الکترونیک

خازن چیست و چه کاربردی دارد؟

خازن چیست و چه کاربردی دارد؟

یکی از کارهایی که در مدارهای الکترونیکی به آن احتیاج پیدا می‌کنیم، ذخیره انرژی به صورت موقت اما سریع است. جالب آنکه وظیفه خازن دقیقاً همین کار می‌باشد. کار خازن‌ها علاوه بر ذخیره انرژی، موارد دیگری را نیز شامل می‌شود به همین خاطر امروز قرار است در مورد آن صحبت کنیم پس با لیموپای همراه باشید تا ببینیم خازن چیست و چه کاربردی دارد.

خازن به چه معناست؟

خازن یک قطعه الکترونیکی است که به طور موقت می‌تواند انرژی الکتریکی را در خود ذخیره کند. هر خازن از دو صفحه رسانا تشکیل شده که به وسیله یک نوع ماده دی الکتریک از هم جدا شده‌اند. این صفحات انرژی الکتریکی را در خود ذخیره می‌کنند؛ یک صفحه بار مثبت و یک صفحه بار منفی.

ظرفیت خازن چیست؟

به زبان ساده بگوییم که مقدار انرژی الکتریکی ذخیره شده در خازن را ظرفیت خازن می‌گویند. در مدارهای الکتریکی با ولتاژ DC، خازن به صورت اتصال باز (قطع عبور جریان) و در مدارهای با ولتاژ متناوب AC، به صورت اتصال کوتاه (عبور کامل جریان ) عمل می‌کند.

از لحاظ عملکرد، خازن دقیقا عکس سلف می‌باشد. این یعنی سلف در برابر ولتاژ DC مقاومتی از خود نشان نداده و اتصال کوتاه می‌شود اما در برابر ولتاژ AC اتصال باز می‌شود.

نحوه عملکرد خازن چگونه است؟

زمانی که صفحات رسانای مثبت و منفی، هر دو به یک اندازه باردار شده باشند، می‌گوییم که خازن شارژ شده است.

به علت اینکه صفحه‌های مثبت و منفی خازن دائماً به سمت یکدیگر جذب می‌شوند و از طرفی به خاطر وجود ماده دی الکتریک بین آنها، هیچگاه به یکدیگر نمی‌رسند، خازن این انرژی الکتریکی را مدت زیادی می‌تواند در خود نگه دارد.

شارژ شدن خازن‌ها تا مرحله‌ای ادامه می‌یابد که دیگر توانایی دریافت انرژی الکتریکی را نخواهند داشت. به عبارتی دیگر، بر روی صفحه با بار منفی آن‌قدر بار منفی قرار دارد که تمام بارهای منفی دیگری که می‌خواهند جذب شوند را دفع می‌کنند. در همین‌جاست که ظرفیت خازن نمایان می‌شود.

ظرفیت خازن بیشترین مقدار انرژی الکتریکی است که خازن می‌تواند در خود ذخیره نماید. واحد اندازه‌گیری ظرفیت خازن را فاراد (F) می‌نامند.

اگر در یک خازن مسیری ایجاد کنیم که این بارهای مخالف از طریق آن به یکدیگر برسند، آن‌گاه این بارها خازن را ترک کرده و اصطلاحاً خازن خالی از شارژ می‌شود.

فاکتورهای انتخاب یک خازن چیست؟

انواع زیادی از خازن‌ها وجود دارند که هر کدام به نسبت مزایا و کمبودهایشان، در صنعت و الکترونیک استفاده می‌شوند.

برای خرید خازن مناسب، چندین عامل و فاکتور را باید در نظر گرفت:

انواع خازن‌ها

خازن سرامیکی چیست؟

این خازن‌ها به صورت عمده در الکترونیک استفاده می‌شوند. علت نامگذاری آنها به دلیل جنس ماده دی الکتریک خازن است که در این نوع از جنس سرامیک می‌باشد.

این نوع خازن‌ها به طور کلی چه از نظر فیزیکی و چه از نظر ظرفیتی، همواره مقادیر کوچکی دارند. به سختی می‌توان خازن سرامیکی با ظرفیتی بیش از 10 میکروفاراد پیدا کرد.

خازن‌های سطحی به وفور در مدارات الکتریکی یافت می‌شوند. این خازن‌ها معمولاً کوچک و به رنگ‌های زرد یا قرمز می‌باشند.

با اینکه خازن‌های الکترولیتی برای انجام پروژه‌های دست‌ساز بسیار محبوب‌تر هستند اما خازن‌های سرامیکی از نظر مشخصات نظیر مقاومت ESR، جریان نشتی بسیار کمتر و همچنین قیمت تمام شده، ایده‌آل‌تر هستند.

از دیگر مزایای خازن‌های الکترولیتی می‌توان به نداشتن قطب آن معرفی کرد. با این حال ظرفیت پایین این نوع خازن‌ها به ما اجازه نمی‌دهند از آنها در هر پروژه‌ای استفاده کنیم. این نوع خازن‌ها برای کاربردهایی از قبیل کوپل با فرکانس بالا، بسیار مناسب هستند.

خازن عدسی

خازن الکترولیتی چیست؟

الکترولیت به عنوان یک ماده دی الکتریک، بسیار کارآمد و پرکاربرد است. خازن‌های الکترولیتی می‌توانند ظرفیت زیادی را نسبت به اندازه‌های فیزیکی کوچکشان داشته باشند. اگر شما به خازنی با ظرفیت 1 میکروفاراد نیاز داشتید، بهترین گزینه استفاده از خازن‌های الکترولیتی می‌باشد. همچنین، به دلیل داشتن ولتاژ نامی بالا، از آنها برای استفاده در وسایل الکتریکی ولتاژ بالا استفاده می‌شود.

خازن‌های الکترولیتی که با پوشش آلومینیومی موجود هستند، جزو محبوب‌ترین خازن‌های الکترولیتی هستند. ظاهر آنها استوانه‌ای شکل است که پایه‌ها از پایین بیرون آمده است.

بر خلاف خازن‌های عدسی، خازن‌های الکترولیتی دارای قطب مثبت و منفی هستند و هنگام استفاده از آنها باید به این نکته مهم توجه کرد.

نقاط ضعف خازن‌های الکترولیتی

یک نقطه ضعف برای خازن‌های الکترولیتی این است که آنها قطبی بوده و بایستی حتماً در جهت مناسب مدار قرار گیرند. به پایه مثبت این نوع خازن‌ها آند و به پایه منفی آنها کاتد می‌گویند. همواره باید ولتاژی که به سر آند خازن وارد می‌شود، از ولتاژ سر کاتد آن بیشتر باشد.

سر آند خازن که سر مثبت آن می‌باشد را با علامت – نشان می‌دهند. همچنین، پایه آند خازن از پایه کاتد آن کمی بلندتر است.

دقت کنید که اتصال خازن در جهت عکس آن باعث می‌شود که الکترولیت داخل از بین رفته و سپس خازن اتصال کوتاه گردد.

از دیگر معایب خازن‌های الکترولیتی می‌توان به جریان نشتی نسبتاً بالای آنها اشاره کرد. البته با اینکه این جریان نشتی چیزی در حدود نانوآمپر است اما باز هم نسبت به رقبای خود بیشتر خواهد بود. این نقطه ضعف خازن‌های الکترولیتی، آنها را برای ذخیره انرژی الکتریکی نامناسب کرده است.

سوپر خازن چیست؟

اگر شما به دنبال خازنی برای ذخیره انرژی می‌گردید، بهتر است از سوپر خازن‌ها استفاده کنید. این خازن‌ها طوری طراحی شده‌اند تا بیشترین ظرفیت را در حد فاراد داشته باشند.

سوپر خازن‌ها هم مانند خازن‌های الکترولیتی قطبی بوده و سر مثبت و منفی دارند. با اینکه این خازن‌ها می‌توانند ظرفیت بالایی داشته باشند اما ولتاژ کاری آنها پایین است.

برای استفاده از سوپر خازن‌ها در مدارهای دارای ولتاژ بالا، آنها را به طوری سری در مدار قرار می‌دهند. البته این که باعث کاهش ظرفیت آنها نیز می‌شود.

کاربرد اصلی این خازن‌ها ذخیره و تخلیه انرژی در مواقع ضروری می‌باشد. این یعنی آنها مانند باتری عمل می‌کنند با این تفاوت که مقدار انرژی کمتری نسبت به باتری‌ها در خود نگه می‌دارند اما سرعت تخلیه آنها نسبت به باتری‌ها بسیار زیاد است.

دیگر نوع خازن‌ها

به طور کلی می‌توان گفت که خازن‌های سرامیکی و الکترولیتی 80 درصد از کل خازن‌های مصرفی را شامل می‌شوند و سوپر خازن‌ها تنها 2 درصد را تشکیل می‌دهند اما با این حال انواع دیگری از خازن‌ها نیز وجود دارند. به طور مثال، خازن‌های پوسته‌ای مقدار بسیار کمی مقاومت ESR دارند که برای کار با جریان‌های بالا بسیار مناسب می‌باشند.

نوع دیگری از خازن‌ها، خازن‌های متغیر هستند که می‌توانند دامنه‌ای از ظرفیت‌های مشخص را داشته باشند. سیم‌پیچ‌ها و PCBها نیز می‌توانند خاصیت خازنی داشته باشند که البته در بسیاری از حالات این خاصیت ناخواسته بوده و باید آن را برطرف کرد. علت این خاصیت هم این است که در هر دو حالت آنها ، دو رسانا به وسیله یک نارسانا با هم ترکیب شده‌اند.

واحد اندازه‌گیری خازن چیست؟

واحد اندازه‌گیری خازن فاراد می‌باشد. از آنجا که واحد خازن (یک فاراد) بسیار بزرگ است، معمولاً در نسبت‌های بسیار کوچک از آنها استفاده کرده و آنها را با علامت اختصاری به صورت زیر مشخص می‌کنند.

پیشوندهای اندازه‌گیری خازن

پیشوند

علامت اختصاری

نسبت

نماد

میکروفاراد

10-6

یک میلیونیم

uf

نانوفاراد

10-9

یک میلیاردم

nf

پیکوفاراد

10-12

یک تریلیونیوم

pf

پیشوندهای اندازه‌گیری خازن

در جدول زیر نمونه‌ای از نمادهای خازن‌ها را به همراه مشخصات آنها می‌توانید بخوانید:

واحد خازن

جنس

نماد روی خازن

ولتاژ نامی (ولت)

10pf

سرامیکی

100

50

22pf

سرامیکی

220

50

100pf

سرامیکی

101

50

1nf

سرامیکی

102

50

10nf

سرامیکی

103

50

100nf

سرامیکی

104

50

1uf

الکترولیتی

1uf/50v

50

10uf

الکترولیتی

10uf/25v

25

100uf

الکترولیتی

100uf/25v

25

1000uf

الکترولیتی

1000uf/25v

25

کاربرد خازن چیست؟

تعداد زیادی از خازن‌هایی که بر روی بردهای الکترونیکی می‌بینید، از نوع خازن‌های بایپس هستند. وظیفه این خازن‌ها این است که نویزهای فرکانس بالا که از منبع تغذیه وارد مدار می‌شوند را خنثی کنند. این نویزها به صورت نوسانات کوچک ولتاژ هستند که می‌توانند برای مدار مجتمع‌های حساس خطرناک باشند.

همچنین، وظیفه دیگر این خازن‌ها این است که در زمان تغییر ناگهانی بار، انرژی ورودی و ولتاژ را ثابت نگه دارند. بایپس به معنی مسیر فرعی می‌باشد بنابراین با توجه به نحوه فعالیت خازن‌های Bypass به آنها خازن بایپس می‌گویند.

به منظور خنثی‌سازی بهتر فرکانس‌های مضر برای مدار، بهتر است از چند خازن بایپس با ظرفیت و نوع مختلف و به صورت موازی استفاده کرد. علت این کار هم این است که هر ظرفیت از خازن‌ها می‌تواند فرکانس‌های خاصی را خنثی کند.

این خازن‌ها بین منبع تغذیه و زمین مدار قرار می‌گیرند. ممکن است این‌گونه به نظر برسد که این کار باعث خواهد شد که تمام انرژی منبع تغذیه از خازن خواهد گذشت اما خازن تنها جریان‌های با فرکانس بالا را از خود عبور می‌دهد و تمام جریان DC از مدار مجتمع می‌گذرد.

به طور کلی خازن در جریان‌های AC به صورت اتصال کوتاه عمل کرده و در جریان‌های DC اتصال باز می‌باشد. در نظر داشته باشید که هر چه خازن‌های بایپس از لحاظ فیزیکی به مدار مجتمع نزدیک‌تر باشند، کارایی بیشتری دارند.

اگر می‌خواهید مدار خود را به‌درستی بسازید، سعی کنید همواره از خازن بایپس بهره ببرید. معمولا خازن 1 میکروفاراد گزینه بسیار مناسبی برای انجام این کار است. به علاوه، می‌توانید از خازن‌های 1 میکروفاراد و 10 میکروفاراد هم به طور موازی استفاده کنید.

برای تبدیل جریان AC به جریان DC می‌توان از یکسو کننده دیود استفاده کرد. اما این یکسوکننده‌ها به تنهایی نمی‌توانند که جریان DC مناسبی به شما بدهند. برای این کار، باید از یک خازن که به صورت موازی در خروجی یکسوکننده دیود بسته شده، استفاده کنید.

خازن‌ها در برابر اختلافات شدید ولتاژ، از خود مقاومت نشان می‌دهند. برای مثال، زمانی که ولتاژ در حال افزایش است، خازن نیز شارژ می‌شود اما در هنگامی که ولتاژ فرآیند کاهشی به خود می‌گیرد، خازن انرژی ذخیره شده در خود را به آرامی به سمت بار تخلیه می‌کند. در هنگامی که ولتاژ دوباره افزایش پیدا می‌کند، خازن هنوز به طور کامل خالی از شارژ نشده و با افزایش ولتاژ دوباره خازن شارژ می‌شود. این کار به طور پیوسته ادامه پیدا می‌یابد و فرآیندی شبیه به موج را در خروجی یکسوساز به وجود می‌آورد.

همانطور که اشاره کردیم، خازن‌ها می‌توانند انرژی را ذخیره و در مواقع مورد نیاز به مدار تزریق کنند اما یک مشکل عمده در این‌باره این است که خازن‌ها در برابر باتری‌ها از تراکم انرژی کمتری برخوردار هستند؛ به این معنی که مقدار انرژی که می‌توانند در خود ذخیره کنند، بسیار محدود می‌باشد ولی اما سرعت تزریق آنها به مدار، به مراتب از باتری‌ها بیشتر است که این مسئله در مواردی که نیاز به یک انرژی سریع و در عین حال زیاد داریم، به کار می‌آید. مثلاً فلش دوربین‌ها در هنگام تصویربرداری می‌تواند انرژی مورد نیاز خود را از خازن‌ها دریافت کند. همچنین، خازن‌ها طول عمر بیشتری نسبت به باتری‌ها خواهند داشت.

خازن‌ها نسبت به فرکانس‌های مختلف، از خود پاسخ‌های مشخصی می دهند. آنها از عبور سیگنال‌هایی با فرکانس کم ممانعت کرده و سیگنال‌هایی با فرکانس بالا را از خود عبور می‌دهند. از این ویژگی خازن‌ها در مدارهای پردازش سیگنال استفاده می‌شود.

باتری بهتر است یا خازن؟

 

باتری

خازن

ظرفیت انرژی

*

 

تراکم انرژی

*

 

سرعت شارژ و فرآیند خالی شدن از شارژ

 

*

طول عمر

 

*

 

بازگشت به لیست