اضف ايمايلك لتصلك اخر الاخبار

الرئيسية درس حول الالكترونيات -المقاومات والمكثفات والمحاثات (Resistors, Capacitors and Inductors)-

المقاومات والمكثفات والمحاثات (Resistors, Capacitors and Inductors)
تبنى الدوائر الإلكترونية من نوعين رئيسين من العناصر الإلكترونية فالنوع الأول هي العناصر الفعالة (active components) كالترانزستورات والثنائيات بأنواعها المختلفة والنوع الثاني هي العناصر السلبية (passive components) كالمقاومات والمكثفات والمحاثات. وغالبا ما تكون العلاقة بين الجهد والتيار في العناصر الفعالة علاقة غير خطية (nonlinear) وتعتمد الدوائر الإلكترونية على هذه العلاقة غير الخطية للقيام بوظائفها المختلفة. أما في العناصر السلبية فإن العلاقة بين الجهد والتيار فيها علاقة خطية (linear) وتستفيد الدوائر الإلكترونية من هذه العلاقة الخطية للقيام بوظائف مكملة لوظائف العناصر الفعالة. وإلى جانب العناصر الفعالة والسلبية فإن الدوائر الإلكترونية تحتاج لمصدر تيار مباشر (power supply) كالبطاريات لكي يمدها بالطاقة اللازمة لتشغيلها.
المقاومات (Resistors)


المقاوم هو عنصر إلكتروني سلبي بطرفين يتم تصنيعه من مادة موصلة للكهرباء ولكن ذات مقاومية (resistivity) عالية نسبيا. وغالبا ما يستخدم الكربون لتصنيع المقاومات إما على شكل مسحوق كربوني يخلط بمسحوق مادة خزفية بنسبة معينة تحدد قيمة المقاومة أو على شكل فلم رقيق (thin film) من الكربون يلف بشكل حلزوني على محيط أسطوانة خزفية وبطول وعرض محددين. وفي التطبيقات التي تحتاج مقاومات صغيرة تتحمل تيارات عالية يتم 


تصنيع المقاوم على شكل سلك رفيع يلف حول أسطوانة خزفية. وتصنع المقاومات بقيم تتراوح بين المللي أوم ومئات الملايين من الأوم ولكن بقيم معيارية متعارف عليها بين الشركات الصانعة على شكل سلسلات كسلسلة E12 وسلسلة E24وغيرها من السلسلات. فعلى سبيل المثال فإن سلسلة E24 تحتوي على أربعة وعشرون قيمة تغطي المدى الواقع بين عشرة أومات ومائة أوم وبنفس عدد القيم للمدى الواقع بين مائة أوم وألف أوم وهكذا دواليك. ويمكن معرفة قيمة المقاومة من خلال أشرطة ملونة مطبوعة على سطح المقاوم يبلغ عددها أربعة أو خمسة أشرطة ففي الأربعة أشرطة فإن أول شريطين من اليسار يستخدمان لتحديد رقمين عشرين من قيمة المقاومة والثالث لتحديد عدد الأصفار التي تضاف لقيمة المقاومة والرابع لتحديد نسبة الخطأ في قيمة المقاومة الاسمية (tolerance) أما في حالة الخمسة أشرطة فإن أول ثلاثة أشرطة تستخدم لتحديد أول ثلاثة أرقام من قيمة المقاومة وذلك لزيادة دقتها.


 وكما هو معروف فإن العلاقة بين الجهد والتيار للمقاوم علاقة خطية يحكمها قانون أوم (Ohm's Law) فالجهد يساوي حاصل ضرب قيمة التيار في قيمة المقاومة المقاسة بالأوم نسبة لمكتشف هذه العلاقة أوم. ويحول المقاوم الطاقة الكهربائية المسلطة عليه بكاملها إلى طاقة حرارية حيث تساوي هذه الطاقة حاصل ضرب مربع قيمة التيار المار في قيمة المقاومة. وتصنع المقاومات بأشكال مختلفة كالمقاومات الثابتة والمتغيرة وبقيم مختلفة للتيارات والجهود والقدرات التي يمكن أن تتحملها دون أن تعطب. وكذلك تصنع بنسب مختلفة للخطأ في قيمها الاسمية (tolerance) حيث تتراوح نسب الخطأ بين واحد بالألف للأنواع الممتازة المستخدمة في التطبيقات الصناعية والعسكرية وعشرين بالمائة للأنواع الرديئة. وإذا ما وصلت المقاومات على التوالي فإن قيمة المقاومة المكافئة لها تساوي مجموع قيم المقاومات المنفردة أما إذا وصلت على التوازي فإن معكوس قيمة المقاومة المكافئة تساوي مجموع معكوسات كل قيمة من قيم المقاومات المنفردة. وتستخدم المقاومات في الدوائر الإلكترونية لأغراض مختلفة منها تحديد كمية التيارات التي تسري في الأجزاء المختلفة لهذه الدوائر وكذلك تحديد نقطة التشغيل (operating point) للترانزستورات والثنائيات الموجودة في هذه الدوائر. وتستخدم كذلك لتحويل تيارات الترانزستورات إلى جهود وذلك للحصول على كسب عالي بين الإشارات الداخلة والخارجة من المضخمات. وتستخدم المقاومات المتغيرة للحصول على جهد متغير القيمة من جهد ثابت وكذلك للحصول على قيم مقاومات محددة ودقيقة في حالة عدم توفر القيمة في المقاومات الثابتة. وتستخدم المقاومات في المصابيح والدفايات لتحويل التيار الكهربائي إلى طاقة ضوئية أو حرارية. 


المكثفات (Capacitors) 


المكثف عنصر سلبي بطرفين ويتكون من لوحين معدنيين رقيقين يفصل بينهما طبقة بسماكة محددة من مادة عازلة للكهرباء كالورق والزجاج والخزف والبلاستيك والميكا . وغالبا ما تتحدد خصائص المكثف المختلفة من نوع العازل المستخدم فالعوازل تتفاوت تفاوتا كبيرا في خصائصها الكهربائية من حيث قيم سماحيتها وجهودها الإنهيارية وتأثر سماحيتها بدرجة الحرارة والتردد. ويوجد نوعان من المكثفات وهي المكثفات اللامستقطبة (non-polarized) والتي لا تتأثر بقطبية الجهد المسلط عليها ولذا فإنه يمكن استخدامها في دوائر التيار الثابت والمتناوب والمكثفات المستقطبة (polarized) والتي تتأثر بقطبية الجهد المسلط عليها ولذا لا تستخدم إلا في دوائر التيار الثابت بحيث يكون قطبها الموجب موصولا بالطرف الموجب لمصدر الجهد. إن المكثف لا يمرر التيار الكهربائي المباشر من خلاله بسبب المادة العازلة وعلى هذا فإنه يعتبر دائرة مفتوحة (open circuit) للتيارات الثابتة ولكن عند تسليط جهد ثابت عليه فإن شحنات كهربائية موجبة وسالبة تتجمع على اللوحين منتجة مجالا كهربائيا ثابتا بينهما مما يجعله أداة لتخزين الشحنات الكهربائية. وتتناسب كمية الشحنة المخزنة على المكثف طرديا مع قيمة الجهد (Q = CV) ويسمى ثابت التناسب C بمواسعة (capacitance) المكثف والتي تقاس بالفراد (Farad) نسبة للعالم الشهير فارادي. وتتناسب قيمة المواسعة طرديا مع السماحية الكهربائية (permittivity) للمادة العازلة وكذلك مساحة اللوح الواحد وعكسيا مع سماكة الطبقة العازلة. وعلى العكس من المقاوم فإن المكثف المثالي لا يبدد الطاقة الكهربائية التي تمدها به مصادر الطاقة المختلفة بل يحتفظ بها إذا كان معزولا أو يفرغها في عناصر إلكترونية أخرى. وتتوفر المكثفات بقيم تتراوح بين البيكوفاراد (جزء من ألف بليون جزء من الفاراد) وعدة آلاف من الميكروفاراد (جزء من مليون جزء من الفاراد) بقيم معيارية متفق عليها بين الشركات الصانعة. ويمكن معرفة قيمة المكثف من خلال عدة أرقام عشرية مكتوبة عليها فالأرقام باستثناء الرقم الأخير تحدد الأرقام الأولى من قيمة المكثف أما الرقم الأخير فيحدد عدد الأصفار التي تضاف لقيمة المكثف وتكون القيمة بالبيكوفاراد أما نسبة الخطأ في قيمة المكثف الاسمية (tolerance) فتحدد من خلال الأحرف. وإذا ما تم فصل مصدر الجهد عن المكثف بعد شحنه فإنه يحتفظ بنفس قيمة الجهد على طرفيه وتساوي كمية الطاقة المخزنة في المجال الكهربائي نصف حاصل ضرب المواسعة في مربع الجهد (E = 0.5 C V2). ومن خصائص المكثف أنه يقاوم أي تغير للجهد المسلط على طرفيه فعند تسليط جهد متغير عليه فإن تيارا سيسري خلال المكثف تتناسب قيمته طرديا مع معدل تغير الجهد مع الزمن ويساوي ثابت التناسب قيمة مواسعة المكثف. وفي حالة تسليط جهد متناوب له شكل جيبي وتردد ثابت فإنه من السهل إثبات أن علاقة التيار بالجهد علاقة خطية يحكمها قانون أوم ( V = Xc I) ويسمى ثابت التناسب بالممانعة المواسعية ( capacitive reactance Xc) والتي تتناسب قيمتها عكسيا مع حاصل ضرب المواسعة C بالتردد f (Xc = 1/(2  f C)). هذا بالإضافة إلى أن الجهد والتيار في المكثف ليس لهما نفس الطور (phase) بل يتقدم التيار بمقدار ربع دورة (تسعين درجة) عن الجهد. وإذا ما وصلت المكثفات على التوازي فإن قيمة المواسعة المكافئة لها تساوي مجموع قيم المواسعات المنفردة أما إذا وصلت على التوالي فإن معكوس قيمة المواسعة المكافئة تساوي مجموع معكوسات كل قيمة من قيم المواسعات المنفردة وذلك على العكس من قانون المقاومات. ويستخدم المكثف في الدوائر الإلكترونية للقيام بمهام عدة منها عزل الجهود والتيارات الثابتة التي تحدد نقاط التشغيل للترانزستورات عن الدوائر التي تغذي الجهود والتيارات المتناوبة إليها. وتستخدم بوجود المقاومات والمحثات كمرشحات لترددات الإشارات (filters) بالاعتماد على خاصيتها الرئيسية وهي أن ممانعتها تنقص مع زيادة التردد. وتستخدم كذلك لمنع التيارات الثابتة من المرور مع التيارات المتغيرة وللتخلص من التيارات المتغيرة المصاحبة للتيارات الثابتة في المقومات (rectifiers). وتستخدم لتخزين الطاقة الكهربائية والإشارات الكهربائية لفترات قصيرة في تطبيقات كثيرة كما في فلاشات الكميرات وبعض أنواع الليزر وفي معالجة الإشارات. 
المحثات (Inductors) 
المحث عنصر سلبي بطرفين ويتكون من سلك معدني عالي الموصلية كالنحاس مثلا يتم لفه على جسم أسطواني الشكل بقلب هوائي أو من أي مادة عازلة أو بقلب حديدي وبعدد محدد من اللفات ولذا يسمى أحيانا بالملف (coil). وعند تمرير تيار ثابت في محث مثالي تبلغ مقاومة سلكه الصفر فإن الجهد الكهربائي المقاس على طرفيه يساوي صفرا. وهذا يعني أنه عند تسليط جهد ثابت عليه فإن التيار المار فيه سيبلغ قيمة لا نهائية ولهذا فإن المحث يتصرف كدائرة قصر (short circuit) للجهد الثابت وذلك على العكس من المكثف الذي يعتبر دائرة مفتوحة (open circuit) للجهد الثابت. ويولد المحث عند تمرير تيار ثابت من خلاله مجالا مغناطيسيا تتناسب قيمته طرديا مع قيمة التيار ويسمى ثابت التناسب L بمحاثة (inductance) المحث والتي تقاس بالهنري (Henry) نسبة للعالم المعروف جوزيف هنري. وتتناسب قيمة المحاثة للملف طرديا مع النفاذية المغناطيسية (permeability) لمادة قلب الملف وطرديا مع مربع عدد اللفات أما ثابت التناسب فيتحدد من أبعاد القلب وكذلك شكله. وتتوفر المحثات بقيم تتراوح بين أجزاء من الميكروهنري (جزء من مليون جزء من الهنري) وعدة مئات من المللي هنري (جزء من ألف جزء من الهنري) وبقيم معيارية متفق عليها بين الشركات الصانعة. ويمكن معرفة قيمة المحث من خلال نظام الأشرطة كتلك المستخدمة في المقاومات أو من خلال كتابة قيمة المحاثة عليه. وتساوي كمية الطاقة المخزنة في المجال المغناطيسي المتولد عن مرور تيار ثابت نصف حاصل ضرب المحاثة في مربع التيار (E= 0.5 L I2). ومن خصائص المحث أنه يقاوم أي تغير للتيار المار فيه فعند تمرير تيار متغير في المحث فإن قيمة الجهد المتولد على أطرافه تتناسب طرديا مع معدل تغير التيار مع الزمن ويساوي ثابت التناسب قيمة محاثة الملف والتي تقاس بالهنري (Henry). وفي حالة تسليط جهد متناوب ذي شكل جيبي وبتردد ثابت فإنه من السهل إثبات أن علاقة قيمة التيار بقيمة الجهد علاقة خطية يحكمها قانون أوم ( V = XL I) ويسمى ثابت التناسب الممانعة الحثية ( inductive reactance XL) والتي تتناسب قيمتها طرديا مع حاصل ضرب المحاثة L بالتردد f (XL = 2  f L)). هذا بالإضافة إلى أن الجهد والتيار في المحث ليس لهما نفس الطور (phase) بل يتأخر التيار بمقدار ربع دورة (تسعين درجة) عن الجهد. وإذا ما وصلت المحثات على التوالي فإن قيمة المحاثة المكافئة لها تساوي مجموع قيم المحاثات المنفردة أما إذا وصلت على التوازي فإن معكوس قيمة المحاثة المكافئة تساوي مجموع معكوسات كل قيمة من قيم المحاثات المنفردة كما في قانون المقاومات. ويستخدم المحث في الدوائر الإلكترونية للقيام بمهام كثيرة منها استخدامه بوجود المقاومات والمكثفات كمرشح لترددات الإشارات (filter) بالاعتماد على خاصيته الرئيسية وهي أن ممانعته تزداد مع زيادة التردد. ويستخدم المحث مع المكثف كدائرة رنين (resonant circuit) تستخدم في المذبذبات والمرشحات النطاقية. ويستخدم كذلك كخانق للترددات الراديوية (radio frequency choke RFC) حيث يمنع تسرب الترددات العالية إلى مصادر التغذية في الدوائر الإلكترونية.