خازن

گاهی هنگام کار کردن با رایانه خود به طور ناگهانی با قطعی برق مواجه می‌شوید و نگران از بین رفتن اطلاعات خود هستید از طرفی این نوسانات الکتریکی می‌توانند آسیب های غیر قابل جبرانی بر جای بگذارند اما سوال این است که چه قطعه ای در مدار مانع از رخداد چنین اتفاقاتی می‌شود؟

خازن ها وسیله ای برای ذخیره بار الکتریکی هستند که در ادامه با انواع و کاربردهای آن بیشتر آشنا خواهید شد. 

خازن نوعی باتری است که درون مدار استفاده می‌شود.

خازن چیست؟

خازن یک قطعه الکترونیکی است که برای ذخیره انرژی الکتریکی در یک میدان الکتریکی طراحی شده است. این قطعه از دو صفحه رسانا تشکیل شده که توسط یک عایق (دی‌الکتریک) از هم جدا شده‌اند. وقتی که یک ولتاژ به خازن اعمال می‌شود، یک بار الکتریکی در هر یک از صفحات ذخیره می‌شود، یکی مثبت و دیگری منفی، که این امر منجر به ایجاد یک میدان الکتریکی در دی‌الکتریک می‌شود. این میدان الکتریکی انرژی را در خود ذخیره می‌کند.

ظرفیت یک خازن، که با واحد فاراد اندازه‌گیری می‌شود، میزان بار الکتریکی‌ای را که می‌تواند برای یک ولتاژ معین ذخیره کند، نشان می‌دهد. ظرفیت این قطعه، تحت تأثیر مساحت صفحات رسانا، فاصله بین آن‌ها و نوع ماده دی‌الکتریک قرار دارد.

خازن‌ها در بسیاری از مدار های الکتریکی و الکترونیکی به کار رفته و دارای کاربردهای مختلفی هستند، از جمله فیلتر کردن نویزهای الکتریکی، ذخیره‌سازی انرژی در منابع تغذیه، تنظیم فرکانس در مدار های ارتباطی و بسیاری موارد دیگر. انواع مختلفی از خازن‌ها وجود دارد که هر یک ویژگی‌های منحصر به فردی دارند و برای کاربردهای خاصی طراحی شده‌اند.

خازن ها در انواع مختلف و بر اساس مدار های مختلف، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

وظیفه خازن این است که بارهای الکتریکی را بر روی این دو صفحه ی رسانا جمع و ذخیره کند به طوریکه هر رسانا بارهای مثبت و یا منفی را در خود ذخیره می‌کند به عنوان مثال اگر بارهای مثبت +Q روی یکی از رسانا ها و مقدار مساوی از همین بار اما از نوع منفی –Q روی صفحه دیگر باشد می‌توانیم بگوییم که خازن دارای بار Q است.

اگر بخواهیم در پاسخ سوال خازن چیست، این قطعات را بر اساس فعال یا غیرفعال بودن شان دسته بندی کنیم آنها در دسته اجزای غیر فعال مدار قرار می‌گیرند. با این حال نقشی اساسی را در مدار ایفا می‌کنند. در واقع به دلیل اینکه خازن ها وظیفه ذخیره سازی بارهای الکتریکی را بر عهده دارند آنها را به نام ظرفیت نیز می‌شناسند و دلیل طراحی آن، افزودن ظرفیت به مدار الکتریکی است.

بر اساس قانون کولن، بار روی یک رسانا در خازن نیرویی بر حمل کننده های بار در رسانای دیگر وارد می‌کند و به این ترتیب هر صفحه رسانا بار قطب مخالف را جذب و بارهای قطبی مشابه را دفع می‌کند و از این طریق بار الکتریکی مخالف در هر صفحه ی خازن القا می‌شود. بنابراین صفحات رسانا، بارهای مساوی و مخالف را روی سطوح خود نگه می‌دارند و عایق یا همان دی الکتریک، یک میدان الکتریکی ایجاد می‌کند.

خازن ها محافظان مخفی مدار، در مقابل نوسانات جریان هستند.

برای بیان قدرت یا کارایی خازن ها از واحد فاراد استفاده می‌شود که یکی از واحدهای سیستم SI است که برای تعریف ظرفیت یک خازن ایده آل با حرف اختصار C به کار می‌رود و از تقسیم بار مثبت یا منفی یکی از رساناهای خازن بر ولتاژ بین دو صفحه تعریف می‌شود. توجه كنيد كه به كمك آمپر متر شیوا می‌توانيد مقدار جريان را اندازه گيري كنيد.

C=Q/V

اگر ظرفیت خازنی یک فاراد باشد به این معنی است که ولتاژ یک ولت می‌تواند یک کولن بار را روی هر یک از صفحات رسانا ایجاد کند( کولن واحد بارهای الکتریکی است).

نزدیک بودن صفحات خازن به یکدیگر باعث می‌شود که بارهای مخالف موجود روی صفحات همدیگر را جذب کنند و به خازن این امکان را می‌دهد که بار بیشتری را در ازای ولتاژ معین نسبت به زمانی که رساناها جدا شده اند، ذخیره و ظرفیت بزرگتری را ایجاد کند. 

خازن ها معمولاً به عنوان یک قطعه الکترونیکی در مدارها و دستگاه های مدرن استفاده می‌شوند همچنین آنها دارای تاریخچه طولانی به قدمت 250 سال هستند که می‌توان از آنها به عنوان قدیمی ترین قطعه الکترونیکی نام برد و در حال حاضر نیز به وفور در صنایع مختلف در حال استفاده هستند. با پیشرفت فناوری انواعی از خازن ها تولید شدند که هر کدام امکانات مخصوصی را ارائه می‌کردند که در ادامه به توضیح آنها می‌پردازیم.

خازن ها باید بر اساس ظرفیت جریان و نوع مدار مورد استفاده قرار گیرند.

ذخیره سازی بار الکتریکی توسط خازن

ذخیره سازی بار الکتریکی توسط خازن به ارتباط میان صفحات رسانا و عایق دی الکتریک مربوط می‌شود. پیش تر گفته شد که در این قطعه، صفحات رسانای موازی با اتصال به جریان الکتریکی بارهای الکتریکی را روی سطح خود ذخیره می‌کنند و عایق دی الکتریک میان دو صفحه این بارهای مثبت و منفی را در میدان بوجود آمده در فضای دو صفحه منتقل می‌کند و به این ترتیب خازن شارژ می‌شود.

توجه داشته باشید که برای مجموعه ای از صفحات موازی، میدان الکتریکی بین صفحات با معادله زیر به اختلاف پتانسیل میان دو صفحه ارتباط داده می‌شود:

برای خازن صفحه موازی: E = V / d

برای یک اختلاف پتانسیل معین (یعنی برای یک ولتاژ معین)، هرچه ثابت دی الکتریک بیشتر باشد، بار بیشتری می‌تواند در خازن ذخیره شود. نحوه محاسبه ظرفیت خازن صفحه موازی به صورت زیر است:

C=A/d.Ɛ

انرژی ذخیره شده در خازن برابر با میزان کاری است که برای ایجاد بار روی صفحات نیاز داریم. به این نکته باید توجه داشت که با افزایش ظرفیت خازن، شارژ کردن آن نیز سخت تر می‌شود و به زمان بیشتری احتیاج دارد.

در واقع انرژی در خصوص خازن ها به معنای میزان بار الکتریکی ذخیره شده در آنها است و با اختلاف پتانسیل (U) دو سر آن، رابطه مستقیم دارد بنابراین انرژی ذخیره شده در خازن برابر است با:

 U = 1/2 C V2

ظرفیت خازن ها بر اساس توان دی الکتریک آن ها تعیین می‌شود.

ظرفیت و ولتاژ خازن

ظرفیت ، میزان باری است که خازن می‌تواند بر روی صفحات رسانای خود متناسب با ولتاژ اعمالی به دو سر صفحات، ذخیره کند. از این رو خازن های مختلف میزان متفاوتی از بار را می‌توانند ذخیره کنند و به همین دلیل در موارد مصرف و کاربرد با هم تفاوت دارند.

ظرفیت خازن با حرف C نمایش داده می‌شود و برابر است با: C=Q/V

در این فرمول واحد بار بر حسب کولن و واحد ولتاژ ولت خواهد بود همچنین ظرفیت نیز با واحد فارادی یا کولن بر ولت تعریف می‌شود. ولتاژ خازن به بارهای جمع آوری روی صفحات و میدانی که توسط آنها بوجود می‌آید بستگی دارد.

تجمع بارهای مثبت و منفی در صفحات خازن، ولتاژی را در دو سر خازن بوجود می‌آورد که با بار روی صفحات رابطه عکس دارد، در صورت ثابت بودن بار و افزایش ولتاژ دو سر خازن، ظرفیت آن کاهش می‌یابد.

میزان باری که خازن می‌تواند بر روی صفحاتش داشته باشد را ظرفیت خازن می‌نامند.

انواع خازن

همانطور که گفته شد ماده عایق میان دو صقحه رسانا در خازن ها می‌تواند از مواد مختلفی باشد که هر کدام نوع خاصی از خازن ها را بوجود می‌آورند و با توجه به این واقعیت، انواع خازن ها به شرح زیر است:

1 – خازن الکترولیتی

به طور کلی، خازن های الکترولیت زمانی استفاده می‌شوند که قطعاتی با ظرفیت های بزرگ مورد نیاز است. در این نوع خازن در یک سمت از الکترودی با یک فلز نازک لایه لایه و در سمت دیگر از محلول الکترولیت نیمه مایع که به صورت ژله یا خمیر است استفاده می‌شود. همچنین صفحه دی الکتریک نیز از یک لایه اکسید با ضخامت کمتر از ده میکرون( ده میکرومتر) تشکیل شده است که این عایق بسیار نازک می‌تواند ظرفیت زیادی را برای خازن های الکترولیتی ایجاد کند. کاربرد خازن های الکترولیتی عموماً در مدارهای است که از منبع تغذیه با جریان مستقیم یا DC بهره می‌برند که علت آن به ظرفیت خازنی بالا در خازن های الکترولیتی و کاهش ریپل ولتاژ بر می‌گردد.

2 – خازن میکا

خازن میکا متشکل از مواد معدنی است و نوعی از آنها به نام خازن های نقره ای میکا از دی الکتریک نیز در ساختارشان استفاده می‌کنند همچنین نوع دیگری از خازن های میکا نوع گیره دار هستند که تا حدودی منسوخ شده اند.

خازن های میکا برای طراحی خازن هایی پایدار و قابل اعتماد در اندازه های کوچک استفاده می‌شوند، تلفات در این نوع خازن کم است و به همین دلیل در فرکانس های بالا استفاده می‌شوند. علت پایداری خازن های میکا ساختار کریستالی خاص و لایه لایه در آنهاست همچنین انواعی از خازن های میکا مقاومت بالایی در برابر حرارت دارند.

3 – خازن کاغذ

 یکی دیگر از انواع خازن ها خازن کاغذی است که در آن رساناهای موازی دو ورق فویل از جنس حلب هستند و عایق میان آنها از کاغذ است. در نهایت مجموعه این فویل ها و کاغذهای نازک به شکل استوانه در می‌آیند و درون کپسول پلاستیکی قرار داده می‌شوند.

امروزه بجای کاغذ از موادی مانند پلاستیک در این نوع خازن ها استفاده می‌شود اما از آنجا که در ابتدا از کاغذ بهره می‌بردند، همچنان آنها را با نام خازن کاغذی می‌شناسند. محدوده ظرفیت این خازن چیست؟  از  0.001 تا 2.000 میکروفاراد است و ولتاژ های بسیار بالایی در حدود 2000 ولت را می‌توانند تحمل کنند.

4 – خازن فیلم

 در این نوع از خازن ها از پلاستیک به عنوان ماده دی الکتریک استفاده می‌شود و انواع مختلفی از خازن های فیلم شامل پلی استر، متالیزه، پلی پروپیل،  PTEو پلی استایرن وجود دارد که تفاوت اصلی آنها در نوع دی الکتریک است. انتخاب دی الکتریک مناسب به خواصی که ارائه می‌دهد و موارد استفاده آن بستگی خواهد داشت.

مزیت این مدل خازن چیست؟ پایداری و هزینه مناسب شان است. خازن فیلم PTE یک مقاومت حرارتی است و در فناوری هوافضا از آن استفاده می‌شود.

5 – خازن های غیر پلاریزه

خازن های غیر پلاریزه به دو نوع خازن فویل پلاستیکی و دیگری خازن غیرقطبی الکترولیتی طبقه بندی می‌شوند. خازن غیرقطبی به منبع تغذیه AC به صورت سری یا موازی  نیاز دارد.

6 – خازن سرامیکی

 این خازن ها از مواد سرامیکی به عنوان دی الکتریک استفاده می‌کنند چرا که سرامیک ها یکی از اولین موادی هستند که در تولید خازن ها به عنوان عایق استفاده می‌شود. خازن های سرامیکی در شکل های مختلف یافت می‌شوند که ساختار برخی از آنها به صورت لوله ای از سرامیک است.

7 – خازن‌ تانتال

این خازن‌ها برای ظرفیت‌های بالا در اندازه‌های کوچک و پایداری بالا در دماهای متفاوت مورد استفاده قرار می‌گیرند. آن‌ها معمولاً گران‌تر از سایر انواع خازن‌ها هستند.

8 – خازن‌های سوپر

این نوع خازن‌ها، که گاهی اوقات به عنوان اولتراکپسیتورها شناخته می‌شوند، دارای ظرفیت‌های بسیار بالایی هستند و می‌توانند به عنوان منابع انرژی جایگزین یا در کنار باتری‌ها استفاده شوند.

خازن ها در اندازه و ظرفیت های متفاوت مورد استفاده قرار می‌گیرند.

کاربرد خازن

خازن‌ها دارای کاربردهای متنوعی در حوزه‌های الکترونیک، مخابرات، صنعت و حتی پزشکی هستند. در اینجا به برخی از مهم‌ترین کاربردهای خازن‌ها اشاره می‌کنیم:

1 – فیلترینگ

یکی از رایج‌ترین کاربردهای خازن‌ها، استفاده به عنوان فیلتر برای حذف نویز و تغییرات ناخواسته ولتاژ در مدارات الکتریکی است. خازن‌ها می‌توانند جریان‌های مزاحم AC را از یک سیگنال DC جدا کرده و به اصطلاح “صاف” کنند.

2 – ذخیره‌سازی انرژی

خازن‌ها می‌توانند به سرعت انرژی را ذخیره و آزاد کنند، که این ویژگی آن‌ها را برای استفاده در مداراتی که نیاز به پالس‌های قدرتمند و کوتاه مدت دارند، ایده‌آل می‌سازد.

3 – مدارهای تایمینگ

خازن‌ها به همراه مقاومت‌ها می‌توانند برای ایجاد تأخیر زمانی در مدارات استفاده شوند. این ترکیب، که به عنوان مدار RC شناخته می‌شود، در تایمرها، ساعت‌ها و مدارهای کنترل فرکانس کاربرد دارد.

4 – تقویت سیگنال‌ها

در مدارات تقویت‌کننده، خازن‌ها می‌توانند برای افزایش پهنای باند و بهبود پاسخ فرکانسی استفاده شوند.

5 – انتقال سیگنال

خازن‌ها می‌توانند به عنوان مولفه‌های انتقال سیگنال در مدارات استفاده شوند، به طوری که اجازه می‌دهند سیگنال‌های AC عبور کنند در حالی که جلوی عبور DC را می‌گیرند.

6 – کاربردهای صنعتی

در صنایع مختلف، خازن‌ها برای کاربردهایی مانند تصحیح فاکتور توان، دمپر کردن و فیلتر کردن در مدارات قدرت استفاده می‌شوند.

7 – سیستم‌های مخابراتی

در سیستم‌های مخابراتی، خازن‌ها برای تنظیم فرکانس، فیلتر کردن و جداسازی سیگنال‌ها به کار می‌روند.

8 – تکنولوژی‌های پوشیدنی و پزشکی

در تجهیزات پزشکی پوشیدنی و دیگر دستگاه‌های پزشکی، خازن‌ها ممکن است برای کنترل تحریکات الکتریکی، فیلتر کردن سیگنال‌های بیوالکتریکی و ذخیره‌سازی انرژی کوتاه مدت استفاده شوند.

کاربردهای خازن‌ها بسیار گسترده و متنوع هستند و به طور مداوم با پیشرفت فناوری‌های جدید در حال توسعه هستند. انتخاب صحیح نوع خازن برای هر کاربرد خاص، نقش مهمی در عملکرد کلی مدار دارد.

خازن ها در تمامی مدار های الکترونیکی، بر اساس میزان جریان مدار، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

جمع بندی

خازن‌ها، با توانایی خود در ذخیره‌سازی و آزادسازی انرژی الکتریکی، نقش حیاتی در دنیای مدرن ایفا می‌کنند. از فیلتر کردن نویزهای الکتریکی گرفته تا تنظیم فرکانس‌های مخابراتی، این اجزاء کوچک اما قدرتمند، در هر جایی از مدارات الکترونیکی پیدا می‌شوند. انواع مختلف خازن‌ها، از جمله سرامیکی، الکترولیتی و فیلم، هر یک ویژگی‌های منحصر به فردی دارند که آن‌ها را برای کاربردهای خاص مناسب می‌سازد.

همانطور که “توماس ادیسون” می‌گوید: «ما تنها با تلاش و خطا به نتایج دست می‌یابیم». این جمله به خوبی به تکامل خازن‌ها و کاربردهای آن‌ها در طول تاریخ اشاره دارد. از ابتدایی‌ترین فرم‌های آن‌ها تا پیچیدگی‌های امروزی، هر نوآوری در زمینه خازن‌ها، نتیجه‌ی آزمایش‌ها، شکست‌ها و در نهایت، موفقیت‌های بی‌شمار مهندسین و دانشمندان بوده است.

در نهایت، اهمیت خازن‌ها در تکنولوژی مدرن نمی‌تواند اغراق‌آمیز باشد. آن‌ها سنگ‌بنای انواع مختلف مدارات الکترونیکی هستند و به عنوان پلی بین ایده‌های نوآورانه و پیاده‌سازی‌های عملی عمل می‌کنند. با توجه به پیشرفت‌های مستمر در فناوری و مواد، می‌توان انتظار داشت که خازن‌ها نقش هر چه بیشتری در توسعه فناوری‌های آینده ایفا کنند.

نوین برق

سوالات متداول

1 – انواع خازن كدام است؟

  خازن الکترولیتی، خازن میکا، خازن کاغذ، خازن فیلم، خازن غیر پلاریزه و خازن سرامیکی از انواع آن هستند.

2 – خازن سرامیکی چيست؟

 این خازن ها از مواد سرامیکی به عنوان دی الکتریک استفاده می‌کنند.

3 – خازن ميكا چيست؟

خازن میکا متشکل از مواد معنی است و نوعی از آنها به نام خازن های نقره ای میکا از دی الکتریک نیز در ساختارشان استفاده می‌شود همچنین نوع دیگری از خازن های میکا نوع گیره دار هستند که تا حدودی منسوخ شده اند.