خازن !

آشنایی با خازن‌ها

خازن ها دستگاه غیرفعال ساده‌ای هستند که هنگام متصل‌شدن به منبع ولتاژ می‌توانند بار الکتریکی را روی صفحاتشان ذخیره کنند.

خازن مؤلفه‌ای است که توانایی و‌یا “ظرفیت” ذخیره انرژی در قالب یک‌بار الکتریکی را دارد که اختلاف پتانسیل (ولتاژ استاتیک) را در صفحاتش ایجاد می‌کند.

دقیقاً مانند یک باتری قابل شارژ کوچک!

انواع مختلفی از خازن‌ها ازدانه‌های خازن بسیار‌کوچک موجود در مدا‌رهای رزونانس گرفته تا خازن‌های تصحیح ضریب توان بزرگ وجود دارد.

اما آنها همه کار مشابهی را انجام می‌دهند، آنها شارژ را ذخیره می‌کنند.

در‌شکل اولیه، خازن از دو‌یا چند صفحه رسانا‌(فلزی)‌موازی تشکیل شده‌است که به یکدیگر متصل نیستند و‌یا یکدیگر را لمس نمی‌کنند.

اما به ‌صورت الکتریکی یا با هوا و یا به شکلی از مواد عایق خوب مانند کاغذ موم‌شده،‌میکا، سرامیک،‌پلاستیک یا نوعی ژل‌مایع که در خازن‌های الکترولیتی استفاده می‌شود.

لایه عایق بین صفحات خازن معمولاً دی‌الکتریک نامیده می‌شود.

با توجه به این لایه عایق، جریان DC نمی‌تواند از طریق خازن جریان پیدا کند.

چون آن را مسدود می‌کند و اجازه می‌دهد ولتاژ در طول صفحات به شکل یک شارژ الکتریکی وجود داشته باشد.

خازن

صفحات فلزی رسانا یک خازن می‌تواند به صورت مربع، دایره ای یا مستطیل شکل باشد، یا بسته به کاربرد و رتبه ولتاژ آنها می‌توانند از نوع استوانه ای یا کروی با شکل کلی، اندازه و ساخت یک خازن صفحه موازی باشند.

هنگامی که در یک جریان مستقیم یا DC مورد استفاده قرار می‌گیرد، خازن به ولتاژ تغذیه متصل می‌شود، اما جریان عبوری از آن را مسدود می‌کند چون دی‌الکتریک یک خازن غیر رسانا و اساسا یک عایق است.

با اینحال، هنگامی که یک‌خازن به جریان‌متناوب یا مدارAC متصل می‌شود، جریان‌مستقیم از طریق‌خازن با مقاومت‌کم یا بدون‌مقاومت عبور می‌کند.

دو نوع بار الکتریکی وجود دارد:

 یک بار مثبت به شکل پروتون و یک بار منفی به شکل الکترون ها.

هنگامی که یک ولتاژ DC در داخل یک خازن قرار می‌گیرد، بار مثبت (+ V) به سرعت روی یک صفحه جمع می‌شود در حالی که یک بار منفی (-V) منفی و متضاد در صفحه دیگر جمع می‌شود.

برای هر‌ذره‌ای از بار‌+ ve که به یک صفحه می‌رسد، یک شارژ با علامت -‌ve از صفحه شارژ خارج می‌شود.

سپس صفحات شارژ خنثی می‌شوند و اختلاف پتانسیل به دلیل این بار بین دو صفحه ایجاد می‌شود.

هنگامی که خازن به وضعیت پایدار خود برسد، یک جریان الکتریکی به دلیل خاصیت عایق

 دی الکتریک مورد استفاده برای جدا‌کردن صفحات قادر به عبور از خود خازن و اطراف مدار نیست.

جریان الکترون‌ها بر روی صفحات به عنوان خازن (شارژ)جریان می‌یابد

که تا زمانی که ولتاژ در هر‌دو صفحه جریان داشته باشد‌(و در نتیجه خازن)برابر است با ولتاژ اعمال شده Vc.

در این نقطه، گفته می‌شود که خازن “کاملا” با الکترون‌ها “شارژ” شده‌است.

استحکام یا میزان این جریان شارژ در هنگام تخلیه کامل صفحات (شرایط اولیه) در حداکثر

مقدار‌آن است و‌به آرامی در‌صفر کاهش می‌یابد زیرا صفحات تا‌یک اختلاف بالقوه در‌صفحات خازن برابر با ولتاژ منبع شارژ می‌شوند.

مقدار اختلاف پتانسیلی که در خازن وجود دارد بستگی به این دارد که مقدار بار کار توسط ولتاژ

 منبع و همچنین مقدار ظرفیت خازن وارد شده و این مقدار در پایین نشان‌داده شده‌است.

خازن موازی ساده‌ترین شکل خازن است.

این روش می‌تواند با استفاده از دو صفحه فلزی یا فویل متالایز شده در فاصله موازی با یکدیگر ساخته شود.

با مقدار خازنی آن در فاراد، که توسط ناحیه سطحی صفحات رسانا و فاصله جدایی بین آن‌ها ثابت شده‌است.

تغییر هر‌دو این مقادیر، مقدار ظرفیت خود را تغییر می‌دهد و این امر پایه عملکرد خازن‌های متغیر را شکل می‌دهد.

همچنین، به دلیل اینکه خازن انرژی الکترون‌ها را به شکل بار الکتریکی بر روی صفحات بزرگ‌تر

ذخیره می‌کند و یا جداسازی آن‌ها بیشتر خواهد بود، بار بیشتری خواهد‌ بود که خازن برای هر

ولتاژ معین روی صفحات خود نگه می‌دارد.

به عبارت دیگر، صفحات بزرگ‌تر، فاصله کوچک‌تر، ظرفیت بیشتر.

با استفاده از یک ولتاژ برای خازن و اندازه‌گیری بار روی صفحات، نسبت Q به ولتاژ V مقدار

 ظرفیت خازن را خواهد داد و بنابراین می‌توان این معادله را دوباره برای دادن فرمول آشنا

برای مقدار بار روی صفحات به صورت زیر تنظیم کرد: Q = C x V.

اگرچه گفتیم که بار‌در‌صفحات خازن ذخیره می‌شود، اما دقیق‌تر‌می‌توان‌گفت‌ که انرژی موجود در این‌بار در‌یک “میدان الکترواستاتیک” بین‌دو صفحه‌ ذخیره‌می‌شود.

هنگامی که یک جریان الکتریکی به داخل خازن جریان می‌یابد، آن را شارژ می‌کند،

بنابراین میدان الکترواستاتیک بسیار قوی‌تر می‌شود زیرا انرژی بیشتری را بین صفحات ذخیره می‌کند.

به همین ترتیب، هنگامی که جریان از capacitor خارج می‌شود، آن را تخلیه می‌کند،

اختلاف پتانسیل بین دو صفحه کاهش می‌یابد و با بیرون رفتن انرژی از صفحات، میدان الکترواستاتیک کاهش می‌یابد.

خاصیت خازن برای نگهداری بار روی صفحات آن به شکل یک میدان الکترواستاتیک، ظرفیت خازن نامیده می‌شود.

نه تنها آن، بلکه ظرفیت خازنی نیز وجود دارد که در برابر تغییر ولتاژ در کل آن مقاومت می‌کند.

ظرفیت خازنی یک خازن

ظرفیت خازنی، خاصیت الکتریکی یک خازنی است و اندازه گیری توانایی خازن برای ذخیره بار

 الکتریکی بر روی دو صفحه آن با واحد ظرفیت خازن به نام فاراد (به اختصار F) است که نام

آن را به خاطر فیزیکدان انگلیسی مایکل فارادی نامگذاری کردند.

ظرفیت‌خازنی اینگونه تعریف می‌شود که هنگامی که یک‌بار از‌یک کولوم با‌ولتاژ یک‌ولت در‌صفحه ها ذخیره‌شود، یک خازن‌از‌‌ظرفیت خازنی یک‌فاراد برخوردار‌است.

توجه داشته باشید که ظرفیت خازنی، C همیشه از نظر ارزش مثبت است و هیچ واحد منفی ندارد.

با این حال، فاراد یک واحد اندازه گیری بسیار بزرگ است که به خودی خود از آن استفاده می‌کند.

بنابراین از مضامین فاراد معمولاً مانند میکرو فارادها ، نانو فارادها و پیکو فارادها استفاده می‌شود.

واحدهای استاندارد ظرفیت خازنی

• Microfarad  (μF)1μF = 1/1,000,000 = 0.000001 = 10^-6 F
• Nanofarad  (nF)1nF = 1/1,000,000,000 = 0.000000001 = 10^-9 F
• Picofarad  (pF)1pF = 1/1,000,000,000,000 = 0.000000000001 = 10^-12 F

سپس با استفاده از اطلاعات فوق، می‌توانیم یک جدول ساده بسازیم که به ما در تبدیل بین پیکو فاراد (نانو فاراد) ، نانو فاراد (nF) ، میکرو فاراد (μF) و فاراد (F) کمک کند.

(Pico-Farad (pF	(Nano-Farad (nF	(Micro-Farad (μF	(Farads (F
1,000	1.0	0.001
10,000	10.0	0.01
1,000,000	1,000	1.0
	10,000	10.0
	100,000	100
	1,000,000	1,000	0.001
		10,000	0.01
		100,000	0.1
		1,000,000	1.0

ظرفیت خازنی یک خازن با صفحات موازی

ظرفیت خازن یک capacitor موازی با مساحت متناسب است، A در متر مربع از کوچک‌ترین دو صفحه

 و رابطه معکوس متناسب با فاصله یا جداسازی، d (یعنی ضخامت دی‌الکتریک)که در متر بین

 این دو صفحه رسانا ایجاد می‌شود.

معادله تعمیم یافته برای capacitor یک خازن صفحه موازی به شرح زیر است:

C = ε (A / d)

 که در آن ε بیانگر تراکم مطلق مواد دی‌الکتریک مورد استفاده است.

مقدار‌مجاز‌خلاء،  ε و همچنین به عنوان‌”فضای کمبود فضای آزاد”‌نیز شناخته‌شده‌است و دارای مقدار‌ثابت 8.84 * 10-12 فاراد در‌هر متر است.

برای آسانتر‌کردن ریاضیات، این ثابت دی‌الکتریک از فضای خالی ، ε ، که می تواند به صورت زیر نوشته شود:

 1 / (4π x 9 × 109)

ممکن است واحدهای picofarads (pF) در هر متر را به عنوان ثابت ارائه دهد: 8.84

برای ارزش فضای آزاد.

البته توجه داشته باشید که مقدار خازن حاصل در پیکوفاراد خواهد بود و نه در فاراد.

به طور کلی، صفحات رسانای یک capacitor به جای یک خلا کامل، توسط نوعی ماده عایق یا ژل جدا می‌شوند.

هنگام محاسبه ظرفیت خازنی یک خازن، می‌توانیم گذردهی الکتریکی و به خصوص هوای خشک را به عنوان یک مقدار به عنوان خلا در نظر بگیریم چون آن‌ها بسیار نزدیک هستند.

دی‌الکتریک یک خازن

همچنین اندازه کلی صفحات رسانا و فاصله  آنها از‌یکدیگر، یکی‌دیگر از عواملی است که بر ظرفیت  کلی دستگاه تأثیر می‌گذارد.

 نوع مواد دی‌الکتریک مورد استفاده از دلایل عمده محسوب می‌گردد. به عبارت دیگر “مجاز بودن” دی‌الکتریک.

صفحات رسانا یک capacitor به طور کلی از یک فویل فلزی یا یک لایه فلزی ساخته می‌شوند که جریان

الکترون‌ها و بار را مجاز می‌کند، اما مواد دی‌الکتریک که استفاده می‌شود همیشه یک عایق است.

مواد عایق مختلف که به‌ عنوان دی‌الکتریک د‌رخازن مورد استفاده قرار می‌گیرند در‌توانایی آن‌ها برای مسدود‌کردن یا عبور بار‌الکتریکی تفاوت‌دارند.

این ماده دی‌الکتریک را می‌توان از تعدادی ماده عایق یا ترکیبی از این مواد با رایج‌ترین انواع استفاده شده مثل:

• هوا
• کاغذ
• پلی استر
• پلی پروپیلن
• مایلر
• سرامیک
• شیشه
• روغن یا انواع دیگر آن تهیه کرد.

عاملی که ماده دی‌الکتریک یا عایق آن باعث افزایش ظرفیت خازن در مقایسه با هوا می شود

به عنوان دی‌الکتریک ثابت‌، k شناخته می‌شود و یک ماده دی‌الکتریک با‌ثابت دی‌الکتریک بالا عایق بهتری نسبت به ماده دی‌الکتریک با ثابت دی‌الکتریک پایین است .

ثابت دی الکتریک یک مقدار بدون بعد است زیرا از نظر فضا آزاد است.

از این رو، نفوذپذیری واقعی یا “تراکم پذیری پیچیده” ماده دی‌الکتریک بین صفحات ،

محصول مجاز‌بودن فضای‌خالی (ε) و مجاز‌بودن نسبی (εr) ماده‌ای است که به ‌عنوان دی‌الکتریک مورد استفاده قرار‌می‌گیرد و‌به شرح زیر‌است:

مجاز بودن مجتمع

به عبارت‌دیگر ، اگر از‌فضای‌آزاد ، εo به عنوان سطح پایه خود استفاده کنیم و آن‌را با یک برابر

 کنیم،‌وقتی خلاء فضای آزاد با نوعی ماده عایق دیگر جایگزین شود، میزان نفوذپذیری

 دی‌الکتریک آن به ماده دیگر ارجاع می شود.

دی الکتریک پایه فضای آزاد و یک عامل ضرب معروف به “کاهش نسبی” ، εr.

بنابراین ارزش تراکم پیچیده، ε همیشه برابر با بار مجاز نسبی یک خواهد بود.

واحدهای معمولی تراکم دی الکتریک، ε یا ثابت دی الکتریک برای مواد معمولی عبارتند از:

خلاء خالص = 1.0000

هوا = 1.0006

کاغذ = 2.5 تا 3.5

شیشه = 3 تا 10

میکا = 5 به 7

چوب = 3 تا 8

و اکسید فلزی پودرها = 6 تا 20 و غیره.

این یک معادله نهایی برای ظرفیت خازن به ما می‌دهد:

یکی از روشهای مورد استفاده برای افزایش ظرفیت خازنی کلی capacitor در‌حالی که اندازه آن کوچک

است، این است که صفحات بیشتری را در داخل یک خازن منفرد قرار دهید.

به جای فقط یک مجموعه از صفحات موازی ، یک capacitor می‌تواند بسیاری از صفحات مجزا را به هم

 متصل کرده و از این طریق مساحت سطح A را از بین ببرد.

برای یک خازن صفحه موازی استاندارد همانطور که در شکل بالا نشان داده شده است،

خازن دارای دو صفحه است، دارای برچسب A و B. بنابراین از آنجا که تعداد صفحات خازن

دو است ، می‌توان گفت که  n = 2 ، جایی که “n” تعداد صفحات را نشان می‌دهد.

سپس معادله ما در بالا برای یک خازن صفحه موازی تنها باید واقعی باشد:

با این حال ، خازن ممکن است دارای دو صفحه موازی باشد اما فقط یک طرف هر صفحه در وسط

 در تماس با دی‌الکتریک است زیرا طرف دیگر هر صفحه خارج از خازن را تشکیل می‌دهد.

اگر ما دو‌نیمه صفحات را‌در‌نظر بگیریم و به‌آن‌ها ملحق شویم، ما به‌طور موثر‌تنها یک‌صفحه کامل در‌تماس با دی‌الکتریک خواهیم داشت.

در مورد خازن صفحه موازی منفرد ، n – 1 = 2 – 1 که برابر است با C = (εo * εr x 1 x A) / d دقیقاً برابر است با گفتن: C = (εo * εr * A) / d که معادله استاندارد فوق است.

حال فرض‌کنید ما‌یک capacitor تشکیل‌شده از 9 صفحه لایه‌ باز ، سپس n = 9 مطابق شکل نشان داده‌شده است.

خازن چند صفحه ای

حال ما پنج صفحه متصل به یک سرب (A)و چهار بشقاب به سمت دیگر (B)داریم.

سپس هر دو طرف چهار صفحه متصل به B در تماس با دی‌الکتریک هستند،

در حالی که یک طرف هر یک از صفحات خارجی متصل به A در تماس با دی‌الکتریک است.

سپس همانطور که در‌بالا، سطح مفید هر‌مجموعه از صفحات تنها هشت‌عدد است و  ظرفیت خازنی آن به صورت زیر است:

خازن های مدرن را می‌توان با توجه به ویژگی ها و خواص دی‌الکتریک عایق بندی آنها طبقه بندی کرد:

از دست دادن کم ، پایداری بالا مانند میکا ، سرامیک با کیفیت کم ، پلی استایرن.

ضرر متوسط ، پایداری متوسط مانند کاغذ ، فیلم پلاستیکی ، سرامیک با کیفیت بالا.

capacitor های قطبی مانند Electrolytic ، Tantalum

نرخ ولتاژ خازن

تمام خازنها دارای حداکثر ولتاژ هستند و هنگام انتخاب خازن باید به میزان ولتاژ مورد استفاده در خازن توجه شود.

حداکثر مقدار ولتاژ قابل استفاده در‌خازن بدون آسیب به ماده دی‌الکتریک آن به‌طور کلی در برگه‌های داده‌ها به‌ شرح زیر‌است:

 WV ، (ولتاژ کار) یا به عنوان WV DC ، (ولتاژ کار DC).

اگر‌ولتاژ اعمال‌شده در‌خازن خیلی بزرگ‌شود،‌دی‌الکتریک متلاشی می‌شود‌(معروف به خرابی الکتریکی است)‌و قوس بین صفحات خازن و در‌نتیجه اتصال‌کوتاه اتفاق می‌افتد.

ولتاژ کار خازن بستگی به نوع ماده دی‌الکتریک مورد استفاده و ضخامت آن دارد.

ولتاژ کار DC یک capacitor فقط این است که حداکثر ولتاژ DC و حداکثر ولتاژ AC به عنوان خازن

 با ولتاژ DC ولتاژ ۱۰۰ ولت نمی‌تواند به طور ایمن در معرض ولتاژ متناوب ۱۰۰ ولت قرار گیرد.

از‌آنجا که یک ولتاژ متناوب که یک مقدار‌موثر از ۱۰۰ ولت دارد، حداکثر مقدار بالای ۱۴۱ ولت‌را دارد!‌(۲ * ۱۰۰).

سپس یک خازن مورد نیاز برای کار با ولتاژ 100 ولت باید ولتاژ حداقل 200 ولت داشته باشد.

 در‌عمل،‌یک خازن باید طوری‌انتخاب‌شود که ولتاژ کار‌آن یا DC یا AC حداقل 50‌درصد‌بیشتر از‌بالاترین ولتاژ مؤثر ‌برای آن اعمال شود.

فاکتور دیگری که بر عملکرد خازن تأثیر می‌گذارد ، نشت دی-‌الکتریک است.

نشت دی‌الکتریک در‌یک خازن به عنوان یک نتیجه از‌جریان نشت ناخواسته که از‌طریق ماده دی الکتریک جریان می‌یابد رخ می‌دهد.

بطور کلی فرض بر این است که مقاومت دی‌الکتریک بسیار بالا است و یک عایق مناسب که

 جریان DC را از طریق capacitor (مانند یک خازن کامل) مسدود می‌کند از یک صفحه به صفحه دیگر

 جلوگیری می‌کند.

اما اگر ماده دی‌الکتریک به دلیل ولتاژ بیش از‌حد دما آسیب ببیند جریان نشت از‌طریق دی الکتریک بسیار زیاد می‌شود.

در نتیجه از دست‌دادن سریع بار در‌صفحات و گرمای بیش از حد خازن در‌نهایت منجر به نارسایی زودرس خازن می‌شود.

سپس هرگز از‌یک خازن در‌مدار با ولتاژ بالاتر‌از ظرفیت خازن استفاده نکنید زیرا در‌غیر‌این صورت ممکن است داغ‌و‌منفجر شود.

خلاصه معرفی خازن-ها

ما در این آموزش دیده ایم که کار یک خازن ذخیره بار الکتریکی روی صفحات آن است.

مقدار بار‌الکتریکی که یک خازن می‌تواند در‌صفحات خود ذخیره‌کند به عنوان ظرفیت‌خازن آن شناخته می‌شود و‌به سه عامل‌اصلی بستگی دارد.

• مساحت سطح : مساحت‌سطح ، A از‌دو‌صفحه رسانا كه خازن را تشكيل مي‌دهند ، هر‌چه مساحت بزرگتر‌باشد، ظرفيت آن بيشتر‌مي‌شود.
• فاصله : فاصله، بین d دو صفحه، فاصله کمتر از ظرفیت خازن بیشتر است.
• مواد دی‌الکتریک‌: ‌نوع ماده‌ای که دو‌صفحه را‌با نام‌”دی الکتریک”‌از هم جدا‌می کند، هرچه تراکم دی‌الکتریک بیشتر‌باشد از‌ظرفیت خازنی بیشتر است.

همچنین مشاهده کردیم که یک‌ capacitor متشکل از‌صفحات فلزی است که به هم نمی‌رسد اما توسط ماده‌ای به نام دی‌الکتریک جدا‌شده‌اند.

دی‌الکتریک یک خازن می‌تواند هوا یا حتی خلاء باشد اما به طور کلی یک ماده عایق غیر رسانا

است مانند کاغذ موم شده، شیشه، میکا انواع مختلف پلاستیک و غیره.

دی-‌الکتریک مزایای زیر را ارائه می‌دهد:

• ثابت دی‌الکتریک، خاصیت ماده دی‌الکتریک است و از‌ماده‌ای به دیگری تغییر می‌کند و خازن را با فاکتور k افزایش می‌دهد.
• دی‌الکتریک پشتیبانی مکانیکی بین دو صفحه را فراهم می‌کند و باعث می‌شود صفحات بدون لمس به هم نزدیک شوند.
• مجاز بودن دی‌الکتریک باعث افزایش ظرفیت می‌شود.
• دی‌الکتریک حداکثر ولتاژ کار را نسبت به هوا افزایش می‌دهد.

از خازن‌ها می‌توان در بسیاری از برنامه‌ها و مدارهای مختلف مانند مسدود‌کردن جریان DC

 هنگام عبور سیگنال‌های صوتی، پالس ها، یا جریان متناوب، یا زمان‌های دیگر متفاوت از موج استفاده کرد.

این توانایی برای جلوگیری از جریانهای DC ، از خازنها برای صاف کردن ولتاژهای خروجی منبع

 تغذیه، از بین بردن لکه‌های ناخواسته از سیگنالهایی استفاده می‌کند که در غیر این صورت

 باعث آسیب یا تحریک کاذب نیمه هادی ها یا قطعات دیجیتال می‌شوند.

همچنین‌می‌توان از‌خازن‌ها برای تنظیم پاسخ فرکانس مدار‌صوتی استفاده‌کرد، یا برای تقویت مراحل تقویت کننده جداگانه که باید از‌انتقال جریان‌DC‌محافظت شود.

در ولتاژ DC یک capacitor دارای امپدانس نامتناهی (مدار باز) است، در‌فرکانس های بسیار‌زیاد یک خازن‌دارای مقاومت‌امپدانس صفر‌(اتصال کوتاه)‌است.

کلیه خازنها دارای حداکثر‌ولتاژ کار هستند، ولتاژ آن DC است‌بنابراین یک خازن با حداقل 50٪ بیشتر از‌ولتاژ‌منبع را انتخاب کنید.

انواع زیادی از‌سبک ها و انواع خازن‌ها وجود دارد که هر‌کدام مزیت، مضرات و ویژگی های خاص خود را دارند.

این بخش آموزشی در مورد capacitor ها بسیار‌بزرگ است و در‌پست های بعدی حتما انواع خازن‌ها را بررسی خواهیم کرد.

پس با دنیای الکترونیک همراه باشید.

مطالب مربوط به مقاومت ها رو از اینجا مطالعه بفرمایید.