المكثف مكون سلبي ذو طرفين ، يستخدم على نطاق واسع في الإلكترونيات. تقريبًا ، تستخدم كل دائرة كهربائية نجدها في الإلكترونيات واحدًا أو أكثر من المكثفات للاستخدامات المختلفة. المكثفات هي أكثر المكونات الإلكترونية استخدامًا بعد المقاومات. لديهم قدرة خاصة على تخزين الطاقة. وهناك أنواع مختلفة من المكثفات المتاحة في السوق، ولكن واحدة والتي تزداد شعبية في الآونة الأخيرة، ووعد بديل أو بديل من البطاريات في المستقبل، هي المكثفات الفائقة أو يعرف أيضا ultracapacitors. المكثف الفائق ليس سوى مكثف عالي السعة بقيم سعة أعلى بكثير من المكثفات العادية ولكن حدود جهد أقل ، حيث يمكنه تخزين طاقة أكبر من 10 إلى 100 مرة لكل وحدة حجم أو كتلة من المكثفات الإلكتروليتية ، ويمكنه استقبال الشحنة وتسليمها أسرع بكثير من البطاريات ، وتتحمل المزيد من دورات الشحن والتفريغ أكثر من البطاريات القابلة لإعادة الشحن.
تعتبر المكثفات الفائقة أو المكثفات الفائقة تقنية جديدة لتخزين الطاقة تم تطويرها بشكل كبير في العصر الحديث. توفر المكثفات الفائقة فوائد صناعية واقتصادية كبيرة
يتم قياس سعة المكثف بوحدة فاراد (F) ، مثل 1 فائق التوهج (ميكرو فاراد) ، 1 ملي فاراد (ملي فاراد). ومع ذلك ، في حين أن المكثفات ذات القيمة المنخفضة شائعة جدًا في الإلكترونيات ، إلا أن المكثفات عالية القيمة متوفرة أيضًا ، والتي تخزن الطاقة بكثافة عالية جدًا ومتاحة بقيمة سعة عالية جدًا ، والتي تتراوح في فاراد على الأرجح.
في الصورة أعلاه ، تظهر صورة 2.7 فولت ، 1 فاراد سوبر مكثف متوفر محليًا. معدل الجهد أقل بكثير ولكن سعة المكثف أعلاه عالية جدًا.
فوائد المكثفات الفائقة أو المكثفات الفائقة
يتزايد الطلب على المكثفات الفائقة يومًا بعد يوم. يعود السبب الرئيسي للتطور السريع والطلب إلى العديد من الفوائد الأخرى للمكثفات الفائقة ، القليل منها مذكور أدناه:
- يوفر عمرًا جيدًا للغاية يبلغ حوالي مليون دورة شحن.
- درجة حرارة التشغيل من -50 درجة إلى 70 درجة تقريبًا ، مما يجعلها مناسبة للاستخدام في التطبيقات الاستهلاكية.
- كثافة طاقة عالية تصل إلى 50 مرة ، ويتم تحقيقها بواسطة البطاريات.
- المواد الضارة والمعادن السامة ليست جزءًا من عملية تصنيع المكثفات الفائقة أو المكثفات الفائقة مما يجعلها معتمدة كمكون يمكن التخلص منه.
- إنه أكثر كفاءة من البطاريات.
- لا يتطلب أي صيانة مقارنة بالبطاريات.
تخزن المكثفات الفائقة الطاقات في مجالها الكهربائي ، ولكن في حالة البطاريات ، فإنها تستخدم مركبات كيميائية لتخزين الطاقة. أيضًا ، نظرًا لقدرتها على الشحن والتفريغ السريع ، تدخل المكثفات الفائقة ببطء في سوق البطاريات. إن المقاومة الداخلية المنخفضة بكفاءة عالية للغاية ، وعدم وجود تكلفة صيانة ، وعمر أطول هي السبب الرئيسي لارتفاع الطلب عليها في السوق الحديثة ذات الصلة بمصدر الطاقة
الطاقات في المكثف
مخزن مكثف الطاقات في شكل Q = C س V. Q تعني Charge in Coulombs و C للسعة في Farads و V للجهد بالفولت. لذلك ، إذا قمنا بزيادة السعة ، فستزيد الطاقة المخزنة Q أيضًا.
وحدة السعة هي Farad (F) التي سميت باسم M. Faraday. فاراد هو وحدة السعة بالنسبة للكولوم / فولت. إذا قلنا مكثفًا به 1 فاراد ، فسيخلق فرق جهد 1 فولت بين لوحاته اعتمادًا على شحنة 1 كولوم.
1 فاراد مكثف ذو قيمة كبيرة جدًا لاستخدامه كمكون إلكتروني عام. في الإلكترونيات ، بشكل عام ، يتم استخدام سعة ميكرو فاراد إلى بيكو فاراد. يشار إلى Microfarad كـ uF (1 / 1،000،000 Farad أو 10 -6 F) ، nano farad كـ nF (1 / 1،000،000،000 أو 10 -9 F) و Pico farad كـ pF (1 / 1،000،000،000،000 or10 -12 F)
إذا أصبحت القيمة أعلى بكثير ، مثل mF إلى عدد قليل من الفاراد (بشكل عام <10F) ، فهذا يعني أن المكثف يمكنه الاحتفاظ بمزيد من الطاقات بين ألواحه ، يسمى هذا المكثف باسم Ultra مكثف أو Supercapacitor.
الطاقات المخزنة في المكثف هي E = ½ CV 2 جول. E هي الطاقة المخزنة في الجول ، C هي السعة في Farad و V هي فرق الجهد بين الألواح.
بناء
المكثف الفائق هو جهاز كهروكيميائي. ومن المثير للاهتمام أنه لا توجد تفاعلات كيميائية مسؤولة عن تخزين طاقاتها الكهربائية ، فلها بنية فريدة من نوعها ، مع صفيحة موصلة كبيرة أو قطب كهربائي ، والتي تقع بالقرب من مساحة سطح صغيرة جدًا. تركيبه مماثل لمكثف إلكتروليت به سائل أو إلكتروليت رطب بين أقطابها. يمكنك التعرف على أنواع المكثفات المختلفة هنا.
يعمل المكثف الفائق كجهاز إلكتروستاتيكي يخزن طاقته الكهربائية كحقل كهربائي بين الأقطاب الكهربائية الموصلة.
الأقطاب الكهربائية ، باللونين الأحمر والأزرق ، مطلية على الوجهين. وهي تصنع عمومًا من كربون الجرافيت على شكل أنابيب نانوية كربونية أو مواد هلامية أو نوع خاص من الكربون النشط الموصّل.
لمنع تدفق الإلكترون الكبير بين الأقطاب الكهربائية وتمرير الأيونات الموجبة ، يتم استخدام غشاء ورقي مسامي. يفصل الغشاء الورقي أيضًا بين الأقطاب الكهربائية. كما نرى في الصورة أعلاه ، يقع الغشاء الورقي المسامي في المنتصف وهو أخضر اللون. يتم تشريب الأقطاب الكهربائية وفاصل الورق بالإلكتروليت السائل. يتم استخدام رقائق الألومنيوم كمجمع تيار يقوم بإنشاء التوصيل الكهربائي.
لوحة الفصل ومنطقة الألواح مسؤولة عن قيمة سعة المكثف. يمكن الإشارة إلى العلاقة على أنها
حيث ، Ɛ هي سماحية المادة الموجودة بين الألواح
أ هي مساحة اللوحة
D هو الفصل بين الصفائح
لذلك ، في حالة المكثف الفائق ، يلزم زيادة سطح التلامس ، ولكن هناك قيود. لا يمكننا زيادة الشكل المادي أو حجم المكثف. للتغلب على هذا القيد ، يتم استخدام نوع خاص من الإلكتروليتات لزيادة التوصيل بين الألواح وبالتالي زيادة السعة.
تسمى المكثفات الفائقة أيضًا باسم مكثف مزدوج الطبقة. هناك سبب وراء ذلك. فصل صغير جدًا ومساحة سطح كبيرة باستخدام إلكتروليت خاص ، تشكل الطبقة السطحية للأيونات الإلكتروليتية طبقة مزدوجة. يقوم بإنشاء مكثفين ، واحد في كل قطب كربون ويسمى مكثف مزدوج الطبقة.
هذه الانشاءات لها عيب. أصبح الجهد عبر المكثف منخفضًا جدًا بسبب جهد تحلل الإلكتروليت. يعتمد الجهد بشكل كبير على مادة الإلكتروليت ، ويمكن للمادة أن تحد من قدرة تخزين الطاقة الكهربائية للمكثف. لذلك ، نظرًا لجهد طرفي منخفض ، يمكن توصيل مكثف فائق في سلسلة لتخزين الشحنة الكهربائية عند مستوى جهد مفيد. نتيجة لهذا ، ينتج المكثف الفائق المتسلسل جهدًا أعلى من المعتاد وبالتوازي ، أصبحت السعة أكبر. يمكن فهمه بوضوح من خلال تقنية بناء صفيف Supercapacitor أدناه.
بناء صفيف المكثف الفائق
لتخزين الشحنة عند الجهد المطلوب المفيد ، يجب توصيل المكثفات الفائقة في سلسلة. ولزيادة السعة يجب أن يكونا متصلين على التوازي.
دعونا نرى بناء مصفوفة للمكثف الفائق.
في الصورة أعلاه ، يُشار إلى جهد الخلية لخلية مفردة أو مكثف على أنه Cv ، في حين يُشار إلى سعة خلية واحدة على أنها Cc. يتراوح نطاق الجهد للمكثف الفائق من 1 فولت إلى 3 فولت ، وتزيد التوصيلات المتسلسلة الجهد ويزيد المزيد من المكثفات بالتوازي من السعة.
إذا أنشأنا المصفوفة ، فسيكون الجهد المتسلسل
إجمالي الجهد = جهد الخلية (Cv) × عدد الصفوف
وستكون السعة على التوازي
السعة الكلية = سعة الخلية (سم مكعب) × (عدد العمود / عدد الصف)
مثال
نحتاج إلى إنشاء جهاز تخزين احتياطي ، ولهذا يلزم وجود مكثف فائق أو فائق 2.5F مع تصنيف 6V.
إذا احتجنا إلى إنشاء المصفوفة باستخدام مكثفات 1F مع تصنيف 3V ، فما هو حجم المصفوفة وكميات المكثفات؟
إجمالي الجهد = جهد الخلية × رقم الصف ثم رقم الصف = 6/3 رقم الصف = 2
يعني أن مكثفين في سلسلة سيكون لهما فرق جهد 6 فولت.
الآن ، السعة ،
السعة الكلية = سعة الخلية × (رقم العمود / رقم الصف) ثم رقم العمود = (2.5 × 2) / 1
لذلك ، نحتاج إلى صفين و 5 أعمدة.
دعونا نبني المصفوفة ،
إجمالي الطاقة المخزنة في المصفوفة
تعتبر المكثفات الفائقة جيدة في تخزين الطاقة وفي الأماكن التي تتطلب الشحن السريع أو التفريغ. يتم استخدامه على نطاق واسع كأجهزة نسخ احتياطي ، حيث يلزم توفير مصدر طاقة احتياطي أو تفريغ سريع. يتم استخدامها أيضًا في الطابعات والسيارات والأجهزة الإلكترونية المختلفة الصالحة للشرب.