مهندسی برق طراحی و کاربرد سیستم ها، ماشین آلات و تجهیزاتی است که از الکتریسیته، الکترونیک و الکترومغناطیس استفاده می کنند و مهندسان برق محصولات و سیستم های الکتریکی را برای ساختمان ها، سیستم های حمل و نقل و شبکه های توزیع مانند ساخت برد توسط نرم افزار های نظیر دوره Revit MEP طراحی و تولید می کنند. مهندسی برق و الکترونیک جزو شاخه های پرطرفدار برق هستند که همپوشانی هایی با هم دارند اما دو رشته ی مجزا از هم هستند
به طور کلی برق قدرت شامل طراحی و تحلیل دستگاه های الکتریکی که انرژی الکتریکی را به اشکال دیگر انرژی مانند گرما، نور یا صدا تبدیل می کنند میشود در صورتی که در برق الکترونیک دستگاه های الکترونیکی که برای انجام یک کار بخصوص جریان الکترون ها را پردازش و کنترل می کنند را شامل میشود. برق قدرت به تولید و توزیع انرژی الکتریکی در مقیاس بزرگ می پردازد، اما مهندسی الکترونیک بر مدارهای الکترونیکی کوچکتر تمرکز دارد
در ادامه ابتدا با این دو رشته بیشتر آشنا میشویم و سپس و عمده تفاوت آن ها میپردازسم
برق قدرت
برق قدرت یکی از شاخه‌های اصلی مهندسی برق است که با سامانه های قدرت به ویژه تولید، انتقال، توزیع توان الکتریکی و تبدیل انرژی الکتریکی به شکل های دیگر انرژی سروکار دارد. برق قدرت همچنین شامل راه‌اندازی و تعمیر و نگهداری سامانه های حرارتی، برودتی و تجهیزات تولید توان الکتریکی مانند ژنراتورها، و دیگر تجهیزات الکتریکی مورد استفاده در صنایع یا ساختمان ها نیز میشود.
هدف اصلی مهندسین در این گرایش، تولیدبرق در نیروگاهها، انتقال برق از طریق خطوط انتقال و توزیع آن در شبکه های شهری و در نهایت توزیع آن برای مصارف خانگی و کارخانجات است. بنابراین یک مهندس قدرت باید با روش های تولید برق، خطوط انتقال و سیستم های توزیع الکتریسیته آشنا باشد. در بخش انتقال و توزیع، روشهای مختلف انتقال توان الکتریکی توسط کابلهای هوایی و زیرزمینی بررسی میشود و در شاخه حفاظت نیز انواع وسایل و تجهیزات حفاظتی که در مراحل مختلف تولید، توزیع، انتقال و مصرف انرژی و تاسیسات برقی ، مورد بررسی قرار می گیردکه از آن میان می توان به انواع رله ها، فیوزها، کلیدها و در نهایت سیستم های کنترل اشاره کرد.
از عمده مواردی که در برق قدرت به آن پرداخته میشود ماشین های الکتریکی است این ماشین های الکتریکی می توانند به عنوان یک موتور برای تبدیل نیروی الکتریکی به نیروی مکانیکی و یا به عنوان یک ژنراتور برای تبدیل نیروی مکانیکی به نیروی الکتریکی عمل نمایند.ماشین های الکتریکی شامل ژنراتورها، ترانسفورماتورها و موتورهای الکتریکی می شوند. انرژی الکتریکی به وسیله ژنراتور، توزیع، انتقال، ذخیره و به سایر اشکال انرژی تبدیل میشود. با استفاده از ابزاری مثل سیم‌ها، موتور الکتریکی، باتری‌ها، کلیدها، ترانسفورماتورها، مقاومت‌ها سایر اجزای غیرفعال است.
یکی از عمده فعالیت های برق قدرت در شبکه برق است .در بسیاری از کشورهای جهان، دولت شبکه‌های الکتریکی را برای انتقال انرژی تولیدی مولدها به مصرف‌کننده‌های الکتریکی راه‌اندازی میکند که این شبکه، شبکه قدرت نامیده می شود. توسط این شبکه مصرف‌کننده‌های الکتریکی می توانند بدون متحمل شدن سختی‌ها و هزینه‌های مربوط به تولید برق به صورت جداگانه، برق را از شبکه خریداری نمایند. در این میان یکی از وظایف برق قدرت، طراحی و نگهداری شبکه های الکتریکی و مصرف‌کننده‌های متصل به شبکه (on-grid) است. این تجهیزات می توانند به شبکه، توان الکتریکی تزریق کرده یا برعکس از آن توان دریافت کنند یا حتی، هر دو کار را با هم انجام دهند.
مهندسین قدرت، فعالیت هایی در زمینه تجهیزات منفصل از شبکه off-grid نیز انجام می‌دهند. دلیل استفاده نکردن از شبکه در این نوع مصرف‌کننده‌ها عموماً متغیر این مصرف‌کننده‌هاست؛ به صورتی که هزینه اتصال برای آنها در هر جابه‌جایی، امکان وصل به شبکه را برای آنها غیرممکن میکند.
پس همانطور که اشاره شد عمده مباحث برق قدرت شامل تولید، انتقال و توزیع الکتریسیته و تجهیزات مصرف‌کننده انرژی الکتریکی می شود؛ که این خود شامل ترانسفورماتورها، ژنراتورها، موتورهای الکتریکی و تجهیزات الکترونیک قدرت است.
برق الکترونیک
الکترونیک به آن دسته از مباحث برقی اطلاق میشود که در آن به بررسی تخصصی بردها و مدارهای الکترونیکی، بررسی ، استفاده و عبور جریان الکتریکی از نیمه رساناها و قطعات الکترونیکی خاص مانند انواع خازن و مقاومت ها ترانزیستور ها و … پرداخته میشودو یا اینکه با جریان ها و ولتاژها در زمینه مقاومت ها و دیودها سر و کار دارند. مهندسان برق الکترونیک تجهیزات الکترونیکی نظیر سیستم های پخش و ارتباطی را طراحی و توسعه می دهند.
در الکترونیک دیگر خبری ازتجهیزات برق قدرت نظیر ژنراتور های تولید جریان ، خطوط انتقال ، وسایل الکترومکانیکی نظیر موتور های القایی و ابزار های تبدیل انرژی الکتریکی نیست و این یکی از مهمترین وجه تمایزات الکترونیک با برق قدرت است. تا قبل از 1950 میلادی ، به الکترونیک تکنولوژی رادیویی اطلاق میگردید، چرا که از آن بیشتر برای انتقال داده ها ، فرستنده ها و گیرنده های رادیویی استفاده میشده است. اما این تعاریف و تفکرات بعد از ابداع ترانزیستور متحول شد و اختراع ترانزیستور ها را میتوان نقطه عطفی در جهش و رشد الکترونیک و همچنین علم و تکنولوژی دانست.
واژه الکترونیک از کلمه الکترون گرفته شده است. الکترون ها ذرات ریزی در اتم هستند که دارای بار الکتریکی منفی هستند واجزای کوچکتر ندارند اصول ساخت ترانزیستورها نیز رفتار الکترون ها بوده است و همانطور که اشاره شد در الکترونیک به بررسی قطعات الکترونیکی ساخته شده از نیمه هادی ها و مدارهای مختلف بوجود آمده از این نیمه هادی ها پرداخته میشود. برق الکترونیک فناوری مرتبط با تبدیل وکنترل توان الکتریکی از ورودی موجود آن به فرم خروجی الکتریکی مورد نظر است.
مدارهای الکترونیکی در هر جایی که نیاز به تغییر شکل انرژی الکتریکی (یعنی تغییر ولتاژ، جریان یا فرکانس) باشد کاربرد دارند. برخی از نمونه‌کاربردهای سیستم‌های الکترونیک قدرت عبارتند از مبدل‌های DC/DC که در بسیاری از دستگاه‌های تلفن همراه، و مبدل‌های AC/DC در رایانه‌ها و تلویزیون‌ها استفاده میشوند.البته الکترونیک در مقیاس بزرگ هم برای کنترل صدها مگاوات جریان برق استفاده می شود.
مدارهای الکترونیکی که برای کنترل و پردازش داده‌های عملیات خاص استفاده میشود بطور کلی شامل 3 بخش میشوند:
- ورودی: این سیستم توسط حسگرهای الکترونیکی و مکانیکی سیگنال‌ها و اطلاعات را از محیط خارج دریافت میکنند و بعد آن را به جریان و ولتاژ تبدیل میکند.
- پردازنده ی سیگنال: پردازنده ی سیگنال وظیفه پردازش، تفسیر و تبدیل سیگنال‌های ورودی را برعهده دارند. پردازش کردن سیگنال‌ها بر عهده سیگنال‌های دیجیتال است.
- خروجی :فعال‌کننده ای است که سیگنال‌های ولتاژ یا جریان را به صورت خروجی مناسب و مورد نظر در می آورد.
کاربردهای الکترونیک
- تمامی وسایل ارتباطی مانند موبایل ها و تلفن های خانگی ، کامپیوتر های خانگی و لپ تاپ های شخصی
- لوازم صوتی و تصویری نظیر تلوزیون، رادیو و سینماهای خانگی و …
- سیستم های هوشمند خودروها
- سامانه های ناوبری و حمل و نقل
- دستگاه های مکانیکی و الکترونیکی پزشکی
- دوربین های مداربسته
- مدارهای الکترونیکی آنالوگ و دیجیتال تجهیزات قدرتی صنعتی
- کنترل کننده های هوشمند توسط میکروکنترلرهای صنعتی
- سیستم های هوشمند اعلام و اطفاء حریق
- سیستم های مانیتورینگ واحدهای تولیدی و صنعتی
- PLC ها و کنترل کننده های صنعتی
- سیستم های اتوماسیون و هوشمند صنعتی
تفاوت برق قدرت با برق الکترونیک
در جوامع مهندسی و فنی ، عدم درک تفاوت اصطلاحات الکتریکی و الکترونیکی اغلب ناشی از درک ضعیف تمایزات دقیق و مشخص بین آنهاست. این دو اصطلاح معانی متفاوتی دارند اگرچه شاید در عموم دو اصطلاح بطور مشابه به جای یکدیگر به اشتباه به کار گرفته شوند
تفاوت عمده بین برق قدرت و الکترونیک این است که در برق قدرت تمرکز به روی دستگاه های الکتریکی است که انرژی الکتریکی را به شکل دیگری از انرژی مانند گرما ، صدا، نور و … تبدیل می کنند در حالی که در برق الکترونیک سعی بر این است که دستگاه الکترونیکی جریان الکترون را برای انجام یک کار خاص کنترل کند.
در واقع اصل کار هر دو آنها یکسان است ، یعنی از انرژی الکتریکی برای انجام کار استفاده می شود.
اما برق قدرت عموما از انرژی الکتریکی برای تبدیل آن به فرم های دیگر الکترومکانیکی استفاده میکند در حالیکه الکترونیک از این انرژی جهت پردازش و سیستم کنترلی استفاده میکند.
به عنوان مثال در یک ماشین الکتریکی در برق صنعتی، برق قدرت به عنوان یک موتور برای تبدیل نیروی الکتریکی به نیروی مکانیکی یا به عنوان یک ژنراتور برای تبدیل نیروی مکانیکی به نیروی الکتریکی عمل کند. اما در همان ماشین انرژی الکتریکی در مبدل الکترونیکی قدرت و کنترل کننده موجب محرکه ی موتور آن میشود. مبدل الکترونیکی از دستگاه‌های حالت جامد ساخته میشود و جریان توان را از منبع به پایانه‌های ورودی موتور ماشین الکتریکی کنترل میکند.
عمده تفاوت اصلی بین مدارهای الکتریکی و الکترونیکی این است که مدارهای الکترونیکی توانایی پردازش دارند ، در حالی که مدارهای الکتریکی این توانایی را ندارند و تنها ماشین ها را با برق تغذیه می کنند. یک مدار الکترونیکی می تواند یک سیگنال یا پالس دستورالعمل را تفسیر کند و متناسب با شرایط ورودی کار را انجام دهد.
دستگاه های الکتریکی جریان را به اشکال دیگر انرژی تبدیل می کنند و روی جریان متناوب کار می کنند و همچنین مصرف برق بسیار زیادی دارند. لوازم الکتریکی به 230 ولت از نوع جریان متناوب AC نیاز دارند و در کارخانه ها و نیروگاه های برق ، اجزای سازنده ممکن است تا 11000 ولت نیاز داشته باشند
این دستگاه ها قابلیت اطمینان کمتری دارند چرا که باعث شوک الکتریکی خطرناک می شوند. همچنین اندازه دستگاه های الکتریکی بسیار بزرگ است و از این رو به فضای بیشتری نیاز دارد. بعنوان مثال فن ها دستگاه های الکتریکی است که جریان الکتریکی را به فرم مکانیکی تبدیل می کنند. فن ها نیاز به فضای بزرگتر و همچنین توان و ولتاژ بالا دارند هرچن نمونه های کوچکتر آن میتوانند در ولتاژ پایین تری کار کنند.
در مقابل اکثر اجزای الکترونیکی بسیار کوچک هستند و با ولتاژهای جریان مستقیم کوچک کار میکنند. با وجود ابعاد کوچک یک میکرو پردازشگر بسیار کوچک میتواند حاوی صدها یاهزاران قطعه کوچک باشد.. اکثر قطعات الکترونیکی با ولتاژ 3-12 ولت کار می کنند به عنوان مثال میتوان ترانزیستور را بعنوان دستگاه الکترونیکی نام برد که برای تقویت سیگنال ضعیف استفاده می شود.
تفاوت دستگاه های الکتریکی با دستگاه های الکترونیکی
همانطور که اشاره شد دستگاه های الکتریکی انرژی جریان الکتریکی در یک رسانا را دریافت میکنند و آن را با روش های ساده به اشکال دیگر انرژی همانند نور ، گرما و یا حرکت تبدیل می کنند. دستگاه الکتریکی برای انجام یک کار به طور مستقیم از انرژی الکتریکی استفاده می کند.
اما در عوض دستگاه های الکترونیکی به گونه ای طراحی شده اند که به جای تبدیل انرژی الکتریکی به نور ، گرما یا حرکت جریان الکتریکی را برای افزودن و کنترل اطلاعات معنی دار به جریان اضافه استفاده میکنند.
در نتیجه به طور کلی ، دستگاهی که از الکتریسیته تنها به عنوان انرژی ورودی استفاده کند ، الکتریکی است اما اگر از الکتریسیته به عنوان واسطه ای برای پردازش اطلاعات استفاده کند ، الکترونیکی است. دستگاه های الکتریکی و الکترونیکی از دسته های مختلفی تشکیل شده اند اما به طور خلاصه ، تمام دستگاه های الکترونیکی در زیر مجموعه ی تجهیزات الکتریکی دسته بندی می شوند.
امروزه در اکثر وسایل مدرن از ترکیبی از مدارهای الکترونیکی و الکتریکی بطور همزمان استفاده می شود. به عنوان مثال ماشین لباسشویی دارای یک مدار الکتریکی متشکل از یک پریز دوشاخه ، فیوز ، کلید روشن و خاموش ، هیتر و موتور است که باعث چرخش غلطک آن می شود.از طرفی دستور العمل کارکد آن مانند چرخه و دمای شستشوی مورد نظر که توسط کاربر از طریق صفحه کنترل وارد می شود توسط مدارهای الکترونیکی تفسیر می شوند. وقتی مدار الکترونیکی این دستورات را تفسیر می کند ، سیگنال هایی را برای کار با هیتر و موتور ، برای گرم کردن و چرخاندن غلطک ، در زمان مد نظر به مدار الکتریکی ارسال میکند.
- دستگاه الکتریکی جریان را به شکل دیگری از انرژی مانند نور و گرما تغییر می دهد اما دستگاه الکترونیکی حرکت الکترون ها را برای انجام عملیات کنترل می کند.
- دستگاه های الکتریکی از سیم های آلومینیمی و مسی برای عبور جریان الکتریکی استفاده می کنند اما دستگاه های الکترونیکی از مواد نیمه رسانا استفاده می کنند.
- دستگاه های الکتریکی عمدتا با جریان متناوب کار می کنند اما دستگاه های الکترونیکی با جریان مستقیم برق کار می کنند.
- دستگاه های الکتریکی روی ولتاژ بالا کار می کنند در صورتی که دستگاه های الکترونیکی ولتاژ پایین کار می کنند.
- مصرف انرژی الکتریکی دستگاه های الکتریکی در مقایسه با دستگاه های الکترونیکی بالاتر است.
- رسانایی دستگاه های الکتریکی زیاد است در صورتی که رسانایی دستگاه های الکترونیکی پایین است.
- دستگاه های الکتریکی قابلیت کنترل داده هارا ندارند درصورتی که دستگاه های الکترونیکی داده ها را دستکاری می کنند.
- دستگاه های الکتریکی مستقيماً بر روي جريان عمل میکنند و در نتيجه سريعاً پاسخ مي دهند. در مقابل الكترون ها تنها بار متحرك دستگاه های الكترونيكي هستند و از اين رو زمان پاسخ آنها كمتر است.
- دستگاه های الکتریکی بزرگتر و سنگین تر هستند و از این رو به فضای بیشتری نیاز دارند در حالی که قطعات الکترونیکی بسیار کوچک هستند و روی یک تراشه برد قرار می گیرند و فضای کمتری نیز نیاز دارد.
- دستگاه های الکتریکی در مقایسه با دستگاه های الکترونیکی خطرناک تر هستند چرا که در دستگاه های برقی جریان اتصال کوتاه شدید به دلیل نقص رخ می دهد که بسیار خطرناک است.
- فن ها ، موتور ها ، ترانسفورماتورها ، ژنراتورها نمونه هایی از دستگاه الکتریکی هستند در صورتی که ترانزیستور ، تریستور ، میکروکنترلر نمونه هایی از دستگاه الکترونیکی هستند.
