المكثف الكهربائي Capacitor ويسمى ايضًا بالمواسع الكهربائي ويرمز له بالحرف الانجليزي C تعتبر المكثفات من الأجزاء المهمة والتي لا غنى عنها في صناعة الدوائر الالكترونية والكهربائية وفي عمل الكثير من الدوائر مثل دوائر التغذية الكهربائية والتضخيم والمرشحات ومضخمات العمليات ودوائر القنطرة للتحويل من AC الى DC والكثير جدا من التطبيقات ويمكننا القول مجازيًا انه لا تخلو دائرة الكترونية من المواسعات الكهربائية. بصورة عامة يتركب المكثف من اجزاء بسيطة للغاية من لوحين موصلين يحمل كل منهما شحنة كهربائية متساوية في المقدار ومتعاكسة في الإشارة حسب قوانين نيوتن واللوحين معزولتين عن بعضهما البعض بمادة عازلة مثل (الهواء، او الخزف، أو الورق) ليستطيع المكثف تخزين الشحنات الكهرباية لمدة زمنية (مثل البطارية) , ولكن بالطبع هنالك فارق كبير بين المكثف والبطاريات سوف نناقش هذا لاحقًا. والصورة التالية توضح التركيب الداخلي للمكثفات:
حيث ان:
| Conductive plates | هما اللوحين الموصلين |
| Dielectric | هي المادة العازلة بين اللوحين و d هي سمك المادة |
| A | مساحة مقطع الموصل قد تكون مربعة او دائرية او اسطوانية |
يستخدم المكثف الكهربائي (المواسع) لتخزين كمية من الطاقة الكهربائية أو الشحنات الكهربائية لفترة زمنية وذلك على شكل مجال كهربائي بحيث إذا تم توصيل لوحين المكثف بمصدر للطاقة الكهربائية تبدأ (عملية الشحن) ثم تنطلق هذه الشحنات بعد فترة زمنية بسيطة في ما يسمى (عملية التفريغ).
ويتم تحديد نوع المكثف حسب المادة العازلة المستخدمة في صناعته، فاذا كانت من الهواء يطلق على المكثف اسم مكثف هوائي، أو بلاستيكي إذا كانت من البلاستيك ، أو مكثف ميكا، أو مكثف سيراميك وهكذا حسب نوع مادته, اما إذا استخدم محلول كيماوي كمادة عازلة يسمى المكثف الكيميائي وعادة يكون المكثف بلا قطبية , ولكن بعض المكثفات لها قطبية وتسمى المكثفات الكهرلية.
وتعرف قدرة المكثف على استيعاب الشحنة بالسعة Capacity وتقدر السعة بالفاراد F وأجزاؤه مثل الملي فاراد والميكرو فاراد , وهي مقدار الشحنة الموجودة على احد لوحي المواسع الى مقدار فرق الجهد بين لوحيه. نظرا لأنه يقوم بتخزين الطاقة الكهربية على شكل مجال كهربائي , له الكثير من الاستخدامات منها:
| المكثفات لمعالجة الإشارات Signal Processing | دوائر التوقيت Timer |
| المكثفات تستخدم كمجسات – حساسات Sensors | دوائر التقويم Rectification Circuits |
| مذبذبات الاشارات Oscillators | مرشحات تمرير عالية ومنخفضة تمرير High-pass and low-pass filters |
| تفاضل وتكامل الاشارة Calculus | تخزين الطاقة Energy Storage |
| تشغيل المحركات Motor starters | تنعيم التيار فى وحدات القدرة Power supply |
| القوة النبضية Pulsed power | دوائر السلامة Hazards and safety |
| دوائر الرنين Resonant Circuit | الربط بين بعض مراحل الدوائر الالكترونية Coupling |
| تصحيح معامل القدرة Power factor correction | توليف الراديو Radio synthesis |
ليس فقط هذه التطبيقات بل يوجد مئات التطبيقات لاستخدام المكثفات الكهربائية. وهذه بعض رموز المكثفات الكهربائية:
حيث ان:
| Fixed capacitor | رمز المكثف ثابت السعة |
| Polarized capacitor | رمز المكثف ثابت السعة (القطبي) او الكهرلي |
| Variable capacitor | رمز المكثف متغير السعة |
التصنيف العام للمكثفات الكهربائية
كما هو الحال في جميع العناصر الالكترونية تتعدد التصنيفات وذلك لاحتياجات العالم الدائم لمزيدًا من التقنيات والمتطلبات الجديدة , وعندما ندرس المكثفات الكهربائية يجب الألمام في تصنيفاتها وذلك حتى تستطيع اختيار المكثف الصحيح في التصميم الخاص بك او البحث عن البدائل بشكل هندسي صحيح وسبب اختلاف التصنيفات هو تعدد استخدام المكثفات الكهربائية وأهميتها الكبيرة في عالم الالكترونيات.
عمومًا يوجد عدة تصنيفات يجب ان تكون ملمًا بها وهي كالتالي.
اولًا : التنصيف حسب المادة العازلة , يتم تصنيف المكثفات الكهربائية حسب المادة الاساسية التي تصنع منها المادة العازلة (بين اللوحين) وتقسم الى عدة انواع مثل:
| مكثف كيميائي(كهرلي) | سيراميك | ورقي | هوائي | المايكا |
| بلاستيكي | تفلون | زجاج | تنتاليوم | ورق مشمع |
ثانيًا : التصنيف حسب الشكل , تقسم المكثفات الكهربائية حسب الشكل بشكل عام الى ثلاثة اقسام اساسية وهي كالتالي:
1 – المكثفات الاسطوانية : يكون اللوحين العازلين على شكل اسطوانتين متداخلتين بينهما المادة العازلة.
2 – المكثفات الدائرية : يكون اللوحين العازلين على شكل دائرتين بينهما المادة العازلة.
3 – المكثات المربعة او المستطيلة : يكون اللوحين العازلين على شكل مربع بينهما المادة العازلة.
ثالثًا : التصنيف حسب القيم متغيرة او ثابتة , مثل في جهاز الراديو نستخدم مكثفات متغيرة السعة. والصورة التالية توضح الانواع أعلاه:
سعة المكثف
تعتمد سعة المواسع (المكثف) على العوامل التالية:
1 – مساحة احد السطحين المتقابلين : وتتناسب طرديا مع هذه المساحة.
2 – المسافة الفاصلة بين السطحين : وتتناسب السعة عكسيا مه هذه المسافة الفاصلة.
3 – نوع الوسط العازل : تزداد سعة المكثف (المواسع) بازدياد ثابت العزل للوسط العازل بين لوحيه.
ويعرف ثابت العزل لمادة ما بانه النسبة بين سعة المواسع عند استعمال تلك المادة الى سعته عندما يكون العازل بين لوحيه هو الهواء الجاف. والجدول التالي يبين ثابت العزل لعدة مواد تستخدم في المكثفات:
| الوسط العازل | هواء/فراغ | مايكا | سيراميك | ورق مشمع | زجاج | تفلون |
| ثابت العزل | 1 | 6 | 5 | 3 | 6 | 2 |
المواصفات الفنية للمواسعات:
- السعة : هي الخاصية الاساسية للمكثف فهي حجر الاساس في الدوائر الكهربائية وتصنع المكثفات بسعات مختلفة منها القليل جدا ومنه الكبير جدا .
- فولطية الانهيار : هي الفولطية التي تنهار عندها الطبقة العازلة الموجودة بين لوحي المكثف مما يؤدي الى تلفه وتتناسب هذه الفولطية طرديا مع سمك الطبقة العازلة .
- فولطية التشغيل : هي الفولطية الاستراتيجية التي يعمل عندها المكثف ولا تزيد عادة فولطية التشغيل عن 25% من فلوطة الانهيار .
- نسبة السماح في سعة المواسع : هي مقدار التفاوت بين السعة الحقيقية للمواسع والسعة المسجلة عليه من الشركة الصانعة وتتراويح بين ( 1-20 )% قابلة للزيادة او النقصان والاكثر شيوعا هي 2% . وكلما قلت نسبة السماح ارتفع سعر المكثف .
- نوع المكثف وقطباه : بعض المكثفات ليس لها قطبية تعمل في اي اتجاه ولكن بعض المكثفات لها قطبية مثل المكثف الكيميائي .
- درجة الحرارة : هي درجة الحرارة المناسبة التي يعمل عندها المكثف دون ان يكون تاثيرا على السعة ومواصفاته الاخرى .
يبين الجدول التالي بعض انواع المكثفات الكهربائية المتوفرة , بحيث ان كل منها له استخدامها الخاص:
المكثفات ذات القطبية Polarized Capacitors
تصنع بعض أنواع المكثفات بحيث يكون لها قطب سالب آخر موجب, ومثل هذه المكثفات عند توصيلها فى الدائرة يجب أن يتم توصيل القطب الموجب للمكثف بالجهد الموجب فى الدائرة, والقطب السالب للمكثف بالجهد السالب فى الدائرة, وذلك حتى لايتلف المكثف أو ينفجر, وفى العادة يرسم سهم أو علامة ( – ) بجوار القطب السالب للمكثف, أو علامة (+) بجوار القطب الموجب, وغالبا يكون طول القطب السالب أقصر من طول القطب الموجب, كما يوضح الشكل المقابل. ويرمز له فى الدائرة بالرمز المبين في الصورة ادناه:
اعطال المكثفات
يمكن محلاظة الاعطال التالية في المكثفات :
1 – دارة القصر : ينتج هذا العطل من اتصال لوحي المكثف معا نتيجة انهياز العازل بسبب تجاوز فولطية الانهيار او ارتفاع درجات الحرارة عن الحد المسموح ويمكن كشف هذا العطل عندما يعطي جهاز الفحص مقاومة صغيرة جدا تصل للصفر.
2 – الدائرة المفتوحة : ينتج هذا العطل عادة من انفصال احد اطرافه او انفجاره كما يحدث للمكثف الكيميائي.
3 – المكثف يتصرف كانه مقاومة : يعطي مقاومة ثابتة عند قياس مقاومته ويحدث هذا العطل بسبب فقدان الوسط العازل بعض خصائصه وهو شائع في المكثفات الكيميائية.
4 – تغير سعة المكثف : يعطي بشكل ملحوظ تغير في السعة زيادة كبيرة او انخفاض كبير , وينتج ذلك بسبب اختلاف ظروف التشغيل الصحيحة وهذا النوع من الاعطال يتم اكتشافه بواسطة جهاز قياس السعة.
ملاحظة : المكثف الكيميائي الخالي من الاعطال عند قياس مقاومته يعطي مقاومة منخفضة نسبيا في البداية ثم تبدأ قيمتها الارتفاع تدريجيا بشكل سريع حتى تثبت عند قيمة عالية جدا وذلك بسبب عملية الشحن بواسطة جهاز الاومميتر ولكن يجب الانتباه الى توصيل اقطاب الاومييتر بشكل صحيح.
دعونا نقارن بين المكثف والبطارية, من حيث السعة وكثافة الطاقة سوف تكون البطارية أكبر اكبر من حيث سرعة الشحن والتفريغ والعمر الافتراضي فسوف يفوز المكثف الكهربائي بالتأكيد لان المكثف صمم خصيصًا لعمليات الشحن والتفريغ وعمره طويل جدا مقارنة مع البطارية وأقل ثمن نسبيًا.
الآن لقد انتهينا من الدرس الاول في المكثفات الكهربائية سوف ننتقل الى الدروس التالية لنبدأ استخدام الحسابات والمعادلات والمنحنيات واستخدام المكثف في دوائر التيار المستمر والمتناوب وبناء مشاريع الكترونية مبنية بشكل اساسي على المكثفات وسوف ندرس كل الخصائص الفنية في المكثفات الكهربائية. لذلك الآن سوف ندرس بشكل مفصل ما يلي:
- طرق توصيل المكثفات الكهربائية.
- قراءة قيمة المكثفات الكهربائية.
- فحص المكثفات الكهربائية.
- عمل المكثف الكهربائي مع التيار المستمر DC.
- عمل المكثف الكهربائي مع التيار المتردد AC.
- دوائر الكترونية باستخدام المكثفات الكهربائية.
جزاكم الله خيرا على الإفادة.
واياكم صديقي
الله يكرمك
جزاكم الله كل خير بوركت جهودكم
واياكم صديقي
الله يكرمك