للمكثفات مجموعة متنوعة من التصميمات للاستخدامات في تطبيقات الحوسبة وتصفية الإشارة الكهربائية في الدوائر. على الرغم من الاختلافات في طرق بنائها وغرض استخدامها ، فإنها تعمل جميعها من خلال نفس المبادئ الكهروكيميائية.
عندما يقوم المهندسون ببنائها ، فإنهم يأخذون في الاعتبار كميات مثل قيمة السعة والجهد المقنن والجهد العكسي وتيار التسرب للتأكد من أنها مثالية لاستخداماتهم. عندما تريد تخزين كمية كبيرة من الشحنات في دائرة كهربائية ، تعرف على المزيد حول المكثفات الإلكتروليتية.
تحديد مكثف قطبية
لمعرفة قطبية المكثف ، يخبرك الشريط الموجود على مكثف إلكتروليتي بالطرف السالب. بالنسبة للمكثفات المحورية المحتوية على الرصاص (حيث تخرج الأسلاك من الأطراف المقابلة للمكثف) ، قد يكون هناك سهم يشير إلى الطرف السالب ، يرمز إلى تدفق الشحنة.
تأكد من معرفة قطبية المكثف حتى تتمكن من توصيله بدائرة كهربائية في الاتجاه المناسب. قد يتسبب التثبيت في الاتجاه الخاطئ في حدوث دائرة قصر أو سخونة زائدة.
نصائح
يمكنك تحديد قطبية مكثف كهربائيا عن طريق قياس انخفاض الجهد والسعة في الدائرة الكهربائية. تأكد من أنك تولي اهتمامًا وثيقًا للجانب الإيجابي والجانب السلبي للمكثف حتى لا تتلفه أو تتلف بقية الدائرة. استخدم احتياطات الأمان عند العمل بالمكثفات.
في بعض الحالات ، قد تكون النهاية الموجبة للمكثف أطول من الطرف السالب ، ولكن عليك توخي الحذر مع هذه المعايير لأن العديد من المكثفات يتم قص أطرافها. قد يكون لمكثف التنتالوم أحيانًا علامة زائد (+) تشير إلى النهاية الإيجابية.
يمكن استخدام بعض المكثفات الإلكتروليتية بطريقة ثنائية القطب تسمح لها بعكس القطبية عند الحاجة. يفعلون ذلك عن طريق التبديل بين تدفق الشحنة عبر دائرة التيار المتردد (AC).
بعض المكثفات الإلكتروليتية مخصصة للتشغيل ثنائي القطب من خلال طرق غير مستقطبة. تتكون هذه المكثفات من لوحين من الأنود متصلتين في قطبية عكسية. في الأجزاء المتتالية من دورة التيار المتردد ، يعمل أكسيد واحد كعزل مانع للكهرباء. يمنع التيار العكسي من تدمير المنحل بالكهرباء المعاكس.
خصائص المكثف الالكتروليتي
يستخدم مكثف إلكتروليت إلكتروليتًا لزيادة كمية السعة ، أو قدرته على تخزين الشحنة التي يمكن تحقيقها. إنها مستقطبة ، مما يعني أن شحناتها تصطف في توزيع يتيح لها تخزين الشحن. المنحل بالكهرباء ، في هذه الحالة ، هو سائل أو هلام يحتوي على كمية عالية من الأيونات التي تجعله سهل الشحن.
عندما تكون المكثفات الإلكتروليتية مستقطبة ، يكون الجهد أو الجهد على الطرف الموجب أكبر من السالب ، مما يسمح للشحنة بالتدفق بحرية في جميع أنحاء المكثف.
عندما يكون المكثف مستقطبًا ، يتم تمييزه عمومًا بعلامة سالب (-) أو موجب (+) للإشارة إلى النهايتين السالبة والموجبة. انتبه جيدًا لهذا الأمر لأنه إذا قمت بتوصيل مكثف في دائرة بطريقة خاطئة ، فقد يحدث قصور الدائرة ، كما هو الحال في ، يتدفق تيار كبير جدًا عبر المكثف الذي يمكن أن يتلفه بشكل دائم.
على الرغم من أن السعة الكبيرة تسمح للمكثفات الإلكتروليتية بتخزين كميات أكبر من الشحنات ، إلا أنها قد تكون عرضة للتسرب التيارات وقد لا تفي بتفاوتات القيمة المناسبة ، فإن المقدار المسموح به للسعة يختلف من الناحية العملية المقاصد. قد تحد بعض عوامل التصميم أيضًا من عمر المكثفات الإلكتروليتية إذا كانت المكثفات عرضة للتآكل بسهولة بعد الاستخدام المتكرر.
بسبب قطبية مكثف إلكتروليتي ، يجب أن تكون منحازة للأمام. هذا يعني أن الطرف الموجب للمكثف يجب أن يكون عند جهد أعلى من الطرف السالب بحيث تتدفق الشحنة عبر الدائرة من الطرف الموجب إلى الطرف السالب.
قد يؤدي توصيل مكثف بدائرة في الاتجاه الخاطئ إلى إتلاف مادة أكسيد الألومنيوم التي تعزل المكثف أو دائرة قصر نفسها. يمكن أن يتسبب أيضًا في ارتفاع درجة الحرارة بحيث يسخن المنحل بالكهرباء أكثر من اللازم أو يتسرب.
احتياطات السلامة عند قياس السعة
قبل أن تقيس السعة ، يجب أن تكون على دراية باحتياطات السلامة عند استخدام مكثف. حتى بعد إزالة الطاقة من الدائرة ، فمن المرجح أن يظل المكثف نشطًا. قبل لمسها ، تأكد من إيقاف تشغيل كل طاقة الدائرة باستخدام مقياس متعدد إلى تأكد من إيقاف تشغيل الطاقة وأنك قمت بتفريغ المكثف عن طريق توصيل المقاوم عبر المكثف يؤدي.
لتفريغ مكثف بأمان ، قم بتوصيل مقاوم بقدرة 5 وات عبر أطراف المكثف لمدة خمس ثوانٍ. استخدم جهاز القياس المتعدد لتأكيد انقطاع التيار الكهربائي. افحص المكثف باستمرار بحثًا عن التسريبات والشقوق وعلامات البلى الأخرى.
رمز مكثف كهربائيا
•••سيد حسين أثير
رمز المكثف الإلكتروليتي هو الرمز العام للمكثف. يتم تصوير المكثفات الإلكتروليتية في مخططات الدوائر كما هو موضح في الشكل أعلاه للأنماط الأوروبية والأمريكية. تشير علامتا الجمع والسالب إلى المحطات الموجبة والسالبة ، القطب الموجب والكاثود.
حساب السعة الكهربائية
نظرًا لأن السعة هي قيمة جوهرية لمكثف إلكتروليتي ، يمكنك حسابها بوحدات الفاراد مثل ج = εص ε0 ميلادي لمنطقة تداخل الصفيحتين أ في م2, εص باعتباره ثابت عازل الأبعاد للمادة ، ε0 كالثابت الكهربائي بالفاراد / متر ، ود هو المسافة الفاصلة بين الألواح بالأمتار.
قياس السعة بشكل تجريبي
يمكنك استخدام مقياس متعدد لقياس السعة. يعمل المتر المتعدد عن طريق قياس التيار والجهد واستخدام هاتين القيمتين لحساب السعة. اضبط جهاز القياس المتعدد على وضع السعة (يشار إليه عادةً برمز السعة).
بعد توصيل المكثف بالدائرة وإعطائه وقتًا كافيًا لشحنه ، افصله عن الدائرة باتباع احتياطات السلامة التي تم وصفها للتو.
قم بتوصيل خيوط المكثف بأطراف المقياس المتعدد. يمكنك استخدام الوضع النسبي لقياس سعة خيوط الاختبار بالنسبة لبعضها البعض. يمكن أن يكون هذا مفيدًا لقيم السعة المنخفضة التي قد يكون اكتشافها أكثر صعوبة.
جرب استخدام نطاقات مختلفة من السعة حتى تجد قراءة دقيقة بناءً على تكوين الدائرة الكهربائية.
تطبيقات عند قياس السعة
يستخدم المهندسون المتر المتعدد لقياس السعة بشكل متكرر للمحركات أحادية الطور والمعدات والآلات صغيرة الحجم للتطبيقات الصناعية. تعمل المحركات أحادية الطور عن طريق إنشاء تدفق متناوب في لف الجزء الثابت للمحرك. يسمح هذا للتيار بالتناوب في الاتجاه أثناء التدفق عبر لف الجزء الثابت وفقًا لقوانين ومبادئ الحث الكهرومغناطيسي.
تعتبر المكثفات الإلكتروليتية على وجه الخصوص أفضل للاستخدامات ذات السعة العالية مثل دوائر إمداد الطاقة واللوحات الأم لأجهزة الكمبيوتر.
ينتج التيار المستحث في المحرك بعد ذلك التدفق المغناطيسي الخاص به في مقابل تدفق لف الجزء الثابت. نظرًا لأن المحركات أحادية الطور قد تتعرض لارتفاع درجة الحرارة ومشكلات أخرى ، فمن الضروري التحقق من سعتها وقدرتها على العمل باستخدام أجهزة قياس متعددة لقياس السعة.
يمكن أن تحد الأعطال في المكثفات من عمرها الافتراضي. قد تتسبب المكثفات ذات الدائرة القصيرة في إتلاف أجزاء منها بحيث لا تعمل بعد الآن.
بناء مكثف كهربائيا
يبني المهندسون مكثفات الألومنيوم كهربائيا استخدام رقائق الألومنيوم والفواصل الورقية ، وهي الأجهزة التي تسبب تقلبات في الجهد لمنع الاهتزازات الضارة ، والتي يتم نقعها في السائل الإلكتروليتي. وهي عادةً ما تغطي إحدى رقاقات الألمنيوم بطبقة أكسيد عند أنود المكثف.
يتسبب الأكسيد الموجود في هذا الجزء من المكثف في فقدان المادة للإلكترونات أثناء عملية الشحن وتخزين الشحنة. في القطب السالب ، تكتسب المادة إلكترونات أثناء عملية الاختزال لبناء مكثف التحليل الكهربائي.
بعد ذلك ، يواصل المصنعون تكديس الورق المنقوع بالكهرباء بالكاثود عن طريق توصيلهم لبعضهم البعض في دائرة كهربائية ولفهم في علبة أسطوانية متصلة بـ دائرة كهربائية. يختار المهندسون عمومًا إما ترتيب الورق في اتجاه محوري أو شعاعي.
المكثفات المحورية مصنوعة من دبوس واحد في كل طرف من طرفي الأسطوانة ، وتستخدم التصميمات الشعاعية كلا المسامير على نفس الجانب من العلبة الأسطوانية.
تحدد منطقة اللوحة وسماكة التحليل السعة وتسمح للمكثفات الإلكتروليتية بأن تكون مرشحة مثالية لتطبيقات مثل مكبرات الصوت. تستخدم المكثفات الالكتروليتية المصنوعة من الألومنيوم في إمدادات الطاقة واللوحات الأم للكمبيوتر والمعدات المنزلية.
تسمح هذه الميزات للمكثفات الإلكتروليتية بتخزين شحنة أكثر بكثير من المكثفات الأخرى. يمكن للمكثفات ذات الطبقة المزدوجة ، أو المكثفات الفائقة ، أن تحقق سعة لآلاف الفاراد.
مكثفات الالومنيوم الالكتروليتية
تستخدم مكثفات الألمنيوم الالكتروليتية مادة الألمنيوم الصلبة لإنشاء "صمام" مثل الجهد الموجب في التحليل الكهربائي يتيح لها السائل تكوين طبقة أكسيد تعمل كعزل كهربائي ، وهي مادة عازلة يمكن استقطابها لمنع الشحنات من تدفق. يصنع المهندسون هذه المكثفات باستخدام أنود من الألومنيوم. يستخدم هذا لعمل طبقات المكثف ، وهو مثالي لتخزين الشحنات. يستخدم المهندسون ثاني أكسيد المنغنيز لإنشاء الكاثود.
يمكن تقسيم هذه الأنواع من المكثفات الإلكتروليتية إلى المزيد نوع احباط رقيق عادي ونوع احباط محفور. النوع العادي هو النوع الذي تم وصفه للتو بينما تستخدم المكثفات المحفورة أكسيد الألومنيوم على الأنود ورقائق الكاثود التي تم حفرها لزيادة مساحة السطح والسماحية ، وهي مقياس لقدرة المادة على التخزين الشحنة.
يؤدي هذا إلى زيادة السعة ، ولكنه يعيق أيضًا قدرة المادة على تحمل التيارات العالية المباشرة (DC) ، وهو نوع التيار الذي ينتقل في اتجاه واحد في الدائرة.
المنحلات بالكهرباء في مكثفات الألومنيوم الالكتروليتية
يمكن أن تختلف أنواع الإلكتروليت المستخدمة في مكثفات الألومنيوم بين ثاني أكسيد المنجنيز الصلب وغير الصلب والبوليمر الصلب. تُستخدم الإلكتروليتات غير الصلبة أو السائلة بشكل شائع لأنها رخيصة نسبيًا وتتناسب مع مجموعة متنوعة من الأحجام والسعات وقيم الجهد. لديهم كميات كبيرة من فقدان الطاقة عند استخدامها في الدوائر ، على الرغم من ذلك. يشكل الإيثيلين جلايكول وأحماض البوريك الإلكتروليتات السائلة.
يمكن إذابة المذيبات الأخرى مثل ثنائي ميثيل فورماميد وثنائي ميثيل أسيتاميد في الماء للاستخدام أيضًا. يمكن أن تستخدم هذه الأنواع من المكثفات أيضًا إلكتروليتات صلبة مثل ثاني أكسيد المنغنيز أو إلكتروليت بوليمر صلب. ثاني أكسيد المنغنيز أيضًا فعال من حيث التكلفة ويمكن الاعتماد عليه في درجات الحرارة المرتفعة وقيم الرطوبة. لديهم تيار تسرب أقل للتيار المستمر وكمية عالية من التوصيل الكهربائي.
يتم اختيار الإلكتروليتات لمعالجة مشكلات عوامل التبديد العالية بالإضافة إلى فقد الطاقة العام للمكثفات الإلكتروليتية.
مكثفات النيوبيوم والتنتالوم
يستخدم مكثف التنتالوم في الغالب في الأجهزة المثبتة على السطح في تطبيقات الحوسبة وكذلك المعدات العسكرية والطبية والفضائية.
تسمح مادة التنتالوم الموجودة في الأنود لها بالأكسدة بسهولة مثل مكثف الألومنيوم ، وأيضًا يتيح لهم الاستفادة من الموصلية المتزايدة عند ضغط مسحوق التنتالوم على موصل الأسلاك. ثم يتشكل الأكسيد على السطح وداخل التجاويف في المادة. هذا يخلق مساحة سطح أكبر لزيادة القدرة على تخزين الشحن بسماحية أكبر من الألومنيوم.
تستخدم المكثفات القائمة على النيوبيوم كتلة من مادة حول موصل سلكي يستخدم الأكسدة في تكوين عازل. تتمتع هذه العوازل بسماحية أكبر من مكثفات التنتالوم ، ولكنها تستخدم سماكة عازلة أكثر لتصنيف جهد معين. تم استخدام هذه المكثفات بشكل متكرر في الآونة الأخيرة لأن مكثفات التنتالوم أصبحت أكثر تكلفة.