كيف تعمل الكهرباء في أنظمة الحاسوب؟
نحتاج لفهم أساسيات كيفية عمل الكهرباء في أنظمة الحاسوب، بما في ذلك كيفية تحويلها وتأثيرات الزيادات المفاجئة وانقطاع التيّار الكهربائي. يعرف العديد من محترفي تكنولوجيا المعلومات اليوم القليل عن الكهرباء بخلاف ما يتطلبه توصيل الحاسوب بشكل صحيح بمقبس الحائط. ومع ذلك، للحفاظ على تشغيل أنظمتك بنجاح، فإنّك تحتاج إلى فهم أساسي لبعض المفاهيم الكهربائية. إليك ما تحتاج إلى معرفته من ما يحدث داخل الحاسوب.
تحويل الطاقة الكهربائية:
لا تتصل الإلكترونيات مباشرةً مع الطّاقة الخارجة من الحائط. يجب أولاً تحويل الطاقة الخارجة من مقبس الحائط من التيار المتردد (AC) إلى تيار مباشر(DC). يعكس التيّار المتردد اتجاهه في فترة زمنية ثابتة. هذا يجعل توزيع الطّاقة من المولدات أسهل بكثير. ومع ذلك، فإنه يجعل أيضًا التيّار المتردد غير متوافق مع الدوائر الإلكترونية التي تتوقع نفس التيّار المتدفق في نفس الإتجاه في جميع الأوقات. يجب أن تخضع الطاقة المتدفقة من الجدار لتغيير آخر قبل أنّ يتمكن الحاسوب من استخدامها: يجب تغيير الجهد والتيار إلى شيء أكثر استساغة بالنسبة للدوائر الرقمية. يرتبط الجهد والتيّار الكهربائي ببعضهما البعض، يمكن أنّ يخبرك ناتج الجهد والتيّار بإجمالي الطّاقة التي نحتاجها.
طريقة واحدة لفهم هذه المصطلحات الكهربائية هو التفكير في السّباكة. السلك مثل الأنابيب التي تجلب الماء إلى منزلك، ضغط الماء مثل الجهد، مع الجهد العالي والضغط العالي مما يوفر تيّارات أكثر قوة. ويمكن تشبيه التيار – معدل تدفق الإلكترونات عبر السلك – بمعدل تدفق الماء. المقياس الشائع لمعدل تدفق الماء هو جالون في الدقيقة بينما يُعطى تدفق الإلكترونات بالأمبير.
الكهرباء الخارجة من الحائط عالية الجهد نسبيًا: 120 فولت(V) “مرتفع”، على الرغم من أنّ 120 فولت قد لا تقتلك، إلا أنّه يمكن أنّ يمحو جهاز الحاسوب الخاص بك إذا تمّ توصيله بشكل مباشر. يمكن أنّ تكون الطاقة الخارجة من الجدار عالية نسبيًا في التيّار الكهربائي. ومع ذلك، فإنّ معظم أجهزة الحاسوب تستخدم مقدارًا صغيرًا جدًا من التيّار الكهربائي، يستخدم الحاسوب النموذجي أقل من 2.0 أمبير. على عكس الجهد الخارج من المقابس الموجودة على الحائط يستخدم الحاسوب داخليًا فقط 12 فولت من الكهرباء أو أقل. في الواقع يتم استخدام تغذية 12 فولت فقط للمحركات على محركات الأقراص، يتم تشغيل معظم المكونات الإضافية الأخرى بواسطة تغذية 5 فولت أو تغذية 3.3 فولت. قد يعمل المعالج على 2.8 فولت أو أقل.
تم تصميم مصدر الطاقة في الحاسوب لأخذ الكهرباء الخارجة من الحائط وتحويلها إلى شيء يمكن للحاسوب استخدامه. من حيث المبدأ هذه مهمة بسيطة لكنها من الناحية العملية نادرًا ما تكون بسيطة. المشكلة هي أنّ الكهرباء الواردة في حالة تدفق مستمرو هو مليء بمشاكل الطاقة مثل الارتفاعات المفاجئة والاندفاعات والتدهور وإنقطاع التيار الكهربائي. في المقابل، يجب أنّ تتمتع الإلكترونيات الرقمية بتدفق طاقة نظيف للغاية ولا يقطع التيار الكهربائي. إذا تعطل تدفق الكهرباء إلى الإلكترونيات الرقمية ولو بشكل طفيف، فعادةً ما تكون النتائج عبارة عن حاسوب مغلق أو جهاز يعيد التشغيل بشكل عشوائي.
مشاكل الطاقة الكهربائية:
يمكن أن تحدث مشكلات للطاقة في الكهرباء القادمة من مقبس الحائط بسبب مجموعة متنوعة من العوامل الداخلية والخارجية لمنزلك. لقد رأينا جميعًا الأضواء خافتة لفترة وجيزة عند بدء تشغيل المجفف أو عند تشغيل مكيف الهواء. لقد رأينا أيضًا الأضواء تومض في عاصفة رعدية. فكيف تنشأ مشاكل الطاقة هذه؟
إنّ الطريقة التي تعمل بها خطوط الطاقة تجعلها تتفاعل بطرق أقل من مثالية، إذا كنت تستهلك بضعة أمبير فقط من التيّار في منزلك وفجأة يتم تشغيل جهاز كبير مثل المجفف أو مكيف الهواء، فهناك زيادة في الطلب ويحدث انخفاض مؤقت وزيادة في الطاقة. إنّه يشبه إلى حد كبير تموج صخرة سقطت في بركة. في البداية يتم سحب الجهد لأسفل بسبب عدم وجود طاقة كافية تتدفق عبر الخط، بعد ذلك يأتي التيار مسرعًا لملء الفراغ بمعدل أعلى مما هو مطلوب، تمامًا مثل اندفاع الماء بعد الصخر، والنتيجة هي مجموعة من الإنخفاضات الصغيرة والإرتفاعات المفاجئة في الطاقة بعد بدء استنزاف كبير فيها.
على الرغم من أنّ مشاكل الطاقة تنبع من مجموعة متنوعة من الأسباب، إلا أنها تنقسم إلى فئتين رئيسيتين: الأولى أن تكون الطاقة ليست كافية، والثانية هي الطاقة الكبيرة.
الطاقة الكهربائية غير كافية:
عندما تكون الطاقة الكهربائية غير كافية، يكون لديك ضعف أوانقطاع في التيار الكهربائي. تتعامل مزودات الطاقة بشكل عام مع التدهور والانخفاضات بشكل جيد نسبيًا. نظرًا لوجود تيار كافٍ يتدفق عبر الخط فإنّ مزود الطاقة يستقبل الجهد المنخفض ويزيد التيار حسب الحاجة. بالإضافة إلى ذلك، تستخدم مصادر الطاقة عادةً المكثفات “لتجاوز” الانقطاعات القصيرة في الطاقة الكهربائية. في هذه الحالة يستمر مصدر الطاقة في توفير الطاقة اللازمة للحاسوب حتى في حالة وجود القليل من الطاقة أو عدم وصولها من المنفذ.
تعد هذه الطريقة مفيدة للسماح للأجهزة الأخرى مثل مزود الطاقة غير المنقطع (UPS) بالعمل، ولكنه لا يكفي عادةً لحمل الشحنة الكبيرة لفترة زمنية طويلة. يكون الحمل في معظم مصادر الطاقة أقل من ثانية واحدة. يحدد تصميم مزود الطاقة (power supply) مدى انخفاض الجهد الذي سيتحمله والمدة الإجمالية للحمل. بشكل عام، ستدعمها مصادر الطاقة المتطورة بفولتيّة منخفضة حتى 90 فولت.
ومع ذلك عند استخدام الفولتيّة المنخفضة لتشغيل الحاسوب، تقل قدرة الحاسوب على الصمود في وجه الانقطاع القصير، إذا كان هناك انقطاع للتيّار الكهربائي لأكثر من بضعة أعشار من الثانية، فمن الضروري أن يكون لديك جهاز خارجي لدعم احتياجات الطاقة. عادةً ما يكون مصدر الطاقة الاحتياطية هذا هو (UPS).
الكثير من الطاقة الكهربائية:
الفئة الثانية من المشاكل هي عند وجود الكثير من الطاقة الكهربائية. في حين أنّ هذه المشكلة ليست ملحة مثل قلة الطاقة، فمن المحتمل أن تكون أكثر خطورة لأنّ الكثير من الطاقة يمكن أن يسبب ضررًا طويل المدى. الإرتفاعات والجهد الزائد هم الجناة في هذه الفئة. يقوم مانع الصواعق الخارجية بمعالجة الارتفاعات والارتفاعات المفاجئة التي تتميز بجهد كهربائي مرتفع للغاية لفترة قصيرة نسبيًا.
عادةً ما يكون الارتفاع قصيرًا جدًا وقد يستمر أقل من دورة كاملة واحدة. قد لا تدوم الارتفاع المفاجىء والشديد للطاقة سوى بضع دورات من الطاقة، بالنظر إلى أن القوة تدور بمعدل 60 مرة في الثانية في الولايات المتحدة و50 مرة في الثانية في معظم أنحاء العالم فإنّ بضع دورات هي فترة زمنية قصيرة جدًا.
تعمل مثبطات اندفاع الطاقة عن طريق جهاز يسمى مكثّف أكسيد الفلز (MOV)، تم تصميم (MOVs) بحيث يتمتع بمقاومة عاليّة للغاية عند الفولتيّة المنخفضة ومقاومة منخفضة للغايّة عند الفولتيّة العالية. عندما يتجاوز الارتفاع عتبة (MOV) تبدأ الطاقة في التدفق عبر(MOV). عادةً ما تقوم أداة (MOV) بتحويل الطاقة الزائدة إلى الخط المحايد أو الخط الأرضي أو كليهما. هذا يساعد على تقليل كمية الطاقة التي يتلقاها مزود الطاقة ويمكن أن يطيل بشكل كبير من العمر الإفتراضي.
مشكلة (MOVs) هي أنّها تتضرر من الطاقة التي تحولها، كلما تمّ إمتصاص المزيد من الزيادات المفاجئة في الطاقة أصبحت أقل فاعلية. في النهاية تصبح غير فعالة تمامًا في تحويل الطاقة. هذا هو السبب في أنّ مثبطات زيادة التيار لديها أضواء للإشارة إلى ما إذا كانت لا تزال تعمل أم لا.
إحدى الحقائق غير المعروفة عن مثبطات زيادة التيار هي أنّها أجهزة متوازية لذا فهي تحمي أكثر من المعدات الموصولة مباشرة بدون مثبطات، يتمتع الحاسوب المتصل بنفس منفذ الإرسال على الوجهين مثل مثبط زيادة التيار بنفس الحماية الفعالة التي يتمتع بها الحاسوب الموصل بمانع زيادة التيار نفسه. بالإضافة إلى التعامل مع ظروف انخفاض الجهد أو انقطاع التيار الكهربائي يمكن لمعظم وحدات (UPS)أيضاً التعامل مع ظروف الجهد الزائد.
قواطع الدوائر الكهربائية:
تتمثل إحدى مشكلات الطاقة في أنّه إذا حاولت نقل الكثير منها عبر سلك صغير جدًا فسوف ترتفع درجة حرارة السلك. في الواقع تعمل محمصات الخبز عن طريق تشغيل كمية كبيرة من الطاقة عبر أسلاك صغيرة نسبيًا لتسخينها، و يعمل مجفف الشعر على نفس المبدأ. يتم تسخين الأسلاك ثم تقوم المروحة بنفخ الهواء عبرها، من الواضح أنّ تسخين السلك يمثل مشكلة عندما يكون السلك قريباً من شيء قابل للإشتعال.
يتم تحديد حجم الأسلاك المستخدمة بين لوحة توزيع الطاقة والمنافذ في بيئة العمل بشكل خاص لمنع حدوث التسخين المفرط. لمنع التسخين يجب سحب كمية معينة فقط من الطاقة عبر الدائرة الكهربائية. يتم تحديد حجم الأسلاك للسماح بتدفق قدر أكبر من الطاقة من خلالها أكثر مما ينبغي أن تستوعبه معظم الأجهزة.
لمنع تدفق الكثير من الطاقة عبر الدائرة الكهربائية يجب إستخدام قاطع للدائرة، يتم توصيل قاطع الدائرة بين كل دائرة ونقطة توزيع الطاقة في المنزل أو العمل حتى يتم حماية كل دائرة كهربائية من سحب الكثير من الطاقة. يتم قياس قواطع الدائرة بالأمبير. هذا القياس هو مقدار الطاقة التي سيسمحون لها بالتدفق عبر الدائرة قبل فصلها. بمجرد الوصول إلى هذه الطاقة يقومون بفصل الدائرة حتى تتم إعادة تشغيلها. على الرغم من أن قواطع الدائرة الكهربائية مصممة بشكل أساسي لمنع ارتفاع درجة حرارة الأسلاك والتسبب في خطر نشوب حريق، إلّا أنّها مفيدة أيضاً في فصل القصور المباشر للتيار(short circuit). تحدث عندما يتم نقل الطاقة مباشرة عبر الدائرة دون وجود جهاز.
في معظم الحالات يحدث القصور المباشر بسبب مشكلة في الأسلاك، ولكن قد يحدث أيضًا بسبب تدفق التيار عبر الدائرة. من خلال منع حدوث قصور مباشر يمكن للقواطع أن تمنع الإصابة الشخصية أو الوفاة عن طريق منع الشخص من أن يصبح جزءاً من الدائرة بطريق الخطأ.
