What is a Capacitor？

ما هو المكثف

المكثف هو عنصر يقوم بتخزين الكهرباء والطاقة الكهربية (طاقة الوضع). ويطلق على موصل محاط بموصل آخر، أو موصل تنتهي فيه خطوط المجال الكهربي المنبثقة من أحد الموصلين في الموصل الآخر اسم المكثف. يخزن المكثف الشحنة عندما يطبق جهد كهربي بين اللوحين المتطرفين للمكثف. تساوي سعة المكثف عدديًّا نسبة الشحنة على أحد اللوحين الموصلين إلى الجهد بين اللوحين. الوحدة الأساسية لسعة المكثف هي الفاراد (F). وعادة ما يستخدم الحرف C في مخططات الدوائر الكهربية للدلالة على العناصر السعوية.

رمز المكثف

Internationally standardized, the amount of charge that can be stored in a capacitor when a 1-volt DC voltage is applied to it is the capacitance (i.e., the amount of electricity per unit voltage) of the capacitor, denoted by the letter C. The basic unit of capacitance is the farad (F), which is the voltage ratio between the two electrodes. The basic unit of capacitance is the farad (F). In 1-volt DC voltage, if the capacitor stored charge for 1 coulomb, the capacitance is set at 1 farad, farad with the symbol F, 1F = 1C/V. In practice, the capacitance of the capacitor is often much smaller than 1 farad, commonly used smaller units such as millifarads (mF), microfarads (μF), nano-farads (nF), pico-farads (pF), and so on, the relationship between: 1 microfarad equal to a millionth of a farad; 1 pifa is equal to one-millionth of a microfarad, i.e.: 1 farad (F) = 1,000 millifarads (mF); 1 millifarad (mF) = 1,000 microfarads (μF); 1 microfarad (μF) = 1,000 nanofarads (nF); 1 nanofarad (nF) = 1,000 pifaads (pF); i.e.: 1F = 1,000,000 μF; 1 μF = 1,000,000 pF.

المكثفات ما هي استخدامات

تلعب المكثفات دورًا مهمًا في الدوائر مثل الضبط والتجاوز والاقتران والتصفية.في دائرة التيار المستمر، المكثف هو ما يعادل قاطع الدائرة.المكثف هو مكون قادر على تخزين الشحنات وهو أحد المكونات الإلكترونية الأكثر استخداماً.
●اقتران: وتسمى المكثفات المستخدمة في دوائر الاقتران بمكثفات الاقتران، وتستخدم في عدد كبير من المضخمات المقترنة بالمقاومة وغيرها من الدوائر المقترنة بالسعة لعزل التيار المستمر عن التيار المتردد.
●التصفية: وتسمى المكثفات المستخدمة في دوائر الترشيح مكثفات الترشيح، وتستخدم في ترشيح مصدر الطاقة ودوائر الترشيح المختلفة. تزيل مكثفات الترشيح الإشارات في نطاق تردد معين من الإشارة الكلية.
●الفصل: وتسمى المكثفات المستخدمة في دوائر الفصل بمكثفات الفصل، والتي تستخدم في دوائر إمداد التيار المستمر لمضخمات متعددة المراحل للتخلص من الروابط الضارة ذات التردد المنخفض بين كل مرحلة من مراحل المضخم.
إلغاء الترددات العالية التردد: يُطلق على المكثف المستخدم في دائرة إلغاء التردد العالي مكثف إلغاء التردد العالي. في مضخم الصوت ذي التغذية المرتدة السلبية، تُستخدم دائرة المكثف هذه من أجل إلغاء الاستثارة الذاتية المحتملة عالية التردد لإزالة الصفير المحتمل للتردد العالي في المضخم.
الرنين يُطلق على المكثف المستخدم في دائرة الرنين LC مكثف الرنين وهو مطلوب في كل من دوائر الرنين LC المتوازية ودوائر الرنين على التوالي.
تجاوز: تسمى المكثفات المستخدمة في الدوائر الالتفافية المكثفات الالتفافية. إذا كانت هناك حاجة لإزالة نطاق معين من الإشارات من إشارة في دارة ما، يمكن استخدام دائرة مكثف الالتفافية؛ واعتماداً على تردد الإشارة المراد إزالتها، هناك دوائر مكثفات الالتفافية ذات نطاق التردد الكامل (جميع إشارات التيار المتردد) ودوائر المكثفات الالتفافية ذات التردد العالي.
●التحييد: يسمى المكثف المستخدم في دائرة المعادلة بمكثف المعادلة. وتستخدم دوائر مكثف التحييد هذه في مضخمات الراديو عالية التردد ومضخمات التردد المتوسط، ومضخمات التردد العالي التلفزيوني للتخلص من الإثارة الذاتية.
●التوقيت: المكثفات المستخدمة في دوائر التوقيت تسمى مكثفات التوقيت. تستخدم دوائر مكثفات التوقيت في الدوائر التي تتطلب التحكم في الزمن عن طريق شحن وتفريغ المكثفات التي تتحكم في حجم ثابت الزمن.
●الاندماج: يسمى المكثف المستخدم في دائرة التكامل مكثف التكامل. تُستخدم دائرة مكثف التكامل هذه في دوائر الفصل المتزامن للمسح الميداني المحتمل لإزالة إشارة مزامنة المجال من إشارة المزامنة المركبة للمجال.
●التفاضل: يسمى المكثف المستخدم في دائرة تفاضلية بالمكثف التفاضلي. تُستخدم دائرة المكثف التفاضلي هذه في دائرة الزناد للحصول على إشارة زناد سبايك من أنواع مختلفة من الإشارات (النبضية المستطيلة بشكل أساسي).
●التعويضات: يُطلق على المكثف المستخدم في دائرة التعويض اسم مكثف التعويض، وتستخدم دائرة مكثف التعويض منخفض التردد في دائرة تعويض الجهير في سطح الكاسيت لتعزيز إشارة التردد المنخفض في إشارة التشغيل، وهناك أيضاً دائرة مكثف تعويض عالي التردد.
التمهيد: يُطلق على المكثف المستخدم في دائرة التمهيد اسم مكثف التمهيد، وتُستخدم دائرة مكثف التمهيد هذه في دائرة مرحلة الخرج لمضخمات الطاقة OTL شائعة الاستخدام لتعزيز السعة الموجبة لنصف الدورة الموجبة للإشارة بمقدار صغير من خلال التغذية الراجعة الموجبة.
● تقاطع: يُطلق على المكثف في دائرة التقاطع اسم مكثف التقاطع. وفي دائرة تقاطع مكبر الصوت في مكبر الصوت، تُستخدم دائرة مكثف التقاطع لتمكين مكبر الصوت عالي التردد من العمل في نطاق التردد العالي، ومكبر الصوت متوسط التردد من العمل في نطاق التردد المتوسط، ومكبر الصوت منخفض التردد من العمل في نطاق التردد المنخفض.
● سعة الحمولة: هذه هي السعة الخارجية الفعالة التي تحدد تردد الرنين للحمل مع مرنان بلورة الكوارتز. القيم القياسية لسعة الحمل هي 16pF، 20pF، 20pF، 20pF، 20pF، 20pF، 20pF، 20pF، 20pF، 20pF، 20pF، 20pF، 20pF.

كيف تعمل المكثفات

المكثف هو مكون إلكتروني قادر على تخزين الشحنة الكهربائية، ويعتمد مبدأ تشغيله على تراكم الشحنة وإطلاقها.

1. الإنشاءات الأساسية
   A capacitor consists of two conductive electrodes (usually metal plates) with an insulating medium (e.g. air, plastic, ceramic, etc.) in between. This structure is similar to a “sandwich”, the charge can be accumulated in the electrodes, but can not flow directly through the insulating medium. 2. charging process
2. عملية الشحن
   عندما يتم توصيل مكثف بمصدر طاقة، تبدأ عملية الشحن:
   يوصل القطب الموجب لمصدر الطاقة شحنة موجبة إلى أحد القطبين، ويوصل القطب السالب شحنة سالبة إلى القطب الآخر.
   ونظرًا لحاجز الوسط العازل، لا يمكن للشحنة أن تمر مباشرةً، ولكن يمكن أن تتراكم فقط على الأقطاب المعنية.
   مع تراكم الشحنة، يزداد فرق الجهد بين الأقطاب تدريجياً حتى يساوي جهد الإمداد، وتنتهي عملية الشحن.
3. عملية التفريغ
   عند فصل المكثف عن مصدر الطاقة وتوصيله بحمل، تبدأ عملية التفريغ:
   تشكل الشحنة الموجودة على الأقطاب تيارًا عبر الحمل تحت تأثير قوة المجال الكهربائي.
   عند إطلاق الشحنة، يقل فرق الجهد بين الأقطاب حتى يصل إلى الصفر وتنتهي عملية التفريغ.
4. السعة والمجالات الكهربائية
   تشير سعة المكثف (C) للمكثف إلى قدرته على تخزين الشحنات ويتم حسابها بالمعادلة:
   ج = س/، معادلة المكثف
   Capacitance Determinant:C=εS/(4Tkd)
   حساب السعة: C=Q/U
   where ϵ is the dielectric constant of the insulating medium, S is the electrode area, and d is the distance between the electrodes. The electric field plays a central role in the charging and discharging process, driving the movement of charges.

الطاقة المخزنة في المكثف هي طاقة المجال الكهربائي، وهي في الأساس الطاقة الكامنة المخزنة في المجال الكهربي بين اللوحين الموصلين. عندما يتم شحن المكثف، تتراكم الشحنات تحت تأثير المجال الكهربائي، مما يحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة مجال كهربائي؛ وأثناء التفريغ، يتم إطلاق طاقة المجال الكهربائي في صورة أشكال أخرى من الطاقة.

معادلات حساب طاقة المكثف

يمكن حساب طاقة المكثف باستخدام المعادلات المكافئة الثلاث التالية، اعتمادًا على المعلمات المعروفة (السعة C،الجهد Uأو الشحن Q):

1. بناءً على الجهد والسعة:

توضح هذه المعادلة أن الطاقة تتناسب مع السعة ومربع الجهد، مما يجعلها مناسبة للسيناريوهات التي يكون فيها جهد الشحن معروفًا.

2. بناءً على الشحنة والجهد:

وهذا يحسب الطاقة من خلال فرق الجهد أثناء نقل الشحنة، وغالبًا ما يستخدم لتحليل عملية الشحن.

3. بناءً على الشحنة والسعة:

ينطبق ذلك عندما تكون الشحنة والسعة معروفة، كما هو الحال في حساب طاقة موصل معزول.

العوامل المؤثرة الرئيسية

• السعة: تحددها مساحة اللوحة (S)، التباعد (d)، والسماحية (ε) (where C=εS/dC=εS/d). زيادة مساحة اللوح أو تقليل التباعد يعزز سعة تخزين الطاقة.
• جهد التشغيل: تتناسب الطاقة مع مربع الجهد، لكن تجاوز الجهد المقنن قد يتسبب في حدوث عطل.
• خصائص التردد: عند الترددات العالية، تنخفض السعة، مما قد يؤثر على كفاءة تخزين الطاقة.

كيفية زيادة طاقة المكثف

لزيادة تخزين طاقة المجال الكهربائي للمكثفات بشكل فعال، فإن المهمة الأولى هي اختيار المكثفات.نحن بحاجة إلى الانتباه إلى سعة المكثف والجهد الكهربائي للمكثف وتفضيل المكثفات ذات السعة الكبيرة والجهد العالي مع مقاومة جيدة للجهد وخصائص منخفضة الفقد لضمان استقرارها وموثوقيتها. ثانيًا، يمكن زيادة تخزين الطاقة مباشرة عن طريق رفع جهد التشغيل أو زيادة سعة المكثف. على سبيل المثال، من خلال توصيل مكثفين بنفس السعة في سلسلة، يمكن مضاعفة السعة الإجمالية وبالتالي زيادة طاقة المجال الكهربائي بشكل كبير. بالإضافة إلى ذلك، لا يؤدي التوصيل المتسلسل للمكثفات إلى تعزيز طاقة المجال الكهربائي فحسب، بل يحقق أيضًا وظائف متعددة مثل تصحيح معامل القدرة والتصفية، والتي تستخدم على نطاق واسع. باختصار، من خلال الاختيار الدقيق للمكثفات، والتحسين المعقول لتخزين الطاقة، والاستخدام الذكي لتكنولوجيا التوصيل المتسلسل، يمكن أن يعزز بشكل كبير قدرة تخزين طاقة المجال الكهربائي للمكثف&# 8217، من أجل تحسين أداء الدائرة واستقرارها لوضع أساس متين.

ما هو متوسط العمر المتوقع للمكثف؟

1. النطاق العام لعمر المكثف
   بشكل عام، يتم تصميم مكثفات الطاقة بشكل عام لعمر افتراضي يتراوح بين 8 إلى 12 عامًا. ومع ذلك، هذا لا يعني أنه يجب استبدال جميع المكثفات خلال هذا الإطار الزمني، حيث يمكن أن يتأثر العمر الافتراضي الفعلي للخدمة بمجموعة متنوعة من العوامل. على سبيل المثال، درجة الحرارة المحيطة، وجهد التشغيل، وظروف التحميل، وجودة المكثف نفسه، كلها عوامل تؤثر على عمره الافتراضي.
2. العوامل الرئيسية التي تؤثر على عمر المكثفات
   درجة الحرارة المحيطة: تؤدي درجة الحرارة المرتفعة إلى تسريع تبخر وتحلل الإلكتروليت داخل المكثف، وبالتالي تقلل من قدرته وقيمة جهده. وبالإضافة إلى ذلك، تؤدي درجات الحرارة المرتفعة أيضًا إلى تقادم المادة العازلة داخل المكثف، مما يقلل من عمره الافتراضي.
   ظروف التحميل:إذا تم تشغيل المكثف تحت حمولة زائدة لفترة طويلة من الزمن، فقد يؤدي ذلك إلى ارتفاع درجة الحرارة أو تعطله، وبالتالي تقصير عمره التشغيلي.
   جودة المكثفات: عادةً ما تحتوي المكثفات عالية الجودة على مواد عازلة أفضل، وعمليات تصنيع أكثر صرامة، وتغليف أكثر موثوقية، مما يؤدي إلى مقاومة أكبر للتقادم والمتانة.
3. كيفية إطالة عمر المكثفات
   لإطالة عمر المكثفات، يمكن اتخاذ التدابير التالية:
   الحفاظ على بيئة عمل مناسبة ونطاق درجة حرارة مناسب، وتجنب درجات الحرارة العالية والرطوبة والبيئات المسببة للتآكل.
   الاختيار المعقول للمكثفات وتصميمها لضمان أن يكون الجهد والحمل الذي تتحمله ضمن النطاق المناسب.
   الصيانة والفحص المنتظمين، والكشف عن الحالات غير الطبيعية للمكثفات ومعالجتها في الوقت المناسب، مثل تدهور القدرة والتلف المادي وما إلى ذلك.
   وباختصار، على الرغم من أن العمر التصميمي للمكثفات يتراوح بشكل عام بين 8 إلى 12 عامًا، إلا أن وقت الاستبدال الدقيق يحتاج إلى تقييم شامل وفقًا لظروف التشغيل الفعلية والعوامل البيئية. من خلال اتخاذ تدابير معقولة، يمكننا إطالة عمر خدمة المكثفات بشكل فعال وضمان التشغيل المستقر للمعدات والدوائر الإلكترونية.