دراسة على المكثفات

ما هو المكثف؟؟؟؟
من المعروف أن وحدة قياس الكميات الكهربائية أو الشحنات هي الكولون . المكثف هو عنصر قادر على الاحتفاظ بشحنة كهربائية . عن عدد الإلكترونات التي يمكن للمكثف أن يحتفظ بها تحت ضغط كهربائي ( جهد ) معين تسمى سعة المكثف . يمكن تشكيل مكثف بسيط من خلال صفحتين معدنيتين تفصل بينهما مادة غير ناقلة . الشكل التالي يبين رمز المكثف في دارة غاية في البساطة بحيث تقوم بطارية بشحن المكثف .
عندما يكون القاطع في حالة فتح في الدارة فلا يكون المكثف في حالة شحن ، أما عندما يتم إغلاق القاطع فإن تياراً سيتدفق بسبب تطبيق الجهد الكهربائي ، تحدد المقاومة في الدارة قيمة هذا التيار المتدفق .

في اللحظة التي يتم فيها إغلاق القاطع في الدارة فإن حقلاً كهربائياً سيدفع الإلكترونات من قطب البطارية السالب نحو الصفيحة العليا للمكثف وسيجذب الإلكترونات من الصفيحة السفلى للمكثف باتجاه القطب الموجب للبطارية .

يجب الانتباه إلى أمرين هنا :
الأمر الأول : مع استمرار تدفق التيار سيزداد مرور الإلكترونات عبر المكثف وهذا سيؤدي إلى تزايد قيمة الحقل الكهربائي الحاصل بين صفيحتي المكثف والذي سيعيق أكثر تدفق التيار ، سيتناقص الفرق بين قيمة جهد البطارية والجهد على طرفي المكثف شيئاً فشيئاً وسيستمر التيار المار في الدارة بالتناقص وعند تساوي جهدي البطارية والمكثف لن يكون هناك أي مرور للتيار .
الأمر الثاني : بفرض أن المكثف قادر على تخزين شحنة قدرها 1 كولون عند جهد قدره 1 فولط فهذا يعني أن سعة المكثف هي 1 فاراد . وهي واحدة قياس كبيرة.

عادة ما تكون المكثفات المستخدمة في وحدات التغذية من رتبة 4700µF أو 4700 جزء من مليون من الفاراد .
دارات الاتصالات تستخدم مكثفات من رتبة 10PF أو 10/1000000 من مليون جزء من الفاراد .
الوحدة µF هي ميكرو فاراد ( 1 من مليون فاراد ) و PF هي بيكو فاراد ( 1 من مليون مليون فاراد ) وهي الواحدات الأكثر شيوعاً في مجال قياس سعات المكثف .

--------------------------------------------------------------------------------
ثابت زمن مكثف :
يتعلق الزمن اللازم لشحن مكثف بكل من سعة المكثف وقيمة المقاومة في دارة الشحن .
يعطي ثابت الزمن لدارة مقاومة مكثف : T = R x C
حيث T : الزمن بالثانية .
R : المقاومة بالأوم .
C : المكثف بالفاراد .
الزمن في المعادلة السابقة هو الزمن اللازم للوصول إلى 63% من جهد منبع التغذية وهو أيضاً زمن التفريغ في حال قمنا بتفريغ المكثف . فبفرض كانت سعة المكثف في الدارة السابقة 4.7µFوقيمة المقاومة 1MΩ أي ( 1000000 أوم ) فإن الثابت الزمني سيكون :

T = R x C = 1000000 x 0.0000047 = 4.7 sec

إن هذه الخصائص تعتبر ميزة في دارات التوقيت غير الدقيقة .

--------------------------------------------------------------------------------
ربط المكثفات تسلسلياً و تفرعياً :
تجمع قيم المكثفات المربوطة تفرعياً C1+C2+C3+... في حين تختزل القيمة الإجمالية للمكثفات المربوطة تسلسلياً وفق المعادلة :
1 / (1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + ...)
لنأخذ المكثفات 10µF و 22µF و 47µF ميكرو فاراد ولنربطها تفرعياً فسنحصل على :

10 + 22 + 47 = 79µF
في حين سنحصل على :

1 / (1/10 + 1/22 + 1/47 ) = 5.997 µF
عند وصلها تسلسلياً .
لاحظ أن القيمة المكافئة للمكثف في حالة الربط التسلسلي أقل من أصغر قيمة مكثف .

معادلة مبسطة لحساب سعة المكثفات المربوطة تسلسلياً . ذكرنا أن معادلة حساب السعة الكلية للمكثفات المربوطة على التسلسل هي :
1 / (1/C1 + 1/C2 +1/C3 + ...)
وهي يمكن أن تكتب بالشكل :
( C1 x C2 ) / ( C1 + C2 )
قم بتجريب ثلاث مكثفات على التسلسل . طبق المعادلة الأخيرة على أول مكثفين ثم نفذ الإجراء على القيمة المكافئة الناجمة عن المكثفين الأوليين مع المكثف الثالث وهكذا .

كيف يمكن استخدام مجموعة من المكثفات معروفة القيمة على التسلسل للحصول على قيمة مكافئة محددة ؟
استخدم المعادلة التالية للحصول على ذلك : ( C1 x C2 ) / ( C1 - C2 )
كمثال : بفرض لديك مكثف محدد القيمة هو 220PF وتريد الحصول على سعة إجمالية قدرها 68PF إذن :

( 220 x 68 ) / ( 220 - 68) = 98.4 PF

إذن استخدم مكثف سعته 100 PF .
مرة أخرى جرب استخدام ثلاث مكثفات على التسلسل ( أو أكثر من ذلك ) طبق المعادلة على أول مكثفين ثم طبق النتيجة مع المكثف الثالث وهكذا .
تذكر أن المكثفات ذات القيم المنخفضة ذات تسامح قده ±5% في حين أن المكثفات ذات القيم العالية تملك تسامحاً قدره ±10% لذلك لا تضيع كثيراً من الوقت في سبيل الحصول على مزيداً من الدقة في حسابات السعة .

من باب التمرين جرب التعامل مع مكثف بسعة 18PF بتراوح قدره ±5% ومكثف بسعة 82PF بتراوح قدره ±10% مع استخدام النهايات الحدية لمجالي تسامحهما مع قيمهما الرسمية . عند التعامل مع مكثفات كيميائية فإن التسامح سيكون غالباً من مرتبة +80% / -20% وهي تحتاج إلى قطبية جهد مستمر .

--------------------------------------------------------------------------------
خاصية هامة جداً تتعلق بالمكثفات :
المكثفات تمرر التيارات المتناوبة AC وتمنع مرور التيارات المستمرة DC . وهي خاصية ذات أهمية خاصة في الدارات الإلكترونية فهي تمكن من تمرير الإشارات المتناوبة AC أو الراديوية RF من مرحلة إلى أخرى في حين تمنع مرور المركبة المستمرة من المرحلة السابقة للدارة .

--------------------------------------------------------------------------------
تحياتى

:rose: