• 5

خازن چیست؟ و چه کاربردی دارد؟

خازن چیست؟ + به همراه معرفی انواع آن ها به همراه عکس

خازن به عنوان یکی از پرکاربردترین قطعات الکترونیکی نقش بسزایی در مدارات الکترونیکی ایفا می کند از این رو تسلط بر ویژگی ها، نحوه عملکرد و کاربرد آن در مدارات مختلف، در طراحی، تحلیل و همچنین تعمیر بردهای الکترونیکی بسیار ضروری است.

خازن چیست؟

خازن (capacitor) یکی از پرکاربردتربن قطعات الکترونیکی است که انرژی الکتریکی را در خود ذخیره میکند. این قطعه از دو صفحه فلزی تشکیل شده که در کنار یکدیگر به صورت موازی قرار گرفته اند. بین این دو صفحه فلزی، یک صفحه عایق قرار می گیرد که به آن دی الکتریک می گویند.

هر خازن الکتریکی، مقدار مشخصی از انرژی را در خود ذخیره میکند. میزان ذخیره انرژی در خازن را با واحد فاراد اندازه گیری میکنند که خازن های موجود در مدارهای الکترونیکی در رنج های پیکوفاراد، نانوفاراد و میکروفاراد عرضه شده اند.

ساختار خازن

خازن از دو صفحه فلزی جدا از هم تشکیل شده است که با هم تماس الکتریکی ندارند و با فاصله d از هم قرار گرفته اند و این فاصله با ماده دی الکتریک پر شده است که سطح مقطع هر کدام از صفحه های فلزی A است و Ɛ ضریب ماده دی الکتریک است و به جنس دی الکتریک بستگی دارد. ظرفیت خازن از رابطه C= ε. A/d به دست می آید.

عملکرد خازن

اگر دو سر خازن یعنی صفحات فلزی خازن را به یک منبع ولتاژ مثل باتری وصل کنیم همانند شکل زیر، بارهای الکتریکی مثبت و منفی روی صفحات خازن انباشته می شوند و در واقع خازن شارژ می شود. این شارژ شدن و انباشته شدن بار الکتریکی روی صفحات خازن تا زمانی ادامه پیدا می کند که ولتاژ بین صفحات خازن با ولتاژ باتری برابر شود که در این حالت، جریان بار الکتریکی قطع می شود و حتی اگر باتری را از خازن جدا کنیم بارهای الکتریکی روی صفحات خازن باقی می مانند و در نتیجه ولتاژ خازن حفظ می شود.

ساختار داخلی خازن

حال اگر خازن فوق که شارژ شده است را به یک Load یا بار مقاومتی وصل کنیم، بار الکتریکی که روی صفحات خازن انباشته شده بود به سمت Load جاری می شود و تا زمانیکه کل این بار الکتریکی تخلیه شود، فرایند دشارژ خازن ادامه پیدا می کند.

فرایند شارژ خازن

در شکل زیر، خازن از طریق یک مقاومت الکتریکی به منبع ولتاژ dc وصل شده است. در واقع این مقاومت R برای کنترل فرایند شارژ خازن است چون می خواهیم شارژ خازن به آرامی صورت بگیرد. همانطور که از منحنی شارژ خازن مشخص است، در آغاز کار خازن با سرعت زیاد شارژ می شود و سپس سرعت شارژ خازن کم می شود. در فرایند شارژ و دشارژ خازن، یک ثابت زمانی داریم که عبارت است از حاصلضرب مقاومت R در ظرفیت خازن C.

 اگر در فرمول ثابت زمانی، مقاومت بر حسب اهم و ظرفیت بر حسب فاراد باشد ثابت زمانی بر حسب ثانیه به دست می آید. همانگونه که از منحنی شارژ خازن پیداست یک ثابت زمانی طول خواهد کشید تا ولتاژ خازن به 63 درصد ولتاژ منبع برسد و سپس 4 ثابت زمانی دیگر زمان لازم است تا خازن به طور کامل شارژ شود یعنی ولتاژ آن از 63 درصد ولتاژ منبع به ولتاژ منبع برسد.

شارژ خازن

فرض کنید منبع ولتاژ 15 ولتی باشد و ظرفیت خازن 1000 میکروفاراد باشد و به جای مقاومت R یک مقاومت 1 کیلو اهم در مدار قرار دهیم. در این صورت ثابت زمانی که از حاصلضرب R در C به دست می آید برابر با 1 ثانیه خواهد بود. بنابراین بعد از بستن مدار فوق و با گذشت 1 ثانیه، ولتاژ خازن از صفر به 9.5 ولت می رسد اما 4 ثانیه دیگر باید زمان سپری شود تا ولتاژ خازن به ولتاژ منبع یعنی 15 ولت برسد و خازن به طور کامل شارژ شود.

فرایند دشارژ خازن

در شکل زیر خازنی که از قبل شارژ شده و روی صفحات آن بار الکتریکی وجود دارد به یک Load یا بار مقاومتی متصل شده است. همانطور که از منحنی شارژ خازن مشخص است، بعد از گذشت یک ثابت زمانی ولتاژ خازن به 37 درصد مقدار اولیه خود می رسد و سپس 4 ثابت زمانی دیگر زمان لازم است تا خازن به طور کامل تخلیه شود و ولتاژ آن به صفر برسد.

یعنی همانطور که در مدار شارژ خازن، ابتدا خازن به سرعت شارژ می شود و سپس سرعت شارژ کم می شود، در مدار تخلیه خازن نیز در ابتدای کار خازن به سرعت دشارژ می شود و سپس سرعت دشارژ آن کندتر می شود. فرایند دشارژ خازن را مانند یک بشکه پر از آب در نظر بگیرید که یک سوراخ در بشکه وجود دارد. در ابتدا آب با سرعت زیادی از بشکه تخلیه می شود و سپس وقتی آب بشکه به مرور زمان کمتر میشود، سرعت تخلیه آب نیز کندتر می شود.

دشارژ خازن

فرض کنید همان خازن 1000 میکروفارادی که در بخش شارژ خازن اشاره شد و ولتاژ آن به 15 ولت رسیده بود را می خواهیم از طریق یک مقاومت 100 اهمی تخلیه کنیم. ثابت زمانی که از حاصلضرب ظرفیت خازن در مقاومت دشارژ خازن به دست می آید برابر با 0.1 ثانیه یا 100 میلی ثانیه خواهد بود. بنابراین طبق منحنی دشارژ خازن، بعد از بستن مدار فوق و با گذشت 0.1 ثانیه، ولتاژ خازن از 15 ولت به 5.5 ولت می رسد اما 0.4 ثانیه دیگر باید سپری شود تا ولتاژ خازن به صفر ولت برسد و خازن به طور کامل تخلیه شود.

خازن ها چه کاربردی دارند؟

خازن در مدارات الکتریکی کاربردهای زیادی می تواند داشته باشد از جمله استفاده از خازن به عنوان صافی، تقویت کننده ولتاژ، تاخیرساز، بلاک کننده سیگنال dc، حذف کننده نویز، جبران کننده و ... . در ادامه، هر کدام از موارد فوق را مورد بررسی قرار داده ایم.

1) کاربرد خازن به عنوان صافی ولتاژ

معمولا در مدارات منابع تغذیه از خازنها به عنوان صافی ولتاژ استفاده می شود. در این مدارات، ولتاژ برق شهر ابتدا از طریق یکسوساز به برق dc تبدیل می شود اما این ولتاژ یکسو شده، دارای ریپل است و باید این ریپل گرفته شود. به همین منظور، در خروجی یکسوساز منابع تغذیه، از خازن استفاده می شود.

در شکل زیر که مربوط به یک منبع تغذیه سوئیچینگ است، دو خازن الکترولیتی سیاه رنگ با ظرفیت 680 میکروفاراد و ماکزیمم ولتاژ قابل تحمل 250 ولت مشخص هستند که در این مدار نقش صاف کننده ولتاژ را ایفا می کنند.

 

خازن صافی

2) کاربرد خازن به عنوان تقویت کننده ولتاژ

در مداراتی که از منبع تغذیه dc مثل باتری استفاده شده است و بار آن مدار به گونه ای است که در اوایل کار نیاز به جریان زیادی دارند، از خازن تقویت کننده استفاده می شود. به طور مثال در سیستم های صوتی توان بالایی که برای خودروها نصب می شوند، این سیستم های صوتی وقتی وارد مدار می شوند جریان زیادی از باتری می کشند که منجر به افت ولتاژ باتری می شود. برای جلوگیری از این اتفاق، همانند شکل پایین، از تعدادی خازن به عنوان تقویت کننده در کنار باتری استفاده می شود.

خازن تقویت کننده ولتاژ

3) کاربرد خازن به عنوان تاخیرساز

همانطور که در بخش شارژ و دشارژ خازن اشاره کردیم، با تغییر مقدار مقاومت R و ظرفیت خازن C می توانیم ثابت زمانی مدار و در واقع فرایند شارژ و دشارژ خازن را کنترل کنیم. از این ویژگی در مدارات الکترونیکی برای ایجاد تاخیر استفاده می شود. مثلا در برد محافظ برق که در شکل زیر نیز نشان داده شده است، از یک خازن استفاده شده تا بتواند زمان تاخیر در وصل و تاخیر در قطع مدار را برای ما تامین کند.

خازن به عنوان تاخیرساز

4)  کاربرد خازن به عنوان بلاک کننده سیگنال dc (خازن کوپلاژ)

در تقویت کننده های قدرت مانند آمپلی فایرها، از خازن به عنوان بلاک کننده سیگنال dc به صورت سری در مدار استفاده می شود که به آن خازن کوپلاژ هم گفته می شود. در واقع اگر این خازن در مدار نباشد، خروجی آمپلی فایر دارای خش و نویز خواهد بود و این خازن کوپلاژ، سیگنال dc که روی موج AC صدا سوار شده است را فیلتر می کند و باعث واضح تر شدن خروجی صدا می شود.

خازن کوپلاژ

5) کاربرد خازن به عنوان نویزگیر (خازن بای پس)

در مدارات کنترلی که دارای میکروکنترلر یا میکروپروسسور هستند، با توجه به اینکه تغذیه مدار از نوع ولتاژ dc است، این تغذیه ممکن است تحت تاثیر سیگنال ها و نویزهای فرکانس بالا قرار بگیرد. از طرفی، این ولتاژ dc همان ولتاژ تغذیه آی سی ها و میکروکنترلرها و پردازنده های مدار است و هر نویزی روی این ولتاژ تغذیه، باعث اختلال در عملکرد کل مدار می شود. این نویزها را با استفاده از خازن نویزگیر که به آن خازن بای پس (bypass) هم گفته می شود فیلتر می کنیم.

خازن بای پس

6) کاربرد خازن به عنوان جبران ساز (بانک خازنی)

در مدارات قدرت و برق صنعتی از خازن جهت جبران سازی توان راکتیو و اصلاح ضریب توان استفاده می شود. در واقع یک بانک خازنی در مدار قرار داده می شود که توان راکتیو به مدار تزریق می کند و باعث بهبود ضریب توان می شود. این کاربرد خازن مربوط به مدارات قدرت است و ارتباطی به مدارات الکترونیکی ندارد.

 

خازن در نقش جبران ساز

معرفی اجمالی انواع خازن

خازنها بسته به نوع ماده دی الکتریک و صفحات فلزی آن خصوصیات مختلفی دارند. معمولا انواع خازن را با ساختار به کار رفته در دی الکتریکشان نامگذاری می کنند. مانند: الکترولیت، سرامیک، میکا، آلومینیوم، پلی استر و ...

خازن ها را می توان به شکل زیر دسته بندی کرد:

دسته بندی انواع خازنها 

1) خازن الکترولیتی

خازن های الکترولیتی (Electrolytic) یکی از خازن های پرکاربرد در مدارات الکترونیکی هستنند. این خازن دارای یک مایع به نام الکترولیت است که از آن برای ایجاد ظرفیت های بالا استفاده میشود. این خازن ها در دو نوع آلومینیومی و تانتالیومی ساخته می شوند و دارای پلاریزه می باشند و باید هنگام نصب آنها روی مدار به جهت قطب های مثبت و منفی آنها دقت کنیم.

1-1) خازن الکترولیتی آلومینیومی

 این خازنها معمولا به شکل استوانه ساخته میشوند و علیرغم حجم کم، دارای ظرفیت بالایی هستند. روی بدنه آنها علاوه بر ظرفیت، ماکزیمم ولتاژ قابل تحمل دی الکتریک آن نیز نوشته شده است. این نوع خازنها دارای پایه های مثبت و منفی هستند که قطب منفی با نوار سفید رنگی بر روی خازن تعیین میشود. از خازن الکترولیتی برای صاف کردن و حذف نویزهای با فرکانس پایین و حذف ریپل ولتاژ در قسمت تغذیه مدارات استفاده میشود.

خازن الکترولیتی آلومینیومی یکی از انواع خازن ها

 

1-2) خازن تانتالیوم

در این نوع خازن، از فلز تانتالیوم (Tantalum) به جای آلومینیوم استفاده شده است. زیاد بودن ثابت دی الکتریک تانتالیوم نسبت به آلومینیوم سبب میشود که این خازنها نسبت به نوع آلومینیومی در حجم مساوی، دارای ظرفیت بیشتری باشند.

این خازن به نسبت سایر خازنها دارای قیمت بیشتری است. در خازنهای تانتال نوع DIP قطب مثبت کنار پایه نوشته شده و در نوع SMD، قطب مثبت خازن با یک خط نشان داده شده است. این خازنها به نسبت ظرفیتشان دارای ابعاد کوچکتر هستند و همچنین جریان نشتی کمتر و طول عمر بیشتر دارند. البته این نوع خازنها قابلیت تحمل کمتری در مقابل جریانهای شارژ و دشارژ دارند و ظرفیت آنها نیز محدود است و تا ۳۳۰ میکروفاراد ساخته شده اند.

خازن تانتالیوم

2) خازن سرامیکی

خازن سرامیکی (Ceramic capacitor) معمول ترین خازن غیر الکترولیتی است که دی الکتریک آن از جنس سرامیک است. با توجه به اینکه ثابت دی الکتریک سرامیک بالاست از این رو امکان ساخت خازنهای با ظرفیت زیاد در اندازه کوچک را در این خازنها به وجود آورده است. این خازن ها بدون قطب هستند و به دو صورت خازن عدسی و خازن مولتی لایر (چند لایه) در بازار وجود دارند که در ادامه خصوصیات هر کدام را بررسی می کنیم.

خازن سرامیکی

2-1) خازن عدسی

خازن دیسکی یا عدسی یکی از انواع خازن های سرامیکی است که ولتاژ کاری آنها معمولا بالاست و قطب های مثبت و منفی ندارند. عیب بزرگ این خازنها، وابسته بودن ظرفیتشان به دمای محیط است. یکی از کاربردهای مهم خازن عدسی، حذف نویز موجود در تغذیه مدارهاست. معمولا مدارات دیجیتالی به نوسانات ولتاژ تغذیه بسیار حساس هستند و برای بهبود تغذیه، در نزدیکترین نقطه به آی سی (IC)، خازن عدسی قرار میدهند.

خازن عدسی

2-2) خازن مولتی لایر (چند لایه)

خازن های مولتی لایر یا چند لایه (Multilayer) دارای چند لایه دی الکتریک سرامیکی هستند. ویژگی این خازن ها ولتاژ کاری و ظرفیت بالای آنها است. خازن‌های سرامیکی چندلایه به علت فشرده بودن و ظرفیت نسبتاً بالایی که دارند محبوب و پرکاربرد هستند.

خازن‌های سرامیکی چندلایه، ‌از نظر ابعادی کوچک‌ترین خازن­‌های موجود در بازار هستند به طوری که  در نوع smd آنها، پکیج­‌های 0201 نیز موجود است و بدون وجود این خازن‌­های بسیار کوچک، پیاده سازی برد‌های با تراکم و تعداد قطعات زیاد امکان پذیر نیست.

خازن مولتی لایر

3) خازن ورقه ای (پلاستیکی)

در این نوع خازن از ورقه های نازک پلاستیک به عنوان دی الکتریک استفاده شده است. ورقه های پلاستیکی به همراه ورقه های نازک آلومینیومی در درون قاب پلاستیکی قرار داده شده است. امروزه به دلیل داشتن مشخصات خوب و کیفیت بالا، کاربرد این خازنها در مدارات الکترونیکی بیشتر شده است.

این خازنها نسبت به تغییرات دما حساسیت زیادی ندارند و به همین علت در مداراتی که نیاز به خازنی با ظرفیت ثابت نسبت به حرارت باشد، از آن استفاده می شود. خازن های ورقه ای هم مانند خازن های سرامیکی فاقد پلاریزه هستند و در دو نوع پلی استر و MKT ساخته می شوند.

خازن ورقه ای

3-1) خازن پلی استر

یکی از مواد دی الکتریکی که در این خازنهای ورقه ای استفاده می شود پلی استایرن است، به همین دلیل به آنها خازن پلی استر (polystyrene capacitor) گفته میشود. ماکزیمم فرکانس کاری این خازن ها حدود یک مگاهرتز است.

خازن پلی استر

3-2) خازن MKT

در این خازن ها، دی الکتریک به صورت فیلم های ورقه ورقه بین دو صفحه رسانا قرار می گیرد و شامل چندین لایه ورقه و صفحه است که در نهایت با هم موازی می شوند. به همین علت خازن MKT نسبت به خازن پلی استر زودتر شارژ و دشارژ می شود و برای حذف نویز بهتر و سریعتر عمل می کند.

خازن MKT

4) خازن روغنی و گازی

این خازنها  بیشتر در برق صنعتی کاربرد دارند و در الکترونیک از آنها استفاده نمی شود. خازن گازی تحت عنوان بانک خازنی برای اصلاح ضریب توان در شبکه قدرت به کار می رود و خازن روغنی به عنوان خازن راه انداز در موتورهایی مثل کولر آبی و یا در چراغ های روشنایی ولتاژ بالا به کار می روند.

خازن روغنی و خازن گازی

5) ابر خازن یا سوپر خازن

این خازنها نسبت به خازن های معمولی دارای ظرفیت بسیار بیشتری هستند و در ظرفیت های بالای 10 میلی فاراد ساخته می شوند و در ساخت آنها از تکنولوژی نانو استفاده شده است. ابرخازن‌ها در دستگاه‌های پزشکی و نظامی، لیزر و مایکروویو، منابع تغذیه، سیستم‌های امنیتی و اطلاعاتی به عنوان ذخیره پشتیبان، مدارهای راه انداز ال‌ای‌دی‌های توان بالا، توربین‌های بادی و شبکه‌های برق رسانی جهت پایداری شبکه، UPS کامپیوترهای حساس و مدارهایی که نیاز به خازن‌هایی با زمان شارژ و دشارژ سریع دارند مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ابر خازن یا سوپر خازن

6) خازن متغیر و تریمر

خازن متغیر یا واریابل که بیشتر در رادیوهای قدیمی استفاده می شود، برای تغییر فرکانس نوسان‌ساز داخلی بکار میرود و معمولاً در ظرفیتهای ۴۰ تا ۵۰۰ پیکوفاراد ساخته میشوند. یک نوع خازن متغیر دیگر به نام تریمر وجود دارد که نسبت به خازن واریابل کوچکتر است و در آن تغییر ظرفیت به کمک پیچ گوشتی انجام می گیرد و معمولا در ظرفیت های 5 تا 30 پیکو فاراد در بازار موجود هستند.

تریمر

جمع بندی

در این مقاله، نکات مهم و کاربردی که در عمل برای کار با خازن ها لازم است بدانیم مورد بررسی قرار گرفت و به سوالاتی مثل خازن چیست؟ خازن چگونه کار می کند؟ کاربرد خازن چیست؟ و انواع مختلف خازن چیست؟ پاسخ داده شد.

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 جامع آموزش 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.

هادی حاجی محمدی

15 مطلب منتشر شده

هادی حاجی محمدی هستم، علاقمند به دنیای الکترونیک و سیستم‌های هوشمند. در زمینه منابع تغذیه سوئیچینگ، اینترنت اشیا و برنامه‌نویسی بردهای الکترونیکی فعالیت داشتم و در حال حاضر مقالات وبلاگ برقی شو رو می نویسم.

درباره این مطلب نظر دهید !
قالب فروش فایل

مطالب مرتبط