خازن چیست و چگونه کار میکند؟ آشنایی با خازن ها

خازن یک جزء الکتریکی با دو ترمینال است. همراه با مقاومت ها و سلف ها ، آن ها یکی از اساسی ترین اجزای منفعل هستند که ما از آن ها استفاده می کنیم. برای یافتن مداری که خازنی در آن وجود نداشته باشد ، باید بسیار سخت جستجو کنید.

چیزی که خازن ها را خاص می کند، توانایی آن ها برای ذخیره انرژی است. آن ها مانند یک باتری برقی کاملاً شارژ شده هستند. خازن ها ، انواع مختلفی از کاربرد های حیاتی را در مدار ها دارند. کاربرد های رایج شامل ذخیره انرژی محلی ، کاهش ولتاژ و فیلتر کردن سیگنال پیچیده است.

آنچه در این آموزش به آن پرداخته می شود:

در این آموزش ، انواع موضوعات مرتبط با خازن را بررسی خواهیم کرد ، از جمله:
خازن چگونه ساخته می شود؟
خازن چگونه کار می کند؟
واحد های خازنی و انواع خازن ها
چگونه خازن ها را تشخیص دهیم؟
چگونه خازن به صورت سری و موازی ترکیب می شود؟
برنامه های کاربردی مشترک خازن؟

مطالب پیشنهادی برای خواندن : برخی از مفاهیم این آموزش بر اساس دانش قبلی الکترونیک است. قبل از شروع به این آموزش ، ابتدا این موارد را بخوانید:
دوره آموزش آردوینو
دوره آموزش ESP32
دوره آموزش STM32
دوره آموزش الکترونیک
دوره اینترنت اشیا حرفه‌ای
دوره آموزش AVR
دوره آموزش رزبری پای
دوره آموزش آلتیوم دیزاینر
دوره آموزش اپلیکیشن اندروید IoT
دوره آموزش پروتئوس
دوره آموزش اینترنت اشیا
دوره آموزش برد پیکو

ولتاژ و جریان
مدار چیست؟
مدار های سری و موازی

نماد خازن در مدار

برای رسم خازن به صورت طرح کلی دو روش معمول وجود دارد. آنها همیشه دو ترمینال دارند که به بقیه مدار متصل می شوند. نماد خازن ها از دو خط موازی تشکیل شده است که به صورت صاف یا منحنی هستند. هر دو خط باید موازی یکدیگر باشند ، نزدیک باشند ،اما به یکدیگر برخورد نکنند (این در واقع نمایانگر نحوه ساخت خازن است. شاید توصیف آن سخت باشد اما نشان دادن آن آسان تر است):
نماد خازن در مدار
(1) و (2) نماد های مدار خازن استاندارد هستند. (3) نمونه ای از نماد های خازن است که در مدار تنظیم کننده ولتاژ عمل می کند.

علامت با خط منحنی (شماره 2 در عکس بالا) نشان دهنده قطبی بودن خازن است ، به این معنی که احتمالاً این خازن الکترولیتی است. اطلاعات بیشتر در این مورد در بخش خازن ها در این مقاله آموزشی است.

هر خازن باید با یک نام – C1 ، C2 و غیره – و یک مقدار همراه باشد. این مقدار باید ظرفیت خازن را نشان دهد که چند فاراد دارد .
بیایید در مورد فاراد صحبت کنیم…
ظرفیت خازن چیست

همه خازن ها برابر نیستند. هر خازن ساخته شده است تا مقدار مشخصی ظرفیت را داشته باشد. ظرفیت خازن به شما می گوید که چقدر می تواند شارژ ذخیره کند ، ظرفیت بیشتر به معنای فضای بیشتر برای ذخیره شارژ است. واحد استاندارد خازن فاراد نام دارد که مخفف آن F است.

به نظر می رسد که یک فاراد ظرفیت زیادی دارد ، حتی 0.001F (1 میلی فاراد – 1mF) یک خازن بزرگ است. معمولاً خازن هایی را که می بینید در محدوده پیکوفاراد (10-12) تا میکروفاراد (10-6) قرار دارند.
نام پیشوند مخفف وزن معادل فاراد
پیکو فاراد pF 10-12 0.000000000001 F
نانو فاراد nF 10-9 0.000000001 F
میکرو فاراد µF 10-6 0.000001 F
میلی فاراد mF 10-3 0.001 F
کیلو فاراد kF 103 1000 F

هنگامی که وارد محدوده ظرفیت فاراد تا کیلو فاراد می شوید ، در مورد خازن های ویژه ای به نام خازن های خاص یا فوق العاده صحبت می کنید.
چگونه خازن ساخته می شود ؟

نماد طرح کلی یک خازن در واقع شباهت زیادی به نحوه ساخت آن دارد. یک خازن از دو صفحه فلزی و یک ماده عایق به نام دی الکتریک ایجاد می شود. صفحات فلزی به طور موازی بسیار نزدیک به یکدیگر قرار می گیرند ، اما دی الکتریک بین آن ها وجود دارد تا مطمئن شود که به یکدیگر برخورد نمی کند.
چگونه خازن ساخته می شود ؟
خازن استاندارد شما: دو صفحه فلزی که توسط یک دی الکتریک عایق از هم جدا شده اند.

دی الکتریک می تواند از انواع مواد عایق ساخته شود: کاغذ ، شیشه ، لاستیک ، سرامیک ، یا هر چیزی که مانع جاری شدن جریان شود.

صفحات از یک ماده رسانا ساخته شده اند: آلومینیوم ، تانتالوم ، نقره یا فلزات دیگر. هر کدام از آن ها به یک سیم خروجی متصل می شوند ، همان چیزی که در نهایت به بقیه مدار متصل می شود.

ظرفیت خازن به نحوه ساخت آن بستگی دارد. ظرفیت بیشتر به یک خازن بزرگتر نیاز دارد. صفحات با سطح همپوشانی بیشتر ظرفیت بیشتری دارند ، در حالی که فاصله بیشتر بین صفحات به معنای ظرفیت کمتر است. مواد دی الکتریک حتی در تعداد فاراد خازن تأثیر دارد.
فرمول ظرفیت خازن

ظرفیت کل خازن را می توان با معادله محاسبه کرد:
اگر در مورد این مطلب سوالی دارید در قسمت نظرات بپرسید

فرمول ظرفیت خازن

که εr ضریب نسبی دی الکتریک است (مقدار ثابتی که توسط ماده دی الکتریک تعیین می شود) ، A مقدار مساحت صفحات با یکدیگر است و d فاصله بین صفحات است.
خازن چگونه کار می کند ؟

جریان الکتریکی بار الکتریکی جاری شده است ، یعنی همان چیزی که اجزای الکتریکی تحت کنترل خود می گیرند تا روشن شود ، یا بچرخد و یا هر چیزی انجام دهند. وقتی جریان به خازن می ریزد ، بار ها روی صفحات گیر می کنند زیرا نمی توانند از دی الکتریک عایق عبور کنند. الکترون ها – ذرات دارای بار منفی – به یکی از صفحات جذب می شوند و به طور کلی دارای بار منفی می شوند. جرم زیاد بار های منفی در یک صفحه مانند بارهای صفحه دیگر از آن دور می شود و باعث ایجاد بار مثبت می شود.

خازن چگونه کار می کند ؟

بارهای مثبت و منفی بر روی هر کدام از این صفحات یکدیگر را جذب می کنند، زیرا این کاری است که بارهای مخالف انجام می دهند. اما ، با قرار گرفتن دی الکتریک بین آن ها ، تا آنجا که آن ها می خواهند با هم جمع شوند ، بار ها برای همیشه روی صفحه می مانند (تا زمانی که جایی دیگر برای رفتن ندارند). بار های ثابت روی این صفحات یک میدان الکتریکی ایجاد می کنند ، که انرژی و ولتاژ پتانسیل الکتریکی را تحت تأثیر قرار می دهد. وقتی بار ها روی خازنی از این قبیل جمع می شوند ، خازن انرژی الکتریکی را ذخیره می کند درست همانطور که باتری ممکن است انرژی شیمیایی را در خود ذخیره کند.
مقاله پیشنهادی: دیکدر باینری چیست؟ انواع و نحوه کار دیکودر باینری
شارژ و تخلیه خازن

وقتی بارهای مثبت و منفی روی صفحات خازن به هم می رسند ، خازن شارژ می شود. یک خازن می تواند میدان الکتریکی خود را حفظ کند – شارژ خود را حفظ کند – زیرا بارهای مثبت و منفی روی هر یک از صفحات یکدیگر را جذب می کنند اما هرگز به یکدیگر نمی رسند.

در برخی مواقع صفحات خازن چنان پر از شارژ می شوند که دیگر نمی توانند بیشتر از این انرژی ذخیره کنند. بار های منفی زیادی در یک صفحه وجود دارد که می توانند هرکسی را که سعی دارد به آن ها بپیوندد دفع کند. اینجاست که ظرفیت (farads) یک خازن وارد عمل می شود ، که به شما می گوید حداکثر میزان شارژ را می توانید ذخیره کنید.

اگر مسیری در مدار ایجاد شود ، که به بار ها این امکان را بدهد مسیر دیگری به یکدیگر پیدا کنند ، آنها خازن را ترک می کنند و تخلیه می شود.

شارژ و تخلیه خازن

به عنوان مثال ، در مدار زیر ، می توان از یک باتری برای القای پتانسیل الکتریکی در خازن استفاده کرد. این باعث می شود که بار های برابر اما متضادی روی هر یک از صفحات جمع شوند ، تا زمانی که کاملاً پر شوند و هر جریان بیشتری را دفع کنند. یک LED قرار گرفته به صورت سری با خازن می تواند مسیری را برای جریان فراهم کند و از انرژی ذخیره شده در خازن می توان برای روشنایی کوتاه LED استفاده کرد.
محاسبه ولتاژ خازن

ظرفیت خازن – مقدار زیادی از فاراد – به شما می گوید که چه میزان شارژ را می تواند ذخیره کند. میزان شارژ خازن در حال حاضر ، به اختلاف پتانسیل (ولتاژ) بین صفحات آن بستگی دارد. این رابطه بین بار ، ظرفیت و ولتاژ را می توان با این معادله مدل کرد:

Q = CV

بار (Q) ذخیره شده در یک خازن ، حاصلضرب ظرفیت آن (C) و ولتاژ (V) وارد شده به آن است.

ظرفیت خازن باید همیشه یک مقدار ثابت و مشخص باشد. بنابراین می توانیم ولتاژ را برای افزایش یا کاهش شارژ خازن تنظیم کنیم. ولتاژ بیشتر به معنای شارژ بیشتر ، ولتاژ کمتر به معنای شارژ کمتر است.

این معادله همچنین روش خوبی برای تعریف ارزش یک فاراد به ما می دهد. یک فاراد (F) ظرفیت ذخیره شده یک واحد انرژی (کولن) در هر ولت است.
محاسبه جریان خازن

ما می توانیم معادله بار / ولتاژ / ظرفیت را یک گام جلوتر ببریم تا دریابیم که چگونه ظرفیت و ولتاژ بر جریان تأثیر می گذارد ، زیرا جریان میزان بار الکتریکی جاری شده است. اصل رابطه خازن با ولتاژ و جریان این است: مقدار جریان از طریق خازن هم به ظرفیت و هم به سرعت بالا رفتن یا افت ولتاژ بستگی دارد. اگر ولتاژ خازن با سرعت افزایش یابد ، جریان مثبت زیادی از طریق خازن القا می شود. القای ولتاژ کندتر در خازن برابر با جریان کوچکتر از طریق آن است. اگر ولتاژ یک خازن ثابت و بدون تغییر باشد ، هیچ جریانی از آن عبور نمی کند.

معادله محاسبه جریان از طریق خازن:

فرمول محاسبه جریان خازن

قسمت dV / dt این معادله یک مشتق (روشی برای گفتن سرعت آنی) ولتاژ در طول زمان است ، این معادل این است که بگوییم “ولتاژ در همین لحظه با چه سرعتی بالا یا پایین می رود”. نتیجه مهم این معادله این است که اگر ولتاژ ثابت باشد ، مشتق آن صفر است ، به این معنی که جریان نیز صفر است. به همین دلیل است که جریان نمی تواند از طریق خازنی که ولتاژ ثابت و مستقیمی دارد ، جریان یابد.
انواع خازن ها

انواع خازن های مختلفی وجود دارد که هرکدام از آنها دارای ویژگی ها و اشکال خاصی هستند که باعث می شود در برخی از کاربرد ها از بقیه بهتر باشد.
هنگام تصمیم گیری در مورد انواع خازن عوامل مهمی را باید در نظر گرفت:

اندازه – اندازه هم از نظر حجم فیزیکی و هم از نظر ظرفیت. طبیعی نیست که خازن بزرگترین جزء در یک مدار باشد. آن ها همچنین می توانند بسیار ریز باشند. ظرفیت بیشتر معمولاً به یک خازن بزرگتر نیاز دارد.
حداکثر ولتاژ – هر خازن برای حداکثر ولتاژی که می تواند از روی آن تخلیه شود رتبه بندی می شود. برخی از خازن ها ممکن است 1.5 ولت و برخی دیگر 100 ولت درجه بندی شوند. ولتاژ بیش از حد معمولاً منجر به تخریب خازن می شود.
جریان نشتی – خازن ها کامل نیستند. هر خازن مستعد نشت مقدار کمی جریان از طریق دی الکتریک از یک خروجی به دیگری است. این افت جریان ناچیز (معمولاً در حد نانو آمپر یا کمتر) نشت نامیده می شود.
. نشت باعث می شود انرژی ذخیره شده در خازن به آرامی تخلیه شود.
مقاومت معادل سری (ESR) – خروجی های یک خازن 100٪ رسانا نیستند ، آن ها همیشه مقدار کمی مقاومت دارند (معمولاً کمتر از 0.01Ω) . این مقاومت زمانی مشکل ایجاد می کند که جریان زیادی از طریق خازن عبور می کند و باعث تولید گرما و اتلاف انرژی می شود.
خطای مجاز – همچنین نمی توان خازن ها را خازنی دقیق دانست. هر خازن برای ظرفیت اسمی خود درجه بندی می شود ، اما بسته به نوع آن ، مقدار دقیق ممکن است از 1 تا 20 ± مقدار مورد نظر متفاوت باشد.

خازن های سرامیکی

پر کاربرد ترین خازن، خازن سرامیکی است. این نام برگرفته از ماده ای است که دی الکتریک آن ها ساخته شده است.

خازن های سرامیکی معمولاً هم از نظر فیزیکی و هم از نظر ظرفیت خازنی کوچک هستند. یافتن یک خازن سرامیکی بسیار بزرگتر از 10μF دشوار است. یک خازم سرامیکی نصب شده روی سطح معمولاً در بسته های کوچک 0402 (0.4 mm x 0.2 mm) ، 0603 (0.6 mm x 0.3 mm) یا 0805 وجود دارد. خازن های سرامیکی پایه دار معمولاً شبیه لامپ های کوچک (معمولاً زرد یا قرمز) هستند که دارای دو خروجی به صورت سیم می باشند.