آشنایی با خازن‌ها

وظیفه اصلی خازن‌ها ذخیره بار الکتریکی روی صفحات آن‌ها است.

خازن‌ها قطعاتی ساده، انفعالی، تاثیر‌پذیر و تابع هستند. این قطعات زمانی که به منبع ولتاژ متصل می‌شوند، بار الکتریکی را روی ۲ تیغه خود ذخیره می‌کنند. خازن‌ها مانند یک باتری کوچک قابل شارژ، توانایی ذخیره انرژی به فرم بار الکتریکی و ایجاد اختلاف پتانسیل (ولتاژ ایستا) بین ۲ پایه خود دارند.

خازن‌ها انواع زیادی دارند. کار مشترک همه خازن‌‌ها، از اندازه بسیار کوچک که در مدارهای رزونانسی استفاده می‌شوند تا خازن‌های بزرگ تصحیح ضریب قدرت، ذخیره بار الکتریکی است. فرم ساختاری ساده و پایه‌ای خازن‌ها به این صورت است که ۲ یا چند صفحه یا تیغه فلزی رسانا که به یکدیگر متصل نیستند، روبه‌روی هم قرار می‌گیرند و بین آن‌ها هوا، ماده عایق یا نارسانا مانند کاغذ روغنی، میکا، سرامیک، پلاستیک یا یک نوع ژل مایع که در خازن‌های الکترونیکی استفاده می‌شود  قرار می‌گیرد. به این لایه عایق‌کننده که بین تیغه‌های خازن قرار می‌گیرد دی‌الکتریک می‌گویند.

جریان DC به‌وسیله لایه عایق‌کننده که بین تیغه‌های خازن قرار می‌گیرد، توانایی عبور از خازن را ندارد. به‌جای جریان، یک ولتاژ به شکل بار الکتریکی بین دو پایه خازن به وجود می‌آید. تیغه‌ها یا صفحه‌های فلزی رسانا به شکل‌های مختلف مربع، مستطیل، دایره‌ای، استوانه‌ای و کروی هستند. سایز و ساختار این صفحات موازی بسته به کاربرد و مشخصات ولتاژی آن‌ها متفاوت است. در مدارهای DC زمانی که از این صفحه‌ها استفاده می‌شود، بار‌الکتریکی خازن افزایش پیدا می‌کند و به اندازه ولتاژ منبع تغذیه دو سر خازن می‌رسد.

در مدارهای DC جریان الکتریکی از خازن عبور نمی‌کند؛ زیرا دی‌الکتریک موجود در خازن نارسانا است و به‌عنوان عایق عمل می‌کند. این در حالی است که در مدارهای AC جریان به صورت مستقیم از خازن عبور می‌کند؛ حتی اگر مقاومت کم یا بدون مقاومت (راکتانس) باشد.

انواع بارهای الکتریکی

بارهای الکتریکی به ۲ دسته بارهای مثبت یا پروتون‌ها و بارهای منفی یا الکترون‌ها تقسیم می‌شوند. زمانی که ۲ پایه خازن به ولتاژ DC متصل می‌شود، بار مثبت روی یکی از تیغه‌های فلزی، سپس بار منفی روی صفحه مقابل که به صورت موازی قرار دارد جمع می‌شود. بنابراین صفحه‌های خازن خنثی می‌شوند و بین ۲ پایه بر‌اساس بار‌الکتریکی ذخیره‌شده در آن یک اختلاف پتانسیل به‌وجود می‌آید. زمانی که خازن در شرایط ثابت قرار بگیرد و به ماکزیمم ولتاژ یا بار الکتریکی ذخیره‌شده در خود برسد، جریان الکتریکی از مدار عبور نمی‌کند؛ زیرا دی‌الکتریک که بین صفحات خازن قرار دارد خاصیت عایق‌کنندگی دارد.

به عمل جمع شدن الکترون‌ها روی صفحات خازن شارژ شدن گفته می‌شود؛ این عمل تا جایی که ولتاژ ۲ پایه خازن با منبع تغذیه متصل به خازن برابر شود ادامه پیدا می‌کند. در نهایت به خازن، خازن شارژ‌شده می‌گویند. زمانی که خازن به طور کامل تخلیه شود (حالت آغازی)، نرخ یا سرعت جریان شارژ شدن به ماکزیمم حالت خود می‌رسد. این نمودار با سرعت کم به سمت صفر میل می‌کند، تا زمانی که اختلاف پتانسیل بین صفحه‌های خازن با ولتاژ منبع تغذیه برابر شود. به این نکته توجه داشته باشید که اختلاف پتانسیل خازن به مقدار ظرفیت خازن و مقدار باری که به‌وسیله منبع تغذیه متصل به آن روی صفحه‌ها جمع می‌شود بستگی دارد.

خازن‌ها با صفحات موازی ساده‌ترین فرم خازن‌ها هستند که با استفاده از ۲ صفحه فلزی یا فویل متالیزه‌شده که با هم  فاصله دارند ساخته می‌شوند. مقدار ظرفیت این خازن‌ها فاراد است که با (F) نشان داده می‌شود. مهم‌ترین فاکتور برای تعیین ظرفیت خازن‌ها، میزان فاصله ۲ صفحه فلزی موازی با یکدیگر و مقدار مساحت آن‌ها است. تغییر هر کدام از این فاکتورها باعث تغییر ظرفیت خازن‌ها می‌شود؛ پایه و اساس کارکرد خازن‌های متغیر نیز به همین صورت است.

خازن‌ها انرژی الکترون‌ها را به فرم بار الکتریکی روی صفحات خود ذخیره می‌کنند؛ به همین علت هرچه صفحات بزرگتر باشند و فاصله بین آن‌ها کمتر باشد، خازن شارژ بیشتری در خود نگهداری می‌کند. ولتاژ پایه‌های خازن نیز تاثیری بر این موضوع ندارد. به عبارت ساده‌تر صفحات بزرگ با فاصله کم، ظرفیت خازن‌ها را افزایش می‌دهند.

مقدار ظرفیت خازن از طریق اعمال ولتاژ به خازن و اندازه‌گیری مقدار بار روی صفحات آن به دست می‌آید. این مقدار نسبت بار (Q) به ولتاژ (V) است که به صورت زیر نشان داده می‌شود:

C=Q/V

با کمی تغییر در  معادله می‌توان به فرمول زیر رسید:

Q=C.V

همان‌طور که گفته شد شارژ یا بار الکتریکی روی صفحه‌های خازن (میدان الکترواستاتیک بین دو صفحه) ذخیره می‌شود. با عبور جریان الکتریکی از خازن، میدان الکترواستاتیک قوی‌تر می‌شود و می‌تواند انرژی بیشتری را بین صفحات خازن ذخیره کند. پس از جاری شدن جریان خازن در مدار، خازن دشارژ می‌شود. این عامل باعث کم شدن اختلاف پتانسیل و میدان الکترواستاتیک بین دو صفحه فلزی خازن می‌شود.

به خاصیت ذخیره کردن بار الکتریکی به فرم میدان الکترواستاتیکی‌ و مقاومت آن مقابل تغییر ولتاژ دو پایه خود، توانایی یا ظرفیت خازنی گفته می‌شود. توانایی یا ظرفیت خازنی، به احترام مایکل فارادی، فیزیکدان انگلیسی با علامت (F) نشان داده می‌شود. واحد ظرفیت خازنی براساس یک کولن بار الکتریکی که به‌وسیله یک ولت روی صفحات خازنی ذخیره می‌شود، تعیین می‌شود و به آن یک فاراد می‌گویند. به بیان ساده‌تر می‌توان گفت: «یک فاراد برابر است با  یک کولن بار ذخیره‌شده به‌وسیله یک ولت، روی صفحه‌های خازن.»

واحدهای ظرفیت خازنی استاندارد

ظرفیت خازنی همیشه مثبت است و هیچ‌گاه مقدار منفی ندارد. یک فاراد برای اندازه‌گیری ظرفیت خازنی واحد بزرگی است؛ به همین علت آن را به واحدهای کوچکتر مانند میکروفاراد، نانوفاراد و پیکو فاراد تقسیم می‌کنیم.

Microfarad(μF)   1μF = 1.1000000 = 0.000001 = 10^-6 F

Nanofarad(nF)   1nF = 1.1000000000 = 0.000000001 = 10^-9 F

Picofarad(pF)   1pF = 1.1000000000000 = 0.000000000001 = 10^-12 F

براساس مواردی که گفته شد می‌توانیم جدولی تهیه کنیم که به‌وسیله آن به راحتی بتوانیم واحدها را به یکدیگر تبدیل کنیم.

Farads(F)

Micro-Farad(μF)

Nano-Farad(nF)

Pico-Farad(pF)

0.001

1.0

1000

0.01

10.0

10000

1.0

1000

1000000

10.0

10000

100

100000

0.001

1000

1000000

0.01

10000

0.1

100000

1.0

1000000

ظرفیت خازن‌های صفحه موازی

مقدار ظرفیت خازن‌های صفحه موازی با مساحت این صفحات (A) در واحد متر مربع رابطه مستقیم و با فاصله دو صفحه از هم (d) در واحد متر رابطه عکس دارد. معادله آن نیز به صورت زیر است:

(C=ε(A/d

ثابت دی‌الکتریک یا ضریب ثابت گذردهی دی‌الکتریک (ε) متناسب با جنس ماده دی‌الکتریک است. ضریب گذردهی خلاء (0) برابر است با:  12-^10*8.84

برای ساده‌‌تر شدن معادله‌ از نظر ریاضی می‌توان ثابت دی‌الکتریک خلاء را به پیکو‌فاراد بر متر تبدیل کرد که در این صورت ظرفیت خازنی به دست آمده ۸/۸۴پیکو‌فاراد بر متر خوانده می‌شود.

صفحات رسانای خازن معمولا به جای اینکه عایق شوند یا با خلاء مطلق جدا شوند، با ژل یا مواد معدنی دیگر جدا می‌شوند. در این حالت می‌توانیم به جای ضریب گذردهی یا ثابت دی‌الکتریک خلاء، از ضریب گذردهی هوا استفاده کنیم؛ زیرا مقدار آن‌ها بسیار نزدیک به یکدیگر است.

مثال شماره ۱: خازنی در نظر بگیرید که از دو صفحه فلزی ۵۰ در ۳۰ سانتی‌متری ساخته شده است؛ فاصله بین آن‌ها ۶ میلی‌متر و دی‌الکتریک بین آن‌ها نیز هوای خشک است. برای محاسبه ظرفیت خازنی داریم:

دی‌الکتریک یک خازن

همان‌طور که گفته شد صفحات رسانای خازن و فاصله آن‌ها از هم تاثیر زیادی بر ظرفیت خازن دارد. علاوه بر این موارد نوع و جنس ماده دی‌الکتریک (به عبارت ساده‌تر ضریب گذردهی یا ) نیز بر ظرفیت خازن تاثیرگذار است.

صفحه‌های رسانای داخل خازن معمولا از لایه‌های فلزی تشکیل می‌شود تا به الکترون‌ها اجازه عبور دهد. جنس دی‌الکتریک‌ها همیشه عایق‌کننده است و تفاوت انواع مختلف آن‌ها در توانایی سد کردن یا اجازه دادن عبور بار الکتریکی است.

دی‌الکتریک‌ها می‌توانند از یک یا چند ماده تشکیل شوند که معمول‌ترین ترکیب آن‌ها کاغذ، هوا، پلی استر، پلی‌پروپلین، چسب مایلار، سرامیک، شیشه، روغن و انواع مختلفی از این مواد است. به ضریب یا عاملی از جنس دی‌الکتریک که ظرفیت خازن را نسبت به هوا افزایش می‌دهد ثابت دی‌الکتریک (k) می‌گویند. برخی دی‌الکتریک‌هایی که ثابت دی‌الکتریک بیشتری دارند، عایق‌کننده بهتری خواهند بود.

برای به دست آوردن ضریب گذردهی حقیقی یا مرکب جنس دی‌الکتریکی که بین صفحات خازن قرار می‌گیرد، ضریب گذردهی هوای آزاد را در ضریب گذردهی نسبی که به نوع دی‌الکتریک استفاده‌شده مربوط است، ضرب می‌کنیم؛ طبق فرمول زیر:

به عبارت ساده‌تر اگر ضریب گذردهی هوا (0) را به عنوان مرجع در نظر بگیریم و آن را برابر با یک قرار دهیم، زمانی که خلاء یا هوا به‌وسیله جنس دیگری از دی‌الکتریک جایگزین شود، ضریب گذردهی آن، ضریب گذردهی هوای آزاد ( ضریب گذردهی نسبی یاr) در نظر گرفته می‌شود. طبق مواردی که گفته شد مقدار گذردهی مرکب () همیشه برابر است با ضریب گذردهی نسبی در یک.

برخی واحدهای ضریب گذردهی دی‌الکتریک یا ثابت دی‌الکتریک عبارت‌اند از:

• وکیوم خالص = ۱
• هوا = ۱/۰۰۶
• کاغذ = ۲/۵ تا ۳/۵
• شیشه = ۳ تا ۱۰
• میکا = ۵ تا ۷
• چوب = ۳ تا ۸
• پودر اکسید فلز = ۶ تا ۲۰

در نهایت برای محاسبه ظرفیت از فرمول زیر استفاده می‌کنیم:

یکی از راهکارها برای افزایش ظرفیت خازن در صورتی که اندازه خازن کوچک بماند این است که بین ۲ صفحه اصلی خازن صفحات بیشتری قرار دهیم. توجه داشته باشید که خازن‌ها می‌توانند به جای دو صفحه موازی، چند صفحه موازی و متصل به هم داشته باشند که نتیجه این کار باعث افزایش سطح صفحه‌های اصلی (A) می‌شود.

شکل بالا نوع استانداردی از یک خازن است که تنها دو صفحه موازی با یکدیگر (A و B) دارد؛ بنابراین تعداد صفحات خازن برابر است با ۲ (n=2) که n مشخص‌کننده تعداد صفحات است. طبق مواردی که گفته شد معادله کامل خازن به صورت زیر است:

تعداد صفحات خازن‌هایی که تنها ۲ صفحه موازی دارند برابر است با:  n-1=2-1=1 شکل کلی معادله نیز به صورت زیر است:

C=(ε0 * εr1A)/d

فرم استاندارد معادله نیز به صورت زیر نوشته می‌شود:

C=(ε0 * εr *A)/d

اکنون فرض می‌کنیم خازنی داریم که از ۹ صفحه موازی با یکدیگر تشکیل شده است. (n=9). شکل زیر این خازن را نشان می‌دهد.

خازن‌های چند صفحه‌ای

طبق شکل بالا، پنج صفحه داریم که به پایه A و چهار صفحه داریم که به پایه B متصل شده‌اند. چهار صفحه‌ای که به پایه B متصل شده‌اند، از هر دو طرف با دی‌الکتریک خازن در ارتباط هستند؛ در حالی که دو صفحه کناری که به پایه A متصل شده‌اند فقط یک سمت با دی‌الکتریک خازن در ارتباط هستند و بدنه خازن را تشکیل می‌دهند. بنابراین فرمول زیر به دست می‌آید:

همه خازن‌های جدید و مدرن بر‌اساس خصوصیات دی‌الکتریک و عایق‌کننده به سه دسته تقسیم می‌شوند که عبارت‌اند از:

• ثبات بالا با اتلاف کم مانند میکا، سرامیک با ثابت k کمتر، پلی‌استایرن
• ثبات متوسط با اتلاف متوسط مانند کاغذ، فیلم یا لایه پلاستیکی، سرامیک با ثابت k بالا
• خازن‌های قطبی مانند الکترولیتی و تانتالیومی

مشخصات ولتاژی یک خازن

همه خازن‌ها ولتاژ ماکزیمم قابل تحمل دارند؛ بنابراین زمانی که می‌خواهیم از یک خازن در یک مدار استفاده کنیم باید مقدار ولتاژی را که می‌خواهیم به دو سر آن اعمال کنیم در نظر بگیریم.

در دیتاشیت (Datasheet) خازن‌ها، مقدار ماکزیمم ولتاژی (ولتاژ کاری) که بدون ضربه زدن به دی‌الکتریک می‌توانیم به آن‌ها اعمال کنیم با نماد WV نشان داده می‌شود که مخفف working voltage است. ولتاژ کاری به جنس دی‌الکتریک و ضخامت آن بستگی دارد و اگر مقدار ولتاژ اعمال‌شده به خازن بیش از حد باشد، دی‌الکتریک آن از بین می‌رود (فروپاشی الکتریکی). این اتفاق باعث اتصال کوتاه و جرقه زدن بین صفحه‌های خازن می‌شود.

ولتاژ کاری DC که روی خازن‌ها نوشته شده است ماکزیمم ولتاژ کاری DC است و به ماکزیمم ولتاژ کاری AC ارتباطی ندارد؛ برای مثال زمانی که روی خازنی ۱۰۰ ولت DC نوشته شده است به این معنا نیست که استفاده از آن در ولتاژ  AC نیز امن باشد‌؛ زیرا ولتاژ متناوبی که مقدار موثر (RMS) صد ولت دارد، ولتاژ پیک ۱۴۱ ولت خواهد داشت.(√2 x 100)

اگر بخواهیم در مدار از خازنی استفاده کنیم که در ۱۰۰ ولت AC کار کند باید حداقل ولتاژ کاری آن خازن ۲۰۰ ولت باشد. در مدار باید از خازنی استفاده شود که ولتاژ‌کاری آن، هم در ولتاژ DC و هم در ولتاژ AC حداقل ۵۰ درصد بیشتر از بالاترین ولتاژ موثر در مدار باشد.

یکی دیگر از عواملی که بر عملکرد یک خازن اثر می‌گذارد نشتی دی‌الکتریک است. نشتی دی‌الکتریک در خازن از طریق نشتی جریان ناخواسته‌ای که از ماده دی‌الکتریک عبور می‌کند رخ می‌دهد. معمولا دی‌الکتریک در یک خازن ایده‌آل مقاومت  بسیار بالایی دارد و می‌تواند مانند یک عایق‌کننده خوب مانع عبور جریان DC در مدار شود.

اگر مواد دی‌الکتریک بر اثر ولتاژ اضافی یا دمای بیش از حد صدمه ببیند، نشتی جریان عبوری از دی‌الکتریک بسیار بالا می‌رود؛ بار روی صفحات خازن به سرعت تخلیه می‌شود؛ خازن بیش از حد گرم می‌شود و زودتر خراب می‌شود. بهتر است از این خازن‌ها در مدارهایی که ولتاژ بیشتری نسبت به ولتاژ کاری دارند استفاده ‌نکنید؛ زیرا باعث داغ شدن و ترکیدن خازن می‌شوند.

خلاصه معرفی خازن‌ها

همان‌طور که گفته شد وظیفه اصلی خازن‌ها ذخیره بار الکتریکی روی صفحات آن‌ها است. به مقدار باری که یک خازن می‌تواند روی صفحات خود ذخیره کند ظرفیت خازنی گفته می‌شود. مقدار ظرفیت خازنی به سه عامل اصلی بستگی دارد که عبارت‌اند از:

۱- مساحت سطح صفحات: مساحت صفحات رسانای درون خازن است که با بزرگتر شدن صفحات خازن، ظرفیت نیز بیشتر می‌شود. (A)

۲- فاصله: فاصله بین دو صفحات خازن است که با (d) نشان داده می‌شود. هر چه فاصله دو صفحه کمتر باشد ظرفیت بیشتر خواهد بود.

۳- جنس دی‌الکتریک: به نوع متریال یا موادی که دو صفحه را از هم جدا می‌کند دی‌الکتریک می‌گویند. هر چه گذردهی دی‌الکتریک بیشتر باشد، ظرفیت خازنی نیز بیشتر خواهد بود.

خازن‌ها از صفحه‌های فلزی که به هم متصل نیستند و توسط یک ماده دی‌الکتریک از هم جدا شدند ساخته می‌شوند. جنس دی‌الکتریک می‌تواند هوا یا خلا باشد ولی معمولا از یک ماده عایق‌کننده نارسانا مانند کاغذ روغنی، شیشه، میکا، انواع پلاستیک‌ها و… استفاده می‌شود.

خصوصیات و ویژگی‌های ثابت دی‌الکتریک (k) در دی‌الکتریک‌هایی با جنس مختلف، متفاوت است و می‌تواند یکی از عوامل افزایش ظرفیت خازن باشد. ثابت دی‌الکتریک باعث می‌شود صفحات خازن بدون اینکه به هم متصل باشند به هم نزدیک شوند. دی‌الکتریک در مقایسه با هوا ولتاژ کاری ماکزیمم خازن را افزایش می‌دهد و ضریب گذردهی دی‌الکتریک نیز باعث افزایش ظرفیت خازنی می‌شود.

علاوه بر مواردی که گفته شد از خازن‌ها برای تنظیم پاسخ فرکانسی مدار صوتی و تطبیق چند طبقه تقویت‌کننده‌های جدا که باید در مقابل عبور جریان DC محافظت شوند (کوپلاژ) استفاده شود. همه خازن‌ها در ولتاژ DC امپدانس بی‌نهایت (مدار باز) و در مدارهای فرکانس بالا امپدانس صفر (اتصال کوتاه) دارند. علاوه بر این موارد مشخصات ولتاژ کاری ماکزیمم نیز دارند که با WV DC نشان داده می‌شود و باید حداقل ۵۰ درصد بیشتر از ولتاژ تغذیه یا ولتاژ کاری مدار مورد استفاده باشد. خازن‌ها انواع مختلفی دارند که هر کدام خصوصیات و ویژگی‌های خاص خود را دارند. در مقاله‌های بعدی به معرفی انواع خازن‌ها می‌پردازیم.

منبع:‌کارافیکس