استخدامات المكثفات الكهربائية

بواسطة: - آخر تحديث: ١١:٢٩ ، ٣٠ نوفمبر ٢٠٢٠
استخدامات المكثفات الكهربائية

ما أبرز استخدامات المكثفات الكهربائية؟

ما هي أنواع مرشحات التردد؟

المكثفات (Capacitors)؛ هي أداة لها سعة محددة لتخزين كميات كبيرة من الطاقة، حيث يتكوّن المكثف غالبًا من لوحين موصلين يفصل بينهما عازل مثل الورق أو الهواء أو المطاط لمنع عبور الشحنات بين اللوحين، ويمكن شحن المكثف عن طريق توصيله ببطارية، حيث إن تدفق المجال الكهربائي الناشئ عنها يشحن لوحي المواسع ويصبح أحدهما سالبًا والآخر موجبًا. [١]


يوجد أنواع عديدة للمكثفات كما أنها تُستخدم بعدة طرق في المنتجات الإلكترونية، حيث يتم شحنها وتفريغها وفقًا للأهداف المرجوة، كما يتم الاستفادة منها في العديد من تطبيقات الدوائر الإلكترونية[٢]، وفيما يلي أبرز استخدامات المكثفات الكهربائية:


تخزين الطاقة

المكثف هو أداة صغيرة لتخزين الطاقة، الأمر الذي يؤدي إلى تراكم الشحنات على الألواح، وبالتالي زيادة فرق الجهد على اللوحين[٣]، وعادةً ما يتم استخدام المكثفات عند الحاجة لوجود الكثير من الطاقة وإطلاقها خلال فترة زمنية قصيرة وبشكل مفاجئ[٢]، ويتم ذلك عن طريق تحرير شحنة المكثف بعد التخزين وتفريغها بشكل مفاجئ محدثًا وميض[٤]، ومن التطبيقات الفعلية لاستخدام المكثفات ما يحدث في دائرة فلاش الكاميرا[٥]، وذلك عند الضغط على زر التقاط الصور فيتم تحرير شحنة المكثف وإنشاء وميض، كما يتم استخدامها أيضًا في الليزر النابض والرادارات وأبحاث الاندماجات النووية.[٢]


التحكم في الوقت

من أهم مميزات المكثف أن شحنه وتفريغه يحدثان خلال فترات زمنية منتظمة، ويمكن التحكم في هذه الفترات من خلال تغيير خصائص المكثف مما يجعله مفيدًا في الدوائر الكهربائية المعتمدة على الوقت[٤]، ومن التطبيقات الفعلية لاستخدام مكثف التوقيت هي إمكانية توصيله بالصمامات الثنائية الباعثة للضوء والذي يرمز له (LED) وهو اختصار للمصطلح الإنجليزي light emitting diode وتوصيله بأنظمة تكبير الأصوات أيضًا، كما أن مكثفات التوقيت تستخدم في أي جهاز فيه أضواء وامضة أو أصوات تخرج بشكل منتظم[٤]، وتستخدم أيضًا في الأجهزة التي تحتاج إلى ضبط وتعديل التردد كدارات الإرسال التلفزيوني [٦]. إذ يمكن استخدام شريحة 4047 الإلكترونية لتشغيل دوائر التوقيت المختلفة.[٧]


التقليل من الضوضاء الكهربائية

تلعب المكثفات دورًا مهمًا في الإلكترونيات الرقمية حيث يتم حماية الرقائق الدقيقة والحساسة من الضوضاء الكهربائية التي قد تتواجد على إشارات الطاقة والتقليل من تأثيرها حيث من الممكن أن تسبب هذه الضوضاء سلوك غير طبيعي، كما يتم وضع واستخدام هذه المكثفات والتي تسمى مكثفات الفصل بالقرب من هذه الرقائق الدقيقة في الدوائر الكهربائية[٨]، ومن الجدير بالذكر أن هذه المكثفات تزيل الاضطرابات التي قد تحدث في الإشارة المنطقية وتوفر طاقة إضافية إلى الدوائر الإلكترونية المتكاملة والتي يرمز لها (IC) وهو اختصار للمصطلح الإنجليزي Integrated Circuit.[٢]


منع التيار المستمر

تُستخدم مكثفات تسمى مكثفات الربط في التطبيقات التي يجب فصل فيها التيار المتناوب والذي يرمز له (AC) وهو اختصار للمصطلح الإنجليزي Alternating current عن التيار المستمر والذي يرمز له (DC) وهو اختصار للمصطلح الإنجليزي Direct Current، حيث يسمح هذا النوع من المكثفات بمنع إشارات التيار المستمر ولكن يمرر التيار المتناوب عبر الدائرة الإلكترونية.[٢]


ومن الجدير بالذكر من التطبيقات الفعلية لاستخدام مكثف الربط هي استخدامه في أجهزة تكبير الصوت، حيث إن آلية عمل مثل هذه الأجهزة تعتمد على تحويل التيار المتناوب إلى صوت، كما أنها قد تتلف بحال تعرضت لأي تيار مستمر.[٤]


منع التيار المتناوب

في الدوائر الكهربائية ذات التيار المتناوب تكون الشحنة فيه متغيرة بين الموجب والسالب، فعند مرور الشحنات الموجبة يتم شحن المكثف وعند مرور الشحنات السالبة يتم تفريغ ما تم شحنه بالمكثف آنفًا، حيث إن التيار المتناوب متغير الإتجاه، فيكون المكثف في عملية شحن وتفريغ دائمتين فلذلك يبدو الأمر وكأنه يمرر التيار المتناوب ويحوّل التيار المتناوب إلى تيار مستمر وذلك عن طريق تجانس التيار، إذ يعمل التيار حينها كما لو كان تيارًا مباشرًا، ويتم استخدام هذه المكثفات في العديد من الأجهزة المنزلية التي تعمل باستخدام التيار المستمر فقط.[٤]


ترشيح التردد

إلى جانب المقاومات في الدوائر الإلكترونية تستخدم المكثفات أيضًا كمرشحات انتقائية للتردد، كما يتم استخدام تصميمات المرشحات في التطبيقات القائمة على التردد والأداء العاليين، وذلك عن طريق اختيار الأجزاء المكونة المناسبة أو الجودة المطلوبة[٢]، وهناك أنواع عديدة من المرشحات والتي سيتم التحدث عنها وهي كما يأتي:

  • مرشحات تمرير ترددات منخفضة (low pass filter (LPF: هي مرشحات تقوم بتمرير جميع ترددات التيار المستمر حتى الوصول لتردد القطع ويبدأ بعدها المرشح بمنع الإشارات الكهربائية ذات التردد الأعلى من المرور.[٩]
  • مرشحات تمرير ترددات عالية (high pass filter (HPF: هي مرشحات تقوم بتمرير جميع ترددات التيار المستمر الواقعة فوق تردد القطع ومنع الإشارات الكهربائية التي ترددها دون تردد القطع.[١٠]
  • مرشحات تمرير مجال أو نطاق التردد (band pass filter (BPF: هي مرشحات تقوم بالسماح بمرور نطاق معين من الترددات التيار المستمر فقط ويمنع مرور الترددات غير المنتمية إلى هذا النطاق.[١١]
  • مرشحات منع مجال أو نطاق التردد (band stop filter (BSF: تتكون مرشحات منع النطاق من مجموعة من مرشحات تمرير الترددات المنخفضة ومرشحات تمرير الترددات العالية والتي تتصل معًا على التوازي، حيث يقوم بمنع مرور نطاق معين من الترددات والذي يتم تحديده عن طريق قيم المكونات المستخدمة في الدارة، ويسمح للإشارات الكهربائية التي ترددها مختلف عن هذا النطاق فقط بالمرور.[١٢]
  • مرشحات التمرير الكلي (All Pass filter (ALF: وهي مرشحات لها استجابة تتغير خطيًا مع التردد، حيث إنها تستخدم في تعديل التأخر في معالجة الإشارات. [١٣]
  • المرشحات المسوّية (Equalization Filter (EF: وهي مرشحات تتيح إمكانية إجراء التعديلات على إشارات التردد إما بتقوية الإشارة أو بتخفيفها عبر نطاق تردد معين.[١٤]


تحسين إشارات الجهد

يمكن أن يكون الجهد الناتج من مصدر الطاقة في الدارة غير منتظم، فيأتي دور المكثف هنا بتقويم وإزالة تقلبات الإشارة، كما يتم استخدام المكثف في التطبيقات التي تكون بحاجة إلى تيار مستمر وثابت وغير مضطرب، حيث يتم تخفيف تذبذب الإشارة وجعلها أكثر ثباتًا، ومن الجدير بالذكر أنه كلما زاد اتساع التقلبات سيحتاج لمكثف أكبر ليقوم بتخفيفها وإزالتها.[١٥]


تحسين معامل القدرة

من أهم العوامل المؤثرة على تخفيض معامل القدرة هو التيار الكهربائي المتأخر الناتج عن الأحمال الحثية العالية، ومن أجل تحسين معامل القدرة وزيادته يتم وضع مكثفات تسمى المكثفات الساكنة على التوازي مع المعدات التي تعمل على معامل قدرة منخفض لزيادته وليقوم بدوره في سحب التيار الكهربائي المتأخر[١٦]، ومن التطبيقات الفعلية لاستخدام المكثفات الساكنة كما في المحولات والمحركات [١٧]، وذلك لحماية المكونات الأخرى في الدارة من التلف الناتج عن تفريغ الطاقة المخزنة بشكل مفاجئ.[٢]


ضبط جهد الدارة

في دوائر الحث العالي يحدث ارتفاعات في الجهد قد تؤثر على مكونات الدارة والتي قد تنشأ من تردد الراديو غير المرغوب فيه والذي يرمز (RF) وهو اختصار للمصطلح الإنجليزي Radio frequency، حيث تستخدم مكثفات ممتصة للصدمات ويتم تثبيتها بالتوازي مع مكونات الدارة لتوزيع جهد متساوٍ بين هذه المكونات، ومن الجدير بالذكر أن التطبيقات الفعلية لاستخدامها حين يتم إيقاف وقطع التيار عن الدارة حيث قد يتسبب ذلك في حدوث ارتفاعات كبيرة في الجهد أعلى من الحد الذي تتحمله مكونات الدارة، مما يتسبب بإتلافها ويأتي دور المكثف هنا بمنع طفرات الجهد وتوفير الحماية للدارة الكهربائية.[٢]

تضخيم الإشارة

قد يتم استخدام مكثفات الربط في تقوية الإشارة في أجهزة تكبير الصوت والتي قد تم ذكرها آنفًا ولكن لمعرفة الإشارة التي يجب تقويتها يتم شحن مكثف آخر وتفريغه في ملف من الأسلاك الموصلة موحدة المركز، مما يؤدي لتوليد مجال مغناطيسي حثّي يمر من خلال هذا الملف وعندما يصبح المكثف مفرغًا تمامًا من الشحنات سيتم فقدان المجال المغناطيسي الحثي المتولد إن تردد هذه الفواصل الزمنية في عملية شحن وتفريغ هذا المكثف والمكررة على فترات منتظمة، قد يمكن تكوّن تردد الفواصل الزمنية هو نفس تردد لمحطة راديو قريبة، وبدور مكبر الصوت الخاص بالراديو سوف يعزز ويقوي هذه الإشارة مما سيؤدي إلى سماع البث.[٤]


حيث يستخدم المكثف لإصدار إشارات عند تردد معين ويعمل سويًا مع المستحث المكوّن من الملف الموصل لضبط الدارة الكهربائية على نظام الراديو[٤]، ومن الجدير بالذكر أن التطبيقات الفعلية لاستخدامه في الدوائر المصممة لتضخيم الإشارات الإلكترونية كما هو الحال في أجهزة الراديو والأجهزة الطبية.[١]


ومن هنا يمكن القول أن المكثفات لها فوائد عديدة واستخدامات كثيرة ويتم الاستفادة من خصائصها من خلال استخدامها بمختلف أنواعها في عديد من الأجهزة والدوائر الكهربائية لأداء مهام معينة ومنها تخزين الطاقة والتحكم في الوقت والتقليل من الضوضاء الكهربائية ومنع التيار المستمر ومنع التيار المتناوب وترشيح التردد كما يتم الاستفادة من المكثفات في تحسين إشارات الجهد وتحسين معامل القدرة وضبط جهد الدارة وتضخيم الإشارة.


لمعرفة أنواع المكثفات، يمكنك قراءة المقال الآتي: المكثفات الكهربائية وأنواعها.

المراجع[+]

  1. ^ أ ب Betsy Chesnutt, Betsy Chesnutt View bio Expert Contributor (2016-01-05), "What is Capacitance? - Definition, Equation & Examples", study, Retrieved 2020-11-22. Edited.
  2. ^ أ ب ت ث ج ح خ د "Applications of Capacitors", electronics hub, 2017-01-15, Retrieved 2020-11-22. Edited.
  3. Narayan Sharma, Md Zuhair, and Jimin Khim, "Energy Stored in a Capacitor", brilliant, Retrieved 2020-11-23. Edited.
  4. ^ أ ب ت ث ج ح خ Ross Garner (2018-03-12), "List of Uses for Capacitors", sciencing, Retrieved 2020-11-22. Edited.
  5. "Capacitance and Uses of Capacitors", the Electronics Club, Retrieved 2020-11-24. Edited.
  6. "Simple 555 Timer Circuits & Projects", electronics hub, Retrieved 2020-11-22. Edited.
  7. Tony Oldhand (2017-04-24), "Electronics Projects Using 4047 or 4027 IC", sciencing, Retrieved 2020-11-24. Edited.
  8. Matthew Burris (2020-07-05), "What Are the Applications of Capacitors?", lifewire, Retrieved 2020-11-22. Edited.
  9. "Active Low Pass Filter", electronics hub, Retrieved 2020-11-23. Edited.
  10. "Active High Pass Filter", electronics hub, Retrieved 2020-11-23. Edited.
  11. "Active Band Pass Filter", electronics hub, Retrieved 2020-11-23. Edited.
  12. "Band Stop Filter", electronics hub, Retrieved 2020-11-23. Edited.
  13. "All-Pass Filters", science direct, Retrieved 2020-11-25. Edited.
  14. Miller Puckette (2006-12-29), "Equalizing filters", msp, Retrieved 2020-11-25. Edited.
  15. "What is a Smoothing Capacitor?", www.learningaboutelectronics.com. Edited.
  16. "3 Different ways to improve Power Factor", engineering equipment, Retrieved 2020-11-23. Edited.
  17. "Power Factor improvement Methods with Their advantages & Disadvantages", electrical technology, Retrieved 2020-11-24. Edited.