المكثفات: الغرض ، الجهاز ، مبدأ التشغيل

في جميع الأجهزة الراديوية والإلكترونية ، باستثناء الترانزستورات والدوائر الدقيقة ، يتم استخدام المكثفات. في بعض الدوائر ، يوجد عدد أكبر منها ، في دوائر أخرى أقل ، ولكن لا توجد عملياً دوائر إلكترونية بدون مكثفات.

في هذه الحالة ، يمكن للمكثفات أداء مجموعة متنوعة من المهام في الأجهزة. بادئ ذي بدء ، هذه حاويات في مرشحات المقومات والمثبتات. بمساعدة المكثفات ، يتم إرسال إشارة بين مراحل المكبر ، يتم إنشاء فلاتر منخفضة وعالية التردد ، ويتم ضبط الفواصل الزمنية في التأخير الزمني ، ويتم تحديد تردد التذبذب في المولدات المختلفة.

المكثفات تؤدي من ليدن البنوكالتي استخدمت في منتصف القرن الثامن عشر في تجاربهم من قبل العالم الهولندي بيتر فان موشنبروك. لقد عاش في مدينة ليدن ، لذلك من السهل تخمين سبب استدعاء هذا البنك.

في الواقع ، كان هذا جرة زجاجية عادية ، مبطنة من الداخل والخارج برقائق القصدير - staniol. تم استخدامه للأغراض نفسها مثل الألومنيوم الحديث ، ولكن بعد ذلك لم يكن الألومنيوم مفتوحًا بعد.

كان المصدر الوحيد للكهرباء في تلك الأيام هو آلة كهربائية ، قادرة على تطوير جهد كهربائي يصل إلى عدة مئات من الكيلوفولت. لقد اتهم منها جرة ليدن. في الكتب المدرسية للفيزياء ، يتم وصف حالة عندما قام موشنبروك بإفادته من خلال سلسلة من عشرة حراس يحملون أيديهم.

في ذلك الوقت ، لم يكن أحد يعلم أن العواقب قد تكون مأساوية. تبين أن الضربة كانت حساسة للغاية ولكنها ليست قاتلة. لم يصل الأمر إلى هذا ، لأن قدرة جرة ليدن كانت غير ذات أهمية ، تبين أن الدافع لم يدم طويلًا ، لذلك كانت قوة التفريغ صغيرة.

كيف هو مكثف

لا يختلف جهاز المكثف عملياً عن جرة ليدن: جميع الصفائح نفسها ، مفصولة عازل. هذه هي الطريقة التي تصور المكثفات على الدوائر الكهربائية الحديثة. يوضح الشكل 1 بنية تخطيطية لمكثف مسطح وصيغة حسابها.

الشكل 1. جهاز مكثف مسطح

هنا S هي مساحة اللوحة بالأمتار المربعة ، d هي المسافة بين الألواح بالأمتار ، C هي السعة في farads ، constant هي ثابت العزل الكهربائي للوسط. يشار إلى جميع القيم المدرجة في الصيغة في نظام SI. هذه الصيغة صالحة لأبسط المكثفات المسطحة: يمكنك ببساطة وضع لوحين بجانبهما ، والتي يتم استخلاص النتائج منها. الهواء يمكن أن يكون بمثابة عازل.

من هذه الصيغة ، يمكن فهم أن المكثف أكبر ، كلما زادت مساحة الألواح وأصغر المسافة بينهما. بالنسبة للمكثفات ذات هندسة مختلفة ، قد تكون الصيغة مختلفة ، على سبيل المثال ، لسعة موصل واحد أو الكابلات الكهربائية. لكن اعتماد السعة على مساحة الألواح والمسافة بينها هو نفسه في مكثف مسطح: كلما كانت المساحة أكبر وأصغر المسافة ، زادت السعة.

في الواقع ، ليست مصنوعة دائما لوحات مسطحة. بالنسبة للكثير من المكثفات ، على سبيل المثال ، الورق ، تكون الألواح عبارة عن رقائق ألمنيوم ملفوفة مع عازل ورقي في كرة ضيقة ، على شكل علبة معدنية.

لزيادة القوة الكهربائية ، يتم تشريب الورق ذي المكثف الرفيع بتركيبات عازلة ، وغالبًا ما يكون زيت المحولات. يتيح لك هذا التصميم عمل مكثفات بسعة تصل إلى عدة مئات من الميكروفاراد. وبالمثل يتم ترتيب المكثفات مع غيرها من المواد العازلة.

لا تحتوي الصيغة على أي قيود على مساحة الألواح S والمسافة بين الألواح d.إذا افترضنا أن اللوحات يمكن أن تؤخذ بعيدًا جدًا ، وفي نفس الوقت نجعل مساحة الألواح صغيرة جدًا ، فسوف تظل بعض القدرات ، وإن كانت صغيرة ،. يوحي هذا المنطق أنه حتى اثنين فقط من الموصلات الموجودة في الحي لديهم سعة كهربائية.

يستخدم هذا الظرف على نطاق واسع في التكنولوجيا عالية التردد: في بعض الحالات ، يتم تصنيع المكثفات ببساطة في شكل مسارات الدوائر المطبوعة ، أو حتى سلكين فقط ملتوية معًا في عزل البولي إيثيلين. كما تتمتع المعكرونة السلكية العادية أو السلك بسعة ، ويزيد طولها.

بالإضافة إلى السعة C ، يتمتع أي كبل أيضًا بمقاومة R. يتم توزيع كلتا الخواص الفيزيائية على طول الكابل ، وعند إرسال الإشارات النبضية ، تعمل كسلسلة RC متكاملة ، كما هو موضح في الشكل 2.

الشكل 2

في الشكل ، كل شيء بسيط: هنا الدائرة ، وهنا إشارة الدخل ، ولكن هنا في الإخراج. يتم تشويه الدافع بشكل لا يمكن التعرف عليه ، ولكن يتم ذلك عن قصد ، حيث يتم تجميع الدائرة. في هذه الأثناء ، نحن نتحدث عن تأثير سعة الكابل على إشارة النبض. بدلاً من الدافع ، ستظهر "الجرس" على الطرف الآخر من الكابل ، وإذا كان الدافع قصيرًا ، فقد لا يصل إلى الطرف الآخر من الكابل على الإطلاق ، سوف يختفي تمامًا.

حقيقة تاريخية

من المناسب هنا أن نتذكر قصة كيفية وضع الكبل عبر الأطلسي. فشلت المحاولة الأولى في عام 1857: تم تشويه نقاط التلغراف - الشرطات (نبضات مستطيلة) بحيث لا يمكن تفكيك أي شيء في الطرف الآخر من خط 4000 كم.

جرت محاولة ثانية في عام 1865. بحلول هذا الوقت ، طور الفيزيائي الإنجليزي دبليو تومبسون نظرية لنقل البيانات عبر خطوط طويلة. في ضوء هذه النظرية ، اتضح أن توجيه الكابل كان أكثر نجاحًا ، تمكنا من استقبال الإشارات.

لهذا الإنجاز العلمي ، منحت الملكة فيكتوريا العالم لقب فارس ولورد كلفن. كان هذا هو اسم المدينة الصغيرة على ساحل أيرلندا ، حيث بدأ مد الكابلات. لكن هذه مجرد كلمة ، والآن نعود إلى الحرف الأخير في الصيغة ، أي إلى ثابت العزل الكهربائي للوسط ε.

قليلا عن العوازل

هذا ε هو في مقام الصيغة ، وبالتالي ، فإن الزيادة ستستلزم زيادة في السعة. بالنسبة لمعظم العوازل المستخدمة ، مثل الهواء ، lavsan ، polyethylene ، fluoroplastic ، يكون هذا الثابت ثابتًا تمامًا كما هو الحال في الفراغ. ولكن في الوقت نفسه ، هناك العديد من المواد التي يكون ثابت العزل الكهربائي فيها أعلى من ذلك بكثير. إذا كان مكثف الهواء ممتلئًا بالأسيتون أو الكحول ، فستزداد سعته كل 15 ... 20.

لكن مثل هذه المواد ، بالإضافة إلى ارتفاع ε ، لديها أيضًا موصلية عالية بما فيه الكفاية ، وبالتالي فإن مثل هذا المكثف لن يحمل شحنة جيدًا ، وسرعان ما سيخرج من نفسه. وتسمى هذه الظاهرة الضارة الحالية التسرب. لذلك ، يتم تطوير مواد خاصة لعزل المواد العازلة التي توفر سعة تيار عالية من المكثفات ، والتيارات التسرب مقبولة. هذا ما يفسر تنوع أنواع وأنواع المكثفات ، كل منها مصمم لظروف محددة.

مكثف كهربائيا

أكبر سعة محددة (نسبة السعة / الحجم) المكثفات كهربائيا. تصل سعة "الإلكتروليت" إلى 100000 ميكروفاراد ، ويبلغ جهد التشغيل 600 فولت. تعمل هذه المكثفات بشكل جيد فقط عند الترددات المنخفضة ، وغالبًا في فلاتر إمدادات الطاقة. يتم تشغيل المكثفات كهربائيا في القطبية.

الأقطاب الكهربائية في هذه المكثفات هي فيلم رقيق من أكسيد المعادن ، وغالبا ما تسمى هذه المكثفات أكسيد. طبقة رقيقة من الهواء بين هذه الأقطاب ليست عازلة موثوقة للغاية ، لذلك ، يتم إدخال طبقة المنحل بالكهرباء بين ألواح الأكسيد. في معظم الأحيان تكون هذه المحاليل مركزة من الأحماض أو القلويات.

ويبين الشكل 3 واحدة من هذه المكثفات.

الشكل 3. كهربائيا مكثف

لتقييم حجم المكثف ، تم تصوير علبة الثقاب البسيطة بجانبه. بالإضافة إلى سعة كبيرة بما فيه الكفاية في الشكل ، يمكنك أيضًا رؤية نسبة التسامح: لا تقل عن 70٪ من القيمة الاسمية.

في تلك الأيام التي كانت فيها أجهزة الكمبيوتر كبيرة وتسمى أجهزة الكمبيوتر ، كانت هذه المكثفات في محركات الأقراص (في الأقراص الصلبة الحديثة). يمكن الآن أن تسبب سعة المعلومات الخاصة بمحركات الأقراص هذه ابتسامة فقط: تم تخزين 5 ميجابايت من المعلومات على قرصين يبلغ قطرهما 350 مم ، ويبلغ وزن الجهاز نفسه 54 كجم.

كان الغرض الرئيسي من المكثفات الفائقة الموضحة في الشكل هو سحب الرؤوس المغناطيسية من منطقة عمل القرص أثناء انقطاع التيار الكهربائي المفاجئ. يمكن لهذه المكثفات تخزين الشحنة لعدة سنوات ، والتي تم اختبارها في الممارسة العملية.

سيتم تقديم أقل قليلا مع المكثفات كهربائيا للقيام ببعض التجارب البسيطة لفهم ما يمكن للمكثف القيام به.

للعمل في دوائر التيار المتردد ، يتم إنتاج المكثفات كهربائيا غير القطبية ، وهذا مجرد الحصول عليها لسبب صعب للغاية. من أجل التغلب على هذه المشكلة بطريقة أو بأخرى ، تشتمل "الشوارد" القطبية العادية على عكس التتابع: زائد ناقص زائد زائد.

إذا تم تضمين المكثف كهربائيا القطبية في الدائرة الحالية بالتناوب ، ثم سوف تسخين أولا ، وبعد ذلك سوف يسمع انفجار. المكثفات القديمة المحلية المنتشرة في جميع الاتجاهات ، في حين أن تلك المستوردة تحتوي على جهاز خاص يتجنب لقطات عالية. عادة ما يكون هذا إما من فئة عرضية في أسفل المكثف ، أو ثقبًا به سدادة مطاطية موجودة في نفس المكان.

انهم لا يحبون المكثفات كهربائيا من زيادة الجهد ، حتى لو لوحظ قطبية. لذلك ، يجب ألا تضع "الإلكتروليت" أبدًا في دائرة حيث من المتوقع وجود جهد قريب من الحد الأقصى لمكثف معين.

في بعض الأحيان ، حتى في بعض المنتديات ذات السمعة الطيبة ، يطرح المبتدئين السؤال التالي: "يشار إلى المكثف 470µF * 16V على الرسم البياني ، ولدي 470µF * 50V ، هل يمكنني وضعه؟" نعم ، بالطبع يمكنك ذلك ، لكن البديل العكسي غير مقبول.

يمكن مكثف تخزين الطاقة

للتعامل مع هذا البيان ، سوف يساعدك مخطط بسيط مبين في الشكل 4.

الرقم 4. الدائرة مع مكثف

بطل الرواية من هذه الدائرة هو مكثف كهربائيا C مع قدرة كبيرة بما فيه الكفاية بحيث عمليات التفريغ تهمة المضي قدما ببطء ، وحتى بشكل واضح جدا. هذا يجعل من الممكن مراقبة تشغيل الدائرة بصريا باستخدام الضوء التقليدي من مصباح يدوي. لقد أفسحت هذه الأضواء منذ فترة طويلة مصابيح LED الحديثة ، لكن المصابيح الخاصة بها لا تزال تباع. لذلك ، من السهل جدًا تجميع الدائرة وإجراء تجارب بسيطة.

ربما يقول شخص ما: "لماذا؟ بعد كل شيء ، كل شيء واضح ، وحتى إذا كنت تقرأ الوصف ... " يبدو أنه لا يوجد ما يجادل هنا ، لكن لا شيء ، حتى أبسط شيء ، يظل في الرأس لفترة طويلة إذا جاء فهمه عن طريق الأيدي.

لذلك ، يتم تجميع الدائرة. كيف تعمل؟

في موضع المفتاح SA ، كما هو موضح في الرسم التخطيطي ، يتم شحن المكثف C من مصدر القدرة GB من خلال المقاوم R في الدائرة: + GB __ R __ SA __ C __ -GB. يظهر شحن الشحن في المخطط بسهم به الفهرس iз. تظهر عملية شحن المكثف في الشكل 5.

الشكل 5. عملية مكثف المسؤول

يوضح الشكل أن الجهد على مكثف يزيد على طول منحنى ، في الرياضيات تسمى الأس. الحالية تهمة مباشرة يعكس الجهد تهمة. مع ارتفاع الجهد عبر المكثف ، يصبح تيار الشحن أقل وأقل. وفقط في اللحظة الأولى يتوافق مع الصيغة الموضحة في الشكل.

بعد مرور بعض الوقت ، سيتم شحن المكثف من 0V إلى جهد مصدر الطاقة ، في دائرتنا إلى 4.5V. السؤال كله هو ، كيف حان الوقت لتحديد كم من الوقت للانتظار ، ومتى سوف تهمة مكثف؟

تاو ثابت الوقت τ = R * C

في هذه الصيغة ، يتم ببساطة مضاعفة المقاومة والسعة للمقاوم والمكثفات المتصلة بالسلسلة.إذا ، وبدون إهمال نظام SI ، استبدل المقاومة في Ohms ، السعة في Farads ، فستكون النتيجة بالثواني. هذه هي المرة المطلوبة للمكثف لشحن ما يصل إلى 36.8 ٪ من الجهد من مصدر الطاقة. وفقًا لذلك ، مقابل تكلفة تبلغ 100٪ تقريبًا ، ستكون هناك حاجة إلى وقت قدره 5 * τ.

في كثير من الأحيان ، يتم تجاهل المقاومة في نظام أوم ، في إهمال نظام SI ، وتكون السعة في microfarads ، ثم سيكون الوقت بالميكرو ثانية. في حالتنا ، يكون من الأسهل الحصول على النتيجة بالثواني ، والتي يجب عليك ببساطة مضاعفةها بالثواني المصغرة بمقدار مليون ، أو ببساطة ، نقل الفاصلة الستة أحرف إلى اليسار.

بالنسبة للدائرة الموضحة في الشكل 4 ، مع وجود مكثف يبلغ 2000 فهرنهايت ومقاومة مقاومة تبلغ 500 Ω ، فإن ثابت الوقت سيكون τ = R * C = 500 * 2000 = 1،000،000 ميكروثانية أو ثانية واحدة بالضبط. وبالتالي ، سوف تضطر إلى الانتظار حوالي 5 ثوان حتى يتم شحن المكثف بالكامل.

إذا ، بعد انقضاء الوقت المحدد ، يتم تشغيل المفتاح SA إلى الموضع الصحيح ، ثم يتم تفريغ المكثف C عبر لمبة EL. في هذه اللحظة ، سيحدث وميض قصير ، وسوف يخرج المكثف ويخرج الضوء. يظهر اتجاه تفريغ المكثف بواسطة سهم به مؤشر الفهرس. يتم تحديد وقت التفريغ أيضًا بواسطة الوقت الثابت τ. يظهر الرسم البياني التفريغ في الشكل 6.

الشكل 6. الرسم البياني تصريف المكثفات

مكثف لا يمر التيار المباشر

للتحقق من هذا البيان ، سيساعد نظام أبسط ، كما هو موضح في الشكل 7.

الشكل 7. الدائرة مع مكثف في دائرة العاصمة

إذا أغلقت المفتاح SA ، فسوف يتبع ذلك وميض قصير من المصباح ، مما يشير إلى أن المكثف C مشحون من خلال المصباح. يظهر الرسم البياني للشحنة هنا أيضًا: في الوقت الذي يتم فيه إغلاق المفتاح ، يكون التيار هو الحد الأقصى ، حيث إن المكثف يشحن وينخفض ​​وبعد توقفه تمامًا.

إذا كان المكثف من نوعية جيدة ، أي مع وجود تسرب صغير (تفريغ ذاتي) ، لن يؤدي الإغلاق المتكرر للمفتاح إلى وميض. للحصول على فلاش آخر ، يجب تفريغ المكثف.

مكثف في مرشحات الطاقة

عادة ما يتم وضع مكثف بعد المعدل. في معظم الأحيان ، مصنوعة مقومات نصف الموجة. يتم عرض دوائر المقوم الأكثر شيوعًا في الشكل 8.

الشكل 8. دوائر المعدل

كما تستخدم مقومات الموجة نصف في كثير من الأحيان ، وكقاعدة عامة ، في الحالات التي تكون فيها قوة الحمل ضئيلة. الجودة الأكثر قيمة لمثل هذه المقومات هي البساطة: لفافة واحدة فقط من الصمام الثنائي ومحولات المحولات.

بالنسبة لمعدل نصف الموجة ، يمكن حساب سعة مكثف المرشح بالصيغة

C = 1،000،000 * Po / 2 * U * f * dU ، حيث C هي مكثف μF ، Po هي قوة الحمل W ، U هي الجهد عند خرج المقوم V ، f هو تردد الجهد المتردد Hz ، dU هو تموج السعة V.

عدد كبير في البسط من 1،000،000 يحول السعة للمكثف من نظام Farads إلى microfarads. يمثل الرقمان في المقام عدد فترات نصف المعدل: بالنسبة لنصف الموجة في مكانها ، ستظهر وحدة

C = 1،000،000 * Po / U * f * dU ،

ومن أجل مقوم ثلاثي الأطوار ، سوف تأخذ الصيغة الاستمارة C = 1،000،000 * Po / 3 * U * f * dU.

Supercapacitor - Ionistor

في الآونة الأخيرة ، فئة جديدة من المكثفات كهربائيا ، ما يسمى ionistor. في خصائصه ، يشبه البطارية ، مع وجود العديد من القيود.

يشحن الأيونيتر إلى الجهد المقنن في وقت قصير ، حرفيًا في بضع دقائق ، لذلك يُنصح باستخدامه كمصدر طاقة احتياطية. في الواقع ، فإن الأيونات هو جهاز غير قطبي ، الشيء الوحيد الذي يحدد قطبية هو الشحن في المصنع. من أجل عدم الخلط بين هذا الاستقطاب في المستقبل ، تتم الإشارة إليه بواسطة علامة +.

لعبت دورا هاما من قبل ظروف التشغيل من ionistors. عند درجة حرارة 70 درجة مئوية عند جهد قدره 0.8 من المتانة المضمونة الاسمية لا تزيد عن 500 ساعة.إذا كان الجهاز سوف يعمل بجهد قدره 0.6 من القيمة الاسمية ، ولا تتجاوز درجة الحرارة 40 درجة ، فيمكن التشغيل الصحيح لمدة 40،000 ساعة أو أكثر.

التطبيقات الأكثر شيوعًا هي مصادر الطاقة الاحتياطية. هذه هي أساسا رقائق الذاكرة أو الساعات الإلكترونية. في هذه الحالة ، فإن المعلمة الرئيسية للأيونات هي تيار التسرب المنخفض ، التفريغ الذاتي.

واعد تماما هو استخدام الأيونيين جنبا إلى جنب مع الألواح الشمسية. كما أنه يؤثر على عدم الأهمية لحالة الشحن وعدد غير محدود تقريبًا من دورات تفريغ الشحنة. خاصية قيمة أخرى هي أن الأيونيوم خالي من الصيانة.

لقد اتضح حتى الآن لمعرفة كيف وأين تعمل المكثفات كهربائيا ، وخاصة في دوائر التيار المستمر. سيتم وصف تشغيل المكثفات في دوائر التيار المتردد في مقال آخر - المكثفات للمنشآت الكهربائية AC.

بوريس الأديشين 

ملاحظة حالة استخدام مثيرة للاهتمام للمكثفات: لحام مكثف