المكثفات Capacitors - الجزء الثالث

تطبيقات

تستخدم المكثفات فى العديد من التطبيقات التى سيتم شرح بعضها فى مقالات منفصلة لاحقا، والآن سنتكلم عن بعض التطبيقات البسيطة والهامة فى إستخدام المكثف.

1 - الربط بين بعض مراحل الدائرة coupling

فى بعض الأحيان يتم الربط بين خرج أحد الأجزاء فى الدائرة ودخل جزء أخر بواسطة مكثف, كما يحدث فى حالة الربط بين مراحل تكبير الإشارة, حيث يستخدم المكثف لإمرار إشارة التيار المتغير AC  المراد تكبيرها ومنع مرور إشارة التيار المستمر DC , والشكل المقابل يوضح هذه الطريقة.

فيدوهات تعليمية بالعربية فى الالكترونيات وبرمجة الانظمة المدمجة

أقوى اسطوانة لتعليم برمجة الميكروكنترولر باللغة العربية

ولكى يتم نقل الإشارة دون حدوث تشوه فى شكلها يجب أن يتم حساب الثابت الزمنى RC بدقة, ولكى يتم نقل الإشارة  كاملة يجب أن يكون الثابت الزمنى أكبر بكثير (عشر مرات على الأقل) من الفترة الزمنية لأقل تردد ناتج من مرحلة الخرج, وعادة ما تكون R هى مقاومة مرحلة الدخل, ولذلك فغالبا نحسب قيمة المكثف.

مثال

إذا كانت الترددات الناتجة من مرحلة الخرج تقع فى المدى من 1KHz الى 10KHz , ومقاومة مرحلة الدخل هى 100KΩ , إحسب قيمة مكثف الربط.

نوجد الفترة الزمنية لأقل تردد وهو 1KHz

إذا يمكننا إستخدام مكثف قيمته 100nF

والشكل التالى يوضح شكل إشارة الداخلة الى المكثف والإشارة الخارجة منه عند استخدام قيم مختلفة للسعة

2 – مزيل الثغرة Spike Remover

تستهلك الدوائر الرقمية digital circuit تيارا كبيرا لحظيا (فى زمن قصير جدا) وذلك عند تحولها من حالة ON الى حالة OFF أو العكس, مما يتسبب عنه نقص فجائى فى مصدر التيار وبالرغم من أن هذا النقص يستمر لفترة قصيرة للغاية إلا أنه ضار حيث يؤدى الى خفض القدرة المزودة الى دوائر مجاورة, وربما يؤدى الى نتائج غير متوقعة, ولتجنب هده المشكلة يتم وضع مكثف صغير (0.1 µF)  بين طرفى مصدر الجهد. 

ويوضح الشكل التالى جهد البطارية قبل إستخدام المكثف, ونلاحظ فيه هبوط الجهد الذى يشبه شكل المثلث.

بينما يوضح الشكل التالى جهد البطارية بعد إستخدام المكثف, حيث يعمل كبطارية تقوم بتعويض النقص فى الجهد.

3 - مكامل الإشارة Integrator

تستخدم دائرة المكامل الموضحة فى الشكل السابق لإعادة تشكيل الموجات (تغير شكل الإشارة),حيث تقوم بتكامل إشارة الدخل وظهور الإشارة الناتجة عند الخرج, ويجب ألا يقل الثابت الزمنى RC للدائرة عن عشر مرات الزمن الدورى لتردد إشارة (t=1/f) الدخل المراد تكاملها, أى أن

حيث f هى تردد إشارة الدخل, ونفترض قيمة للمكثف أو المقاومة ثم نستنتج الآخر, والشكل التالى يوضح شكل إشارة الدخل, وشكل إشارة الخرج بعد تكاملها.

4 - مفاضل الإشارة Differentiator  

تستخدم الدائرة الموضحة فى الشكل التالى لتفاضل إشارة الدخل.

وهنا يجب أن يكون الثابت الزمنى أقل بكثير من الزمن الدورى لتردد إشارة الدخل (عكس المكامل) حوالى عشر مرات, أى أن

 حيث f هى تردد إشارة الدخل, ونفترض قيمة للمكثف أو المقاومة ثم نستنتج الآخر, والشكل التالى يوضح شكل إشارة الدخل, وشكل إشارة الخرج بعد تفاضلها.

مفاهيم

جهد التشغيل working voltage

يتحمل كل مكثف قيمة محددة من الجهد الكهربى يسمى جهد التشغيل, وإذا ذاد الجهد الواقع على المكثف عن جهد التشغيل المحدد فإن ذلك يؤدى بالطبع الى تلف المكثف, ولذلك  عند إختيار المكثف يجب أن نختار مكثف ذو جهد تشغيل أعلى من قيمة الجهد الذى سيتعرض له بحوالى 50% زيادة وذلك كهامش آمان, وهذا الجهد عادة هو جهد مستمر DC , وعند إستخدام جهد متردد AC واقع على المكثف على شكل موجة جيبية sin wave تردده أقل من 100 K Hz فإن الأمر لن يختلف مع الأخذ فى الإعتبار أنه عند حساب هامش الأمان نحسبه بالنسبة لأقصى جهد تصل اليه الموجة Vm وليس الجهد الفعال Veff .

مثال

إحسب جهد التشغيل Vw الآمن لمكثف  يتعرض لموجة جيبية جهدها 220 فولت.

ويتضح من المثال السابق أن قيمة جهد التشغيل للمكثف ينبغى أن تكون فى حدود 462 فولت.

ويمكن حسابها بطريقة أخرى كالآتى

وذلك لأن 1.4 * 1.5 = 2.1 

 أما إذا كان تردد الموجة الجيبية أكبر من 100KHz, أو كانت الموجة غير جيبية (مثل النبضات pulses ), فإنه يجب تقليل الجهد الواقع على المكثف (أثناء مرحلة التصميم), من أجل عدم زيادة سخونة المكثف زيادة مفرطة, والقيم التالية هى قيم الجهود شائعة الإستخدام مع الدوائر الإلكترونية.

كما أنه توجد قيم أعلى من ذلك.

تيار التسريب leakage current

يجب أن يقوم العازل الموجود بين لوحى المكثف بمنع مرور التيار تماما, إلا أن ذلك لايحدث لأنه لايوجد عازل مثالى, مما يؤدى الى تسريب تيار صغير جدا, يمكن إهماله فى كثير من التطبيقات العملية, ويمكن تمثيل هذا التأثير بمقاومة متصلة بالتوازى مع المكثف, كما بالشكل المقابل , وتكون قيمة هذه المقاومة كبيرة جدا (أكبر من 100 ميجا أوم)

المكثفات المستقطبة 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 الدائر ة, 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،

ويسمى بالمكثف الإلكتروليتى, ويرمز له فى الدائرة بالرمز التالى 

ونلاحظ  أن القطب السالب يرسم به إنحناء للدلالة عليه.والشكل التالى  لمكثف مستقطب, ويوضع علامة (+) بجوار القطب الموجب لتميزه.

معامل الحرارة Temperature Coefficient

تتأثر سعة المكثف بتغير درجة الحرارة, والمعامل الحرارى يدل على مدى تغير السعة مع تغير درجة الحرارة, فالمعامل الحرارى الموجب PTC يدل على زيادة سعة المكثف مع زيادة درجة الحرارة, والمعامل الحرارى السالب NTC يدل على نقص سعة المكثف مع زيادة درجة الحرارة, ووحدة قياس المعامل الحرارى هى جزء بالمليون لكل درجة حرارة مئوية (parts/million)/c وتختصر الى ppm/c.

مثال

مكثف سعته 1µF وله معامل حرارى قيمته -200 ppm/c إحسب سعة المكثف إذا إرتفعت درجة الحرارة 10 درجات مئوية.

بما أن قيمة المعامل الحرارى سالبة فإن قيمة السعة ستقل مع إرتفاع درجة الحرارة.

نحسب أولا الإنخفاض فى السعة لكل درجة حرارة واحدة.

ثم بعد ذلك نحسب الإنخفاض الكلى

ثم نحسب القيمة النهائية لسعة المكثف

المكثفات - الجزء الرابع

"نحن لانمنع ان تنقل عنا، ولكن من فضلك يجب ان تذكرنا (اسم الكاتب ورابط الصفحة)"