قرأت في التدوينة السابقة أن المقاومة الكهربائية بوصفها أحد عناصر الدارات الكهربائية ، والأن ستتعرف على عنصر اخر من عناصر الدارة الكهربائية .
المواسع :
وهو المواسع الكهربائي (Capacitor) فالمواسع هو عنصر كهربائي يقوم باختزان الطاقة الكهربائية في أثناء عملية الشحن على شكل مجال كهربائي وأطلاقها في أثناء عملية التفريغ ، وفي هذه التدوينة سنشرح المواسعات وأنواعها وخصائصها المختلفة .
المواسع :
وهو المواسع الكهربائي (Capacitor) فالمواسع هو عنصر كهربائي يقوم باختزان الطاقة الكهربائية في أثناء عملية الشحن على شكل مجال كهربائي وأطلاقها في أثناء عملية التفريغ ، وفي هذه التدوينة سنشرح المواسعات وأنواعها وخصائصها المختلفة .
1- تركيب المواسع :
يتكون المواسع في أبسط اشكاله من لوحين معدنيين متوازين ، يفصل بينهما مادة عازلة ، مثل : الهواء أو الورف المشبع بالزيت أو مواد من البلاستيك أو الميكا أو مواد من السيراميك .ويوصل بكل لوح من لوحي المواسع طرف توصيل .
طريقة تركيب المواسع في ابسط أشكاله :
طريقة تركيب المواسع في ابسط أشكاله :
2- طريقة عمل المواسع :
سنناقش في هذه الفقرة ميكانيكية شحن وتفريغ المواسع ، يالاستعانة بالرسوم التوضيحية ، ففي الشكل (أ) تلاحظ أن الجهد غير مطبق على المواسع ، لذا يوجد عدد متماثل من الالكترونات الحرة على كل لوح ، وبالتالي لا يوجد فرق بين لوحين المواسع .
فعند اغلاق المفتاح S المبين في الشكل (ب) تقوم البطارية بحسب الاكترونات الحرة الموجودة على اللوح العلوي للمواسع باتجاه قطبها الموجب ، كما تقوم بدفع كمية متساوية من الالكترونات من قطبها السالب نحو اللوح السفلي للمواسع ، ونتيجة ذالك يمر تيار في الدارة تتحدد قيمته بواسطة المقاومة الخارجية R .
ان فقد اللوح العلوي الالكترونات الحرة يعطيه شحنة موجبة ، كما أن زيادة الالكترنونات الحرة على اللوح السفلي بعطيه شحنه سالبة ، ويؤدي هذا الي توليد فوق جهد بين لوحي المواسع .
يستمر شحن المواسع حتى يصبح فرق الجهد بين لوحيه مساويا للجهد بين قطبي البطارية . ويستمر مرور التيار في الدارة حتى يصبح الجهد على طرفي المواسع 10 فولت ، وعندما يصبح جهد المواسع مساويا لجهد البطارية ، يتوقف مرور التيار لأنه لم يعد يوجد فرق بين جهد المواسع وجهد البطارية .
اما في الشكل (ج) أنه في الوقت الذي يصبح فيه المواسع مشحونا ، ويمكن فتح المفتاح ، وسيحافظ المواسع بعد ذلك على شحنته الموجودة بين لوحي المواسع التي تكون بشكل مجال كهربائي ، تتجه خطوط من اللوح الموجب الي اللوح السالب .
وعند فصل المواسع من الدارة يمكن استخدامه لفترة قصيرة كمصدر للجهد ، ويتم تفريغ شحنته عند وصله بحمل كهربائي ، حيث تعود ألواحه الي التعادل مرة أخرى . وتلاحظ كذلك أن تيار الشحن أو التفريغ يمر في الدارة الخارجية لا يمر عبر المواسع نفسه ، نظرا لوجود المادة العازلة بين لوحي المواسع .
فعند اغلاق المفتاح S المبين في الشكل (ب) تقوم البطارية بحسب الاكترونات الحرة الموجودة على اللوح العلوي للمواسع باتجاه قطبها الموجب ، كما تقوم بدفع كمية متساوية من الالكترونات من قطبها السالب نحو اللوح السفلي للمواسع ، ونتيجة ذالك يمر تيار في الدارة تتحدد قيمته بواسطة المقاومة الخارجية R .
ان فقد اللوح العلوي الالكترونات الحرة يعطيه شحنة موجبة ، كما أن زيادة الالكترنونات الحرة على اللوح السفلي بعطيه شحنه سالبة ، ويؤدي هذا الي توليد فوق جهد بين لوحي المواسع .
يستمر شحن المواسع حتى يصبح فرق الجهد بين لوحيه مساويا للجهد بين قطبي البطارية . ويستمر مرور التيار في الدارة حتى يصبح الجهد على طرفي المواسع 10 فولت ، وعندما يصبح جهد المواسع مساويا لجهد البطارية ، يتوقف مرور التيار لأنه لم يعد يوجد فرق بين جهد المواسع وجهد البطارية .
اما في الشكل (ج) أنه في الوقت الذي يصبح فيه المواسع مشحونا ، ويمكن فتح المفتاح ، وسيحافظ المواسع بعد ذلك على شحنته الموجودة بين لوحي المواسع التي تكون بشكل مجال كهربائي ، تتجه خطوط من اللوح الموجب الي اللوح السالب .
وعند فصل المواسع من الدارة يمكن استخدامه لفترة قصيرة كمصدر للجهد ، ويتم تفريغ شحنته عند وصله بحمل كهربائي ، حيث تعود ألواحه الي التعادل مرة أخرى . وتلاحظ كذلك أن تيار الشحن أو التفريغ يمر في الدارة الخارجية لا يمر عبر المواسع نفسه ، نظرا لوجود المادة العازلة بين لوحي المواسع .
3- وحدات السعة الكهربائية :
السعة (Capacitance) هي قياس لمقدار الشحنة التي يستطيع أن يختزلها مواسع عند تطبيق جهد معين عليه ، ويرمز لها بالحرف (C) وتقاس بوحده تسمى الفاراد ، نسبة الي العالم فارادي ، ويرمز للفارد بالحرف (F) وتقدر سعة المواسع بعلاقة التالية :
السعة (الفاراد) = الشحنة المخزونة (الكولوم ) / فرق الجهد بين الألواح (الفولت)
أو C=Q\V
ان مواسعا سعته (1) فاراد يكون ضخما جدا ، ولذا تستعمل وحدات الميكروفاراد (µF)
والنانو فاراد (nF) و البيكو فاراد (PF) في التطبيقات العملية ، علما أن
المكروفاراد (µF) = د 6-10×1 فاراد
النانوفاراد (nF) = د 9-10×1 فاراد
البيكوفاراد (pF) = د 12-10×1 فاراد
4- الطاقة المخزونة في المواسع :
يخزن المواسع الطاقة الكهربائية على شكل مجال كهربائي ، تتجه خطوطه من اللوح الموجب الي اللوح السالب .
وتتناسب الطاقة المخزونة في المواسع طرديا مع حاصل ضرب قيمة السعة ومربع قيمة فرق الجهد بين طرفي المواسع ، وتعطى بالمعادلة التالية :
وتتناسب الطاقة المخزونة في المواسع طرديا مع حاصل ضرب قيمة السعة ومربع قيمة فرق الجهد بين طرفي المواسع ، وتعطى بالمعادلة التالية :
E=0.5CV2
حيث أن :
E = قيمة الطاقة مقاسة بالجول.
C = السعة مقاسة بالفراد.
V = الجهد بين طرفين المواسع.
E = قيمة الطاقة مقاسة بالجول.
C = السعة مقاسة بالفراد.
V = الجهد بين طرفين المواسع.
5- انواع المواسعات :
يمكن تقسيم المواسعات الي قسمين أساسيين :
أ- المواسعات ثابتة القيمة :
أ- المواسعات ثابتة القيمة :
المواسع الثابت القيمة هو المواسع المحدد السعة من قبل الشركة الصانعة ، حيث يسجل على جسمه مقدرا سعته ، ومقدار فرق الجهد المسموح أن يطبق على طرفيه .
ومن انواع المواسعات الثابتة القيمة :
1- المواسع الورقي :
ومن انواع المواسعات الثابتة القيمة :
1- المواسع الورقي :
يتكون المواسع الورقي من طبقتين من الألومنيوم بينمها طبقة رقيقة من الورق المشبع بالشمع أو الزيت ، وتلف المجموعة معا ، ثم تغلف بمادة كيميائية ، أو تحفظ في وعاء معدني صغير محكم الاغلاق أو في اناء معدني مملوء بالزيت ، وذلك من أجل خاصية العزل في الورق ، والمساعدة على حفظ المواسع من السخونة الزائدة . تترواح سعة المواسعات الورقية بين 3000 بيكوفاراد وفولتات تشغيلها نادرا ما تتعدى 600 فولت وتستخدم المواسعات الورقية كمواسعات تشغيل في المحركات ذات المواسع .
2- المواسع البلاستيكي :
تستخدم هذه الأنواع أغشية من مادة بلاستيكية عوضا عن صفائح الورق . ومن بعض أنواع المواد البلاستيكية العازلة الشائعة : البوليسترين ، والبوليستر ، والبوليكربونات ، والبوليبروبلين .
3- مواسع الميكا :
يتكون من شرائح رقيقة من الميكا كوسط عازل بين ألوح معدنية ، وقد تطلى شرائح الميكا ذاتها بطبقة رقيقة من الفضة لتحل محل الألواح المعدنية . وتسمى المواسع في هذه الحالة مواسع الميكا الفضي ، ويغلف بطبقة عازلو يبرز منها طرفا التوصيل .
4- مواسع السيراميك :
يتكون مواسع السيراميك من لوح من السيراميك يغطي وجهيه طبقتان معدنيتان هما لوحا المواسع .
5- المواسع الكيميائي :
من ميزات هذه المواسعات سعتها الكبيرة وحجمها الصغيرفأن هذا النوع من المواسعات يتركب من عدة طبقات هي : لوح من الألومنيوم (سفلي) وطبقة عازلة من أكسيد الألومنيوم ، وطبقة من الورق المشبع بمادة كيميائية مناسبة مثل بلورات الأمونيوم ، ولوح من الألومنيوم (علوي) . فعند توصيل المواسع مع جهد تغذية مستمر ، يشكل اللوح السفلي القطب الموجب للمواسع ، ويصبح أكسيد الألمنيوم المترسب عليه هو الوسط العازل كونه عازلا جيدا بينما تشكل طبقة الورق واللوح العلوي القطب السالب للمواسع.
كيفية الاستدلال على القطب الموجب للمواسع الكيميائي ، فعند وصل هذا النوع من المواسعات في الدارات الالكترونية ، يوصل الطرف الموجب مع نقطة الجهد ايجابية ، والجدير ذكره أن عكس قطبية المواسع الكيميائي تؤدي الي انفجاره وتلفه كما لا يمكن استخدام المواسعات الكيميائية المستقطبة في دارات التيار المتردد .
تصنع المواسعات الكيميائية غير المستقطبة بترسيب طبقات الأكسيد فوق سطحي لوحي المواسع . ويمكن استخدام هذه المواسعات مع مصادر الجهد المستمر أو الجهد المتردد .
من مساوئ المواسعات الكيميائية وجود تسرب عالي بين قطبيها ، وتلفها عند تخزينها لفترات طويلة نتيجة جفاف العازل وتلفه .6- مواسع التنتاليوم الألتروليتية :
من مساوئ المواسعات الكيميائية وجود تسرب عالي بين قطبيها ، وتلفها عند تخزينها لفترات طويلة نتيجة جفاف العازل وتلفه .6- مواسع التنتاليوم الألتروليتية :
يمكن استخدام التنتاليوم بدلا من الألومنيوم ، ويسمى المواسع في هذه الحالة مواسع التنتاليوم ، وهي أكثر تكلفة من مواسع الألومنيوم الألتروليتية ، الأ أنها تمتاز على نظراتها من مواسعات الألومنيوم بصغر حجمها ، وثبات سعتها مع تغيرات درجة الحرارة ، وطول فترة صلاحيتها عند التخزين.
ب- المواسعات متغيرة القيمة :
يتكون هذا النوع من الموسعات من صفائح متوازية من الألومنيوم أو النحاس على شكل دائري بيضاوي ، مثبتة على محور قابل للدوران ، بطريقة تسمح لهذه الصفائح بالتداخل مع مجموعة من صفائح أخرى ، مساوية لها في المساحة ، وتكون المادة العازلة في هذا النوع من المواسعات في الهواء ، وتستخدم هذه المواسعات غالبا في أجهزة الراديو ، ويمكن الحصول هلى سعات مختلفة منها حسب وضع الالوح وتداخلها بعضها مع بعض ، فعندما تتداخل الصفائح الدوارة كليا مع الصفائح الثابتة ، تكون سعة المواسع عند قيمتها العظمى ، أما عندما تدور الصفائح الي الوضع المفتوح كليا ، فتكون السعة عند قيمتها الصغرى .
هناك نوع خاص من المواسعات المتغيرة يعرف باسم مواسع الضبط الدقيق (Trimmer Capacitor) ويستخدم عندما تكون الحاجة هي احدات تغيرات طفيقة في السعة بغرض ضبط القيمة المطلوبة ، ويتم ذلك عادة عن طريق تغير المسافة بين اللوحين بواسطة برغي الضبط .6- المواصفات الفنية للمواسع:
للمواسعات خصائص فنية معينة يتم بموجبها اختيار المواسع الملائم الاستعمال المطلوب وأهم هذه الخصائص :
- السعة :
وهي القيمة الاسمية للمواسع المعبر عنها بالميكروفاراد ، أو البيكوفاراد مكتوبة على جسم المواسع .
-الفولتية التشغيلية المقررة :
هي الفولتية القصوى المسموح تسليطها باستمرار على المواسع ان تجاوز هذه القيمة يؤدي الي انهيار الطبقة العازلة الموجودة بين لوحي المواسع ، مما يؤدي الي تلفه .
وتتناسب هذه القيمة طرديا مه سمك طبقة العازل . ويتم التعبير عن الفولتية التشغيلية المقررة بالنسبة للجهد المستمر لتردد من خلال تسجيل قيمتها على جسم المواسع .
- التفاوت أو (الدقة)
هو الانحراف الأقصى المسموح به ، عن القيمة الاسمية (ويعبر عنه بالنسبة المئوية).
هو الانحراف الأقصى المسموح به ، عن القيمة الاسمية (ويعبر عنه بالنسبة المئوية).
- معامل درجة الحرارة :
وهو تغير مقدار سعة المواسع مع تغير درجة الحرارة مئوية واحدة.
-التيار المتسرب :
وهو التيار المستمر الساري في العازل الكهربائي عند تسليط الفولتية التشغيلية المقررة ( يعبر عنه عند درجة حرارة معينة) .
-مقاومة العزل :
هي مقاومة العزل الكهربائي عند تسليط الفولتية التشغيلية المقررة ( يعبر عنه عند درجة حرارة معينة) .
-الاستقرار :
هو تغير قيمة سعة المواسع (بالنسبة المئوية) الذي يحصل في ظروف محددة ، وعلى مدة معينة من الزمن .
7- توصيل المواسعات:
8- أعطال المواسع :
وهو تغير مقدار سعة المواسع مع تغير درجة الحرارة مئوية واحدة.
-التيار المتسرب :
وهو التيار المستمر الساري في العازل الكهربائي عند تسليط الفولتية التشغيلية المقررة ( يعبر عنه عند درجة حرارة معينة) .
-مقاومة العزل :
هي مقاومة العزل الكهربائي عند تسليط الفولتية التشغيلية المقررة ( يعبر عنه عند درجة حرارة معينة) .
-الاستقرار :
هو تغير قيمة سعة المواسع (بالنسبة المئوية) الذي يحصل في ظروف محددة ، وعلى مدة معينة من الزمن .
7- توصيل المواسعات:
1- توصيل المواسعات على التوالي : وصل مواسعين على التوالي يكافئ مضاعفة سماكة العازل . وهذا يعني أن الموصولين على التوالي بعملان كمواسع واحد فيه سماكة العازل تكفئ مجموعة سماكتي العازل في المواسعين ، وبما أن السعة تتناسب عكسيا مع المسافة الفاصلة بين اللوحين فان زيادة سماكة العازل الي تخفيض قيمة السعة الكلية .
2- توصيل المواسعات على التوازي : توصيل مواسعين على التوازي يكفئ مضاعفة مساحة لوحين المواسع وهذا يعني أن المواسعين الموصولين على التوازي يعملان كمواسع واحد فيه مساحة لوحة تكفافئ مجموع مساحتي لوحين المواسعين. وبما أن السعة تتناسب طرديا مع مساحة لوح المواسع ، فان زيادة مساحة لوح المواسع يؤدي الي زيادة السعة الكلية .
8- أعطال المواسع :
قد تتعرض المواسعات المستخدمة في الدارات الكهربائية و الالكترونية الي أحد أنماط الأعطال الاتية :
- دارة القصر (شورت):
ينتج هذا العطل من اتصال لوحي المواسع معا نتيجة انهيار العازل الذي قد ينتج بدوره من تعرض المواسع لفولتية أعلى من فولتية الانهيار له ، أو تشغيله في ظروف ترتفع فيها درجة الحرارة عن الحد المسموح به . وهذا العطل من أكثر أعطال المواسعات شيوعا ، حيث يعطي المواسع عند قياس مقاومته منخفضة جدا قد تصل الي (صفر) .
- المواسع يتصرف كأنه مقاومة :
يعطي مقاومة ثابتة عند قياس مقاومته . ويتنج هذا العطل عادة عندما يفقد الوسط العازل لخصائصه ، فيتصرف وكأنه مقاومة.
- دارة مفتوحة :
ينتج هذا العطل عادة من انفصال أحد أطرفه أو انفجار ، كما يحدث للمواسع الكيميائي.
- تغير السعة :
يعطي المواسع في هذه الحالة سعة أكبر من سعته المقررة أو أقل بشكل ملحوظ ، ويتنج ذلك عن أختلاف ظروف التشغيل عن الظروف الصحيحة . ولايمكن اكتشاف هذا العطل بقياس مقاومة المواسع ، ولا بد في الحالة من استخدام جهاز قياس السعة لقياس سعة المواسع ، ومقارنة قراءة الجهاز بالقيمة المسجلة على جسم المواسع ، والجدير ذكره أن أجهزة قياس السعة الرقمية أصبحت متوفرة في الأسواق .
يعطي مقاومة ثابتة عند قياس مقاومته . ويتنج هذا العطل عادة عندما يفقد الوسط العازل لخصائصه ، فيتصرف وكأنه مقاومة.
- دارة مفتوحة :
ينتج هذا العطل عادة من انفصال أحد أطرفه أو انفجار ، كما يحدث للمواسع الكيميائي.
- تغير السعة :
يعطي المواسع في هذه الحالة سعة أكبر من سعته المقررة أو أقل بشكل ملحوظ ، ويتنج ذلك عن أختلاف ظروف التشغيل عن الظروف الصحيحة . ولايمكن اكتشاف هذا العطل بقياس مقاومة المواسع ، ولا بد في الحالة من استخدام جهاز قياس السعة لقياس سعة المواسع ، ومقارنة قراءة الجهاز بالقيمة المسجلة على جسم المواسع ، والجدير ذكره أن أجهزة قياس السعة الرقمية أصبحت متوفرة في الأسواق .
والسلام عليكم ...
