مدونة وسيم الخاير

بدأ  يرن هاتفي النقال، تناولته لأقرأ اسم المتصل، وإذا به “المنزل يتصل بك..” عسى خيرا

المتصل: وسيم…أسعفنا فالأمر مهم جدا

أجبته: خير إن شاء الله..ما المشكلة؟

المتصل: خزان الماء فارغ تماما ونحن بحاجة إلى تعبئته

وسيم: حسنا..لكن أليس اليوم هو موعد عودة الماء حسب جدول مؤسسة المياه الأسبوعي؟

المتصل: وسيم..وهل يمكن ملئ خزان بهذه السعة وبسرعة؟؟ كن واقعيا نحن بحاجة إلى شحنة أكبر لملئ الخزان في وقت أقل

وسيم: لاعليك..سأفعل ذلك إن شاء الله

توت توت..انتهت المكالمة..

بدأت أردد تلك الكلمات التي جرت خلال المكالمة…خزان..شحنة أكبر ..وقت أقل

وشيئا فشيئا أغمضت عيني لأعود بذاكرتي إلى ذلك الشئ الذي يتحلى بتلك المواصفات..خزان ..شحنة أكبر ..وقت ..

وهنا ظهرت اللمبة فوق رأسي إيذانا بتعرفي على ذلك الشيء  ..

هل عرفتموه؟

إنه المكثف أو المواسع أو الكاباسيتور كما يحلو للبعض تسميته

بدأت بتذكر هذا الصاحب العزيز على قلبي الذي لاتكاد أي دارة إلكترونية تخلو من بصمته المميزة..بدأت أقلب أوراقي القديمة كي أحاول أن أتذكر كيف تعرفت عليه.. هل كانت بداية المشوار مع  الموسوعة العلمية الميسرة؟ أم مع كتاب عالم الإلكترونيك السحري الذي يباع في مكتبة جرير؟ وهل يا ترى ما تم شرحه لي أيام الجامعة في مناهجي الدراسية كان كافيا للتعرف على المكثف؟ وهل ماكنت أقرأه من مواضيع منتشرة في المنتديات عن المكثف كانت كافية لي كمصمم كي أعرف أساسيات استخدام هذا العنصر المهم؟

طأطأت رأسي وقلت في نفسي: بكل صراحة لا..فأغلب ما قرأته لم يساعدني كثيرا في معرفة الطريقة الهندسية الصحيحة لاستخدامه أثناء تصميم أي دارة إلكترونية، وفي كل مرة كنت أقرأ عن المكثف كانت عملية البحث تنتهي بشيء مقارب للنتيجة التالية:

المكثف هو عنصر إلكتروني يتكون من صفيحتين متقابلتين يفصل بينهما مادة عازلة كالهواء أو الميكا أو الورق أو غيرها. يتم شحن إحدى  الصفيحتين  بشحنة موجبة والأخرى بشحنة سالبة، وذلك من خلال تطبيق  فرق جهد بينهما باستخدام مصدر خارجي. وللمكثف أنواع متعددة،  ووحدة قياسه  هي الفاراد. له معادلات خاصة تحكم عملية الشحن والتفريغ وله معادلات تحكم مرور الترددات من خلاله

حسنا إذا…ماذا بعد..ومافائدة المكثف في الدارة؟ وكيف يمكنني استخدامه؟ وماهي القيمة التي يجب اختيارها؟ وماهو الجهد الكهربائي الذي يتحمله المكثف؟ أسئلة عديدة كانت تدور في ذهني منذ أيام الجامعة ولم أتمكن من معرفة الإجابة عن أغلبها حتى التحقت بالعمل وتعلمت الكثير عن هذا المكثف. فالحمد لله..تمكنت الآن من معرفة إجابة أغلب تلك الطلاسم ولذلك سأشارككم في هذه التدوينة ببعض ما تعلمته عن حقيقة المكثف.

فلنبدأ رحلتنا

بداية: مالذي يقوم به المكثف ياترى عند وجوده في الدارة الكهربائية؟ هل عمله مثل المقاومة؟ أم أنه يشبه الديود؟ وما علاقته بتخزين الشحنات وكيف نستفيد من هذه الخاصية في تطبيقات عملية؟

فلنستمتع بمشاهدة هذا الشرح المميز والمبسط للغاية عن المكثف . يحتوي هذا المقطع على طريقة مبسطة لصنع مكثف بأدوات منزلية..تجربة ممتعة  :

كما شاهدتم في المقطع، يعود اكتشاف المكثف إلى عام  1745  عن طريق تجارب قام بها علماء ألمان، واستمروا بالعمل الدؤوب  حتى أوصلوا الراية  للعالم فاراداي  الذي أوصل لنا فكرة المكثف كما نعرفها في يومنا هذا، فالأمر إذا هو تراكم جهود بسيطة حتى وصلنا إلى مانحن عليه الآن. ومنذ ذلك الحين استخدمت وحدة الفاراد لقياس سعة المكثف نسبة للعالم فاراداي.

ولتبسيط فكرة المكثف، يمكننا تشبيهه بالخزان المائي الذي تحدثت عنه في بداية تدوينتي، حيث أنه يتمتع بما يلي:

1. يقوم بتخزين الشحنات الكهربائية بين طرفيه بطريقة مشابهة لخزان الماء الموجود في منازلنا
2. ويسمح فقط بمرور التيار المتردد و يمنع التيار المستمر من الانتقال بين طرفيه.

دعونا نتناول أهم تطبيقات الخاصية الأولى للمكثف، ثم سننتقل لمناقشة تطبيقات الخاصية الثانية:

1. تخزين الشحنات في دوائر وحدات التغذية

كما شاهدنا في مقطع الفيديو فالمكثف يقوم بخزن الشحنات داخله وعندما يتم فصل المصدر الكهربائي “البطارية في هذه الحالة” عن المكثف يبدأ المكثف بتفريغ شحنته في الحمل المتصل به “كان في الفيديو الثنائي المشع للضوء”، ونظريا يمكن أن تيقى الشحنة داخل المكثف إلى مالانهاية لكن في الحقيقة فإن الشحنة لابد أن تتسرب إلى المحيط الخارجي بعد فترة من الزمن.  ويمكن الاستفادة من خاصية احتفاظ المكثف بالشحنات أثناء تصميم وحدات التغذية الكهربائية كالموجودة في الحاسب أو الأجهزة المحمولة التي تعمل على الكهرباء. كيف؟

تخيلوا معي هذا الموقف: كنت تعمل على بحث معين مستخدما برنامج وورد، وفجأة ..ودون سابق إنذار انقطع التيار الكهربائي!

ياللمصيبة  ذهب جهدك سدى إن لم تقم بعملية حفظ بحثك. فما الحل  في مثل هذه الحالة؟

لابد من وجود مصدر آخر ليقوم بإمداد طاقة كهربائية لفترة ضئيلة تكون كافية لحفظ المعلومات وذلك في حالة الانقطاع المفاجئ  للتيار الكهربائي. وهنا يأتي دور صاحب القلب الكبير..دور المكثف، فسيقوم صاحبنا بإمداد وحدة المعالجة في كمبيوترك بطاقة كافية لحفظ آخر ما تم كتابته في الوورد. فحاليا تصميم أغلب وحدات التغية الحديثة تأخذ في عين اعتبارها إمداد الحمل “الحاسب مثلا” بطاقة بسيطة كافية لإجراء حفظ آخر تعديلات قمنا بها في برنامج الوورد حال الانقطاع المفاجئ للتيار. بمعنى آخر سيقوم الخزان “المكثف” بتفريغ شحنته التي اكتسبها سابقا وخزنها بين صفيحتيه  لإعطاءنا طاقة إضافية.  سؤال منطقي: ماهي أقصى طاقة يمكن لخزاننا العجيب المكثف أن يحتفظ بها؟ وهل يمكنني تشغيل الكمبيوتر لفترة ساعة مثلا بعد انقطاع التيار الكهربائي؟

نظريا، الأمر ممكن بالطبع، لكن عمليا -وفي وقتنا الحالي- فالأمر مستحيل خاصة مع محدودية المساحة التي تشغلها أجهزة الحاسب، فتذكروا أنه للحصول على طاقة تخزينية أعلى في المكثف فيجب أن نبقي نصب أعيينا المعادلة التالية:

بالنظر للمعادلة سنجد أنه إذا أردنا طاقة تخزينية أعلى فنحن بحاجة إلى أحد أمرين: إما أن نزيد الجهد المطبق “وهو أمر قد يكون غير ممكن”  أو بزيادة سعة المكثف، ولكن تذكروا أنه كلما زادت قيمة المكثف كلما زاد حجمه وبالتالي سيصبح الأمر مزعجا ولن نتمكن من تصميم أجهزة صغيرة الحجم، لذلك أكبر ما يمكن الحديث عنه في موضوع خزن شحنات من هذا النوع هو بالثواني فقط والحقيقة فالتفريغ يعتمد أساسا على الحمل المتصل بالمكثف فهو ماسيحدد سرعة تفريغ المكثف.

خلاصة القول، تستخدم  المكثفات في تخزين الشحنات وذلك لقدرتها على إمداد الحمل المتصل بها في حال فصل جهد المصدر.

للمزيد من التفاصيل حول موضوع المكثف وطرق استخدامه في تصميم وحدات التغذية اضغطوا هنا

وتفضلوا هذا المصدر الذي يوضح كيفية اختيار المكثفات

طيب دعونا نتعلم كيف نصمم دارة بسيطة نقوم بها بشحن المكثف وتفريغ شحنته. أبسط دارة تتكون من مكثف ومقاومة ومصدر جهد كهربائي. انظرو إلى الشكل التالي:

في حال أقفلنا المفتاح، سيبدأ المكثف بعملية الشحن بواسطة المصدر ومن خلال المقاومة ويكون المنحنى البياني لعملية الشحن هو كما في الرسم البياني الموضح في الأسفل. انظروا جيدا، سترون أن المنحنى الأول في أعلى الرسم هو لمعادلة مشهورة

معادلة الشحن:

Vc = V(1 -- e^-t/RC)

وللتسهيل عليكم، فإنا الزمن الذي سيستغرقه المكثف في عملية الشحن أو التفريغ يعطي بثابت يسمى تاو وقيمته تساوي

T=5*R*C

فيمكننا ببساطة استخدام هذه المعادلة ، وبدلالة قيمة المكثف والمقاومة نستطيع تحديد الزمن الذي سيتغرقه المكثف في عملية الشحن

سأساعدكم مرة أخرى ..تفضلوا هذا الموقع الذي يسهل عليكم عملية الحساب، فقط قوموا بإدخال قيم المكثف والمقاومة والجهد لتعرفوا بقية المجاهيل:

وإليكم مثال عملي في هذه الصفحة

2. تنعيم الموجات

وهو تطبيق مهم للغاية ويدخل كذلك في تصميم وحدات التغذية الموجودة  من حولنا كمحولات الجوالات أو اللابتوب.  فبما أن المكثف سيقوم بتخزين الشحنات فنستفيد من هذه الخاصية أنه في حال كانت لدينا موجة جيبية تم تقويمها بواسطة قنطرة ديود وأردنا تنعيمها أو بمعنى آخر إزالة التشوهات أو التموجات التي بها فسيقوم المكثف بهذه العملية بكل بساطة. الصورة التالية توضح شكل الموجة قبل وضع المكثف:

الآن بعد وضع المكثف ستتحول الموجة إلى الشكل التالي:

باختصار هذا ما يقوم به المكثف:

لننتقل إلى الخاصية الثانية للمكثف وهي صاحبة النصيب الأكبر من تطبيقات المكثف، فما الذي يجعل التيار المتردد يمر بسهولة خلال المكثف ويجعله مستحيلا بالنسبة للتيار المستمر؟

الجواب هو الممانعة الكهربائية أو المقاومة

لابد لنا أن نتذكر أهم معادلة للمكثف وهي الممانعة الكهربائية له وهي:

دققوا جيدا في المعادلة سترون أن مقام الكسر يحتوي على متغيرين هامين، هما: السعة والتردد. معنى ذلك أنه كلما زاد التردد قلت الممانعة الكهربائية مايؤدي بطبيعة الحال إلى أن المكثف سيكون أشبه بسلك أو موصل، والعكس صحيح.  وللتسهيل عليكم، يمكنكم استخدام هذه الحاسبة البسيطة لمعرفة ممانعة المكثف بدلالة التردد. وهاهي بعض تطبيقات هذه المعادلة:

3. منع الجهود المستمرة من الانتقال بين أجزاء معينة  في الدارة

تذكروا أنه في معادلة المكثف السابقة نرى أنه كلما قل التردد زادت ممانعة المكثف، فماذا لو كان التردد صفرا؟ ستكون الممانعة لا نهائية أو بمعنى أصح كبيرة جدا للجهد المستمر وتكون صغيرة جدا بالنسبة للترددات العالية. انظرا الشكل التالي ولاحظوا أن المكثف في هذه الحالة سيمنع مرور أي جهد مستمر للطرف الآخر من الدارة وذلك لأنه سيكون ذو ممانعة عالية جدا.

حسنا ومافائدة هذا التطبيق؟ أحيانا تكون الموجة التي نتعامل معها مركبة من جزء جيبي “متردد” وجزء آخر هو مستمر ونرغب بالاحتفاظ بالجزء المتردد فقط والتخلص من الجهد المستمر. ففي الدارة في الأسفل عند قياس الجهد على الطرف الأيمن من المكثف فيفترض أنه سيكون صفرا لأن المكثف سيمنع وصول الـ 5 فولت



4. مجنب التيار المتردد عند مداخل الدارة

وهنا لي ملاحظة، فلاأخفيكم أنني كثيرا ماكنت أرى مكثفا أو اثنين عند مدخل كل دارة رقمية وتحديدا عند الطرف الخاص بمدخل الجهد في الدارات المتكاملة، انظروا الصورة التالية لتفهموا ما أقصده:

وظيفة هذا المكثف هي منع القفزات العابرة من الجهود التي قد تصدر من جهة مصدر الجهد الكهربائي والتي قد تعطب الدارة المتكاملة، فما يقوم به المكثف هو أن يقوم بإخماد هذه الجهود أو التشويشات التي تصدر من المنبع وتأريضها للتخلص منها. حيث أن المكثف يتم وصله على التوازي مع مصدر الجهد الكهربائي بحيث أنه سيكون ذو ممانعة كبيرة جدا عند وجود جهد مستمر، وعند وجود أي تشويش أو جهد متردد أو قفزات عابرة فإن المكثف سيكون ذا ممانعة قليلة جدا مما يسمح بمرور تلك الجهود من خلاله وبالتالي إخمادها وحماية الدارة المتكاملة.

السؤال الذي يطرح نفسه: ماهي قيمة تلك المكثف؟ وهل أقصى جهد يتحمله مهمة في عملية الاختيار؟

قيمة ذلك المكثف تتراوح مابين 0.1 ميكروفاراد و 10 نانو فاراد. لم هاتين القيمتين؟ لأنهما يقومان بقتل أغلب التشويشات المزعجة التي تصدر من منابع او مصادر الجهد الكهربائي. وترى كثيرا من مصنعي الدارات الرقمية في يومنا هذا يذكرون في ملف المواصفات الفنية قيمة مقترحة لذلك المكثف. لكن كقاعدة عامة يمكنكم استخدام 0.1 ميكروفاراد من النوع السيراميكي.

ماذا بخصوص الجهد؟ نصيحتي لكم هي أن تختاروا دوما قيمة جهد المكثف ضعف الجهد المصدر. على سبيل المثال: لو كان لدينا دارة أو تصميم يعتمد 5 فولت كجهد مصدر، فيمكننا استخدام مكثف 0.1 ميكرو بجهد 10 فولت أو أكبر. ليس معنى ذلك أن ما هو أقل لن يعمل! بل بإمكانكم استخدام 6.3 فولت مثلا. لكن كما قلت أفضل أن تكون القيمة ضعف المصدر.

5. المرشحات أو الفلاتر

درسنا وتعلمنا  المرشح أو الفلتر في مرحلتنا الجامعية. ولنتذكر تعريف المرشح: فهو دارة إلكترونية تقوم بمنع مجموعة من الترددات  من الانتقال لجزء معين من الدارة عند تردد قطع معين بحيث تسمح بمرور ترددات أخرى عند تردد القطع. ماذا يعني ذلك؟

إن استخدامنا لأبسط أنواع الفلاتر “الترددات المنخفضة” مبنية على استخدام الدارة البسيطة التالية:

ودققوا جيدا لتجدوا أنها تستخدم المكثف الذي سيقوم بتحييد أي تردد أكبر من تردد القطع الذي يمكن حسابه بالمعادلة التالية:

فالنتيجة أن المكثف هو قلب الهجوم في تصميم أي فلتر سواء كان بسيطا كما شاهدنا في الأعلى أم كان معقدا يعتمد على عناصر مثل مضخمات العمليات..وإليكم موضوعا سابقا كتبته بعنوان خزعبلات إلكترونية: المكثفات تجدون به شرحا بسيطا لصنع فلتر

6. دارات التوقيت

كما عرفنا أن المكثف يقوم بتخزين الشحنات داخله وأن ذلك يتم عن طريقة عملية الشحن التي تتم ضمن زمن معين محكومة بقيمة ذلك المكثف وأي مقاومة متصلة على التوالي مع ذلك المكثف. وبالتالي، إذا أردنا تأخير عملية معينة يمكننا استخدام المكثف لذلك الغرض، ولكن الأمر في يومنا هذا أبسط من ذلك، فهناك العديد من الدارات المنتشرة التي تفي بالغرض والتي تعتمد بشكل أساسي على وجود المكثف. منها مثلا دارة الـ 555

انتهينا من صداع التطبيقات..سأختم بملاحظات بسيطة قد تكون جديدة لمستخدمي المكثفات..

تنبيهات عند اختيار المكثف:

• العمر الافتراضي للمكثف: هناك معادلة حسابية يتم استخدامها لحساب العمر الافتراضي للمكثف وهي تعطي  تصورا مبدئيا عن عدد الساعات  التي يمكن أن يعملها المكثف بشكل متواصل. وهي تفيد المصممين في تحديد كفاءة المكثف بعد سنوات معينة

• المقاومة التسلسلية المكافئة: وهي مقاومة صغيرة نسبيا  موجودة ضمن المكثف ويبدو تأثيرها واضحا عند الحديث عن الترددات العالية نسبيا فينبغي التنبه إليها. وكل شركة مصنعة تذكر قيمتها في ملف مواصفات المكثف

• تحمله للحرارة: كثيرا ما يخطئ المصممون في اختيار المكثف الغير مناسب للبيئة التي صمم من أجلها ما يؤدي في نهاية المطاف إلى أن يعطب المكثف. ولكل مكثف درجة حرارة مخصصة كي يعمل بها، والغالبية مخصصة حتى 45 فلذلك إذا أردنا تصميما صناعيا فلابد من اختيار مكثف ذو تحمل أعلى

أعلم أن تدوينتي هذه طويلة جدا هذه المرة..لذلك هذا مسك الختام:

هل رأيتم مكثفا ينفجر؟

استمتعوا بهذه التجربة: