شرح أنواع المكثفات الكهربائية وتطبيقاتها
تُستخدم المكثفات
الكهربائية بشكل واسع وشائع كعناصر الكترونية أساسية في الأجهزة الالكترونية
والكهربائية الحديثة. يعتبر المكثف من أقدم القطع الالكترونية المستخدمة في تاريخ
البشر، إذا أنه كان يستخدم منذ أكثر من 250 عاماً، حيث تمت دراسته وتصميمه وتطويره
واستخدامه على مرور تلك الأعوام. مع المزيد من التطور في التكنولوجيا، تأتي المكثفات
بأنواع مختلفة بناءً على تركيبها الداخلي والغرض من استخدام كل منها.
ومن هنا سيتم
عرض وشرح أكثر أنواع المكثفات الكهربائية شيوعاً وفائدة. وللتذكير فقط؛ المكثف هو عنصر
الكتروني لديه القدرة على تخزين الطاقة على شكل شحنة كهربائية، بحيث ينتج الفرق الكهربائي
عبر لوحاته الداخلية وهو يشبه بطارية صغيرة قابلة للشحن.
ما هو المكثف الكهربائي؟
المكثف عبارة
عن عنصر الكتروني خامل، يخزن الطاقة الكهربائية في مجال كهربائي، وتفريغه وقت
الحاجة. يُعرف مقدار تأثير ذلك المجال أثناء التخزين للمكثف بالسعة الكهربائية. يتكون
المكثف من الداخل من اثنين من الموصلات القريبة ويفصل بينهما مادة عازلة. إذا كانت
الألواح متصلة بمصدر الطاقة، فإن الشحنة الكهربائية تتراكم على تلك الألواح. تتراكم
الشحنة الموجبة على اللوح الأول، بينما تتراكم الشحنة السالبة على اللوح الآخر.
طريقة حساب السعة الكهربائية في المكثف
ما هي السعة الكهربائية؟
السعة هي نسبة
الشحنة الكهربائية (Q) إلى الجهد (V)
ويمثل بالعلاقة الرياضية:
C = Q / V
حيث أن:
C:
مقدار السعة الكهربائية بوحدة الفاراد.
Q: مقدار الشحنة الكهربائية بوحدة الكولوم.
V: مقدار فرق الجهد
الكهربائي بين اللوحين.
أنواع مختلفة من المكثفات الكهربائية واستخداماتها
أهم أنواع
المواسعات الكهربائية الشائعة الاستخدام هي:
1-
المكثف الكهربائي القطبي
(الإلكتروليت) Electrolytic
Capacitor
2-
مكثف الميكا Mica Capacitor
3-
المكثف الورقي Paper Capacitor
4-
مكثف الصفائح الغشائية
الكربونية Film
Capacitor
5-
المكثف غير القطبي Non-polarized Capacitor
6-
مكثف السيراميك Ceramic Capacitor
الشكل التالي
يوضح أشكال وأنواع المواسعات المذكورة
المكثف الكهربائي القطبي (الإلكتروليت)
بشكل عام، يتم
استخدام المكثفات القطبية الكهربائية، عندما تكون قيم المكثف الكبيرة مطلوبة أي
عند طلب مواسعة عالية نسبياً.
يتم استخدام طبقة
الغشاء المعدني الرقيق لقطب واحد هو الأنود Anode (أي القطب الموجب)، بينما يتم استخدام محلول إلكتروليت
شبه سائل على شكل هلام أو معجون للقطب الثاني السالب (الكاثود) Cathode. أما الصفيحة العازلة، فهي عبارة عن طبقة رقيقة
من الأكسيد، يتم تطويرها وانتاجها بتقنية الكيمياء الكهربائية بسماكة الفيلم، وأقل
من عشرة ميكرون.
هذه الطبقة العازلة
رقيقة جداً وللغاية، ومن الممكن صنع مكثفات ذات قيمة كبيرة في السعة الكهربائية
تتناسب مع حجمها المادي، كما وأن صغر المسافة بين اللوحين يساعد على إتمام تلك
المهمة. يتم استقطاب أنواع المكثفات في غالبية مكثفات الإلكتروليت، أي تعمل على جهد
من النوع المباشر DC، يتم تطبيقه على طرفي المكثف، ويجب
أن يكون توصيل قطبية الأطراف بالشكل الصحيح.
ماذا يحدث عند عكس الأقطاب في المكثف؟
يجب الالتزام
ومراعاة توصيل الأقطاب في المواسعات الكهربائية، في حالة عكس توصيل أقطاب المواسع
في الدارة، أي إذا كان الطرف الموجب للمكثف موصول بالطرف السالب لمصدر الطاقة، الطرف
السالب للمكثف موصول بالطرف الموجب لمصدر الطاقة، ستكون قطبية غير صحيحة، وستكسر طبقة
الأكسيد العازلة وتتفتت، وسيكون هناك ضرر دائم في المكثف. جميع المكثفات الإلكتروليتية
المستقطبة لها قطبية يتم الإشارة اليها بشكل واضح، وعادة ما تكون معلمة بلون مختلف
عن لون هيكل المكثف.
عادة ما تكون
استخدامات المكثفات الإلكتروليتية في دائرة تزويد الطاقة التي تعمل على جهد مستمر
أي DC؛
وذلك لأنها كبيرة في
السعة الكهربائية وصغيرة في انتاج تموجات الجهد غير المرغوب بها. من أهم تطبيقات هذه
المكثفات الإلكتروليتية هي الاقتران والفصل Coupling and Decoupling. أما عيب هذه المكثفات الإلكتروليتية
هو تصنيف الجهد المنخفض نسبياً بسبب خاصية الاستقطاب في هذا المكثف الإلكتروليتي.
مكثف الميكا
يتكون هذا المكثف
من مجموعة من المعادن الطبيعية وأشهر أنواع مكثفات الميكا هي مكثفات الميكا الفضية
والتي تكون أيضاً معزولة كهربائياً من الخارج.
هناك نوعان من
المكثفات الميكا وهي المكثفات المثبتة Clamped Capacitor ومكثفات الميكا الفضية Silver Mica Capacitor. لكن مكثفات الميكا المثبتة هي مكثفات قديمة،
قد عفا عليها الزمن ولن تعد تراها بكثرة بسبب كثرة السيئات في خصائصها.
يتم إعداد وصنع
مكثفات الميكا الفضية عن طريق صفيحة الميكا المغلفة بالمعدن من كلا الجانبين، ثم يتم
تغليف هذه المجموعة في مادة الإيبوكسي لحماية البيئة من العناصر الملوثة. تُستخدم مكثفات
الميكا في التطبيقات التي تتطلب تصميم يكون فيها المكثفات مستقرة، موثوقة وصغيرة الحجم
نسبياً.
إن أبرز
ميزات المكثفات من هذا النوع هو الاستقرار العالي والكفاءة المطلقة، حيث أنها تستخدم
على ترددات عالية بسبب استقرارها للغاية سواء كيميائياً أو كهربائياً أو ميكانيكياً،
حيث يعود سبب ذلك الاستقرار الى تركيبه البلوري المحدد وهو هيكل متعدد الطبقات. إن أكثر أنواع الميكا استخداماً وشيوعاً هي المسكوفيت
Muscovite والميكافلوبيت Phlogopite Mica. حيث أن مكثفات الميكا من النوع المسكوفيت أفضل
في الخواص الكهربائية عن الأخرى، بينما الميكافلوبيت تتمتع بمقاومة درجات الحرارة العالية.
مكثف الورق
يتكون المكثف
الورقي من الداخل من لوحين من رقائق القصدير أو الألومنيوم يتم فصلهما عن طريق الورق،
أو الورق المشحم، وحتى طبقة الشمع الرقيق. ثم يتم لف تلك الرقائق والأوراق الرقيقة
على شكل أسطواني ثم يوضع في كبسولة بلاستيكية.
في بداية
الأمر، كان الورق هو بمثابة البنية الأساسية المكونة لهذا النوع من المواسعات، أما
في يومنا الحاضر فيتم استبدالها بمواد بلاستيكية، على الرغم من بقاء تسميتها
المواسعات الورقية. مقدار المواسعة أو السعة الكهربائية لهذه المكثفات هي من 0.001
ميكروفاراد الى 2 مايكروفاراد. أما مقدار فرق الجهد التي تعمل عليه المكثف الورقي
فهو عالي جداً ويصل الى 2000 فولت.
مكثف الفيلم الكربوني
مكثفات الفيلم
الكربونية هي مكثفات تستخدم البلاستيك الرقيق كمادة عازلة. يتم تصنيع مكثف الفيلم
الكربوني بشكل رفيع للغاية باستخدام تقنية عملية رسم الفيلم المتطورة. في بعض
الأحيان، يتم تصنيع الفيلم بشكل معدني أي تعدينه، اعتماداً على خصائص المكثف
المطلوبة. وللحماية من العامل البيئي من أكسدة وضربات فيزيائية، يتم إضافة الأقطاب
الكهربائية من الخارج.
هناك أنواع مختلفة
من مكثفات الأفلام الكربونية المتاحة مثل مكثف فيلم البوليستر، مكثف فيلم المعدنية،
المكثف ذات غشاء البولي بروبلين، ومكثف الـ PTE، ومكثف ذات غشاء البوليسترين. الفرق الأساسي
بين أنواع المكثفات هذه هو المادة المستخدمة من حيث قيمة العزل. ويجب أن يتم اختيارها
بشكل صحيح وفقاً لخصائصها. أما خصائص مكثفات الفيلم الكربوني هي الثبات، الحث المنخفض،
والتكلفة المنخفضة.
المواسعات من
النوع PTE Film هي مكثفات مقاومة للحرارة وتستخدم
في تقنيات الفضاء الخارجي والتكنولوجيا العسكرية. يستخدم مكثف فيلم البوليستر المعدني
في التطبيقات التي تتطلب استقرارا في العمل لمدة طويلة عند درجات حرارة منخفضة
نسبياً.
المكثفات غير المستقطبة
يتم تصنيف المكثفات
غير المستقطبة إلى نوعين من المكثفات هما؛ المكثفات البلاستيكية، والآخر هو المكثف
الإلكتروليتي غير المستقطب.
مكثف الرقائق
البلاستيكية والمكثفات الإلكتروليتية من هذا النوع غير مستقطبة. وبشكل عام، يتطلب المكثف
غير المستقطب تطبيقات التيار المتردد على التوالي أو بالتوازي مع الإشارة أو مصدر الطاقة.
من الأمثلة
والتطبيقات العملية لمثل هذا النوع من المكثفات هي مفلترات مكبر الصوت Speaker Crossover Filters وشبكة تصحيح معامل القدرة Power Factor Correction Network. في هذين التطبيقين، يتم تطبيق
إشارة جهد متردد AC كبيرة عبر المكثف غير
المستقطب.
مكثف السيراميك أو الخزفية
المكثفات الخزفية
هي مكثفات تستخدم مادة السيراميك كعازل كهربائي. يعتبر السيراميك من أول المواد التي
تستخدم في إنتاج المكثفات كعازل كهربائي وبيئي.
هناك العديد من
الأشكال الهندسية المستخدمة في المكثفات الخزفية كالمكثفات ذات الشكل الأنبوبي الخزفي،
ومكثفات الطبقات والتي تختلف عن بعضها
البعض عن طريق حجمها أو التأثيرات الخارجية كالحرارة أو الخصائص الكهربائية. النوعان
الشائعان من المكثفات الخزفية أو مكثفات السيراميك هما المكثفات الخزفية متعددة الطبقات
(MLCC) ومكثفات الأقراص الخزفية.
يتم تحضير
وصناعة بعض من المكثفات الخزفية متعددة الطبقات باستخدام تقنية التثبيت السطحي (أي
على السطح) (SMD) والتي هي أصغر حجماً، وبالتالي
يتم استخدامها على نطاق واسع. عادة ما تكون قيم المكثفات الخزفية ما بين 1 نانو
فاراد (1nF) و 100 ميكر فاراد (100 µF).
يتم تصنيع مكثفات
السيراميك وخاصة مكثفات القرص الخزفي من خلال طلاء القرص الخزفي بموصلات فضية على كلا
الجانبين لتحقيق السعة الأكبر، حيث يتم إدراج عدة طبقات منها. تمتلك المكثفات الخزفية
استجابات عالية التردد، وذلك بسبب التأثيرات المصاحبة مثل المقاومة والحث
الكهربائي.