شرح أنواع المكثفات

في هذا المنشور نتعرف على أساسيات المكثف ، وكذلك فيما يتعلق بالأنواع المختلفة من المكثفات المتوفرة بشكل شائع في السوق والمستخدمة في معظم الدوائر الإلكترونية.

ملخص

المكثف هو ببساطة جزء إلكتروني سلبي مصمم لتخزين شحنة كهربائية.

في الشكل المادي ، يتكون من زوج من الألواح المعدنية أو الأقطاب الكهربائية مفصولة بمحتوى عازل أو عازل. يؤدي تطبيق جهد التيار المستمر عبر أطراف المكثف على الفور إلى ندرة الإلكترونات الموجودة على اللوحة الموجبة وزيادة وفرة الإلكترونات على اللوحة السالبة ، كما هو موضح في الشكل التالي.

يؤدي هذا التراكم التفاضلي للإلكترونات إلى نشوء شحنة كهربائية تتراكم على مستوى معين (بناءً على الجهد) وتبقى بعد ذلك عند هذا المستوى. إذا كان التيار المستمر متورطًا ، فإن العازل الموجود داخل المكثف يعمل مثل نظام منع لتدفق التيار (ومع ذلك قد يكون تيار شحن عابر طفيفًا يمنع عندما يكون المكثف مشحونًا بالكامل).

عند استخدام التيار المتردد عبر المكثف ، تنعكس الشحنة المتراكمة خلال دورة نصف التيار المتردد مع الدورة النصف الثانية التالية ، مما يتسبب في أن يسمح المكثف للتيار من خلاله بالتشغيل بكفاءة ، كما لو أن العزل الكهربائي لم يكن موجودًا على الإطلاق.

لذلك عندما يكون التيار المتردد متضمنًا ، يعمل المكثف ببساطة مثل جهاز اقتران. بالكاد ستجد أي دوائر إلكترونية تحمل تيار متردد ولا تحتوي على بعض المكثفات ، ربما للاقتران أو لتحسين استجابة التردد العامة للنظام.

في السيناريو الأخير المذكور ، يتم توصيل مكثف بمقاوم لإنشاء مجموعة RC. يمكن أيضًا استخدام حدوث الشحن / التفريغ المرتبط بالمكثفات في دوائر أخرى مختلفة على سبيل المثال ، الفلاش الإلكتروني للتصوير الفوتوغرافي.

تمامًا مثل المقاومات ، يمكن تكوين المكثفات للعمل بقيم ثابتة أو يمكن تعديل حجمها. تصادف أن تكون المكثفات الثابتة هي الأسس الأساسية للدائرة (جنبًا إلى جنب مع المقاومات). المكثفات المتغيرة مصممة في الغالب لتحسين الدوائر المضبوطة.

ال معلمات الأداء لكل مكثف مختلفة وبالتالي تختلف تطبيقاتها أيضًا وفقًا لذلك.

تعتبر المكثفات الإلكترونية أحد أشكال المكونات الإلكترونية المستخدمة على نطاق واسع. بصرف النظر عن هذا ، فإن المكثفات الأخرى المستخدمة في الصناعة تشمل السيراميك ، والميكا الفضية ، والإلكتروليت ، والبلاستيك ، والتنتالوم ، وغيرها.

يتم استخدام كل نوع من المكثفات في تطبيقات مختلفة وفقًا لعيوبها ومزاياها.

من الجوهري أن يتم اختيار النوع المناسب من المكثف لأن الدائرة التي يستخدم فيها المكثف يتم استخدامها بشكل كبير بواسطة المكثف.

وبالتالي ، في حالة عدم تحديد نوع صحيح من المكثف لإدخاله في الدائرة على أساس معلماته ، فقد يؤدي ذلك إلى أداء غير لائق أو خاطئ للدائرة.

أساسيات المكثفات

القوانين الفيزيائية التي تحكم الأنواع المختلفة من المكثفات بشكل أساسي هي نفسها ويتم الالتزام بها وفقًا لذلك.

تحدد هذه القوانين الأساسية معلمات مختلفة للمكثفات مثل كيفية عمل المكثف ، و قيمة المكثف ، وسعتها (أقصى كمية الشحنة التي سيحتفظ بها المكثف).

وبالتالي ، فإن النظرية الأساسية التي تُبنى عليها المكثفات وتعمل عليها تمكن من فهم أشكال المكثفات المختلفة وكيف يمكن استخدامها أو استخدامها.

ملحوظة: على الرغم من وجود العديد من التطورات في مجال المواد العازلة ، إلا أن القوانين الأساسية التي تعمل بها المكثفات لم تتغير وهي تنطبق حتى الآن.

أنواع المكثفات والعوازل

كما نوقش أعلاه ، على الرغم من القوانين الأساسية التي تعمل عليها المكثفات ، تختلف خصائص المكثفات اختلافًا كبيرًا بسبب الطريقة التي يتم بها إنشاء كل نوع من أنواع المكثفات.

يتم إعطاء الخصائص المختلفة التي تمتلكها أنواع مختلفة من المكثفات من خلال عنصرها الرئيسي الذي يقع بين لوحتين من المكثف ويعرف باسم 'العازل'.

يمكن أن يؤثر ثابت العزل الكهربائي للمكثف على مستوى السعة الذي يمكن للمكثف تحقيقه عند حجم معين. أيضًا ، يمكن العثور على مكثفات مختلفة من أنواع مختلفة مستقطبة في الطبيعة حيث يتم تحمل الجهد الذي يمر عبر المكثف في اتجاه واحد فقط.

من ناحية أخرى ، يمكن العثور على مكثفات مختلفة من أنواع مختلفة غير مستقطبة في الطبيعة حيث يتم تحمل الجهد الذي يمر عبر المكثف في كلا الاتجاهين.

يتم تسمية المكثفات بشكل شائع على أساس طبيعة العازل الموجود في المكثف.

هذا يدل على الخصائص العامة التي سيظهرها المكثف إلى جانب الأنواع المختلفة المختلفة لوظائف الدائرة حيث يمكن استخدامها.

نظرة عامة على المكثفات وأنواعها المختلفة

يتم استخدام أشكال مختلفة من التصميم للمكثفات غير المستقطبة ، والتي يمكن التعرف عليها كلها تقريبًا بسهولة من خلال أسلوب المكثف. لا تحتاج إلى النظر في التفاصيل الدقيقة المتعلقة بالإنشاءات الحقيقية. تعتبر ميزاتها الخاصة أمرًا بالغ الأهمية ، على الرغم من أنها يمكن أن تحدد التنوع المثالي للعمل مع تطبيق معين.

المكثفات غير المستقطبة

1. المكثفات الورقية العازلة ، التي يمكن التعرف عليها عادة من خلال شكلها الأنبوبي ، هي الأرخص لكنها عادة ما تكون ضخمة. العديد من القيود الرئيسية الأخرى هي أنها ليست مناسبة تمامًا للاستخدام عند الترددات العالية التي تزيد عن 1 ميجاهرتز ، والتي تقصر تطبيقاتها عمليًا على الدوائر الصوتية. عادة ما توجد هذه القيم من 0.05 درجة فهرنهايت حتى 1 أو 2 درجة فهرنهايت ، مع وجود جهد تشغيل بين 200 إلى 1000 فولت. يمكن أن يكون للمكثفات العازلة بالورق المغلفة بالبلاستيك جهد تشغيل أكبر بكثير.
2. مكثفات السيراميك تحظى بشعبية كبيرة في دوائر الصوت والترددات اللاسلكية الصغيرة. هذه رخيصة جدًا ويمكن الحصول عليها في مجموعة متنوعة من القيم من 1 pF إلى 1 µF مع جهد تشغيل كبير ، بالإضافة إلى التعرف عليها من خلال التسرب المنخفض للغاية. يمكن تصنيعها في كل من الأقراص والهياكل الأسطوانية وكألواح خزفية ممعدنة.
3. مكثفات الميكا الفضية تعتبر أكثر تكلفة من المكثفات الخزفية ولكنها تتمتع بقدرة تشغيل عالية التردد وتحمل أقل بكثير ، لذلك تعتبر مناسبة تمامًا للتطبيقات الحيوية. يمكن تصنيعها بجهد تشغيل عالي للغاية.
4. مكثفات البوليسترين مصنوعة من رقائق معدنية مفصولة بفيلم بوليسترين ، وعادة ما يكون لها غطاء بوليسترين متكامل لضمان خاصية عزل معززة. وهي معروفة بخسائرها الدنيا مع الترددات العالية والاستقرار والاتساق الممتازين. يمكن أن تختلف القيم من 10 pF إلى 100000 pF ، لكن جهد العمل عادةً ما ينخفض ​​بشكل كبير مع ارتفاع قيم السعة.
5. مكثفات البولي كربونات عادةً ما يتم تصنيعها في شكل قطع مستطيلة تنتهي نهايتها كأسلاك يمكن إدخالها بسهولة في ثقوب ثنائي الفينيل متعدد الكلور. إنها توفر قيمًا عالية (بقدر 1 درجة فهرنهايت) بأبعاد صغيرة ، جنبًا إلى جنب مع ميزات تقليل الخسائر والحد الأدنى من الحث. تمامًا مثل مكثفات البوليسترين ، تتأثر جهود التشغيل بقيم السعة العالية.
6. مكثفات غشاء بوليستر يتم تصنيعها بالمثل للتجميع المباشر في لوحات الدوائر المطبوعة ، بقيم من 0.01 درجة فهرنهايت إلى 2.2 درجة فهرنهايت. عادة ما تكون هذه أكبر في الحجم مقارنة بمكثفات البولي كربونات. يسمح لهم الحث الداخلي الصغير بأن يكونوا مناسبين بشكل خاص لوظائف الاقتران والفصل في الدوائر الإلكترونية. عادة ما يتم ذكر قيم مكثفات فيلم البوليستر برمز لوني يتكون من 5 حلقات لونية.
7. مكثفات فيلم مايلر يمكن اعتباره مكثفًا قياسيًا من النوع الغشائي ، يوجد عادةً بقيم تتراوح من 0.001 درجة فهرنهايت إلى 0.22 درجة فهرنهايت ، وله جهد تشغيل يصل إلى 100 فولت تيار مستمر.

الأنواع المختلفة من المكثفات المستخدمة في معظم الدوائر الإلكترونية هي كما يلي:

مكثف السيراميك:

يستخدم المكثف أي مكثف السيراميك لتطبيقات متعددة بما في ذلك الترددات اللاسلكية والصوت.

يتراوح نطاق قيم مكثف السيراميك بين عدد قليل من البيكوفاراد و 0.1 ميكروفاراد. المكثفات الخزفية هي الأكثر استخدامًا في الصناعة لأنها أكثر أنواع المكثفات المتاحة موثوقية ورخيصة.

أيضًا ، هناك سبب آخر لاستخدامه الشائع والواسع وهو أن عامل فقدان مكثف السيراميك منخفض جدًا. لكن عامل الخسارة للمكثف يعتمد أيضًا على العازل المستخدم في المكثف.

يتم استخدام المكثفات الخزفية في كل من تنسيقات التركيب السطحي والمزودة بالرصاص بسبب الخصائص الإنشائية للمكثفات.

مكثف كهربائيا:

أحد أنواع المكثفات المستقطبة في الطبيعة هي المكثفات الإلكتروليتية.

قيم السعة التي يقدمها المكثف الإلكتروليتي عالية جدًا والتي تتراوح أكثر من 1 درجة فهرنهايت. تُستخدم المكثفات الإلكتروليتية في الصناعة بشكل شائع للتطبيقات التي يتم إجراؤها على تردد منخفض مثل تطبيقات الفصل وإمدادات الطاقة وتطبيقات اقتران الصوت.

وذلك لأن حد التردد لهذه التطبيقات يقارب 100 كيلو هرتز.

مكثف التنتالوم:

نوع آخر من المكثفات المستقطبة في الطبيعة هو مكثف التنتالوم. مستوى السعة الذي يوفره مكثف التنتالوم بحجمه مرتفع جدًا.

تتمثل إحدى عيوب مكثف التنتالوم في عدم وجود تسامح في مكثف التنتالوم تجاه الانحياز العكسي الذي يمكن أن يؤدي إلى انفجار المكثف عند تعرضه للإجهاد.

عيب آخر هو أن لديها قدرة تحمل منخفضة للغاية لتيارات التموج ، وبالتالي لا ينبغي أن تتعرض لجهود عالية (مثل الفولتية التي هي أعلى من جهد التشغيل الخاص بهم) والتيار التموج العالي. مكثفات التنتالوم متوفرة بصيغتي التركيب السطحي والمحتوية على الرصاص.

مكثف الميكا الفضي:

على الرغم من أن استخدام مكثفات الميكا الفضية قد انخفض بشكل كبير في العصر الحالي ، إلا أن الثبات الذي توفره مكثفات الميكا الفضية لا يزال مرتفعًا جدًا إلى جانب توفير دقة عالية وخسارة منخفضة.

أيضًا ، هناك مساحة كافية متوفرة في مكثفات الميكا الفضية. تشمل التطبيقات التي تُستخدم فيها بشكل أساسي تطبيقات الترددات اللاسلكية.

القيم القصوى التي يقتصر عليها مكثف الميكا الفضي هي 100pF تقريبًا.

مكثف فيلم البوليسترين:

توفر مكثفات فيلم البوليسترين مكثفًا من التسامح الوثيق حيثما لزم الأمر. كما أن هذه المكثفات أرخص نسبيًا من المكثفات الأخرى.

يتم لف الساندويتش العازل أو الألواح الموجودة في مكثفات فيلم البوليسترين معًا مما ينتج عنه شكل المكثف في شكل أنبوبي.

يحد وضع الساندويتش العازل وشكل المكثف من استجابة المكثف للترددات العالية بسبب إضافة المحاثة وبالتالي يستجيب فقط لعدد قليل من 100 كيلو هرتز.

يكون التوافر العام لمكثفات فيلم البوليسترين في شكل مكونات إلكترونية تحتوي على الرصاص.

مكثف فيلم بوليستر:

يكون التفاوت الذي يوفره مكثف فيلم البوليستر منخفضًا جدًا وبالتالي يتم استخدام هذه المكثفات في المواقف التي يكون فيها الاعتبار المسبق هو التكلفة.

إن مستوى تحمل نسبة كبيرة من مكثفات غشاء البوليستر المتاحة هو إما 10٪ أو 5٪ وهذا يعتبر كافيا لمجموعة من التطبيقات.

يكون التوافر العام لمكثفات فيلم البوليستر في شكل مكونات إلكترونية تحتوي على الرصاص.

مكثف فيلم بوليستر ممعدن

يتكون نوع المكثفات المصنوعة من فيلم بوليستر الممعدن من أغشية بوليستر ممعدنة وبكل معنى آخر ، فهي تشبه مكثفات فيلم البوليستر أو أي شكل آخر منها.

تتمثل إحدى المزايا التي يحققها فيلم البوليستر المعدني في أنه يجعل الأقطاب الكهربائية ذات عرض صغير جدًا وبالتالي تمكين تغليف المكثف في عبوة ذات أحجام صغيرة جدًا أيضًا.

يكون التوفر العام لمكثفات غشاء البوليستر الممعدنة في شكل مكونات إلكترونية تحتوي على الرصاص.

مكثف البولي:

التطبيقات التي يكون فيها المطلب الأكثر أهمية والأكثر أهمية هو الأداء العالي والموثوقية ، تستخدم هذه التطبيقات مكثفات البولي كربونات.

يتم الاحتفاظ بقيمة السعة على مدى فترة طويلة من الزمن بواسطة مكثفات البولي لأن مستوى تحملها مرتفع للغاية. يتم تحقيق مستويات التسامح العالية هذه بسبب استقرار فيلم البولي كربونات المستخدم في مكثف البولي كربونات.

بالإضافة إلى ذلك ، فإن عامل التبديد لمكثف البولي كربونات منخفض جدًا ويمكنه تحمل درجة حرارة واسعة النطاق ويظل ثابتًا.

تتراوح درجة الحرارة التي يمكن أن يتحملها هذا المكثف بين -55 درجة مئوية و + 125 درجة مئوية. على الرغم من كل هذه الخصائص ، فقد انخفض إنتاج مكثفات البولي كربونات بشكل كبير.

PPC أو مكثف بولي بروبيلين:

في هذه الأنواع من المكثفات ، يكون مستوى التفاوت المطلوب أعلى مما يمكن أن يوفره مكثف البوليستر ، ثم يتم استخدام مكثفات البولي بروبلين في هذه الحالات.

المادة المستخدمة للعزل الكهربائي في مكثف البولي بروبلين عبارة عن فيلم بولي بروبيلين.

الميزة التي يتمتع بها مكثف البولي بروبلين على المكثفات الأخرى هي أنه يمكنه تحمل الجهد العالي جدًا خلال فترة زمنية وبالتالي يكون التغيير في مستوى السعة بسبب زيادة الجهد ونقصانه على مدى فترة زمنية منخفضًا جدًا.

يتم استخدام مكثف البولي بروبلين أيضًا في الحالات التي يكون فيها التردد المستخدم منخفضًا جدًا ، ويكون الحد الأقصى في الغالب في نطاق 100 كيلو هرتز.

يكون التوفر العام لمكثف البولي بروبلين في شكل مكونات إلكترونية تحتوي على الرصاص.

المكثفات الزجاجية:

يتكون العازل الكهربائي المستخدم في المكثف الزجاجي من الزجاج. على الرغم من أن المكثفات الزجاجية باهظة الثمن ، إلا أن مستويات أدائها عالية جدًا.

قدرة التردد اللاسلكي الحالية للمكثفات الزجاجية عالية جدًا إلى جانب الخسارة المنخفضة للغاية. بالإضافة إلى ذلك ، لا يوجد أي ضوضاء كهربائية بيزو في المكثفات الزجاجية.

كل هذه الخصائص وبعض الخصائص الإضافية للمكثفات الزجاجية تجعلها أكثر ملاءمة ومثالية لتطبيقات التردد اللاسلكي التي تتطلب أداءً عاليًا.

المكثف الفائق:

الأسماء الأخرى التي يعرف بها supercap هي ultracapacitor أو supercapacitor.

قيم السعة لهذه المكثفات كبيرة جدًا على هذا النحو اسمها. تذهب مستويات السعة للمكثف الفائق نحو عدة آلاف من الفاراد.

يتم استخدام المكثف الفائق في الصناعة لتوفير مخزون من الذاكرة المعلقة إلى جانب الاستخدامات المختلفة في مجال تطبيقات السيارات. يتم تضمين الأنواع الرئيسية المختلفة من المكثفات تحت الغطاء الفائق.

إلى جانبهم ، هناك العديد من أنواع المكثفات الأخرى التي يتم استخدامها عندما تكون التطبيقات متخصصة في الطبيعة.

يتم تحديد المكثفات بشكل رئيسي من خلال معلماتها مثل القيم التي تم تمييزها على حالات المكثفات. من أجل عرض المعلمات بطريقة مضغوطة ، تتم علامات المعلمات في شكل رمز.

مكثفات متغيرة

المكثفات المتغيرة تصنع من قطع بديلة من الصفائح المعدنية ، مجموعة واحدة ثابتة وغير متحركة والأخرى متحركة.

يتم فصل الألواح بعزل كهربائي يمكن أن يكون عازلًا هوائيًا أو صلبًا. تعمل حركة مجموعة واحدة من اللوحات على إزاحة المقطع الكلي للألواح ، وبالتالي تغيير السعة عبر الألواح.

بالإضافة إلى ذلك ، التمايز القياسي بين مكثفات التوليف المستخدمة للتلاعب المتكرر (على سبيل المثال ، لضبط محطة استقبال راديو) ومكثفات التشذيب المخصصة للإعداد الأولي لدائرة مضبوطة.

تميل المكثفات الموالفة إلى أن تكون أكبر وأكثر قوة في الهيكل وعادة ما تكون من النوع العازل للهواء.

مكثفات الانتهازي غالبًا ما يتم تحديدها بواسطة ميكا أو عازل غشاء يحتوي على كمية مخفضة من الألواح ، حيث يتم تعديل السعة عن طريق تدوير الترباس الأوسط لتغيير الضغط عبر الألواح والميكا العازلة.

نظرًا لحقيقة أن حجمها أكثر إحكاما ، فقد يتم استخدام مكثف الانتهازي في بعض الأحيان مثل مكثف التوليف على دائرة راديو FM بحجم الجيب ، على الرغم من تصنيع مكثفات التوليف المصغرة الحصرية لتثبيتها على الفور على PCB.

عندما يتعلق الأمر بضبط المكثفات ، فإن هيكل الريش يخبرنا بالطريقة التي تتغير بها السعة مع تحرك المغزل.

يتم تصنيف كل هذه السمات بشكل عام في أحد الأوصاف التالية:

1. الخطي: حيث تولد كل درجة دوران للمغزل تغييرًا مشابهًا في السعة. هذا هو النوع الأكثر شيوعًا المحدد لأجهزة استقبال الراديو.

2. اللوغاريتمي: حيث تولد كل درجة من حركة المغزل مستوى متغير باستمرار من التردد لدائرة مضبوطة.

3. التردد المتساوي: حيث تقدم كل درجة حركة مغزل نفس التباين في التردد في الدائرة المضبوطة. 4. قانون التربيع: حيث يتناسب التباين في السعة مع مربع زاوية حركة المغزل.