خازن‌ها قطعات پسیو ساده‌ای هستند که می‌توانند هنگام اتصال به منبع ولتاژ، بار الکتریکی را روی صفحات خود ذخیره کنند.خازن قطعه‌ای است که توانایی یا «ظرفیت» ذخیره انرژی به صورت بار الکتریکی را دارد که یک اختلاف پتانسیل (ولتاژ استاتیک) در صفحات خود ایجاد می‌کند، دقیقاً مانند یک باتری کوچک قابل شارژ.
خازن‌های مختلفی از دانه‌های خازن بسیار کوچک که در مدارهای رزونانس استفاده می‌شوند تا خازن‌های بزرگ اصلاح فاکتور قدرت وجود دارد، اما همه آنها کار یکسانی انجام می‌دهند: بار الکتریکی را ذخیره می‌کنند.
در شکل اصلی آن، یک خازن از دو یا چند صفحه موازی رسانا (فلزی) تشکیل شده است که به هم متصل نیستند و یا یکدیگر را لمس نمی‌کنند، بلکه توسط هوا یا نوعی ماده عایق خوب مانند کاغذ واکس (موم کاری شده)، میکا، سرامیک، پلاستیک یا نوعی ژل مایع که در خازن های الکترولیتی استفاده می‌شود. لایه عایق بین صفحات خازن را معمولا دی‌الکتریک می‌نامند.
به دلیل وجود این لایه عایق، جریان DC نمی‌تواند از خازن عبور کند، زیرا دی‌الکتریک مانع آن می‌شود. به جای آن، باعث ایجاد ولتاژ بین دو صفحه خازن به شکل بار الکتریکی می‌شود.
صفحات رسانای فلزی خازن می‌توانند به شکل مربع، دایره، مستطیل، استوانه‌ای یا کروی باشند. شکل کلی، اندازه و ساخت صفحات موازی خازن به کاربرد و ولتاژ نامی آن بستگی دارد.
هنگامی که در مدار جریان مستقیم یا DC استفاده می‌شود، خازن تا ولتاژ تغذیه خود شارژ می‌شود اما جریان عبوری از خود را مسدود می‌کند، چراکه دی‌الکتریک خازن غیر رسانا و اساسا یک عایق است. اما وقتی خازن به یک جریان متناوب یا مدار AC متصل می‌شود، به نظر می‌رسد جریان با مقاومت کم یا بدون هیچ مقاومتی مستقیما از خازن عبور می‌کند.
دو نوع بار الکتریکی وجود دارد، بار مثبت به شکل پروتون و بار منفی به شکل الکترون. هنگامی که ولتاژ DC به خازن اعمال می‌شود، بار مثبت (+ve) به سرعت روی یک صفحه تجمع می‌یابد، در حالی که بار منفی مشابه و مخالف (-ve) بر روی صفحه دیگر جمع می‌شود. به ازای هر ذره بار +ve که به یک صفحه می‌رسد، یک بار هم علامت از صفحه -ve خارج می‌شود.
پس صفحات از نظر بار الکتریکی، خنثی باقی مانده و یک اختلاف پتانسیل ناشی از این بار، بین دو صفحه ایجاد می‌شود. هنگامی که خازن به حالت دائم خود می‌رسد، به دلیل خاصیت عایق بندی دی‌الکتریک مورد استفاده برای جداسازی صفحات، جریان الکتریکی قادر به عبور از خازن و مدار نیست.
جریان الکترون‌ها روی صفحات به عنوان جریان شارژ خازن شناخته می‌شود. این جریان تا زمانی ادامه دارد که ولتاژ روی هر دو صفحه (و در نتیجه خازن) برابر با ولتاژ اعمال شده VC باشد. در این مرحله گفته می‌شود که خازن با الکترون «کاملاً شارژ شده» است.
قدرت یا نرخ این جریان شارژ، هنگام تخلیه کامل صفحات (شرایط اولیه) در حداکثر مقدار خود است و با شارژ صفحات تا وقتی که اختلاف پتانسیل آنها برابر با ولتاژ منبع شود، مقدار آن به تدریج به صفر کاهش می‌یابد.
میزان اختلاف پتانسیل دو سر خازن به مقدار بار الکتریکی جمع شده در صفحات توسط ولتاژ منبع و همچنین ظرفیت خازن بستگی دارد. این وابستگی در زیر نشان داده شده است.
خازن صفحه موازی ساده‌ترین شکل خازن است. می‌توان آن را با استفاده از دو صفحه فویل فلزی یا فلزی شده در فاصله‌ای خاص به صورت موازی با یکدیگر ساخت. مقدار ظرفیت آن توسط مساحت صفحات رسانا و فاصله بین آنها تعیین می‌شود و واحد آن فاراد است. تغییر هر یک از این دو کمیت، مقدار ظرفیت آن را تغییر می‌دهد و این اساس عملکرد خازن‌های متغیر را تشکیل می‌دهد.
همچنین، از آنجا که خازن‌ها انرژی الکترون‌ها را به صورت یک بار الکتریکی بر روی صفحات خود ذخیره می‌کنند، هرچه صفحات بزرگ‌تر و یا فاصله آنها کمتر باشد، خازن بار بیشتری را به ازای یک ولتاژ خاص در صفحات خود نگه می‌دارد. به عبارت دیگر، صفحات بزرگ‌تر، فاصله کمتر، در نتیجه ظرفیت بیشتر.
با اعمال ولتاژ به خازن و اندازه گیری بار روی صفحات، مقدار ظرفیت خازن به صورت نسبت بار الکتریکی Q به ولتاژ V به دست می‌آید و به این شکل نوشته می‌شود: C=Q/V. همچنین می‌توان این معادله را بازنویسی کرده و فرمول آشنای مقدار بار الکتریکی صفحات را به دست آورد: Q=C×V.
اگرچه گفتیم که بار در صفحات خازن ذخیره می‌شود، دقیق‌تر ان است که بگوییم انرژی بار در یک «میدان الکترواستاتیک» بین دو صفحه ذخیره می‌شود. وقتی جریان الکتریکی از خازن عبور می‌کند، شارژ می‌شود، بنابراین میدان الکترواستاتیک با ذخیره انرژی بیشتر بین صفحات، بسیار قوی‌تر می‌شود.
به همین ترتیب، وقتی جریان از خازن خارج می‌شود، آن را دشارژ (تخلیه) می‌کند، اختلاف پتانسیل بین دو صفحه کاهش یافته و با خروج انرژی از صفحات، میدان الکترواستاتیک کاهش می‌یابد.
خاصیت خازن برای ذخیره بار در صفحات خود به شکل یک میدان الکترواستاتیک، ظرفیت خازن نامیده می‌شود. نه تنها این، بلکه ظرفیت خازن خاصیتی است که در برابر تغییر ولتاژ دو سر آن مقاومت می‌کند.
ظرفیت خازن
ظرفیت، خاصیت الکتریکی خازن و معیار توانایی آن در ذخیره بار الکتریکی بر روی دو صفحه خود است. واحد ظرفیت فاراد (با حرف اختصاری F) است که به نام فیزیکدان انگلیسی، مایکل فارادی، انتخاب شده است.
ظرفیت به این صورت تعریف می‌شود که خازن دارای ظرفیت یک فاراد است هنگامی که بار یک کولن توسط ولتاژ یک ولت روی صفحات ذخیره شود. توجه داشته باشید که ظرفیت خازنی C همواره مثبت است و واحد منفی ندارد. با این حال، فاراد یک واحد اندازه گیری بسیار بزرگ است و نمی‌توان به تنهایی از آن استفاده کرد، به همین دلیل عموما از مضرب‌های کوچک مانند میکرو فاراد، نانو فاراد و پیکو فاراد استفاده می‌شود.
واحدهای استاندارد ظرفیت
میکرو فاراد (μF): 1μF=1/1,000,000=0.000001=10-6F
نانو فاراد (nF): 1nF=1/1,000,000,000=0.000000001=10-9F
پیکو فاراد (pF): 1pF=1/1,000,000,000,000=0.000000000001=10-12F
پس با استفاده از اطلاعات بالا می‌توان یک جدول ساده ساخت تا در تبدیل واحدها، پیکو فاراد (pF)، نانو فاراد (nF)، میکرو فاراد (μF) و فاراد (F)، به ما کمک کند.
| پیکو فاراد (pF) | نانو فاراد (nF) | میکرو فاراد (μF) | فاراد (F) |
1,000 | 1.0 | 0.001 | |
10,000 | 10.0 | 0.01 |
|
1,000,000 | 1,000 | 1.0 | |
10,000 | 10.0 | ||
100,000 | 100 | ||
1,000,000 | 1,000 | 0.001 | |
10,000 | 0.01 | ||
100,000 | 0.1 | ||
1,000,000 | 1.0 |
ظرفیت خازن صفحه موازی
ظرفیت خازن صفحه موازی با مساحت (A) صفحه کوچک‌تر، با واحد متر مربع، نسبت مستقیم و با فاصله بین دو صفحه رسانا (d)، یعنی ضخامت دی الکتریک، با واحد متر، نسبت عکس دارد.
معادله کلی ظرفیت خازن صفحه موازی به این صورت است: C=ε(A/d) که در آن ε نشان دهنده گذر دهی مطلق ماده دی‌الکتریک مورد استفاده است. ثابت دی‌الکتریک ε0 که به عنوان «گذر دهی فضای آزاد (یا خلا)» نیز شناخته می‌شود، دارای مقدار ثابت 8.84×10-12 فاراد بر متر است.
برای ایجاد سهولت در ریاضیات، این ثابت دی‌الکتریک خلا ε0، که به صورت 1/(4π×9×109) نیز نوشته می‌شود، می‌تواند واحد پیکو فاراد بر متر نیز داشته باشد، به طوری که: ε0=8.84 pF/m. توجه داشته باشید که مقدار ظرفیت حاصل با پیکو فاراد خواهد بود و نه فاراد.
به طور کلی، صفحات رسانای خازن به جای خلا کامل، با نوعی ماده عایق یا ژل جدا می‌شوند. هنگام محاسبه ظرفیت خازن، می‌توان مقدار گذر دهی هوا و به ویژه هوای خشک را همان مقدار خلا دانست، چراکه نزدیک هستند.
ظرفیت خازنی، مثال 1
یک خازن از دو صفحه فلزی رسانا با ابعاد 30cm×50cm ساخته شده است که فاصله آنها از یکدیگر 6mm است و از هوای خشک به عنوان تنها ماده دی‌الکتریک استفاده می‌کند. ظرفیت خازن را محاسبه کنید.
پس مقدار خازن متشکل از دو صفحه جدا شده توسط هوا 221pF یا 0.221nF به دست می‌آید.
دی‌الکتریک یک خازن
علاوه بر اندازه کلی صفحات رسانا و فاصله آنها از یکدیگر، عامل دیگری که بر ظرفیت کلی قطعه تاثیر می‌گذارد، نوع ماده دی‌الکتریک مورد استفاده است. به عبارت دیگر، «گذر دهی» (ε) دی‌الکتریک.
صفحات رسانای خازن به طور کلی از ورق یا فیلم فلزی ساخته شده است که امکان جریان الکترون و بار را فراهم می‌کند، اما ماده دی‌الکتریک مورد استفاده همیشه یک عایق است. مواد عایق مختلفی که به عنوان دی‌الکتریک در خازن استفاده می‌شود، در توانایی مسدود کردن یا عبور یک بار الکتریکی متفاوت هستند.
این ماده دی‌الکتریک را می‌توان از تعدادی مواد عایق یا ترکیبی از آنها تهیه کرد، که متداول‌ترین انواع مورد استفاده عبارتند از: هوا، کاغذ، پلی استر، پلی پروپیلن، مایلار، سرامیک، شیشه، روغن یا انواع دیگر مواد.
عاملی که باعث افزایش ظرفیت خازن توسط ماده دی‌الکتریک یا عایق در مقایسه با هوا می‌شود، به عنوان ثابت دی‌الکتریک k شناخته می‌شود. یک ماده با ثابت دی‌الکتریک بالا، نسبت به ماده‌ای با ثابت دی‌الکتریک پایین، عایق بهتری است. ثابت دی‌الکتریک کمیتی بدون بعد است، زیرا نسبت به خلا مقایسه می‌شود.
پس مقدار گذر دهی واقعی یا «گذر دهی مختلط» مواد دی‌الكتریك بین صفحات، حاصل ضرب گذر دهی خلا (ε0) و گذر دهی نسبی (εr) ماده‌ای است که به عنوان دی‌الكتریك استفاده می‌شود و به صورت زیر می‌باشد:
گذر دهی مختلط
به عبارت دیگر، اگر مقدار گذر دهی فضای آزاد ε0 را به عنوان سطح پایه و برابر با یک در نظر بگیریم، هنگامی که خلا فضای آزاد با نوع دیگری از مواد عایق جایگزین می‌شود، مقدار گذر دهی دی‌الکتریک آن با دی‌الکتریک پایه فضای آزاد مقایسه می‌شود و ضریبی به نام «گذر دهی نسبی» εr به ما می‌دهد. بنابراین مقدار گذر دهی مختلط ε همواره برابر با گذر دهی نسبی ضرب در یک خواهد بود.
واحدهای معمول گذر دهی دی‌الکتریک (ε) یا ثابت دی‌الکتریک برای مواد رایج عبارتند از: خلا خالص = 1.0000، هوا = 1.0006، کاغذ = 2.5 تا 3.5، شیشه = 3 تا 10، میکا = 5 تا 7، چوب = 3 تا 8 و پودرهای اکسید فلز = 6 تا 20 و غیره. بنابراین، معادله نهایی برای ظرفیت خازن به این صورت است:
یک روش برای افزایش ظرفیت کلی خازن با حفظ اندازه کوچک آن، «درهم آمیختن» صفحات بیشتر در داخل یک بدنه خازن است. به جای تنها یک جفت صفه موازی، خازن می‌تواند صفحات زیاد متصل به هم داشته باشد و در نتیجه مساحت (A) صفحات را افزایش دهد.
در یک خازن صفحه موازی استاندارد، همانطور که در بالا نشان داده شده است، خازن دارای دو صفحه با علامت A و B است. بنابراین، از آنجا که تعداد صفحات خازن دو عدد است، می توانیم بگوییم n=2، که در آن «n» تعداد صفحات را نشان می‌دهد.
پس معادله بالا برای یک خازن صفحه موازی در واقع باید به این صورت باشد:
با این حال، خازن ممکن است دو صفحه موازی داشته باشد اما تنها یک طرف هر صفحه با دی‌الکتریک در تماس است، زیرا طرف دیگر هر صفحه بیرون خازن را تشکیل می‌دهد. اگر دو نیمه صفحات را بگیریم و آنها را با هم ترکیب کنیم، در واقع تنها «یک» صفحه کامل در تماس با دی‌الکتریک داریم.
در رابطه با خازنی با یک جفت صفحه موازی، n-1=2-1 که برابر است با یک، در نتیجه C=(ε0×εr×1×A)/d دقیقا برابر است با عبارت C=(ε0×εr×A)/d که همان معادله استاندارد بالا است.
حال فرض کنید یک خازن داریم که از 9 صفحه در هم آمیخته تشکیل شده است. پس همانطور که نشان داده شده، n=9.
خازن چند صفحه‌ای
اکنون پنج صفحه به یک پایه (A) و چهار صفحه به پایه دیگر (B) متصل کرده‌ایم. پس هر دو طرف چهار صفحه متصل به پایه B در تماس با دی‌الکتریک هستند، در حالی که تنها یک طرف هر یک از صفحات خارجی متصل به A در تماس با دی‌الکتریک است. پس مانند قبل، سطح مفید مجموعه صفحات تنها برابر هشت خازن است و بنابراین ظرفیت آن به شرح زیر محاسبه می‌شود:
خازن‌های مدرن را می‌توان با توجه به ویژگی‌ها و خواص دی‌الکتریک عایق آنها طبقه بندی کرد:
- اتلاف کم، پایداری بالا مانند میکا، سرامیک با K پایین، پلی استایرن.
- اتلاف متوسط، پایداری متوسط مانند کاغذ، فیلم پلاستیک، سرامیک با K بالا.
- خازن‌های قطبی مانند الکترولیت و تانتال.
ولتاژ نامی خازن
همه خازن‌ها دارای حداکثر ولتاژ نامی هستند و هنگام انتخاب خازن باید مقدار ولتاژ اعمال شده به دو سر خازن را در نظر گرفت. حداکثر ولتاژ قابل اعمال به دو سر خازن بدون آسیب رساندن به ماده دی‌الکتریک آن، به طور کلی در دیتا‌شیت به شرح زیر آمده است: WV (ولتاژ کار) یا WV DC (ولتاژ کار DC).
اگر ولتاژ اعمال شده به دو سر خازن خیلی زیاد شود، دی‌الکتریک از بین می‌رود (معروف به شکست الکتریکی) و آرک (قوس) الکتریکی بین صفحات خازن رخ می‌دهد و باعث اتصال کوتاه می‌شود. ولتاژ کار خازن به نوع ماده دی‌الکتریک مورد استفاده و ضخامت آن بستگی دارد.
منظور از ولتاژ کار DC خازن از نام آن مشخص است، حداکثر ولتاژ DC و نه حداکثر ولتاژ AC، چراکه یک خازن با ولتاژ نامی 100 ولت DC نمی‌تواند با اطمینان خاطر تحت ولتاژ متناوب 100 ولت قرار گیرد. زیرا ولتاژ متناوبی که مقدار RMS آن 100 ولت باشد، حداکثر مقدار آن بیش از 141 ولت خواهد بود! (2×100√).
پس خازنی که برای کار با ولتاژ 100 ولت AC مورد نیاز است، باید دارای ولتاژ کار حداقل 200 ولت باشد. در عمل، خازن باید طوری انتخاب شود که ولتاژ کار DC یا AC آن باید حداقل 50 درصد بیشتر از بالاترین ولتاژ موثری باشد که به آن اعمال می‌شود.
عامل دیگری که عملکرد خازن را تحت تاثیر قرار می‌دهد، نشت دی‌الکتریک است. نشت دی‌الکتریک در خازن، در نتیجه جریان نشتی ناخواسته که از طریق ماده دی‌الکتریک جریان دارد، رخ می‌دهد.
به طور کلی، فرض بر این است که مقاومت دی‌الکتریک بسیار زیاد است و یک عایق خوب برای ممانعت از عبور جریان DC در خازن (مانند یک خازن ایده‌آل) از یک صفحه به صفحه دیگر است.
با این وجود، اگر ماده دی‌الکتریک به دلیل ولتاژ بیش از حد یا دمای بیش از حد آسیب ببیند، جریان نشتی از طریق دی‌الکتریک بسیار زیاد می‌شود که خود منجر به از دست رفتن سریع شارژ صفحات، گرم شدن بیش از حد خازن و در نهایت خرابی زودرس آن می‌شود. پس هرگز از خازن در مداری استفاده نکنید که ولتاژ آن بالاتر از ولتاژ نامی خازن است، در غیر این صورت ممکن است داغ شده و منفجر شود.
خلاصه معرفی خازن‌ها
در این آموزش دیدیم که کار خازن، ذخیره بار الکتریکی بر روی صفحات خود است. مقدار بار الکتریکی که خازن می‌تواند در صفحات خود ذخیره کند، به عنوان ظرفیت خازنی آن شناخته می‌شود و به سه عامل اصلی بستگی دارد.
- مساحت – مساحت (A) دو صفحه رسانا که خازن را تشکیل می‌دهند. هرچه مساحت بیشتر باشد، ظرفیت نیز بیشتر است.
- فاصله – فاصله (d) بین دو صفحه. هرچه فاصله کمتر باشد، ظرفیت بیشتر است.
- ماده دی‌الکتریک – نوع ماده‌ای که دو صفحه را جدا می‌کند و به عنوان «دی‌الکتریک» شناخته می‌شود. هرچه گذر دهی دی‌الکتریک بیشتر باشد، ظرفیت خازن نیز بیشتر است.
همچنین مشاهده کردیم که یک خازن از صفحات فلزی تشکیل شده است که یکدیگر را لمس نمی‌کنند، بلکه توسط ماده ای به نام دی‌الکتریک جدا می‌شوند. دی‌الکتریک خازن می‌تواند هوا یا حتی خلا باشد، اما به طور کلی یک ماده عایق و غیر رسانا است، مانند کاغذ واکس، شیشه، میکا، انواع مختلف پلاستیک و غیره. دی‌الکتریک مزایای زیر را فراهم می‌کند:
- ثابت دی‌الکتریک، خاصیت ماده دی‌الکتریک و از ماده‌ای به ماده دیگر متفاوت است و ظرفیت را با ضریب k افزایش می‌دهد.
- دی‌الکتریک پشتیبانی مکانیکی بین دو صفحه فراهم می‌کند و باعث می‌شود صفحات بدون تماس با یکدیگر به هم نزدیک شوند.
- گذر دهی دی‌الکتریک، ظرفیت را افزایش می‌دهد.
- دی‌الکتریک حداکثر ولتاژ کار را در مقایسه با هوا افزایش می‌دهد.
از خازن‌ها می‌توان در بسیاری از کاربردها و مدارهای مختلف استفاده کرد، مانند مسدود کردن جریان DC در هنگام عبور سیگنال‌های صوتی، پالس‌ها، جریان متناوب یا سایر اشکال موج متغیر در زمان. این توانایی جلوگیری از جریان‌های DC باعث می‌شود که خازن بتواند ولتاژهای خروجی منبع تغذیه را هموار سازد و افزایش‌های ناگهانی ناخواسته در سیگنال‌ها را که در غیر این صورت باعث آسیب یا راه اندازی نادرست نیمه هادی‌ها یا اجزای دیجیتال می‌شوند ، حذف کند.
از خازن‌ها همچنین می‌توان برای تنظیم پاسخ فرکانس مدار صوتی یا برای جفت کردن مراحل تقویت کننده‌های جداگانه، که باید از انتقال جریان DC محافظت شوند، استفاده کرد.
در حالت DC، خازن دارای امپدانس بی نهایت است (مدار باز) و در فرکانس‌های بسیار بالا، خازن دارای امپدانس صفر (اتصال کوتاه) است. همه خازن‌ها دارای حداکثر ولتاژ نامی یا WV DC هستند، بنابراین خازنی انتخاب کنید که ولتاژ نامی آن حداقل 50% بیشتر از ولتاژ تغذیه باشد.
خازن‌ها در انواع و اشکال زیادی وجود دارند، که هر یک مزایا، معایب و ویژگی‌های خاص خود را دارند. گنجاندن همه آنها این بخش آموزش را بسیار بزرگ می‌کند، بنابراین در آموزش بعدی در مورد معرفی خازن‌ها، آنها را به انواع متداول محدود می‌کنیم.
