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

3:58 م