المكثفات Capacitors

تُعد عملية تخزين الطاقة من الوظائف الأساسية للمُكثّف، إضافةً لعمل المُكثف كمرشحٍ يُمرر التيار المتناوب ويمنع مرور التيار المُستمر. وهو يتألف من صفيحتين ناقلتين مُتقابلتين يفصل بينهما عازل، وعند تطبيق جهد مستمر على لبوسي (أقطاب) المُكثف، يبدأ لبوسا المكثف بتخزين الشحنات ويبدأ تيارٌ كهربائيٌ يالمرور خلال المكثف، بحيث يتوقف هذا التيار عندما تصبح شحنة المُكثف أعظمية.

عند وصل مكثف كيميائي قيمته 10ميكروفاراد بالمقياس متعدد الأغراض التشابهي Analog AVO (ذو المؤشر على وضعية قياس المقاومة) فإن تياراً كهربائياً سيمر بحيث يمكن ملاحظة انحراف مؤشر المقياس عن الصفر لفترة زمنية قصيرة، وعند وصل لبوسي المقياس بشكل معاكس ستلاحظ أن التيار سيمر مُجدداً ولنفس الفترة الزمنية. وبالتالي يمكن تشبيه آلية مرور التيار المتناوب يعملية التبديل المُتناوب لمجسات المقياس الآنفة الذكر.

تقاس سعة المكثف بواحدة تدعى الفاراد، وهي قيمة كبيرة جداً لذلك نعبر عنها بقيم أصغر، كالمايكرو فاراد، نانو فاراد، بيكو فاراد. حديثاً، تم تطوير مكثفات بسعات كبيرة تبلغ عدة أجزاء عشرية من الفاراد تسمى المكثفات الفائقة Super Capacitors.

قراءة قيمة المكثف
يوجد طريقتان لكتابة قيمة سعة المكثف (وفق ثلاث خانات) إما أحرفاً وأرقاماً أو أرقاماً فقط.
فمثلاً: (10n) (103) يدلان على نفس القيمة، الخانة الأولى من اليمين تحدد عدد العشرات المضروبة بالعدد الناتج عن الخانتين الأولى والثانية من اليسار، وتكون رتبة القيمة الناتجة بالبيكوفاراد “الطريقة صحيحة فقط للقيم المكتوبة بثلاثة خانات”.
أمثلة:
[103], = 10 x 10^3, or 10,000pF = 10 nanofarad( nF ) = 0.01 microfarad( µF ).
[224], = 22 x 10^4 = or 220,000pF = 220nF = 0.22µF.

أما بالنسبة للقيم التي تكون أصغر من 100بيكوفاراد فهي تظهر بخانتين فقط، مثلاً : 47 يقصد بها 47بيكوفاراد.

من الجدير بالذكر إن الجهد المطبق على المكثف يجب ألا يتجاوز القيمة العظمى المحددة والتي تتعلق بنوع المكثف المستخدم والمكتوب أيضاً على غلافه، ويجب الانتباه لجهد الانهيار للمكثف الكيميائي لأنه صغير نسبياً بالنسبة لباقي الأنواع، مع العلم أن جهد الانهيار هو الجهد الذي يسبب بانهيار عازل المكثف مما يتسبب بحدوث خلل كبير وعدم قابلية استخدامه مرة أخرى.

أنواع المكثفات
1-المكثف الكيميائي
يصنع الإلكترودان من الألمنيوم ويغلفان بطبقة مؤكسدة، يتعلق حجم هذا المكثف بقيمة سعته، لأن العازل رقيق جداًً. تتميز هذه المكثفات بأنها تمتلك قطباً موجباً وآخر سالباً، وبالتالي يكون من المهم التعامل مع هذه القطبية بالشكل الصحيح، ففي حال تم وصل المكثف بالطريقة الخاطئة، أو تجاوز الجهد المطبق عليه جهد الانهيار، فإن المكثف سينفجر. ولمنع الالتباس توضع إشارة – للقطب السالب على غلاف المكثف ( كما هو موضح بالشكل أدناه )، وتوضع إشارة + على مخطط الدارة المطبوعة للإشارة إلى موضع تثبيت الإلكترود الموجب للمكثف عليها.

تتراوح قيمة هذا النوع من المكثفات ما بين 1 وآلاف الميكروفاراد، وهو يستخدم كمرشح للتعرجات الصغيرة في دارات وحدات التغذية، أو كمرشح تمرير إشارات التردد المنخفض ( وذلك لارتفاع قيم سعاته ).

2-مكثفات التانتاليوم:

هو مكثف كيميائي يصنع إلكتروداه من معدن التنتاليوم، ويتميز هذا المكثف بخصائص حرارية وترددية أفضل بكثير من المكثف السابق. عندما يتم شواء مسحوق التنتاليوم لكي يصبح مادة صلبة سيؤدي ذلك لحدوث تشققات في بنيته، وبالتالي ستختزن الشحنات ضمن هذه التشققات. يتميز هذا النوع من المكثفات باستقرار قيمته تجاه تغيرات درجة الحرارة كما هو الحال مع تغيرات التردد؛ لذلك يستخدم في الدارات التي تتتطلب استقراراً في قيمة سعة المكثف، إضافة لاستخدامها بشكل أساسي في الدارات التماثلية، وبالمقارنة بالمكثفات الكيميائية فإن مكثف التانتاليوم هو المستخدم في دارات نظم الإشارات التماثلية، حيث يحجب المكثف الكيميائي جميع نبضات التيار العالية Spike بينما يعمل مكثف التاتاليوم على إظهارها وذلك بسبب خواصه الاستقرارية في الدارات التماثلية.

3-المكثف السيراميكي:
وهو مكثف عازله من السيراميك كتيتانات الباريوم يستخدم كمرشح للترددات العالية عبر تمريرها للأرض، وهو ذو قيم سعات صغيرة نسبياً.
تأخذ هذه المكثفات شكل القرص، ليس لها قطبية، ويجب ألا تستخدم في الدارات التماثلية لأنها تؤدي إلى تشويه الإشارة.

4-المكثف السيراميكي متعدد الطبقات:
وهو يتألف من عدة طبقات عازلة، صغيرة الحجم، لها خصائص حرارية وكهربائية جيدة، وليس لها قطبية.
يستخدم هذا المكثف لتمرير الترددات العالية في الدارات الرقمية إلى الأرض.

5-مكثف البوليسترين:

وهو مكثف يحوي شريحة من البوليسترين كعازل، ولا يستخدم هذا النوع من المكثفات في دارات الترددات العالية، بل يستخدم في دارات الترشيح أو دارات المؤقتات التي تعمل عند بضع مئات من الكيلوهيرتز أو أقل، ليس له قطبية.

في الشكل التالي يظهر على المكثف اللون الأحمر بسبب الوريقة النحاسية التي تشكل إلكتروداً، أما اللون الفضي فهو دلالة على استخدام الألمنيوم في تشكيل الإلكترود الآخر.
القيم من اليسار إلى اليمين على الترتيب 100pf, 1000 pf, 10000pf

6-المكثفات الفائقة Super capacitor:

تتميز هذه المكثفات بسعاتها الكبيرة، كمثال 0.47 F كما في المكثف الموضح في الشكل.
عند استخدام هذا النوع من المكثفات في دارات وحدات التغذية يجب الانتباه الى أن تياراً كبيراً سيمر عند بداية شحن المكثف (كأن المكثف قد سبب بما يشبه دارة القصر)، الأمر الذي يؤدي إلى تلف الديود المستخدم في دارة التقويم؛ لذا يجب تأمين الحماية اللازمة للدارة.

انتبه لطريقة التوصيل الصحيحة لهذا المكثف، لأنه يتأثر بالقطبية.

7-مكثف البوليستر:
مكثف عازله طبقة رقيقة من البوليستر، تتميز برخص ثمنها وانتشارها الواسع، ليس لها قطبية. تتراوح سماحية قيمها بين 5% —10% يجب الانتباه لدلالات الأرقام المطبوعة على جسم المكثف لأن طريقة تعبير هذه الأرقام تختلف حسب الشركة المصنعة.
من اليسار:

يوجد نوع من هذه المكثفات يكون إلكترودها رقيقاً جداً، وبالتالي يكون حجمها صغيراً جداً. تتطلب الدقة والانتباه في التعامل معها، لأن أرجلها رقيقة وتنكسر بسرعة؛ الأمر الذي يؤدي إلى عطبها.
من اليسار:

8-مكثفات البولي بروبلين:
مكثف عازله طبقة من البولي بروبلين، ليس لها قطبية. تتميز هذه المكثفات بسماحيتها العالية،بل أكثر من ذلك، يمكننا القول إنه لا تغير قيمة السماحية اذا كان المكثف يعمل عند مجال يساوي 100khz أو أقل.
المكثف الموضح في الصورة له سماحية 1%، من اليسار :

9-مكثفات الميكا:
مكثف الميكا هو مكثف عازله مادة الميكا. تتميز هذه المكثفات بالثبات الجيد لقيمها لأن المعامل الحراري للميكا صغير. وبما أنها تتمتع بخصائص ترددية ممتازة؛ فهي تستخدم في دارات الرنين، ودارات المرشحات عالية التردد. وبسبب عازلية الميكا الممتازة، تتحمل هذه المكثفات جهوداً عالية قد تصل لـ500 وتستخدم عادة في تصميم دارات الراديو حيث تشكل في عملها ما يشبه الصمامات المفرغة.

لكن قيم سعاتها صغيرة، وثمنها مرتفع نسبياً مقارنة بباقي الأنواع، وليس لها قطبية.
في الصورة الموضحة ومن اليسار: