خازن در مدارهای الکترونیکی
خازن مانند باتری کار می کند. اساس خازن بسیار ساده و قابل درک است، اما در بسیاری از انواع مدارها نقش مهمی دارد.
خازن یک قطعه الکتریکی است که از دو صفحه فلزی تشکیل شده است و مابین این دو صفحه ماده ای به نام دی الکتریک (عایق) قرار دارد و انرژی الکتریکی در این ماده ذخیره می شود و به صورت میدان الکترواستاتیکی از بین دو صفحه فلزی آن عبور می کند و دو سیم متصل به دو صفحه که انرژی را منتقل می کند. بدنه آن در یک حفاظ بسته بندی شده است.
جنس صفحات هادی الکتریکی الکترولیت رسانا، لایه های نازک، دانه های متخلخل فلز و فویل های نازک است. و مواد مورد استفاده در دی الکتریک پلاستیک، شیشه، سرامیک، خلا، میکا، کاغذ، لایه های اکسید و غیره می باشد.
همانطور که در تصویر مشاهده می کنید، خازن ها به شکل لوله مانند با دو سیم ساخته می شوند که برای اتصال در مدار استفاده می شوند. خازن ها با توجه به نقشی که در مدار دارند در ظرفیت های مختلفی ساخته می شوند. ظرفیت خازن عمدتاً به مساحت صفحات، فاصله صفحات و ویژگی های دی الکتریک بین دو صفحه بستگی دارد و در بسیاری از پروژه های الکترونیکی و الکتریکی استفاده می شود. ظرفیت خازن بر حسب فاراد است که معمولا از چند پیکو فاراد تا چند فاراد می توان آن ها را یافت. برای افزایش یا کاهش این ظرفیت می توان به ترتیب با موازی و سری کردن آن ها به این مهم دست یافت.
ظرفیت خازن به عنوان نسبت بار الکتریکی Q به اختلاف پتانسیل V در دو سر صفحه رسانا تعریف می شود.
C = Q / V
بنابراین وقتی می گوییم خازن ما یک فاراد ظرفیت دارد یعنی اینکه خازن بتواند یک آمپر در ثانیه الکترون را در یک ولت با سرعت یک کولن الکترون در ثانیه نگهداری کند.
تاریخچه خازن:
تکامل و شکل گیری خازن ها به شکل جالبی اتفاق افتاد. در قرن ششم، دانشمند یونانی "Thales of Mileus" کهربا را به خز حیوانات مالید. کهربا توانایی برداشتن تکه های کوچک مواد را به دست آورد. پس از گذشت چندین هزار سال (در قرن هجدهم) تغییرات زیادی رخ داد. فون کلایست اولین خازن عملی را ساخت. او یک بطری پزشکی برداشت و تا حدودی آن را با آب پر کرد و سپس آن را با چوب پنبه به خوبی مهر و موم کرد. بعداً یک میخ را از چوب پنبه به داخل آب فشار داد. بعد، میخ با دستگاه الکترواستاتیک تماس پیدا کرد و اینکار منجر به تولید مقداری بار الکتریکی شد. وقتی فون کلایست می خواست میخ را لمس کند، احساس کرد که بارهای جدا شده می توانند با جریان یافتن در بدن خودش دوباره به هم متصل شوند. ون موشنبروک آزمایشی انجام داد که می توان گفت اولین خازن عملیاتی است. آزمایش او تقریباً شبیه آزمایش فون کلایست بود. با این حال، او فقط آب را از بطری خارج کرد و از فویل فلزی برای پیچیدن داخل و خارج شیشه استفاده کرد. یک زنجیر فلزی وجود داشت که از چوب پنبه بالای بطری عبور می کرد. این زنجیر با چیزی قلاب شده بود که باعث تولید بار الکتریکی می شد. در لحظه تحویل بار، بطری دو بار مساوی اما مخالف را در حالت تعادل نگه می داشت تا زمانی که با سیمی به هم متصل شوند که جرقه یا شوک ایجاد می کرد.
دانشمندی به نام دانیل گرلات اولین کسی بود که چندین شیشه را به صورت موازی ترکیب کرد و یک باتری را تشکیل داد.
شیشه های مربا به صورت موازی
این آزمایش توسط دانشمند بزرگ بنجامین فرانکلین ادامه یافت. او گفت که بار الکتریکی در لیوان ذخیره شده است، نه در آب. بنابراین، این باعث شد که آن را با یک کاغذ روغنی ورق مانند دی الکتریک که در بین ورق های فویل های فلزی که در یک بسته بندی کوچک نورد شده یا تا شده بودند، جایگزین کند. سرانجام، زمانی که میشل فارادی دانش و آزمایشات خودش را اضافه کرد، آزمایش شکل خوبی به خود گرفت. او مفهوم ثابت دی الکتریک را مطرح کرد. او نه تنها اولین خازن عملی ثابت و خازن متغیر را اختراع کرد، بلکه اولین خازن قابل استفاده را که از بشکه های بزرگ نفت ساخته شده بود، اختراع کرد.
نمادهای مختلف در خازن های متفاوت
خازن ها بر حسب واحد فاراد اندازه گیری می شوند. اکثر مقادیر در میکرو فاراد هستند. میکروفاراد یک میلیونم فاراد است. پیکو فاراد یک میلیونم میکرو فاراد است. در کارهای رادیویی استفاده می شود. اندازه خازن پیکو فاراد بزرگتر از خازن میکرو فاراد است. برخی از خازن ها مانند مقاومت ها غیر قطبی هستند. آنها را می توان به هر صورت در یک مدار قرار داد. خازن های الکترولیتی دارای آند و کاتد هستند که باید در جهت خاصی قرار گیرند. خازن های الکترولیتی پس از 2000 ساعت در دمای 105 درجه سانتیگراد تبخیر می شوند.
ساختار خازن ها:
اساس خازن از دو فلز صفحه ای ساخته شده است که توسط یک ماده دی الکتریک از هم جدا شده اند.
از این مفهوم اصلی ساختار، خازن ها به مدل های مختلف زیادی تبدیل شده اند.
خازن های واقعی با نوارهای نازک از فویل فلزی به عنوان صفحات رسانا و مواد دی الکتریک و سپس ساندویچ کردن آنها با هم همانند شکل زیر ساخته می شوند.
خازن های آلومینیومی
در خازن های الکترولیتی آلومینیومی، یک فویل آلومینیومی، یک الکترولیت و کاغذ متخلخل وجود دارد.
خازن های سرامیکی
در خازن های سرامیکی، سرامیک به عنوان یک ماده دی الکتریک عمل می کند.
خازن ها با دی الکتریک هوا
در خازن های هوایی، هوا به عنوان یک محیط دی الکتریک استفاده می شود. در آینده به دلیل فناوری پیشرفته خازن ها با استفاده از انواع مواد دی الکتریک ساخته می شوند که آنها را ساده، چند منظوره و همچنین اقتصادی می کند.
اساس کارکرد خازن ها
در یک خازن با یک منبع تغذیه متصل شده به آن، جریان شروع به عبور از خازن می کند. هنگامی که هر دو صفحه توسط یک محیط دی الکتریک از هم جدا می شوند، بار وارد می شود. الکترون هایی که ذرات با بار منفی هستند روی یکی از صفحات قرار می گیرند. این باعث می شود صفحه مربوطه دارای بار منفی شود. این توده بزرگ از بارهای منفی با بارهای مشابه در صفحه دیگر دفع می شود و آن را بار مثبت می کند. اکنون، این بارهای منفی و مثبت تمایل جذب به یکدیگر را دارند که به دلیل جدا شدن آن ها توسط یک ماده عایق به نام دی الکتریک، تولید یک میدان الکتریکی در بین صفحات می کند. این پدیده درست مانند ذخیره انرژی در باتری است.
بارهای مثبت و منفی سعی می کنند به هم نزدیک شوند و یک جرم کامل را روی صفحات خازن تشکیل دهند، خازن باردار می شود. خازن این توانایی را دارد که میدان الکتریکی خود را حفظ کند. این بدان دلیل است که هر دو بار مثبت و بار منفی یکدیگر را جذب می کنند، اما هرگز به یکدیگر نمی رسند. در نقطه اشباع، صفحات خازن به طور کامل شارژ می شوند و نمی توانند بار بیشتری را بپذیرند. این مرحله به عنوان ظرفیت خازن نامگذاری می شود.
خازن پلاریزه
خازن پلاریزه را خازن های الکترولیتی نیز می نامند. این نوع خازن در کاربردهای DC، جریان نشتی بالاتر، پاسخ فرکانس پایین و ظرفیت بالا استفاده می شود. در صورت اتصال اشتباه به عنوان یک اتصال کوتاه عمل می کند و ماده دی الکتریک داخال ان شروع به شکست عایقی و اصطلاحاً سوختن خازن می شود. این خازن ها عمدتاً در تنظیم ولتاژ و صاف کردن ریپل(موجک) منبع تغذیه کاربرد دارند.
یکی دیگر از انواع خازن های قطب دار (پلاریزه) خازن تانتالیوم است. این نوع خازن همانند خازنهاي الكتروليت معمولاً ولتاژ كمي دارند . اين خازن ها معمولاً در سايز هاي كوچك و البته گران تهيه مي شوند و بنابراين يك ظرفيت بالا را در سايزي كوچك را ارائه مي دهند .
در خازنهاي تانتاليوم جديد ، ولتاژ و ظرفيت بر روي بدنه آنها نوشته شده ولي در انواع قديمي از يك نوار رنگي استفاده مي شود كه مثلا دو خط دارد ( براي دو رقم ) و يك نقطه رنگي براي تعداد صفرها وجود دارد كه ظرفيت بر حست ميكروفاراد را مشخص مي كنند برتری خازنهای تانتال نسبت به خازنهای دیگر، وزن کم آن و داشتن ظرفیت خازنی زیاد آن است.
خازن های غیرپلاریزه
یک خازن غیر پلاریزه در کاربرد های AC استفاده می شود. هنگامی که دو خازن پلاریزه یکسان پشت به پشت با یکی از آنها به صورت معکوس متصل می شوند، آنگاه به عنوان یک خازن غیر قطبی با تنها نیمی از ظرفیت خود عمل می کنند. اما این مدل در فرکانس های پایین کارایی دارد. اگر مدار ما در فرکانس بالا کار می کند این روش اصلاً مناسب نیست و باید از خازن غیر پلاریزه استفاده شود. مثل خازن هایی که در بلندگوها استفاده می شود.
انواع مختلف خازن ها
خازن های الکترولیتی
خازن های الکترولیتی خازن های پلاریزه ای هستند که دارای آند و کاتد هستند. آنها از ثابت دی الکتریک با لایه اکسید آلومینیوم روی صفحات خازن استفاده می کنند. این نوع دی الکتریک بزرگتری نسبت به مواد دی الکتریک معمولی دارد و منجر به ظرفیت های بزرکتر و ذخیره بار الکتریکی بیشتر می شود.
اساس ساختار خازن های الکترولیتی
بطور کلی اساس خازن از دو صفحه رسانا و یک ماده دی الکتریک تشکیل شده است. اما در خازن الکترولیتی، دو صفحه رسانا و فویل دی الکتریک کمی متفاوت هستند. یکی از صفحات با یک لایه اکسید پوشیده شده و کاغذ دی الکتریک در الکترولیت که در بین صفحات قرار می گیرد خیس می شود. فویل عایق شده با یک لایه اکسید همان پایه آند (پایه مثبت) است. ضخامت اکسید آند یک لایه نازک است. فویل دوم به عنوان یک کاتد (پایه منفی) عمل می کند. این مجموعه باید با هم بسته بندی شود و یک استوانه تشکیل شود. در حال حاضر، این در یک قوطی آلومینیومی قرار می گیرد تا از آن در برابر فشارهای بیرونی محافظت شود. هنگام ساخت خازن الکترولیتی، استفاده از فویل آند با خلوص بالا ضروری است. ضخامت کلی، 20 میکرومتر و 50 میکرومتر خواهد بود.
عمدتاً در کاربردهای نظامی و فضایی و همچنین در دستگاه‌هایی که نیاز به جریان‌های نشتی بسیار کم یا ویژگی‌های عمر طولانی دارند و همچنین برای تولید دماهای بالا تا ۱۲۵ درجه سانتیگراد استفاده می‌شود
خازن های سرامیکی
خازن های سرامیکی دارای مقادیر ثابتی هستند که نمی توان آنها را تغییر داد. در این خازن، سرامیک به عنوان دی الکتریک عمل می کند و دو الکترود رسانای آن در دو انتهای خود قرار دارند. خازن های سرامیکی در سه نوع اصلی موجود می باشند:
خازن های سرامیکی چند لایه نصب شده روی سطح
خازن سرامیکی دیسک سرب
خازن سرامیکی مایکروویو لخت دیسک بدون سرب
خازنهای سرامیکی در درجه‌بندی‌های کوچک‌تر، معمولاً بین 1nf و 1uf در دسترس هستند، اگرچه مقادیر تا 100uf نیز امکان‌پذیر است. اینها اندازه کوچکی دارند و دارای ولتاژ پایینی هستند. این یک خازن غیر پلاریزه است و می تواند به منبع AC متصل شود.
نماد خازن سرامیکی در مدارها به صورت زیر است:
ساختار خازن های سرامیکی
خازن های سرامیکی از گرانول های ریز آسیاب شده از پاراالکتریک یا فروالکتریک ساخته شده اند. اینها به گونه ای مخلوط می شوند تا ویژگی های مورد نظر را بدست آورند. تولید کننده، آنها را با دیسک های سرامیکی می پوشاند و از کنتاکت های نقره در دو طرف استفاده می کند. برای به دست آوردن ظرفیت بزرگ، این قطعات از چندین لایه (مولتی لایر) تشکیل شده اند.
کاربردهای خازن های سرامیکی چندلایه شامل لوازم الکترونیکی مصرفی، پردازش داده ها، دیسک های سخت، دوربین های ویدئویی، دی وی دی، تلفن های همراه، مدارهای الکترونیکی عمومی و مخابرات می باشد.
علاوه‌بر خازنهای سرامیکی نوع DIP (دو پایه بلند)، خازنهای سرامیکی SMD با تکنولوژی Surface mount (نصب سطحی) نیز وجود دارند. جالب اینجاست که امروزه اگر خازنهای سرامیکی نوع DIP را بشکنید، یک خازن SMD خواهید دید که به سرب زیر پایه‌ها چسبانده شده‌است. میزان حجم تولید و صرفه‌جویی اقتصادی این حجم تولید از خازنهای SMD، قرارگیری یک پکیج SMD در یک پکیج DIP را برای تولیدکنندگان ارزانتر ساخته‌است. خازنهای سرامیکی SMD ، رنج ظرفیت خازنی بالایی را به ازای ابعاد کوچکشان فراهم می‌کنند.
نمونه ای از خازن چند لایه سرامیکی smd
نمونه هایی از خازن های سرامیکی DIP
خازن متغیر
خازن های متغیر به دو روش مکانیکی و الکتریکی تولید می شوند. آنها بیشتر در مدارهای L/C برای تنظیم مدارهای رزونانس استفاده می شوند. خازن های متغیر در رادیو، تلویزیون و غیره استفاده می شوند.
خازن در موارد زیر استفاده می شوند:
برای مسدود کردن جریان DC و اجازه عبور جریان AC
برای کوپل کردن مدارها به همدیگر
برای ارسال سیگنال های مورد نظر به هر بخش
برای تغییر فاز
برای ایجاد زمان تاخیر
برای زمین کردن فرکانس های نامطلوب
برای ایجاد گشتاور نرم در استارت موتورها
برای فیلتر کردن امواج در مدار یکسو کننده
کاربردهای خازن
خازن به عنوان فیلتر: خازن ها توانایی تشکیل فیلتر پایین گذر و فیلتر بالاگذر را دارند. راکتانس خازن با فرکانس نسبت عکس دارد. بنابراین، ما می توانیم هر مداری را در یک فرکانس مشخص کاهش یا افزایش دهیم.
خازن به عنوان واحد تخلیه: خازن دارای خاصیت شارژ و دشارژ است. این کاربرد را می توان برای تحریک، احتراق و تحریک برای منابع انرژی در مقیاس بالا استفاده کرد.
خازن های اسنابر: برای محدود کردن ولتاژ بالا گذرا در مدارها استفاده می شود. معمولاً در مدارهای موتوری که ترایاک به عنوان کلید عبور دهنده جریان است کاربرد دارد.
نحوه خواندن مقادیر ظرفیت خازن ها
خازن ها چه پلاریزه و چه غیر پلاریزه دارای دو پارامتر مهم برای خواندن دارند. ظرفیت و ولتاژ کاری
همانطور که در بالا اشاره شد منظور از ظرفیت حد بالای اشباع بار الکتریکی بر روی صفحات رسانا است و منظور از ولتاژ کاری حداکثر ولتاژ قابل تحمل که می توان به دو سر خازن اعمال داد.
در خازنهای الکترولیتی که ظرفیت بسیار بالایی دارند ظرفیت و ولتاژ همه ی آنها بر روی بدنه شان نوشته شده است.
در خازن های عدسی و پلی استر معمولاً عدد 1، 2 یا 3 رقمی بر روی بدنه آنها درج شده است که مقدار ظرفیت این نوع خازن را مشخص می کنند و نحوه تشخیص ظرفیت بدین صورت است: اگر عدد 1 یا 2 رقمی بر روی بدنه این خازنها درج شده بود همان عدد مقدار ظرفیت خازن بر حسب pF (پیکو فاراد) ، و اگر عدد 3 رقمی بر روی بدنه آنها نوشته شده بود، (مثلاً 223) دو رقم سمت چپ را می نویسیم (یعنی 22) و به جای شماره رقم سمت راست صفر می گذاریم (یعنی 22000) و این عدد بیانگر مقدار خازن بر حسب pF است.
برای مثال اگر روی خازنی عدد 684k نوشته شده باشد به این معنی است که ظرفیت این خازن برابر است با : 10000×68 پیکوفاراد یعنی 680 نانو فاراد یا 0.68 میکرو فاراد. و به عبارت ساده تر اگر روی خازنی عدد 103 نوشته شده باشد دو عدد اولی(10) را نوشته و بر حسب عدد سوم (3) مقابلش صفر می گذاریم که عدد حاصله (10000) بیانگر ظرفیت خازن بر حسب پیکو فاراد می باشد و در صورت تقسیم این مقدار بر عدد 1000ظرفیت خازن بر حسب نانو فاراد بدست می آید(10nf). حروف نیز به ترتیب بیانگر خطاهای پنج درصد برای j ده درصد برای k و بیست درصد برای m می باشند.
جدول خازن سرامیکی
در اینجا، همه چیز را در مورد نحوه تکامل و انواع مختلف خازن ها آشنا شدیم. خازن ها در منبع تغذیه بدون موجک، کوپلینگ فرکانس صوتی، کوپلینگ RF و در مدارهای تنظیم استفاده می شوند.😎
دیدگاه خود را بنویسید