ما هو المكثف الكهربائي؟فوائده وكيفية عمله

ما هو المكثف الكهربائي؟فوائده وكيفية عمله

مكثف التيار أو المكثف الكهربائي هو جهاز يستخدم لتخزين الطاقة (الشحنة الكهربائية) في مجال كهربائي داخلي. إنه مكون إلكتروني يتم استخدامه بشكل متكرر في كل من الدوائر الإلكترونية ، وكذلك في الدوائر الرقمية والتناظرية. كل مكثف له نفس الهيكل الأساسي: لوحان موصلين يفصل بينهما عازل عازل. يتم تخزين شحنة الطاقة عندما يتدفق تيار كهربائي ويجب أن يكون عازلها مصنوعًا من مادة غير موصلة ، مثل البلاستيك أو السيراميك.

كيف يعمل المكثف؟

يوضع المكثف الكهربائي في دائرة بها تيار نشط ، تتراكم الإلكترونات الموجودة على الجانب السالب على اللوحة الأقرب إليها. عندما لا تتمكن اللوحة من الاحتفاظ بها ، فإنها تنتقل إلى العازل الكهربائي وإلى اللوحة الأخرى ، لذلك يتم إزاحة الإلكترونات مرة أخرى إلى الدائرة من خلال التفريغ.

تتصل الألواح الموصلة للمكثف بأطراف العنصر السلبي ويتم وضع المادة العازلة أو العازلة بين اللوحين ، والتي تخزن الشحنة الكهربائية حتى يتم توصيل الحمل بالمكثف. الشحنة التي يخزنها المكثف أو المكثف تتناسب طرديًا مع الجهد أو الجهد المطبق. أيضًا ، تتناسب سعتها مع مساحة اللوحة وتتناسب عكسًا مع المسافة بين الصفيحتين.

عامل مهم آخر في هذه الأجهزة هو السعة ، أي قدرة المكون على تخزين الطاقة في شكل شحنة كهربائية. تُقاس قيمة سعة مكثف كهربائي بالفاراد وهي النسبة بين الشحنة الكهربائية المخزنة والجهد (فرق الجهد) بينهما.

وظيفة المكثف

تتمثل وظيفة المكثف في تخزين شحنة من الطاقة يمكن إطلاقها بسرعة. يعد شحن وتفريغ المكثف مفيدًا جدًا ،وهي فعالة للغاية في الآليات التي تحتاج إلى زيادة سريعة في الطاقة ، مثل وميض الكاميرا ، والمبدلات للمحركات ومكبرات الصوت للسيارات .

في الدوائر التي يتقلب فيها جهد التيار الكهربائي كثيرًا ، تتمثل وظيفة المكثف الوسيط في تسويته ، نظرًا لأن شحنته تخزن الطاقة الزائدة عندما يزداد الجهد. بعد ذلك ، يتم إطلاق الطاقة المخزنة في مكثف عن طريق خفض الجهد.

وظيفة أخرى للمكثف هي إحداث تأخيرات في الدوائر الكهربائية في تلك الأنشطة التي تتطلب ذلك ، من خلال تحديد التأخيرات في تدفق التيار الكهربائي. هذا مفيد للغاية عندما يتم تنفيذ المهام في فترات ثابتة وبترددات معينة ، أو بفترات زمنية معينة.

أيضًا ، يمكن للمكثف أو المكثف موازنة الفولتية للتيار الكهربائي. إذا كانت هناك موجات أو تموجات في دائرة الجهد المستمر ، فإن شحنة المكثف الكبير قادرة على امتصاص القمم وملء الوديان. بفضل هذه القدرة على تنظيم وتيرة التيار الكهربائي وخلق تأخيرات لإعطاء إيقاع معين للمهام ، فقد أصبحت عنصرًا أساسيًا في تطوير الأجهزة الإلكترونية.

طريقة صناعة المكثف

طريقة صناعة المكثف

يتكون المكثف من لوحين معدنيين ومادة عازلة تسمى عازل. يتم وضع الألواح المعدنية بالقرب من بعضها البعض في وضع موازٍ ، ويكون العازل بين الاثنين لضمان عدم ملامستهما.

يمكن أن يتكون العازل من جميع أنواع المواد العازلة ، بما في ذلك: الورق ، والزجاج ، والمطاط ، والسيراميك ، والبلاستيك ، أو أي عنصر آخر يمنع تدفق التيار.

تصنع الألواح من مادة موصلة مثل: الألمنيوم ، والتنتالوم ، والفضة ، أو معادن أخرى. كل منها متصل بسلك طرفي يتصل ببقية الدائرة.

تعتمد سعة المكثف (كم عدد الفاراد) على طريقة صنعه. تتطلب السعة الأكبر مكثفًا أكبر. تولد اللوحات التي تحتوي على مساحة سطح متداخلة المزيد من السعة ، في حين أن المسافة الأكبر بين الألواح أقل السعة. حتى المواد العازلة لها تأثير على عدد الفاراد التي يمتلكها المكثف. يمكن حساب السعة الإجمالية للمكثف بالمعادلة التالية:

الصورة 007

حيث ε r هي السماحية النسبية للعزل الكهربائي (قيمة ثابتة تحددها المادة العازلة). A هي مساحة الألواح المتداخلة ، و d هي المسافة بين الألواح.

حساب الحمل والتيار والجهد

تخبرنا سعة المكثف (كم عدد الفاراد) مقدار الشحنة التي يمكن تخزينها. مقدار الشحن الذي يخزنه المكثف فعليًا يعتمد على فرق الجهد بين لوحيه. يمكن نمذجة هذه العلاقة بين الشحنة والسعة والجهد بالمعادلة التالية:

الشحنة (Q) المخزنة في المكثف هي نتاج السعة (C) والجهد (V) المطبق عليها.

الشحنة (Q) المخزنة في المكثف هي نتاج السعة (C) والجهد (V) المطبق عليها. يجب أن تكون سعة المكثف دائمًا قيمة ثابتة ومعروفة. لذا يمكننا ضبط الجهد لزيادة أو إنقاص شحنة المكثف. المزيد من الجهد يعني شحنًا أكبر وجهدًا أقل يعني شحنًا أقل.تعطينا هذه المعادلة أيضًا طريقة جيدة لتحديد قيمة الفاراد. الفاراد (F) هو القدرة على تخزين وحدة واحدة من الطاقة (كولوم) لكل فولت.

احسب التيار

يمكننا أن نأخذ معادلة الشحنة / السعة / الجهد خطوة إلى الأمام لمعرفة كيفية تأثير السعة والجهد على التيار ، لأن التيار هو المعدل الذي تتدفق به الشحنة.

إن جوهر العلاقة بين جهد المكثف والتيار هو ما يلي: يعتمد مقدار التيار عبر المكثف على كل من السعة والمعدل الذي يرتفع أو ينخفض ​​عنده الجهد. إذا زاد الجهد عبر مكثف بسرعة ، فسيحدث تيار موجب كبير من المكثف. الارتفاع البطيء للجهد عبر مكثف يساوي تيارًا أصغر. إذا كان الجهد عبر المكثف مستقرًا ، فلن يتدفق أي تيار من خلاله.المعادلة لحساب التيار من خلال مكثف هي:

الصورة 013

أهم شيء في هذه المعادلة هو أنه إذا كان الجهد مستقرًا ، فإن المشتق يساوي صفرًا ، مما يعني أن التيار يساوي صفرًا أيضًا. هذا هو السبب في أن التيار لا يمكن أن يتدفق عبر مكثف بجهد تيار مستمر ثابت.

أنواع المكثف

أنواع المكثف

  • مكثف ألومنيوم كهربائي: له سعة كبيرة جدًا وهو أيضًا رخيص جدًا ، ولهذا السبب يتم استخدامه على نطاق واسع. تحتوي على صفائح معدنية تحتوي على إلكتروليت يمكن أن يكون جافًا أو عجينًا أو مائيًا. يمكن العثور على المكثفات الكهربائية المصنوعة من الألومنيوم غير المستقطبة والمستقطبة.
  • مكثف التنتالوم الكهربائي: على الرغم من كونه أغلى من المكثفات السابقة ، إلا أنه يتميز بمزيد من الموثوقية والمرونة. يوجد ضمن هذا النوع من المكثفات ثلاث فئات: مكثفات رقائق معدنية ، مكثفات التنتالوم الصلبة ومكثفات التنتالوم.
  • المكثفات الكهربائية الخزفية: تتميز برخص ثمنها وصغر حجمها. بالإضافة إلى ذلك ، لديهم مجموعة واسعة من قيمة التطبيق والسعة. إنها مثالية لتطبيقات التجاوز والتصفية والاقتران لتلك الدوائر التي هي عبارة عن دوائر متكاملة مختلطة يمكنها تحمل التغيرات الكبيرة في السعة. يمكن أن تكون المادة العازلة المستخدمة في هذه المكثفات هي تيتانيت الكالسيوم أو تيتانيت الباريوم أو ثاني أكسيد التيتانيوم الذي تضاف إليه إضافات أخرى. تأخذ المكثفات الكهربائية الخزفية شكل قرص أو أنبوب.
  • المكثفات الكهربائية البلاستيكية أو الورقية: يمكن تصنيعها من البلاستيك أو الورق أو مجموع الاثنين ويمكن استخدامها في تطبيقات مثل الاقتران والتصفية والتوقيت وكتم الضوضاء وغيرها. إحدى الخصائص التي تمتلكها هذه المكثفات هي أن الأغشية المعدنية ذاتية الشفاء. كما أنها مستقرة جدًا ومقاومة للعزل ويمكن أن تعمل في درجات حرارة عالية جدًا.
  • مكثفات الزجاج والميكا: تستخدم عندما يتطلب الأمر ثباتًا جيدًا وحملًا كهربائيًا عاليًا. وتتميز بقدرتها على العمل بترددات عالية جدًا ولديها ثبات كبير بالنسبة لدرجة الحرارة. هذه المكثفات متوفرة بأحجام مختلفة.

خصائص المكثفات

هناك جميع أنواع المكثفات ، ولكل منها مزايا وعيوب تجعلها أفضل لتطبيقات معينة وأسوأ من غيرها.عند تحديد نوع المكثف المراد استخدامه ، هناك عوامل معينة يجب وضعها في الاعتبار:

  • الحجم – من حيث الحجم المادي والسعة. من الشائع أن تكون المكثفات هي أكبر مكونات الدائرة. يمكن أن تكون أيضًا صغيرة جدًا. عمومًا ، كلما زادت السعة ، يجب أن يكون المكثف أكبر.
  • أقصى جهد – لكل مكثف جهد أقصى يمكن أن ينخفض ​​عليه. قد يتم تصنيف بعض المكثفات عند 1.5 فولت ، والبعض الآخر يمكن تصنيفها عند 100 فولت. سيؤدي تجاوز الحد الأقصى للجهد إلى تدمير المكثف.
  • تيارات التسرب – المكثفات ليست مثالية. كل مكثف عرضة لتسريب كمية صغيرة من التيار عبر المادة العازلة من طرف إلى آخر. يسمى هذا الفقد الضئيل للتيار (عادة نانو أمبير أو أقل) تيار التسرب. يتسبب تيار التسرب في تصريف الطاقة المخزنة في المكثف ببطء.
  • مقاومة السلسلة المكافئة (RES) – أطراف المكثف ليست موصلة بنسبة 100٪ ، سيكون لها دائمًا قدر ضئيل من المقاومة (عادة أقل من 0.01). تصبح هذه المقاومة مشكلة عندما يتدفق الكثير من التيار عبر المكثف ، مما يتسبب في الحرارة وفقدان الطاقة.

فوائد المكثف الكهربائي

  • توفير الطاقة لدائرة ، تمامًا مثل البطارية.الشيء الجميل في المكثفات هو أنها تتمتع عمومًا بعمر أطول من البطاريات ، مما يجعلها خيارًا أفضل من وجهة نظر بيئية.
  • كما أنها قادرة على توفير الطاقة بشكل أسرع من البطارية ، مما يجعلها جيدة للتطبيقات التي تتطلب دفعة قصيرة ولكن عالية من الطاقة.
  • يمكن لفلاش الكاميرا الحصول على طاقته من المكثف (والذي يتم شحنه بدوره بواسطة البطارية).
  • يمكن للمكثفات توصيل تيار مباشر للحظة فقط. وبسبب هذه الخاصية تصبح أجهزة مفيدة للغاية عندما يجب منع التيار المباشر من دخول جزء معين من الدائرة الكهربائية .
  • تستخدم المكثفات مع الملفات وتشكيل دوائر الطنين في أجهزة الراديو وغيرها من المعدات الإلكترونية.
  • بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدام المكثفات الكبيرة في خطوط الطاقة لإنتاج صدى كهربائي في الكابل والسماح بنقل المزيد من الطاقة.
  • تستخدم أيضًا فيالمراوح ومحركات تكييف الهواء والإضاءة والتبريد والضواغط ومضخات المياه ومحركات التيار المتردد ، وذلك بسبب الخاصية الموضحة أعلاه.
اترك رد

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.