فنی مگ
0

صفر تا صد خازن: خازن چیست؟+چگونه کار می‌کند؟+انواع آن

صفر تا صد خازن
بازدید 3780

در این مقاله ما به توصیف صفر تا صد خازن‌ها به عنوان یکی از اجزای مهم در سیستم‌های الکترونیکی، خواهیم پرداخت. خازن‌ها، به عنوان یکی از اجزای اساسی در مدارات الکترونیکی، برای تخلیه الکتریسیته و درنتیجه به ذخیره‌سازی انرژی‌های الکترونیکی به عنوان یک منبع اصلی استفاده می‌شوند. این مقاله برای علاقه‌مندان به یادگیری مفاهیم پایه الکترونیک، خازن‌ها و همچنین دانشجویان رشته‌های مهندسی برق و الکترونیک کاربردی است. در ادامه به بررسی دستورالعمل‌ها، مفاهیم پایه و نحوه کار با خازن‌ها می‌پردازیم.

خازن دی الکتریک

خازن چیست؟

خازن‌ها اجزای الکترونیکی غیرفعال هستند که از دو یا چند ماده رسانا تشکیل شده‌اند که توسط یک ماده عایق از هم جدا شده‌اند. خازن قطعه‌ای است که توانایی یا “ظرفیت” ذخیره انرژی را به شکل یک بار الکتریکی دارد که باعث ایجاد اختلاف پتانسیل (ولتاژ استاتیک) در صفحات خود می‌شود، مانند یک باتری کوچک قابل شارژ.

شایان ذکر است که لایه عایق بین صفحات خازن معمولاً دی‌الکتریک نامیده می‌شود. انواع مختلفی از خازن‌ها وجود دارد، از خازن بسیار کوچک عدسی شکل که در مدارها استفاده می‌شوند تا خازن‌های بزرگ تصحیح کننده ضریب توان، اما همه آن‌ها یک کار را انجام می‌دهند، یعنی شارژ را ذخیره می‌کنند.

با توجه به این لایه عایق، جریان DC نمی‌تواند از طریق خازن عبور کند زیرا آن را مسدود می‌کند و به جای آن اجازه می‌دهد ولتاژی در سراسر صفحات به شکل بار الکتریکی وجود داشته باشد.

صفحات فلزی رسانای خازن می‌توانند مربع، دایره یا مستطیل باشند یا به شکل استوانه‌ای یا کروی با شکل، اندازه و ساختار کلی یک خازن صفحه موازی بسته به کاربرد و درجه ولتاژ آن باشند.

در شکل اصلی خود، یک خازن از دو یا چند صفحه رسانا (فلزی) موازی تشکیل شده است که به یکدیگر متصل نیستند یا با یکدیگر تماس ندارند، اما به صورت الکتریکی یا توسط هوا یا توسط نوعی ماده عایق خوب از هم جدا می‌شوند. این ماده عایق می‌تواند کاغذ مومی، میکا، سرامیک، پلاستیک یا نوعی ژل مایع باشد که در خازن‌های الکترولیتی استفاده می‌شود.

خازن چگونه عمل می‌کند؟

هنگامی‌که در یک مدار جریان مستقیم یا DC استفاده می‌شود، یک خازن تا ولتاژ تغذیه خود شارژ می‌شود اما جریان را از طریق آن مسدود می‌کند زیرا دی‌الکتریک یک خازن نارسانا است و اساساً یک عایق است. با این حال، هنگامی‌که یک خازن به یک جریان متناوب یا مدار AC متصل می‌شود، به نظر می‌رسد جریان مستقیماً با مقاومت کم یا بدون مقاومت از خازن عبور می‌کند.

دو نوع بار الکتریکی وجود دارد، یک بار مثبت به شکل پروتون و یک بار منفی به شکل الکترون. هنگامی که یک ولتاژ DC در یک خازن قرار می‌گیرد، بار مثبت (+ve) به سرعت در یک صفحه جمع می‌شود درحالی‌که یک بار منفی متناظر و مخالف (ve) در صفحه دیگر انباشته می‌شود. برای هر ذره بار +ve که به یک صفحه می‌رسد، باری با همان علامت از صفحه -ve خارج می‌شود.

سپس صفحات خنثی می‌مانند و اختلاف پتانسیل ناشی از این بار بین دو صفحه ایجاد می‌شود. هنگامی‌که خازن به حالت پایدار خود رسید، جریان الکتریکی به دلیل خواص عایق دی‌الکتریک مورد استفاده برای جداسازی صفحات، قادر به عبور از خود خازن و اطراف مدار نیست.

جریان الکترون‌ها روی صفحات به عنوان جریان شارژ خازن شناخته می‌شود که تا زمانی که ولتاژ در هر دو صفحه (و بنابراین خازن) برابر با ولتاژ اعمال شده Vc شود، جریان برقرار است. در این مرحله گفته می‌شود که خازن با الکترون‌ها “کاملاً باردار ” شده است.

قدرت یا نرخ این جریان شارژ زمانی که صفحات کاملاً دشارژ می‌شوند (شرایط اولیه) به حداکثر مقدار خود می‌رسد و به آرامی مقدار آن به صفر کاهش می‌یابد زیرا صفحات تا اختلاف پتانسیل در صفحات خازن برابر با ولتاژ منبع شارژ می‌شوند.

مقدار اختلاف پتانسیل موجود در خازن به مقدار باری که توسط کار انجام شده توسط ولتاژ منبع و همچنین به مقدار ظرفیت خازن بر روی صفحات رسوب شده بستگی دارد.

خازن صفحه موازی، اساس عملکرد خازن

خازن صفحه موازی ساده‌ترین شکل خازن است. می‌توان آن را با استفاده از دو صفحه فویل فلزی یا متالایز در فاصله موازی با یکدیگر ساخت که مقدار خازنی آن برحسب فاراد است که توسط سطح صفحات رسانا و فاصله جدایی بین آن‌ها تعیین می‌شود. تغییر هر دو از این مقادیر، مقدار ظرفیت آن را تغییر می‌دهد و این اساس عملکرد خازن‌های متغیر را تشکیل می‌دهد.

همچنین، ازآنجایی‌که خازن‌ها انرژی الکترون‌ها را به شکل بار الکتریکی روی صفحات ذخیره می‌کنند، هرچه صفحات بزرگ‌تر یا فاصله آن‌ها کوچک‌تر باشد، باری که خازن برای هر ولتاژ معینی در صفحات خود نگه می‌دارد بیشتر خواهد بود؛ به عبارت دیگر صفحات بزرگ‌تر و فاصله کمتر، منجر به ظرفیت بیشتر می‌شوند.

با اعمال ولتاژ به خازن و اندازه‌گیری بار روی صفحات، نسبت بار Q به ولتاژ V مقدار خازن را به دست می‌دهد و بنابراین به‌صورت زیر داده می‌شود:

C = Q/V

مقدار بار روی صفحات را طبق فرمول زیر محاسبه می‌کنند:

Q = C x V

اگرچه گفتیم که بار روی صفحات یک خازن ذخیره می‌شود، اما دقیق‌تر است که بگوییم انرژی درون بار در یک “میدان الکترواستاتیک ” بین دو صفحه ذخیره می‌شود. هنگامی‌که جریان الکتریکی به خازن می‌ریزد، شارژ می‌شود، بنابراین میدان الکترواستاتیک بسیار قوی‌تر می‌شود زیرا انرژی بیشتری را بین صفحات ذخیره می‌کند.

به همین ترتیب، با خارج شدن جریان از خازن و تخلیه آن، اختلاف پتانسیل بین دو صفحه کاهش می‌یابد و با خروج انرژی از صفحات، میدان الکترواستاتیک کاهش می‌یابد.

خاصیت خازن برای ذخیره بار روی صفحات خود به شکل میدان الکترواستاتیکی، ظرفیت خازن نامیده می‌شود. نه تنها این، بلکه ظرفیت خازن نیز ویژگی خازن است که در برابر تغییر ولتاژ در دو طرف آن مقاومت می‌کند.

ظرفیت یک خازن

ظرفیت خازن خاصیت الکتریکی یک خازن است و اندازه‌گیری توانایی خازن برای ذخیره بار الکتریکی روی دو صفحه آن است که واحد ظرفیت آن فاراد (به اختصار F) به نام فیزیکدان انگلیسی مایکل فارادی نام‌گذاری شده است.

ظرفیت خازنی به این صورت تعریف می‌شود که یک خازن ظرفیت یک فاراد را داشته باشد که یک بار یک کولن روی صفحات با ولتاژ یک ولت ذخیره شود. توجه داشته باشید که ظرفیت C همیشه مثبت است و واحد منفی ندارد. با این حال، فاراد یک واحد اندازه‌گیری بسیار بزرگ برای استفاده به تنهایی است، بنابراین به طور کلی از چندگانه فرعی مانند میکرو فاراد، نانوفاراد و پیکو فاراد استفاده می‌شود.

واحدهای استاندارد ظرفیت خازنی

 میکروفاراد (μF) ۱μF = ۱/۱, ۰۰۰, ۰۰۰ = ۰.۰۰۰۰۰۱ = ۱۰-۶ F

 نانوفراد (nF) ۱nF = ۱/۱, ۰۰۰, ۰۰۰, ۰۰۰ = ۰.۰۰۰۰۰۰۰۰۱ = ۱۰-۹ F

 پیکوفاراد (pF) ۱pF = ۱/۱, ۰۰۰, ۰۰۰, ۰۰۰, ۰۰۰ = ۰.۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۱ = ۱۰-۱۲ فارنهایت

با استفاده از اطلاعات بالا می‌توانیم یک جدول ساده بسازیم تا به ما کمک کند تا بین پیکو فاراد (pF)، به نانو فاراد (nF)، به میکرو فاراد (μF) و به فاراد (F) تبدیل کنیم.

ظرفیت خازن صفحه موازی

ظرفیت خازن صفحه موازی متناسب با مساحت، A برحسب متر، برابر اندازه صفحه‌ها (اگر دو صفحه برابر نباشند، صفحه کوچک‌تر اولویت‌ دارد) و با فاصله یا جدایی، d (ضخامت دی‌الکتریک) که برحسب متر بین این دو صفحه رسانا داده می‌شود، نسبت معکوس دارد.

معادله تعمیم یافته برای ظرفیت خازن صفحه موازی به صورت C = ε(A/d) است.

که در آن ε نشان دهنده گذردهی مطلق ماده دی‌الکتریک مورد استفاده است. ثابت دی‌الکتریک، εo، دارای مقدار ثابت زیر بر حسب فاراد بر متر است.

برای اینکه ریاضیات کمی ساده‌تر شود، این ثابت دی‌الکتریک فضای آزاد، εo که می‌تواند به صورت: ۱/(۴π x ۹×۱۰۹) نوشته شود، ممکن است واحدهای پیکوفاراد (pF) در هر متر را نیز به عنوان ثابت داشته باشد: ۸.۸۵ برای مقدار فضای آزاد. البته توجه داشته باشید که مقدار ظرفیت خازنی حاصل برحسب پیکو فاراد خواهد بود نه برحسب فاراد.

به طور کلی، صفحات رسانای یک خازن به جای خلاء کامل، توسط نوعی ماده عایق یا ژل جدا می‌شوند. هنگام محاسبه ظرفیت خازن، می‌توان گذردهی هوا و به‌ویژه هوای خشک را به اندازه خلاء در نظر گرفت زیرا بسیار نزدیک هستند.

به عنوان مثال: یک خازن از دو صفحه فلزی رسانا به ابعاد ۳۰ سانتی‌متر در ۵۰ سانتی‌متر ساخته شده است که در فاصله ۶ میلی‌متری از یکدیگر قرار دارند و از هوای خشک به عنوان تنها ماده دی‌الکتریک خود استفاده می‌کند. ظرفیت خازن را محاسبه کنید.

سپس مقدار خازن متشکل از دو صفحه جدا شده توسط هوا به صورت ۰.۲۲۱nF یا ۲۲۱pF محاسبه می‌شود.

ساختار خازن

دی‌الکتریک عامل تأثیرگذار بر ظرفیت خازن

اندازه کلی صفحات رسانا و فاصله آن‌ها از یکدیگر، عامل دیگری است که بر ظرفیت کلی خازن تأثیر می‌گذارد، نوع ماده دی‌الکتریک مورد استفاده است؛ به عبارت دیگر “مقدار” (ε) دی‌الکتریک.

صفحات رسانای خازن معمولاً از یک فویل فلزی یا یک لایه فلزی ساخته شده‌اند که امکان جریان یافتن الکترون و بار را فراهم می‌کند، اما ماده دی‌الکتریک مورد استفاده همیشه یک عایق است. مواد عایق مختلف که به عنوان دی‌الکتریک در خازن استفاده می‌شوند در توانایی آن‌ها برای مسدود کردن یا عبور بار الکتریکی متفاوت است.

این ماده دی‌الکتریک را می‌توان از تعدادی مواد عایق یا ترکیبی از این مواد ساخت که متداول‌ترین انواع آن عبارت‌اند از: هوا، کاغذ، پلی‌استر، پلی‌پروپیلن، مایلار، سرامیک، شیشه، روغن و یا انواع مواد دیگر.

عاملی که ماده دی‌الکتریک یا عایق باعث افزایش ظرفیت خازن نسبت به هوا می‌شود به عنوان ثابت دی‌الکتریک شناخته می‌شود، k و ماده دی‌الکتریک با ثابت دی‌الکتریک بالا عایق بهتری نسبت به ماده دی‌الکتریک با ثابت دی‌الکتریک پایین‌تر است. ثابت دی‌الکتریک یک کمیت بدون بعد است زیرا نسبت به فضای آزاد است.

گذردهی الکتریکی خازن

گذردهی واقعی یا “گذردهی پیچیده ” ماده دی‌الکتریک بین صفحات حاصل ضرب گذردهی فضای آزاد (εo) و گذردهی نسبی (εr) ماده مورد استفاده به عنوان دی‌الکتریک است و به صورت زیر داده می‌شود:

به عبارت دیگر، اگر گذردهی فضای آزاد εo را به عنوان سطح پایه خود در نظر بگیریم و آن را برابر با یک قرار دهیم، هنگامی‌که خلاء فضای آزاد با نوع دیگری از مواد عایق جایگزین می‌شود، گذردهی آن‌ها از دی‌الکتریک آن به دی‌الکتریک پایه فضای آزاد که ضریب ضربی را به نام «گذردهی نسبی» می‌دهد؛ بنابراین مقدار گذردهی مختلط ε همیشه برابر با گذردهی نسبی ضربدر یک خواهد بود.

واحدهای معمول گذردهی دی‌الکتریک، ε یا ثابت دی‌الکتریک برای مواد رایج عبارت‌اند از: خلاء خالص = ۱.۰۰۰۰، هوا = ۱.۰۰۰۶، کاغذ = ۲.۵ تا ۳.۵، شیشه = ۳ تا ۱۰، میکا = ۵ تا ۷، چوب = ۳ تا ۸ و فلز Ox. پودرها = ۶ تا ۲۰ و غیره. سپس معادله نهایی ظرفیت خازن را به صورت زیر به ما می‌دهد:

یکی از روش‌هایی که برای افزایش ظرفیت کلی یک خازن و درعین‌حال کوچک نگه‌داشتن اندازه آن استفاده می‌شود، این است که صفحات بیشتری را در یک بدنه خازن به هم بچسبانید. به جای تنها یک مجموعه از صفحات موازی، یک خازن می‌تواند صفحات مجزای زیادی را به هم متصل کند و درنتیجه مساحت سطح، A صفحات را افزایش دهد.

برای یک خازن صفحه موازی استاندارد همان‌طور که در بالا نشان داده شده است، خازن دارای دو صفحه با برچسب A و B است؛ بنابراین ازآنجایی‌که تعداد صفحات خازن دو است، می‌توان گفت n = ۲ که در آن “n” نشان دهنده تعداد صفحات است.

سپس معادله ما در بالا برای یک خازن صفحه موازی منفرد باید واقعاً باشد:

با این حال، خازن ممکن است دو صفحه موازی داشته باشد، اما فقط یک طرف هر صفحه با دی‌الکتریک در وسط در تماس است زیرا طرف دیگر هر صفحه بیرون خازن را تشکیل می‌دهد. اگر دو نیمه صفحات را برداریم و آن‌ها را به هم وصل کنیم، به طور موثر فقط “یک ” صفحه کامل در تماس با دی‌الکتریک خواهیم داشت.

در مورد یک خازن صفحه موازی تک، n – ۱ = ۲ – ۱ که برابر با ۱ به عنوان C = (εo*εr x ۱ x A)/d است دقیقاً با گفتن این جمله: C = (εo*εr*A)/d است؛ که معادله استاندارد بالاست.

حال فرض کنید یک خازن داریم که از ۹ صفحه به هم پیوسته تشکیل شده است، سپس مطابق شکل n = ۹.

خازن با چند صفحه موازی

ساخت خازن چندصفحه‌ای

پنج صفحه داریم که به یک لید (A) و چهار صفحه به لید دیگر (B) متصل شده‌اند. سپس هر دو طرف چهار صفحه متصل به لید B با دی‌الکتریک در تماس هستند، درحالی‌که تنها یک طرف از هر یک از صفحات خارجی متصل به A با دی‌الکتریک در تماس است. سپس مانند بالا، مساحت سطح مفید هر مجموعه از صفحات فقط هشت است و بنابراین ظرفیت آن به صورت زیر است. خازن‌های مدرن را می‌توان با توجه به ویژگی‌ها و خواص دی‌الکتریک عایق آن‌ها طبقه‌بندی کرد:

  • تلفات کم، پایداری بالا: مانند میکا، سرامیک کم پتاسیم، پلی استایرن
  • تلفات متوسط، پایداری متوسط: ​​مانند کاغذ، فیلم پلاستیکی، سرامیک با کیفیت بالا
  • خازن‌های پلاریزه: مانند الکترولیتیک، تانتالیوم

ولتاژ کاری خازن‌ها

همه خازن‌ها دارای حداکثر درجه ولتاژ هستند و هنگام انتخاب خازن باید به مقدار ولتاژ اعمال شده در خازن توجه شود. حداکثر مقدار ولتاژی که می‌تواند بدون آسیب به مواد دی‌الکتریک خازن اعمال شود، عموماً به صورت: WV، (ولتاژ کاری) یا WV DC، (ولتاژ کاری DC) آورده شده است.

اگر ولتاژ اعمال شده در خازن خیلی زیاد شود، دی‌الکتریک شکسته می‌شود (که به عنوان شکست الکتریکی شناخته می‌شود) و قوس بین صفحات خازن ایجاد می‌شود که منجر به اتصال کوتاه می‌شود. ولتاژ کاری خازن به نوع ماده دی‌الکتریک مورد استفاده و ضخامت آن بستگی دارد.

ولتاژ کاری DC یک خازن دقیقاً همین است، حداکثر ولتاژ DC و نه حداکثر ولتاژ AC به عنوان یک خازن با درجه ولتاژ DC ۱۰۰ ولت DC نمی‌تواند به طور ایمن تحت ولتاژ متناوب ۱۰۰ ولت قرار گیرد. از آنجایی که یک ولتاژ متناوب که دارای مقدار RMS ۱۰۰ ولت است، مقدار پیک آن بیش از ۱۴۱ ولت خواهد بود! (√۲*۱۰۰).

سپس خازنی که برای کار در ولتاژ ۱۰۰ ولت AC مورد نیاز است باید حداقل ولتاژ کاری ۲۰۰ ولت داشته باشد. در عمل، خازن باید طوری انتخاب شود که ولتاژ کاری DC یا AC آن حداقل ۵۰ درصد بیشتر از بالاترین ولتاژ مؤثری باشد که به آن اعمال می‌شود.

عامل دیگری که بر عملکرد یک خازن تأثیر می‌گذارد، نشت دی‌الکتریک است. نشت دی‌الکتریک در خازن درنتیجه یک جریان نشتی ناخواسته که از مواد دی‌الکتریک عبور می‌کند رخ می‌دهد.

به طور کلی، فرض بر این است که مقاومت دی‌الکتریک بسیار بالا است و عایق خوبی است که جریان DC را از طریق خازن (مانند یک خازن کامل) از یک صفحه به صفحه دیگر مسدود می‌کند. با این حال، اگر ماده دی‌الکتریک به دلیل ولتاژ بیش از حد یا دمای بیش از حد آسیب ببیند، جریان نشتی از طریق دی‌الکتریک بسیار زیاد می‌شود که منجر به از دست دادن سریع شارژ روی صفحات و گرم شدن بیش از حد خازن و درنهایت خرابی زودرس خازن می‌شود. سپس هرگز از خازن در مداری با ولتاژ بالاتر از خازن استفاده نکنید، در غیر این صورت ممکن است داغ شود و منفجر شود.

خازن چیست
خازن چیست

خلاصه‌ای بر آنچه درباره خازن گفته شد

در این آموزش دیدیم که وظیفه خازن ذخیره بار الکتریکی روی صفحات خود است. مقدار بار الکتریکی که یک خازن می‌تواند روی صفحات خود ذخیره کند، به عنوان مقدار ظرفیت آن شناخته می‌شود و به سه عامل اصلی بستگی دارد.

  • سطح: مساحت سطح، A از دو صفحه رسانا که خازن را تشکیل می‌دهند، هر چه مساحت بزرگ‌تر باشد، ظرفیت خازن بیشتر است.
  • فاصله: فاصله، d بین دو صفحه، هر چه فاصله کمتر باشد ظرفیت خازنی بیشتر است.
  • مواد دی‌الکتریک: نوع ماده‌ای که دو صفحه را از هم جدا می‌کند که “دی‌الکتریک ” نامیده می‌شود، هرچه گذردهی دی‌الکتریک بالاتر باشد، ظرفیت خازنی بیشتر است.

همچنین دیدیم که یک خازن از صفحات فلزی تشکیل شده است که با یکدیگر تماس ندارند اما توسط ماده‌ای به نام دی‌الکتریک از هم جدا می‌شوند. دی‌الکتریک یک خازن می‌تواند هوا یا حتی خلاء باشد، اما به طور کلی یک ماده عایق غیر رسانا است، مانند کاغذ مومی، شیشه، میکا انواع مختلف پلاستیک و غیره. دی‌الکتریک مزایای زیر را دارد:

  • ثابت دی‌الکتریک خاصیت ماده دی‌الکتریک است و از یک ماده به ماده دیگر تغییر می‌کند و ظرفیت خازن را با ضریب k افزایش می‌دهد.
  • دی‌الکتریک پشتیبانی مکانیکی بین دو صفحه را فراهم می‌کند و اجازه می‌دهد صفحات بدون تماس به یکدیگر نزدیک شوند.
  • گذردهی دی‌الکتریک باعث افزایش ظرفیت خازنی می‌شود.
  • دی‌الکتریک حداکثر ولتاژ کاری را در مقایسه با هوا افزایش می‌دهد.

خازن‌ها را می‌توان در بسیاری از کاربردها و مدارهای مختلف مانند مسدود کردن جریان DC در حین عبور سیگنال‌های صوتی، پالس‌ها یا جریان متناوب یا سایر اشکال موج‌های متغیر استفاده کرد. این توانایی برای مسدود کردن جریان‌های DC، خازن‌ها را قادر می‌سازد تا ولتاژهای خروجی منابع تغذیه را صاف کنند تا اسپک‌های ناخواسته را از سیگنال‌ها حذف کنند که در غیر این صورت باعث آسیب یا تحریک نادرست نیمه‌رساناها یا قطعات دیجیتال می‌شوند.

خازن‌ها همچنین می‌توانند برای تنظیم پاسخ فرکانس مدار صوتی یا جفت کردن مراحل جداگانه تقویت‌کننده که باید از انتقال جریان DC محافظت شوند، استفاده شوند.

هنگامی‌که در منابع DC استفاده می‌شود، یک خازن دارای امپدانس بی‌نهایت (مدار باز) است، در فرکانس‌های بسیار بالا یک خازن دارای امپدانس صفر (اتصال کوتاه) است. همه خازن‌ها دارای حداکثر ولتاژ کاری DC (WVDC) هستند، بنابراین توصیه می‌شود خازن‌هایی را با درجه ولتاژ حداقل ۵۰ درصد بیشتر از ولتاژ تغذیه انتخاب کنید.

منبع: electronics-tutorials

نظرات کاربران

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *