خازن ها قطعات الکترونیکی هستند که بار الکتریکی و انرژی الکتریکی را ذخیره می کنند. خازنها به طور معمول از دو صفحه رسانا تشکیل شده اند که توسط یک ماده دی الکتریک از هم جدا شده اند. این ماده دی الکتریک می تواند خلاء، هوا یا یک ماده عایق مانند سرامیک یا پلاستیک باشد. هنگامی که یک ولتاژ روی صفحات خازن اعمال می شود، بار الکتریکی روی صفحات جمع می شود و خازن انرژی را ذخیره می کند. ظرفیت خازن در واقع ویژگی اصلی یک خازن است که مشخص می کند چه مقدار بار را می تواند در یک ولتاژ معین ذخیره کند.
نحوه محاسبه ظرفیت خازن
ظرفیت خازن بر حسب فاراد (F) اندازه گیری و بیان می شود. عبارت فاراد به افتخار مایکل فارادی، یکی از پیشگامان صنعت برق، نامگذاری شده است. یک فاراد واحد بسیار بزرگی از ظرفیت خازن است و بیشتر خازن‌های مورد استفاده در الکترونیک دارای ظرفیت‌های بسیار کمتری هستند، معمولاً خازن ها در رنج‌های میکروفاراد (μF)، نانوفاراد (nF)، یا پیکوفاراد (pF) وجود دارند. البته باید اشاره کرد که ابرخازن ها که تکنولوژی جدید خازن ها هستند، در ظرفیت های چندین فاراد نیز وجود دارند که ظرفیت بسیار بزرگی است. مقدار ظرفیت خازن توسط عوامل مختلفی از جمله مساحت صفحات تشکیل دهنده، فاصله بین آن ها و مقدار ثابت دی الکتریک ماده بین صفحات تعیین می شود. برای یک خازن صفحه موازی، ظرفیت خازن را می توان با معادله زیر محاسبه کرد:
C = εr ε0 A / d
که در رابطه ی فوق، εr ضریب گذردهی نسبی ماده دی الکتریک بین صفحات است، که نشان می‌دهد چقدر قدرت ماده در ذخیره بار الکتریکی بهتر از خلاء است و ε0 ضریب گذردهی هوا است. همچنین، ظرفیت خازن می تواند تحت تأثیر شکل صفحات و آرایش صفحات مقادیر مختلفی داشته باشد. به عنوان مثال، یک خازن با صفحات استوانه ای شکل دارای ظرفیت متفاوتی نسبت به خازن با صفحات تخت خواهد بود.
اتصال خازن ها به صورت سری یا موازی
برای افزایش ظرفیت خازنها و یا دستیابی به یک مقدار ظرفیت خازن دلخواه، باید چندین خازن را به صورت سری و یا موازی بهم متصل کنیم. در این بخش روابط مربوط به سری یا موازی کردن خازن ها با یکدیگر بررسی شده است.
اتصال موازی
هنگامی که خازن ها به صورت موازی به همدیگر متصل می شوند، ظرفیت خازنی کل آنها افزایش می یابد. این بدان معنی است که ظرفیت کل ترکیب موازی برابر با مجموع ظرفیت های جداگانه می باشد. از نظر ریاضی می توانیم این را به صورت زیر بیان کنیم:
Ctotal = C1 + C2 + C3 + ... + Cn
که در شکل و رابطه‌ی بالا C1، C2، C3، ...، Cn ظرفیت خازن های جداگانه و Ctotal ظرفیت کل ترکیب موازی شده از دو سر AB است. به عنوان مثال، اگر دو خازن با ظرفیت 10 میکروفاراد (μF) و 20 میکروفاراد به صورت موازی متصل کنیم، ظرفیت کل خازنی که به دست آمده برابر با 30 میکروفاراد خواهد شد.
اتصال موازی خازن ها باعث افزایش ظرفیت موثر مدار می شود که می تواند در بسیاری از کاربردها مفید باشد. به عنوان مثال، در مدارهای فیلتر منبع تغذیه در بخش ولتاژ خروجی، خازن ها اکثرا به صورت موازی به هم متصل می شوند تا ریپل ولتاژ و نویز در ولتاژ خروجی کاهش یابد.
اتصال سری
هنگامی که خازن ها به صورت سری به یکدیگر وصل می شوند، ظرفیت کل آنها کاهش می یابد. در نتیجه ظرفیت موثر نیز کاهش می یابد. از نظر ریاضی، می توانیم ظرفیت کل ترکیب سری را به صورت زیر بیان کنیم:
که در رابطه و همچنین در شکل بالا، C1، C2، C3، ...، Cn ظرفیت خازن های جداگانه سری شده و Ctotal ظرفیت کل ترکیب سری از دو سر AB است. برای مثال، اگر دو خازن با ظرفیت‌های 10μF و 20μF داشته باشیم که به صورت سری به هم متصل شده‌اند، ظرفیت کل به صورت زیر محاسبه می‌شود:
هنگام سری کردن خازن ها، همیشه ظرفیت نهایی کوچکتر از کوچکترین خازن سری شده است. به طور مثال در مثال بالا، کوچکترین خازن 10 میکروفاراد است و ظرفیت کل 6.67 میکروفاراد است که از 10 میکروفاراد کوچکتر می‌باشد.
اتصال خازن ها به صورت سری، ظرفیت موثر مدار را کاهش می دهد، که می تواند در کاربردهایی که به ظرفیت کمتری نیاز است، مفید باشد. به عنوان مثال در مدارهای تایمر می توان از خازن های سری برای دستیابی به تاخیرهای زمانی دقیق استفاده کرد. باید به این نکته توجه داشت که در سری کردن خازنها، ولتاژی که روی هر خازن می افتد از مقدار مجاز آن فراتر نرود. چرا که خازن ها آسیب دیده و مواد دی الکتریک بین صفحات آنها دچار تجزیه و خرابی می شوند.
به طور کلی، ظرفیت خازن ها بسته به نحوه اتصال آنها در مدار تغییر می کند. هنگامی که خازنها به صورت موازی متصل می شوند، ظرفیت آنها افزایش می‌یابد، در حالی که در اتصال سری، ظرفیت آنها کاهش می یابد. بدین ترتیب درک اثرات نحوه اتصال خازن ها بر ظرفیت خازن برای طراحی و ساخت مدارهای الکترونیکی بسیار حائز اهمیت است.
جمع بندی
در این مقاله، ابتدا توضیحاتی در مورد ظرفیت خازن و نحوه محاسبه تئوری آن ارائه گردید. همچنین، در نهایت تاثیر نحوه اتصال خازن ها به صورت سری یا موازی برای دستیابی به ظرفیت های کمتر و بیشتر مورد بحث قرار گرفت.
تمامی موارد فوق را به صورت عملی همراه با نکات تجربی دیگر در مورد انواع خازنها و نکات تکمیلی هر کدام از آنها به طور کامل در دوره آموزش جامع الکترونیک بررسی کرده ایم.
در نهایت، از شما ممنون هستم که همراه ما بودید. لطفاً هر سوال یا ابهامی در مورد مطالب ارائه شده در این مقاله دارید حتما داخل کامنت ها بنویسید، به تمام سوالات پاسخ داده میشه. همچنین، اگه انتقاد یا پیشنهادی هم داشتید ممنون میشم که با ما در میان بذارید.
منابع: OpenStax Electronics Tutorials
