آشنایی با ظرفیت خازنی و شارژ

خازن ها دستگاه های پسیو ساده ای هستند که می توانند در صورت اتصال به منبع ولتاژ، بار الکتریکی را روی صفحات خود ذخیره کنند. انواع مختلفی از خازن ها وجود دارد، از مهره های خازن بسیار کوچک که در مدارهای رزونانس استفاده می شوند تا خازن های بزرگ تصحیح کننده ضریب توان، اما همه آنها یک کار را انجام می دهند، یعنی شارژ را ذخیره می کنند.

در این مقاله آشنایی با ظرفیت خازنی و شارژ خواهیم داشت و مرور می‌کنیم که خازن‌ها اجزای الکترونیکی پسیو هستند که از دو یا چند قطعه ماده رسانا تشکیل شده‌اند که توسط یک ماده عایق از هم جدا شده‌اند. خازن قطعه ای است که توانایی یا “ظرفیت” ذخیره انرژی را به شکل یک بار الکتریکی دارد که باعث ایجاد اختلاف پتانسیل (ولتاژ استاتیک) در صفحات خود می شود، مانند یک باتری کوچک قابل شارژ.

ساختار خازن

در شکل اصلی خود، یک خازن از دو یا چند صفحه رسانا (فلزی) موازی تشکیل شده است که به یکدیگر متصل نیستند یا با یکدیگر تماس ندارند، اما به صورت الکتریکی یا توسط هوا یا توسط نوعی ماده عایق خوب از هم جدا می شوند. این ماده عایق می تواند کاغذ مومی، میکا، سرامیک، پلاستیک یا نوعی ژل مایع باشد که در خازن های الکترولیتی استفاده می شود.

همچنین بخوانید: کاربرد، قیمت و خرید انواع درایو صنعتی

به عنوان یک مقدمه خوب برای خازن ها، شایان ذکر است که لایه عایق بین صفحات خازن معمولاً دی الکتریک نامیده می شود. با توجه به این لایه عایق، جریان DC نمی تواند از طریق خازن عبور کند زیرا آن را مسدود می کند و به جای آن اجازه می دهد ولتاژی در سراسر صفحات به شکل بار الکتریکی وجود داشته باشد. صفحات فلزی رسانای خازن می توانند مربع، دایره یا مستطیل باشند یا می توانند به شکل استوانه ای یا کروی با شکل، اندازه و ساختار کلی یک خازن صفحه موازی بسته به کاربرد و درجه ولتاژ آن باشند.

هنگامی که در یک مدار جریان مستقیم یا DC استفاده می شود، یک خازن تا ولتاژ تغذیه خود شارژ می شود اما جریان جریان را از طریق آن مسدود می کند زیرا دی الکتریک یک خازن نارسانا است و اساساً یک عایق است. با این حال، هنگامی که یک خازن به یک جریان متناوب یا مدار AC متصل می شود، به نظر می رسد جریان جریان مستقیماً با مقاومت کم یا بدون مقاومت از خازن عبور می کند.

دو نوع بار الکتریکی وجود دارد، یک بار مثبت به شکل پروتون و یک بار منفی به شکل الکترون. هنگامی که یک ولتاژ DC در یک خازن قرار می گیرد، بار مثبت (+ve) به سرعت در یک صفحه جمع می شود در حالی که یک بار منفی متناظر و مخالف (-ve) در صفحه دیگر انباشته می شود. برای هر ذره بار +ve که به یک صفحه می رسد، باری با همان علامت از صفحه -ve خارج می شود. سپس صفحات خنثی می مانند و اختلاف پتانسیل ناشی از این بار بین دو صفحه ایجاد می شود. هنگامی که خازن به حالت پایدار خود رسید، جریان الکتریکی به دلیل خواص عایق دی الکتریک مورد استفاده برای جداسازی صفحات، قادر به عبور از خود خازن و اطراف مدار نیست.

جریان الکترون ها روی صفحات به عنوان جریان شارژ خازن شناخته می شود که تا زمانی که ولتاژ در هر دو صفحه (و بنابراین خازن) برابر با ولتاژ اعمال شده Vc شود به جریان خود ادامه می دهد. در این مرحله گفته می‌شود که خازن با الکترون‌ها “کاملاً باردار” شده است.

بیشتر بخوانید: بررسی جامع سنسور سطح سنج

قدرت یا نرخ این جریان شارژ زمانی که صفحات کاملاً دشارژ می شوند (شرایط اولیه) به حداکثر مقدار خود می رسد و به آرامی مقدار آن به صفر کاهش می یابد زیرا صفحات تا اختلاف پتانسیل در صفحات خازن برابر با ولتاژ منبع شارژ می شوند.

مقدار اختلاف پتانسیل موجود در خازن بستگی به مقدار باری دارد که توسط کار انجام شده توسط ولتاژ منبع و همچنین به مقدار ظرفیت خازن بر روی صفحات رسوب شده است و این در زیر نشان داده شده است.

فرمول خازن

خازن صفحه موازی، ساده‌ترین شکل خازن است. می توان آن را با استفاده از دو صفحه فویل فلزی یا متالایز در فاصله موازی با یکدیگر ساخت که مقدار خازنی آن بر حسب فاراد است که توسط سطح صفحات رسانا و فاصله جدایی بین آنها ثابت می شود. تغییر هر دو از این مقادیر، مقدار ظرفیت خازن آن را تغییر می دهد و این اساس عملکرد خازن های متغیر را تشکیل می دهد.

همچنین، از آنجا که خازن‌ها انرژی الکترون‌ها را به شکل بار الکتریکی روی صفحات ذخیره می‌کنند، هرچه صفحات بزرگتر و/یا جدایی آنها کوچکتر باشد، باری که خازن برای هر ولتاژ معینی در صفحات خود نگه می‌دارد بیشتر خواهد بود. به عبارت دیگر صفحات بزرگتر، فاصله کمتر، ظرفیت بیشتر.

خاصیت خازن برای ذخیره بار روی صفحات خود به شکل میدان الکترواستاتیکی، ظرفیت خازنی نامیده می شود. نه تنها این، بلکه ظرفیت خازنی نیز ویژگی خازن است که در برابر تغییر ولتاژ در دو طرف آن مقاومت می کند.

با اعمال ولتاژ به خازن و اندازه‌گیری بار روی صفحات، نسبت بار Q به ولتاژ V، مقدار ظرفیت خازنی را به دست می‌دهد و بنابراین به صورت زیر به دست می‌آید: C = Q/V این معادله را می‌توان مجدداً تنظیم کرد تا فرمول آشنا برای مقدار بار روی صفحات به صورت C x V ارائه شود:

اگرچه گفتیم که بار روی صفحات یک خازن ذخیره می شود، اما دقیق تر است که بگوییم انرژی درون بار در یک “میدان الکترواستاتیک” بین دو صفحه ذخیره می شود. هنگامی که یک جریان الکتریکی به خازن می ریزد، شارژ می شود، بنابراین میدان الکترواستاتیک بسیار قوی تر می شود زیرا انرژی بیشتری بین صفحات ذخیره می کند.

به همین ترتیب، با خارج شدن جریان از خازن و تخلیه آن، اختلاف پتانسیل بین دو صفحه کاهش می‌یابد و با خروج انرژی از صفحات، میدان الکترواستاتیک کاهش می‌یابد.

همچنین بخوانید: راهنمای کامل تعمیر پی ال سی (plc)

ظرفیت خازنی

ظرفیت خازنی (Capacitance) شاخصی از توانایی ذخیره بار الکتریکی است. ظرفیت خازنی خاصیت الکتریکی یک خازن است و اندازه‌گیری توانایی خازن برای ذخیره بار الکتریکی روی دو صفحه آن است که واحد ظرفیت آن فاراد (به اختصار F) به نام مایکل فارادی فیزیکدان بریتانیایی است. همچنین جهت مشاهده قیمت و خرید تجهیزات اندازه گیزی کلیک کنید.

ظرفیت خازنی به این صورت تعریف می‌شود که یک خازن ظرفیت یک فاراد داشته باشد زمانی که یک بار یک کولن روی صفحات با ولتاژ یک ولت ذخیره می‌شود. توجه داشته باشید که ظرفیت ظرفیت C همیشه مثبت است و واحد منفی ندارد. با این حال، فاراد یک واحد اندازه گیری بسیار بزرگ برای استفاده به تنهایی است، بنابراین به طور کلی از چندگانه های فرعی مانند میکرو فاراد، نانوفاراد و پیکو فاراد استفاده می شود.

واحدهای استاندارد ظرفیت خازنی

میکروفاراد (μF) 1μF = 1/1000000 = 0.000001 = 10^-6   F

نانوفراد (nF) 1nF = 1/1,000,000,000 = 0.000000001 = 10^-9 F

پیکوفاراد (pF) 1pF = 1/1,000,000,000,000 = 0.000000000001 = 10^-12 F

سپس با استفاده از اطلاعات بالا می‌توانیم یک جدول ساده بسازیم تا به ما کمک کند تا بین پیکو فاراد (pF)، به نانو فاراد (nF)، به میکرو فاراد (μF) و به فاراد (F) تبدیل کنیم.

همچنین بخوانید: موشن کنترل چیست؟ هر آنچه که باید از آن بدانید

خازن با ظرفیت بالا چیست؟

اگرچه هیچ تعریف روشنی از خازن با ظرفیت بالا یا بزرگ وجود ندارد، ما در خازن های با ظرفیت بزرگ برای الکترونیک قدرت تخصص داریم. بنابراین، یک خازن با ظرفیت بزرگ چه نوع خازنی است؟ جهت مشاهده قیمت و خرید قطعات الکترونیکی کلیک کنید.

خازن بار الکتریکی را روی یک الکترود ذخیره می کند. هر چه مساحت الکترود بزرگتر باشد، بار الکتریکی بیشتری را می توان ذخیره کرد. دو الکترود به ترتیب بارهای الکتریکی مثبت و منفی را جمع می کنند و بارهای الکتریکی یکدیگر را جذب می کنند. هرچه الکترودها به یکدیگر نزدیکتر باشند، نیروی جاذبه قوی‌تر است، بنابراین بار الکتریکی زیادی جمع می‌شود.

همانطور که پیش تر توضیح داده شد، یک ماده عایق به نام دی الکتریک بین صفحات الکترود قرار می گیرد. بسته به نوع دی الکتریک، توانایی ذخیره بار الکتریکی متفاوت است و شاخص این توانایی را گذردهی می نامند. موارد فوق را می توان در معادله و نمودار زیر بیان کرد:

انواع خازن

اگرچه نقش اصلی یکسان است، اما انواع مختلفی از خازن ها بسته به کاربرد و اندازه آنها وجود دارد. در ادامه انواع خازن ها و ویژگی های مربوط به آنها توضیح داده می شود.

بیشتر بخوانید: معرفی و کاربرد نرم افزار های PLC

خازن های الکترولیتی آلومینیومی (Aluminum electrolytic capacitors)

خازنی که یک لایه اکسید دی الکتریک را روی سطح یک فویل آلومینیومی تشکیل می دهد که به عنوان آند عمل می کند و از یک الکترولیت یا یک پلیمر رسانا و غیره به عنوان کاتد استفاده می کند، خازن الکترولیتی آلومینیومی نامیده می شود.

بسیاری از آنها شکل استوانه ای دارند و آنقدر رایج هستند که بسیاری از افراد وقتی به خازن فکر می کنند، مقصود این نوع است. در مقایسه با انواع دیگر خازن‌ها، خازن‌های الکترولیتی دارای ویژگی اصلی این است که می‌توانند مقدار زیادی الکتریسیته را ذخیره کنند، حتی اگر هم اندازه خازن‌های دیگر باشند. در حالی که بیشتر خازن ها برای مدارهای دیجیتال با قطر 10 میلی متر یا کمتر ساخته می شوند، ما محصولاتی را برای مدارهای الکترونیک قدرت با حجم 0.5 تا 1 لیتر به فروش می رسانیم.

خازن های الکترولیتی آلومینیومی از محلول الکترولیتی پر شده در کاغذ (جداکننده) استفاده می کنند که این عیب را دارد که محلول الکترولیتی با افزایش سن خازن، تبخیر می شود و عملکرد آن ضعیف می شود. آنها قطعات مصرفی هستند که باید به طور دوره ای تعویض شوند.

همچنین بخوانید: بررسي سيستم های كنترل صنعتی

خازن های فیلم (Film capacitors)

خازن فیلم، خازنی است که از فیلم پلاستیکی به عنوان دی الکتریک استفاده می کند. در مقایسه با خازن های الکترولیتی آلومینیومی، میزان الکتریسیته ذخیره شده در این خازن ها هم در دماهای بالا و هم در دمای پایین پایدارتر است و می توانند ولتاژهای بالاتر را تحمل کرده و عمر مفید بیشتری داشته باشند.

از آنجایی که فیلم برای ساختن عنصر به شکل استوانه‌ای پیچیده می‌شود، بیشتر محصولات با ظرفیت بزرگ استوانه‌ای شکل هستند، اما محصولات مربعی نیز برای محصولات با ظرفیت کوچک و متوسط ساخته می‌شوند. ما هر دو نوع را در دسترس داریم.

برای فیلمی که به دی الکتریک تبدیل می شود، از موادی مانند پلی پروپیلن مورد استفاده برای ظروف غذا، سرنگ ها، محفظه های DVD و غیره، الیاف لباس مانند پشم گوسفند و PET (پلی اتیلن ترفتالات) که برای بطری های نوشیدنی استفاده می شود، استفاده می گردد. از آنجایی که این مواد توانایی ذخیره الکتریسیته (مجوز) را دارند که تنها حدود 1/4 خازن های الکترولیتی آلومینیومی است، برای ذخیره الکتریسیته بیشتر، به مقدار زیادی فیلم نیاز است و در نتیجه اندازه خازن بزرگتر می شود.

همچنین بخوانید: آشنایی با مبانی شبکه ارتباطی صنعتی

خازن های سرامیکی (Ceramic capacitors)

خازنی که از سرامیک (سفال) به عنوان دی الکتریک خود استفاده می کند، خازن سرامیکی است. با تغییر ترکیب مواد اولیه می توان دی الکتریک هایی با کارایی های متنوع ایجاد کرد.

الکترودها مانند خازن‌های الکترولیتی آلومینیومی یا خازن‌های فیلم، پیچیده نمی‌شوند، بلکه با لایه‌بندی چند لایه از مواد سرامیکی ترکیبی دوغاب‌مانند و مواد الکترود خمیری ساخته می‌شوند. به همین دلیل عموماً از خازن های کوچک با اندازه چند میلی متر یا کمتر استفاده می شود و در مدارهای دیجیتال نقش فعالی دارند. یک گوشی هوشمند تنها از 800 تا 1000 خازن سرامیکی استفاده می کند و مقدار تولید بیشترین حجم تولید را در بین خازن ها دارد.

همچنین بخوانید: پشتیبانی خطوط تولید

خازن های الکتریکی دو لایه (EDLC)

خازن الکتریکی دو لایه (Electric double-layer capacitor) در مقایسه با خازن‌های دیگر ظرفیت بسیار بالایی دارد. در این نوع خازن، دی الکتریک وجود ندارد و بار الکتریکی زیادی را می توان در ناحیه ای به نام لایه دوگانه الکتریکی که بین کربن فعال الکترود و محلول الکترولیت ایجاد می شود، ذخیره کرد.

از آنجایی که هیچ دی الکتریک مانند سایر خازن ها به عنوان عایق وجود ندارد، مقاومت ولتاژ پایین است و از آن به عنوان منبع تغذیه مانند باتری به جای مدار الکتریکی استفاده می شود. در مقایسه با باتری های قابل شارژ مانند باتری های لیتیوم یون، ویژگی آن کوتاه بودن زمان شارژ است.

قابلیت شارژ خازن

همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، هنگامی که کلید روشن می شود و یک ولتاژ DC به خازن اعمال می شود، الکتریسیته (بار الکتریکی) فوراً روی صفحه الکترود (b) جمع می شود. اگر ولتاژ حذف شود، بار الکتریکی انباشته شده روی الکترود دست نخورده باقی می ماند. (c).

بیشتر بخوانید: RLO در PLC چیست؟ – انواع بیت های وضعیت در پی ال سی

نسبت بار الکتریکی (Q) انباشته شده روی الکترود به ولتاژ اعمال شده (V) را ظرفیت خازن (C) می گویند. ظرفیت یک شاخص از توانایی الکترود برای ذخیره بار الکتریکی است و واحدی به نام فاراد (به اختصار F) به افتخار فیزیکدان انگلیسی مایکل فارادی استفاده می شود. هنگامی که یک بار یک کولن روی یک الکترود با ولتاژ یک ولت ذخیره می شود، ظرفیت خازن یک فاراد تعریف می شود.

خازن و مقاومت چه تفاوت هایی با هم دارند؟

ظرفیت خازنی طبق تعریف، ماده ای است که قادر به نگه داشتن بار الکتریکی است، در حالی که مقاومت طبق تعریف، اندازه گیری سختی عبور جریان الکتریکی از یک ماده است.

برای مثال، بادکنکی که روی پارچه مالیده می‌شود، می‌تواند بار خازنی ایجاد شده توسط الکتریسیته ساکن را در خود نگه دارد. جالب اینجاست که لاستیکی که یک بادکنک از آن ساخته می شود به طور کلی به عنوان یک عایق خوب شناخته می شود، یعنی در برابر شارش جریان الکتریکی مقاوم است.

همچنین بخوانید: تفاوت میکروکنترلر با PLC در چیست؟

سوپر خازن

این خازن‌ها دستگاه‌های ذخیره سازی انرژی الکتروشیمیایی هستند که از سطح بالای دی‌الکتریک کربن استفاده می‌کنند تا چگالی انرژی بسیار بالاتری نسبت به خازن‌های معمولی داشته باشند و از آنجا که ظرفیت آن متناسب با سطح کربن است، هرچه کربن ضخیم‌تر باشد از ظرفیت بیشتری برخوردار است.

ولتاژ کم (از حدود 3.5 ولت تا 5.5 ولت) فوق العاده خازن‌ها به دلیل مقادیر بالای خازن، خود قادر به ذخیره مقادیر زیادی از بار هستند زیرا انرژی ذخیره شده در یک خازن برابر با 2/1 (C x V) است.

سوپر خازن‌های دارای ولتاژ کم معمولاً در دستگاه‌های قابل حمل برای جایگزینی باتری‌های بزرگ، گران و سنگین نوع لیتیوم استفاده می‌شوند زیرا این ویژگی‌ها باعث ذخیره‌سازی و تخلیه مانند باتری می‌شوند و آنها را برای استفاده به عنوان منبع تغذیه جایگزین یا برای تهیه نسخه پشتیبان از حافظه ایده‌آل می‌کنند. خازن‌های فوق‌العاده مورد استفاده در دستگاه‌های نگهدارنده معمولاً با استفاده از سلول‌های خورشیدی شارژ می‌شوند

این نوع خازن برای استفاده در اتومبیل‌های برقی هیبریدی و کاربردهای انرژی جایگزین برای جایگزینی باتری‌های بزرگ معمولی و همچنین کاربردهای هموار سازی DC در سیستم‌های صوتی و تصویری خودرو ایجاد شده است. خازن‌های فوق‌العاده را می‌توان به سرعت شارژ کرد و از چگالی ذخیره انرژی بسیار بالایی برخوردار هستند که آنها را برای استفاده در وسایل نقلیه الکتریکی ایده‌آل می‌کند.

بیشتر بخوانید: امنیت شبکه های اتوماسیون صنعتی

جمع بندی: خازن ها (C)، همراه با مقاومت ها (R) و سیم پیچ ها (L)، سه جزء پسیو ضروری در مدارهای الکترونیکی هستند. در مدارهای الکترونیکی، توجه به نیمه هادی ها معطوف است، اما بدون اجزای غیرفعال، نیمه هادی ها کار نمی کنند. به طور خاص، خازن ها شرکای ضروری برای نیمه هادی هایی هستند که با جریان مستقیم کار می کنند.

وظیفه خازن ذخیره بار الکتریکی روی صفحات خود است. مقدار بار الکتریکی که یک خازن می تواند روی صفحات خود ذخیره کند، به عنوان مقدار ظرفیت آن شناخته می شود و به سه عامل اصلی بستگی دارد.

• مساحت سطح – مساحت سطح، A از دو صفحه رسانا که خازن را تشکیل می دهند، هر چه مساحت بزرگتر باشد، ظرفیت خازن بیشتر است.
• فاصله – فاصله، d بین دو صفحه، هر چه فاصله کمتر باشد ظرفیت خازنی بیشتر است.
• مواد دی الکتریک – نوع ماده ای که دو صفحه را از هم جدا می کند که “دی الکتریک” نامیده می شود، هرچه گذردهی دی الکتریک بالاتر باشد، ظرفیت خازنی بیشتر است.

همچنین خازن از صفحات فلزی تشکیل شده است که با یکدیگر تماس ندارند اما توسط ماده ای به نام دی الکتریک از هم جدا می شوند. دی الکتریک یک خازن می تواند هوا یا حتی خلاء باشد، اما به طور کلی یک ماده عایق غیر رسانا است، مانند کاغذ مومی، شیشه، انواع مختلف پلاستیک و غیره. دی الکتریک مزایای زیر را دارد:

• ثابت دی الکتریک خاصیت ماده دی الکتریک است و از یک ماده به ماده دیگر تغییر می کند و ظرفیت خازن را با ضریب k افزایش می دهد.
• دی الکتریک پشتیبانی مکانیکی بین دو صفحه را فراهم می کند و اجازه می دهد صفحات بدون تماس به یکدیگر نزدیک شوند.
• گذردهی دی الکتریک باعث افزایش ظرفیت خازنی می شود.
• دی الکتریک حداکثر ولتاژ کاری را در مقایسه با هوا افزایش می دهد.

خازن‌ها را می‌توان در بسیاری از کاربردها و مدارهای مختلف مانند مسدود کردن جریان DC در حین عبور سیگنال‌های صوتی، پالس‌ها یا جریان متناوب یا سایر اشکال موج‌های متغیر استفاده کرد. این توانایی برای مسدود کردن جریان‌های DC، خازن‌ها را قادر می‌سازد تا ولتاژهای خروجی منابع تغذیه را صاف کنند، تا اسپک‌های ناخواسته را از سیگنال‌ها حذف کنند که در غیر این صورت باعث آسیب یا تحریک نادرست نیمه‌رساناها یا قطعات دیجیتال می‌شوند.

خازن‌ها همچنین می‌توانند برای تنظیم پاسخ فرکانس مدار صوتی یا جفت کردن مراحل جداگانه تقویت‌کننده که باید از انتقال جریان DC محافظت شوند، استفاده شوند.

بیشتر بخوانید: مونتاژ تابلو برق

هنگامی که در منابع DC استفاده می شود، یک خازن دارای امپدانس بی نهایت (مدار باز) است، در فرکانس های بسیار بالا یک خازن دارای امپدانس صفر (اتصال کوتاه) است. همه خازن‌ها دارای حداکثر ولتاژ کاری DC (WVDC) هستند، بنابراین توصیه می‌شود خازن‌هایی را با درجه ولتاژ حداقل ۵۰ درصد بیشتر از ولتاژ تغذیه انتخاب کنید.

سوالات متداول

1. خازن چیست و چرا از آن استفاده می شود؟

خازن قطعه یا وسیله ای الکتریکی است که ذخیره یا کش بار الکتریکی را نگه می دارد. خازن ها همچنین به تنظیم رادیوها برای تصحیح فرکانس ها، کمک به حفظ ولتاژ ثابت و کاهش یا فیلتر نویز یا استاتیک سیستم های الکتریکی کمک می کنند.

2. وظیفه خازن چیست؟

خازن ها کاربردهای مختلفی دارند. یکی از کاربردهای مهم خازن ها جلوگیری از آسیب به اجزای الکتریکی در هنگام نوسانات الکتریکی است. خازن ها همچنین می توانند انرژی الکتریکی را ذخیره کنند تا در هنگام از دست دادن قدرت، حافظه در داخل یک سیستم کامپیوتری از بین نرود.

3. ظرفیت خازنی چگونه تعریف می شود؟

ظرفیت ذخیره سازی یا حافظه پنهان بار الکتریکی در یک مدار یا جزء الکتریکی است که می تواند برای استفاده در آینده یا جریان انرژی بازیابی شود. ظرفیت شامل توانایی یک جزء برای جمع آوری انرژی به شکل بار الکتریکی است.