المكثف الكهربائي هو أحد عناصر الدائرة الكهربائية لأي جهاز إلكتروني ، وتتمثل وظيفته الرئيسية في تخزين الطاقة ثم إعادتها مرة أخرى إلى الدائرة. تقدم الصناعة مجموعة متنوعة من المكثفات ، تختلف في الأنواع والسعات والأحجام والتطبيقات.
مبدأ التشغيل وخصائص المكثفات
يتكون جهاز المكثف من لوحين معدنيين تفصل بينهما طبقة رقيقة من العازل. تحدد نسبة أحجام الصفائح وترتيبها وخصائص المادة العازلة مؤشر السعة.
يهدف تطوير تصميم أي نوع من المكثفات إلى الحصول على أقصى سعة بناءً على الأبعاد الدنيا لتوفير مساحة على لوحة الدوائر المطبوعة للجهاز. أحد الأشكال الأكثر شيوعًا في المظهر هو شكل برميل ، يتم بداخله لف الصفائح المعدنية بعازل كهربائي بينهما.تم اختراع المكثف الأول في مدينة ليدن (هولندا) عام 1745 ، وكان يسمى "ليدن جرة".
مبدأ تشغيل المكون هو القدرة على الشحن والتفريغ. الشحن ممكن بسبب وجود الألواح على مسافة صغيرة من بعضها البعض. تنجذب الشحنات القريبة ، المفصولة بواسطة عازل ، إلى بعضها البعض وتبقى على الألواح ، وبالتالي يخزن المكثف نفسه الطاقة. بعد فصل مصدر الطاقة ، يكون المكون جاهزًا لعودة الطاقة في الدائرة ، التفريغ.
المعلمات والخصائص التي تحدد الأداء والجودة والمتانة للعمل:
- القدرة الكهربائية
- قدرة محددة
- الانحراف المسموح به
- القوة الكهربائية
- الحث الخاص
- امتصاص عازل
- خسائر؛
- المزيد؛
- الموثوقية.
تحدد القدرة على تخزين الشحنة سعة المكثف. عند حساب السعة ، عليك أن تعرف:
- منطقة الغطاء
- المسافة بين اللوحات
- ثابت العزل للمادة العازلة.
لزيادة السعة ، من الضروري زيادة مساحة الألواح ، وتقليل المسافة بينهما ، واستخدام عازل كهربائي مادته ذات ثابت عازل مرتفع.
يستخدم فاراد (F) للدلالة على السعة - وهي وحدة قياس حصلت على اسمها تكريما للفيزيائي الإنجليزي مايكل فاراداي. ومع ذلك ، 1 Farad كبير جدًا. على سبيل المثال ، قدرة كوكبنا أقل من 1 فاراد. في الإلكترونيات الراديوية ، يتم استخدام قيم أصغر: ميكروفاراد (µF ، جزء من مليون فاراد) وبيكوفاراد (pF ، جزء من مليون فاراد).
يتم حساب السعة المحددة من نسبة السعة إلى كتلة (حجم) العازل.يتأثر هذا المؤشر بالأبعاد الهندسية ، ويتم تحقيق زيادة في السعة المحددة عن طريق تقليل حجم العازل ، لكن هذا يزيد من خطر الانهيار.
الانحراف المسموح به لقيمة جواز السفر من السعة الفعلية يحدد فئة الدقة. وفقًا لـ GOST ، هناك 5 فئات دقة تحدد الاستخدام المستقبلي. يتم استخدام مكونات من أعلى فئة دقة في الدوائر عالية المسؤولية.
تحدد قوة العزل القدرة على حمل الشحنة والحفاظ على خصائص العمل. تميل الشحنات المتبقية على الألواح إلى بعضها البعض ، وتعمل على العازل الكهربائي. القوة الكهربائية هي خاصية مهمة للمكثف ، والتي تحدد مدة استخدامه. في حالة التشغيل غير السليم ، سيحدث انهيار للعازل ويفشل المكون.
يؤخذ الحث الذاتي في الاعتبار في دوائر التيار المتردد ذات المحاثات. بالنسبة لدوائر التيار المستمر ، لا يتم أخذها في الاعتبار.
امتصاص عازل - ظهور الجهد على الألواح أثناء التفريغ السريع. تؤخذ ظاهرة الامتصاص في الاعتبار من أجل التشغيل الآمن للأجهزة الكهربائية عالية الجهد منذ ذلك الحين في حالة حدوث ماس كهربائي ، هناك خطر على الحياة.
ترجع الخسائر إلى انتقال التيار المنخفض للعزل الكهربائي. عند تشغيل مكونات الأجهزة الإلكترونية في ظروف درجات حرارة مختلفة ورطوبة مختلفة ، يكون لعامل جودة الخسائر تأثير. يتأثر أيضًا بتردد التشغيل. عند الترددات المنخفضة ، تؤثر الخسائر في العازل على الترددات العالية - في المعدن.
الاستقرار هو معلمة مكثف تتأثر أيضًا بدرجة الحرارة المحيطة.تنقسم آثاره إلى انعكاسية ، تتميز بمعامل درجة حرارة ، ولا رجعة فيها ، وتتميز بمعامل عدم استقرار درجة الحرارة.
تعتمد موثوقية المكثف بشكل أساسي على ظروف التشغيل. يشير تحليل الأعطال إلى أنه في 80٪ من الحالات يكون انهيار الحالات هو سبب الفشل.
اعتمادًا على الغرض والنوع ومجال التطبيق ، تختلف أحجام المكثفات أيضًا. الأصغر والأصغر ، يتراوح حجمها من بضعة مليمترات إلى عدة سنتيمترات ، تستخدم في الإلكترونيات ، بينما تستخدم أكبرها في الصناعة.
غاية
حددت خاصية تخزين الطاقة وإطلاقها الاستخدام الواسع النطاق للمكثفات في الإلكترونيات الحديثة. إلى جانب المقاومات والترانزستورات ، فهي أساس الهندسة الكهربائية. لا يوجد جهاز واحد حديث حيث لن يتم استخدامه في بعض القدرات.
تُستخدم قدرتها على الشحن والتفريغ ، جنبًا إلى جنب مع الحث الذي له نفس الخصائص ، بنشاط في تكنولوجيا الراديو والتلفزيون. الدائرة التذبذبية للمكثف والحث هي أساس إرسال واستقبال الإشارات. يتيح لك تغيير سعة المكثف تغيير تردد الدائرة التذبذبية. على سبيل المثال ، يمكن لمحطات الراديو الإرسال على تردداتها الخاصة ، ويمكن لأجهزة الراديو الاتصال بهذه الترددات.
وظيفة مهمة هي تجانس تموجات التيار المتردد. يحتاج أي جهاز إلكتروني يعمل بطاقة التيار المتردد إلى ترشيح المكثفات الكهربائية لإنتاج تيار مستمر عالي الجودة.
يتم استخدام آلية الشحن والتفريغ بنشاط في معدات التصوير.تستخدم جميع الكاميرات الحديثة فلاشًا للتصوير ، والذي يتحقق بفضل خاصية التفريغ السريع. في هذا المجال ، من غير المربح استخدام بطاريات يمكنها تخزين الطاقة جيدًا ، ولكن إطلاقها ببطء. وعلى العكس من ذلك ، تقوم المكثفات بإطلاق كل الطاقة المخزنة على الفور ، وهو ما يكفي لوميض ساطع.
تُستخدم القدرة على توليد نبضات عالية الطاقة بواسطة المكثفات في الرادار وإنشاء الليزر.
تؤدي المكثفات دور جهات اتصال إطفاء الشرر في التلغراف والاتصالات الهاتفية ، فضلاً عن ميكانيكا الاتصالات والأتمتة ، حيث يلزم تبديل المرحلات المحملة بشدة.
يتم تنظيم الجهد لخطوط الطاقة الطويلة من خلال استخدام خزانات التعويض.
تستخدم المكثفات الحديثة ، نظرًا لقدراتها ، ليس فقط في مجال الإلكترونيات الراديوية. يتم استخدامها في صناعة المعادن والتعدين وصناعة الفحم.
الأصناف الرئيسية
نظرًا لتنوع التطبيقات وظروف تشغيل الأجهزة الإلكترونية ، هناك مجموعة متنوعة من المكونات التي تختلف في الأنواع والخصائص. التقسيم الرئيسي حسب الفئة ونوع العازل الكهربائي المستخدم.
أنواع المكثفات مقسمة حسب الفئة:
- مع قدرة ثابتة
- مع قدرة متغيرة
- ضبط.
تُستخدم مكونات السعة الثابتة في كل جهاز إلكتروني.
لتغيير السعة ومعلمات الدائرة ، على سبيل المثال ، التردد في الدوائر التذبذبية ، يتم استخدام المكثفات ذات السعة المتغيرة.في أجهزتهم ، لديهم عدة أقسام من الصفائح المعدنية المنقولة ، مما يضمن متانة عملهم.
مكثفات الانتهازي تستخدم لضبط المعدات لمرة واحدة. وهي متوفرة في تصنيفات السعة المختلفة (من عدد قليل من البيكوفاراد إلى عدة مئات من البيكوفاراد) ويتم تصنيفها لجهود تصل إلى 60 فولت. بدون استخدامها ، من المستحيل ضبط المعدات.
أنواع المكثفات مقسومة على نوع العازل:
- مع عازل السيراميك
- مع فيلم عازل
- كهربائيا.
- المؤيِّنات.
تصنع الألواح الخزفية على شكل صفيحة صغيرة من مادة السيراميك ، يتم رش الخيوط المعدنية عليها. هذه المكثفات لها خصائص مختلفة وتستخدم لكل من الدوائر ذات الجهد العالي والجهد المنخفض.
بالنسبة للدوائر منخفضة الجهد ، غالبًا ما يتم استخدام مكونات صغيرة الحجم متعددة الطبقات في راتنجات الإيبوكسي أو العلب البلاستيكية بسعة من عشرات البيكوفاراد إلى وحدات الميكروفاراد. يتم استخدامها في الدوائر عالية التردد للمعدات الإلكترونية اللاسلكية ويمكن أن تعمل في ظروف مناخية قاسية.
بالنسبة للدوائر عالية الجهد ، يتم تصنيع المكثفات الخزفية الأكبر بسعات تتراوح من عشرات البيكوفاراد إلى آلاف البيكوفاراد. يتم استخدامها في الدوائر النبضية ومعدات تحويل الجهد.
فيلم العزل الكهربائي من أنواع مختلفة. أكثرها شيوعًا هو لافسان ، الذي يتمتع بقوة عالية. أقل شيوعًا هو عازل البولي بروبلين ، والذي له خسائر أقل ويستخدم في دوائر الجهد العالي ، مثل دوائر تضخيم الصوت ودوائر التردد المتوسط.
يتم بدء تشغيل نوع منفصل من مكثفات الفيلم ، والتي يتم استخدامها في وقت بدء تشغيل المحركات ، وبسبب السعة العالية والمواد العازلة الخاصة بها ، يتم تقليل الحمل على المحرك الكهربائي. إنها تتميز بجهد تشغيل عالي وطاقة تفاعلية كهربائية.
المكثفات الالكتروليتية مصنوعة في تصميم كلاسيكي. الجسم مصنوع من الألومنيوم ، وداخله صفائح معدنية ملفوفة. يتم ترسيب أكسيد الفلز كيميائيًا على لوح واحد ، ويترسب سائل أو إلكتروليت صلب في الثانية ، مكونًا عازلًا كهربائيًا. بفضل هذا الجهاز ، تتمتع المكثفات الإلكتروليتية بسعة كبيرة ، لكن خصوصية استخدامها بمرور الوقت هي تغييرها.
على عكس المكثفات الخزفية والأفلام ، فإن المكثفات الإلكتروليتية لها قطبية. هم ، بدورهم ، مقسمون إلى غير قطبي ، خالي من هذا العيب ، شعاعي ، مصغر ، محوري. نطاق تطبيقها هو الكمبيوتر التقليدي وتكنولوجيا الحواسيب الصغيرة الحديثة.
نوع خاص ظهر مؤخرًا نسبيًا هو المؤين. تشبه في تصميمها المكثفات الإلكتروليتية ، لكنها تتميز بسعة كبيرة (تصل إلى وحدات فاراد). ومع ذلك ، فإن استخدامها يقتصر على جهد أقصى صغير يبلغ بضعة فولتات. تُستخدم المكثفات الفائقة لتخزين الذاكرة: إذا نفدت بطارية الهاتف المحمول أو الكمبيوتر المصغر ، فلن تضيع المعلومات المخزنة بشكل غير قابل للاسترداد.
بالإضافة إلى المكونات الموجودة في إصدار الإخراج ، والتي ظهرت منذ فترة طويلة والتي كانت مستخدمة بشكل تقليدي ، يتم إنتاج المكونات الحديثة في إصدار SMD ، أو كما يطلق عليها أيضًا ، للتركيب على السطح. على سبيل المثال ، يمكن إنتاج السيراميك بأحجام مختلفة من العلب ، من الأصغر (1 مم × 0.5 مم) إلى الأكبر (5.7 مم × 5 مم) ، وبجهد متناظر من عشرات الفولتات إلى المئات.
يمكن أيضًا إنتاج المكثفات الإلكتروليتية في عبوات مركبة على السطح. يمكن أن تكون هذه المكثفات الإلكتروليتية القياسية من الألومنيوم ، أو يمكن أن تكون مكثفات التنتالوم ، والتي تشبه إلى حد ما المكثفات الخزفية ، ولكنها تختلف عنها في السعة العالية والخسائر المنخفضة. يمكن أن تكون على حد سواء SMD مثبتة وغير مثبتة.
تتمثل إحدى ميزات مكثفات التنتالوم في العمر الطويل والحد الأدنى من الخسائر مع حد سعة أقل قليلاً ، ولكن في نفس الوقت تتميز بسعر مرتفع. يتم استخدامها في الدوائر عالية المسؤولية التي تتطلب سعة عالية.
مقالات مماثلة:
