هرآنچیزی که باید در مورد شارژ و دشارژ خازن بدانید!

خازن یکی از پرکاربردترین قطعات الکترونیکی است که معمولاً در مدارات رادیویی، کامپیوترها و سایر وسایل الکترونیکی استفاده می شود. کار این قطعه الکترونیکی، ذخیره موقت انرژی و استفاده از این انرژی در مواقع نیاز است. در این مقاله، مطالب مربوط به شارژ و دشارژ خازن، معادلات ریاضی مورد نیاز و برخی کاربردهای عملی خازن ها در مدارهای الکترونیکی را بررسی خواهیم کرد.

شارژ و دشارژ خازن الکتریکی

وقتی که انرژی در یک خازن ذخیره می شود، یک میدان الکتریکی در خازن ایجاد می‌شود که این انرژی ذخیره شده با میدان الکتریکی داخل خازن مرتبط است. مطالعه خازن ها و ظرفیت خازن، ما را به یک جنبه مهم از میدان های الکتریکی هدایت می کند که انرژی میدان الکتریکی می‌باشد. تمامی خازن‌ها دارای ظرفیت به خصوصی می‌باشند که نمایانگر میزان انرژی الکتریکی قابل ذخیره در خازن‌‍‌ها هستند. واحد اصلی ظرفیت خازن فاراد (F) می‌باشد. معمولا، چون خازن‌های معمولی دارای ظرفیت پایین تری هستند، ظرفیت‌ها بر حسب میکرو، نانو و یا پیکو فاراد بیان می‌شود.

برای درک ظرفیت خازن، فرض کنید یک مخزن مایع (خازن) داریم که توسط پمپ (منبع ولتاژ) پر می‌شود. اگر به ریختن مایع در مخزن ادامه دهیم، سطح مایع همچنان بالا می‌ رود. به طور مشابه، اگر به یک خازن ولتاژ اعمال کنیم، پتانسیل آن افزایش می‌ یابد. در شکل زیر نحوه محاسبه ظرفیت خازن مشاهده می شود:

یکی از مهمترین ویژگی های خازن قابلیت شارژ و دشارژ آن است. هنگامی که یک خازن شارژ می شود، انرژی الکتریکی را ذخیره می کند و هنگامی که تخلیه می شود، این انرژی را آزاد می کند. درک فرآیند شارژ و دشارژ خازن برای طراحی و تحلیل مدارهای الکترونیکی بسیار مهم است. در ادامه، انواع مدارات شارژ و دشارژ خازن و روابط مداری حاکم بر آنها را بررسی خواهیم کرد.

انواع مدارات شارژ و دشارژ خازن

مقاومت ها و خازن ها دو بخش اساسی مورد استفاده در مدارهای الکتریکی و الکترونیکی می‌باشند. همچنین، ترکیب آنها می تواند انواع ساختارهای مداری را ایجاد کند. دو نوع ساختار اساسی برای شارژ و دشارژ خازن وجود دارد که عبارتند از:

• مدارات خازن-مقاومت(RC) سری شده
• مدارات خازن-مقاومت(RC) موازی

همانگونه که می‌دانیم در علم الکترونیک خازن با نماد C و مقاومت با نماد R نمایش داده می‌شود. در واقع، یک مدار RC موازی متشکل از یک مقاومت و خازن است که به صورت موازی به هم متصل شده اند. همچنین، یک مدار RC سری از مقاومت و خازن به صورت سری شده تشکیل می‌شود. شکل مربوط به مدارات RC سری و RC موازی را در ادامه مشاهده می فرمایید:

نکات مهم در شارژ و دشارژ خازن

یکی از نکات مهمی که باید در مورد خازن‌ها در نظر گرفت این است که خازن ها به هیچ عنوان نباید تحت عمل شارژ و دشارژ ناگهانی قرار گیرند. اگر رابطه I = C * dv/dt را در نظر بگیریم، جریان خازن (I) برابر است با ظرفیت خازن (C) ضرب در تغییرات ولتاژ (dv) نسبت به تغییرات زمان (dt). حال اگر، ولتاژ خازن در زمان بسیار کوتاه افزایش یابد، در رابطه‌ی dv/dt مخرج به شدت کوچک شده و حاصل عبارت به شدت عدد بزرگی می‌شود. بنابراین، جریان خازن نیز افزایش شدیدی داشته و به صورت یک ولتاژ ضربه (δ) که ما آن را به صورت جرقه مشاهده می‌کنیم، ایجاد می‌شود. بنابراین، حتما باید در هنگام اتصال کوتاه یک خازن دارای ولتاژ، از یک مقاومت در مسیر استفاده شود.

بررسی نحوه شارژ و دشارژ خازن

در این بخش به معرفی و توضیح روابط مربوط به شارژ خازن در مدارات RC موازی و سری می پردازیم. اولین مطلب مهم در مورد شارژ و دشارژ خازن‌ها، مبحث ثابت زمانی می‌باشد که در ادامه در مورد آن توضیح داده شده است.

ثابت زمانی

ثابت زمانی با نماد یونانی (τ) با تلفظ ("تاو") نمایش داده می شود. این پارامتر یک مقدار عددی مربوط به زمان مورد نیاز برای شارژ و دشارژ خازن می‌باشد. برای فرایند شارژ می توان گفت مقدار τ برابر با مدت زمانی است که خازن به 63 درصد ولتاژ نهایی برسد. برای فرایند دشارژ، ثابت زمانی نشان دهنده مدت زمانی است که طول می کشد تا ولتاژ خازن به 37 درصد ولتاژ اولیه خود برسد. همچنین، برای به دست آوردن ثابت زمانی τ در یک مدار RC کافی است که مقدار خازن C برحسب فاراد (F) در مقدار مقاومت بر حسب اهم (Ω) ضرب شود. در این صورت مقدار τ بر حسب ثانیه محاسبه خواهد شد. به صورت ریاضی می توان گفت که τ = R×C می‌باشد.

مدار RC موازی

برای مدارات RC موازی می‌توان هر دو فرآیند شارژ و دشارژ را بررسی کرد. که در ادامه به آنها پرداخته شده است.

شارژ 

در یک مدار RC موازی، خازن و مقاومت به صورت موازی با یکدیگر متصل می شوند، به این معنی که ولتاژ دو طرف هر دو قطعه همیشه یکسان است. هنگامی که جریان به این مدار اعمال می شود، خازن شروع به شارژ شدن می کند و جریان از هر دو عنصر خازن و مقاومت عبور می کند. ولتاژ روی خازن در طول زمان همراه با شارژ شدن افزایش می یابد و در نهایت پس از رسیدن ولتاژ خازن و مقاومت به عدد V=R1*I1 عمل شارژ پایان یافته و خازن جریانی را عبور نخواهد داد. در الکترونیک به این حالت مدار باز شدن خازن گفته می‌شود. مقدار ولتاژ روی مجموعه‌ی خازن و مقاومت در طول مدت شارژ در شکل زیر مشاهده می‌شود (مقدار e ثابت ریاضی تقریبا برابر با 2.718 است).

دشارژ

در این مرحله فرض میشود ولتاژ اولیه خازن قبل از دشارژ برابر با V₀ باشد. وضعیت دشارژ برای خازن زمانی ایجاد می‌شود که منبع جریان ورودی قطع شود. در این صورت، خازن از ولتاژ نهایی خود شروع به دشارژ کرده و تا ولتاژ صفر ولت خالی می‌شود. رابطه مورد نظر برای محاسبه ولتاژ خازن در طول زمان دشارژ در شکل زیر مشاهده می‌شود:

مدار RC سری

برای مدارات RC سری نیز می‌توان شرایط مداری و محاسبات هر دو فرآیند شارژ و دشارژ را بررسی کرد. که در ادامه به این مبحث پرداخته شده است.

شارژ

در مدارهای RC سری، خازن و مقاومت به صورت سری به یکدیگر متصل می شوند، به این معنی که جریان یکسانی از هر دو المان عبور می کند. هنگامی که یک ولتاژ به این مدار اعمال می شود، خازن شروع به شارژ شدن کرده و با شارژ شدن خازن، جریان عبوری از مدار کاهش می یابد. همچنین، ولتاژ دو سر خازن با شارژ شدن افزایش یافته و به تناسب آن ولتاژ دو طرف مقاومت کاهش می یابد. در نهایت، هنگامی که خازن به طور کامل شارژ شده و ولتاژ دو سر آن به حداکثر مقدار خود می رسد، دیگر جریانی از مدار عبور نمی کند.

دشارژ

در مدارهای RC سری، مشابه حالت قبل مقاومت و خازن به صورت سری به هم متصل می شوند که مقاومت به ترمینال مثبت منبع ولتاژ و خازن به ترمینال منفی منبع متصل می شود. هنگامی که منبع ولتاژ توسط کلید S در موقعیت A به مدار متصل می شود، خازن از طریق مقاومت تا زمانی که به ولتاژ منبع برسد شارژ می شود. همچنین، هنگامی که منبع ولتاژ توسط کلید در موقعیت B جدا می شود، خازن از طریق مقاومت تخلیه می شود و ولتاژ خازن در طول زمان به طور نمایی تا زمان رسیدن به صفر ولت کاهش می یابد.

در نهایت، معادله ولتاژ خازن در مدار RC سری در حالت شارژ و دشارژ در شکل زیر نمایش داده شده است:

جمع بندی

در این مقاله، انواع روش های شارژ و دشارژ خازن مورد بررسی قرار گرفتند و روابط مداری حاکم بر هر کدام از این مدارها بیان گردید.

تمامی موارد فوق را به صورت عملی همراه با نکات تجربی دیگر در مورد انواع خازنها و روش های تست آنها به طور کامل در دوره آموزش جامع الکترونیک بررسی کرده ایم.

در پایان، ممنون که همراه ما بودید. هر سوال یا ابهامی در مورد مطالب ارائه شده در این مقاله دارید حتما در کامنت ها بنویسید، به تمام سوالات پاسخ داده میشه. اگه انتقاد یا پیشنهادی هم داشتید ممنون میشم با ما در میان بزارید.

منابع: CMM   Study.com