1. المكثفات الكهربية
المكثفات الإلكتروليتية هي مكثفات تتكون من طبقة أكسدة على القطب الكهربائي، نتيجةً لتأثير الإلكتروليت كطبقة عازلة، وعادةً ما تكون سعتها كبيرة. الإلكتروليت مادة سائلة هلامية غنية بالأيونات، ومعظم المكثفات الإلكتروليتية قطبية، أي أنه عند التشغيل، يجب أن يكون جهد القطب الموجب للمكثف أعلى دائمًا من جهده السالب.
يتم أيضًا التضحية بالقدرة العالية للمكثفات الكهروليتية من أجل العديد من الخصائص الأخرى، مثل وجود تيار تسرب كبير، ومحاثة ومقاومة متسلسلة مكافئة كبيرة، وخطأ تحمل كبير، وعمر قصير.
بالإضافة إلى المكثفات الإلكتروليتية القطبية، توجد أيضًا مكثفات إلكتروليتية غير قطبية. في الشكل أدناه، يوجد نوعان من المكثفات الإلكتروليتية، سعة كل منهما 1000 ميكروفاراد وجهدها 16 فولت. الأكبر منها غير قطبي، والأصغر قطبي.
(المكثفات الكهروليتية القطبية وغير القطبية)
قد يكون الجزء الداخلي من المكثف الإلكتروليتي سائلاً أو بوليمراً صلباً، وتكون مادة القطب الكهربائي عادةً من الألومنيوم (الألومنيوم) أو التنتالوم (التاندالوم). يتكون المكثف الإلكتروليتي من الألومنيوم القطبي الشائع داخل هيكله، حيث توجد بين طبقتي القطبين طبقة من الورق الليفي المشبع بالإلكتروليت، بالإضافة إلى طبقة من الورق العازل ملفوفة داخل غلاف من الألومنيوم.
(الهيكل الداخلي للمكثف الكهربائي)
عند تشريح المكثف الإلكتروليتي، يتضح تركيبه الأساسي بوضوح. ولمنع تبخر وتسرب الإلكتروليت، يُثبّت طرف المكثف بمطاط مانع للتسرب.
بالطبع، يوضح الشكل أيضًا الفرق في الحجم الداخلي بين المكثفات الإلكتروليتية القطبية وغير القطبية. عند نفس السعة ومستوى الجهد، يكون حجم المكثف الإلكتروليتي غير القطبي ضعف حجم المكثف القطبي تقريبًا.
(البنية الداخلية للمكثفات الكهروليتية القطبية وغير القطبية)
ينشأ هذا الاختلاف أساسًا من الاختلاف الكبير في مساحة القطبين داخل المكثفين. يقع قطب المكثف غير القطبي على اليسار، والقطب القطبي على اليمين. بالإضافة إلى اختلاف المساحة، يختلف سُمك القطبين أيضًا، ويكون سُمك قطب المكثف القطبي أرق.
(صفائح الألمنيوم للمكثف الكهربائي بعرض مختلف)
2. انفجار المكثف
عندما يتجاوز الجهد المطبق بواسطة المكثف جهد تحمله، أو عندما يتم عكس قطبية جهد المكثف الكهربائي القطبي، سيرتفع تيار تسرب المكثف بشكل حاد، مما يؤدي إلى زيادة الحرارة الداخلية للمكثف، وسينتج الإلكتروليت كمية كبيرة من الغاز.
من أجل منع انفجار المكثف، هناك ثلاثة أخاديد مضغوطة على الجزء العلوي من غلاف المكثف، بحيث يكون الجزء العلوي من المكثف سهل الكسر تحت الضغط العالي وإطلاق الضغط الداخلي.
(خزان التفجير في الجزء العلوي من المكثف الكهربائي)
ومع ذلك، فإن بعض المكثفات في عملية الإنتاج، لا يتم تأهيل الضغط على الأخدود العلوي، والضغط داخل المكثف سيجعل المطاط الختم في الجزء السفلي من المكثف يتم إخراجه، في هذا الوقت يتم إطلاق الضغط داخل المكثف فجأة، وسوف يشكل انفجار.
1- انفجار المكثف الكهربائي غير القطبي
يوضح الشكل أدناه مكثفًا إلكتروليتيًا غير قطبي، سعته 1000 ميكروفاراد وجهده 16 فولت. بعد أن يتجاوز الجهد المطبق 18 فولت، يزداد تيار التسرب فجأةً، وترتفع درجة الحرارة والضغط داخل المكثف. في النهاية، ينفتح الختم المطاطي الموجود أسفل المكثف، وتتحطم الأقطاب الكهربائية الداخلية بسرعة البرق.
(تفجير الجهد الزائد للمكثف الكهربائي غير القطبي)
بربط ترموكبل بمكثف، يُمكن قياس عملية تغير درجة حرارة المكثف مع زيادة الجهد المطبق. يوضح الشكل التالي المكثف غير القطبي أثناء عملية زيادة الجهد، وعندما يتجاوز الجهد المطبق قيمة جهد التحمل، تستمر درجة الحرارة الداخلية في الارتفاع.
(العلاقة بين الجهد ودرجة الحرارة)
يوضح الشكل أدناه التغير في التيار المار عبر المكثف خلال العملية نفسها. يتضح أن زيادة التيار هي السبب الرئيسي لارتفاع درجة الحرارة الداخلية. في هذه العملية، يزداد الجهد خطيًا، ومع ارتفاع التيار بشكل حاد، ينخفض جهد مجموعة التغذية. وأخيرًا، عندما يتجاوز التيار 6 أمبير، ينفجر المكثف محدثًا صوت انفجار قوي.
(العلاقة بين الجهد والتيار)
بسبب الحجم الداخلي الكبير للمكثف الإلكتروليتي غير القطبي وكمية الإلكتروليت، فإن الضغط الناتج بعد الفائض يكون ضخمًا، مما يؤدي إلى عدم كسر خزان تخفيف الضغط في الجزء العلوي من الغلاف، ويتم نفخ المطاط الختم في الجزء السفلي من المكثف.
2- انفجار المكثف الكهربائي القطبي
في المكثفات الكهروليتية القطبية، يُطبَّق جهد. عندما يتجاوز الجهد جهد تحمل المكثف، يرتفع تيار التسرب بشكل حاد، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة المكثف وانفجاره.
يوضح الشكل أدناه المكثف الكهربائي الحدّي، بسعة 1000 ميكروفاراد وجهد 16 فولت. بعد زيادة الجهد، يتم تحرير الضغط الداخلي عبر خزان تخفيف الضغط العلوي، مما يمنع انفجار المكثف.
يوضح الشكل التالي كيفية تغير درجة حرارة المكثف مع زيادة الجهد المطبق. مع اقتراب الجهد تدريجيًا من جهد تحمل المكثف، يزداد التيار المتبقي فيه، وتستمر درجة حرارته الداخلية في الارتفاع.
(العلاقة بين الجهد ودرجة الحرارة)
الشكل التالي هو تغيير تيار التسرب للمكثف، المكثف الكهربائي الاسمي 16 فولت، في عملية الاختبار، عندما يتجاوز الجهد 15 فولت، يبدأ تسرب المكثف في الارتفاع بشكل حاد.
(العلاقة بين الجهد والتيار)
من خلال التجربة العملية للمكثفين الإلكتروليتيين الأولين، يتضح أن حد الجهد لهذه المكثفات الإلكتروليتية العادية 1000 ميكروفاراد. لتجنب انهيار المكثف بسبب الجهد العالي، يجب ترك هامش كافٍ عند استخدامه وفقًا لتقلبات الجهد الفعلية.
3،المكثفات الكهربية المتصلة على التوالي
عندما يكون ذلك مناسبًا، يمكن الحصول على سعة أكبر وجهد تحمل سعة أكبر عن طريق التوصيل المتوازي والمتسلسل على التوالي.
(فشار المكثف الكهربائي بعد انفجار الضغط الزائد)
في بعض التطبيقات، يكون الجهد المطبق على المكثف هو جهد التيار المتردد، مثل مكثفات اقتران مكبرات الصوت، وتعويض طور التيار المتناوب، ومكثفات تحويل طور المحرك، وما إلى ذلك، والتي تتطلب استخدام مكثفات كهربائية غير قطبية.
في دليل المستخدم الذي قدمته بعض الشركات المصنعة للمكثفات، يُعطى أيضًا استخدام المكثفات القطبية التقليدية عن طريق سلسلة متتالية، أي مكثفين متصلين على التوالي، ولكن القطبية معاكسة للحصول على تأثير المكثفات غير القطبية.
(السعة الكهربية بعد انفجار الجهد الزائد)
فيما يلي مقارنة بين المكثف القطبي في تطبيق الجهد الأمامي والجهد العكسي، ومكثفين كهربائيين متسلسلين إلى ثلاث حالات من السعة غير القطبية، ويتغير تيار التسرب مع زيادة الجهد المطبق.
1. الجهد الأمامي وتيار التسرب
يُقاس التيار المار عبر المكثف بتوصيل مقاوم على التوالي. ضمن نطاق تحمل الجهد للمكثف الإلكتروليتي (1000 ميكروفاراد، 16 فولت)، يُزاد الجهد المطبق تدريجيًا من 0 فولت لقياس العلاقة بين تيار التسرب والجهد المقابل.
(سعة السلسلة الموجبة)
الشكل التالي يوضح العلاقة بين تيار التسرب والجهد للمكثف الكهربائي القطبي المصنوع من الألومنيوم، وهي علاقة غير خطية مع تيار التسرب أقل من 0.5 مللي أمبير.
(العلاقة بين الجهد والتيار بعد السلسلة الأمامية)
2، الجهد العكسي وتيار التسرب
باستخدام نفس التيار لقياس العلاقة بين جهد الاتجاه المطبق وتيار تسرب المكثف الإلكتروليتي، يتضح من الشكل أدناه أنه عندما يتجاوز الجهد العكسي المطبق 4 فولت، يبدأ تيار التسرب بالازدياد بسرعة. من ميل المنحنى التالي، تُعادل السعة الإلكتروليتية العكسية مقاومة قدرها 1 أوم.
(الجهد العكسي العلاقة بين الجهد والتيار)
3. المكثفات المتسلسلة المتتالية
يتم توصيل مكثفين كهربائيين متطابقين (1000uF، 16V) ظهرًا لظهر على التوالي لتشكيل مكثف كهربائي مكافئ غير قطبي، ثم يتم قياس منحنى العلاقة بين جهدهما وتيار التسرب.
(سعة سلسلة القطبية الموجبة والسالبة)
يوضح الرسم التخطيطي التالي العلاقة بين جهد المكثف وتيار التسرب، ويمكنك أن ترى أن تيار التسرب يزداد بعد أن يتجاوز الجهد المطبق 4 فولت، وتكون سعة التيار أقل من 1.5 مللي أمبير.
وهذا القياس مفاجئ بعض الشيء، لأنك ترى أن تيار التسرب لهذين المكثفين المتصلين على التوالي يكون في الواقع أكبر من تيار التسرب لمكثف واحد عندما يتم تطبيق الجهد إلى الأمام.
(العلاقة بين الجهد والتيار بعد سلسلة موجبة وسالبة)
مع ذلك، ولأسباب تتعلق بالوقت، لم يُجرَ اختبارٌ مُكرَّر لهذه الظاهرة. ربما كان أحد المكثفات المُستخدَمة هو مكثف اختبار الجهد العكسي آنذاك، وكان هناك تلفٌ بداخله، مما أدى إلى ظهور منحنى الاختبار المذكور.
وقت النشر: ٢٥ يوليو ٢٠٢٣
