المكثفات: أنواعها واستخداماتها

المكثفة هي ثنائي قطب مكون من سطحين ناقلين متوازيين، يسميان لبوسي المكثفة يفصلهما عازل يمكن أن يكون الهواء، وهي أحد مكونات الدارة الكهربائية، وهي أداة تقوم بتخزين الطاقة الكهربائية، أو الشحنة الكهربائية لفترة من الزمن على شكل مجال كهربائي.

صور لبعض المكثفات المختلفة للمعدات الإلكترونية:

يتم تصنيع المكثفات في العديد من الأشكال، والأنماط، والأطوال، والأحجام، ومن العديد من المواد. تحتوي جميعها على ناقلين كهربائيين على الأقل (تسمى الصفائح) مفصولة بطبقة عازلة. تستخدم المكثفات على نطاق واسع كأجزاء من الدارات الكهربائية، في العديد من الأجهزة الكهربائية الشائعة.

تنتمي المكثفات، إلى جانب المقاومات، و الوشائع، إلى مجموعة " المكونات الالكترونية السلبية " المستخدمة في المعدات الإلكترونية. على الرغم من أن المكثفات الأكثر شيوعًا، بالأرقام المطلقة، هي المكثفات المدمجة، على سبيل المثال في ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية DRAMs ، أو هياكل ذاكرة الفلاش 

تعرف قدرة المكثف على تخزين الشحنة الكهربية بالسعة الكهربائية، ووحدة قياسها فاراد.

اختيار سعة المكثفة في الدارة الإلكترونية: 

يتحدد بعاملين أساسيين هما سعة المكثفة (فاراد، مللي فاراد أو ميكرو فاراد وهي الأكثر استعمالاً)، وفرق الكمون المطبق على طرفيها

استخدامات المكثفات الصغيرة والكبيرة:

تُستخدم المكثفات الصغيرة في الأجهزة الإلكترونية، لربط الإشارات بين مراحل مكبرات الصوت، كمكونات لمرشحات كهربائية، ودارات مضبوطة، أو كأجزاء من أنظمة إمداد الطاقة لتنعيم التيار المعدل.

تُستخدم المكثفات الأكبر لتخزين الطاقة، في تطبيقات مثل الأضواء القوية، كأجزاء من بعض أنواع المحركات الكهربائية، أو لتصحيح عامل القدرة في أنظمة توزيع طاقة التيار المتردد.

المكثفات القياسية و المكثفات القابلة للتعديل:

المكثفات القياسية لها قيمة ثابتة من السعة، لكن المكثفات القابلة للتعديل تستخدم بشكل متكرر في الدارات المضبوطة. يتم استخدام أنواع مختلفة اعتمادًا على السعة المطلوبة، جهد العمل، قدرة المعالجة الحالية، وخصائص أخرى

كيفية تخزين الطاقة الكهربائية في المكثفة:

نظرية البناء التقليدي:

في المكثفة التقليدية، يتم تخزين الطاقة الكهربائية بشكل ثابت عن طريق فصل الشحنة، عادةً  الإلكترونات، في مجال كهربائي بين لوحين قطبين. 

كمية الشحنة المخزنة لكل وحدة جهد هي في الأساس دالة لحجم الألواح، وخصائص مادة اللوح، وخصائص المادة العازلة الموضوعة بين الألواح، والمسافة الفصلة بين الألواح (سمك العازل). الإمكانات بين الألواح محدودة بخصائص المادة العازلة ومسافة الفصلة بينهما.

حيث يتم تصنيع جميع المكثفات التقليدية تقريبًا باستثناء بعض الأنماط الخاصة مثل مكثفات التغذية على أنها مكثفات صفيحة (مستوية)، حتى لو كانت أقطابها، والعزل الكهربائي بينهما ملفوفًا.

عبارة سعة المكثفة:

تعطى عبارة سعة المكثفة كما يلي: C = ε.S/d

ε = ε₀.ε_r حيث: ε₀: ثابت العزل الكهربائي المطلق

                       ε_r: ثابت العزل الكهربائي النسبي

تزداد السعة C مع زيادة السطح S للألواح ومع السماحية ε للمادة العازلة، وتنخفض مع زيادة المسافة d. وبالتالي، تكون السعة أكبر في الأجهزة المصنوعة من مواد ذات سماحية عالية، ومساحة سطح كبيرة، ومسافة صغيرة بين الألواح.

قيم ثابت العزل الكهربائي النسبي:

العازل	الماء	الايثانول	الميكا	الزجاج	الورق المبرفن	البرافين	الهواء
ɛr	80	24	7	4…6	4,5	2,2	1

قيمة ثابت العزل الكهربائي المطلق: ε₀ = 8,85×10^-12 F.m^-1

نظرية البناء الكهروكيميائي:

تستخدم المكثفة الكهروكيميائية مبدأين آخرين للتخزين لتخزين الطاقة الكهربائية. 

على عكس المكثفات الخزفية، والأفلام، والمكثفات الإلكتروليتية، لا تحتوي المكثفات الفائقة، المعروفة أيضًا باسم المكثفات الكهربائية مزدوجة الطبقة (EDLC)، أو المكثفات الفائقة على عازل تقليدي. 

يتم تحديد قيمة السعة للمكثفة الكهروكيميائية من خلال مبدأي تخزين عالي السعة و هما:

التخزين الكهروستاتيكي:

يتم التخزين الكهروستاتيكي داخل طبقات Helmholtz المزدوجة التي يتم تحقيقها على واجهة الطور بين سطح الأقطاب الكهربائية، والإلكتروليت 

التخزين الكهروكيميائي:

يتم التخزين الكهروكيميائي، عن طريق نقل شحنة الإلكترون بواسطة أيونات ممتصة على وجه التحديد، مع تفاعلات الأكسدة والارجاع (السعة الكاذبة). على عكس البطاريات، في هذه التفاعلات، تتشبث الأيونات ببساطة بالتركيب الذري للقطب الكهربائي، دون صنع أو كسر الروابط الكيميائية، ولا توجد تعديلات كيميائية صغيرة، أو قليلة الأهمية تشارك في الشحن أو التفريغ.

يمكن أن تختلف نسبة التخزين الناتجة عن كل مبدأ اختلافًا كبيرًا، اعتمادًا على تصميم القطب الكهربائي، وتكوين المنحل بالكهرباء. يمكن أن تزيد السعة الكاذبة من قيمة السعة بمقدار ترتيب من حيث الحجم على الطبقة المزدوجة في حد ذاتها

أقسام المكثفات الشائعة وأسمائها:

تنقسم المكثفات إلى مجموعتين ميكانيكيتين: المكثفات الثابتة ذات سعة ثابتة، ومكثفات متغيرة ذات قيم سعة متغيرة (قاطعة)، أو قابلة للتعديل (قابلة للضبط).

المكثفات الثابتة:

المكثفات ثابتة السعة، وهي المكثفات التي تمتلك قيمة ثابتة من الشحنات الكهربائية، حيث إنّها تكون على عدة أنواع، وذلك حسب نوع العازل الذي بين الصفائح

تشتق أسماء البعض منها من إسم العازل، مثل مكثفات الأفلام والورق. وتشتق أسماء البعض الاخر من بناء الكاثود الخاص بها، مثل المكثفات الالكتروليتية المصنوعة من الألومنيوم، والتنتالوم، والنيوبيوم ...

أكثر أنواع المكثفات شيوعًا:

المكثفات ذات العزل السيراميكي (المكثفات الخزفية):

وهي التي تُستخدم فيها مادة الخَزف، أو السيراميك كمادة عازلة بين الصفائح، حيث انه يتم رَش طبقة رقيقة من الفضة على السيراميك، ومن ثمَّ تُطلى بطبقة "الورنيش"، ويمتاز هذا النَّوع بصِغَر حجمه، وقِـلَّة فقدانه للترددات، ولذلك تُستخدم في الدوائر الإلكترونية التي تحتاج إلى ترددات عالية. مثل: أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي، وأجهزة التصوير بالأشعة السينية.

مكثفات الأفلام والورق (المكثفات ذات العزل الورقي):

وهي التي تتكون من رقائق معدنية يُعزل فيما بينها بمادة الورق المُشبعة بالزيت، أو الشمع، وتُستخدم في الترددات المنخفضة، بسبب زيادة فقدان الترددات التي فيها.

المكثفات ذات العزل البلاستيكي:

وهي التي يُستخدم فيها البلاستيك للعزل بين الصفائح.

المكثفات ذات عزل الميكا:

وهي التي تتكون من رقائق معدنية، ورقائق الميكا الملفوفة، والمربوطة على بعضها البعض، لتُشكل وحدة كاملة على شكل مكثفة متعددة الصفائح، وتتم تغطيتها بطبقةٍ بلاستيكيةٍ من الخارج لحمايتها من العوامل الخارجية، كالرُّطوبة والصدمات، حيث انها تُستخدم كثيراً في دارات الرنين، وأمّا الأنواع ذات القيم المنخفضة تُستخدم في الدوائر الإلكترونية المطبوعة.

المكثفات الالكتروليتية:

المصنوعة من الالمنيوم، والتنتالوم، والنيوبيوم المستخدمة كأنود، وبناء الكاثود (المنحل بالكهرباء)، مكثفات قطبية السعة يختلف التركيب في هذا القسم من المكثفات عمَّا سبق من الأقسام، وهي من أهم الأنواع في عالم المكثفات، ولا يوجد منها إلّا شكل واحد

المكثفة الكيميائية:

يكون القطب الموجب مصنوعاً من معدن الألمنيوم، وأمّا القطب السالب فيكون من مادة إلكتروليتية (كبلورات الألمنيوم)، وأما المادة العازلة فتكون على شكل طبقة رقيقة من أوكسيد الألمنيوم، ولذلك يجب مراعاة عملية التوصيل للأقطاب في هذا النوع، وإلَّا فإنَّ الدارة الكهربائية ستنهار.

مكثفات البوليمر:

هي المكثفات الالكتروليتية المصنوعة من الألومنيوم، أو التنتالوم، أو النيوبيوم مع بوليمر موصل كإلكتروليت.

المكثفات ذات الطبقة المزدوجة: 

نسبة للظاهرة الفيزيائية لطبقة هيلمهولتز المزدوجة

MC و BC سلسلة المكثفات الكهربائية المزدوجة الطبقة (تصل سعتها الى 3000 فاراد)، أنتجت بواسطة ماكسويل للتقنيات

المكثفات الكاذبة:

نسبة لقدرتها على تخزين الطاقة الكهربائية كيميائياً مع نقل شحن فاراداي قابل للعكس

المكثفات الهجينة:

وهي تجمع بين مكثفات الطبقة المزدوجة، والمكثفات الزائفة لزيادة كثافة الطاقة

تمت تسمية مكثفات الميكا الفضية، والزجاج، والسيليكون، والفجوة الهوائية، والمكثفات الفراغية بسبب عازلها الكهربائي.

المكثفات الهوائية:

المكثفات الهوائية هي المكثفات التي تتكون من عدة صفائح، حيث ان العازل المستخدم بين هذه الصفائح هو الهواء، ولأنها تتكون من صفائح ثابتة وأخرى متغيرة، فإننا سنجد أن سعة المكثف تتغير بتغيُّر مساحة الألواح المتداخلة، ولذلك نجدها تستخدم عادًة في الدارات الكهربائية التي تحتاج لضبط أمواج راديوية، وأنظمة الراديو، فيتم توصيل المكثفات بمذبذبات خاصة، وتعمل المكثفة عملها المعتاد من شحن وتفريغ في وشيعة لينشأ مجال مغناطيسي، وعند الانتهاء من عملية التفريغ تعود المكثفة للشحن من جديد، وتكون هذه العمليات ضمن فترات زمنية منتظمة ترددها مساوٍ لتردد محطة الراديو القريبة، حتى يقوم النظام بالتقاط هذه الموجات المُذاعة وتضخيمها.

مكثفة مايلر:

هي مكثفة يتم استخدامها في الدارات الكهربائية التي تحتوي على مؤقتات، ويعود سبب ذلك إلى طريقة عملها القائمة على الشحن، والتفريغ على فترات محددة، ويستخدم هذا النوع من المكثفات في الساعات، والعدادات، وأجهزة الإنذار.

المكثفات الزجاجية:

تناسب التطبيقات التي تتطلب وجود توتر كهربائي مرتفع، ويتم استخدامها في الوكالة الأمريكية للفضاء "ناسا" لأغراض معينة في النظام الإلكتروني للمكوك الفضائي، و المجسّات.

المكثفة الفائقة:

هي مكثفة يمكنها تخزين الطاقة الكهربائية بما يكفي لتشغيل الحافلات، وتستخدم عادًة في السيارات التي تعمل بالكهرباء، أو تلك التي تستخدم الكهرباء إلى جانب الوقود "الهايبرد".

مبدأ عمل المكثفة الكهربائية:

تخزن المكثفة الطاقة الكهربائية بشكل مؤقت، إلا أن مبدأ عملها يختلف عن البطارية، فالبطارية تقوم على مبدأ تفاعلات كيميائية من الأكسدة والارجاع للإلكترونات، أما المكثّفة فلا تقوم بأي تفاعلات كيميائية، ويمكن توضيح مبدأ عمل المكثفة في الخطوات الآتية:

يتم توصيل المكثفة الكهربائية بدارة كهربائية تحتوي على بطارية. تتكون شحنات سالبة (إلكترونات) على لبوس المكثفة الموصول بقطب البطارية السالب، ويفقد لبوس المكثفة المتصل بالقطب الموجب للبطارية الإلكترونات، بحيث تنطلق الإلكترونات باتجاه قطب البطارية الموجب. تمتلك المكثفة شحنة كهربائية بنفس شحنة البطارية، أي تصبح مشحونة بتوتر مساوٍ لتوتر البطارية الموجودة في الدارة. إنَّ مبدأ عمل المكثفة سهل وبسيط، ويمكن عمله بوجود صفيحتين معدنيتين بينهما فاصل، ويتم شحنه بوجود بطارية ليتسنّى استخدامه فيما بعد.  

تتنوع المكثفات الكهربائية بتنوع المادة العازلة التي يمكن أن تستخدم فيها، وتتناسب المواد المستخدمة مع الوظيفة التي يراد استخدام المكثفة فيها، فمنها ما يستخدم في تطبيقات الترددات العالية مثل مكثفات السيراميك، ومنها ما يستخدم في الأنظمة التي تحتاج تخزين توتر كهربائي عالي مثل مكثفات الزجاج، والمكثفات الفائقة.

أبرز استخدامات المكثفات الكهربائية:

للمكثفات الكهربائية استخدامات متعددة نظرًا لأهميتها في تخزين الطاقة الكهربائية، حيث يتم شحنها ليتم استخدامها في العديد من التطبيقات، ومن أبرز استخدامات المكثفات الكهربائية المؤقتات:

ـ تزويد الأجهزة المنزلية بالتيار المستمر. 
ـ الوميض المنبعث من آلات التصوير الحديثة "فلاش الكاميرا". 
ـ ضبط الدارات الكهربائية لتوافق أنظمة الراديو. 

ـ في المجال الطبي، كالتصوير بالأشعة السينية وأجهزة الرنين المغناطيسي (MRI). 
ـ تدخل المكثفات الكهربائية في تطبيقات عديدة من أنظمة الدارات الكهربائية والإلكترونيات، وجميعها تعتمد بشكل أساسي على شحن الطاقة الكهربائية، وتفريغها بشكل سريع عند الاستخدام.