اصول الهندسة الكهربائية 3

المكثفات Capacitors

◄ المكثفات : هي عناصر تختزن الشحنات الكهربية أو الإليكترونات بداخلها .
◄ فكرة عملها :◄ يتكون المكثف من لوحين موصلين بينهما مادة عازلة تسمي Dielectric , وتوجد أنواع كثيرة من المواد العازلة
مثل الورق و الهواء والفراغ والبلاستك والسيراميك والميكا أو مادة كميائية .

◄يسمي المكثف تبعا للمادة العازلة ..... فمثلا إذا كان العازل سيراميك يسمى مكثف سيراميكي وإذا كان العازل مادة
كميائية يسمي مكثف كميائي .... وهكذا . والشكل التالي يوضح تكون الشحنات الكهربية علي سطحي المكثف وهذة
الخاصية غير موجودة في المقاومات أو الملفات .

◄رموز المكثفات :

رمز المكثف في الدائرة أشكال عملية للمكثفات
◄سعة المكثف : تعرف سعة المكثف بأنها قدرة المكثف علي تخزين الإليكترونات , وتقاس بوحدة الفاراد Farad
سعة المكثف = الشحنة المخزنة في المكثف \ فرق الجهد بين لوحي المكثف

C = Q / V
ونلاحظ أن : سعة المكثف تعتمد علي :
1- مساحة سطح الألواح A : بزيادة سطح الألواح يزداد استيعاب المكثف للشحنات Q فتزداد السعة والعكس صحيح.
2- المسافة بين اللوحين d : بزيادة المسافة بين اللوحين تقل سعة المكثف والعكس صحيح .
3- طبيعة المادة العازلة € : تتغير السعة بتغير المادة العازلة , وحيث € هو معامل الوسط ويختلف من مادة لأخري.


◄ شحن المكثف : يتم شحن المكثف بتوصيلة مباشرة ببطارية ولتكن قيمتها 9 فولت فيتم الشحن في الحال , ولتقليل زمن الشحن
نضع مقاومة مناسبة بين المكثف والبطارية

◄ تفريغ المكثف : تتسرب الشحنات الموجودة علي سطح المكثف تدريجيا خلال المادة العازلة بين الألواح حتي تتساوي الشحنات علي
اللوحين وعند هذة اللحظة يكون المكثف قد فرغ شحنته .
يمكن تفريغ شحنة المكثف بسرعة بتوصيل طرفية معا , ويمكن تقليل زمن التفريغ بتوصيل مقاومة بينهما .


◄ توصيل المكثفات في الدائرة : 1- توصيل علي التوالي: ونستخدم هذة الطريقة للحصول علي سعة كلية صغيرة (بعكس المقاومات)



توصيل المكثفات علي التوازي : وتستخدم للحصول علي سعة كلية كبيرة تساوي مجموع المكثفات( بعكس المقاومات).


◄ تطبيقات المكثف في الدوائر الكهربية :
1- يستخدم المكثف المتغيرعلي التوازي مع ملف في عملية التوليف Tuning في جهاز الراديو وغالبا يكون مكثف هوائي


2- يستخدم المكثف في دائرة Power Supply لتحويل التيار المتردد إلي تيار مستمر حيث يقوم بعمل تنعيم
Smoothing للإشارة القادمة من مرحلة التوحيد Rectifire .
3- يستخدم كمكثف ربط Coupling أو مكثف تسريب bypass كما بالشكل التالي


4- يستخدم مع المقاومات لعمل دوائر تفاضل وتكامل وسنتحدث عتها بالتفصيل في وقت لاحق .
5- يستخدم في دوائر الكامير حيث يخزن شحنات كهربائية عالية وعندما يفرغ بسرعة يعطي الضوء الشديد الذي تراه

◄ ملاحظات : 1- معظم المكثفات تكون لها سعة صغيرة جدا تقدر بالبيكوفاراد أو المايكروفاراد .
2- لإختيار المكثف في دائرة معينة يجب أن نحدد عنصرين هامين 1- السعة 2- الفولت
3- يمرر المكثف التيار المتردد ويمنع مرور التيار المستمر وهذة الخاصية من أهم وظائف إستخدام المكثف حيث
XL = 1 / 2∏fC , ففي التيار المستمر يكون التردد = صفر فتكون المعاوقة أكبر ما يمكن ( مالانهاية ) .
4- عند استبدال مكثف محروق في دائرة يجب أن نختار قيمة الفولت أعلي قليلا من القيمة السابقة.
5- نراعي القطبية بالنسبة للمكثف الإليكتروليتي( الكميائي) كما بالشكل التالي :


المكثف






مكثف بدون قطبيه

مكثف بدون قطبيه


متغير

مركلج


قطبي حساس على الحراره

مكثف قطبي حساس على الجهد

.
مُمرر

مكثف إستاتور مجزئ


قطبي إلكتروليكي

إليكتروليكي


إليكتروليكي

إليكتروليكي مزدوج


بداخله مقاومه متتاليه

مكثف فرقي


ذا هيكل موصول على السالب

مع مدخل للتيار


متغير مزدوج الهياكل

مكثف مع خصائص الطبقه الخارجيه



لنأخذ كباية المياه فارغة كمثال فهناك الكبيره والصغيره , والتي تسع ربع أو نصف أو لتر من المياه , وهذا يعتمد على كُبر الكبايه , مدى طولها وقطرها . وسعة الكبايه نقيسها بالتر.
المكثف بدوره عباره عن لوحتين موصلتين للكهرباء يفصل بينهما عازل ( ماده عازله للكهرباء , كالهواء مثلا ) سعة المكثف ورمزها “C “ تقاس بأل فراديو ورمزه “f” , وهذه السعه تختلف بإختلاف حجم اللوحتين , سُمك اللوحتين , نوع مادة اللوحتين , ونوع العازل الذي يفصل بينهما .
مثلا إذا إستبدل الهواء كعازل بلوحه من مادة الميكا فسترتفع السعه إلى خمسة مرات تقريبا.
يجب علينا أن نتعلم التفرقه بين السعه وكمية الكهرباء المخزنه في المكثف وهي أمر آخر . فسنرجع إلى مثل كباية المياه , فمن الممكن أن تكون سعتها 2 لتر مثلا ممتلئه , وبنفس الوقت كمية المياه الموجوده فيها لا تتعدى النصف لتر .
فكمية الكهرباء التي يخزنها المكثف تعتمد على عاملين : الأول عباره عن الجهد المطبق , والثاني هو السعه بحد ذاتها .كمية الكهرباء هذه تسمى الشحنه ورمزها “Q” ومقياسها الكولومب . والمعادله هي أن Q=C*V
لنرى كيف تتم عملية تخزين الكهرباء في المكثف .






بمجرد وصل البطاريه على المكثف فستشحن طبقاته سلبيا من جهه وإيجابيا من جهة أخرى . فقط بهذه
السهوله . الآن إذا نزعنا البطاريه , ووصلناه مباشرة على لمبه, فسيظيئها حتى تنتهي الشحنه .






كلمة حتى تنتهي الشحنه تشير الى وقت , الوقت الذي يتطلبه المكثف لكي يشحن بشكل كامل أو يفرغ
بشكل كامل هو من أهم خصائصه .
تذكر أننا قلنا بأن المقاومه عباره عن سكر وظيفته الحد من تدفق الكهرباء , والآن نقول أن المكثف
عباره عن خزان للكهرباء , لنصل هذا السكر على الخزان ونجعل الكهرباء تتدفق , وندرس الوقت






المعادله تقول وقت الشحنه ( تفريغها أو تعبأتها) ورمزها (T) بالثواني يساوي المقاومه ضرب السعه
T=R*C المقاومه بألميغاأوم والسعه بألميكروفراديو.
إذا في صورتنا أعلاه عندنا توقيتان الأول عباره عن ثانيه واحده
والثاني عباره عن ثمانية ثواني .
ملاحضه : المكثفات رغم صغرها ممكن أن تكون شحنتها كبيره . أي تفريغ سريع لهذه الشحنه في الجسم
يحدث ضرر , تجنب ملامستهم إلا بعد التأكد بأنه فارغ تماما.


إذا صديقي العزيز, المكثف ليس أكثر من من خزان , يمكن تعبئته بشحنه كهربائيه , وتساوي الجهد ضرب السعه وتقاس بالكولومب , ولكي لا نمر مرار الكرام على هذا الموضوع تعال لنعرف ما هو الكولومب , الله جل جلاله , خلق الماده من ذرات بداخلها ثلاثة أجسام كروية الشكل من بينها الإلكترون , الذي يحمل بطبيعته شحنه كهربائيه سالبه لا تفارقه .
فعندما نقول , أننا نشحن المكثف , يعني أننا نزيد على ذرات الطبقه أو اللوحه السالبه إلكترونات , بالظبط كما تعبئ وعاءا ما بالكلل , فعندما يصبح لدينا سته ضرب عشره على ثمانية عشر الكترون , أي الرقم سته وإلى جانبه ثمانية عشر صفرا . 000 ,6,000,000,000,000,000 من الإلكترونات , فالشحنه الموجوده في كل هذه الإلكترونات تساوي كولومب واحد .
نحن نعلم أن تحرك الإلكترونات في سلك ما , هو ما نسميه بالتيار , ونقيسه بالأمبير , الذي هو عباره عن مرور كولومب واحد بالثانيه .


الأمبير والكولومب والفراديو عباره عن وحدات كبيره جدا لإستعمالها في عالم الإلكترونيات , لذلك جزأت
لوحدات أقل لنسهل على أنفسنا التعامل معها , في قياس التيار نستعمل غالبا الملي أمبير الذي هو عباره
عن جزء من ألف أي 1/1000 أمبير , كذلك الأمر بالنسبه للمكثفات وسعتها فهناك الميكروفراد وهو
واحد على مليون والنانوفراد واحد على الف مليون والبيكوفراد وهو واحد على مليون مليون تبدو الأمور
وللمرة الأولى معقده جدا, لكنه بسيطه ومجرد مقاييس لوحدات , يمكنك إستعمال مساعدنا لإجراء
التحويلات بين هذه الوحدات.










ترتيبات المكثفات
المكثفات كالمقاومات , إذا وجدت في دائرة ما بالتوازي تجمع سعتها لاحظ على عكس المقاومات, وتكون هذه هي السعه
المكافئه, خذ مثلا, لدي مكثفين الأول 50 ميكرو والثاني 25 ميكرو في ترتيب التوازي تجمع السعتين75 ميكرو يجب
الإنتباه إذا كانت الوحدات مختلفه مثلا واحد بالميكرو والثاني في النانو فيحول أحدهما لتكون وحده متساويه قبل تطبيق
القاعده .
في الترتيب التسلسي هناك إختلاف كلي : تظرب سعة الأول بالثاني ثم تقسم على مجموع الأول مع الثاني .... وبطبيعة
الحال أركز على وحده متساويه.
السعه الإجماليه لمكثفين بألتسلسل مك1 مك2
تكلمنا عن السعه والترتيبات بما هو أساسي وكافي ...... لكن كل حديثنا تركز على التار الثابت أو المباشر ( بطاريه) . ماذا
يحدث لو كان التيار متردد ؟ كيف يتعامل المكثف مع التيار المتردد؟....
مع التيار المباشر تستغرق عملية شحن المكثف لحظات بسيطه, وشرحت أعلاه معرفة هذا الوقت , بعد مرور هذه اللحظات
يشحن المكثف فيتوقف التيار عن التسرب من هنا نقول أن المكثف لا يسمح بمرور التيار الثابت .
أما التيار المتردد أو المتغير فهو يذهب بإتجاهين

فلوحات المكثف تشحن إيجابا ثم سلبيا مجددا وهكذا , ويبقى التيار شغالا في الدائره , من هنا نقول أن المكثف يسمح بمرور
التيار المتردد , وليس معناه أن التيار المتردد يخترق اللوحات كما يعتقد البعض.
ملاحظه أخرى : عندما تتغير إحدى الطبقات من إيجابي إلى سلبي معنى ذلك أنها تشحن ثم تفرغ ...... جيد ..... المهم في
الموضوع أن الوقت تحدده ذبذبة التيار.
بما أن المكثف يسمح بمرور التيار المتردد...... هل يبدي مفاومة للتيار كالمقاومه التي نعرفها ؟ .... نعم بالتأكيد وتقاس بألأوم
كذلك , وهي ما نسميه بالمقاومه السعويه.
المقاومه السعويه
في أي دائره فيها مكثف ويدخلها تيار متردد ... التيار يساوي الجهد على المقاومه السعويه.
المقاومه السعويه ليست ثابته , كمقاومه عاديه قيمتها 40 أوم مثلا ندخلها على دائرة ما وانتهى الموضوع , قيمتها تتغير
تلقائيا بتغير عاملين هما السعه بحد ذاتها وذبذبة التيار ..... عندما تكون الذبذبه أكثر... تكون المقاومه السعويه أقل والعكس
صحيح ونفس الأمر للسعه . القاعده تقول .
المقاومه السعويه تساوي واحد على 6.28 ضرب الذبذه ضرب السعه

لنأخذ مثلا نرسخ به ما نقوله :
لدي دائره يدخلها تيار متردد بجهد 110 فولت وذبذبته 60 هيرتس وبه مكثف سعته 80 ميكروفراد.... أريد معرفة المقاومه
السعويه وكذلك التيار. .....
جيد جدا القاعده أمامي .... أتأمل الوحدات أن السعه لدي بالميكروفراد بينما القاعده تقول أنه يجب أن يكون بالفراد فأشرع في
تحويله مقسما 80 على مليون فلدي الآن 0.000080 فراد .
6.28*60*0.000080= 0.030144
1/0.030144=33.17
نعم المقاومه السعويه تساوي ثلاثه وثلاثون فاصله سبعة عشر أوم.
التيار يساوي الجهد على المقاومه السعويه أي 110/33.17 أي 3.31 أمبير .
جميل جدا الآن سأضع برنامج يعتمد القاعده أعلاه مع بعض التعديلات ليمكنك إدخال السعه بالميكرو مباشرة .
الذبذبه بالهيرتس السعه بالميكرو


ما أريد قوله كذلك ....... عند وجود أكثر من مكثف في ترتب تسلسلي المقاومه السعويه الإجماليه تساوي المقاومه
السعويه1 + المقاومه السعويه2 .......ألخ
وبالتوازي مس1*مس2 على مس1 + مس2
أي نفس طريقة المقاومات لذلك يمكنك إستعمال مساعدنا .... لإيجاد الإجماليه حتى أربع مقاومات متوازيه.
حالات يمكن أن تصادفنا مع المكثفات
تكلمنا عن المكثف مع التيار الثابت , كذلك ما يحدث مع التيار المتردد ...... طيب ماذا يحدث لو إلتقى هذان النوعان من التيار
هع المكثف في دائرة ما ؟



في هذه الحاله نقول أنه لدينا إشاره 2 فولت من التيار المتردد مع متوسط أربعه فولت .

























كلاكيت ثالث مره


المكثفات هي عناصر أخرى من العناصر الالكترونية وظيفتها الاساسيه هي التحكم في تدفق للشحنة الكهربائيه في الدائرة الالكترونية
سمي بالمكثف لأنها يقوم بتكثيف والاحتفاظ بالشحنة داخلها كا بطارية صغيره
يحتوي المكثف على سطحين موصلين مفصولين عن بعضهما بعازل .. ويتم توصيل أطراف المكثف مع السطحين ..


مجرد وصل أطراف المكثف فان الشحنة الكهربائية تدفق وتتجمع على سطح اللوح .. الشحنات الموجبة على احد الألواح .. والسالبة على الأخر .. وذالك ان كلا الشحنتين تحاول عبور العازل الفاصل لتنجذب إلى الشحنة الأخرى ..
ستبقى ألواح المكثف مشحونة حتى بعد فصل جهد البطارية عنه .. وهذا ما يتضح في هذا المثال .. الذي يمكن به استخدام المكثف كا بطارية لوقت قصير ..


ويعتمد تيار شحن المكثف على قيمة المقاومة الموصلة اليه ..
سعة المكثف تقاي بوحدة تسمى الفراد farads ..
وبما ان يعتبر قيمة الفراد الواحد عاليه جدا لسعة مكثف .. فانع دائما تستخدم اجزاء من الفراد للتعبير عن سعة المكثف كا الميكروفراد µF .. او النانو فراد nF .. او البيكو فراد pF ..
الاختصار Prefix المسمى القيمة بالفراد أو
p pico بيكو 0.000000000001 10-12
n nano نانو 0.000000001 10-9
µ micro ميكرو 0.000001 10-6
m milli ملي 0.001 10-3

الوحدات
1000 pico = 1 نانو فراد
1000 nano = 1 ميكرو فراد
1000 micro = 1 ملي فراد
1000 milli = 1 فراد



فحص المكثفات
افحص المكثف في ورشتك
السلام عليكم
المكثف هو من القطع المهمة في الدوائر الإلكترونية
فهو يعمل كفلتر
و حاجب للكهرباء المستمرة
و مخزن للكهرباء
و هناك مكثفات ثابتة و هناك مكثفات متغيرة
تقاس المكثفات بوحدة الفاراد
تكوين المكثفات
المكثفات مكونة من لوحين من مادة موصلة معزولين بمواد عازلة
و هي تنقسم الى خمس انواع عوازل عرفت بها انواع المكثفات

air capacitor هوائي
paper capacitor ورق
mica capacitor ميكا
ceramica capacitor سيراميك
vacume capacitor مفرغ







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 .