خازن چیست
خازن چیست؟
در پاسخ خازن چیست ؟ خازن یک قطعه الکترونیکی است که به طور موقت می تواند انرژی الکتریکی را در خود ذخیره نماید. هر خازن از دو صفحه رسانا تشکیل شده است که به وسیله یک نوع ماده دی الکتریک از هم جدا شده اند. این صفحات انرژی الکتریکی را در خود ذخیره می نمایند. یک صفحه بار مثبت و یک صفحه بار منفی را در خود ذخیره می نماید. در ادامه مطالب سعی شده است تا با توضیحات کامل و جامع در مورد خازن ها ، پاسخ داده شود.
خازن چیست؟ انواع خازن ها و کاربرد های آن
capacitance چیست؟
مقدار ذخیره شده انرژی الکتریکی در خازن را ظرفیت خازن یا کاپاسیتانس و به خود خازن نیز کاپاسیتور می گویند. در مدارات الکتریکی با ولتاژ DC ، خازن به صورت اتصال باز (قطع عبور جریان) و در مدارات با ولتاژ متناوب AC ، به صورت اتصال کوتاه (عبور کامل جریان ) عمل می کند. از لحاظ عملکرد ، خازن دقیقا عکس سلف می باشد. یعنی سلف در برابر ولتاژ DC مقاومتی از خود نشان نداده و اتصال کوتاه می شود، اما در برابر ولتاژ AC اتصال باز می شود.
نحوه عملکرد خازن
زمانی که صفحات رسانای مثبت و منفی هر دو به یک اندازه باردار شده باشند، می گوییم که خازن شارژ شده است. به علت این که صفحه های مثبت و منفی خازن دائما به سمت یکدیگر جذب می شوند و از طرفی به خاطر وجود ماده دی الکتریک بینشان ، هیچگاه به یکدیگر نمی رسند ، خازن این انرژی الکتریکی را مدت زیادی می تواند در خود نگه دارد.
شارژ شدن خازن ها تا مرحله ای ادامه می یابد که دیگر توانایی دریافت انرژی الکتریکی را نخواهند داشت. به بیانی دیگر ، برروی صفحه با بار منفی آنقدر بار منفی قرار دارد که تمام بارهای منفی دیگری که می خواهند جذب شوند را دفع می کنند. اینجاست که ظرفیت خازن نمایان می شود. ظرفیت خازن بیشترین مقدار انرژی الکتریکی است که خازن می تواند در خود ذخیره نماید. واحد اندازه گیری ظرفیت خازن را فاراد (F) می نامند.
اگر در یک خازن مسیری ایجاد کنیم که این بار های مخالف از طریق آن به یکدیگر برسند، آنگاه این بار ها خازن را ترک کرده و اصطلاحا خازن دشارژ می شود.
فاکتور های انتخاب یک خازن
انواع زیادی از خازن ها وجود دارد که هر کدام به نسبت مزایا و کمبود هایی که دارند ، در صنعت و الکترونیک استفاده می شوند.
برای انتخاب خازن مناسب ، یک سری عوامل هستند که باید آن ها را در نظر گرفت:اندازه – اندازه یک خازن چه از نظر فیزیکی و چه از نظر ظرفیت مهم ترین فاکتور برای انتخاب خازن می باشد. آنها می توانند بسیار کوچک و یا بسیار بزرگ باشند. استفاده از خازن های بسیار بزرگ در مدارات الکتریکی مسئله ای طبیعی است.
ولتاژ بیشینه (ماکسیمم)
هر خازن متناسب با ولتاژ خاصی ساخته می شود. این ولتاژ ولتاژی است که بین دو سر خروجی خازن قرار می گیرد. به طور مثال یک خازن می تواند حداکثر ۱.۵ ولت و دیگری بتواند تا ۱۰۰ولت ولتاژ را تحمل کند. اگر به یک خازن ولتاژی بیشتر از ولتاژ بیشینه آن وارد کنیم ، خازن می سوزد.
جریان نشتی
خازن نیز مانند اکثر وسایل الکترونیکی دارای مقدار خطا در عملکرد خود می باشد. امکان دارد که مقداری از جریان هر خازن، به ماده دی الکتریک که یک ماده نارسانا می باشد ، نشت کند. این جریان بسیار پایین را (که معمولا در حد نانوآمپر می باشد) جریان نشتی خازن می نامند. جریان نشتی در خازن ها باعث می شود که انرژی الکتریکی آن ها به مرور زمان کاهش پیدا کرده و دشارژ شوند.
مقاومت معادل سری
پایه های خروجی خازن ها به طوری کامل رسانا نبوده و همواره مقدار بسیار ناچیزی مقاومت (چیزی کمتر از ۰.۰۱ اهم) دارند. این مقاومت زمانی مشکل ساز می شود که جریان بسیار زیادی وارد خازن شود که در نتیجه آن ، حرارت و تلفات به وجود می آید.
تلرانس
مقدار ظرفیت خازن ها نیز همواره به صورت کاملا دقیق نبوده و مقداری خطا دارند. این مقدار خطا بنا به جنس خازن تغییر می کند. این خطا چیزی بین ±۱% تا ±۲۰% ظرفیت نامی خازن می باشد.
انواع خازن :
خازن های سرامیکی
این خازن ها به صورت عمده در الکترونیک استفاده می شوند. علت نامگذاری آنها به دلیل جنس ماده دی الکتریک خازن است که در این نوع از جنس سرامیک می باشد.
این نوع خازن ها به طور کلی چه از نظر فیزیکی و چه از نظر ظرفیت خازن ، همواره مقادیر کوچکی دارند. به سختی می توان خازن سرامیکی با ظرفیتی بیش از ۱۰µF پیدا کرد. خازن های سطحی که می توانید آن را در شکل زیر بیابید ، به وفور در مدارات الکتریکی یافت می شوند. این خازن ها معمولا کوچک و به رنگ های زرد یا قرمز می باشند.
خازن چیست؟ انواع خازن ها و کاربرد های آن
خازن ۲۲pF در سمت چپ و خازن ۰.۱µF در سمت راست. خازن سطحی ۰.۱µF در وسط
با اینکه خازن های الکترولیتی برای انجام پروژه های دست ساز بسیار محبوب تر هستند ، اما خازن های سرامیکی از نظر مشخصات الکتریکی (مقاومت ESR و جریان نشتی بسیار کمتر ) و همچنین قیمت تمام شده ، ایده آل تر هستند.از دیگر مزایای این خازن ها میتوان به نداشتن قطب آن معرفی کرد، با این حال ظرفیت پایین آن ها به ما اجازه استفاده از آن ها در تمامی پروژه های خود را نمی دهند. این نوع خازن ها برای کاربردهایی از قبیل کوپل با فرکانس بالا ، بسیار مناسب هستند.
خازن های الکترولیتی
الکترولیت ها به عنوان یک ماده دی الکتریک ، بسیار کارآمد و پرکاربرد هستند. خازن های الکترولیتی می توانند ظرفیت زیادی را نسبت به اندازه های فیزیکی کوچکشان داشته باشند. اگر شما به خازنی با ظرفیت ۱µF تا ۱mF نیاز داشتید، بهترین گزینه برای شما استفاده از خازن های الکترولیتی می باشد. همچنین به دلیل داشتن ولتاژ نامی بالای آنها، از آنها برای استفاده در وسایل الکتریکی ولتاژ بالا استفاده می شود.
خازن های الکترولیتی که با پوشش آلومینیومی موجود هستند ، جزو محبوب ترین خازن های الکترولیتی هستند. ظاهر آن ها استوانه ای شکل بوده که پایه های آن از پایین آنها بیرون آمده است. بر خلاف خازن های عدسی این خازن ها دارای قطب مثبت و منفی هستند و هنگام استفاده از آن باید به این نکته مهم توجه کرد.
نقاط ضعف:
یک نقطه ضعف برای این نوع خازن ها این است که آنها قطبی بوده و بایستی حتما در جهت مناسب در مدار قرار گیرند. به پایه مثبت این نوع خازن ها آند و به پایه منفی آن ها کاتد می گویند. همواره باید ولتاژی که به سر آند خازن وارد می شود از ولتاژ سر کاتد آن بیشتر باشد. سر آند خازن که سر مثبت آن می باشد را با علامت – نشان می دهند. همچنین پایه آند خازن از پایه کاتد آن کمی بلند تر است.
دقت کنید که اتصال خازن در جهت عکس آن باعث می شود که الکترولیت داخل آن از بین رفته و از آن به بعد خازن اتصال کوتاه می شود.
از معایب دیگر این خازن ها می توان به جریان نشتی نسبتا بالای آنها اشاره کرد. البته با اینکه این جریان نشتی چیزی در حدود نانو آمپر می باشد ، اما باز هم نسبت به رقیب های خود بیشتر است. این نقطه ضعف خازن های الکترولیتی آن ها را برای ذخیره انرژی الکتریکی نامناسب کرده است.
سوپر خازن ها
اگر شما به دنبال خازنی برای ذخیره انرژی می گردید ، بهتر است از سوپر خازن ها استفاده نمایید. این خازن ها طوری طراحی شده اند تا بیشترین ظرفیت را در حد فاراد داشته باشند.
خازن چیست؟ انواع خازن ها و کاربرد های آن
یک سوپر خازن با ظرفیت فوق العاده ۱ فاراد که تنها می توان تا ولتاژ ۲.۵ ولت به آن وارد نمود.
این خازن ها هم مانند خازن های الکترولیتی قطبی بوده و سر مثبت و منفی دارند. با این که این خازن ها می توانند ظرفیت بالایی داشته باشند، اما ولتاژ کاری آنها پایین است. برای استفاده از آنها در مداراتی که ولتاژ بالایی دارند ، آنها را به طوری سری در مدار قرار می دهند. البته این که باعث کاهش ظرفیت آن ها نیز می شود.
کاربرد اصلی این خازن ها ذخیره و تخلیه انرژی در مواقع لازم می باشد. یعنی آنها مانند باتری عمل می کنند. با این تفاوت که مقدار انرژی کمتری نسبت به باتری های در خود نگه می دارند ، اما از نظر سرعت تخلیه آن ها نسبت به باتری ها بسیار زیاد است.
انواع دیگر خازن ها
به طور کلی می توان گفت که خازن های سرامیکی و الکترولیتی ۸۰ درصد از کل خازن های مصرفی را شامل می شوند (سوپر خازن ها تنها ۲ درصد). اما با این حال انواع دیگری از خازن ها نیز وجود دارد. به طور مثال خازن های پوسته ای (film Capacitors) مقدار بسیار کمی مقاومت ESR دارند که برای کار با جریان های بالا بسیار مناسب می باشد.
نوع دیگری از خازن ها خازن های متغیر می باشند که می توانند دامنه ای از ظرفیت های مشخص را داشته باشند. سیم پیچ ها و PCB ها نیز می توانند خاصیت خازنی داشته باشند که البته در بسیاری از حالات این خاصیت ناخواسته بوده و باید آن را برطرف نموده. علت این خاصیت هم این است که در هر دوحالت آن ها ، دو رسانا به وسیله یک نارسانا با هم ترکیب شده اند.
واحد اندازه گیری خازن
واحد اندازه گیری خازن فاراد می باشد. از آنجا که واحد خازن (یک فاراد) بسیار بزرگ است ، معمولا در نسبت های بسیار کوچک از آن ها استفاده می کنند که آن ها را با علامت اختصاری به صورت زیر مشخص می نمایند.
پیشوند های اندازه گیری خازن
پیشوند علامت اختصاری نسبت نماد
میکرو فاراد ۱۰-۶ یک میلیونیوم µf
نانو فاراد ۱۰-۹ یک میلیاردم nf
پیکو فاراد ۱۰-۱۲ یک تریلیونیوم pf
در جدول زیر نمونه ای از نماد های خازن ها را به همراه مشخصات آنها می توانید بخوانید:
واحد خازن جنس نماد روی خازن ولتاژ نامی
۱۰pF سرامیکی ۱۰۰ ۵۰V
۲۲pF سرامیکی ۲۲۰ ۵۰V
۱۰۰pF سرامیکی ۱۰۱ ۵۰V
۱nF سرامیکی ۱۰۲ ۵۰V
۱۰nF سرامیکی ۱۰۳ ۵۰V
۱۰۰nF سرامیکی ۱۰۴ ۵۰V
۱ µF الکترولیتی ۱µF/50V ۵۰V
۱۰ µF الکترولیتی ۱۰µF/25V ۲۵V
۱۰۰ µF الکترولیتی ۱۰۰µF/25V ۲۵V
۱۰۰۰ µF الکترولیتی ۱۰۰۰µF/25V ۲۵V
کاربرد های خازن
استفاده به عنوان بایپس (Bypass)
تعداد زیادی از خازن هایی که شما بر روی برد های الکترونیکی می بینید، مخصوصا آن هایی که در کنار مدارهای مجتمع می باشند ، از نوع خازن های بایپس هستند. وظیفه این خازن ها این است که نویزهای فرکانس بالا را که از منبع تغذیه وارد مدار می شود را خنثی کنند. این نویز ها به صورت ریپل های کوچک ولتاژ می باشند که می توانند برای مدار مجتمع های حساس ، خطرناک باشند.
همچنین وظیفه دیگر این خازن ها، ثابت نگه داشتن انرژی ورودی به مدار در هنگامی که ولتاژ مدار در اثر تغییر بار دچار تغییر ناگهانی می شود، می باشد. بایپس به معنی مسیر فرعی می باشد و به این علت که این خازن ها در شرایطی که گفته شد ، مانند یک منبع تغذیه عمل می کنند ، به آن ها خازن بایپس می گویند.
برای خنثی سازی بهتر فرکانس های مضر برای مدار، بهتر است از چند خازن بایپس با ظرفیت و نوع مختلف و به صورت موازی استفاده کرد. علت این کار هم این است که هر ظرفیت از خازن ها می تواند فرکانس های خاصی را بهتر خنثی کند.
این خازن ها بین منبع تغذیه و زمین مدار قرار می گیرند. ممکن است به نظر برسد که این کار باعث شود که تمام انرژی منبع تغذیه از خازن بگذرد. اما خازن تنها جریان هایی با فرکانس بالا را از خود عبور داده و تمام جریان DC از مدار مجتمع می گذرد.
در این مدار سه خازن بایپس با ظرفیت های مختلف برای کمک به بهبود نویز، در ورودی تغذیه مدار با هم موازی شده اند. خازن های ۰٫۱µF از نوع سرامیکی بوده و خازن ۱۰µF الکترولیتی می باشد.
به طور کلی خازن در جریان های AC به صورت اتصال کوتاه عمل کرده و در جریان های DC اتصال باز می باشد.
در نظر داشته باشید که هر چه خازن های بایپس از لحاظ فیزیکی به مدار مجتمع نزدیک تر باشند کارایی بیشتری دارند.
خازن چیست؟ انواع خازن ها و کاربرد های آن
این شکل نمونه واقعی مدار بالا می باشد. مدارمجتمع مکعب شکل سیاه رنگ توسط دو خازن سرامیکی سطحی (قهوه ای رنگ و کوچگ) و یک خازن الکترولیتی سطحی محاصره شده است.
اگر می خواهید که مدار خود را به صورت درستی بسازید ، سعی کنید همواره از خازن بایپس استفاده نمایید. معمولا خازن ۰.۱µF گزینه بسیار مناسبی برای این کار است. می توانید از خازن های ۱µF و ۱۰µF هم به طور موازی استفاده نمایید.۲
فیلتر کننده منبع تغذیه
برای تبدیل جریان AC به جریان DC می توان از یکسو کننده دیود استفاده نمایید. اما این یکسو کننده ها به تنهایی نمی توانند که جریان DC مناسبی به شما بدهند. برای اینکار شما باید از یک خازن که به صورت موازی در خروجی یکسو کننده دیود بسته شده است ، استفاده نمایید.
سیگنالی که از یکسو کننده دیود بدون خازن موازی خارج می شود، به شکل زیر است:
که با گزاشتن خازن موازی در خروجی یکسوساز ، موجی شبیه زیر خواهیم داشت که تقریبا همان جریان DC می باشد:
خازن ها در برابر اختلاف های شدید در ولتاژ از خود مقاومت نشان می دهند. در شکل اول زمانی که ولتاژ در حال افزایش است ، خازن نیز شارژ می شود. اما در هنگامی که ولتاژ رو به کاهش می رود ، خازن انرژی ذخیره شده در خود را به آرامی به سمت بار تخلیه می کند. در هنگامی که ولتاژ دوباره افزایش پیدا می کند ، خازن هنوز به طور کامل دشارژ نشده است و با افزایش ولتاژ دوباره خازن شارژ می شود. این کار به طور پیوسته ادامه پیدا کرده و موج شکل دوم را در خروجی یکسوساز به وجود می آورد.
یک مدار تغذیه AC به DC . خازن فیلتر در خروجی مدار برای صاف شدن جریان DC ضروری می باشد.
اگر شما یک آداپتور AC به DC را باز کنید ، با تصویری مشابه تصویر زیر مواجه می شوید. تصویر زیر یک شارژ ۹ ولتی را نمایش می دهد. با نگاه به شکل زیر می توانید تعداد زیادی خازن را مشاهده نمایید.
خازن چیست؟ انواع خازن ها و کاربرد های آن
در شکل بالا ۴ خازن الکترولیت که استوانه شکل هستند را مشاهده می نمایید. این خازن ها مقادیری بین ۴۷µF تا ۱۰۰۰µF را دارند. قطعه زرد رنگ مکعب مستطیل شکل بزرگ در جلوی تصویر ، یک خازن ۰.۱µF ولتاژ بالا است که از جنس پروپلین می باشد. خازن های سرامیکی هم به رنگ آبی در کنار و سبز رنگ کوچک در وسط می باشد.
ذخیره کننده انرژی
همانطور که قبل اشاره کردیم ، خازن ها می توانند انرژی را ذخیره کند و در مواقع نیاز به مدار تزریق نمایند. اما یک مشکل عمده در این باره این است که خازن ها در برابر باتری ها از تراکم انرژی کمتری برخوردار هستند. به این معنی که مقدار انرژی که می توانند در خود ذخیره کنند ، بسیار محدود می باشد. اما سرعت تزریق آن ها به مدار به مراتب از باتری ها بیشتر است که این مسئله در مواردی که نیاز به یک انرژی سریع و در عین حال زیاد داریم ، به کار می آید. به طور مثال فلش دوربین ها در هنگام تصویر برداری می توانند انرژی مورد نیاز خود را از خازن ها دریافت نمایند. همچنین خازن ها طول عمر بیشتری نسبت به باتری ها دارند.
فیلتر کننده سیگنال
خازن ها نسبت به فرکانس های مختلف از خود پاسخ های مشخص می دهند. آن ها از عبور سیگنال هایی با فرکانس کم ممانعت کرده و سیگنال هایی با فرکانس بالا را از خود عبور می دهد.
از این ویژگی خازن ها در مدارات پردازش سیگنال (signal processing) استفاده می شود.
به طور مثال در شکل زیر یک مدار بلندگو را می بینید. خازن سری از عبور سیگنال هایی با فرکانس کم جلو گیری کرده تا فقط سیگنال هایی با فرکانس بالا وارد قسمت TWEETER شوند. اما از آن طرف خازن موازی را می بینید که تمام فرکانس های بالا را دریافت کرده و مستقیما به زمین وارد می کند تا تنها سیگنال هایی با فرکانس پایین وارد SUBWOOFER شوند.
از مطالب دیگر این سایت:
