خازن وسیله ای است که انرژی الکتریکی را در میدان الکتریکی ذخیره می کند. این یک قطعه الکترونیکی غیرفعال با دو پایانه است و خازن ها در انواع مختلف وجود دارد و قیمت خازن بستگی به نوع و میزان ظرفیت آن بستگی دارد.
اثر خازن به عنوان ظرفیت شناخته می شود. در حالی که مقداری ظرفیت بین هر دو رسانای الکتریکی در مجاورت یک مدار وجود دارد، خازن جزء طراحی شده برای افزودن ظرفیت به مدار است. خازن در ابتدا به عنوان کندانسور یا کندانسور شناخته می شد.[1] این نام و همزادهای آن هنوز به طور گسترده در بسیاری از زبان ها استفاده می شود، اما به ندرت در زبان انگلیسی، یک استثنا قابل توجه میکروفون های خازنی است که به آن ها میکروفون خازنی نیز می گویند.
شکل فیزیکی و ساخت خازن های کاربردی بسیار متفاوت است و انواع مختلفی از خازن ها رایج هستند. بیشتر خازن ها حداقل دارای دو هادی الکتریکی هستند که اغلب به شکل صفحات فلزی یا سطوحی هستند که توسط یک محیط دی الکتریک از هم جدا شده اند. یک هادی ممکن است یک فویل، لایه نازک، مهره متخلخل فلزی یا یک الکترولیت باشد. دی الکتریک نارسانا برای افزایش ظرفیت شارژ خازن عمل می کند. موادی که معمولاً به عنوان دی الکتریک استفاده می شوند عبارتند از شیشه، سرامیک، فیلم پلاستیکی، کاغذ، میکا، هوا و لایه های اکسید. خازن ها به طور گسترده ای به عنوان بخشی از مدارهای الکتریکی در بسیاری از دستگاه های الکتریکی رایج استفاده می شوند. برخلاف مقاومت، یک خازن ایده‌آل انرژی را هدر نمی‌دهد، اگرچه خازن‌های واقعی مقدار کمی را تلف می‌کنند (به رفتار غیر ایده‌آل مراجعه کنید). هنگامی که یک اختلاف پتانسیل الکتریکی (ولتاژ) در پایانه های یک خازن اعمال می شود، برای مثال زمانی که یک خازن به یک باتری متصل می شود، یک میدان الکتریکی در سراسر دی الکتریک ایجاد می شود که باعث می شود یک بار مثبت خالص در یک صفحه جمع شود و خالص منفی شود. شارژ برای جمع آوری در صفحه دیگر. در واقع هیچ جریانی از دی الکتریک عبور نمی کند. با این حال، یک جریان شارژ از طریق مدار منبع وجود دارد. اگر شرایط به اندازه کافی برای مدت طولانی حفظ شود، جریان عبوری از مدار منبع متوقف می شود. اگر یک ولتاژ متغییر با زمان در سرنخ های خازن اعمال شود، منبع به دلیل چرخه های شارژ و دشارژ خازن، جریان مداومی را تجربه می کند.
اولین اشکال خازن در دهه 1740 ایجاد شد، زمانی که آزمایشگران اروپایی کشف کردند که بار الکتریکی را می توان در شیشه های شیشه ای پر از آب ذخیره کرد که به کوزه های لیدن معروف شدند. امروزه خازن ها به طور گسترده ای در مدارهای الکترونیکی برای مسدود کردن جریان مستقیم و در عین حال اجازه عبور جریان متناوب استفاده می شوند. در شبکه های فیلتر آنالوگ، خروجی منابع تغذیه را صاف می کنند. در مدارهای تشدید، رادیوها را روی فرکانس‌های خاصی تنظیم می‌کنند. در سیستم های انتقال برق، ولتاژ و جریان برق را تثبیت می کنند.[2] ویژگی ذخیره انرژی در خازن ها به عنوان حافظه پویا در رایانه های دیجیتال اولیه مورد استفاده قرار می گرفت، [3] و هنوز در DRAM مدرن وجود دارد.
همان گونه که اشاره کردیم خازن یک وسیله ذخیره سازی اولیه است که به طور گسترده برای ذخیره بارهای الکتریکی در میدان الکتریکی و آزاد کردن آنها در هر زمان مورد استفاده قرار می گیرد. تقریباً هر دستگاه الکترونیکی به خازن نیاز دارد زیرا اهداف اساسی مختلفی را در یک مدار الکتریکی انجام می دهد. از جمله کاربردهای دیگر، چشم‌انداز فیلترهای مختلف، کاهش نویز، ذخیره‌سازی انرژی انعطاف‌پذیر، و توانایی‌های سنجش را فراهم می‌کند.
خازن ها برای انجام چندین عملیات طراحی و ساخته شده اند، برخلاف صاف کردن، جداسازی، دور زدن و غیره. با این حال، مدارهای الکتریکی مختلف ممکن است بر اساس نوع کاربردشان به نوع متفاوتی از خازن نیاز داشته باشند.
- کاربردهای خازن
در عصر امروز از خازن ها به روش های مختلف در مدارهای الکتریکی استفاده می شود. اگرچه همه خازن‌ها نیاز ضروری یکسانی را برآورده می‌کنند، اما هنوز اشکال خازن‌های متفاوتی برای تولید عملکردهای مدار مختلف استفاده می‌شود.
مدارهای مختلف به خازن های مختلف با حالت های خاص نیاز دارند و ویژگی های دیگری مانند ظرفیت جریان الکتریکی، محدوده مقدار، بازده ارزش، پایداری دما و چندین جنبه دیگر را در خود دارند. انواع مختلفی از خازن ها در بازار موجود است که از مقادیر متفاوتی تشکیل شده اند یا ممکن است محدوده ارزش زیادی داشته باشند و برخی دیگر ممکن است مقادیر کمتری داشته باشند.
خازن های دیگر ممکن است قابلیت جریان قابل توجهی داشته باشند، برخی دیگر ممکن است سطوح پایداری قابل توجهی داشته باشند، و برخی دیگر هنوز با حالت های ضریب دمایی سطحی در دسترس هستند. با انتخاب خازن مناسب برای هر کاربری یا کاربرد خاص، می توان مدار الکتریکی را به بهترین نحو عمل کرد.
در زیر کاربردهای مختلف خازن مورد استفاده در صنایع مختلف برق آورده شده است:
1. ذخیره انرژی
کاربرد اصلی خازن ذخیره انرژی الکتریکی زمانی است که به مدار الکتریکی متصل است. و حتی اگر از مدار الکتریکی جدا شود، می تواند انرژی ذخیره شده را مصرف کند و می تواند به عنوان یک باتری موقت کار کند. معمولاً از خازن ها در دستگاه های الکتریکی برای کنترل منبع تغذیه هنگام تعویض باتری ها استفاده می شود. بنابراین به جلوگیری از از دست رفتن داده ها در حافظه فرار کمک می کند.
2. قدرت پالس و سلاح
خازن ها به طور ویژه با عملکردهای اندوکتانس پایین و ولتاژ بالا ساخته شده اند تا سطوح جریان الکتریکی عظیم را برای بسیاری از دستگاه های توان پالسی برآورده کنند. این دستگاه‌ها ممکن است ابزارهای الکترومغناطیسی، ژنراتورها (به ویژه ژنراتورهای مارکس)، لیزرهای پالسی و شتاب‌دهنده‌های ذرات را در خود جای دهند.
3. تهویه برق
یکی از کاربردهای خازن ها تهویه برق است. این به طور گسترده در منابع تغذیه برای سهولت نتیجه یکسو کننده کامل یا نیمه موج استفاده می شود. خازن ها همچنین به شارژ دایره های پمپ کمک می کنند زیرا ولتاژهای بالاتری تولید می کند و بنابراین به ذخیره عناصر انرژی کمک می کند.
مدارهای برق DC دستگاه های الکترونیکی اغلب به صورت موازی با خازن ها متصل می شوند زیرا نوسانات جریان صافی را برای مدارهای سیگنال یا کنترل ایجاد می کند. به عنوان مثال، برنامه های کاربردی صوتی الکتریکی چندین خازن را برای خاموش کردن خط برق قبل از وارد شدن به مدار الکتریکی اجرا می کنند.
خازن ها به عنوان یک ذخیره محلی برای منبع تغذیه DC (جریان مستقیم) کار می کنند و جریان AC (جریان جایگزین) را از منبع تغذیه دور می زنند. بنابراین زمانی که خازن سفت کننده با مقاومت باتری موتور خودرو برخورد می کند، از خازن ها در تجهیزات صوتی خودرو نیز استفاده می شود.
4. اصلاح ضریب قدرت خازن ها
خازن ها برای تصحیح ضریب توان در توزیع های مختلف منبع تغذیه استفاده می شوند. معمولا واحدهای این خازن ها به جای فاراد به صورت توان راکتیو در واحد VAR (راکتیو ولت آمپر) محاسبه می شود. هدف جلوگیری از بارگذاری القایی از وسایلی مانند موتورها (القایی یا الکتریکی) و خطوط انتقال است تا بار اساساً مقاومتی به نظر برسد.
ممکن است متوجه مجموعه‌های قابل توجهی از خازن‌های نصب شده در مراکز بار مختلف (معمولاً در ساختمان‌ها یا جوامع بزرگ) شوید که نیاز به مصرف برق بالایی دارند. در اتصالات انتقال DC با ولتاژ بالا، خازن های تصحیح ضریب توان دارای سلف های تنظیم از پیش نصب شده برای غلبه بر جریان جریان های هارمونیک هستند که در غیر این صورت می توانند به سیستم برق AC اضافه شوند و به تجهیزات آسیب برسانند.
5. ایمنی خازن
خازن ها برای ذخیره مقادیر زیادی انرژی طراحی و ساخته شده اند که در صورت عدم کنترل یا استفاده صحیح با اقدامات احتیاطی می تواند خطرناک باشد. اگر خازن برای مدت زمان قابل توجهی از منبع تغذیه جدا شود، این سطح انرژی فوق العاده می تواند شوک های الکتریکی فاجعه باری ایجاد کند و حتی تجهیزات را از بین ببرد. بنابراین برای جلوگیری از این امر، همیشه توصیه می شود که خازن ها را قبل از کار با هر وسیله الکتریکی تخلیه کنید.
خازن های الکترولیتی احتمالاً در شرایط خاص به طور ناگهانی شکسته می شوند، اگر ولتاژ خازن پلاریزه شده تغییر کند. با این حال، خازن های مورد استفاده در دستگاه های پرقدرت یا ولتاژ بالا نیز ممکن است به طور ناگهانی شکسته شوند، زیرا مواد دی الکتریک تجزیه شده و تبخیر می شوند.
6. کاربردهای خازن نگهدارنده
با اینs خازن، شارژ محصور شده توسط خازن معمولاً برای مدت کوتاهی به مدار الکتریکی منبع تغذیه می دهد.
پیش از این، از باتری های کوچک قابل شارژ برای بازگرداندن شارژ استفاده می شد. نقطه ضعف باتری ها این بود که آنها تحت پیامدهای حافظه و محدودیت های عمر قرار می گرفتند تا خازن ها بتوانند جایگزین مناسبی ارائه دهند.
امروزه، ابرخازن‌ها در سطوح خازنی عظیمی نقش دارند، و بنابراین به اندازه کافی مهم است که اجازه دهیم بسیاری از مدارها در مواقعی که برق اصلی در دسترس نیست، برق بمانند. آنها نسبتاً مقرون به صرفه هستند و عملکرد فوق العاده ای دارند.
7. کاربردهای کوپلینگ و جداسازی RF
مفاهیم کوپلینگ و جداسازی RF بر اساس همان قوانین اساسی که برای خازن های کوپلینگ و جداسازی معمولی لازم است، طراحی و توسعه یافته اند. با این حال، خازن های مورد استفاده برای کاربردهای RF باید عملکرد RF مناسب خود را داشته باشند. با این حال، عملکرد ممکن است برای خازن هایی که در فرکانس های پایین تر کار می کنند متفاوت باشد.
به طور معمول، مردم ترجیح نمی دهند از خازن های الکترولیتی استفاده کنند، زیرا در صورت افزایش فرکانس، عملکرد آنها معمولا کاهش می یابد، و اغلب برای دستگاه هایی که در حدود 100 کیلوهرتز کار می کنند، استفاده می شود. خازن‌های سرامیکی برای جلوگیری از کاهش عملکرد استفاده می‌شوند، زیرا عملکرد RF عالی را ارائه می‌کنند، به ویژه خازن‌های MLCC که روی سطح نصب می‌شوند.
دلیل دیگر اینکه خازن‌های سرامیکی بسیار محبوب هستند و بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند، زیرا فرکانس خود رزونانس فوق‌العاده‌ای دارند، به‌ویژه خازن‌های نصب سطحی که خیلی کوچک هستند و کانالی برای افزودن هر نوع اندوکتانس ندارند.
8. برنامه های کاربردی خازن صاف
خازن های صاف کننده به طور موثر معادل خازن های جداکننده هستند، اما مردم اغلب از این اصطلاح استفاده می کنند که معمولاً در ارتباط با منبع تغذیه استفاده می شود.
هنگام دریافت سیگنال خط از ترانسفورماتور و یکسو کننده، شکل موج ورودی همیشه صاف نیست. بین صفر (نقطه شروع) تا اوج ولتاژ (نقطه پایان) در نوسان است. اگر به مدار الکتریکی متصل باشد، می تواند به عنوان ولتاژ DC عمل کند. یک خازن برای جلوگیری از سناریوی فوق و جدا کردن یا صاف کردن ولتاژ DC در جای خود قرار می گیرد.
خازن ها معمولاً به عنوان یک قطعه الکترونیکی در مدارها و دستگاه های مدرن استفاده می شوند. خازن سابقه و کاربرد طولانی دارد و بیش از 250 سال پیش خازن ها قدیمی ترین قطعه الکترونیکی هستند که در حال مطالعه، طراحی، توسعه و استفاده هستند. با تکنولوژی بیشتر، خازن ها بر اساس فاکتورهایشان انواع مختلفی را ارائه می کنند. در این مقاله به محبوب ترین و کاربردی ترین انواع خازن ها می پردازیم. خازن یک جزء است و قابلیت ذخیره انرژی را به صورت بار الکتریکی دارد و اختلاف الکتریکی را در صفحات خود ایجاد می کند و مانند یک باتری کوچک قابل شارژ است.
انواع خازن ها
انواع مختلفی از خازن ها به شرح زیر است.
خازن تانتالیوم
خازن پلی استر
خازن عدسی
خازن غیر پلاریزه
خازن سرامیکی
