خازن‌ها – خازن چیست؟

خازن‌ها ، خازن قطعه‌ای پسیو است که می‌تواند انرژی را در قالب اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو صفحه خود ذخیره کند. از همین رو این قطعه در مقابل تغییر ناگهانی ولتاژ در مدار از خود مقاومت نشان می‌دهد.

بار الکتریکی به شکل اختلاف پتانسیل میان دو صفحه خازن، در خازن ذخیره می‌شود. بسته به این‌که جهت عبور جریان چگونه باشد، یکی از صفحات دارای بار مثبت و دیگری دارای بار منفی می‌شود.

دی‌الکتریک

میان دو صفحه‌ی خازن یک فضای نارسانا وجود دارد که به آن دی‌الکتریک گفته می‌شود. این دی‌الکتریک می‌تواند خلاء، هوا، کاغذ، سرامیک، میکا، آلومینیوم یا غیره باشد. خازن‌ها را براساس دی‌الکتریک به‌کار رفته در ساخت آن‌ها نام‌گذاری می‌کنند.

نماد و یکا خازن‌ها

یکای استاندارد برای خازن‌ها فاراد(F) است. رنج فعلی خازن‌های موجود، مقادیر میکروفاراد، نانوفاراد و پیکوفاراد است.

نماد مداری یک خازن به شکل زیر است.

ظرفیت یک خازن با فاصله‌ی بین دو صفحه‌ی آن و معکوس مساحت صفحات آن متناسب است. هم‌چنین هرچه ضریب گذردهی دی‌الکتریک یک خازن بالاتر باشد، ظرفیت آن بالاتر است.

ضریب گذردهی بیان‌گر میزان شار الکتریکی تولیدی در یک ماده به ازای واحد بار است.

تعدادی از انواع خازن های کاربردی را در تصویر زیر می‌بینیم.

ظرفیت خازن

اگر دو صفحه با مساحت یکسان A  به صورت موازی و در فاصله‌ی d از یک‌دیگر قرار بگیرند و انرژی الکتریکی به آن‌ها اعمال شود تا خاصیت خازنی پیدا کنند، مقدار ظرفیت این خازن از فرمول زیر محاسبه می‌شود:

که در آن ؛

• C بیانگر ظرفیت خازن
• Ɛ بیانگر ضریب‌گذردهی ماده به کار رفته به عنوان دی‌الکتریک
• d بیانگر فاصله میان دو صفحه
• و A بیانگر مساحت صفحات مورد استفاده در خازن، هستند.

یک خازن با صفحات موازی را در شکل زیر می‌بینید که تحت تاثیر انرژی الکتریکی قرار گرفته است.

پس از اعمال ولتاژ، بارهای الکتریکی بر روی دو صفحه خازن تجمع می‌کنند. این تجمع بار که اصطلاحا شارژ شدن خازن گفته می‌شود به آرامی اتفاق می‌افتد و تا زمانی ادامه می‌یابد که ولتاژ افتاده بر روی دو سر خازن برابر با ولتاژ اعمالی شود. در این حالت اصطلاحا ولتاژ ورودی به صفحات خازن و خروجی از سر دیگر آن‌ها با هم برابر است و تعادل بار ایجاده شده.

سرعت شارژ شدن خازن به مقدار ظرفیت آن بستگی دارد. هرچه ظرفیت بیشتر باشد، نرخ بارگذاری بر روی صفحات کمتر است و لذا خازن دیرتر به حالت پایدار شارژ کامل می‌رسد.

عملکرد یک خازن

برای فهم عملکرد یک خازن ، آن را به صورت یک قطعه پسیو دو سر که انرژی الکتریکی را در خود ذخیره می‌کند تعریف می‌کنیم. این انرژی الکتریکی در واقع در میدان الکترواستاتیکی ایجاد شده در ساختمان خازن ذخیره می‌شود. زمانی که بارهای مثبت و منفی روی دو صفحه‌ی موازی خازن در تعادل هستند( از نظر اندازه)، خازن هیچ میلی به سمت شارژ یا دشارژ ( تخلیه بار) شدن از خود نشان نمی‌دهد.

با عبور جریان، بارهای منفی( الکترون‌ها) بر روی یک صفحه تجمع می‌یابند و علت ایجاد بار مثبت بر صفحه مقابل نیز، خلاء الکترون‌ها نسبت به صفحه‌ی دیگر است.  این وضعیت، بدون تزریق هیچ‌گونه بار اضافی خارجی اتفاق می‌افتد و وضعیت الکترواستاتیک گفته می‌شود. تصویر زیر یک خازن را با بارهای الکترواستاتیک قرار گرفته بر صفحات آن نشان می‌دهد.

تجمع الکترون بر روی یک صفح و کمبود آن بر صفحه دیگر ، به تناسب دوره تناوب منبع تغذیه AC بین دو صفحه جابه جا می‌شود ( یعنی در سیکل مثبت منبع، یک صفحه دچار تجمع الکترون و در نتیجه بار منفی شده و صفحه مقابل دچار کمبود الکترون و در نتیجه بار مثبت می‌شود و در سیکل منفی منبع، بار صفحات معکوس می‌شود.) این تعویض بارها میان دو صفحه، به نوعی جریان تعبیر می‌شود که به آن جریان جا‌به‌جایی می‌گوییم. جهت این جریان به علت AC  بودن منبع ایجاد آن متغییر است.

شارژ خازن

زمانی‌که یک ولتاژ خارجی به خازن اعمال کنیم، بارهای الکتریکی جریان ، به بارهای الکترواستاتیکی تبدیل می‌شوند. این تبدیل در واقع به واسطه وجود خازن رخ می‌دهد و همان فرآیند شارژ شدن خازن است. به تعبیری پتانسیل مثبت منبع ، بارهای مثبت صفحه‌ی مثبت خازن را به سمت خود می‌کشد و باعث مثبت‌تر شدن آن می‌شود و پتانسیل منفی منبع، الکترون‌های خود را به سمت صفحه منفی خازن می‌فرستد که باعث منفی‌تر شدن آن صفحه ‌می‌شود. این مطلب در تصویر زیر قابل مشاهده است.

در حین فرآیند شارژ شدن، به مرور و با تکمیل ظرفیت شارژ خازن، الکترون‌ها از منبع DC عبور کرده اما نمی‌توانند از دی‌الکتریک که یک نارسانا است عبور کنند. به این ترتیب جابه‌جایی بارها در شروع فرآیند شارژ شدن خازن بسیار بزرگ است اما رفته رفته و با شارژ شدن خازن از میزان آن کاسته می‌شود تا اینکه ولتاژ دو سر خازن با ولتاژ منبع برابر می‌شود و جابه‌جایی بارها نیز متوقف می‌شود. بنابراین جریان در ابتدا بالا و در طول زمان به صورت نمایی کاهش ‌یابد.در ادامه با وبسایت میکرودیزاینر الکترونیک باشید تا بیشتر خازن ها را مطالعه کنیم.

اما ببینیم که در زمان شارژ، در دی‌الکتریک چه رخ می‌دهد؟

رفتار دی‌الکتریک

همان‌طور که بارها در دو صفحه خازن تجمع می‌یابند، باعث می‌شوند که یک میدان الکترواستاتیک میان دو صفحه ایجاد شود که قدرت آن به میزان بارهای تجمع یافته و گذردهی الکتریکی دی‌الکتریک وابسته است. مفهوم گذردهی در دی‌الکتریک نیز از همین‌جا بدست می‌آید که عددی است برای سنجش این‌که ماده دی‌الکتریک به چه میزان عبور خطوط میدان الکترواستاتیک را از خود اجازه می‌دهد.

گفتیم که دی‌الکتریک‌ها نارسانا هستند بنابراین در خارجی‌ترین مدار اتم‌های خود دارای الکترون می‌باشند. اما این الکترون‌ها چگونه در فرآیند شارژ خازن تحت تاثیر قرار می‌گیرند؟ زمانی که هیچ باری بر روی صفحات خازن قرار نگرفته است، این الکترون‌ها در مدار دایره‌ای خود به دور اتم‌ها در حال حرکت هستند. این حرکت را در شکل زیر می‌بینید.

زمانی که تجمع بار روی صفحات اتفاق می‌افتد، این الکترون‌ها تمایل پیدا می‌کنند که به سمت صفحه مثبت حرکت کنند، اما هم‌چنان حرکت دورانی‌شان به دور اتم نیز محفوظ است. لذا برای برآوردن این تمایل، مدار حرکت آن‌ها از حالت دایره‌ای خارج شده و به شکل زیر در می‌آید.

مرز شکستگی دی‌الکتریک

با افزایش بار بر روی صفحات، این مدارها بیشتر دچار کشیدگی می‌شوند اما اگر این روند هم‌چنان ادامه یابد، دی‌الکتریک خاصیت خود را از دست داده ، که اصطلاحا می‌گویند دچار شکست شده است،  و الکترون‌ها را از خود عبور می‌دهد. یعنی خازن اتصال کوتاه خواهد شد. بنابراین باید ولتاژ اعمالی به خازن، متناسب با این مرز شکستگی دی‌الکتریک باشد که خاصیت خازنی محفوظ بماند.

خازنی که شارژ شده باشد، آماده دشارژ شدن است. با توجه به این که دشارژ شدن خازن به معنی تخلیه بار آن است، لذا کافی‌ست مسیری برای عبور الکترون‌ها از صفحه مثبت به صفحه منفی ایجاد کنیم. با این کار بارهای منفی بدون هیچگونه اجبار خارجی به سمت صفحه مقابل حرکت‌ خواهند کرد چرا که در یک صفحه دچار تورم بار منفی هستیم در حالی که در صفحه دیگر میزان الکترون‌ها بسیار اندک است. بنابراین در صورت وجود مسیری برای حرکت، به طور طبیعی به سمت صفحه مقابل خواهند رفت و به این ترتیب عدم تعادل بار بین دو صفحه به کمک دشارژ شدن از بین رفته و خازن دوباره به حالت اولیه خود باز می‌گردد.

هم‌چنین با یافتن مسیری برای تخلیه بارها، الکترون‌های اتم‌های دی‌الکتریک نیز رفته رفته دوباره به مدار دایره خود بازمی‌گردند همین اتفاق از شدت میدان ایجاد شده کاسته و الکترون‌ها را به تخلیه شدن تشویق می‌کند.

این نوع تخلیه بار، به خازن‌ها این قدرت را می‌دهد که در مدت زمان کوتاهی، بتوانند جریان بالایی ایجاد کنند. یکی از کاربرد‌های چنین خاصیتی، در فلاش دوربین‌های عکاسی است.

سیستم کدبندی رنگی

خازن‌ها علامت‌گذاری‌هایی دارند که با توجه به آن‌ها می‌توانیم مقدار ظرفیت آن‌ها را بفهمیم. به طور مثال این علائم ممکن است به صورت زیر باشند:

n35 = 0.35nF یا 3n5 = 3.5nF یا 35n = 35nF ,…

یا گاهی اوقات علامت گذاری ممکن است به این شکل باشد : 100 K . که چون K خود به معنای 1000 pF است، پس 100 K برابر با 100 nF   خواهد بود.

البته این شیوه‌ی علامت‌گذاری عددی، امروز متداول شده است و در گذشته سیستمی بین‌المللی براساس کدهای رنگی تنظیم شده بود و از آن برای تعیین مقدار ظرفیت خازن‌ها استفاده می‌شد. نحوه‌ی تفسیر این کدهای رنگی در جدول و توصیر زیر توضیح داده شده است.

همان‌طور که در تصاویر مشخص است، در این خازن‌ها که دارای پنج باند رنگی هستند، دو باند اول به دو رقم اول ترجمه می‌شد، باند سوم به ضریب، باند چهارم به تلرانس و باند پنجم به ولتاژ.

مثال

به عنوان یک مثال ؛ مقدار ظرفیت خازنی را تعیین می‌کنیم که نوارهای رنگی آن به ترتیب زرد، بنفش، نارنجی، سفید و قرمز هستند.

مطابق جدول بالا، رنگ زرد بیانگر عدد 4، بنفش عدد 7 و نارنجی بیانگر عدد 3 است. رنگ سفید که نشان دهنده میزان تلرانس است ،از جدول بالا مقدار  را به ما می‌دهد  و رنگ قرمز هم که نشان دهنده ولتاژ است. برای دانستن ترجمه ی هر رنگ به ولتاژ  متناظر، جدول دیگری داریم که از طریق آن بفهمیم که این خازن به کدام دسته‌ی ولتاژی تعلق دارد. این جدول را در اینجا با هم می‌بینیم.

با این حساب، مقدار ظرفیت خازن مورد مثال، 47 Nf , 10% , 250 v خواهد بود.

لازم به ذکر است که بازه‌ی ولتاژی هر خازن، نشان‌دهنده نوع آن خازن است. به عنوان مثال خازن‌های دسته J ، خازن‌هایی هستند که با تانتالیوم پوشیده شده‌اند. یا خازن‌های دسته‌ی K، خازن‌های میکا هستند. دسته‌ی  L پلی‌استرن‌ها ، دسته‌ی M خازن‌های الکترولیتی باند 4 و دسته‌ی N الکترولیتی‌های باند 3 هستند.

با این‌حال، همان‌طور که گفتیم امروزه دیگر سیستم علامت‌گذاری رنگی منسوخ شده و از شیوه‌ی نمادهای عددی و حروف الفبا استفاده می‌کنند.

راکتانس خازنی

راکتانس خازنی اصطلاحی بسیار مهم در مدارهای الکترونیکی است. به مقاومتی که خازن‌ها در برابر عبور جریان AC یا متناوب از خود نشان می‌دهند، راکتانس خازنی گفته می‌شود. در واقع خازن‌ها در برابر تغییر جریان عبوری مقاومتی نشان می‌دهند که آن را راکتانس می‌نامیم. به همین دلیل فرکانس منبع جریان ورودی باید در تعیین این مقاومت در نظر گرفته شود.

نماد این راکتانس X_C است.

چنان‌چه مداری تنها دارای راکتانس خازنی خالص باشد، جریان خازن   90 درجه از نظر فاز از ولتاژ اعمال شده به خازن جلوتر خواهد افتاد.

ضریب دمایی خازن‌ها

حداکثر تغییری که در ظرفیت یک خازن در یک بازه‌ی متغییر دمایی ایجاد می‌شود، بوسیله‌ی ضریبی به نام ضریب دمایی خازن تعیین می‌گردد. به عبارت دیگر، زمانی که دما از نقطه‌ی مشخصی فراتر رود، تغییراتی که ممکن است در میزان ظرفیت خازن اتفاق بیفتند را با این ضریب توجیه می‌کنیم.

معمولا تمام خازن ها با در نظر گرفتن دمای مرجع 25° ساخته می‌شوند. بنابراین ضریب دمایی خازن ها مربوط به دماهای بالاتر یا پایین تر از این مقدار است.خیلی ممنون که این مطلب را در میکرودیزاینرالکترونیک مطالعه کردید امیدواریم برایتان مفید واقع شده باشد و لطفا نظرات خودتان را با ما به اشتراک بگذارید.

اگر این نوشته‌ برایتان مفید بود لطفا کامنت بنویسید.

مطالعه دیگر جلسات این آموزش

<< جلسه قبلی                    جلسه بعدی >>