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

3:35 م