خازن چیست و چگونه کار می کند؟

خازن چیست، خازن‌ها نیز یکی دیگر از مجموعه قطعات بردهای الکترونیکی هستند و اتفاقاً نقش بسیار کلیدی و مهمی دارند. به همان میزان که کاربرد یک قطعه مانند خازن گسترده و وسیع است، انواع و گونه‌های آن نیز باید متعدد باشد و این کاملاً طبیعی است. اگر به شناخت قطعات الکترونیکی علاقه دارید و در مورد خازن کنجکاو هستید، این مقاله حتماً شما را جذب خود خواهد کرد. ما نیز اینجاییم تا با کنجکاوی به پرسش‌هایی مانند اینکه اساس کار خازن چیست؟ کاربرد خازن چیست؟ ظرفیت خازن چیست؟ و تفاوت انواع مختلف خازن چیست؟ بپردازیم.

خازن چیست؟

اجازه دهید ابتدا با یک تعریف کوتاه و اجمالی مسیر پاسخگویی به پرسش خازن چیست را آغاز کنیم. خازن یک قطعه در اصطلاح غیرفعال و ساده است که می‌تواند در صورت اتصال به ولتاژ الکتریکی، بار الکتریکی را در خود ذخیره کند. به بیانی دیگر خازن قطعه‌ای است که ظرفیت خازنی داشته و می تواند شارژ شود. اما مقصود از داشتن ظرفیت خازنی در یک خازن چیست؟ در ادامه به این مبحث پرداخته ایم.

ظرفیت خازن چیست؟

خازن یک قطعه و عضوی از بردهای الکترونیکی است؛ اصلی که به آن ظرفیت خازنی یا (Capacitance) گفته می‌شود. ظرفیت خازنی، عبارت است از توانایی نگهداری و شارژ بار الکتریکی. قانون و فرمول فیزیکی ظرفیت خازنی مطابق تصویر زیر است.
این فرمول بیان می‌کند که در صورت اتصال یک اختلاف پتانسیل (ولتاژ) به قدر V به دو سر یک خازن با ظرفیت C، یک بار الکتریکی به قدر Q در آن ذخیره می‌شود. البته می‌توان تحلیل‌های دیگری را در این مورد ارائه کرد اما این تحلیل از فرمول فوق، به ما کمک می‌کند ماهیت خازن را درک کنیم. پس اساس عملکرد این وسیله ذخیره‌سازی بار الکتریکی یا همان Q است.
در نظر داشته باشید که ظرفیت خازن در اصل معیاری است برای سنجش میزان توانایی قطعه، در ذخیره ساختن انرژی الکتریکی. در فرمول درج‌شده در قسمت دوم، ظرفیت خازن با نماد (C) مشخص شده است. هر قدر ظرفیت یک خازن بالاتر باشد، می‌توان گفت انرژی الکتریکی را بیشتر نگهداری می‌کند. واحد ظرفیت خازن، فاراد می باشد.

این کمیت به موضوعات مختلفی وابسته است و با رجوع به ساختار فیزیکی قطعه، قابل محاسبه و سنجش است. به طور مثال هر قدر فاصله دو صفحه خازن کمتر، مساحت دو صفحه بیشتر و نارسانایی ماده قرار گرفته بین دو صفحه بیشتر باشد، ظرفیت خازن بیشتر خواهد بود.

واحد خازن چیست؟

واحد سنجش ظرفیت خازن در سیستم SI، فاراد می باشد. فاراد یک معیار و واحد بزرگ است؛ به همین دلیل از واحدهای کوچکتری مانند نانوفاراد، میکروفاراد و پیکوفاراد نیز برای اندازه گیری واحد خازن ها استفاده می شود.

حتما بخوانید: آشنایی با مدار فرمان و قدرت و انواع آن

ولتاژ خازن چیست؟

به مقدار ولتاژی که یک خازن می تواند در خود ذخیره کند، ولتاژ خازن گفته می شود. معمولاً ولتاژ کار خازن را روی آن می نویسند، اما اگر روی خازنی ولتاژ آن نوشته نشده باشد، به این منظور است که خازن ولتاژ 50V دارد. حال اگر ولتاژی بیش از میزان استاندارد خازن به آن وارد شود، دی الکتریک پلاریزده می شود و عایق از بین می رود. در نتیجه، با ایجاد جرقه خازن می سوزد.

کار خازن چیست؟

حال با وجود دستیابی به یک دید کلی، می‌توانیم مجدداً به مفاهیم ابتدای متن درباره رجوع کرده و تعریف خازن را مرور کنیم. در پاسخ به این سوال که وظیفه خازن چیست می توان گفت خازن قطعه‌ای است که توانایی ذخیره انرژی الکتریکی را داشته و یک ولتاژ استاتیک را در صفحات خود ذخیره می‌کند. خازن در عمل دقیقاً مانند یک باتری کوچک قابل شارژ است که به‌سرعت شارژ شده و در صورت قطع جریان الکتریکی و اتصال با مصرف‌کننده، به سرعت خالی می‌شود.

به یاد داشته باشید که خازن با قرار گرفتن در مسیر مدار برق مستقیم، تا مادامی که شارژ نشده باشد، اجازه عبور جریان را می‌دهد؛ اما پس از شارژ اجازه عبور جریان را نمی‌دهد. یک خازن در مدار متناوب، مداوماً شارژ و دشارژ می‌شود.

خازن ها چه کاربردی دارند؟

اساس کاربرد یک خازن و دلیل استفاده از خازن در مدار این است که با قرارگیری در مدار متناوب، حد خاصی از انرژی الکتریکی را در خود ذخیره می‌کند و در مواقع افت یا کاهش ناگهانی جریان، انرژی ذخیره شده را به مدار باز می‌گرداند؛ این یک پروسه متناوب و سریع است. هرچند شاید بتوان صدها کاربردی برای خازن در نظر گرفت اما به طور اجمالی برخی از آن‌ها را ذکر می‌کنیم.

• خازن مانند یک فیلتر بوده و شاخصه‌های جریان را اصلاح می‌کند. مثلاً در بردهای فیلترینگ، فرکانس جریان را تغییر می‌دهد.
• این قطعه خاصیت تقویت‌کنندگی دارد.
• به عنوان یک دیوار بین بخش‌های مستقیم و متناوب مدارهای پیچیده عمل می‌کند. در نظر داشته باشید که خازن در ارتباط با برق مستقیم، پس از شارژ شدن اجازه عبور جریان را نمی‌دهد؛ در اصطلاح برق مستقیم را بلوکه می‌کند.
• خازن در صورت موازی بسته شدن با برخی قطعات دیگر به بای‌پس(Bypass) فرکانس کمک می‌کند.
• خازن یک نویزگیر طبیعی در مدار است.

انواع خازن و کاربرد آنها

روش‌های مختلفی برای دسته‌بندی خازن‌ها وجود دارد. خازن‌ها بر اساس شکل ظاهری به سه گونه تقسیم می‌شوند؛ مسطح، کروی، استوانه‌ا اما از نظر عملکرد و ساختار به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند؛ خازن ثابت و خازن متغیر. باید خاطر نشان کرد اساساً امکان پرداختن به تمام انواع خازن وجود نداشته و آنچه در ادامه مطالعه می‌کنید، برخی از مهم‌ترین گونه‌ها هستند.

انواع خازن ثابت

در ادامه با انواع خازن های ثابت آشنا خواهید شد:

خازن الکترولیتی

از خازن های الکترولیتی در مواقعی که به خازن های با مقادیر بزرگ نیاز است، استفاده می شود. خازن الکترولیتی با ظرفیت های خازنی زیاد و در اندازه های خیلی کوچک با فاصله بسیار کم دو صفحه ساخته می شود. این نوع از خازن ها را در مدار منبع تغذیه DC، کوپلینگ و جداسازی استفاده می کنند.

خازن میکا

خازن های میکا برای طراحی و آماده سازی خازن های پایدار و نسبتاً کوچک کاربرد دارند. از این نوع خازن در فرکانس های بالا استفاده می شود. دو نوع خازن میکا وجود دارند: خازن های گیره دار و خازن های نقره ای.

خازن کاغذی

محدوده ظرفیت خازن های کاغذی از 0.001 تا 2.000 میکروفاراد و ولتاژ بالاتر تا 2000 ولت می باشد. این خازن ها به این دلیل که در ابتدا از کاغد در بین دو فویل خازن استفاده می شد، به این نام شناخته شدند. امروزه از پلاستیک در ساختار این خازن ها کاربرد دارند.

خازن فیلم

در خازن فیلمی نیز از پلاستیک به عنوان دی الکتریک استفاده می شود. انواع مختلفی از خازن های فیلمی وجود دارند مانند فیلم پلی استر، PTE، پلی پروپیلن، پلی استایرن و …. تفاوت این نوع خازن ها در مواد دی الکتریک آن هاست. از خازن های فیلم PTE در فناوری هوافضا و نظامی استفاده می شود.

خازن غیر پلاریزه

خازن های غیر پلاریزه در دو نوع فویل پلاستیکی و خازن غیرقطبی الکترولیتی طبقه بندی می شوند. خازن فویل پلاستیکی غیر پلاریزه است و خازن غیر قطبی الکترولیتی معمولاٌ دو خازن پشت به پشت هستند و در حالت غیرپلاریزه با نیم ظرفیت است.

خازن سرامیکی

در خازن سرامیکی همانطور که از نام آن مشخص است، از سرامیک استفاده شده است. این خازن ها بین 1 نانوفاراد تا 1 میکروفاراد و تا 100 میکروفاراد ظرفیت دارند.

انواع خازن متغیر

خازن‌های متغیر نیز انواع گوناگونی دارند که در ادامه توضیحات مختصری از آن ها را ارائه دادیم:

خازن تیونینگ

خازن های تیونینگ از پیکوفاراد تا ده ها پیکوفاراد ظرفیت متغیر دارند. این نوع خازن ها را در گیرنده های رادیویی دارای مدارهای LC استفاده می کنند. به خازن تیونینگ، خازن تنظیم کننده نیز می گویند. خازن تیونینگ دارای ظرفیتی در حدود 10 تا 400 پیکوفاراد هستند.

خازن تریمر

این نوع خازن ها به دو نوع تریمر هوا و تریمر سرامیکی تقسیم می شوند. این دسته بندی به دلیل مواد دی الکتریک آن هاست که از صاف کننده هوا و تراش سرامیکی برای ساخت آن ها استفاده می شود. این خازن ها 5 تا 30 پیکوفاراد ظرفیت دارند. خازن تریمر اندازه های کوچکی دارند که در تنظیم فرکانس های رادیویی استفاده می شوند.

خازن مکانیکی

خازن های مکانیکی مجموعه ای از صفحات منحنی هستند که به یک دستگیره متصل می شوند. مزیت این خازن ها در این قابلیت است که می توان به راحتی ظرفیت خازن را تغییر داد.

خازن الکترونیکی

از خازن های الکترونیکی در مولتی متر، مقاومت و آمپر استفاده می شود. این خازن ها نیز این امکان را دارند که با تغییراتی در ولتاژ جریان مستقیم (DC) آن ها، ظرفیت متغیری را در آن ها ایجاد کرد.

چگونه خازن ها را تشخیص دهیم؟

روی بدنه خازن ها کدهای رنگی و ارقامی وجود دارد که ظرفیت خازن را می توان از طریق این کدها و ارقام شناسایی کرد، این کدها مطابق با استاندارد بین المللی SI تعیین شده و دقیقا مانند مقاومت بر روی بدنه چاپ شده است. برای اندازه گیری ظرفیت خازن می توان از خازن سنج یا LCR متر استفاده کرد.

خازن چگونه می‌تواند بار الکتریکی را ذخیره کند؟

همان طور که در عکس خازن مشاهده می کنید، یک خازن ساده از دو صفحه فلزی جدا از هم تشکیل شده که تماس مستقیمی با یکدیگر ندارند؛ در نظر داشته باشید که اگر دو صفحه تماس مستقیم داشتند، عملاً الکتریسیته به سادگی از یکی به دیگری منتقل می شد و قطعه با یک سیم هیچ تفاوتی نداشت. این دو صفحه به دو پایه خازن ارتباط یافته و در عمل پس از قرارگیری قطعه در مدار، یک اختلاف پتانسیل نسبت به یکدیگر دارند؛ یکی دارای بار مثبت شده و دیگری دارای بار منفی.
فضای بین این دو صفحه را ماده‌ای تحت عنوان دی‌الکتریک پر می‌کند. دی‌الکتریک ماده‌ای عایق (نارسانا) است که عبور جریان الکتریکی از درون آن بسیار سخت است. صرف قرارگیری دو صفحه فلزی روبروی یکدیگر، به شرط وجود فاصله و عدم تماس آن‌ها، تشکیل خازن می‌دهد؛ اما ظرفیت چنین خازنی بسیار کم است. با اضافه شدن دی‌الکتریک به فضای بین دو صفحه، عملاً ظرفیت خازن افزایش خواهد یافت.

در حالتی که چیزی بین دو صفحه نباشد دی‌الکتریک خازن هواست؛ اما در صورتی که بخواهیم دی‌الکتریک را افزایش دهیم، از مواد نارساناتری مانند کاغذ، پلاستیک، سرامیک، میکا و اکسید تانتالیوم استفاده می‌کنیم. هرچند هدف اصلی این متن پرداختن به فرمول‌ها و مباحث فیزیکی نیست و نمی‌توان به طور جزئی و مفصل به تمام ابعاد فیزیکی موضوع پرداخت اما باید به طور اجمالی گفت هر قدر ماده قرار گرفته بین دو صفحه فلزی نارساناتر باشد، در اصطلاح ثابت دی‌الکتریک آن بیشتر بوده و این به افزایش ظرفیت خازن کمک می‌کند.

میکرو خازن چیست؟

میکرو خازن ها جایگزین های مناسبی برای خازن ها هستند که توانایی تحمل تغییراتی مانند جریان، ولتاژ و … را دارند. میکروخازن ها عمر مفید بالایی دارند.
از این قطعات در موتورها استفاده می شود و می توانند نقش راه اندازها را ایفا کنند و جریان های اولیه الکتروموتور را پایین بیاورند.

کاربرد خازن ها

خازن ها کاربردهای متفاوتی دارند و به دو گروه ثابت و متغیر تقسیم می شوند. یعنی ظرفیت خازن های ثابت غیر قابل تغییر است و ظرفیت خازن های متغیر قابل تغییر است.

در زیر به کاربرد خازن ها می پردازیم.

• کار خازن در مدارهای الکترونیکی: این خازن از جریان مستقیم جلوگیری می کند و در عین حال باعث عبور یک جریان متناوب می شود.
• کار خازن در شبکه فیلتر آنالوگ: صاف شدن خروجی منبع تغذیه
• کار خازن در مدارهای تشدید کننده: تنظیم رادیو با فرکانس های خاص
• کار خازن در سیستم انتقال قدرت الکتریکی: تثبیت جریان برق و ولتاژ

 کاربرد خازن در ذخیره انرژی

برای ایجاد میدان الکتریکی یکنواخت از خازن ها استفاده می شود زیرا بار الکتریکی در خازن ذخیره شده و می تواند میدان الکتریکی را در حجم های کوچک تر نگه دارد و علاوه بر این می توان از آن برای ذخیره انرژی استفاده کرد. اگر یک خازن پر شود بار ذخیره در روی آن به وجود می آید و باعث ذخیره انرژی روی صفحات می شود و فرایند شارژ شدن خازن انجام می شود.
در اصل انرژی ذخیره شده در خازن برابر با نصف حاصل ضرب بار الکتریکی در ولتاژ است و به عبارت دیگر انرژی ذخیره شده در خازن برابر با نصف حاصل ضرب ظرفیت خازن در مجذور ولتاژ است.

کاربرد خازن در دستگاه های تهویه مطبوع

از کاربردهای مهم خازن ها می توان به منبعی برای تغذیه دستگاه های تهویه مطبوع اشاره کرد. در این دستگاه ها در زمان شارژ شدن خازن، اجازه عبور سیگنال AC را داده اما اجازه عبور سیگنال DC را نمی دهد و آن را مسدود می کند. این دستگاه توانایی تقسیم کردن دو نوع سیگنال را دارند و میتوانند منبع تغذیه را تمیز کنند.

کاربرد خازن ها به عنوان سنسور

• کاربرد سنسورهای خازنی به یک یا دو کارکرد خلاصه نمی شود و این سنسورها کاربردهای زیادی دارند.
• سنسورهای خازنی از سنسورهای بدون تماس هستند که از آن ها برای تشخیص اجسام فلزی و غیر فلزی استفاده می کنند.
• همچنین این سنسورها دارای حساسیت و پهنای باند بالایی هستند.
• این سنسورها قادر به تشخیص مواد بدون توجه به جنس آن هستند و این تجهیزات از تاثیر اشیا بر میدان الکتریکی و تغییر ظرفیت خازن استفاده می کنند.
• در این سنسور برای تشخیص اشیا یک میدان الکتریکی وجود دارد که با اعمال کردن ولتاژ به آن، صفحات سنسور تولید می شوند و هر شی که قادر به تغییر ظرفیت الکتریکی و ظرفیت خازن باشد، توسط یک سنسور خازنی تشخیص داده می شود.
• از دیگر کاربردهای این سنسور می توان به کنترل مایعات داخل محفظه، عمل شمارش اجسام و کنترل سطح اشاره کرد.

جمع بندی

در این مطلب به بررسی خازن، طرز کار آن، انواع خازن ها و تعریف ظرفیت خازن، واحد ظرفیت خازن، میکرو خازن ها و… پرداختیم. همانطور که اشاره شد این قطعه یکی از مهم ترین قطعات در بردهای الکترونیکی است. اگر از علاقه مندان الکترونیک و تعمیرات برد هستید توصیه می کنیم در دوره های آموزش تعمیرات برد الکترونیکی آموزشگاه فنی ثبت نام نمایید.