وصل المكثفات Combination of Capacitors

 وصل المكثفات على التوالي Capacitors in series

يوضح الشكل  ثلاثة مكثفات متصلة على التوالي وبتطبيق قانون الجهد لكيروشوف نجد أن فرق الجهد الكلي يساوي مجمع
الجهود الثلاثة .
فإذا تصورنا أن التيار هو معدل الشحنات المارة على فترة زمنية معينة وأن التوصيل على التوالي يعني مرور التيار واحد في عناصر مختلفة .
فإن المكثفات المتصلة على التوالي تتسبب في تجمع شحنات متساوية على صفيحتيها كما يوضح ذلك الشكل لذلك فإن فرق الجهد عبر كل منها هو عبارة عن النسب بين شحناتها المتساوية وسعاتها المختلغة وعلى ذلك فإن.  

وتوضح المعادلة الأخيرة أن مقلوب السعة المكافئة لعدد من المكثفات المتصلة على التوالي يساوي مجموع مقلوب سعاتها.

وصل المكثفات على التفرع  Capacitors in Parallel

يبين الشكل ثلاثة مكثفات متصلة على التوازي ونلاحظ بأن لكلة منها فرق الجهد نفسه أما الشحنات المتجمعة على كل صفيحة من صفائح المكثف فمختلغة . حيث إن الشحنة الداخلة إلى عدد من المكثفات المتصلة على التوازي يساوي مجموع الشحنات المتجمعة على كل مكثف . وعلى ذلك فإن:

المكثفات في دوائر التيار المستمر Capacitors with DC

شحن المكثف Charging of a Capacitor

الدائرة التالية توضح عملية شحن المكثف ٠

• ● عند اغلاق المفتاح  تمر الإلكترونات من اللوح العلوي لتصل إلى اللوح السفلي للمكثف لتتج عنها شحنة موجبة للوح العلوي وسالبة للوح السفلي.
• ● حركة انتقال الإلكترونات تكون سريعة جدا في البداية وتتباطأ عندما يقترب فرق جهد المكثف V_c من الوصول الى قيمة جهد المصدر (V_s).
• ● عندما يتساوى جهد المكثف مع جهد المصدر تتوقف حركة الإلكترونات لتكون قيمة الشحنة على اللوحين
  Q = C×V_c

• ● عند لحظلة غلق المفتاح t=0s يقفز التيار إلى أعلى قيمة له والتي تتحدد من العلاقة  I_c=E/R  ، وعند نهاية الشحن ينحدر التيار إلى الصفر I_c=o  .
• ● ان قيمة التيار تكشف عن ان كمية الشحنة على الزمن التي تصل إلى اللوح تقل أيضا من العلاقة  I_c=Q/C
• ● الجهد بين لوحي المكثف له أيضا علاقة مباشرة بالشحنة وذلك من العلاقة V_c=Q/C
• ● عندما يتوقف انسياب الشحنة فإن التيار يساوي صفرا و يثبت الجهد عند قيمة معينة،و عند هذه النقطة يعتبر المكثف دائرة مفتوحة.

أي أن جهد المكثف يساوى جهد المصدر عند (نهاية الشحن) .

•  ● عند الرجوع إلى الوراء وفى لحظة إغلاق المفتاح يكون المكثف دائرة مغلقة لأن التيار يكون أقصى ما يمكن.

منحنيات دارة شحن المكثف RC Charging Circuit Curves

 الشكلان التاليان يوضحان العلاقة بين كل من جهد المكثف وتيار المكثف مع الزمن في حال الشحن .
 
بالانطلاق من العلاقة المعروفة :  Q=CV وبتفاضل طرفي المعادلة بالنسبة للزمن نحصل على معدل مرور الشحنة الكهربائية وهو ما يسمى بالتيار الكهربائي كما يلي : 

وبتطبيق قانون كيروشوف للجهود على الدائرة الكهربائية في الشكل Fig1 نحصل على العلاقات التالية : 

 

نلاحظ أن المعادلة الأخيرة هي معادلة زمنية من الرتبة الأولى وحلها الرياضي القياسي على الصورة التالية :

الصيغة الرياضية لعلاقة منحنى الجهد في الشحن

حيث :

• Vc : الجهد على المكثف
• Vs : جهد المصدر supply voltage
• t : الوقت المنقضي منذ بدء تطبيق الجهد Vs
• RC : ثابت الزمن لدارة الشحن 

 أي أن الجهد يزيد بعلاقة لوغاريتمية مع الزمن (علاقة طردية)

بالعودة للشكل Fig1 يمكن حساب قيمة تيار الشحن كما يلي : 

 

 وبالتالي تصبح علاقة تيار الشحن :

الصيغة الرياضية لعلاقة منحنى التيار في الشحن

 أي أن التيار ينخفض بعلاقة لوغاريتمية مع الزمن (علاقة عكسية)

ولإيجاد الجهد خلال المقاومة في دائرة المكثف نستعين بقانون أوم ومن الشكل Fig 1 :

الثابت الزمني τ

المعامل  τ=RC يسمى الثابت الزمني (time constant ) ويعبر عن الزمن الذي يستغرقه المكثف ليصل إلى 63% من القيمة النهائية للشحن .

يمكن مراجعة الموضوع المفصل التالي عن ثابت الشحن

الزمن الازم لإتمام شحن المكثف (يصل جهد المكثف إلى 99% من قيمته النهائية ) هي خمسة أضعاف الثابت الزمني 

زمن الشحن = τ = 5t

زمن التفريغ = τ = 5t

تفريغ المكثف Discharging  of a Capacitor

• الدائرة التالية توضح عملية تفريغ المكثف وهنا يكون المكثف في حالة تفريغ (أي غير موصل بمصدر الجهد).
• يصبح المكثف هو مصدر التغذية للدائرة ويتغير اتجاه التيار كما في الدائرة التالية:
  بتغير اتجاه التيار تتغير أقطاب المقاومة R
•  يبدأ انخفاض الجهد الكهربائي على المكثف وتأخذ قيمة التيار في الانخفاض تدريجياً .
•  عندما يصل جهد المكثف إلى 0=V_c فإن مرور التيار ينقطع .
• بمنطق مماثل لاستنتاج معادلات الشحن نستطيع استنتاج معادلات التفريغ وتكون بالتالي معادلات المكثف في حالة التفريغ

حيث :

• Vc : الجهد الواقع على المكثف
• Vs : الجهد الواقع على المكثف عند بداية التفريغ
• t : الوقت المنقضي منذ إزالةمصدر الجهد Vs
• RC : ثابت الزمن لدارة الشحن  
• V_R :  الجهد على المقاومة 
• I_c  : تيار التفريغ

يلاحظ أن الإشارة السالبة عند معادلة تيار التفريغ تدل على أن تيار التفريغ في عكس جهة تيار الشحن 

منحنيات دارة تفريغ المكثف RC Discharging Circuit Curves

الشكلان التاليان يوضحان العلاقة بين كل من جهد المكثف وتيار المكثف مع الزمن في حال التفريغ .

 في التطبيقات العملية تتم عمية التفريغ والشحن في خمس مراحل زمنية ثابتة (5T) وذلك من خلال تفيير وضع المفتاح ما بين وضعي الشحن والتفريغ كما نلاحظ في الشكل
التالي من خلال العلاقات VR , ic ,vc مع الزمن مع الأخذ بعين الاعتبار تفير اتجاه التيار للمكثف عند الانتقال من مرحلة الشحن إلى التفريغ وكذلك أقطاب المقاومة.

المكثفات المتغيرة Variable Capacitor

 المكثفات المتغيرة

المكثفات المتغيرة (Variable Capacitors) هي متسعات تُعدّل قيمة سعتها من خلال إدارة عمود محوري أو برغي محوري. وتستخدم هذ٥ المتسعات في الأغلب في دارات الترددات الراديوية، ونجد منها صنفين:
1-الضابطة (Tuning).
2-المشذّبة (Trimmer).
ويمكن لعوازلها الكهربائية أن تكون من مادة البلاستيك، أو السيراميك، أو الزجاج، او الهواء.

 

المتسعات الضابطة  Tuning Cap

إن المثسعة الضابطة (Tuning Capacitors) هي عبارة عن متسعة متغيرة ذات عازل كهربائي وهوائي مكونة من صفائح تتحرك ضمن صفائح أخرى لتغيير إجمالي قيمة السعة. يبين الشكل أن المتسعة الضابطة الواحدة مكونة من عدة صفائح من الألمنيوم تعرف بالدوار (Rotor) مثبتة على عمود محوري بحيث تتداخل هذ٥ الصفائح مع مجموعة مناظرة من صفائح الألمنيوم تعرف بالساكن (stator) ومركبة على مباعد صلب (Rigid Spacor).
عندما يُدار العمود المحوري الدوار بالقبضة تتحرك الصفائح الدوارة إلى الداخل أو إلى الخارج بين صفائح الساكن من دون ملامستها. إن التغير في وضعية القبضة يغير من قيمة السعة، وهي متناسبة مباشرة مع المساحة البينية للصفائح المتداخلة. تتراوح قيم السعة لهذه المتسعات بين 1 pF و500 pF. تستخدم هذ٥ المتسعات في مستقبلات الراديو (Radio Receivers)، ومرسلات الراديو (Transmitters) والمذبذبات (Oscillators).

المتسعات المشذبة Trimmer Cap

إن المتسعات المشذبة (Trimmer Capacitors) هي متسعات متغيرة صغيرة مصنعة
مع عازل كهربائي من الهواء، أو من السيراميك، أو من البلاستيك، أو من الزجاج أو
من غيرها من المواد. تستخدم هذ٥ المتسعات في الضبط الدقيق لدارات الترددات الراديوية. تتراوح قيمة سعتها بين 2 pF وpF 100. تصع هذ٥ المتسعات بأشكال مختلغة، ويتم تفيير قيمة السعة بتغيير المسافات البينية بين الصفائح بإدارة برغي التضبيط المحوري٠

أنواع المكثفات

أنواع المكثفات :

تقسم المكثفات إلى الكتروستاتيكية (Electrostatic) والكتروليتية (Electrolytic). وللمكثفات الإلكتروستاتيكية عوازل كهربائية يمكن أن تكون هوائية أو من بعض المواد العازلة الصلبة كفشاء من البلاستيك، أو من السيراميك، أو من الزجاج أو الميكا (Mica). وتجدر الاشارة إلى آن المكثفات ذات العازل الكهربائي من الورق لم تعد تعد ضمن مجموعة الإلكترونيات.

من ناحية أخرى، تصنف المكثفات الإلكتروليتية (Electrolytic) إلى ألمنيوم (Aluminum) أو تانتاليوم (Tantalum)، لأن هذين المعدنين يكونان عوازل كهربائية ذات غشاء أكسيدي بمعالجة كهروكيميائية (Electrochemical). ويمكن أن يتكون لها أنود (Anode) من رقاقة مبللة، أو كتلة مبللة، أو كتلة جافة.

1- المكثفات الكتروستاتيكية (Electrostatic Capacitor)

إن للمكثفات الكهروستاتيكية (Electrostatic Capacitor) عازل كهرائي من غشاء بلاستيكي أو مادة الميكا أو الزجاج، أما صفيحتاها أو  فتصنعا من ورقة معدنية رقيقة، أو من معدن مترسب على العازل الكهربائي. تتكون صفائح المكثفات السيراميكية أو الخزفية من أحبار المعادن الثمينة التي تغربل على السيراميك قبل خبزها بالأفران الكهربائية.

المكثفات الفيلمية Film Capacitors

وهي من المكثفات المشهورة جدا ولها أنواع مختلفة بسحب نوع العازل المستخدم في صناعة المكثف فنجد مثلا :

Film Capacitor

• المكثفات البلاستيكية Plastic
• المكثفات بوليستر Polyester
• المكثفات  بوليبروبيلين Polypropylene
• المكثفات البوليكربونات Polycarbonate

 تأتي هذه المكثفات بأشكال متنوعة وأحجام مختلفة ولكن هناك شكلين مشهورين للمكثفات :

1- المكثفات من النوع القطري Radial Lead Type

2- المكثفات من النوع المحوري Axial Lead Type

 ولها مجال واسع من القيم تتراوح بين 5pF إلى 100uF 

 المكثفات البلاستيكية Plastic-Film Capacitors

كما هو مبين في الشكل ، تتشكل مكثفات الغشاء البلاستيكي (Plastic-Film Capacitors) بلف غشاء عازل بلاستيكي رقيق مع غشاء معدني رقيق أو غشاء عازل رقيق مُمَعدن على شكل أسطوانة مع طرفين موصلين.

مكثفات Polyester

يعد الغشاء البوليستري (Polyester Film) أو المعروف باسم ميلر (Mylar) من أكثر العوازل الكهربائية الغشائية (Film Dielectrics) شيوعأ في الاستخدام العام في المكثفات الغشائية. إنه يسمح بمكثفات صغيرة بالمقارنة بوحدات مصنوعة من أغشية أخرى ولها نفس التقدير. كما أن هذه المكثفات تظهر تسرباً صئيلا، وتعاملات حرارية معتدلة أعلى، من 55C- إلى 85C، ومعاملات معتدلة في تبديد الحرارة. ويبلغ التفاوت في السعة حوالى 10 في المئة. تستخدم الأغشية والرقاقات على نطاق واسع في المنتجات الاستهلاكية الإلكترونية.

مكثفات Polypropylene

تضيف أغشية البوليبروبيلين (Polypropylene) إلى المكثفات صفات أكثر أهمية من تلك المصنعة من البوليستر (Polyester). إذ تستخدم مكثفات البروبيلين في تطبيقات الترددات العالية والضئيلة على السواء. تتطابق المكثفات المصنوعة من البلاستيك وتلك المصنوعة من البوليسترين، إلا أن للمكثفات المصنوعة من البلاستيك تقديرات أعلى في تحمل التيار المتناوب من تلك الخاصة بالمكثفات البوليسترية. يمكن لمكثفات البوليبروبيلين أن تعمل على 105C، ولها كفاءة حجمية (Volumetric Efficiency) أفضل من المتسعات ذات البوليستر .

 مكثفات Polycarbonate

تؤمن مكثفات أغشية البوليكربونات (Polycarbonate) عوامل تبديد وسعة مستقرة (Capacitance Stability) متقاربة من صفات متسعات البوليسترين. وهي بالإضافة إلى ذلك تعطي ثباتاً عالياً في العزل المقاوم (isulation Resistance). تتراوح درجة حرارتها التشغيلية بين 55C- و150 مع تفاوت بالسعة 5 في المئة. وتستخدم هذ٥ المكثفات بشكل واسع في التطبيقات العسكرية.

مكثفات الميكا Mica Capacitors

لهذه المكثفات (Mica Capacitors) عوازل رقيقة مستطيلة الشكل مصنوعة من صفائح الميكا، وهو من المعادن الطبيعية. ويتراوح ثابت العزل الكهربائي للميكا بين 6 و8 .

 تتكون إلكتروداتها (Electrodes) إما من صفائح الميكا وإما من أغشية الفضة الرقيقة المغربلة (Screened) والمخبوزة (Fired) فوق مادة الميكا و تعد مكثفات  الميكا الفضية من أكثر المكثفات المستقرة ميكانيكيا، وهي توفر خصائص أكثر انتظاماً من مكثفات الرقائق والميكا.

المواصفات الأساسية :

1. من أكثر المكثفات سعرا رغم أن لها قيم سعات صغيرة 
2. تمتاز باستقرارية كبيرة في درجات الحرارة 
3. تستخدم في دوائر الجهد العالي لتحملها قيم جهد عالية 
4. تستخدم في دوائر الترددات العالية RF Applications
5. تستخدم بشكل كبير في دوائر الرنين والفلاتر 

Ceramic Capacitor

المكثفات السيراميكية Ceramic Capacitors

تتكون صفائح المكثفات السيراميكية أو الخزفية من أحبار المعادن الثمينة التي تغربل على السيراميك قبل خبزها بالأفران

الكهربائية. ولها شكل عدسي وتمتاز بحجمها الصغير وشكلها المميز كما تمتاز باستقرارية عالية في الترددات العالية وهي مكثفات غير مستقطبة وتأتي عادة على شكل قرص عدسي وتستخدم غالبا في دوائر التيار المتردد كمكثفات تمرير للأرض by-pass capacitors وتتراوح قيم سعاتها بين 1 pF إلى 1  μF .

2- المكثفات الكتروليتية (Electrolytic)

Electrolytic Capacitor

 تختار المكثفات الالكتروليتية (Electrolytic Capacitors) حيث تكون السعة المطلوبة عالية القيمة وفي أقل حيز متاح (كفاءة حجمية عالية (High Volumetric Efficiency). يطلق على هذه الخاصية نسبة سعة حجم (cv) عالية. تتكون المكثفات
مع ذلك فإن تسرب التيار في المكثفات الإلكتروليتية هو أكبر منه في المكثفات الكهروستاتيكية (Electrostatic Capacitors)، ويعود ذلك لوجود الشوائب المندمجة في الرقاقة وفي المحلول الكهربائي (Electrolyte). ويزداد هذا التيار مع ازدياد درجة الحرارة في حين تنخفض فولتية الانهيار مع درجة الحرارة. إن للمكثفات الإلكتروليتية عوامل قدرة أعلى بالمقارنة مع المكثفات الكهروستاتيكية، ما يؤدي إلى فقد (Loss)، يعرف بـ(( المقاومة المكافئة على التسلسل)) (Equivelant Series Resistance - ESR).

الالكتروليتية بأساليب كهروكيميائية (Electrochemical)، حيث يتغلغل العازل الكهربائي الأكسيدي في وعلى مسامات الألمنيوم ورقاقات وكريات (Pellets) التنتاليوم. تُنَمش (Etched) الرقاقات المعدنية بالحمض حتى تصبح مسامية، فتزيد بذلك كفاءة المساحات المتعرضة من 6 إلى 20 مرة. لقد بات بالإمكان صنع نسبة سعة حجم عالية بواسطة الطبقات المؤكسدة الرقيقة المتكونة على صفائح المتسعات. وكذلك صُنّعت الكريات بحيث تكون مسامية آو إسفنجية ولها أسطح متعرضة واسعة جدأ.

الخواص الأساسية :

1.  مكثف مستقطب أي له + و - 
2. يستخدم مادة الكتروليتية تعمل عمل المادة العازلة 
3. يتحمل جهود منخفضة حوالي 15 فولت 
4. لكن بالمقابل يمتاز بسعات عالية تصل إلى 1000μF

تصنف المكثفات اللكتوليتية إلى نوعين أساسيين هما :

• مكثفات الألمنيوم الإلكتروليتية Aluminum Electrolytic Capacitors
• مكثفات التانتاليوم الإلكتروليتية TantalumElectrolytic Capacitors

مكثفات الألمنيوم الإلكتروليتية Aluminum Cap

تصنع هذه المكثفات من طبقات بينية من فواصل ورقية منقوعة في إلكتروليت بين شريحتين من رقاقة الألمنيوم المنمّشة،  تمنع فواصل الورق من حدوث دارة قصر بين رقاقات الكاثود والأنود. تُدخل طبقات المواد في علبة من الألمنيوم بعد أن يتم لفها على طريقة الفطيرة الهلامية (Jelly-Roll). ويتم وصل التوصيلات الخارجية من الإلكترودات إلى مرابط أو أطراف خارجية (Outside Terminals) للعلبة. يمرر التيار المستمر (DC) عبر مربطي المتسعة، محدثاً طبقة عازل كهربائي رقيقة من أكسيد الألمنيوم على الأنود. يكون الإلكتروليت الملامس للرقاقة هو الكاثود. وتحدد إشارة موجبة (+) للمربط الموجب لمتسعة الألمنيوم الإلكتروليتية.

يوفر هذا النوع من المثسعات نسبة سعة - حجم عالية بأسعار قليلة؛ لكنه يظهر درجة تسرب عالية للتيار المستمر (DC) ومقاومة عزل صئيلة. ثم إن لهذه المكثفات أعماراً محذدة للخزن (Limited Shelf Lives)، وتفقد سعتها قيمتها مع الوقت.

ملخص الخواص العامة  :

• مكثف مستقطب ورخيص الثمن
• لا يتمتع بدقة عالية في السعات ولكن يمتاز بأنه يملك قيم كبيرة جدا من السعات بين 1 إلى 47000
• لا يتحمل جهود عالية 
• لا يستعمل في دوائر التيار المتردد
• يستخدم كثيرا في دوائر التنعيم ومنع التيار المستمر والفلترة
• يستخدم في عملية التخزين delly لأن قيم سعاته عالية جدا 
• بنيويا هو من النوع المحوري

مكثفات التانتاليوم الإلكتروليتية Tantalum Cap

لمكثفات التنتاليوم عادة تقديرابت سعة - حجم أعلى من تقديرابت مكثفات  الألمنيوم الالكترويية لقيم السعة ذاتها. أما ثابت العازل الكهربائي المشكّل، أكسيد التتتاليوم (Ta2O5)، فاكبر بمرتين من ثابت العازل الكهربائي أكسيد الألمتيوم. وجمع مكثفات التتتاليوم مستقطبة. وهي كمجموعة تتمع بقدرة تخزين طويلة، ومواصفات تشغيلية مستقرة، ونطاق واسع من درجات الحرارة التشغيلية، ولها نسب سعة - حجم أعلى من متسعات الألمنيوم الالكتروليتية. ومع ذلك فهي أغلى بالمقارنة هع متسعات الألمنيوم ذات التقدير نفسه ولها فولتية تقديرية أقل.

وتصنع مكثفات التانتاليوم الإلكتروليتية (TantalumElectrolytic Capacitors) بثلاث طرق: 

1-الرقاقة الرطبة (WetFoil).

2-الأنود الرطب (Wet Anode).

3-الأنود الصلب (Solid Anode).

متسعات أنود التنتاليوم الرطب

كما هو ظاهر في الشكل ، تتألف متسعات انود التنتاليوم الرطب (— Wet Anode Tantalum Capacitors) من انود كُرية تتتاليوم مسامية، يتم تكوينها بضغط مسحوق التتتاليوم الناعم مع ماذة لاصقة (Binder) في قالب، وتخبز في فرن فراغي على درجة حرارة 2000C. تُلحِم الحرارة المسحوق وتحوله إلى كرية اولبّادة صلبة اسفنجية ذات مساحة فعالة كبيرة. بعد ذلك، ينمى غشاء رقيق من مادة اكسيد التنتاليوم يتفاعل كهروكيميائي على الكرية ومن ثم يضاف الإلكتروليت. عند التوضيب بأوعية فعضية او من التنتاليوم تزداد نسبة سعة- حجم لهذه المتسعامت ثلالث مرات اكثر من متسعات رقاقة التنتاليوم الرطبة. 

 متسعات أنود التنتاليوم الصلب

 كما يبين الشكل  ، تصع أيضاً متسعات أنود التنتاليوم الصلب (Solid — Anode Tantalum Capacitors) من أنود كرية (Pellet) مسامية. يتم كيميائياً ترسيب غشاء رقيق من ثاني أكسيد المنغنيز (Manganese Dioxide) على عازل أكسيد التنتاليوم الكهربائي، الذي يعمل كإلكتروليت وككاثود صلب. ولاكمال توصيلات الكاثود بستخدم طبقة من الكربون وطلاءً موصلاً٠ إن أكثر متسعا التنتاليوم شيوعأ والأقل تكلفة متوفرة مع أطراف محورية أو شعاعية٠ يتم تغطيس المتسعة أو قولبتها في راتنج بلاستيكي لتشكيل أغلغة واقية. بعض المتسعات يتم توضيبها داخل علب من التنتاليوم لتوفير حماية أكبر من الأجواء المحيطة. تتميز متسعات أنود التنتاليوم الصلب هذ٥ بعمر أطول وتسريب أقل للتيار من أي نوع آخر من متسعات التنتاليوم. تتراوح قيم السعة بين 0.1μF  و680μF، بتفاوت يتراوح بين 10 في المئة و20 في المئة، وفولتية تصل إلى 50 V كحد أقصى. أما التقديرات الأكثر استعمالأ فهي تتراوح بين  1μF و 10 μF .

ملخص المواصفات العامة  لمكثفات Tantalum Cap :

• مكثف مستقطب 
• له مجال واسع من القيم من 47nF إلى 47μF ولا يصل إلى ألاف μF كما النوع السابق
• لا يتحمل جهد عالي
• يستخدم في التنعيم والربط
• يمتاز باستقرارية عالية أكثر من مكثفات الألمنيوم

 

المكثفات الفائقة السعة Ultracapacitors

 المكثف الالكتروكيميائي هو الاسم العلمي للمكثف الفائق، و أحياناً تدعى بـ DLC أي Double Layer Capacitance أي المكثفات ذات الطبقة المضاعفة، إلا أن EC-Capacitor يبقى الاسم الأكثر انتشاراً بين الشركات. المكثفات الفائقة باختصار هي عبارة عن مكثفات ذات سعات عالية جداً، ففي حين تصل سعة المكثف الكيميائي إلى رتبة الميكرو فاراد، فإن سعة المكثف الفائق تصل إلى مئات الفارادات، و حديثاً تمكنت شركة Maxwell Technology من إنتاج مكثف تصل سعته إلى 2700F.

الخواص العامة للمكثفات الفائقة السعة :

مكثف مستقطب له قطب + وأخر -

له سعة تخزينية ضخمة جدا مقارنة مع الأنواع الأخرى

إن عكس أطراف المكثف يؤدي إلى تلف الدارة وانفجار المكثف لذلك يجب الحذر اثناء التعامل معه 

 تطبيقات المكثفات الفائقة Applications

يتم استخدام المكثف الفائق في العديد من التطبيقات العملية، حيث أصبح الآن يستخدم في دارات إقلاع المحركات و خصوصاً في المناطق الباردة، و في محركات الاحتكاك و القوة الجارة، كما يتم استخدامها في تطبيقات إدارة التجهيزات الكهربائية ، التغذية العكسية لبطاريات الخلايا الشمسية و حديثاً هناك جدل علمي عالمي واسع حول إمكانية الاستغناء نهائياً عن البطاريات و استخدام المكثفات الفائقة كبديل عنها، حيث أن المكثف الفائق له القدرة على الحلول محل البطارية بأغلب تطبيقاتها.

 

المكثفات المتغيرة Variable Capacitor

إن المكثفات المتغيرة (Variable Capacitors) هي متسعات تُعدّل قيمة سعتها من خلال إدارة عمود محوري أو برغي محوري. وتستخدم هذ٥ المتسعات في الأغلب في دارات الترددات الراديوية، ونجد منها صنفين:
1-الضابطة (Tuning).
2-المشذّبة (Trimmer).
ويمكن لعوازلها الكهربائية أن تكون من مادة البلاستيك، أو السيراميك، أو الزجاج، او الهواء.

 Tuning Cap

تستخدم كمفتاح معايرة يمكن أن يغيره المستخدم بشكل يدوي وأشهر مثال عليه المكثف المستخدم لتوليف الراديو

Trimmer Cap

مكثفات صغيرة الحجم والسعة تستخدم لمعايرة معينة في الدائرة (منقبل المصنع) لمرة واحدة ولا تسمح للمستخدم بتغيير قيمتها وهي مكثفات غير مستقطبة .

يمكن قراءة موضوع مفصل عن المكثفات المتغيرة هنا

تقنية النطاق العريض LTE

تقنية النطاق العريض LTE

الـ LTE وهو اختصار لـ  Long Term Evolution وهو أحدث معاييرالاتصالات اللاسلكية ذات النطاق العريض التي تعتمد على بروتوكول الإنترنت IP، تعتبر هذه التقنية امتدادا للاجيال السابقة للهاتف النقال، ومع تزايد الطلب لخدمات النطاق العريض عبر شبكات الهاتف النقال وازدياد استحدامات الهواتف الذكية بشكل كبير أصبح من الضروري تطوير تقنيات جديدة لتوفيرالسعات والسرعات الكافية مستقبلا لأن الجيل الثالث قدلايفي بالمتطلبات المتزايدة والكبيرة على المدى الطويل. ومن هنا تبنت مؤسسات التقييس المتخصصة تقنية الجيل الرابع التي تقدم سرعات عالية جدا وبتقنية مختلغة تماماً.

 

تكنولوجيا الجيل الرابع

في مارس من عام 2008 قام المعهد الدولي للاتصالات اللاسلكية (ITU-R ) بوضع مجموعه من المعايير الخاصة بتقنية الجيل

الرابع. هذه المنظمة الدولية الرسمية التي تهتم بتطوير كل تقنيات الاتصالات والمعلومات تهدف إلى عمل معاير موحدة لكل وسائل الاتصالات وتقنياتها على مستوى العالم. فقد قامت بوضع مجموعة من المعايير لتقنية الجيل الرابع والتي لابد من توافرها، من هذه المعابيرعرض النطاق الترددي لتحميل البيانات(Bandwidth) وكفاءة الطيف الترددي ومجموعة كبيرة اخرى من النقاط الفنية في عالم الشبكات اللاسلكية ولكن ما يهم المستخدم العادي هنا هي سرعه التحميل(Download Speed).

المميزات

• زيادة الانتاجية ونقل البيانات بسرعة اكبر.
• ذات كمون منخفض.
• التوصيل والتشغيل.
• تحسين الخدمة.
• انخفاض تكاليف التشغيل.
• السهولة و المرونة.

التركيب

تتكون شبكة الـ LTE من مكونين رثيسيين هما:

1. 1- E-UTRAN: يتكون من محطات الارسال والاستقبال المتطورة أوما يسمى اختصارا بالـ ENB، وهي تختلف عما قبلها من محطات الجيل الثاني والثالث حيث أنها تقوم بعمليات أكثر تعقيدا من سابقتها لنقل بيانات المستخدم ومعالجتها وتحويلها والقيام ببث بعض الرساثل للتحكم.
2. 2- EPC: تعتبر قلب الشبكة ومقر عمليات الإدارة والتحكم لها ومركز التواصل مع غيرها من الشبكات، ومن أهم الفروقات بينها وبين شبكات الجيل الثاني والثالث أن في هذه الشبكات هناك حاجة لشبكتين منفصلتين هما Circuit-switched والتي تسنخدم لنقل الصوت و Packet-switched والتي تستخدم لنقل البيانات، بينما في الـ LTE لا نحتاج إلا إلى شبكة واحدة هي Packet-switched المعتمدة على بروتوكول الإنترنت IP، وهذا ما جعل الشبكة ذات بنية مسطحة مع عدد أقل من المكونات، لتتمتع بسرعة عالية.

مبدأ العمل

يعمل LTE في نقل البيانات صوت وصورة في خلية دائرية نصف قطرها بدعم يصل إلى 100km بحيث تحتوي على محطة قاعدة BS، ويستخدم نقنية وترميز OFDM لإصدار الإرسال في الوصلات الهابطة والصاعدة لنقل البيانات حيث تعزز مرونة الطيف وفعالية التكاليف.علاوة على ذلك فإن شبكات LTE تتوافق مع التقنيات السابقة مثل GSM و UMTS التي تفيد في انخفاض تكاليف التشغيل وتغطية اوسع و تعمل دون انقطاع حيث تؤمن عملية نقل من محطة الى اخرى بشكل سلس ومرن بدون اي انقطاع او مشاكل .

 

مقارنة بين الجيل الثالث والرابع

أغلب مستخدمي الجوالات يعرفون ما هو الـ 3G وهوعبارة عن معابير شبكة اتصالات تسمح بسرعات أكبر لنقل البيانات من فيديو وصوبت وصورة ونص. الجيل الجديد من معابير الاتصالات هو الـ G4 وهي عبارة عن معابير جديدة ومختلفة لنفس الهدف ولكن بتحسينات كثيرة:

المعايير:

المعايير العالمية ما زالت في محل خلاف، وكل دولة وكل شركة لها معاييرها الخاصة في تطبيق الجيل الرابع من شبكات الجوالات، أشهر المعابير المستخدمة هي LTE وWiMax ومؤخرا LTE Advanced وهناك تنافس كبير بينهم.

السرعة :

أول تحسين تقدمه شبكات الـ 4G هو بالطبع السرعة، حيث تعد التقنية الجديدة بتقديم سرعة نقل بيانات أسرع بـ 4 إلى 10 مرات من الجيل الثالث، بسرعة تتراح بين 5 ميجابايترو12 ميجابايت في الثانية للتنزيل، وبين 2 ميجابايت و5 ميجابايت في الثانية للتحميل، من المتوقع أن تصل السرعات حتى 100 ميجابايت في الثانية، إلا أن ذلك يعتمد على عوامل عدة مثل الموقع والبيانات عبر الإنترنت والشبكة والجهاز ومصدر تنزيل البيانات وتحميلها 0

تحسينات أخرى :

السرعة هي أكثر ما يهم الستخدم العادي، ولكن المعايير الجديدة ستقدم عدد من التحسينات الأخرى مثل أمن وحماية أكثر، تبديل أفضل بين الأبراج والشبكات، تجوال دولي أفضل، معدل بيانات أعلى، وغيرها من التحسينات

التوفر:

التقنية متوفرة الآن بشكل يكبر يوماً بعد يوم، وما زالت نقنية الجيل الثالث إلى حد ما هي المسيطرة والمنتشرة في بعض الدول النامية. ومع الوقت سيتم الاحلال الكامل لتقنية الجيل الرابع نظرا لما نقدمة من سرعة عالية وخدمات متنوعة.

المتطلبات :

هاتف يدعم الجيل الرابع.
شريحة أوخط يدعم شبكات الجيل الراباع ، فليست كل الخطوط يمكنها استقبال شبكات الجيل الرابع.
أما بخصوص مستخدمي هذه الخدمة علي الحاسوب أوالمحمول فهم بحاجه إلى موديم وشريحة يدعمان شبكة الجيل الرابع.

مدخل إلى المكثفات Capacitors

 مدخل :

المكثف Capacitor هو مكون إلكتروني قادر على تخزين الطاقة الكهربائية , وأبسط أشكال المكثفات هي تلك التي تتألف من لوحين معدنيين يفصل بينهما عازل كهربائي (Dielectric) وتعد المكثفات بعد المقاومات ثاني أكثر المكونات الإلكترونية غير الفعالة طلبا .

بنية المكثف :

يتألف المكثف الكهربائي في أبسط صورة من صفيحتين ناقلتين متوازيتين تفصل بينهما فجوة صغيرة ويرمز لها في المخططات الكهربائية بخطين متوازيين .
تخزن المكثفات الطاقة أو الشحنة الكهربائية على شكل مجال كهربائي يتكون بين صفحتي المكثف التي يحمل كل منهما شحنتين متساويتين بالمقدار ومتعاكستين بالإشارة ومن ثم تُستخدم الشحنة الكهربائية هذه في الوقت المناسب.

أﻧﻮاع اﻟﻤﻜﺜﻔﺎت

يتم تصنيف المكثفات تبعاً لنوع المادة العازلة في المكثف والتي تكون غالبا من الهواء أو الورق أو الميكا .. وفيما يلي عرضا لأهم أنواع المكثفات الواسعة الانتشار:

1.  المكثفات الفيلمية Film Capacitors
2.  مكثفات الميكا Mica Capacitors
3.  المكثفات السيراميكية Ceramic Capacitors
4.  مكثفات الألمنيوم الإلكتروليتية Aluminum Cap
5.  مكثفات التانتاليوم الإلكتروليتية Tantalum Cap

 كما يمكن تصنيفها وفق معايير بنيوية أو وظيفية كما يلي :

1. ﻣﻜﺜﻔﺎت ﺛﺎﺑﺘﺔ وﻟﻬﺎ أﺷﻜﺎل وأنواع ﻣﺨﺘﻠﻔﺔ.
2. ﻣﻜﺜﻔﺎت ﻣﺴﺘﻘﻄﺒﺔ ﻣﺜﻞ اﻟﻤﻜﺜﻒ اﻹﻟﻴﻜﺘﺮوﻧﻲ، وﻣﻜﺜﻒ اﻟﺘﻴﺘﺎﻧﻴﻮم، وﺗﺘﻤﻴﺰ ﺑﻮﺟﻮد ﻗﻄﺐ ﻣﻮﺟﺐ وﺳﺎﻟﺐ.
3. ﻣﻜﺜﻔﺎت ﻣﺘﻐﻴﺮة وﺗﺴﺘﺨﺪم ﻓﻲ ﺿﺒﻂ اﻟﺘﺮددات كـﻤﺎ اﻟﻤﻮﺟﻮدة ﻓﻲ اﻟﺮادﻳﻮ.

  نظرية عمل المكثف :

عندما يكون المكثف غير متصل بمصدر الجهد (البطارية) فإن كلاً من لوحي المكثف يحتوي على كمية متساوية من الإلكتيرنات (لا يوجد طاقة كهربية مخزنة في المكثف). وعندما يتم توصيل تيار مستمر من مصدر الجهد (حالة الشحن) فإن إحدى طبقتي المكثف تتصل بالقطب الموجب للبطاوية والأخرى تتصل بالقطب السالب.
حيث تتدفق الإلكترونات من القطب السالب للبطارية إلى اللوح السالب فيتكون فائض من الإلكترونات على اللوح السالب ويحدث العكس في اللوح الموجب حيث يسحب منه عدد من الإلكترونات مساويأ لعددها حول اللوح السالب فيفقد هذا اللوح الإلكترونات وتصبح موجب الشحنة وبذلك يصبح المكثف مشحونا بشحنة كهربية وهي عبارة عن كميه الإلكتيرنات المنتقلة من أحد اللوحين إلى اللوح الآخر٠

وبسبب وجود الطبقة البينية العازلة فإنه لا يمكن للإلكترونات أن تمر من خلال المكثف ونتيجة لحركة الإلكترونات ينشأ تيار يسمى بتيار الشحن (يذتاقص كلما تراكمت الشحنة على لوحي المكثف) فإذا ما انتهى الشحن فإن جهد أطراف المكثف يتساوى مع جهد المنبع وينشأ بين اللوحين ما بعرف بالمجال الكهربائي .
وتساوي الشحنة المخزنة في المكثف = تيار الشحن X زمن الشحن
ويبقى المكثف محتفظاً بشحنه حتى لوفصل من مصدر الجهد. والشكل التالي يوضح دائرة نتكون من مكثف ومصدر جهد ومفتاح.

سنقوم بالرمز إلى الشحنات على اللوحين بالحرفين +q و -q وسنفترض أن هذه الشحنات منثورة بانتظام فوق المساحة A للوحين  ومعنى هذا أن كثافتي الشحنة على اللوحين هما σ=q/A و σ=-q/A 

والمجال الكهربائي بين الوحين المشحونين هو :

 أما الجهد V بين اللوحين فيرتبط بالمجال الكهربائي بالعلاقة :

حيث d هي المسافة الفاصلة بين اللوحين وهكذا نرى أن V تتناسب مع q وهي نتيجة عامة قالبلة للتطبيق على جميع أشكال المكثفات .

سعة المكثف والفاراد :

السعة C للمكثفات هي النسبة بين الشحنة المختزنة على اللوحين والجهد بينهما C=q/V أي ان واحدة SI للسعة هي كولوم لكل فولت ونطلق على هذه الكمية المشتقة اسم فاراد (نسبة إلى الفيزيائي الإنكليزي مايكل فاراد) .
فاراد (F) واحد  = كولوم واحد لكل فولت 
هناك نقطة مهمة جديرة بالملاحظة وهي أن السعة خاصية لأداة (نبيطة) خاصة وإذا عرفت أبعاد وشكل مكثف ما فإن سعته تكون قد تحددت بغض النظر عن مقدار الشحنة المختزنة فيه , بالنسبة للوحين المتوازيين مثلا فإن السعة C تتعين تماما بمساحة اللوحين A والمسافة بينهما d .

ومن المهم أيضا معرفة أن الفاراد كمية هائلة من السعة ولذلك فإن قيم C المتداولة في الأجهزة العملية تكون عادة من رتبة uF أو أقل ولنتخيل ضخامة هذه الواحدة نستطيع أن نقول بأنه بالنسبة للوحين مساحة كل منهما 100 سنتيمتر مربع مثلا وتفصل بينهما مسافة مقدارها 1 ميليمتر تكون السعة عندها :

العوامل المؤثرة على سعة المكثف :

يوجد ثلاثة عوامل أساسية تؤثر على سعة المكثف بصورة مباشرة وهذه العوامل هي:

المساحة السطحية لألواح المكثف (A):

إن سعة المكثف تتناسب طرديا مع المساحة السطحية للألواح، فإذا زادت مساحة سطح اللوح زادت سعة المكثف وذلك لزيادة استيعابه للشحنات الكهربائية، وبالعكس تقل سعة المكثف كلما قلت هذه المساحة.

    المسافة بين الألواح (d):

تقل السعة عندما تزداد المسافة بين الألواح وتزداد كلما قلت تلك المسافة، أي أنه يوجد تناسب عكسي بين سعة المكثف والمسافة بين ألواحه.

    الوسط العازل (المادة العازلة) ε :

تتغير سعة المكثف بتغير المادة العازلة بين الألواح ويعتبر الهواء الوحدة الأساسية لمقارنة قابلية عزل المواد الأخرى المستعملة في صناعة المكثفات. يوجد لكل مادة ثابت عزل يطلق عليه إبسلون ε.

مما سبق نجد أن سعة المكثف C بدلالة المساحة السطحية للوح A والمسافة بين اللوحين d وثابت العزل للمادة العازلة ε يكون:
   
والجدول التالي يبين قيمة ثابت العزل εr لبعض المواد المستعملة في صناعة المكثفات.

وثابت العزل ε في المعادلة يساوي حاصل ضرب ثابت العزل للهواءεo مضروب في ثابت العزل النسبي للمواد العازلة، بالتالي تكون

 

توصيل المكثفات :

توصيل المكثفات على التسلسل : 

يتم رﺑﻂ اﻟﻤﻜﺜﻔﺎت ﺑﺸﻜﻞ متتالي كـﻤﺎ ﺑﺎﻟﺸﻜﻞ جانبه، وﺗﻜﻮن اﻟﻘﻴﻤﺔ اﻟﻨﻬﺎﺋﻴﺔ ﻟﻠﻤﻜﺜﻒ  C_total  ﺗﺴﺎوي:

  1/C_T = 1 / C₁ + 1 / C₂ + ..... +1 /C_n

توصيل المكثفات على التفرع : 

ويتم رﺑﻂ اﻟﻤﻜﺜﻔﺎت ﺑﺸﻜﻞ ﻣﺘﻮازي كـﻤﺎ ﺑﺎﻟﺸﻜﻞ جانبه، وﺗﻜﻮن اﻟﻘﻴﻤﺔ اﻟﻨﻬﺎﺋﻴﺔ ﻟﻠﻤﻜﺜﻒ ﺗﺴﺎوي:

C_T = C₁ + C₂ +..... +C_n

 

 

 مفاعلية المكثف (مقاومة المكثف الأومية)

 المكثف الكهربي له مقاومة أومية Xc (لأنها تقاس بوحدة الأوم) تتغير مع التردد (f) وتتناسب عكسيا مع كل من السعة C والتردد f، ويمكن حسابها من القانون :

في حالة التيار المستمر تكون قيمة التردد F تساوي (صفر)، وتكون بالتالي قيمة مقاومة المكثف الأومية Xc كبيرة جدا (ما لا نهاية) وبذلك فإن المكثف يمنع مرور التيار المستمر في الدائرة، بينما يمرر التيار المتغير وهذه الخاصية تعد أهم وظائف استعمالات المكثف في الدائرة الإلكترونية.

 علاقة  التيار في المكثف :

 لمعرفة كيفية مرور التيار عبر المكثفة نستعمل العلاقة q=Cv ونشتق طرفيها بالنسبة للزمن مع وضع i=dq/dt فينتج :

تدل الأحرف التي وضع بجانبها (t) في هذه المعادلة في حالة تيار المكثفة على أن الشحنة والتيار والجهد متغيرة مع الزمن , في حين أن السعة C ثابتة . وتبين هذه المعادلة أن الجهد الثابت على طرفي المكثفة لا يولد تيارا عبرها لأن dv/dt=0 طبعا وفي أثناء طور شحن المكثفة يتغير الجهد ويتدفق تيار فيها tفي اثناء المدة الوجيزة التي تلي وصل المكثفة مع البطارية يتفق تيار شحن عبرها لأن جهد المكثفة يتغير من الصفر إلى قيمة جهد المبع لذلك لا يكون dv/dt صفرا في أثناء الشحن .

الطاقة المختزنة في مكثف مشحون :

يختزن المكثف المشحون طاقة وضع كهربائية بداخله ونحن نعرف حقيقة هذا لأن إحدى شحنتيه تكتسب حين تنطلق من أحد لبوسيه طاقة حركية عند انتقالها إلى اللبوس الأخر . ونستطيع أن نحصل على مقدار الطاقة المختزنة في المكثف المشحون وذلك بحساب الشغل الذي على البطارية بذله لتوصيل الشحنة إلى اللوحين .

سننظر إلى عملية الشحن على انها تلك التي تكون فيها الشحنة النهائية q قد تمت على هيئة أجزاء صغيرة من الشحنة Δq تم توصيلها إلى اللوحين .
فعند البداية لم يكن هناك فرق للجهد عبر اللوحين غير المشحونين ولذا تصل الدفعة الأولة من Δq دون بذل أي شغل , أما Δq التالية تحتاج إلى بذل شخل عليها نظرا لكون الفولطية Δq/C عبر اللبوسين .
وهكذا فإن الدفعات المتتالية من Δq ستتطلب المزيد من الشغل لأن فرق الجهد يأخذ في الزيادة بإطراد نتيجة تراكم الشحنات على اللوحين . وتحتاج أخر دفعة من Δq إلى شغل مقداره ΔqV حيث V هو فرق الجهد النهائي عبر اللوحين المشحونين تماما . وهكذا يكون العمل الكلي المبذول مكافئا لتوصيل الشحنة بأكملها في وجود القيمة المتوسطة للفولطية (فرق الجهد) خلال عملية الشحن وهذه القيمة المتوسطة هي 1/2 v  ومن ثم تكون الطاقة المختزنة في مكثف مشحون هي :

حيث استخدمنا تعريف السعة C=q/V 

استعمالات المكثف في الدائرة إلكترونية

• ✔ يستعمل المكثف لترشيح إشارات التيار المتردد منع مرور التيار المستمر في الدائرة الكهربائية، حيث يعمل (كمكثف ربط) Coupling أو (مكثف تسريب) Bypass.
• ✔ يستعمل المكثف الكيماوي للشحن والتفريغ في دوائر تقويم التيار التي تحول التيار المتغير إلى تيار مستمر.
• ✔ يستعمل المكثف الكيماوي كبير السعة في دوائر فلاش كاميرا التصوير، حيث يخزن شحنات كهربية عالية، وعندما يُفرغ فجأة يعطي ضوءا أبيضا باهرا اللازم لالتقاط الصورة.
• ✔ يستعمل المكثف المتغير على التوازي مع ملف لاختيار المحطات (تردد الموجات) في جهاز الراديو (عملية توليف (راديو).) أو جهاز التلفزيون .
• ✔ يوصل المكثف مع المقاومة في الدائرة الإلكترونية للحصول على أشكال موجات متنوعة ويطلق على الدائرة في هذه الحالة دائرة تفاضل أو دائرة تكامل .

 تلخيص المكثفات :

• ✔ المكثف عنصر إلكتروني يمكنه الاحتفاظ بالشحنات الكهربائية المطبقة عليه 
• ✔ الجهد على طرفي المكثف يكون صفر في بداية الشحن ويتغير بشكل تدريجي وليس لحظي 
• ✔ المكثف هو عنصر خزن للجهد وبالتالي هو يمنع التغير المفاجئ للجهد 
• ✔ سنلاحظ لاحقا أن المكثف يعمل على تأخير الجهد عن التيار المتردد
• ✔ عندما يمتلئ المكثف يصبح جهده مساويا لجهد المنبع ويتوقف التيار تماما .
• ✔ المكثف يمنع مرور التيار المستمر في الدائرة، بينما يمرر التيار المتغير

The Power of ZigBee 3.0

What do smart home and IoT devices development decision makers need to know about ZigBee 3.0?

Cees Links, founder and CEO of GreenPeak Technologies

Cees Links, founder and CEO of GreenPeak Technologies

As the IoT market accelerates and becomes more of a reality, the hype surrounding it becomes more intense and more confusing.

Two years ago, there was a lot of discussion about the different radio technologies that would be useful for the IoT. Some advocated that Wi-Fi and Bluetooth would be sufficient, while other companies pushed IEEE802.15.4 (the underlying radio technology for ZigBee and Thread). Today’s networking technology decision makers are comfortable with the fact that the IoT will use all three technologies.

To address the weakness of Wi-Fi (compared to ZigBee), an activity was started to standardise low-power Wi-Fi (IEEE802.11ah). Although activities in this area are still proceeding and may lead to a standard, worldwide acceptance is doubtful. This standard is not universal, because we will have different flavours in different regions. Adding to the challenge is the fact that, even though this new low-power standard is called Wi-Fi, it does not have any compatibility with ‘real’ Wi-Fi – it is a completely different radio and MAC technology. So why not use IEEE802.15.4?

Fig 1: The short range IoT standards currently available or announced.

Bluetooth, as an IoT standard, has a critical weakness – it was designed as a point to point cable replacement technology, not as a networking technology. To address this, some companies have started to work on a network layer for Bluetooth (‘Bluetooth Mesh’), but they face serious challenges as similar mesh networking attempts have failed. For example, while IEEE802.11s exists, it is hardly used and implements only a single hop mesh topology (repeater). The key problem is that latency cannot be controlled when supporting multiple hops. So, the scepticism around the new Bluetooth Mesh story shouldn’t be a surprise.

So three core IoT radio technologies have been accepted: IEEE802.11/Wi-Fi for content distribution; IEEE802.15.4/ZigBee for ‘sentroller’ networks, like Smart Homes and Bluetooth; and Bluetooth Low Energy, for connectivity, personal area networks and wearables.

Crossover radio products are available and there are three large open worldwide uniform radio communication standards that are the cornerstones for the IoT. That is the good news.

The bad news? More confusion! More than a decade ago, a technology war erupted around the networking and application layers. Today, everyone is familiar with TCP/IP – but a battle was fought between multiple networking standards to get to this stage and that is what is happening today in the IoT space. It appears that companies have not learned that standards wars harm and slow the adoption of new technologies.

Apple HomeKit, Google Brillo, Qualcomm Alljoyn, Intel IoTivity and, most recently, Huawei LiteOS are competing to get industry mindshare and to become the ‘leader in the IoT’.

There is one more layer of confusion; alongside the application framework layer, there is a battle at the networking level. The clear contender is ZigBee 3.0, with Thread as the challenger. More confusing is that several key players in the Thread Group (Freescale, ARM and Silicon Labs) have prominent leadership positions in the ZigBee Alliance.

Thread, announced late last year, remains under wraps but, from what is leaking out, it appears that it will struggle to contend against ZigBee 3.0. That should not be a surprise as ZigBee 3.0 has incorporated years of experience in many application domains. With ZigBee, a solid certification programme exists, test houses are signed up and more than 1000 ZigBee products have been certified. ZigBee has clearly become the technology of choice for many of the world’s IoT and Smart Home system makers.

The GP490 SoC supports ultra-low power Zigbee wireless comms in smart home applications.

ZigBee 3.0 supports an application library that has lived through multiple iterations, so it is no surprise that Thread is looking at adopting the ZigBee application library to run over Thread. But there is more: ZigBee 3.0 is strongly anchored in the consumer electronics world, with ZigBee RF4CE and includes the ZigBee Green Power feature.

ZigBee RF4CE was developed to replace infrared based remote controls. Since then, it has evolved and, in its latest version (ZRC 2.0), it is fully integrated with the ZigBee application library. This means a remote control designed for a TV or a set-top box can also control lamps, lights and curtains in the home.

ZigBee RF4CE provides full backward compatibility with the legacy IR space. ZigBee remote controls can automatically detect and download the required code-sets for legacy equipment that requires IR, so it’s nota surprise that RF4CE makes ZigBee a key enabler for the Smart Home.

In addition to ultra-low power requirements (comparable to Bluetooth Low Energy), the key value-add of RF4CE is low latency. User interfaces provide immediate feedback, usually less than 30ms. Normally, meshing networks tend to see latencies of 100ms or more, making for an unpleasant user experience. Being able to add low latency human interface devices to the network is key for ZigBee.

ZigBee 3.0 also includes ZigBee Green Power, which was originally developed as an ultra low power wireless standard to support energy harvesting devices – the most common application being the light switch. Green Power is especially effective for devices that are only sometimes on the network (when they have power). Green Power enables these devices to go on and off the network in a secure manner so they can be off most of the time.

As an ultra-low wireless technology, Green Power is also an effective option when using battery powered devices as it enables them to run off a battery for years. It also allows for low cost end nodes to communicate with the rest of the network, specifically in situations where there is no meshing required.

ZigBee 3.0 is also fully IP compatible. ZigBee devices are usually connected to the internet via a router, gateway or set top box and, as such, can be controlled by any device that is connected to the internet – from PCs to tablets and smartphones. Because ZigBee is fully Wi-Fi and IP compatible, there is no need to have a ZigBee chip in the phone itself in order to find and control ZigBee connected devices; it all happens through any web connected hub (router, set-top box, gateway). This means that connected PCs and smartphones (Wi-Fi or cellular) can function as dashboards, as they can find and communicate with any ZigBee devices without a problem.

ZigBee 3.0 is open, universal and complete. It is fully interoperable with existing internet applications. There are probably already 500million ZigBee devices in the market and it is the solution for a wide range of Smart Home applications.

ZigBee 3.0 is secure, supports battery free devices, meshing, low latency and energy harvesting and for many application builders it is the one and only networking solution on top of the IEEE802.15.4 radio technology.

ZigBee 3.0 will be the low-power Wi-Fi for many of our future IoT sense and control networks and applications.

---

Author profile:

Cees Links is founder and CEO of GreenPeak Technologies.

Author

Cees Links

Related Downloads

89237/P27-28.pdf

- See more at: http://www.newelectronics.co.uk/electronics-technology/what-do-smart-home-and-iot-devices-development-decision-makers-need-to-know-about-zigbee-3-0/89237/#sthash.TDWhjCDI.dpuf