أنواع المكثفات واستخداماتها| توصيل المكثفات

أنواع المكثفات الكهربائية واستخداماتها

المكثّف الكهربائي (Capacitor)، ويسمى أيضًا بالمواسعة الكهربائية أو السّعة الكهربائية، هو إحدى أجزاء الدوائر الإلكترونية؛ حيث  یعمل على جمع وتخزين الطَّاقة الكهربائية على شكل مجال كهربائي مؤقت و یتم استخدامه بغرض تخزين الكهرباء، ويتكوّن بشكل أساسي من لوحين موصلين يوضعان بالقرب من بعضهما البعض بشكل متوازي مع وجود عازل بينهما، ومن أبسط الأمثلة على المكثف بجعل أحد اللوحين الموصلين يحمل شحنة موجبة بمقدار معيّن (Q+)، وشحن اللوح الآخر بنفس المقدار بشحنة سالبة (Q-)، وحينها يكون المكثّف يحمل شحنة مقدارها (Q).

والشيء الذي يفصل بين هاتين الصفيحتين يكون دائماً عبارةً عن مادةٍ عازلةٍ للكهرباء (كالهواء مثلاً).

المكثّف هو جهاز يستخدم في تخزين الطاقة الكهربائية لاستخدامها فيما بعد.

تتنوَّع المكثّفات الكهربائية بتنوّع المادة العازلة التي يمكن أن تستخدم فيها، وتتناسب المواد المستخدمة مع الوظيفة التي يراد استخدام المكثّف الكهربائي فيها، فمنها يُستخدم في تطبيقات الترددات العالية مثل مكثفات السيراميك، ومنها مُستخدم في الأنظمة التي تحتاج تخزين جهد كهربائي عالي مثل مكثفات الزجاج، والمكثفات الفائقة و..

أنواع المكثّف الكهربائي اعتمادا على طريقة استخدامها

للمكثف الكهربائي أنواع عدَّة تبعًا لنوع العازل المُستخدم في صناعته وحجمه، ولكل نوع استخدام معين، وأنواع المكثفات الكهربائية اعتمادا على استخدامها هي كالآتي:

مكثف الهواء

یُستخدم مكثف الهواء عادًة في الدوائر الكهربائية التي تحتاج لضبط أمواج راديوية، وأنظمة الراديو، فيتم توصيل المكثّفات بمذبذبات خاصَّة، ويعمل المكثف عمله المعتاد من شحن وتفريغ في ملف سلكيّ لينشأ مجال مغناطيسي، وعند الانتهاء من عملية التفريغ يعود المكثّف للشحن من جديد، وتكون هذه العمليات ضمن فترات زمنية مُنتظمة ترددها مساوٍ لتردد محطة الراديو القريبة حتى يقوم النظام بالتقاط هذه الموجات المُذاعة وتضخيمها.

مكثف مايلر

هو مكثّف يتم استخدامه في الدوائر الكهربائية التي تحتوي على مؤقتات، ويعود سبب ذلك إلى طريقة عملها القائمة على الشحن والتفريغ على فترات محددة، ويستخدم هذا النوع من المكثفات في الساعات والعدّادات وأجهزة الإنذار.

مكثف الزجاج

 مكثف الزجاج مناسب للتطبيقات التي تتطلب وجود جهد كهربائي مرتفع، ويتم استخدامه في الوكالة الأمريكية للفضاء “ناسا” لأغراض مُعيَّنة في النظام الإلكتروني للمكوك الفضائي والمجسّات.

المكثفات ذات العزل السيراميكي

وهي التي تُستخدم فيها مادة الخَزف أو السيراميك كمادة عازلة بين الصفائح؛ حيث إنّه يتم رَش طبقة رقيقة من الفضة على السيراميك ومن ثمَّ تُطلى بطبقة “الورنيش”، ويمتاز هذا النَّوع بصِغَر حجمه وقِـلَّة فقدانه للتَّردُّدات، ولذلك تُستخدم في الدوائر الإلكترونية التي تحتاج إلى ترددات عالية. يُناسب التطبيقات التي تتطلب وجود تردُّد كهربائي مُرتفع مثل: أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي، وأجهزة التصوير بالأشعة السينية.

المكثّف الفائق

هو مكثّف يمكنه تخزين الطاقة الكهربائية بما يكفي لتشغيل الحافلات، ويستخدم عادًة في السيارات التي تعمل بالكهرباء، أو تلك التي تستخدم الكهرباء إلى جانب الوقود “الهايبرد”.

أنواع المكثفات اعتمادا على طريقة عملها

 تعتمد أنواع المكثفات على حسب نوع المادة المستخدمة للعزل بين الصفائح؛ حيث إنّ وحدة القياس فيها تسمَّى الفاراد، وتقاس عادةً بالمايكروفاراد، وهنا سنَذكُر أنواع هذه المكثفات اعتماداً على طريقة عملها ونوع العازل المُستخدم على النحو الآتي:

مكثفات متغيرة السِّعة

 هي المكثفات التي تحتوي على مجموعة صفائح ثابتة وأُخرى متغيرة، والتي لها نوع واحد، وهو المكثف الهوائي.

فالمكثفات الهوائية هي المكثفات التي تتكون من عِدَّةِ صفائح؛ حيث إنّ العازل المستخدم بين هذه الصفائح هو الهواء، ولأنها تتكوّن من صفائح ثابتة ومتغيِّرة، فإننا سنجد أن سِعة المكثف تتغير بتغيُّر مساحة الألواح المتداخلة، ولذلك نجدها تُستخدم عادةً في أجهزة المذياع.

مكثفات ثابتة السِّعة

هي المكثفات التي تمتلك قيمةً ثابتةً من الشحنات الكهربائية؛ حيث إنّها تكون على عِدَّةِ أنواع، وذلك حسب نوع العازل الذي بين الصفائح كما سيأتي:

المكثفات ذات العزل الورقي

وهي التي تتكوّن من رقائق معدنية يُعزل فيما بينها بمادة الورق المُشبَّعة بالزيت أو الشمع، وتُستخدم في الترددات المنخفضة؛ بسبب زيادة فقدان الترددات التي فيها.

المكثفات ذات العزل البلاستيكي

وهي التي يُستخدم فيها البلاستيك للعزل بين الصفائح.

المكثفات ذات عزل الميكا

وهي التي تتكوّن من رقائق معدنية ورقائق الميكا الملفوفة والمربوطة على بعضها البعض؛ لتُشَكِّل وحدةً كاملة على شكل مكثِّفٍ مُتعدِّد الصفائح، وتتم تغطيتها بطبقةٍ بلاستيكيةٍ من الخارج لحمايتها من العوامل الخارجية، كالرُّطوبة والصَّدمات؛ حيث إنّها تُستخدم كثيراً في دوائر الرنين، وأمّا الأنواع ذات القِيَم المنخفضة تُستخدم في الدوائر الإلكترونية المطبوعة.

مكثفات قُطبية السِّعة

يختلف التركيب في هذا القسم من المكثفات عمَّا سبق من الأقسام، وهي من أهم الأنواع في عالم المكثفات، ولا يوجد منها إلّا شكل واحد وهو المكثفات الإلكتروليتية أو ما يُسمَّى بالمكثف الكيميائي؛ حيث إنّه يكون القطب الموجب مصنوعاً من معدن الألمنيوم، وأمّا القطب السالب فيكون من مادة إلكتروليتية (كبورات الألمنيوم)، وأما المادة العازلة فتكون على شكل طبقة رقيقة من أوكسيد الألمنيوم، ولذلك يجب مراعاة عملية التوصيل للأقطاب في هذا النوع، وإلَّا فإنَّ الدارة الكهربائية ستنهار.

مجموعة من المكثفات في الدائرة الكهربائية

يمكن شحن المكثّف الكهربائي بواسطة بطارية بفرق جهد V∆؛ تؤدي التوصيلات بين البطارية والمكثف إلى تخزين Q ± على الألواح.

تخزن اللوحة المتصلة بالطرف الموجب للبطارية شحنة Q + وتخزن اللوحة المتصلة بالطرف السالب شحنة Q-.

 في الواق، تعمل البطارية كمضخة كهربائية وظيفتها نقل أحمال Q من لوحة إلى أخرى.

بشكل عام، يمكن وضع المكثفات في الدوائر الكهربائية بطريقتين مذكورتين أدناه.

توصيل المكثّف الكهربائي على التوازي

ربط مكثفين على التوازي يتم كالآتي: في حالة المكثفات الأسطوانية، نوصل الصفيحة الخارجية للمكثف الأول بالصفيحة الخارجية للمكثف الثاني بسلك. بسلك آخر نوصل الصفيحة الداخلية للمكثف الأول بالصفيحة الداخلية للثاني. بعد ذلك نوصل الصفائح الخارجية بأحد أقطاب الدائرة الكهربية وليكن القطب الموجب، ونوصل السلك الآخر بالقطب السالب في الدائرة.

المكثّف الكهربائي

بذلك تكبر سعة المواسع.

السعة المكافئة موسعتين مربوطة على التوازي:

المكثّف الكهربائي

ويتم التوصيل علي التوازي حيث يتم توصيل الأطراف السالبه مع بعضها والموجبة مع بعضها.

توصيل المكثّف الكهربائي على التوالي

في التوصيل على التوالي نوصل الصفيحة الخارجية للمكثف الأول بالصفيحة الداخلية بالمكثف الثاني بواسطة سلك. والآن نوصل الصفيحة الداخلية للمكثف الأول بالقطب الموجب في الدائرة والصفيحة الخارجية للمكثف الثاني بالقطب السالب.

المكثّف الكهربائي

السعة المكافئة لموسعتين مربوطين على االتوالي

ويتم توصيل الطرف الموجب بالطرف السالب والسالب بالموجب والموجب بالسالب وهكذا..

شرح توصيل المكثّف الكهربائي

مع شرح بسيط في النص أدناه، نجعل الأمر أسهل للفهم:

يشبه توصيل المكثفات معاً توصيل المقاومات. ولكنه عكسه فقط؛ ماذا يعني هذا؟

المكثّف الكهربائي ببساطة هو عبارة عن لوحين قريبان للغاية من بعضهما ويفصل بينهما عازل، ووظيفته الرئيسية هي أن يخزن مجموعة من الإلكترونات. كلما زادت قيمة سعة المكثف (capacitance) زادت كمية الإلكترونات التي يستطيع تخزينها. وتزداد السعة كلما زادت المساحة السطحية للوحين لأنها تتيح فيزيائياً المزيد من المساحة للإلكترونات لتبقى بها. وكلما تم تحريك اللوحين بعيداً عن بعضهما البعض تقل السعة لأن قوة المجال المغناطيسي بينهما تقل نتيجة زيادة المسافة.

الآن لنفرض أن لدينا مكثفان بسعة 10µF موصلان معاً على التوالي، ولنفرض أيضاً أنهما مشحونان بشكل كامل وجاهزان.

تذكر أنه في دوائر التوالي يوجد مسار واحد فقط للتيار لكي يسري خلاله. هذا يعني أن عدد الإلكترونات التي يتم تفريغها من المكثف الموجود بالأسفل يكون نفس عدد الإلكترونات الآتية من المكثف الموجود بالأعلى. لذلك لا تزداد السعة، أليس كذلك؟

في الواقع الأمر أسوأ من ذلك. عند توصيل المكثفات على التوالي فإننا بذلك نكون قد أزدنا المسافة الفاصلة بين اللوحين لأن المسافتين الفاصلتين بين لوحي كلا المكثفين يتم جمعهما معاً. لذلك لا نحصل على مكثف بسعة 20µF، أو حتى بسعة 10µF، بل نحصل على مكثف بسعة 5µF. خلاصة ذلك هو أننا نحسب قيمة السعة الكلية عند توصيل المكثفات على التوالي بنفس الطريقة التي نحسب به المقاومة الكلية لمجموعة من المقاومات متصلة معاً على التوازي. كلا من طريقة حاصل الضرب على حاصل الجمع وطريقة المقلوبات يمكن تطبيقها على المكثفات المتصلة معاً على التوالي.

مما سبق نستنتج أنه لا مجال لجمع قيم السعات الكهربية لمجموعة من المكثفات متصلة على التوالي. لكن يجب التوضيح أننا في المثال السابق نحصل على ضعف الجهد. تماماً مثل البطاريات، عندما يتم توصيل المكثفات على التوالي فإن الجهد الكلي يساوي مجموع جهد كل منها.

توصيل المكثفات على التوازي يشبه تماماً توصيل المقاومات على التوالي؛ يتم جمع قيم السعة فقط بكل بساطة.

 لماذا نقوم بذلك؟

لأن توصيل المكثفات معاً على التوازي يشبه زيادة حجم الألواح بدون زيادة المسافة الفاصلة بينها. وزيادة المساحة يعني زيادة السعة.

منشور ذات صلة
الکهرباء 7 Minutes

الكهرباء

عاطفة عكرش

تمتلك الكهرباء أكثر مصادر الطاقة تنوعًا وهي واحدة من أحدث الطاقات التي تستخدمها المنازل والشركات […]

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

السلة