در  آموزش این جلسه می خواهیم با یک قطعه پرکاربرد و پول ساز در علم الکترونیک، به نام خازن الکتریکی آشنا شویم . در ادامه ساختمان داخلی خازن، نحوه عملکردش ، روش خواندن مقدار آن و سایر موارد می پردازیم. با ما همراه باشید.

قطعه ای الکتریکی که می تواند بار الکتریکی ( انرژی الکتریکی) را در خودش به شکل ولتاژ ذخیره کند.چطوری؟

خازن از دو صفحه فلزی با مساحت مشخص و فاصله مشخص تشکیل شده است.وقتی این دو صفحه را به دو قطب منبع تغذیه (مثل باتری) وصل می کنیم، هر کدام از صفحات یک نوع بار الکتریکی می گیرند . یکی دارای بار منفی و دیگری دارای بار مثبت می شود.(یعنی صفحه ای که به قطب منفی منبع تغذیه متصل است، الکترون می گیرد Q- و صفحه ای که به قطب مثبت منبع تغذیه متصل است ، الکترون از دست می دهد Q+).

این دو صفحه را به صورت رولی می پیچند تا فضای کمتری اشغال کند.

اجزای تشکیل دهنده خازن شامل سه قسمت است:

• پایه ها
• صفحه های فلزی
• ماده دی الکتریک (این ماده هر چیزی می تواند باشد هوا،پلی استر و …بسته به اینکه کارخانه تولید کننده از چه ماده ای استفاده کند.)

در شکل زیر ساختار داخلی خازن را به شکل واقعی می بینید:

پوشش آلومینیومی،عایق پلاستیکی که مشخصات خازن روی آن درج شده است.در صورت خرابی آلومینیوم بیرون میزند :

ظرفیت خازنی :

مشخصه خازن ، ظرفیت می باشد که مشخص می کند ، خازن چقدر الکترون می تواند در خودش ذخیره کند.به عبارت دیگر به توانایی خازن برای نگهداری بارالکتریکی ، ظرفیت خازن گویند.

نکته: هر چه ظرفیت خازنی بیشتر باشد تعداد الکترون و بار بیشتری می توانند روی دو صفحه خازن قرار یگیرند.

فرمول زیر نشان می دهد که نسبت بار به ولتاژ یک مقدار ثابت می باشد که همان ظرفیت خازن می باشد:

ظرفیت خازن را با C نمایش می دهیم (اول capacity) و واحد آن برحسب فاراد می باشد و با F نمایش می دهند.

نکته: ظرفیت یک کمیت فیزیکی می باشد و  به مساحت صفحات و جنس ماده دی الکتریک بین دو صفحه و فاصله صفحات از هم بستگی دارد.

برای اینکه در نمایش مقادیر خیلی بزرگ و خیلی کوچک راحت باشیم پیشوندهایی تعریف شده است، که رایج ترین آنها را در جدول روبرو مشاهده می کنید:

گفتیم خازن بار الکتریکی (و در نتیجه انرژی الکتریکی) را در خودش ذخیره می کند بنابراین کار خازن ذخیره ولتاژ است اصطلاحا شارژ می شود و زمانی که ولتاژ از دست می دهد دشارژ می شود.

اما آیا این ذخیره سازی ولتاژ (شارژ شدن) آنی و لحظه ای است؟ یعنی اگر یک خازن را به منبع تغذیه وصل کنیم در کسری از ثانیه شارژ می شود و ولتاژی برابر با ولتاژ منبع تغذیه پیدا می کند؟ جواب منفی است. خازن ها با توجه به نمودار شارژو دشارژی که در ادامه می بینیم ، پر و خالی می شوند.

خازن یک نمونه کوچیک از باتری است با این تفاوت که باتری ساعت ها قابل استفاده است در حالی که خازن فقط چندین ثانیه قابل استفاده است و سریع دشارژ می شود.

نمودار شارژ

به شکل زیر توجه کنید.یک مداری داریم شامل یک منبع تغذیه(∆V) و یک خازن(C) و یک مقاومت(R) و یک کلید (S). قطب مثبت باتری به یک سر خازن و قطب منفی آن از طریق مقاومت به سر دیگر خازن وصل شده است. جریان الکتریکی تا زمانی در این مدار جریان دارد و از خازن عبور می کند که خازن شارژ شود یعنی صفحه منفی الکترون بگیرد و صفحه مثبت الکترون از دست بدهد و هم پتانسیل با منبع تغذیه شود.بنابراین به محضی که ولتاژ خازن برابر با ولتاژ منبع تغذیه شود ، عبور جریان متوقف می شود  (جریان عبوری صفر می شود)

فرض کنید منبع تغذیه 10 ولت باشد . مدت زمانی که طول می کشد تا ولتاژ دو سر خازن تقریبا برابر ولتاژ منبع تغذیه ( 10 ولت ) شود به 5T معروف است، T از طریق فرمول زیر به دست می آید:

T=RC

مثلا اگر ظرفیت خازن 1 فاراد و مقدار مقاومت 1 اهم باشد T برابر 1 ثانیه. در نتیجه 5 ثانیه طول می کشد تا خازن شارژ شود.

نمودار دشارژ 

بعد از شارژ خازن ، نوبت به تخلیه یا دشارژ می باشد. تخلیه یا دشارژ خازن همیشه زمانی انجام میشود که مصرف کننده ای در مسیر خازن وجود داشته باشد مثلا در مدار ما مقاومت می باشد.

اگر کلید باز شود ولتاژ دو سر خازن روی مقاومت R تخلیه می شود. و این زمان دشارژ هم دقیقا مشابه شارژ 5T می باشد.

اتصالات سری

به شکل زیر می باشد که پایه منفی خازن به پایه مثبت خازن دیگر وصل می شود . در این نوع اتصال ظرفیت کل کاهش می باید (طبق فرمول موجود در تصویر)ولی ولتاژ کل برابر مجموع ولتاژ خازن ها می باشد بنابراین ظرفیت خازنی افزایش می یابد.

نکته : مثلا در مدار اولیه بعضی از پاورها دو خازن 560 میکروفاراد 200 ولت قرار گرفته است که به صورت سری در کنار هم قرار گرفته اند. بنابرین ظرفیت ولتاژی کل 400 ولت و ظرفیت خازنی کل 280 می باشد.

اتصالات موازی

به شکل زیر می باشد که پایه های منفی به هم و پایه های مثبت هم به هم وصل می شوند. در این نوع اتصال ظرفیت کل برابر با مجموع ظرفیت همه خازن ها می باشد.

مثلا دو خازن 10میکرو فارادی،10 ولت  و 470 میکرو فارادی 10 ولت را با هم موازی می کنیم در نتیجه خازن معادل 480 میکرو فارادی ، 10 ولت می باشد.

نتیجه: در اتصال سری ظرفیت کل کاهش و در اتصال موازی ظرفیت کل افزایش می یابد.

کاربرد: یکی از کاربردهای دانستن این اتصالات این است که در حین تعمیرات خازنی با ظرفیت مشخص نیاز دارید که موجود نیست و می توانید با سری یا موازی کردن چند خازن دیگر ، به ظرفیت خازن مورد نظر برسید.

نکته: در مدارات فقط ¾ ولتاژی که روی خازن نوشته شده ، می تواند دو سر خازن قرار بگیرد.مثلا خازن 400 ولتی ، تا 300 ولت می تواند ولتاژ را تحمل کند .

خازن ها عموما به دو دسته تقسیم می شوند:

• با پلاریته: قطب مثبت و منفی دارد و باید درست در مدار قرار بگیرد .

• بدون پلاریته: قطب مثبت و منفی ندارد و هر طور در مدار قرار بگیرد مشکلی ندارد.

شکل نمایش خازن ها در مدارات به شکل زیر می باشد.

خازن ها انواع متنوعی دارند که ر ادامه به چندین نمونه از مهمترین ها می پردازیم.

خازن الکترولیتی و جامد

خازن های الکترولیتی دارای قطبیت مثبت و منفی می باشند که پایه منفی با یک نوار مشخص شده است. دو مشخصه این خازن ها ، ظرفیت خازنی و ظرفیت ولتاژی می باشد که روی پوسته عایقی آن هک شده است. lمثلا در تصویر زیر یک خازن 47 میکروفاراد ،400 ولت را مشاهده می کنیم.

خازن های الکترولیتی جامد : پایه منفی این خازن ها هم علامت دارد و مشخص است. در بردهای صنعتی بیشتر استفاده می شود تفاوتش با مدل الکترولیتی این است که عمر بیشتری دارند و پایه های آن روی سطح می چسبد و SMD می باشد.نسبت به تغییرات حرارتی ، تغییرات ظرفیتی کمتر دارند در نتیجه خرابی کمتری در مدار ایجاد می کنند.

خازن پلی استر یا مایلر

بدون پلاریته می باشد و مثبت و منفی ندارد. این خازن ها از جنس پلی استر می باشند. معمولا ظرفیت ولتاژی روی آن نوشته نمی شود.(در تصویر زیر با رنگ سبز مشخص شده است.) مدل حجیم تر این نوع ، عموما ظرفیت ولتاژی بالاتری دارند.(با رنگ قرمز مشخص شده است)

مقدار ظرفیت این نوع خازن ها، یک کد 1 یا 2 یا 3 رقمی می باشد که بر روی آن ها نوشته شده است. اگر کد 1 یا 2 رقمی باشد، همان عدد ظرفیت خازن برحسب پیکوفاراد می باشد، ولی اگر عدد نوشته شده سه رقمی باشد دو عدد اول را می نویسیم و به اندازه عدد سوم صفر می گذاریم، باز هم این مقدار برحسب پیکوفاراد می باشد.

خازن تانتالیوم

دو مدل dip و smd را در تصویر می بینیم . به دلیل اینکه جنسشون از فلز می باشد خرابی کمتری دارند و ثبات بیشتری در برابر تغییراتی مثل دما دارند.در مدارات حساس مثل مدارات  نوسانگر بهتر است از این مدل استفاده شود.

خازن سرامیکی یا عدسی

بیشترین کاربرد این خازن ها گرفتن نویز در مدار می باشد و به عنوان فیلترفرکانسی هستند ( مثلا رادیو) .

خازن سرامیکی مدل smd هم داریم که اکثر بردهای الکترونیکی این مدل smd را دارند و بسیار پرکاربرد هستنند و به عنوان فیلترهای فرکانسی و ولتاژی استفاده می شود.

خواندن این نوع خازن ها مشابه پلی استر ها می باشد.

نکته: کلیه عددهای 1 یا 2 رقمی روی خازن های سرامیکی و پلی استر بر حسب پیکوفاراد خوانده می شود.

نکته: خازن های عدسی 104 و 103 جز مشهورترین خازن ها می باشد که به عنوان فیلتر برق شهر (50HZ) استفاده می شوند.یعنی به صورت موازی با ولتاژ برق شهر قرار می گیرد و فرکانس 50 هرتز را حذف می کند.

مدل smd هم هیچ نوشته ای برای فهمیدن مقدار ظرفیت ندارد.

MKT

شبیه پلی استر می باشد ولی پیشرفته تر. طول عمر بالاتر ، ظرفیت بالاتر، ظرفیت ولتاژی بالاتر و دقت بالاتری نسبت به خازن های پلی استر دارد. بنابراین برای بالا بردن کیفیت در تعمیرات می توانید به جای خازن پلی استر از خازن MKT استفاده کنید (ولی گرونتره )

خازن میکا

مدلی از خازن پلی استر می باشد که ظاهرش کمی متفاوت است . دقت بالاتری دارد. ظرفیت ولتاژی تا 30 کیلو ولت را دارد . ظرفیت خازنی بالاتری دارد. نسبت به دما ، تغییرات ظرفیتی کمی دارد.

بعد از تانتالیوم خازن قدرتمندی است که خرابی کمتری دارد.

نکته : همانطور که گفتیم مقدار ظرفیت و ولتاژ خازن ،که دو مشخصه مهم هستند چطور از روی خازن خوانده می شوند.ولی توجه داشته باشید که ممکن است ، علامات دیگری هم وجود داشته باشد مثل ضریب خطا (tolerance) که می توانید از تصویر زیر استفاده کنید.

همچنین گاها ولتاژ به صورت شفاف بیان نشده که می توانید از جدول زیر کمک بگیرید.

نکته: از دستگاه LCR برای اندازه گیری ظرفیت خازن می توانید استفاده کنید.

• صافی ولتاژ
• فیلتر خازنی
•  کوپلاژ ، اتصالات مدار
•  نوسان ساز

صافی ولتاژ

قبل از اینکه سراغ اصل مبحث بریم فرض کنید منبع آبی داریم که مدام فشارآن کم و زیاد می شود، در این صورت قابل استفاده نمی باشد . برای اینکه فشار آب را تنظیم و ثابت کنیم ، می توانیم یک بشکه یا مخزن در مسیر آن قرار دهیم تا آب با هر فشاری وارد آن شود .در این صورت آب با فشار تقریبا ثابتی خارج می شود و استفاده از ان راحت تر است.

با این اوصاف مدار زیر را در نظر بگیرید که ولتاژ AC وارد مدار می شود و توسط پل دیود یکسو می شود (که در آینده با طرز عملکرد آن آشنا خواهید شد).سپس این ولتاژ وارد خازن می شود.

در نمودار زیر ولتاژی که از پل دیود خارج می شود، مشخص شده است.همانطور که مشاهده می کنید این ولتاژ دائما در حال نوسان است (شبیه آب با فشار کم و زیاد) ، مثلا به 100 ولت می رسد دوباره به 0 افت می کند دوباره به 100 میرسد دوباره به 0 افت می کند به همین شکل….بنابراین ولتاژی به این شکل برای ما فایده ندارد! برای تنظیم کردن این ولتاژ و داشتن یک ولتاژ ثابت (آب با فشار ثابت) ، از خازن (شبیه مخزن یا بشکه) استفاده می شود.

در تصویر زیر نمودار ولتاژ خازن را با رنگ فرمز مشخص کردیم. همانطور که مشاهده می کنید خازن در لحظه اول ولتاژی ندارد و کم کم با اوج گرفتن ولتاژ ورودی (نمودار آبی رنگ-نیم سیکل اول)شارژ می شود،طبق نمودار شارژ، که جلوتر توضیح دادیم در لحظه 5T به حداکثر ولتاژ می رسد. وقتی خازن شارژ شد،(در نقطه X) ولتاژ ورودی (نمودار آبی رنگ-نیم سیکل دوم) شروع به افت می کند بنابراین خازن هم شروع به دشارژ می کند و ولتاژش را روی مصرف کننده (مقاومت) خالی می کند ( نمودار قرمز رنگ). در حین دشارژ مجدد ولتاژ ورودی (نمودار آبی رنگ – سیکل دوم) اوج می گیرد و خازن هم مجدد شارژ می شود و همین روند مدام تکرار می شود.

در نتیجه طبق تصویر با کمک خازن یک ولتاژ با نوسان خیلی کم و تقریبا ثابت(خط تقریبا صاف قرمز ) خواهیم داشت (به این نوسانات اصطلاحا ripple می گویند).

پس متوجه شدیم چرا یکی از وظایف خازن “صافی ولتاژ” است.

نکته: هرچی ظرفیت خازن بزرگتر باشد این خط صاف تر خواهد بود.

فیلتر فرکانسی

خب اول براتون بگم، فرکانس چی هست؟ تعداد تکرار یک حرکت در واحد زمان را فرکانس گویند.

در فضا انواع فرکانس ها را داریم ، فرکانس های صوتی، فرکانس های رادیویی، موبایل،ماهواره ای و ….در این صورت یک دستگاهی که با فرکانس سر و کار دارد ،نباید با همه ی فرکانس ها درگیر شود و نیاز است که یک سری از فرکانس ها فیلتر شود و از یک حدی به بعد فرکانس ها را عبور دهد.

اگر بخواهیم یک فرکانسی را حذف کنیم یا فرکانس خاصی رو عبور بدهیم از خازن استفاده می کنیم.

هر خازنی در هر فرکانسی دارای یک مقاومتی است . اگر روی فرکانسی مقاومتش کم باشد آن را عبور می دهد و اگر مقاومتش زیاد باشد فرکانس را فیلتر می کند.پس اینطور می توانیم نتیجه بگیریم که خازن در مدارات فرکانسی به عنوان مقاومت شناخته می شود .

پس از خازن به عنوان یک فیلتر فرکانسی می توان استفاده کرد.

حالا به چه شکلی؟ طبق معادله زیر خازن در مدارات فرکانسی به عنوان یک مقاومت عمل می کند و مقدار مقاومت آن را با Xc نشان می دهیم و با فرمول موجود در تصویر زیر محاسبه می شود.

طبق این معادله زمانی که فرکانس 0 باشد، طبق معادله Xc  مقدار بی نهایت می گیرد یعنی خازن مانند یک مقاومت بی نهایت ( مدار باز) عمل می کرده و ولتاژ خروجی صفر خواهد بود و زمانی که فرکانس به سمت بی نهایت میل می کند، طبق معادله مقاومت Xc صفر خواهد شد یعنی خازن مانند یک مقاومت صفر (اتصال کوتاه) بوده و ولتاژ خروجی دقیقا برابر ولتاژ ورودی خواهد بود.

طبق این معادله نمودار زیر به دست می آید.

 پس نتیجه اینکه خازن در فرکانس های پایین مقاومت زیادی از خود نشان می دهد و ولتاژ ورودی Vi را به خوبی عبور نمی دهد و در فرکانس های بالا ، مقدار مقاومت خازن کم می شود و ولتاژ ورودی را به خوبی عبور می دهد.

با توجه به گفته های بالا چه فرکانسی حذف شد؟ فرکانس های پایین . پس نقش خازن اینجا فیلتر بالا گذر است یعنی فرکانس بالا را عبور می دهد.

فیلتر پایین گذر هم داریم که فرکانس های پایین را عبور می دهد و فرکانس های بالا را حذف می کند. مجدد طبق فرمول اگر فرکانس صفر باشد Xc بی نهایت می شود و خازن اتصال باز عمل می کند و ولتاژ ورودی و خروجی برابر می شوند. اگر فرکانس بی نهایت باشد Xc طبق فرمول صفر خواهد شد و خازن اتصال کوتاه می شود و ولتاژ خروجی صفر می شود.در تصویر زیر فیلتر پایین گذر  را مشاهده می کنیم .

کوپلاژ یا اتصالات مدارات

برای اتصالات مداری مخصوصا در مدارات صوتی از خازن ها استفاده می شود.

مثلا شکل زیر را در نظر بگیرید ، ولتاژ چندین قسمت مدار که بهم اتصال دارند نباید روی قسمت دیگر تاثیر بگذارد. در شکل زیر یک مدار تقویت صوت داریم که ولتاژ AC با دامنه کم وارد می شود و با دامنه زیاد تقویت شده و خارج می شود. بنابراین ولتاژ DC نباید روی ولتاژ های AC ورودی و خروجی تاثیر بگذارد به همین منظور دو خازن C1 و C2 به صورت سری در مدار قرار گرفته اند که در فرکانس های پایین اتصال باز عمل می کنند و ولتاژ DC (که فرکانسش صفر است) را عبور نمی دهند. بنابراین ولتاژ DC روی ولتاژ های AC تاثیر نمی گذارد.

البته خیلی خلاصه و فقط در حدی که کوپلاژ را بیان کنیم، این مثال را تحلیل کردیم.

نوسان ساز ها

خازن به طور دائم شارژ و دشارژ می شود و همین باعث ایجاد نوسان و فرکانس می شود بنابراین می تواند به عنوان نوسان ساز استفاده شود.