على 11/06/2024 796

دليل المكثف: سلسلة VS.تكوينات موازية

في الهندسة الكهربائية ، تظهر المكثفات العديد من الاستخدامات ، خاصة عند ترتيبها في سلسلة أو موازية في الدوائر.تؤثر هذه الترتيبات على السعة وتخزين الطاقة وكفاءة الأنظمة الكهربائية.يبحث هذا المقال في كيفية عمل المكثفات في السلسلة والإعدادات المتوازية ، باستخدام أمثلة ونظرية لشرح خلافاتهم.ويهدف إلى توفير فهم واضح لكيفية استخدام المكثفات بفعالية في التقنيات المختلفة ، من الإلكترونيات اليومية إلى الآلات الصناعية المتقدمة.

كتالوج

الشكل 1: دائرة المكثف

المكثفات في الدوائر الكهربائية

في الدوائر الكهربائية ، المكثفات خدمة غرض لكل من تخزين وتفريغ الشحنة الكهربائية.لديهم لوحتان موصلان مفصولان بعزل عازلة عازلة.يتم قياس قدرتهم على تحمل التهمة في فاراد.

الشكل 2: مكثف

يمكن توصيل المكثفات في سلسلة أو موازية.في السلسلة ، يقلل المزيد من المكثفات من السعة الكلية ، وهو مفيد لتحقيق السعة المنخفضة.بالتوازي ، يزيد المزيد من المكثفات الكلية ، وهي مثالية للسعة العالية في المساحات الصغيرة ، مثل مرشحات إمدادات الطاقة.تؤثر المادة العازلة على أداء المكثف ، وتحديد أقصى شحن ، وجهد الانهيار ، واستجابة تردد الدائرة.تستخدم المكثفات المتقدمة مواد مثل السيراميك أو التنتالوم أو الشوارد البوليمر لارتفاع السعة ، واستقرار درجة الحرارة ، وتسرب منخفض.

الشكل 3: مكثف

خصائص المكثفات في سلسلة وموازاة

إليك شرحًا بسيطًا لخصائصهم وكيف يمكن ترتيب هذه التكوينات للحصول على السعة المطلوبة.

المكثفات في سلسلة

الشكل 4: سلسلة السعة

عندما تقوم بتوصيل المكثفات في السلسلة ، تصبح السعة الكلية أصغر.يحدث هذا لأن التهمة يجب أن تسافر عبر المزيد من المواد ، مما يجعل من الصعب تخزين الرسوم.السعة الكلية (1/ج_{المجموع}) هو مجموع المتبادلين لكل مكثف فردي (1/C₁ + 1/ج₂ + ... + 1/ج_ن).السعة الكلية هي دائما أقل من أصغر مكثف في السلسلة.صيغة حساب السعة الكلية في السلسلة هي:

يجب على مصممي الدوائر أخذ هذه الميزة في الاعتبار عند اختيار المكثفات لتلبية متطلبات السعة المحددة.يمكن أن تحد القيود العملية مثل احتياجات الفضاء والتطبيق من عدد المكثفات في السلسلة ، ويمكن أن تضيف توزيعات الجهد المختلفة التعقيد ما لم تكن المكثفات متطابقة.

المكثفات بالتوازي

الشكل 5: السعة الموازية

عندما يتم توصيل المكثفات بالتوازي ، تزداد السعة الكلية.وذلك لأن مساحة السطح المشتركة لجميع المكثفات تتيح تخزين المزيد من الشحن في نفس الجهد.السعة الكلية (ج_{المجموع}) هو مجموع السعة لكل مكثف (ج₁ + ج₂ + ... + ج_ن).ستكون السعة الكلية أكبر من أكبر مكثف واحد.صيغة حساب السعة الكلية بالتوازي هي:

على الرغم من أنه يمكن توصيل عدد غير محدود من المكثفات بالتوازي ، وغالبًا ما تحد القيود العملية مثل المساحة المادية وغرض الدائرة والقيود في التصميم.المكثفات عالية الجودة مع تصنيفات الجهد المناسبة والتحملات جيدة لأداء الدوائر الموثوقة.تتيح هذه الصيغة تحكمًا دقيقًا في قيم السعة ، مما يمكّن المصممين من تحسين سلوك الدائرة ، وكفاءة الطاقة ، والأداء ، مما يجعلها حجر الزاوية في الإلكترونيات والهندسة الكهربائية.

الشكل 6: سلسلة وموازاة

دائرة المكثفات والمثال

تتميز دائرة مكثف السلسلة بمكثفات مرتبطة بالتتابع على طول المسار نفسه ، مما يضمن أن الشحنات المتطابقة أو التيارات تتنقل عبر كل مكون.إنه يضمن التدفق الحالي الموحد عبر المكثفات ، وهو جانب أساسي لفهم سلوك هذه الدوائر.

الشكل 7: حلبة المكثفات سلسلة

في إعداد سلسلة ، يجب على كل مكثف التعامل مع نفس الشحن.عندما يتم تطبيق مصدر جهد التيار المستمر ، فإن اتصال السلسلة يملي أن الرسوم يعيد توزيعها على طول المكثفات للحفاظ على هذا التوازن.على سبيل المثال ، إذا تم توصيل مصدر الجهد عبر المكثفات ج₁، ج₂و ج₃ مع القيم 2F و 4F و 6F على التوالي ، يحدث ما يلي:

• الجانب الأيمن من ج₃ يصبح مشحونة بشكل إيجابي بسبب جاذبية الإلكترونات نحو المحطة الإيجابية للبطارية.

• هذا العجز في الإلكترونات على ج₃اللوحة اليمنى تحفز عجزًا مماثلًا على C.₂لوحة اليمنى ، ويحدث نفس التأثير بشكل متتابع على C1.

• هذا التفاعل المتسلسل عبر المكثفات يضمن توزيع رسوم موحدة.

مثال:

بالنظر إلى السعة ج₁= 2F ، ج₂= 4f ، ج₃= 6F و DC الجهد 10 فولت ، يمكننا تحديد توزيع الشحن والجهد:

الشكل 8: سلسلة عينة

حساب ctotal العائدات حوالي 0.92F.

باستخدام Q = C × V ، حيث Q هو الشحن و V هو الجهد:

وهكذا ، يحمل كل مكثف رسومًا قدرها 9.2 درجة مئوية.

تم العثور على الجهد عبر كل مكثف باستخدام v = cq:

مجموع الفولتية الفردية ، الخامس₁+الخامس₂+الخامس₃، يجب أن تساوي الجهد مصدر (10 فولت).هنا ، يحسب ما يقرب من 8.43 فولت ، مما يشير إلى وجود خطأ محتمل في التقريب أو الحساب في تقديراتنا أو افتراضاتنا الأولية.

دائرة مكثف موازية ومثال

دائرة المكثف الموازية هي إعداد إلكتروني حيث يتم توصيل المكثفات جنبًا إلى جنب عبر النقاط المشتركة ، مما يسمح لكل منها بالعمل بشكل مستقل تحت نفس الجهد.هذا يختلف عن دوائر السلسلة ، حيث يشارك المكثفات رسومًا.

الشكل 9: دائرة مكثف متوازية

في التوازي ، فإن الجهد عبر كل مكثف هو نفسه.ومع ذلك ، فإن تهمة كل مخازن المكثف تختلف بناءً على السعة.السعة العليا تعني أن المكثف يمكنه تخزين المزيد من الرسوم.على سبيل المثال ، إذا كان لدينا مكثفات من 8 Farads (F) و 4F ، فسيقوم المكثف 8F بتخزين المزيد من مكثف 4F عندما يكون كلاهما تحت نفس الجهد.

ميزة رئيسية واحدة للمكثفات المتوازية هي الزيادة في السعة الكلية.على عكس دوائر السلسلة ، حيث تكون السعة الكلية أقل من أي مكثف فردي ، بالتوازي ، فإن السعة الكلية هي مجموع جميع السعة الفردية.يحدث هذا لأن منطقة اللوحة تزداد بشكل فعال دون تغيير المسافة بينهما ، مما يعزز قدرة الدائرة على تخزين الشحن.

مثال:

الشكل 10: عينة موازية

النظر في دائرة مع ثلاثة المكثفات متصلة بالتوازي مع مصدر طاقة 10 فولت DC.المكثفات لديها هذه السعة: ج₁ = 8f ، ج₂ = 4f ، و c₃ = 2F.يختبر كل مكثف نفس 10 فولت ، لكنه يخزن رسومًا مختلفة بناءً على سعة:

مكثف ج₁: مع 8F ، يخزن شحن 80 coulombs (C) ، محسوبة على أنها Q = C × V ، وهي 8f × 10v = 80c.

مكثف ج₂: مع 4F ، يخزن شحن 40 درجة مئوية ، محسوبة على أنها 4F × 10V = 40C.

مكثف ج₃: مع 2F ، يقوم بتخزين شحنة 20C ، محسوبة على أنها 2F × 10V = 20C.

إجمالي الرسوم في الدائرة هو مجموع جميع الرسوم: ف_ر= س₁+س₂+س₃= 80C+40C+20C = 140C

توضح هذه الإضافة كيف تعزز دائرة مكثف متوازية تخزين الشحن من خلال الجمع بين سعة المكثفات الفردية.تزيد دائرة مكثف متوازية من السعة الكلية وسعة تخزين الشحن ، حيث يعاني كل مكثف من نفس الجهد.

الطاقة المخزنة في المكثفات في سلسلة وموازاة

لفهم كيفية تخزين الطاقة في المكثفات مرتبة في سلسلة أو موازية ، نبدأ بالصيغة الأساسية للطاقة المخزنة في مكثف واحد:

هنا ، ش_ج هي الطاقة في joules ، Q هي الشحنة في coulombs ، و c هي السعة في فاراد.

الطاقة في السلسلة المكثفات

بالنسبة للمكثفات في السلسلة ، فكر في اثنين من المكثفات مع السعة C1 و C2.يتم إعطاء العلاقة بين الشحن والجهد لكل مكثف بواسطة C = VQ.في تكوين السلسلة ، فإن نفس الشحن Q موجود على كل مكثف:

إجمالي الطاقة المخزنة في النظام هو مجموع الطاقات الفردية:

هذا يدل على أن السعة الفعالة لسلسلة المكثفات هي المجموع المتبادل للسعة الفردية ، مما يقلل من السعة الكلية ويغير تخزين الطاقة مقارنة بالتكوينات الفردية أو المتوازية.

الطاقة في المكثفات الموازية

بالنسبة للمكثفات بالتوازي ، فإن كل مكثف لديه نفس الجهد عبره.يمكن التعبير عن الطاقة لكل منها باستخدام الصيغة القائمة على الجهد:

إذا اثنين من المكثفات ج₁ و ج₂ بالتوازي ولديها نفس الجهد الخامس عبرها ، فإن إجمالي تخزين الطاقة هو:

يوضح هذا الحساب أن السعة الكلية للمكثفات المتوازية هي مجموع السعة الفردية ، مما يزيد من إجمالي الطاقة المخزنة مقارنةً بالتكوينات الفردية أو السلسلة.

مزايا وعيوب المكثفات في السلسلة

يوفر استخدام المكثفات في السلسلة بعض المزايا ، بما في ذلك زيادة الجهد العام للعمل.يسمح هذا التكوين أيضًا بموازنة الجهد الأكثر فعالية ، خاصةً عندما يتم وضع المقاومات ذات القيمة العالية (حوالي 100 كيلو متر أو أعلى) عبر كل مكثف لضمان توزيع أكثر من الجهد.

يأتي استخدام المكثفات في السلسلة مع عيوب ، بما في ذلك مسألة مشاركة الجهد غير المتكافئ.يمكن أن تؤدي الاختلافات في تيارات التسرب ، وخاصة في المكثفات الكهربائية ، إلى تعرض مكثف واحد من الجهد المفرط ، مما قد يؤدي إلى تلف.تساهم الاختلافات الطفيفة في معدلات التصنيع أو الشيخوخة أيضًا في الاختلافات في تيار التسرب ، مما يؤثر على توزيع الجهد.يميل تيار التسرب في المكثفات الكهربائية إلى الزيادة بمرور الوقت ، خاصة إذا لم يتم استخدامها بانتظام.حتى مع موازنة المقاومات الموجودة في مكانها ، هناك حاجة إلى ترك هامش في جهد العمل ، وخاصة بالنسبة للمكثفات الكهربائية ، لضمان تشغيل موثوق.

مزايا وعيوب المكثفات بالتوازي

زيادة تخزين الطاقة: توصيل المكثفات في متوازيين طاقة أكثر من كونها في سلسلة لأن السعة الكلية هي مجموع جميع المكثفات الفردية.

توازن أفضل في الجهد: تحقق بنوك المكثفات الموازية توازنًا أفضل في الجهد مع عدد أقل من المقاومات الموازنة ، مما يقلل من التكاليف وخسائر الطاقة.

كفاءة التكلفة: عدد أقل من المقاومات الموازنة في اتصالات متوازية توفر المال وتبسيط النظام.

الحد من الجهد: في دائرة متوازية ، تشترك جميع المكثفات في نفس الجهد.يقتصر الحد الأقصى للجهد على المكثف الأقل تصنيفًا.على سبيل المثال ، إذا تم تصنيف مكثف واحد على 200 فولت وآخرون عند 500 فولت ، يمكن للنظام بأكمله التعامل مع 200 فولت فقط.

مخاطر السلامة: تخزين المكثفات الموازية وتطلق كميات كبيرة من الطاقة بسرعة ، والتي يمكن أن تكون خطرة إذا كانت هناك ماس قصير ، مما قد يسبب أضرارًا وإصابات شديدة.

مخاطر فشل النظام: في التخطيطات المعقدة ، إذا فشل أحد المكثفات ، يجب على الآخرين التعامل مع الجهد الكامل ، مما يؤدي إلى فشل محتمل للنظام بأكمله.هذا الخطر أقل في اتصالات السلسلة حيث لا يؤثر فشل أحد المكثفات على الآخرين.

خاتمة

تساعدنا هذه النظرة التفصيلية على المكثفات على فهم وظائفهم والاعتبارات المهمة لاستخدامها في الإلكترونيات الحديثة.تزيد إعدادات السلسلة من الجهد العاملة وإدارة توزيع الجهد ولكن تقليل السعة وزيادة الحساسية للتغيرات.تعزز الإعدادات الموازية السعة الكلية وتخزين الطاقة ، وهو أمر جيد لإدارة الطاقة في المساحات الصغيرة ، ولكن يمكن أن يكون محفوفًا بالمخاطر إذا فشل مكثف واحد.يعتمد الاختيار بين السلسلة والتكوينات المتوازية على الاحتياجات الهندسية المحددة وموازنة المساحة والتكلفة والأداء.تؤكد الرؤى النظرية والعملية على اختيار المكثف الدقيق وتصميم الدائرة لضمان أنظمة كهربائية موثوقة وفعالة.

الأسئلة المتداولة [الأسئلة الشائعة]

1. ما هو تأثير السلسلة المكثف؟

يتم استخدام المكثفات السلسلة في المقام الأول لتقليل مقاومة الدائرة عند الترددات العليا ، مما يحسن انتقال الطاقة على مسافات طويلة ويعزز تنظيم الجهد.عندما يتم توصيل المكثفات في السلسلة ، تنخفض السعة الكلية.يفرض هذا التكوين نفس الشحن على المرور عبر جميع المكثفات ، مما يؤدي إلى تقسيم من إجمالي الجهد عبر كل مكثف وفقًا لقيمة السعة.هذه الخاصية مفيدة بشكل خاص في التطبيقات مثل اقتران الإشارة وتصفية ، حيث يكون الهدف هو حظر التيار المباشر (DC) مع السماح للتيار المتناوب (AC) بالمرور.

2. متى تستخدم المكثفات السلسلة؟

يتم استخدام المكثفات السلسلة عندما تكون هناك حاجة لضبط مقاومة الدائرة ، خاصة في تطبيقات التردد العالي.كما أنها تعمل لتحقيق تقسيم الجهد في الدائرة.في أنظمة الطاقة ، يتم استخدام المكثفات السلسلة لزيادة قدرة خطوط نقل الطاقة عن طريق التعويض عن التفاعل الاستقرائي في خطوط النقل الطويلة ، مما يسمح لمزيد من التيار بالتدفق في نفس ظروف الجهد.

3. كيف تعرف ما إذا كان اثنان من المكثفات في سلسلة؟

يوجد اثنان من المكثفات في سلسلة إذا كانت متصلة من طرف إلى طرف ، مع محطة إيجابية لواحد متصل بالمحطة السلبية للآخر ، وهناك نقطتان فقط من الاتصالات التي تتضمن مكونات الدائرة الأخرى.يضمن هذا الترتيب أن يتدفق الشحن والتفريغ المتدفق من خلالهم هو نفسه.يمكن أيضًا حساب السعة الكلية لتأكيد ذلك ؛بالنسبة إلى المكثفات المسلسلات ، فإن المتبادل من السعة الكلية هو مجموع المعاملة بالمثل من السعة الفردية.

4. ما هو تأثير المكثف الموازي؟

عندما يتم توصيل المكثفات بالتوازي ، تزداد السعة الكلية للدائرة.يسمح هذا التكوين لكل مكثف بالاحتفاظ بنفس الجهد ، مما يؤدي إلى تراكم سعة الشحن عبر المكثفات.غالبًا ما يتم استخدام المكثفات المتوازية لتثبيت الجهد وتخزين المزيد من الرسوم في الأنظمة التي تكون هناك حاجة إلى سعة أعلى دون زيادة تصنيف الجهد للمكثفات الفردية.

5. هل السلسلة أو التكوين المتوازي يزيد من الجهد؟

التكوين نفسه لا يزيد من جهد العرض الأصلي.ومع ذلك ، فإن توزيع الجهد داخل الدائرة يختلف.في تكوين السلسلة ، يتم تقسيم الجهد بين المكثفات اعتمادًا على السعة الفردية.في المقابل ، في التكوين الموازي ، يظل الجهد عبر كل مكثف هو نفسه جهد العرض.

6. هل الجهد هو نفسه بالتوازي؟

نعم ، في دائرة متوازية ، يكون الجهد عبر كل مكثف هو نفسه ويساوي إجمالي الجهد المقدم للدائرة.هذا التوزيع الموحد للجهد يجعل المكثفات الموازية مثالية للتطبيقات التي تحتاج إلى جهد ثابت عبر مكونات متعددة.