ما هي وظيفة المكثف Capacitor في الدوائر الكهربائية: الشحن والتفريغ وحالة الاستقرار Steady State

الدائرة: بطارية ومقاومة ومكثف

عشان نفهم الوظيفة الأساسية للمكثف Capacitor في الدوائر الكهربائية، راح نجيب بطارية 12 V تيار مستمر DC ونشبكها على مقاومة 6 Ω، وعلى التوازي مع المقاومة، قبلها، نحط مكثفًا.

نعرف سابقًا

نعرف سابقًا أن المكثف يكون دائرة مفتوحة Open circuit إذا كان التيار ثابتًا، أما الملف Inductor فعلى النقيض يكون دائرة قصيرة Short circuit، كأنه سلك عادي، لما يكون التيار ثابتًا.

فلو رجعنا للدائرة نحسب التيار: نقول إن المكثف Open circuit، فمعناها التيار 12 تقسيم 6 يساوي 2 A. ولكن هذا الكلام كله في حالة الاستقرار Steady state، يعني بعد ما تشتغل الدائرة بثانية أو ثانيتين، فإذا دخلنا في حالة الاستقرار صار كل شيء ثابتًا.

الثانية في عالم الدوائر

ولكن في عالم الدوائر الكهربائية الثانية الواحدة ممكن تكون كأنها عدة سنوات. فالمكثف مثلًا غالبًا يتعامل بالميكروثانية µs وليس حتى بالثواني، يعني بجزء من المليون من الثانية. والملف أيضًا عنده الثانية كأنها سنوات. ففي هذه الأجزاء من الثانية، قبل ما تستقر الدائرة الكهربائية، تصير أشياء كثيرة.

وهذا هو السبب الذي يخلي بعض الأجهزة تحترق أول ما نشبكها في الكهرباء، ولما نطفي المكيف في البيت أحيانًا يصير وميض في الكهرباء؛ لأننا نتكلم عن أجزاء الثانية التي نسميها عالم Transient Analysis. في كل تصميم لدائرة كهربائية لازم ندرس الـ Transient، يعني ندرس سلوك الدائرة في الأجزاء الأولى من الثانية قبل ما ندخل في Steady state أو حالة الاستقرار.

الشحن: من 0 إلى جهد المصدر

فالآن لو سوّينا zoom in على عامل الوقت وشفنا ماذا يصير في الملّي ثانية أول ما شغّلنا الدائرة: راح نلاقي أن الجهد على المكثف بدأ من 0، بعدين ارتفع حتى وصل إلى جهد العقدة Node في حالة الاستقرار، وهو نفس جهد المصدر Voltage source. ولما امتلأ المكثف صار Open circuit، عشان كذا نقول إننا في Steady state المكثف يصير Open circuit.

ولكن فترة الشحن هذه بالنسبة للدائرة الكهربائية، زي ما قلنا، ممكن يصير فيها أشياء كثيرة ونسميها Transient Analysis. فالمكثف دائمًا يُشحن حتى يصل إلى جهد Steady state للعقدة التي هو موصول عليها، وبعدها نقدر نقول إننا دخلنا في Steady state بالنسبة للمكثف. ولازم نعرف أنه ما دام فيه شحن للمكثف فهناك تيار يمر في فرعه، حتى يصير Open circuit فما عاد يمر تيار.

التفريغ بعد فصل المصدر

طيب لو دخلنا الآن في Steady state ثم فصلنا الـ Voltage source، راح يصير معنا نفس الكلام ولكن معكوسًا: المكثف موجود عليه جهد بنفس جهد المصدر، فيحتاج يفرّغ هذا الجهد، وراح يفرّغه على المقاومة. والتفريغ هذا أيضًا راح يأخذ وقته؛ بالنسبة لنا هو وقت سريع جدًا، لكن بالنسبة للدائرة الكهربائية راح يكون بالملّي ثانية أو الميكروثانية، وهذا بالنسبة للدائرة وقت طويل جدًا.

فائدة المكثف على الحمل

فالآن ما فائدة المكثف لما ركّبته على المقاومة هنا؟ بهذا نكون ضمنّا أنه إذا فصلنا الـ Voltage source فجأة، أو صارت مشكلة فجأة، فلن ينقطع التيار عن المقاومة بشكل مفاجئ. وخلال هذه الفترة، ما دام المكثف يفرّغ الشحنة، يمدّينا نتصرف في الدائرة الكهربائية قبل الانقطاع النهائي للتيار. وهذه من أهم وظائف المكثف: أننا نحطه على التوازي Parallel مع الحمل، فيساعدنا في استقرار الجهد على هذا الحمل.