هیچ تمهیدی برای حفاظت آن‌ها در برابر تخلیه‌ی الکترواستاتیکی ضرورت ندارد،

ج)         قیمت این افزاره مناسب است و هیچ گران نیست.

ویژگی‌های شکاف جرقه، که در بالا برشمرده شدند، آن را نامزد ایده‌آلی برای ساختن «نوسانگر واهِلِشی^[6]» می‌کند. در مدار نوسانگر واهِلِشی زیر منبع ولتاژ بالا را با نشانه‌ی یک «منبع جریان» نمایش داده‌ایم. چنین فرضی، که مقاومت داخلی زیادی دارد، بهترین انتخاب برای یک مولد ولتاژ زیاد است.

.

نوسانگر واهِلِشی چگونه کار می‌کند؟

در شماتیک زیر مدار اصولی یک نوسانگر واهلشی ملاحظه می‌شود.

.

.

نقش مقاومت‌1 جداسازی نوسانگر از دنیای خارج است. این مقاومت دامنه‌ی امواج تداخلی را در خروجی کاهش می‌دهد، و از تولید ضربان‌های جریانی بزرگ که ممکن است بر اثر خازنی بودن منبع انرژی روی سیم‌های ارتباطی پدیدار شوند، پیش‌گیری می‌کند.

جریان ورودی خازن‌1 را شارژ می‌کند و تا جایی این کار را ادامه می‌دهد که شکاف جرقه به ولتاژ شکست خود برسد و در این حال در چشم بر هم زدنی انرژی ذخیره شده در خازن را در پیچش اولیه‌ی ترانسفورماتور افزاینده تخلیه کند. پالس حاصل به پیچش ثانویه‌ی ترانس گفته‌شده انتقال می‌یابد، و سپس از طریق یک دیود شاتکی به خازن ذخیره‌ساز‌2 فرستاده می‌شود. این خازن الکترولیتی باید از نوعی انتخاب شود که «تلفات اهمی» ناچیزی داشته باشد و این کیفیت بیش‌تر در خازن‌های الکترولیتی دیده می‌شوند که «مقاومت سری داخلی» (ای.اس.آر.) کمتری داشته باشند.

یک عامل دیگر، خودالقایی یا «اندوکتانس نشتی ترانسفورماتور» مدار می‌باشد، که در این شماتیک از چشم پنهان است، اما نقش بسیار مهمی در عملکرد آن بازی می‌کند. این خودالقایی دامنه‌ی پالس‌های جریانی را در زمان پخش می‌کند و قلّه‌های آن را به مقداری که برای دیود و خازن قابل پذیرش باشد، کاهش می‌دهد. برای هدف ما، البته، این خبر خوبی به حساب می‌آید، زیرا این موضوع طراحی ترانسفورماتور را هم ساده‌تر می‌سازد. حتی در حضور این اندوکتانس نیز، جریان‌های قلّه‌ای مقادیری بین 10 تا 100 آمپر خواهند داشت. دلیل انتخاب چنین دیود بزرگی همراه با یک خازن الکترولیت با تلف مقاومتی اندک، در این مدار کوچک و با توان پایین، وجود همین جریان های خیلی شدید بوده است. تلف اهمی خازن الکترولیت مورد استفاده در این مدار، بازده و راندمان و کیفیت این مدار را تعیین می کند.

در این‌جا فقط یک دیود به کار گرفته شده، زیرا قطبیت ورودی همواره غیرقابل‌تغییر و معیّن فرض شده است. اگر چنین نیست، باید در مدار از «یکسوسازی تمام‌موج»، با به کارگیری از چهار دیود به صورت «پل دیود» استفاده به عمل آید. در هر صورت باید دیودهایی با «ولتاژ پیشرو^[7]»ی کم، مانند «دیود شاتکی^[8]» در این مدار انتخاب شود. بر حسب ماهیت منبع انرژی الکتریکی، مدار یکسوساز می‌تواند در سمت اولیه یا ثانویه‌ی ترانس به کار برده شود. اگر منبع انرژی فرکانس پایینی دارد و جریان آن به اندازه‌ی کافی بالا هست که خازن نوسانگر را در یک سیکل جریانی شارژ کند، پل دیود را می‌توان در ثانویه نصب نمود. اگر فرکانسِ جریان بالا باشد و برای شارژ خازنِ نوسانگر به تعداد سیکل‌های بیش‌تری نیاز باشد، باید از یک پل دیود ولتاژ بالا در سمت ورودی مدار مبدل استفاده به عمل آید.

برای به بیشینه رساندن بازده توان، در خروجی مدار باید «تطبیق امپدانس» صورت گیرد، به این معنا که «ولتاژِ زیرِ بار» در خروجی مدار باید درست نصف «ولتاژ بی‌باری» آن باشد. در عمل، با احتساب تلفات مدار و خطاهای کوپلاژ و غیره، این مقدار اندکی کم‌تر از نصف خواهد بود. در این مدار، که نرخ تبدیل ترانس یک به یکصد (100/1) است و ولتاژ شکستِ شکاف جرقه 4 کیلوولت در نظر گرفته شده است، از لحاظ نظری ولتاژ خروجی باید 20 ولت باشد، اما در عمل در بهترین حالت به 17/5 ولت نمی‌رسد.

خازن بخش نوسانگر نه تنها باید قادر به تحمل خالص ولتاژ ورودی باشد، بلکه همچنین باید مناسب کاربرد در جریان‌های پالسی نیز باشد. خازن‌های معمولی «چندلایه^[9]» با عایق فیلم یا سرامیک متالیزه نمی‌توانند در برابر جریان‌های پالسی مکرّر دوام بیاورند و لایه‌ی بسیار نازک فلزی نشانده‌شده بر روی ماده‌ی عایق در آن‌ها به سرعت تخریب شده و اتصال پایانه‌های خازن باز می‌شوند.

ساختار الکترودها در خازن‌های قدیمی‌تر از نوع مسطح یا به عبارتی «خازن‌های عدسی» استحکام بسیار بیش‌تری دارند و بدین دلیل در این کاربرد مناسب‌تر هستند. با وجود این که «تلفات دی‌الکتریک» این نوع خازن‌ها به واسطه‌ی نوع و ماهیت مواد سازنده‌ی آن‌ها (نوعاً ماده‌‌ی Y5Uیا مشابه) بسیار بیش‌تر است، اما قیمت ارزان و دوام کاری آن‌ها، در برابر کاهش ناچیزی که در بازده مدار ایجاد می‌کنند، قابل چشم‌پوشی می‌باشد.

.

ترانسفورمر مدار

ترانسفورماتور این مدار بر پایه ی یک هسته‌ی RM6 از جنس ماده‌ی «فرّیت» معمولی نوع 3B ساخته می‌شود. در پیچیدن پیچش اولیه‌ی این ترانس باید دستورالعمل‌های مرتبط با ولتاژ بالا را مدّ نظر داشت و آن‌ها را به کار بُرد.

.

.

ولتاژهای 1 تا 30 کیلوولت تنها گویای حدود ولتاژی مورد انتظار است. در ولتاژهای زیر یک کیلوولت فاصله‌ی جرقه باید با دقت میکرومتری تنظیم شود. اما در ولتاژهای بالای 30 کیلوولت چالش رام‌نشدنی ما بروز قوس الکتریکی و پدیده‌های مشابه خواهد بود.

قسمت مولّد پالس مدار یک منبع تداخل الکترومغناتیسی نیرومند است که به یک عایق‌بندی الکترومغناتیسی خیلی خوب احتیاج دارد تا از ایجاد تداخل در دستگاه‌های الکترونیکی دیگر پیش‌گیری شود. لزومی ندارد که ساختمان این عایق‌بندی «هوابند» باشد. فاصله‌ی جرقه در حال کار در هوای اطراف خود تغییراتی به وجود می‌آورد: گاز اوزون و اکسیدهای خورنده‌ی نیتروژن تولید می‌کند و اگر ترتیبی داده شود که این فعل و انفعالات درون یک محفظه‌ی بسته اتفاق بیافتد، باعث خوردگی فلزات و تغییر خاصیت مواد عایق خواهد شد. شاید محیطی حاوی نیتروژن خالص راه حلی برای پیش‌گیری از این موضوع باشد.

لزومی ندارد که یک تصور کلیشه‌ای از شکاف جرقه به صورت دو الکترود نوک‌تیز در مقابل همدیگر داشته باشیم. در بهترین حالت، الکترودها باید به نسبه ضخیم، صاف و کمی محدب باشند. اگر شکاف جرقه برای استفاده‌ی مداوم در نظر گرفته شود، ماده‌ی تشکیل‌دهنده‌ی آن باید سخت و در برابر  فرسایش مقاوم باشد. تنگستن انتخاب ایده‌آل برای الکترودهای چنین شکاف جرقه‌ای است.

.

توان خروجی چقدر است؟

نمونه‌ی ما توانست، روی یک بار یک کیلواهمی، از یک منبع 480 میلی‌واتی توانی برابر با 306 میلی‌وات به دست دهد. این توان با مشاهده‌ی فرکانس نوسان، که در این حالت 153 هرتز بود، تخمین زده شد (P=0,5CV²f). این روش محاسبه را به کار بردیم تا مشخصه‌های منبع انرژی را از معادله حذف کنیم. از مقدار توان حاصل به این نتیجه رسیدیم که بازده این مدار ساده در حد 63% است که برای یک فن‌آوری پایین رقم قابل تحسینی است.

.

منبع‌های تامین انرژی این مدار

گذشته از افزاره‌ها و اِلِمان‌های «پیزوالکتریک^[10]» و «پیروالکتریک^[11]»، منبع‌های دیگری نیز برای تامین انرژی این مدار متصور است. برای مثال، می‌توان یک «انرژی‌دزد» مانند تصویر زیر ساخت.

.

.

در این مدار یک آنتن خازنی (کاپاسیتیو)، به شکل صفحه‌ای فلزی، میدان‌های الکترواستاتیکی پراکنده در پیرامون یک خط انتقال فشار قوی را جمع می‌کند و آن را به یک یکسوساز ولتاژ بالا می‌دهد. آن چه که اتفاق می‌افتد شباهت زیادی به «روشن کردن لامپ مهتابی با مالش» دارد، با این تفاوت که در این‌جا نیروی برق مفید و قابل‌استفاده به دست می‌آید.

همچنین در تئوری، برداشت انرژی الکتریکی از پدیده‌های جوّی نیز امکان‌پذیر به نظر می‌رسد. این موضوع را امتحان نکرده‌ام، و اگر کسی بخواهد آن را امتحان کند، باید نهایت احتیاط را رعایت کند که دچار برق‌زدگی ناشی از رعد و برق نشود.

.

.

مدار می‌تواند همچنین توسط یک ماشین مولد الکتریسیته‌ی ساکن تغذیه شود، که در این حالت صرفاً جنبه ی نمایشی و آموزشی دارد زیرا این ماشین‌ها چندان راندمانی ندارند و جریان خروجی آن‌ها معمولاً از چند ده میکروآمپر بالاتر نمی‌رود.

.

.

مطالب مرتبط:

 ژول دزد، دزد انرژی

روش اندازه گیری ESR یا مقاومت سری داخلی خازن های الکترولیت

.

.

پانویس‌ها:

.

.

.