ما هو المكثف الكهربائي وظائفه وأهميته وأكثر

كان عالم الإلكترونيات هو نقطة الانطلاق التي كانت التكنولوجيا بحاجة إلى دفعها. وهذه المنصة مكونة من أجزاء صغيرة مثل المكثف. في هذا المنشور الغريب سوف تتعلم بالتفصيل ما هو المكثف الكهربائي ؟، الوظائف المختلفة التي يتم تطبيقها معه وأهميته الكبيرة في المجالات المختلفة.

مكثف 1

مكثف

لبدء دراسة المكثف ، سنشرح أولاً ما هو مكثف. إنه مكون كهربائي سلبي ، أي أنه لا يولد الكهرباء من تلقاء نفسه ، وقادر على تخزين شحنة كهربائية ، وإطلاقها لاحقًا. يمكنك أن تجده على أنه مكثف أو مكثف. الشحنة التي تحافظ عليها بالداخل هي فرق جهد أو جهد تفاضلي.

نشأت قصة إحصاء المتبرعين في عام 1745 عندما أدرك الألماني إيوالد جورج فون كليست أن تخزين شحنة كهربائية كان ممكنًا. نشأ هذا نتيجة حادث عندما قام بتوصيل مولد إلكتروستاتيكي بكمية من الماء كانت داخل إبريق زجاجي أو زجاجة باستخدام كابل. عندما أزال الكابل ووضع يده عليه.

لم يمر عام عندما اخترع الفيزيائي الهولندي بيتر فان موشنبروك مكثفًا بنفس الخصائص. في ذكرى الجامعة التي كان يعمل فيها ، أطلق على هذا المكثف اسم "زجاجة ليدن".

مكثف 2

كيف يعمل المكثف؟

لنرى الآن كيف يعمل المكثف y ما هو مكثف ل. الطريقة التي يدير بها تخزين الشحنة الكهربائية هي باستخدام لوحين مصنوعين من مادة موصلة ، مثل التنتالوم ، مفصولة ببعض المواد العازلة ، على سبيل المثال الهواء.

قبل المتابعة ، من المهم عدم الخلط بين العازل ومادة عازلة بالكامل. أي أن جميع العوازل الكهربائية هي عوازل ، لكن هذا لا يجعل بالضرورة جميع العوازل عازلة للكهرباء. تتمتع المواد العازلة بالقدرة على أن تصبح موصلة عند تعرضها لشحنة كهربائية كبيرة وتكسر قوة العزل. بعض هذه المواد يمكن أن تكون: السيراميك والورق والشمع والزجاج والزيت وغيرها. المواد العازلة بالكامل هي تلك التي ، بغض النظر عن مقدار الشحنات الكهربائية التي تتعرض لها ، لن تكون موصلًا ، ومثال على ذلك المطاط.

الآن ، الألواح الموجودة داخل المكثف ، التي يتم تغذيتها بمصدر طاقة ، سيتم شحنها كهربائيًا بأجزاء متساوية ولكن بعلامات مختلفة. هذا يعني أن شحنة واحدة ستكون موجبة (+ q) ، والشحنة الأخرى سيكون لها نفس الحجم ولكن بشحنة سالبة (-q) ، عند هذه الشحنات المتساوية ولكن العلامات المختلفة هي ما يسمى بالفرق في الجهد أو الجهد.

بشكل عام ، في المكثفات ، يتم استخدام الهواء والورق والتنتالوم والألمنيوم والسيراميك كمواد عازلة ، كما يتم استخدام بعض أنواع البلاستيك في بعض المكثفات.

يتم حساب سعة التخزين التي يمتلكها المكثف أو المكثف بوحدة Farads. النطاق الذي توجد فيه معظم المكثفات الكهربائية من بيكو (pF) إلى ميكرو (uF) فاراد. معادلة حساب سعة المكثف هي:

C = ف / ف

حيث:

q = الشحنة التي يخزنها كل لوح. وحدتها كولوم (C)

V = الجهد أو الجهد أو فرق الجهد المحتمل بين لوحين أو موصلات للمكثف. وحدتها فولت (V)

بتطبيق هذه الصيغة ، إذا افترضنا قيم الحمل 1 والجهد 1 ، فسوف يعطينا 1 فاراد. ومع ذلك ، هذا مجرد مثال ، حيث لا يوجد مكثف بهذه السعة لأنه سيكون كبيرًا بشكل لا يصدق. للحصول على فكرة ، ستغطي مساحة 1000 م2.

الآن ، إذا أردنا معرفة الجهد الذي يمكن أن يخزنه المكثف بمعرفة الشحنة والفاراد للمكثف ، فيمكننا إيجاد الجهد من المعادلة السابقة على النحو التالي:

الخامس = ف / ج

مكثف 3

شحن وتفريغ مكثف

تتمثل إحدى خصائص المكثف في أن تفريغه تدريجي وليس فوريًا. مكثف لديه فترة تفريغ. تتيح هذه الخاصية للمكثف أن يكون له تطبيقات أخرى مثل المؤقتات والمرشحات في الدائرة الكهربائية.

عندما يكون المكثف مشحونًا بالكامل ، فإنه عندما يسمح للجهد بالمرور. عندما يتم فصل مصدر الطاقة ، يبدأ المكثف في تحرير الجهد تدريجياً باتجاه الحمل أو العنصر الذي يستهلك الجهد.

بشكل عام ، يسبق المكثف دائمًا المقاوم لأسباب حماية المكثف. حتى عندما يكون للمكثف مقاومة داخلية صغيرة ، فإنه لا يكاد يذكر ، وإذا لم يتم الحرص على حماية المكثف ، فقد يتلف وحتى ينفجر.

تهمة مكثف

من أجل شرح سلوك المكثف عند الشحن ببساطة ، سنستخدم المثال الأكثر استخدامًا لتوضيح ذلك:

لنفكر في دائرة يوجد بها مصدر طاقة مثل البطارية ، المقاوم المسمى R1 المسؤول عن التحكم في تدفق التيار الذي سيصل إلى المكثف من أجل حمايته. أيضًا ، مفتاح يسمح للمكثف بالشحن أو التفريغ ، وأخيراً ، المقاوم المسمى R2 والذي سيمثل الجهاز الذي يستهلك التيار.

مكثف 4

في المقام الأول ، نرى كيف يتم ترتيب المفتاح بحيث يكون المكثف في سلسلة مع مزود الطاقة والمقاومة ، بالمناسبة ، يجب أن نؤكد أن هذه المقاومة تسمى مقاومة الحمل.

في هذه اللحظة يتم شحن المكثف بطريقة مسيطر عليها بفضل مقاوم الشحن. يتيح لك هذا المزيج من المقاوم والمكثف ضبط المؤقتات التي ذكرناها سابقًا. هذا يرجع إلى حقيقة أن المقاومة تمنع مرور التيار بحرية ، وبالتالي فإن التيار يستغرق وقتًا أطول للانتقال عبر الدائرة ، بحيث يمر بعد ذلك عبر المكثف ، ويستغرق الشحن بعض الوقت.

يمكن حساب الوقت الذي يستغرقه المكثف للشحن باستخدام المعادلة التالية:

t1 = 5 x R1 x C.

DONDE:

t1: هو وقت الشحن. وحدتها ملي ثانية (أنا)

R1: هي مقاومة الحمل. وحدتها أوم (Ω).

C: هي سعة المكثف. وحدتها فاراد (F)

تسمح لنا هذه المعادلة بتأكيد أنه كلما زادت مقاومة الحمل و / أو زادت سعة المكثف ، زادت مدة الشحن. والتي يمكن التحقق منها في الرسم البياني التالي.

مكثف 5

قد تتساءل عما سيحدث إذا لم نقم بتعيين المقاوم للحمل. من الناحية النظرية ، سيشحن المكثف على الفور. ولكن ، كما ذكرنا سابقًا ، لا ينصح بهذا لأن المكثفات يمكنها فقط استقبال تيار صغير. إذا تذكرنا قانون أوم يمكننا أن نرى ذلك:

أنا = V / R.

حيث:

الأول: هو التيار. وحدتها هي أمبير (A)

الخامس: هو الجهد. وحدتها فولت (V)

ج: إنها مقاومة. وحدتها هي أوم (Ω)

إذا كانت المقاومة تميل إلى أو تساوي 0 ، فهذا يعني أن التيار سيكون عمليا لانهائي ، أو على الأقل كبير جدا. يمكن للمكثف أن يدعم التغذية من تيار منخفض فقط. باختصار ، إذا لم يتم وضع أي نوع من مقاومات الحمل ، فقد لا يتمكن المكثف من تحمل هذا التيار وسيحترق.

لنفترض الآن أن المكثف مشحون بالفعل ، فماذا يحدث؟ دعنا نعود إلى قانون أوم ، حيث يرتفع الجهد ، وبما أن قيمة المقاومة يتم الحفاظ عليها ، فإن قيمة التيار تميل إلى الصفر.

كما نعلم بالفعل ، فإن وظيفة المكثف هي تخزين الجهد أو الجهد. هذا يعني أنه مع شحن المكثف ، يوجد جهد أعلى عند هذه النقطة. بما أن المقاومة لا تغير من قيمتها ، فإن التيار يميل إلى الصفر. باختصار ، بمجرد شحن المكثف ، فإنه يتصرف كدائرة مفتوحة أو كمفتاح يمنع مرور التيار ، على الرغم من وجود جهد أو جهد عند تلك النقطة.

تفريغ المكثف

الآن دعونا نقدم الحالة العكسية. في اللحظة التي يغير فيها المفتاح موضعه ، ويتم وضع المكثف في سلسلة مع المقاوم R2 ، سيبدأ المكثف في التفريغ. لماذا؟ حسنًا ، لأن المقاومة R2 تمثل استهلاك الدائرة ، وستتطلب هذه المقاومة أن يتم توفيرها عندما تكون الدائرة مغلقة فيها. سيتم توفير هذا الإمداد بواسطة المكثف ، مما يؤدي إلى تفريغ فرق الجهد الذي خزنه.

مكثف 6

كما هو الحال مع الشحن ، فإن التنزيل ليس فوريًا ، ولكن بشكل تدريجي. وكما هو الحال مع الشحن ، فإن معادلة تقدير وقت التفريغ هي نفسها. هذا يعني أن الوقت الذي يستغرقه تفريغ المكثف يعتمد على مقاومة R2 وسعة المكثف. وبالمثل ، نقوم هنا بتحديث المعادلة مرة أخرى:

t1 = 5 x R1 x C.

DONDE:

t2: هو وقت الشحن. وحدتها ملي ثانية (مللي ثانية)

R2: هي مقاومة الحمل. وحدتها أوم (Ω).

C: هي سعة المكثف. وحدتها فاراد (F)

يمكن أن يتحكم هذا النوع من الدوائر ، على سبيل المثال ، في وقت تشغيل الجهاز.

المكثف كفلتر

تطبيق آخر تستخدم فيه المكثفات بشكل متكرر هو عامل التصفية. هذا ممكن بفضل خاصية الشحن والتفريغ تدريجياً ، وتستخدم هذه الظاهرة لتنظيف الشوائب من الإشارات أو الموجة الكهربائية.

إذا أخذنا الدائرة الأولية كمثال ، ولكن في هذه الحالة مع مصدر طاقة تيار متناوب. سيبدأ المكثف في الشحن حتى يصل إلى أقصى سعة تخزين له ، ثم يتوقف تدفق التيار ويبدأ الحمل في الإمداد بالجهد الموجود في المكثف. بمجرد أن يبدأ المكثف في التفريغ ، يستمر مزود الطاقة في إعادة شحن المكثف دون انتظار تفريغه تمامًا.

يمكن أن يكون هذا أسهل للفهم بصريًا:

مكثف 7

كما يتضح ، فإن موجة مصدر الطاقة المتناوبة هي جيبية وبفضل خاصية المكثف ، من الممكن تصحيح الموجة في العرض المباشر. هذا مفيد جدًا لمصادر الطاقة التي تستخدمها أجهزة الكمبيوتر ، على سبيل المثال. لا يمكن للعديد من الأجهزة العمل مع التيار المتردد ولكن مع التيار المباشر وذلك عندما تدخل مزودات الطاقة كوسيط. بالطبع ، تحتوي مصادر الطاقة هذه على العديد من المكونات لتحقيق هذا الهدف.

 أنواع المكثفات

يمكن أن يكون للمكثفات أو المكثفات تصنيفات مختلفة. بعد ذلك ، سنبدأ بتصنيف المكثفات وفقًا لنوع العازل الكهربائي:

بسبب عازلتها

يتم تصنيف المكثفات وفقًا للعزل الكهربائي الموجود بها. هناك ما يسمى بالمكثفات الإلكتروليتية ، وهي المكثفات التي لها قطبية ، أي أن لها طرف موجب أو "ساق" وطرف سالب. إذا كانت متصلة مع القطبية المعكوسة ، فسيتلف المكثف.

هذه المكثفات الإلكتروليتية ، على عكس المكثفات الأخرى ، هي أنها تستخدم سائلًا أيونيًا موصلًا. هذا السائل عبارة عن محلول كيميائي ، يتكون عادة من حمض البوريك أو بورات الصوديوم مع سكريات الإيثيلين جلايكول. يدخل هذا السائل كبديل لإحدى الصفائح أو الصفائح الموصلة للمكثف.

على عكس المكثفات الإلكتروليتية ، فإن المكثفات التي يكون عازلها هو الهواء أو السيراميك أو الورق أو غيره ، ليس لها قطبية محددة. بالإضافة إلى ذلك ، لديهم صفيحتان بالداخل ولا يوجد سائل داخلي.

كلا النوعين من المكثفات لهما تطبيقات خاصة بهما ، لذلك لم يكن من الممكن استبدال المكثفات ببعضها البعض على الرغم من أن لديهم عوازل كهربائية مختلفة.

باختصار ، هناك مكثفات:

  • كهربائيا
  • سيراميك
  • من الورق
  • الهواء
  • مكثف متغير

ثابت أو متغير

مثل المقاومات ، توجد مكثفات ذات سعة ثابتة وكذلك مكثفات يمكن تغيير سعتها. يتم تحقيق ذلك عن طريق ضبط الفجوة بين لوحاتهم باستخدام مقبض ، مثل مقياس الجهد أو المقاوم المتغير.

حسب شكله

يمكن للمكثفات أن تغير تصميمها ، القرص الموجود ، المكثفات اللؤلؤية والأنبوبية ، كما هو موضح أدناه على التوالي.

كود المكثفات

هناك بعض المكثفات التي تشير إلى سعتها من خلال جدول الألوان ، وهي تشبه إلى حد بعيد تلك التي تستخدمها المقاومات.

رمز اللون

يشير اللون الأول إلى قيمة الأول ، والثاني للشكل الثاني ، والثالث هو الأس الذي يرفع إلى 10 ، أي أن الرقم 10 سيرتفع إلى الرقم الذي يمثله اللون الثالث. يشير اللون الرابع إلى النسبة المئوية للتباين ، أي يمكن أن يكون ، على سبيل المثال ، 10٪ أكثر أو 10٪ إلى القيمة التي تشير إلى السعة. أخيرًا ، يشير اللون الخامس إلى جهد الشحن أو الجهد. كل هذه المكثفات لها بيكوفاراد لكل وحدة.

تأتي قيمة الألوان في جدول تجاري كالآتي:

الكود الياباني

هناك نوع آخر من الكود لتحديد سعة المكثف وهو نوع من الكود يسمى الكود الياباني أو الكود 101. يتكون هذا الرمز من ثلاثة أرقام تظهر على المكثف.

أول رقمين يشكلان رقمًا يجب ضربه في 10 مرفوعًا إلى الرقم الثالث ، مع الاحتفاظ بالبيكوفاراد كوحدة. على سبيل المثال:

يحتوي هذا المكثف على الأرقام 104 برمز. لذا فإن طريقة حساب سعة هذا المكثف هي:

10 X 104 = 100000،0,1 pF = XNUMX فائق التوهج

كود أبجدي رقمي

هناك رمز آخر لتحديد مادة وسعة المكثف ، والذي يستخدم مزيجًا من الأحرف والأرقام. هناك العديد من الطرق لتقديم هذا الرمز الذي يجمع بين الأرقام والحروف ، وهي متنوعة جدًا بحيث لا يستحق تعلمها حقًا ، لذلك يوصى بدلاً من ذلك باستشارة ورقة بيانات الشركة المصنعة.

المكثفات على التوالي وعلى التوازي

مثل المقاومات ، فإن موضع المكثفات على التوالي أو على التوازي يولد سلوكًا في السعة الكلية. لنبدأ في النظر إلى الظاهرة التي تحدث عندما تكون المكثفات متسلسلة.

المكثفات على التوالي

عندما تكون المكثفات متسلسلة ، تعمل سعة كل مكثف على النحو التالي:

تنشأ المعادلة:

فاتو = V1 + V2

حيث:

Vt: الجهد الكلي

V1: جهد المكثف الأول

V2: جهد المكثف الثاني

دعنا نعود إلى المعادلة لحساب سعة المكثف:

C = ف / ف

حيث:

q = الشحنة التي يخزنها كل لوح. وحدتها كولوم (C)

V = الجهد أو الجهد أو فرق الجهد المحتمل بين لوحين أو موصلات للمكثف. وحدتها فولت (V)

وأنه كان من الممكن مسح V بالطريقة التالية:

الخامس = ف / ج

الآن ، إذا استبدلنا كل V من كل مكثف في الدائرة بالتعبير السابق ، نحصل على ذلك ؛

1 / C = 1 / C1 + 1 / C2 + 1 / C3 ... 1 / Cn

المكثفات المتوازية

في هذه الحالة ، نظرًا لأن المكثفات متوازية ، فإن الجهد الذي يستقبله كل مكثف هو نفس الجهد الخاص بمصدر الطاقة ، لذلك يتعين علينا:

فاتو = V1 = V2 = V3… فن

حيث

Vt: هو الجهد الإجمالي أو المصدر

V1: جهد المكثف الأول

V2. جهد المكثف الثاني

V3: جهد المكثف الثالث

مرة أخرى ، إذا عدنا إلى التعبير الذي يسمح لنا بتقدير قيمة الجهد وفقًا للحمل وقيمة السعة:

الخامس = ف / ج

ونشرع في استبدال كل V من كل مكثف في الدائرة بالتعبير السابق ، نحصل على ما يلي:

C = C1 + C2 + C3… + Cn

يستخدم المكثف

المكثف هو أحد المكونات الأساسية للإلكترونيات. يكاد يكون من المستحيل ذكر جهاز اليوم لا يتطلب مكثفات في تصميمه. بعد ذلك سنذكر بعض التطبيقات الأكثر شيوعًا حيث يوجد المكثف.

  • البطاريات والذكريات: بفضل سعتها التخزينية ، من الممكن وضع عدة مكثفات بالتوازي لزيادة سعة الشحن.
  • المرشحات: يتم استخدامها على نطاق واسع في الشبكات الكهربائية لأنها يمكن أن تقضي على التموج والضوضاء من الشبكة ، أو في الحالة العكسية ، بحيث يتم تصفية التوافقيات الناتجة عن الشبكات الكهربائية الداخلية قبل العودة إلى الشبكة. في الاتصالات ، تُستخدم سعة الترشيح على نطاق واسع لإنشاء نطاقات تردد وأيضًا لتقليل التداخل أو إزالته.
  • مصادر الطاقة: يسمح سلوك الشحن والتفريغ التدريجي بتصحيح الموجة ، وهو أمر ضروري في إمدادات الطاقة لتحويل التيارات المتناوبة إلى تيارات مباشرة ، نظرًا لأن معظم الأجهزة الإلكترونية تعمل داخليًا مع التيار المباشر ، لكن الخدمة الكهربائية تعمل بالتيار المتردد. هذا هو السبب في أن مصادر الطاقة ضرورية لتشغيل المعدات ، ومن بين المكونات التي تتكون منها ، يلعب المكثف دورًا لا يمكن الاستغناء عنه.
  • محولات المعاوقة: يمكن للمكثفات تفريغ وشحن الطاقة في فترات زمنية لا تذكر عمليًا ، وهذا يسمح للمقاومة أن يتردد صداها مع المكونات الأخرى ، بحيث يمكن اقتران دائرتين لهما معاوقات مختلفة أو العمل معًا.

ومع ذلك ، فهذه ليست سوى عدد قليل من الاستخدامات القليلة التي يمكننا ذكرها. المكثفات لها تطبيقات في الإلكترونيات والشبكات الكهربائية الكبيرة والاتصالات السلكية واللاسلكية وغيرها. من أجهزة الكمبيوتر والهواتف المحمولة والثلاجات والساعات الرقمية وأجهزة التلفزيون والعديد من الاختراعات الأخرى ، لديهم مكثفات بداخلها كجزء أساسي من المجموعة التي تشكل وتعطي الحياة للأجهزة أو المعدات.

استنتاجات

تعتبر التطبيقات التي تمتلكها الإلكترونيات اليوم مهمة جدًا في حياتنا اليومية لدرجة أنه من المستحيل عمليًا البقاء على قيد الحياة في عالم لم يعد موجودًا فيه. ويبدأ هذا العالم الواسع من التكنولوجيا المتقدمة في أكثر أساساته تواضعًا كما هو الحال بالنسبة لكل مكون يمثل جزءًا من الإلكترونيات.

هذا هو حال المكثف ، وهو مكون مصنوع من مواد بسيطة للغاية ، مما يجعله أحد المكونات الأساسية للإلكترونيات ، ولكن بفضل سلوكه يستحيل عدم وجوده في جميع الأجهزة الإلكترونية الموجودة .

مما لا شك فيه أن تقدم الإلكترونيات كان محركًا أساسيًا مهد الطريق لتقدم التقنيات في مختلف التخصصات. وعلى الرغم من أن المكثف في حد ذاته ليس مفيدًا جدًا عند دمجه مع مكونات أخرى ، إلا أن المعدات المتطورة مثل بطاقات ذاكرة RAMأجهزة الكمبيوتر والروبوتات والطائرات بدون طيار والهواتف المحمولة ، خوادم وأكثر من ذلك.


كن أول من يعلق

اترك تعليقك

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

*

*

  1. المسؤول عن البيانات: مدونة Actualidad
  2. الغرض من البيانات: التحكم في الرسائل الاقتحامية ، وإدارة التعليقات.
  3. الشرعية: موافقتك
  4. توصيل البيانات: لن يتم إرسال البيانات إلى أطراف ثالثة إلا بموجب التزام قانوني.
  5. تخزين البيانات: قاعدة البيانات التي تستضيفها شركة Occentus Networks (الاتحاد الأوروبي)
  6. الحقوق: يمكنك في أي وقت تقييد معلوماتك واستعادتها وحذفها.