خازن

                                                                                                            به نام خدا

فهرست مطالب:

• مقدمه
• خازن ها چه عملی انجام می دهند ؟
• ساختمان یک خازن
• خصوصیات عملیاتی خازن ها
• انواع خازن ها
• مفهوم ثابت زمانی
• در یک مدار جریان متناوب خازن چه عملی انجام میدهد؟
• 1-مقدمه

خازن‌ها از اجزای مهم و پرکاربرد در مدارهای الکتریکی و الکترونیکی هستند که قابلیت ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی به صورت میدان الکترواستاتیکی را دارند.

عملکرد اصلی آن‌ها بر پایه ذخیره و تخلیه بار الکتریکی است، که همین ویژگی آن‌ها را برای کاربردهایی مانند صاف‌کردن ولتاژ، فیلتر کردن نویز، و تنظیم زمان در مدارها ضروری می‌سازد. در این پروژه، به بررسی ساختار، انواع، نحوه عملکرد و کاربردهای مختلف خازن‌ها پرداخته می‌شود تا نقش کلیدی آن‌ها در مهندسی برق و الکترونیک بهتر شناخته شود.

2-خازن ها چه اعمالی انجام می دهند ؟

1 - 1 خازنها بار الکتریکی را در خود ذخیره می کنند.

در مدارهای الکترونیکی از خازن ها استفاده های زیادی می کنند زیرا آنها بخوبی قادر به ذخیره کردن بار الکتریکی میباشند.

همانطوری که میدانید بار الکتریکی را برحسب کولمب بیان می کنند.

۱-۲ واحدهای ظرفیت

توانائی خازن در ذخیره کردن بار الکتریکی موجب میشود که برای هر خازن یک ظرفیت بخصوص را در نظر بگیرند.

ظرفیت خازن برحسب فاراد سنجیده می شود. چون فاراد واحد بسیار بزرگی است معمولا از واحدهای کوچکتری استفاده می کنند.

اینها عبارتند از میکروفاراد نانوفاراد و بلاخره پیکو فاراد .

3-ساختمان یک خازن

سمبل عمومی برای نشان دادن خازنی که ظرفیت ثابتی دارد و ساختمان عمومی یک خازن در شکل زیر نشان داده شده.

همانطور که مشاهده میکنید هر خازن شامل صفحات هادی,دی الکتریک و سیم ها می باشد.

4-خصوصیات عملیاتی خازن ها

۳-۱خصوصیات عملیاتی خازن

 ولتاژ شکست :حداکثر ولتاژی است که میتوان به خازن اعمال نمود. این کمیت را با عبارت ولتاژی کاری بر روی بدنه خازن ثبت میکنند و آن را با حروف Wkg مشخص میکنند.

برای مثال بر روی بدنه یک خازن ممکن است نوشته شده باشد V Wkg100  یعنی حداکثر ولتاژی که به این خازن میتوان اعمال نمود ۱۰۰ ولت است. در صورتیکه ولتاژ اعمال شده از این حد تجاوز کند امکان وارد شدن آسیب دائمی به خازن زیاد خواهد بود. به این دلیل همیشه سعی کنید خازنی انتخاب کنید که ولتاژ کاری آن بیشتر از ولتاژی باشد که احتمال میدهید به آن وارد شود .

تلرانس:این کمیت حدی را نشان میدهد که ظرفیت خازن ممکن است در آن محدوده بالا یا پائین برود.

برای مثال یک خازن یک میکروفاراد با تلرانس ۲۰% + ممکن است ظرفیتی بین ( ۱ × ۲/ ۰ - ۱ ) و ( ۱ × ۲/ ۰ + (۱) میکروفاراد داشته باشد یعنی ظرفیت آن بین 8/0تا 2/1میکروفاراد خواهد بود.

ثبات یا پایداری: ظرفیت یک خازن بمرور زمان و با تغییرات دما و شرایط دیگر تغییر میکند .

 یک خازن خوب خازنی است که ظرفیت آن با تغییر شرایط بالا ، در حدود تلرانس داده شده باقی بماند .

ضریب قدرت : این کمیت جزئی از انرژی را که در دی الکتریک به هدر میرودنشان میدهد.

در یک مدار جریان متناوب این انرژی با بروز حرارت در حین شارژ و دشارژ خازن خود را نشان میدهد.

برای یک خازن بسیار ایده آل این ضریب صفر بوده و در مورد یک خازن بسیار ضعیف اندازه آن مساوی ۱ است .

در مورد خازنهای میکا ، سرامیک و پلی استیرن که برای فرکانس های بالا بسیار مناسب اند اندازه این ضریب بسیار ناچیز است .

جریان نشتی :بطوری که مستحضر هستید دی الکتریک یک عایق است و جریان نباید از آن عبور کند .

اگرچه چون عایق الکتریکی کامل وجود ندارد. همواره یک جریان نشتی وجود خواهد داشت.

بهر حال خازن خوب خازنی است که جریان نشتی ناچیزی داشته باشد

5-انواع خازن ها

خازنهای پلی استر هواخواهان زیادی دارند.کوچک بودن اندازه و همچنین مرتب بودن وضع ظاهری آنها ، موارد استفاده اینگونه خازنها را در مدارات چاپی بسیار افزون نموده است.

ظرفیت این خازنها را باید از روی رمز رنگی که بر روی بدنه آنها ثبت شده قرائت نمود.استاندارد رمزگذاری شبیه روشی است که در مورد مقاومتها اتخاذ گردیده است .

جدود ظرفیت خازنهای پلی کربنات نیز از بسیاری از جهات شبیه خازنهای پلی استر میباشد با این تفاوت که خازنهای با ظرفیتهای بالاتر نیز در این رده در دسترس است.

و البته قیمت آنها نیز کمی گرانتر از خازنهای پلی استر میباشد .

خازن های الکترولیتی را نیز معمولا بصورت استوانه ای میسازند.به محض اتصال این خازن ها به مدار،یک سری تحولات شیمیائی به وقوع پیوسته و لایه ای از اکسید صفحات خازن را می پوشاند.

توجه داشته باشید که این خازنها نیز از نظر قطبی بودن شبیه خازنهای تانتالوم هستند. اگر دنبال یک خازن پرظرفیت هستید ناچارید از اینگونه خازنها استفاده کنید هر چند که جریان نشتی آنها بسیار زیاد است .

دو تا از پر استفاده ترین انواع این خازنها خازن متغیر نوع پرده ای با دی الکتریک جامد و نوع پرده ای با دی الکتریک گازی هستند،درگیرنده های رادیوئی برای تنظیم ایستگاه از این خازنها استفاده میکنند .

در این خازنها ، ظرفیت خازن بر اساس مساحت متقابل صفحات متحرک تغییر میکند. شکل صفحات متحرک طوری طراحی شده که زوایای چرخش مساوی موجب تغییرات مشابه دراندازه ظرفیت شود .

معمولا حداکثر ظرفیتی که از نوع شانه ای میتوان به دست آورد بین ۵۰ تا ۱۰۰۰ پیکوفاراد است.

خازنهای تریمر خازنهای متغیر کوچکی هستند که برای تنظیمات جزئی بکار میروند . اندازه اینها معمولا از ۱۵۰ پیکو فاراد تجاوز نمیکند

6-مفهوم ثابت زمانی

ثابت زمانی، که با نماد τ (تاو) نشان داده می‌شود، مفهومی کلیدی در تحلیل مدارهای RC (مقاومت-خازن) است و مدت‌زمانی را نشان می‌دهد که خازن در آن مقدار قابل توجهی از بار الکتریکی را شارژ یا دشارژ می‌کند.

فرمول ثابت زمانی به شکل زیر است:

τ = R × C

که در آن:

       •      R مقاومت (بر حسب اهم)

       •      C ظرفیت خازن (بر حسب فاراد)

       •      τ ثابت زمانی (بر حسب ثانیه)

ثابت زمانی τ یعنی مدت‌زمانی که طول می‌کشد تا ولتاژ خازن به حدود 63 درصد مقدار نهایی خود برسد، چه در حال شارژ باشد و چه دشارژ.

برای مثال:

       •      اگر τ = 1 ثانیه باشد، یعنی پس از 1 ثانیه خازن حدود 63٪ شارژ شده.

       •      بعد از 5τ (مثلاً 5 ثانیه)، خازن تقریباً به طور کامل (بیش از 99٪) شارژ یا دشارژ می‌شود.

کاربرد ثابت زمانی

       •      در طراحی مدارهای تایمر، فیلتر، یا مدارهای تأخیر زمانی.

       •      برای پیش‌بینی رفتار گذرای مدار هنگام روشن یا خاموش شدن.

7. در یک مدار جریان متناوب خازن چه اعمالی انجام میدهد؟

در مدارهای جریان متناوب، خازن‌ها نقش‌های مهم و متفاوتی نسبت به مدارهای جریان مستقیم ایفا می‌کنند. مهم‌ترین عملکردهای خازن در مدار AC عبارتند از:

1. عبور دادن جریان AC و جلوگیری از DC

خازن به جریان متناوب اجازه عبور می‌دهد، اما جریان مستقیم را پس از مدت کوتاهی قطع می‌کند. به همین دلیل، خازن در مدارهای AC برای جدا کردن سیگنال‌های AC از DC به‌کار می‌رود. به این کار کوپلینگ (Coupling) گفته می‌شود.

2. ذخیره و آزاد کردن انرژی به‌صورت متناوب

در مدار AC، خازن به‌طور مداوم شارژ و دشارژ می‌شود. این فرآیند باعث می‌شود که جریان به‌صورت پیوسته در مدار جریان یابد، حتی بدون عبور الکترون‌ها از میان خازن (یعنی خازن در واقع جریان را هدایت نمی‌کند، بلکه آن را منتقل می‌کند از طریق میدان الکتریکی).

3. جلو افتادن جریان نسبت به ولتاژ (ایجاد اختلاف فاز)

در مدارهای AC که خازن وجود دارد، جریان زودتر از ولتاژ تغییر می‌کند (یعنی جریان از ولتاژ جلو می‌افتد). این خاصیت در مدارهای قدرت و کنترل برای تنظیم فاز یا بهبود ضریب توان استفاده می‌شود.

4. تغییر مقاومت با فرکانس (امپدانس خازنی)

خازن در برابر جریان AC نوعی مقاومت به نام امپدانس خازنی ایجاد می‌کند که به فرکانس وابسته است.

        •    با افزایش فرکانس، مقاومت خازن کمتر می‌شود.

         •بنابراین خازن در فرکانس‌های بالا جریان را راحت‌تر عبور می‌دهد.

5. استفاده در فیلتر کردن و تنظیم فرکانس

از خازن در مدارهای AC برای ساخت فیلترهای الکترونیکی استفاده می‌شود. این فیلترها سیگنال‌های با فرکانس خاص را عبور می‌دهند یا حذف می‌کنند (مثلاً فیلتر پایین‌گذر، بالاپر و میان‌گذر).

در مدارهای جریان متناوب، خازن:

       •          جریان AC را عبور می‌دهد ولی DC را مسدود می‌کند.

      •      انرژی را به صورت مداوم ذخیره و آزاد می‌کند.

       •      باعث جلو افتادن جریان نسبت به ولتاژ می‌شود.

       •      در فرکانس‌های بالا، مقاومت کمتری دارد.

       •      برای فیلتر کردن و تنظیم سیگنال‌ها به کار می‌رود.

Capacitors in circuits

مرجع:

(خازنها در مدارات ترجمه سید خلیل تقوی)