الاختلافات بين المكثفات الإلكتروليتية والمكثفات السينمائية

المكثفات هي مكونات حاسمة في مختلف الدوائر الإلكترونية والكهربائية، وتلعب دورا أساسيا في تخزين الطاقة، وتثبيت الجهد، والتصفية. من بين الأنواع المختلفة للمكثفات، المكثفات كهربائيا و المكثفات الفيلم تستخدم على نطاق واسع، ولكنها تختلف بشكل كبير من حيث البناء والأداء والتطبيقات. في هذه المدونة، لن نستكشف الاختلافات الرئيسية فحسب، بل سنتعمق أيضًا في بعض الحسابات الفنية لفهم سلوكها في الدوائر بشكل أفضل.

1. المواد الإنشائية والعازلة

• المكثفات الالكتروليتية:
  يتم إنشاء المكثفات الإلكتروليتية باستخدام لوحين موصلين (عادةً الألومنيوم أو التنتالوم)، مع طبقة أكسيد تعمل بمثابة العازل. اللوحة الثانية عادة ما تكون سائلة أو صلبة بالكهرباء. توفر طبقة الأكسيد سعة عالية لكل وحدة حجم نظرًا لبنيتها الرقيقة للغاية. هذه المكثفات مستقطبة، مما يتطلب قطبية صحيحة في الدائرة.

• مكثفات الفيلم:
  تستخدم المكثفات السينمائية أغشية بلاستيكية رقيقة (مثل البولي بروبيلين أو البوليستر أو البولي كربونات) كمواد عازلة. يتم لف هذه الأغشية أو تكديسها بين طبقتين معدنيتين تعملان بمثابة الصفائح. المكثفات الفيلمية غير قطبية، مما يجعلها قابلة للاستخدام في كل من دوائر التيار المتردد والتيار المستمر.

2. حساب السعة

السعة ( $ج$ ) لمكثف اللوحة المتوازية، والذي ينطبق على كل من المكثفات الإلكتروليتية والمكثفات السينمائية، يتم إعطاؤه بالصيغة:

$$ج = \وصac{\vaصepsilon_0 \vaصepsilon_ص أ}{د}$$

أين:

• $ج$ = السعة (الفاراد، ف)

• $\vaصepsilon_0$ = السماحية للمساحة الحرة ( $8.854 \tiمes 10^{-12}$ واو / م)

• $\varepsilon_r$ = السماحية النسبية للمادة العازلة

• $أ$ = مساحة الصفائح (م²)

• $د$ = المسافة بين الصفيحتين (م)

حساب المثال : لمكثف كهربائيا باستخدام عازل أكسيد ( $\varepsilon_r = 8.5$ )، بمساحة لوحة قدرها $10^{-4} \, \text{م}^2$ والانفصال عن $10^{-6} \, \text{م}$ :

$$ج = \وrac{8.854 \times 10^{-12} \times 8.5 \times 10^{-4}}{10^{-6}} = 7.53 \times 10^{-9} \, \text{ف} = 7.53 \, \text{ن.ف}$$

لمكثف الفيلم باستخدام مادة البولي بروبيلين ( $\varepsilon_r = 2.2$ )، نفس مساحة اللوحة، وسمك العزل الكهربائي $10^{-6} \, \text{m}$ :

$$ج = \وrac{8.854 \times 10^{-12} \times 2.2 \times 10^{-4}}{10^{-6}} = 1.95 \times 10^{-9} \, \text{F} = 1.95 \, \text{nF}$$

كما يظهر الحساب، توفر المكثفات الإلكتروليتية سعة أعلى بكثير لنفس مساحة اللوحة وسمك العزل الكهربائي بسبب السماحية النسبية الأعلى لمادة الأكسيد.

3. مقاومة السلسلة المكافئة (هسر)

• المكثفات الالكتروليتية :

  تميل المكثفات الإلكتروليتية إلى أن تكون أعلى مقاومة السلسلة المكافئة (إسر) بالمقارنة مع المكثفات الفيلم. يمكن حساب هسر على النحو التالي:

$$هسر = \وrac{1}{2 \pi و ج س}$$

أين :

• $f$ = تردد التشغيل (هرتز)

• $C$ = السعة (F)

• $س$ = عامل الجودة

غالبًا ما تحتوي المكثفات الإلكتروليتية على قيم ESR في حدود 0.1 إلى عدة أوم بسبب مقاومتها الداخلية وفقدان الإلكتروليت. هذا ESR العالي يجعلها أقل كفاءة في التطبيقات عالية التردد، مما يؤدي إلى زيادة تبديد الحرارة.

• المكثفات السينمائية :

  تحتوي المكثفات الفيلمية عادةً على نسبة ESR منخفضة جدًا، غالبًا في نطاق الملي أوم، مما يجعلها عالية الكفاءة للتطبيقات عالية التردد، مثل تصفية وتبديل مصادر الطاقة. يؤدي انخفاض ESR إلى الحد الأدنى من فقدان الطاقة وتوليد الحرارة.

مثال ESR :
لمكثف كهربائيا مع $C = 100 \, \mu F$ ، تعمل على تردد $f = 50 \, \text{هرتز}$ وعامل الجودة $س = 20$ :

$$ESR = \frac{1}{2 \pi \times 50 \times 100 \times 10^{-6} \times 20} = 0.159 \, \Omega$$

لمكثف فيلم بنفس السعة وتردد التشغيل ولكن بعامل جودة أعلى $س = 200$ :

$$ESR = \frac{1}{2 \pi \times 50 \times 100 \times 10^{-6} \times 200} = 0.0159 \, \Omega$$

وهذا يدل على أن مكثفات الأفلام لديها ESR أقل بكثير، مما يجعلها أكثر ملاءمة للتطبيقات عالية الأداء وعالية التردد.

4. تموج التيار والاستقرار الحراري

• المكثفات الالكتروليتية :
  من المعروف أن المكثفات الإلكتروليتية تتمتع بقدرات محدودة على التعامل مع التيار المموج. يولد تيار التموج حرارة بسبب ESR، والتموج الزائد يمكن أن يتسبب في تبخر الإلكتروليت، مما يؤدي إلى فشل المكثف. يعد تصنيف التيار المموج معلمة مهمة، خاصة في مصادر الطاقة ودوائر تشغيل المحركات.

  يمكن تقدير تموج التيار باستخدام الصيغة:

$$ص_{\text{خسارة}} = أنا_{\text{تموج}}^2 \times ESR$$

أين:

• $ص_{\text{خسارة}}$ = فقدان الطاقة (واط)

• $I_{\text{ripple}}$ = تموج التيار (الأمبير)

إذا كان تيار التموج في مكثف إلكتروليتي سعة 100 ميكروفاراد مع ESR قدره 0.1 أوم هو 1 A:

$$P_{\text{loss}} = 1^2 \times 0.1 = 0.1 \, \text{W}$$

• مكثفات الفيلم:

  يمكن لمكثفات الأفلام، ذات ESR المنخفض، التعامل مع تيارات تموج أعلى مع الحد الأدنى من توليد الحرارة. وهذا يجعلها مثالية لتطبيقات التيار المتردد، مثل دوائر الصنبور ومكثفات تشغيل المحرك، حيث تحدث تقلبات تيار كبيرة.

5. تصنيف الجهد والانهيار

• المكثفات الالكتروليتية:
  تتميز المكثفات الإلكتروليتية عمومًا بتصنيفات جهد أقل، تتراوح عادة من 6.3 فولت إلى 450 فولت. يمكن أن يؤدي الجهد الزائد إلى انهيار العزل الكهربائي والفشل في نهاية المطاف. إن بنائها يجعلها أكثر عرضة للدوائر القصيرة في حالة تلف طبقة الأكسيد.

• مكثفات الفيلم:
  يمكن للمكثفات الفيلمية، خاصة تلك التي تحتوي على مادة عازلة من مادة البولي بروبيلين، التعامل مع جهود أعلى بكثير، غالبًا ما تتجاوز 1000 فولت. وهذا يجعلها مناسبة لتطبيقات الجهد العالي، مثل دوائر وصلة التيار المستمر، حيث يعد استقرار الجهد أمرًا بالغ الأهمية.

6. العمر المتوقع والموثوقية

• المكثفات الالكتروليتية:
  يتأثر العمر المتوقع للمكثف الإلكتروليتي بدرجة الحرارة وتيار التموج وجهد التشغيل. والقاعدة العامة هي أنه مقابل كل زيادة بمقدار 10 درجات مئوية في درجة الحرارة، ينخفض ​​متوسط ​​العمر المتوقع إلى النصف. كما أنهم يخضعون ل شيخوخة المكثف ، حيث يجف المنحل بالكهرباء مع مرور الوقت.

• مكثفات الفيلم:
  تتميز المكثفات الفيلمية بالموثوقية العالية مع عمر تشغيلي طويل، غالبًا ما يتجاوز 100000 ساعة في الظروف المقدرة. فهي مقاومة للشيخوخة والعوامل البيئية، مما يجعلها مثالية للتطبيقات طويلة المدى وعالية الموثوقية.

7. التطبيقات

• المكثفات الالكتروليتية:

  • تصفية إمدادات الطاقة

  • الدوائر الصوتية (تجانس الإشارة)

  • دوائر تشغيل المحرك

  • تخزين الطاقة في دوائر الجهد المنخفض

• مكثفات الفيلم:

  • دوائر التيار المتردد/التيار المستمر ذات الجهد العالي

  • دوائر Snubber للحماية من زيادة التيار

  • المكثفات تشغيل المحرك

  • قمع EMI/RFI

لذا، أي مكثف للاختيار؟

يعتمد الاختيار بين المكثفات الإلكتروليتية والمكثفات السينمائية على الاحتياجات المحددة للتطبيق. توفر المكثفات الإلكتروليتية سعة عالية في حجم صغير وفعالة من حيث التكلفة للتطبيقات ذات الجهد المنخفض. ومع ذلك، فإن ارتفاع معدل سرعة الترسيب (ESR)، ومتوسط ​​العمر المتوقع الأقصر، والحساسية لدرجة الحرارة تجعلها أقل مثالية للتطبيقات عالية التردد والموثوقية العالية.

تُفضل المكثفات الفيلمية، بموثوقيتها الفائقة، وانخفاض ESR، والتعامل مع الجهد العالي، في التطبيقات التي تتطلب أداءً عاليًا ومتانة، مثل دوائر محرك التيار المتردد، ومحولات الطاقة، وأجهزة التحكم الصناعية.

من خلال فهم الاختلافات الرئيسية وإجراء الحسابات الفنية اللازمة، يمكنك اتخاذ قرارات أكثر استنارة لتصميم دائرتك.