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 یادداشت حتماً شما را جذب خود خواهد کرد. ما نیز اینجاییم تا با کنجکاوی با 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 ساده 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؟
ظرفیت خازنی چیست؟
خازن یک قطعه و عضوی از بردهای الکترونیکی است اما مقدمه پاسخگویی پرسش خازن چیست، یکی از اصول فیزیکی خواهد بود؛ 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. اما چگونه و به چه منظور؟
خازن چگونه می‌تواند بار الکتریکی را ذخیره کند؟
یک خازن ساده، از دو صفحه فلزی جدا از هم تشکیل شده که تماس مستقیمی با یکدیگر ندارند؛ در نظر داشته باشید که در صورت تماس مستقیم دو صفحه، عملاً الکتریسیته به سادگی از یکی به دیگری منتقل شده و عملاً 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.
ظرفیت خازن چیست؟
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، با نماد (C) مشخص شده است. هر قدر ظرفیت یک خازن بالاتر باشد، می‌توان گفت انرژی الکتریکی را نگهداری می‌کند. 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 سنجش ظرفیت خازن چیست؟ فاراد.
کاربرد خازن چیست؟
حال با وجود دستیابی به یک دید کلی، می‌توانیم مجدداً به تعریف ابتدای متن رجوع کرده و تعریف خازن را مرور کنیم. 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.
دقت 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. در مدار متناوب مداوماً شارژ و دشارژ می‌شود.
اساس کاربرد یک خازن 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 مختلف خازن
روش‌های مختلفی برای دسته‌بندی خازن‌ها وجود دارد. خازن‌ها بر اساس شکل ظاهری به سه گونه تقسیم می‌شوند؛ مسطح، کروی، استوانه‌ای.
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.
برخی از انواع خازن ثابت
- خازن سرامیکی
- خازن الکترولیتی
- خازن ورقه‌ای
- خازن‌های فیلم پلاستیکی(شامل دو نوع فیلم فلزی و فویل فیلم)
- خازن تانتالیوم
- خازن میکای نقره‌ای
- خازن سوپرکاپ
برخی از انواع خازن متغیر
خازن‌های متغیر نیز انواع گوناگونی دارند اما به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند.
- خازن تریمر
- خازن واریابل(Variable)
در این مطلب به بررسی خازن، طرز کار آن، انواع خازن ها و تعریف ظرفیت خازن و خازنی 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 پارس ثبت نام نمایید.
