المكثف هو عنصر إلكتروني لديه القدرة على تخزين الطاقة الكهربائية على شكل شحنة

بحيث ينتج الفرق الكهربائي عبر لوحاته الداخلية وهو يشبه بطارية صغيرة قابله للشحن.

يستخدم المكثف بشكل شائع  كعنصر إلكتروني أساسي  في الدارات والأجهزة الإلكترونية و الكهربائية الحديثة.

للمكثف تاريخ طويل واستخدام لأكثر من 250 عامًا ، وهو يعد من أقدم العناصر الإلكترونية حيث تم دراسته و تصميمه وتطويره واستخدامه على مر تلك السنين.

مع التطور في التكنولوجيا تم ابتكار أنواع مختلفة من المكثفات بناءً على تركيبها الداخلي و الغرض من استخدامها. 

في هذا المقال سنتطرق لشرح و عرض أكثر أنواع المكثفات الكهربائية شيوعاً

ما هو المكثف؟

المكثف عبارة عن عنصر إلكتروني يخزن الطاقة الكهربائية في مجال كهربائي ويُعرف مقدار تأثير ذلك المجال أثناء التخزين بالسعة الكهربائية.

يتكون المكثف من الداخل من اثنين من الموصلات يفصل بينهما مادة عازلة..

Capacitor Symbol

السعة الكهربائية:

السعة هي نسبة الشحنة الكهربائية (Q) إلى الجهد (V) و تتمثل بالعلاقة الرياضية التالية :

C = Q/V

  • Q هي مقدار الشحنة الكهربائية بوحدة الكولوم.
  • C هي مقدار السعة الكهربائية بوحدة الفاراد.
  • V هو مقدار فرق الجهد الكهربائي بين الألواح بوحدة الفولت.

أنواع المكثفات

 أهم أنواع المكثفات الكهربائية هي :

  • المكثف الكهرليّ ELECTROLYTIC CAPACITOR
  • مكثف الميكا MICA CAPACITOR
  • المكثف الورقي PAPER CAPACITOR  
  • مكثف الصفائح الغشائية الكربونية FILM CAPACITOR
  • المكثف غير القطبي NON- POLARIZED CAPACITOR
  • مكثف السيراميك CERAMIC CAPACITOR

المكثف الكهرليّ (الالكتروليت)

 يتم استخدام مكثفات الالكتروليت عندما تُطلب قيم كبيرة لسعة المكثّف.

يتم استخدام طبقة من الغشاء المعدني الرقيق للقطب الموجب بينما يتم استخدام محلول الالكتروليت شبه السائل على شكل هلام أو معجون للقطب السالب أو الكاثود.

أما الطَّبقة العازلة فهي عبارة عن طبقة رقيقة من الأوكسيد بسماكة لا تتعدّى عشرة ميكرون.

من الممكن صنع مكثفات ذات قيمة كبيرة في السعة الكهربائية لتتناسب مع حجم الاستخدام، كما  أن صغر المسافة بين اللوحين داخل المكثف يلعب دوراً مهماً في ذلك.

تعمل غالبية مكثفات الالكتروليت على جهد من النوع المباشر DC ويتمُّ تطبيقه على طرفي المكثف ويجب أن تكون قطبية الطَّرفين موصلة بشكل صحيح.

يجب الالتزام و مراعاة توصيل الأقطاب، حيث إذا كان الطَّرف الموجب للمكثف موصولاً بالطَّرف السَّالب لمصدرِ الطاقة أو إذا كان الطرف السالب للمكثف موصولاً بالطَّرف الموجب لمصدر الطاقة ستكون قطبيةُ المكثِّف غير صحيحة وستُكسر طبقة الأكسيد العازلة وتتفتت وسيكون هناك ضررٌ دائمٌ في المكثِّف.

تكون استخدامات المكثفات الاكتروليتية ضمنَ دارات تزويد الطَّاقة التي تعمل على جهدٍ مستمرٍّ DC وذلك لأنَّها تمتازُ بسعةٍ كهربائيةٍ عالية.

من أهم تطبيقات هذا النَّوع من المكثِّفات: الاقتران والفصل.

أما عيب هذه النوع من المكثفات يتمثل في  الانخفاض النِّسبي في الفولطيّة المُقنَّنة بسبب خاصية الاستقطاب.

مكثِّفاتُ الميكا

تٌصنع هذه المكثفات من مجموعةٌ من المعادن الطبيعية وأشهر أنواعها هي مكثفات الميكا الفضية التي تكون معزولة كهربائياً من الخارج.

هناك نوعان من مكثفات الميكا:

النوع الأول هو المكثفات المثبتة التي تُعتبر مكثفات قديمة عفا عنها الزمن بسبب خصائصها المتدنية.

أمَّا النوع الثاني فهو مكثفات الميكا الفضية.

يتم صنع مكثفات الميكا الفضية كصفيحة مغلَّفة بالمعدن من كلا الجانبين، ثم يتم تغليفها بمادة الإيبوكسي للحماية

تُستخدم مكثفات الميكا في التطبيقات التي تتطلب تصميماتٍ مستقرّة وصغيرة الحجم ضمنَ تردّداتٍ عالية بسبب استقرارها الكيميائيّ والكهربائيّ والميكانيكيّ

يعود سببُ ذلك الاستقرارِ إلى تركيبها البلّوريّ المحدّد وهو هيكلٌ متعدد الطبقات.

أكثر أنواع مكثفات الميكا استخداماً و شيوعاً هي مكثفات (الميكا البيضاء) Muscovite و MicaPhlogopite.

Mica Capacitor

المكثف الورقي

يتكون المكثف الورقي من لوحين من رقائق القصدير يتم الفصل بينهما عن طريق الورق أو الورق المشحم وطبقة من الشمع الرقيق

ثم يتم لف تلك الرقائق والأوراق على شكل اسطواني وتوضع في كبسولة بلاستيكية.

في السابق كان الورق هو بمثابة البنية الأساسية المكوِّنة لهذا النَّوع من المكثفات أمَّا في وقتنا الحاضر فقد تمَّ استبدالهُ بمواد أُخرى مثلَ البلاستيك.

يتراوحُ مقدارُ السِّعة الكهربائيّة لهذهِ المكثِّفات من 0.001 ميكروفاراد إلى 2.000 ميكروفاراد، أمَّا مقدارُ فرق الجهدِ فهو عالٍ جداً ويصلُ إلى 2000 فولت.

Paper Capacitor

مكثِّفات الفيلم الكربونية

هي مكثفاتٌ تستخدم البلاستيك الرقيق كمادةٍ عازلةٍ يتم تصنيعها بشكلٍ دقيق للغايةِ باستخدام عملية رسم الفيلم المعقَّدة.

يتم تعدين الفيلم أو الغشاء اعتماداً على خصائص المكثف المطلوبة للحماية من العوامل الخارجية ويتم إضافة الأقطاب الكهربائية من الخارج.

هناك أنواعٌ مختلفةٌ من مكثِّفات الأفلامِ الكربونيَّة مثل:

  • مكثف فيلم البوليستر.
  • مكثف فيلم ممعدن.
  • مكثف ذو غشاء البولي بروبلين.
  • مكثف PTE.

الاختلاف الأساسي بين أنواع هذه المكثفات هو المادة العازلة المستخدمة من حيث قيمة العزل، حيث يجب  أن يتمَّ اختيارها بشكلٍ صحيحٍ وفقاً لخصائصها. 

Film Capacitor

المكثفات غير المستقطبة

يتم تصنيف المكثفات غير المستقطبة إلى نوعين هما : المكثفات البلاستيكية والمكثفات الالكتروليتية غير المستقطبة.

يُستخدمُ المكثف غير المستقطبِ ضمنَ تطبيقاتِ التيارِ المترددِ على التسلسل أو بالتوازي مع مصدر الطاقة.

 من الأمثلة والتطبيقات لمثل هذا النوع من المكثفات هي مفلترات  مكبر الصوت Speaker crossover filters  وشبكة تصحيح معامل القدرة Power Factor correction network.

في هذين  التطبيقين يتم تطبيق إشارة جهد متردد AC كبيرة عبر المكثف غير المستقطب.

Non-Polarized Capacitor

مكثف السيراميك أو الخزف

المكثفات الخزفية هي مكثفات تستخدم مادة السيراميك كعازل كهربائي.

يُعتبر السيراميك من أوائل المواد التي تم استخدامها كعازل كهربائي.

هناك العديد من الأشكال الهندسية المستخدمة في هذا النوع من المكثفات كالمكثفات ذات الشكل الأنبوبي ومكثفات الطبقات التي تختلف عن بعضها البعض عن طريق حجمها أو التأثيرات الخارجية كالحرارة أو الخصائص الكهربائية.

النوعان الشائعان من المكثفات الخزفية هي المكثفات الخزفية متعدّدة الطّبقات ومكثفات الأقراص.

تتمُّ صناعةُ بعض من المكثفات الخزفية متعدّدة الطبقات باستخدام تقنية التثبيت السطحي SMD والتي هي اصغر حجماً

وبالتالي يمكن استخدامها على نطاق واسع، عادةً ما تكون قيم المكثفات الخزفية بين 1 نانوفاراد و 100 ميكروفاراد.

يتم تصنيع مكثفات القرص الخزفي من خلال طلاء القرص الخزفي  بموصلات فضية على كلا الجانبين لتحقيق السعة  الأكبر

تمتلك هذه المكثفات استجابات عالية التردد بسبب التأثيرات المصاحبة مثل المقاومة و الحث الكهربائي.

مصدر المقال: اضغط هنا

  • إعداد: المهندسة سارة بلقاسمي
  • تدقيق: المهندسة رهف النداف
  • تحرير: المهندس بشار الحجي