كيف تصصم الدوائر

المكثفات:
تنقسم المكثفات لقسمين رئيسيين هما مكثفات التطبيقات الصناعية و مكثفات الدوائر الإلكترونية

مكثفات التطبيقات الصناعية
وهى المستخدمة مع الآلات والموتورات كبادئ إدارة أو مساعد بدء تشغيل للموتورات وتحسين معامل القدرة للمكونات كمصابيح الفلوريسنت أو للموقع ككل وتكون عادة بقيم 1 ميكروفاراد فأكبر.
تشترك هذه المكثفات بأنها تتعرض لجهود مترددة عالية 220 أو اعلى وتصل إلى اكثر من ألف فولت أحيانا كثيرة و أيضا يمر فيها تيار كبير بدء من 0.01 أمبير إلى بضع مئات فى حالات تحسين معامل القدرة ويراعى فى تصميمها تشتيت الحرارة التى قد تتولد نتيجة ظروف التشغيل.



لذلك تكون كلها عديمةالقطبية ، تتحمل جهود عالية ، صلبة ميكانيكيا ، ذات كفاءة عالية لتقليل الحرارة الناتجة، جيدة التهوية ومعدلات نقل الحرارة من الداخل للخارج عالية حتى لا تصل لدرجات حرارة تتلف معها أثناء التشغيل – الحجم أو الوزن - لا يهم

مثلا لتحسين معامل القدرة لمصباح الفلوريسنت العادى تستخدم مكثف 2 إلى 4 مايكرو
أما لتحسين معامل القدرة Power Factor لموقع ما كمصنع أوما شابه فلا يوجد مكثف يتحمل هذا القدر من التيار الذى قد يصل عدة مئات من الأمبير ، لذلك تستخدم بعض أنواع الموتورات التى عندما تعمل بدون حمل تظهر كحمل سعوى (مكثف) على الخط ، فباختيار طاقة الموتور المناسبة للأمبير المتوقع ثم تعديل الحمل (عادة يكون بمثابة فرملة على الموتور) يمكن ضبط قيمة السعة المطلوبة

قديما كانت تصنع المادة العازلة من ورق مشرب بالزيت وكانت تسمى مكثفات ورقية أما الآن فهناك عدة أنواع أفضل.
فى هذا الرابط معلومات أخرى عن المكثفات الصناعية
http://www.abb.com/product/us/9AAC710017.aspx

لا تستخدم المكثفات المخصصة للدوائر الإلكترونية فى التطبيقات الصناعية فغالبا ما تسخن و تتلف بسبب ارتفاع درجة الحرارة.

مكثفات الدوائر الإلكترونية

تتباين مكثفات الدوائر الإلكترونية فى خواصها وقيمها إذ تتراوح ما بين 3 بيكو فاراد أو أقل إلى عدة فاراد حسب الاستخدام وكذا الجهد من 3 فولت إلى عدة آلاف والحجم من أقل من ملليمتر واحد لحجم اكبرمن قبضة اليد و يحتاج حزام معدنى ومسامير للتثبيت

تعرف المكثفات بقيمتها ،الجهد بالفولت ، الدقة % ، أقصى تردد أو الرنين الحر، النوع أو خامة التصنيع ، درجةالحرارة ، الشكل

القيمة
تبنى قيم المكثفات على أساس 20% فتجد القيم التالية ومضاعفاتها
10 ، 12 ، 15 ،18 ، 22 ، 27 ، 33 ، ،39 ، 47 ، 56 ، 68 ، 82 ، 100

أما المكثفات المتغيرة فتكون
مكثفات الضبط الدقيق إما بقيمة ضبط من 4 إلى 40 بيكو فاراد أو من 10 إلى 70 بيكو فاراد
مكثفات التنغيم (اختيار القنوات) عادة أكثر من واحد على محور ميكانيكى واحد و إن لم يكن ذلك واضحا بالشكل لكن عدد الأطراف يكشف ذلك، الشكل يبين الطرف العلوى المستخدم فى اختيار المحطات بينما السطح السفلى يحتوى مكثف ضبط دقيق لكل واحد من هذه المكثفات لضبط قيمة البدء.


تكون هذه المكثفات بقيمة ضبط من 10 إلى 360 بيكو فاراد مهما اختلف الحجم والشكل و نطاق المحطات المستخدم فيه وهو يحتوى على مكثفين على الأقل أحدهما لدائرة الهوائى والآخر للمذبذب المحلى.
مكثفات التنغيم الإلكترونية وهى ثنائى من أشباه الموصلات يوصل عكسيا للعمل كمكثف متغير من 4 إلى 70 بيكو فاراد حسب الجهد العكسى الواقع عليه و سيأتى ذكره فيما بعد.

الجهد بالفولت
للجهد الذى تتحمله المكثفات قيم محددة وهى غالبا
3.3 فولت ، 6.3 ، 12 ، 16 ، 25 ، 35 ، 50 ، 100 ، 200 ، 400 ، 600 ، 800 ، 1000 ، 1200 ، 1500 ، 2000 ، 3000 ، 4000 ، 6000 فولت
ونظرا لاختلاف المعاييرالأوروبية واليابانية والأمريكية فقد تجد أحيانا قيم متوسطة ، يمكن عادة استخدام الجهد الأعلى مباشرة
الجهد السابق ذكره هو جهد مستمر فقط ما لم يذكر صراحة غيرذلك ويميز بعلامة =
المكثفات التى تستخدم مع التيار المتردد يذكر عليها صراحة قيمة الجهد المتردد .
تذكر قيمة أخرى للجهد المتردد (إما على جسم المكثف أو فى صفحة البيانات الخاصة بهذا النوع) وهى تعنى أعلى جهد متردد يمكن تواجده منفردا أو مجتمعا مع الجهد المستمر – والسبب طبعا أنه يسبب ارتفاع درجة الحرارة والتى بدورها تؤثر على جودة المكثف و ربما يتلف
إذا كان المكثف من النوع ذى القطبية – لا تعرضه لقطبية معكوسة تحت أى ظرف
لماذا والمكثف به عازل ولا يمرر تيار، المفترض أن المكثف لا يتأثر إن كان الجهد مستمر أم متردد؟
حقا لكن هناك سببين
أولهما أن العازل ليس مثاليا وهناك تيار تسريب يقل كلما كان العازل أفضل
والثانى أن الإلكترونات تدور حول النواة. الجهد الكهربى يسبب أن المسار يأخذ الشكل البيضاوى كما بالرسم التالى والذى يتجه نحو القطب الموجب.
تغير هذا الانحراف يسبب مرور تيار متردد كنتيجة لحركة هذه الإلكترونات حول النواة مسببا ارتفاع فى درجة حرارة العازل و ينتهى بتلفه


الدقة %
الدقة يعتمد معناها على نوع المكثف
كل المكثفات الغير كيماوية تكون الدقة هى + / - نفس القيمة مثلا + / - 10%
كل المكثفات الكيماوية تكون الدقة هى الحد الأدنى أما الحد الأعلى فقد يختلف كثيرا بين الأنواع فمثلا مكثف 20% يعنى أنه لن يقل عن 20% من القيمة المدونة ولكن قد يكون أعلى 20 % أو أكثر وذلك لأنها تتغير خواصها بالاستخدام كما سيلى ،لذا فالمكثفات الكيماوية لا تصلح للتوقيت (Timer) و المرشحات الدقيقة و دوائر الرنين لكنها تناسب مثلا المرشحات التى تزيل كل المركبة المترددة من وحدة التغذية مثلا (By Pass) حيث كلما زادت القيمة كان ذلك أفضل

أقصى تردد أو الرنين الحر
المكثفات تصنع من شريطين من المعدن (الألمونيوم غالبا) وبينهما شريط عازل ثم تلف مجموعة الشرائط حول نفسها مما يجعلها تشبه الملف ، من هنا يتكون ما يشبه دائرة رنين ذاتية تجعل له رنين حر ، بعد هذا التردد يصبح المكثف فعليا ملف ذو حث معلوم ، لذا لا يمكن استخدام هذا المكثف قرب هذا التردد و يجب اللجوء لنوع غيره
شكل وأبعاد المكثف هى العوامل الرئيسية فى تحديد هذا التردد لذا المكثفات التى تصنع من شرائح مسطحة تناسب الترددات الأعلى مثل مكثفات الميكا.

النوع أو خامة التصنيع
قليلا ما يؤثر المعدن فى خواص المكثف ولكن المادة العازلة لها التأثير الأكبر ، تنقسم إلى نوعين رئيسيين المكثفات الكيماوية والمكثفات غير الكيماوية

المكثفات الكيماوية
النوع الالكتروليتى :تحتوى محلول كيماوى يرسب أكسيد الألمونيوم كمادة عازلة وهو يتكون نتيجة الجهد الواقع عليه ،ولذلك عند عدم استخدامه لفترة قد تتآكل هذه الطبقة وتسبب تغيرا فى قيمته ولكنها تعود عند الاستخدام
هذا النوع يستخدم كمرشح لإمكانية الحصول على قيم كبيرة تصل لقرابة فاراد ولكن لا يصلح للزمن أو التوقيت أو ضبط التردد لعدم ثبات قيمته وكونه وحيد القطبية أى أن عكس الجهد عليه يجعله موصل للتيار و يحدث قصر وسخونة ثم انفجار ، ومعظم دوائر التوقيت تعرض المكثفات لعكس القطبية.
لا تصلح للترددات أعلى من عدة كيلو ذ/ث لكونه شريط طويل ملفوف من الألمونيوم
هناك خاصية أخرى يجب الحذر منها لهذا النوع من المكثفات هى خاصية البطارية - لاحظ مما سبق أن العازل مادة كيمائية تتكون بوضع الجهد عليه ، فمن الطبيعى أن عند رفع الجهد – تبدأ هذه المادة فى التحلل مولدة جهدا كهربيا قليلا قد يصل لفولت أو أكثر ، هذا الجهد – رغم أنه لا يكفى لتوليد تيار محسوس – إلا أنه قادر على التأثير على دوائر التوقيت و المقارنة وخلافه وللأسف لا يمكن التنبؤ بها فهى تظهر فى واحد أكثر من غيره .


لذا يستخدم فى وحدات التغذية لترشيح مركبات التيار العمومى 50-60 ذ/ث و يعتمد على أنواع أخرى لترشيح مكونات الترددات الأعلى التى تتواجد على خطوط التغذية والتى تتولد من أداء الدوائر المختلفة.

نوع تانتالوم : يحتوى أكسيد التانتالوم بدلا من الألمونيوم وهو لا يحتوى محلول لذلك يسمى Solid Tantalum وهوانسب للترددات الأعلى التى تصل إلى 1 مليون ذ/ث.
لاحظ هنا أن ما يناسب التردد العالى لا يناسب التردد المنخفض والعكس بالعكس ، لهذا عند تصميم دوائر ذات تردد عالى لا بد من جمع هذه المكثفات معا مثلا 0.1 سيراميك مع آخر 100 ميكرو فلا تظن أن الأكبر قيمة يغنى عن الأصغر قيمة فكل منها يعمل عند تردد حيث يفشل الآخر.
القواعد التى اتفق عليها أن كل كارت يجب أن يحتوى على الأقل 100ميكرو عند دخول خطوط التغذية إليه لترشيح مركبات التيار العمومى – بصرف النظر عن الكارت الأم و ما يحتوى من مكثفات – ثم بعد ذلك أضف المكثفات الصغيرة حيث توجد دوائر تذبذب أو مكبرات تيار أو وحدات رقمية.

المكثفات غير الكيماوية موضوع الحلقة القادمة إن شاءالله