ما هي المكثفات الالكتروليتية؟
خصائص المكثفات الالكتروليتية:
انحراف السعة – Capacitance drift:
القطبية والسلامة – Polarity and safety:
بنية المكثفات الالكتروليتية:
ما هي المكثفات الالكتروليتية؟

 

المكثف الالكتروليتي: هو نوع من المكثفات التي تستخدم المنحل بالكهرباء “الالكتروليت” (electrolyte)، لتحقيق سعة أكبر من أنواع المكثفات الأخرى، المنحل بالكهرباء عبارة عن سائل أو هلام يحتوي على تركيز عالٍ من الأيونات، جميع المكثفات الإلكتروليتية تقريبًا مستقطبة، ممّا يعني أن الجهد على الطرف الموجب يجب أن يكون دائمًا أكبر من الجهد على الطرف السالب.

 

تأتي فائدة السعة الكبيرة في المكثفات الإلكتروليتية مع العديد من العيوب أيضًا، من بين هذه العوائق تيارات التسرب الكبيرة، والتفاوتات في القيمة، ومقاومة السلسلة المكافئة والعمر المحدود، يمكن أن تكون المكثفات الإلكتروليتية إمّا بوليمر إلكتروليت رطب أو صلب، عادةً ما تكون مصنوعة من التنتالوم أو الألومنيوم، على الرغم من أنّه يمكن استخدام مواد أخرى، المكثفات الفائقة (Supercapacitors) هي نوع فرعي خاص من المكثفات الإلكتروليتية، وتسمّى أيضًا المكثفات الإلكتروليتية مزدوجة الطبقة، بسعة مئات وآلاف الفاراد (farads).

 

نعتمد هنا على مكثفات الألومنيوم كهربائيًا، هذه لها سعة نموذجية بين (1µF) إلى (47mF) وبجهد تشغيل يصل إلى بضع مئات من الفولتات (DC)، تمّ العثور على مكثفات الألومنيوم كهربائيًا في العديد من التطبيقات مثل إمدادات الطاقة واللوحات الأم للكمبيوتر والعديد من الأجهزة المنزلية، نظرًا لأنّها مستقطبة، يمكن استخدامها فقط في دوائر التيار المستمر.

 

خصائص المكثفات الالكتروليتية:

 

انحراف السعة – Capacitance drift:

 

تنحرف سعة المكثفات الإلكتروليتية عن القيمة الاسمية بمرور الوقت، ولديها تفاوتات كبيرة، عادةً (20?)، هذا يعني أنّه من المتوقع أن يكون للمكثف الإلكتروليتي من الألومنيوم سعة اسمية قدرها (47µF) قيمة مقاسة في أي مكان بين (37.6µF) و (56.4µF)، يمكن تصنيع مكثفات التنتالوم الإلكتروليتية بتفاوتات أكثر إحكامًا، ولكن جهد التشغيل الأقصى الخاص بها أقل، لذا لا يمكن استخدامها دائمًا كبديل مباشر.

 

القطبية والسلامة – Polarity and safety:

 

نظرًا لتركيب المكثفات الإلكتروليتية وخصائص الإلكتروليت المستخدم، يجب أن تكون المكثفات الإلكتروليتية منحازة للأمام، هذا يعني أنّ الطرف الموجب يجب أن يكون دائمًا عند جهد أعلى من الطرف السالب، إذا أصبح المكثف متحيزًا عكسيًا “إذا انعكست قطبية الجهد على الأطراف”، فقد يتلف أكسيد الألومنيوم العازل، الذي يعمل كعازل كهربائي، ويبدأ العمل كدائرة قصيرة بين طرفي المكثف، هذا يمكن أن يتسبب في ارتفاع درجة حرارة المكثف بسبب التيار الكبير الذي يمر عبره.

 

عندما يسخن المكثف، يسخن المنحل بالكهرباء ويتسرب أو حتى يتبخر، ممّا يؤدي إلى انفجار العلبة، تحدث هذه العملية بجهد عكسي يبلغ حوالي (1) فولت وما فوق، للحفاظ على السلامة ومنع العلبة من الانفجار بسبب الضغوط العالية الناتجة عن ظروف ارتفاع درجة الحرارة، يتم تثبيت صمام أمان في العلبة، يتم إجراؤه عادةً عن طريق تسجيل درجة في الوجه العلوي للمكثف، والذي ينفتح بطريقة مسيطر عليها عندما يسخن المكثف، نظرًا لأنّ الإلكتروليتات قد تكون سامة أو مسببة للتآكل، فقد يلزم اتخاذ تدابير أمان إضافية عند تنظيف مكثف الإلكتروليت شديد السخونة واستبداله.

 

يوجد نوع خاص من المكثفات الإلكتروليتية لاستخدام التيار المتردد، وهي مصممة لتحمل الاستقطاب العكسي (reverse polarisation)، يسمّى هذا النوع بالنوع غير المستقطب أو النوع (NP).

 

بنية المكثفات الالكتروليتية:

 

مكثفات الألمنيوم الالكتروليتية مصنوعة من ورقتي ألومنيوم وبينهما ورق منقوع في إلكتروليت، إحدى رقاقات الألمنيوم مغطاة بطبقة أكسيد، وتعمل هذه الرقاقة كأنود، بينما تعمل الرقاقة غير المطلية ككاثود، أثناء التشغيل العادي، يجب أن يكون القطب الموجب بجهد موجب بالنسبة للكاثود، ولهذا السبب يتم تمييز الكاثود عادةً بعلامة ناقص على طول جسم المكثف، يتم تكديس الأنود والورق المنقوع بالكهرباء والكاثود.

 

يتم لف المكدس، ووضعه في حاوية أسطوانية ومتصلة بالدائرة باستخدام المسامير، هناك نوعان من الأشكال الهندسية الشائعة: محوري (axial) وشعاعي (radial)، تحتوي المكثفات المحورية على دبوس واحد على كل طرف من طرفي الأسطوانة، بينما في الهندسة الشعاعية، يوجد كلا المسامير في نفس نهاية الأسطوانة.

 

المكثفات الالكتروليتية لها سعة أكبر من معظم أنواع المكثفات الأخرى، عادةً (1µF) إلى (47mF)، هناك نوع خاص من المكثفات الإلكتروليتية، يسمّى مكثف مزدوج الطبقة أو مكثف فائق، يمكن أن تصل سعته إلى آلاف الفاراد، يتم تحديد سعة مكثف التحليل الكهربائي المصنوع من الألومنيوم بعدة عوامل، مثل مساحة اللوحة وسماكة الإلكتروليت، هذا يعني أنّ مكثف السعة الكبيرة ضخم وكبير الحجم.

 

من الجدير بالذكر أنّ المكثفات الإلكتروليتية المصنوعة باستخدام تقنية قديمة لم يكن لها عمر افتراضي طويل جدًا، وعادةً ما تكون بضعة أشهر فقط، إذا تُركت دون استخدام، فإنّ طبقة الأكسيد تتدهور ويجب إعادة بنائها في عملية تسمّى إصلاح المكثف، يمكن القيام بذلك عن طريق توصيل المكثف بمصدر الجهد من خلال المقاومة وزيادة الجهد ببطء حتى يتم إعادة بناء طبقة الأكسيد بالكامل، المكثفات الإلكتروليتية الحديثة لها عمر افتراضي يصل إلى عامين أو أكثر، إذا تُرك المكثف غير مستقطب لفترات أطول، فيجب إعادة تشكيله قبل استخدامه.