خازن چیست؟
خازن وسیله‌ای الکتریکی است که انرژی الکتریکی را به‌صورت میدان الکتریکی ذخیره می‌کند. این دستگاه از دو صفحه رسانا تشکیل شده که بین آن‌ها ماده‌ای به نام دی‌الکتریک قرار دارد. خازن‌ها می‌توانند بار الکتریکی را جمع‌آوری و در خود ذخیره کنند و سپس در زمان نیاز، آن را تخلیه کنند.
ظرفیت (که با واحد فاراد اندازه‌گیری می‌شود) نشان‌دهنده توانایی آن برای ذخیره بار است. از این قطعه در کاربردهای مختلف مانند صاف کردن ولتاژ در مدارهای الکتریکی، مدارهای تایمینگ، تنظیم فرکانس، و ذخیره انرژی استفاده می‌شود.
اجزای اصلی خازن کدامند؟
- صفحات رسانا: این دو صفحه معمولا از جنس فلز هستند و نقش ذخیره بار الکتریکی را دارند.
- دی‌الکتریک: ماده‌ای که بین دو صفحه قرار می‌گیرد و مانع از برخورد مستقیم الکترون‌ها بین صفحات می‌شود و باعث افزایش ظرفیت می‌شود.
کاربردهای اصلی خازن چیست؟
- ذخیره انرژی
- فیلترینگ در منابع تغذیه
- تنظیم و کنترل فرکانس در مدارها
- حذف نویز در مدارهای الکترونیکی
نحوه کار خازن به چه صورت است؟
نحوه کار خازن به این صورت است که انرژی الکتریکی را از طریق تجمع بارهای الکتریکی در دو صفحه خود ذخیره می‌کند. وقتی یک ولتاژ اعمال می‌شود، بارهای مثبت و منفی به ترتیب در دو صفحه رسانا جمع می‌شوند. این بارها توسط میدان الکتریکی که بین دو صفحه شکل می‌گیرد، نگه داشته می‌شوند.
نحوه دقیق عملکرد خازن در چند مرحله ساده توضیح داده می‌شود:
-
شارژ شدن خازن:
وقتی ولتاژ به خازن متصل می‌شود،
الکترون‌ها از یک صفحه به صفحه دیگر منتقل می‌شوند. صفحه‌ای که به قطب مثبت منبع ولتاژ وصل است، الکترون‌ها را از دست داده و مثبت می‌شود، در حالی که صفحه‌ای که به قطب منفی وصل است، الکترون‌ها را دریافت کرده و منفی می‌شود. بین این دو صفحه، میدان الکتریکی ایجاد می‌شود که انرژی الکتریکی را ذخیره می‌کند.
ماده دی‌الکتریک که بین صفحات قرار دارد، به عنوان عایق عمل کرده و مانع عبور مستقیم جریان الکتریکی بین صفحات می‌شود، در عین حال میدان الکتریکی را در خود ذخیره می‌کند.
-
ذخیره انرژی:
وقتی خازن به‌طور کامل شارژ می‌شود، جریان الکتریکی قطع شده و خازن دیگر نمی‌تواند بار بیشتری ذخیره کند. در این حالت، انرژی به‌صورت میدان الکتریکی بین صفحات ذخیره می‌شود. این انرژی ذخیره شده به صورت: E=1/2CV^2 بیان می‌شود، که در آن:
-
تخلیه خازن:
وقتی مدار بسته‌ای به قطعه متصل شود (مثلاً یک مقاومت)، بارهای الکتریکی در این قطعه به تدریج از یک صفحه به صفحه دیگر حرکت می‌کنند و جریان الکتریکی ایجاد می‌شود. در این فرآیند، انرژی در میدان الکتریکی به‌صورت جریان الکتریکی در مدار آزاد می‌شود.
-
رفتار خازن در جریان‌های متناوب (AC):
در مدارهای جریان متناوب (AC)، خازن به صورت دوره‌ای شارژ و تخلیه می‌شود، چون ولتاژ مدام تغییر می‌کند. دراین حالت، خازن مقاومت خاصی به نام راکتانس ایجاد می‌کند که به فرکانس سیگنال و ظرفیت بستگی دارد.
انواع خازن کدامند؟
خازن‌ها بر اساس نوع ماده دی‌الکتریک و نحوه ساخت، به انواع مختلفی تقسیم می‌شوند. هر نوع ویژگی‌های خاصی دارد که آن را برای کاربردهای مختلف مناسب می‌سازد. در زیر به انواع رایج آن ها اشاره می‌کنیم:
-
خازن سرامیکی (Ceramic Capacitors)
این خازن‌ها از یک ماده دی‌الکتریک سرامیکی ساخته می شوند و معمولاً کوچک و سبک هستند. از ویژگی‌های این خازن‌ها می‌توان به ظرفیت پایین و پایداری ولتاژ بالا اشاره کرد.
کاربردها: استفاده در مدارهای RF، فیلترهای فرکانسی و مداراتی که نیاز به پاسخ سریع دارند.
-
خازن الکترولیتی (Electrolytic Capacitors)
این خازن‌ها از یک لایه دی‌الکتریک الکترولیت استفاده می‌کنند و ظرفیت بسیار بالایی دارند. خازن‌های الکترولیتی دو نوع اصلی دارند:
آلومینیومی: معمول‌ترین نوع الکترولیتی که در مدارهای تغذیه به‌کار می‌روند.
تانتالیومی: کوچک‌تر و با عملکرد بهتر در ولتاژهای پایین‌تر.
کاربردها: در منابع تغذیه، مدارهای فیلترینگ و مدارهای تایمینگ استفاده می‌شوند.
-
خازن فیلمی (Film Capacitors)
خازن‌های فیلمی از یک لایه نازک پلیمر یا فلز به عنوان دی‌الکتریک استفاده می‌کنند. این خازن‌ها مقاومت بسیار بالایی در برابر تغییرات ولتاژ و دما دارند و پایداری خوبی ارائه می‌دهند.
کاربردها: در کاربردهای ولتاژ بالا و مدارهای فرکانس پایین استفاده می‌شوند.
-
خازن ورقه‌ای (Paper Capacitors)
این خازن‌ها از کاغذ آغشته به روغن به عنوان دی‌الکتریک استفاده‌می‌کنند. این نوع خازن‌ها در مدارهایی با ولتاژ بالا و بارهای سنگین کاربرد دارند.
کاربردها: در سیستم‌های ولتاژ بالا و فیلترهای برق استفاده می‌شود.
-
خازن های میکا (Mica Capacitors)
این خازن‌ها از ماده معدنی میکا به عنوان دی‌الکتریک استفاده می‌کنند که باعث ایجاد دقت و پایداری بسیار بالا در این نوع خازن‌ها می‌شود. همچنین، این خازن‌ها دارای ضریب دمایی پایینی هستند.
کاربردها: در مدارهای فرکانس بالا و رادیویی که نیاز به دقت زیاد دارند، استفاده می‌شوند.
-
خازن سوپر (Super Capacitors)
این خازن ها به عنوان خازن‌های با ظرفیت بسیار بالا شناخته می‌شوند و می‌توانند مقدار زیادی انرژی ذخیره کنند. ظرفیت این خازن‌ها از چند فاراد تا چند هزار فاراد است.
کاربردها: در ذخیره انرژی، سیستم‌های UPS، باتری‌های پشتیبان، و سیستم‌های هیبریدی استفاده می‌شوند.
-
خازن متغیر (Variable Capacitors)
این خازن ها امکان تغییر ظرفیت دارند و از دی‌الکتریک‌های قابل تنظیم استفاده می‌کنند. معمولاً در رادیوهای آنالوگ و دستگاه‌هایی که تنظیم دقیق فرکانس لازم است، به کار می‌روند.
کاربردها: تنظیم فرکانس در مدارهای رادیویی و الکترونیکی.
-
خازن پلی‌استر (Polyester Capacitors)
خازن های پلی‌استر از مواد پلیمری به عنوان دی‌الکتریک استفاده می‌کنند. این خازن‌ها دارای پایداری دمایی خوبی هستند و در کاربردهای عمومی استفاده می‌شوند.
کاربردها: فیلترهای نویز و مدارهای تایمینگ.
-
خازن‌های عدسی (Disc Capacitors)
این نوع خازن ها کوچک و با دی‌الکتریک سرامیکی هستند. این نوع خازن ها به دلیل کوچک بودن، در مدارهای الکترونیکی جمع‌وجور کاربرد دارند.
کاربردها: در مدارهای کوچک الکترونیکی و بردهای PCB.
میکرو خازن چیست؟
میکروخازن نوعی خازن کوچک با ظرفیت الکتریکی در مقیاس میکروفاراد (μF\mu FμF) است. در این نوع خازن ها، ظرفیت ذخیره‌سازی بار الکتریکی در مقیاس کوچک‌تری نسبت به خازن های بزرگ‌تر است. میکروخازن‌ها به دلیل اندازه کوچک و ظرفیت متناسب خود در مدارهای الکترونیکی پرکاربرد هستند.
خازن چگونه بارالکتریکی را در خود ذخیره می کند؟
خازن‌ها بار الکتریکی را با استفاده از دو صفحه فلزی رسانا و یک ماده عایق (دی‌الکتریک) که بین آن‌ها قرار دارد، ذخیره می‌کنند. فرآیند ذخیره‌سازی بار در خازن به این صورت است که با اعمال ولتاژ به صفحات، بارهای الکتریکی به‌صورت مخالف در صفحات ذخیره می‌شوند و این بارها توسط میدان الکتریکی که بین صفحات ایجاد می‌شود، نگهداری می‌شوند.
-
اتصال خازن به منبع ولتاژ:
وقتی یک خازن به منبع ولتاژ (مانند باتری یا منبع جریان) متصل می‌شود، یک صفحه به قطب مثبت و صفحه دیگر به قطب منفی منبع متصل می‌شود.
-
تجمع بارهای الکتریکی در صفحات:
با اتصال به منبع ولتاژ، الکترون‌ها از یکی از صفحات (صفحه متصل به قطب مثبت) خارج می‌شوند و به صفحه دیگر (صفحه متصل به قطب منفی) منتقل می‌شوند.
صفحه‌ای که الکترون‌ها را از دست می‌دهد، بار مثبت پیدا می‌کند و صفحه‌ای که الکترون‌ها را دریافت می‌کند، بار منفی پیدا می‌کند.
این بارها در صفحات ذخیره می‌شوند و به دلیل عایق بودن دی‌الکتریک بین صفحات، نمی‌توانند از یک صفحه به صفحه دیگر عبور کنند.
-
ایجاد میدان الکتریکی بین صفحات:
با تجمع بارهای مخالف در صفحات، یک میدان الکتریکی بین آن‌ها شکل می‌گیرد. این میدان باعث می‌شود که بارها در صفحات نگه داشته شوند و از ترکیب دوباره جلوگیری شود.
قدرت این میدان الکتریکی به مقدار بار و فاصله بین صفحات بستگی دارد.
-
ذخیره انرژی در خازن:
انرژی الکتریکی به‌صورت میدان الکتریکی در دی‌الکتریک بین صفحات‌خازن ذخیره می‌شود.
فرمول محاسبه انرژی در خازن به شکل زیر است: E=1/2CV^2که در آن:
- E انرژی ذخیره شده (بر حسب ژول) است.
- C ظرفیت (بر حسب فاراد) است.
- V ولتاژ مربوطه (بر حسب ولت) است.
-
قطع منبع ولتاژ و حفظ بار:
پس از قطع منبع ولتاژ، بارها در صفحات خازن همچنان باقی می‌مانند، مگر اینکه مسیری برای تخلیه بار فراهم شود (مثلاً با اتصال به یک مقاومت یا مدار خارجی).
خازن به این ترتیب می‌تواند بار و انرژی الکتریکی را تا زمانی که تخلیه نشود، در خود نگه دارد.
شرکت مهندسی مهام نیروی لوت با هدف طراحی، تامین تجهیزات و نصب خطوط انتقال برق، پست های فشار قوی، تابلوهای برق فشار ضعیف، متوسط و قوی، کابل کشی ها در سایز های مختلف و نصب انواع ترانسفورماتورها با پیشرفته ترین و به روز ترین متدهای اجرایی، به کارفرمایان بخش دولتی و خصوصی و در استان کرمان تاسیس و راه اندازی شده است.