خازن ها

چه کسی خازن را اختراع کرد؟

در حالی که بسیاری شیمیدان انگلیسی مایکل فارادی را پیشگام خازن امروزی می دانند، اما او اولین کسی نبود که خازن را اختراع کرد. کاری که فارادی انجام داد بسیار مهم بود – او اولین نمونه های عملی خازن و نحوه استفاده از آن برای ذخیره بار الکتریکی را در آزمایشات خود نشان داد. و به لطف فارادی همچنین ما راهی برای اندازه گیری باری که یک خازن می تواند نگه دارد، داریم که به عنوان ظرفیت خازن شناخته می شود و بر حسب فاراد اندازه گیری می شود! ماه ها بعد توسط یک پروفسور هلندی به نام پیتر ون موشنبروک طرحی مشابه ارائه کرد که اکنون به نام لیدن جار شناخته می شود. اگرچه همه اینها تصادفی بود و هر دو دانشمند برای اختراعات اولیه خازن اعتبار یکسانی دریافت کردند. بنجامین فرانکلین معروف بعداً به بهبود طرح لیدن جار که توسط Musschenbroek ساخته شد، پرداخت. فرانکلین همچنین توانست کشف کند که استفاده از یک تکه شیشه صاف یک جایگزین عالی برای نیاز به یک شیشه کامل است. و بدین ترتیب اولین خازن مسطح به نام میدان فرانکلین متولد شد.

خازن چیست؟

خازن یک قطعه الکترونیکی است که انرژی را به صورت الکتریکی در هنگام شارژ ذخیره می کند و همچنین به عنوان یک جزء غیرفعال دو ترمینالی یا یک شناخته می شود که ظرفیت آن بر حسب فاراد (F) اندازه گیری می شود. این شامل دو صفحه موازی فلزی است که توسط یک شکاف پر شده با یک محیط دی الکتریک از هم جدا شده اند. خازن ها به 3 نوع ثابت ، خازن قطبی و خازن متغیر طبقه بندی می شوند. در جایی که یک خازن ثابت مقدار ظرفیت خازنی ثابتی دارد، یک خازن پلاریزه دارای دو قطبیت (“+ve” و “-ve”) است و در خازن متغیر، مقدار ظرفیت خازن را می توان بسته به کاربرد تغییر داد. این مقاله نمای کلی از قطبیت خازن و انواع آن را ارائه می دهد.

چگونگی عملکرد خازن

بیایید با یک مثال عملی به نحوه عملکرد این خازن های قدرتمند با جزئیات بپردازیم. قبلا از دوربین دیجیتال استفاده کرده اید، درست است؟ سپس می دانید که بین زمانی که دکمه را برای گرفتن عکس فشار می دهید تا زمانی که فلاش خاموش می شود، چند لحظه کوتاه وجود دارد.

اینجا چه اتفاقی دارد میافتد؟ یک خازن به فلاش متصل است که پس از فشار دادن دکمه برای گرفتن عکس شارژ می شود. هنگامی که آن خازن به طور کامل توسط باتری دوربین شارژ می شود، تمام آن انرژی در یک فلش نور کور کننده به بیرون منفجر می شود!

قطبیت خازن چیست؟

خازن قطبی (خازنی که با قطبیت مشخص شده است) و دیگری خازنی غیر قطبی (خازنی که قطبیت آن مشخص نشده است)که به صورت یک آند (+) و یک کاتد (-) همانطور که در شماتیک زیر نشان داده شده است. اگر خازنی دارای قطبیت ثابت باشد ، بر اساس جهت قطبیت مدار متصل می شود.

مدار معادل خازن

یک خازن ایده آل از دو صفحه فلزی تشکیل شده است که با فاصله “d” از هم جدا شده اند. شکاف بین صفحات خازن با یک دی الکتریک پر شده است که به عنوان یک عایق عمل می کند. این ساختار خازن را به یک خازن کامل تبدیل می کند. اما در دنیای واقعی، به دلیل جریان نشتی، هر زمان که جریان از خازن عبور می کند، نمی توان یک خازن کامل داشت. از این رو مداری معادل از یک خازن ایجاد می کنیم که یک مقاومت سری “Rseries” و یک مقاومت نشتی “Rleakage” را به هم متصل می کند.

شناسایی قطبیت خازن

قطب خازن ها را می توان به روش های مختلف به شرح زیر مشخص کرد.

بر اساس ارتفاع سیم خازن می توانیم تشخیص دهیم که کدام قطب منفی و کدام قطب مثبت است. خازنی که ترمینال آن بلندتر است یک پایانه قطبی مثبت یا یک آند است و خازنی که ترمینال آن کوتاهتر است یک قطبیت منفی یا کاتد است.

اگر خازن قطبی نشده باشد ، می توانیم آن را در هر جهت متصل کنیم. با مشاهده علامت NP و BP روی خازن می توان به راحتی تشخیص داد که قطبی نشده است. در خازن های بزرگ یک علامت DOT را در نزدیکی ترمینال مشاهده کرد که یک ترمینال قطبی مثبت است که به آن آند نیز می گویند و یک ترمینال دیگر به عنوان پایانه قطبی منفی معروف به کاتد شناخته می شود. نشانه های فلش روی خازن یکی دیگر از شناسایی قطبیت است.

روش دیگر تعیین قطبیت یک فلش سیاه رنگ را مشاهده کنیم که به سمت ترمینال یک پایانه قطبی منفی است.

انواع خازن های غیر قطبی

خازن هایی که پلاریته آنها مشخص نشده است خازن های غیر قطبی هستند. می توان آن را به هر طریقی روی برد مدار چاپی (PCB) متصل کرد. انواع مختلفی از خازن های غیر قطبی مانند وجود دارد:

خازن سرامیکی

خازن نقره ای میکا

خازن پلی استر

خازن پلی استایرن

خازن شیشه ای

خازن فیلم و غیره

در این میان، رایج ترین خازن های مورد استفاده خازن سرامیکی و خازن فیلم هستند.

خازن سرامیکی

خازن سرامیکی از ماده ای به نام سرامیک تشکیل شده است. همچنین به عنوان ماده دی الکتریک شناخته می شود (یک ماده دی الکتریک اجازه نمی دهد جریان آزادانه از آن عبور کند). به طور کلی، خازن سرامیکی با بسیاری از لایه های متناوب سرامیکی با یک لایه فلزی بین آنها ساخته می شود (جایی که فلزات استفاده شده در خازن مانند الکترود عمل می کنند). دو الکترود موجود دارای قطب مثبت و منفی هستند. خازن های سرامیکی بیشتر به دو دسته طبقه بندی می شوند، که در آن خازن های سرامیکی کلاس 1 دارای پایداری بالا و تلفات کم و خازن های سرامیکی کلاس 2 دارای راندمان بافر بالایی برای ، بای پس و کوپلینگ هستند. این خازن ها در اشکال و اندازه های مختلف موجود هستند. آنها در دسته خازن های غیر قطبی قرار می گیرند که می توانند به هر طریقی روی PCB متصل شوند.

خازن فیلم

به خازن فیلم، خازن پلاستیکی یا خازن فیلم پلاستیکی، خازن فیلم پلیمری نیز گفته می شود. آنها با استفاده از دو فیلم پلاستیکی ساخته می شوند که در امتداد آنها الکترودهای فلزی در داخل یک سیم پیچ استوانه ای قرار می گیرند و کپسوله می شوند. آنها به دو نوع خازن فویل فلزی و خازن فیلم فلزی طبقه بندی می شوند. مزیت خازن فیلم ساخت آن و مواد فیلم مورد استفاده است. آنها از دسته خازن های غیر قطبی هستند که می توانند به هر طریقی روی PCB متصل شوند.

خازن الکترولیتی

خازن الکترولیتی یک خازن پلاریزه است که از یک کاتد و یک آند تشکیل شده است. آند فلزی است که در آنودیزاسیون یک ماده دی الکتریک را تشکیل می دهد و کاتد یک الکترولیت جامد، مایع یا یک الکترولیت از نوع ژل است که اطراف آند را احاطه کرده است. این ساختار باعث می شود که خازن الکترولیتی دارای مقدار خازن-ولتاژ بسیار بالایی بر روی آند باشد. آنها در مناطقی که سیگنال ورودی داده شده فرکانس کمتری دارد و انرژی بیشتری ذخیره می کند استفاده می شود. معمولاً به دو صورت ساخته می شود.

• 

• 

خازن الکترولیتی آلومینیومی

خازن الکترولیتی تانتالیوم

خازن های الکترولیتی با طراحی نامتقارنشان قطبی می شوند. آنها با ولتاژ بالاتر از ولتاژ خازن های دیگر کار می کنند. قطبیت به صورت “+” به معنای آند و “-” به معنای کاتد متمایز می شود.

مزایای خازن الکترولیت

مصرف برق را در مدار کاهش می دهد.

مساحت کمتری را اشغال می کند.

مدار را از آسیب محافظت می کند.

معایب خازن الکترولیت

طول عمر کمتر

اگر ولتاژ اعمال شده بیشتر از ظرفیت خازن باشد، ممکن است خازن خراب شود.

در جهت قطبیت باید متصل شود.

نسبت به محیط خارجی بسیار حساس است.

موارد استفاده مرسوم و کاربردی

فیلترهای الکترونیکی

یکسو کننده های نیمه موج و یکسو کننده موج کامل

مولتی متر

شارژرها

حافظه دیجیتال و غیره

ابرخازنها

سوپر خازن ها ابرقهرمانان خانواده خازن ها هستند و می توانند مقدار زیادی انرژی ذخیره کنند! متأسفانه، سوپر خازن ها به خوبی ولتاژهای اضافی را کنترل نمی کنند و اگر از حداکثر ولتاژ موجود در دیتاشیت تجاوز کنید، موهای خود را ریخته شده بدانید. ترکیدن!

برخلاف خازن‌های الکترولیتی، سوپرخازن هایی را خواهید یافت که برای ذخیره و تخلیه انرژی استفاده می‌شوند، مانند باتری. اما برخلاف باتری، سوپرخازن ها به یکباره شارژ خود را آزاد می‌کنند و شما هرگز طول عمر باتری‌های معمولی را نخواهید داشت.

خازن های جامد

خازن‌های جامد و خازن‌های الکترولیتی هم برق را ذخیره می‌کنند و هم در صورت نیاز آن را تخلیه می‌کنند. با این حال، در بسیاری از موارد با یکدیگر تفاوت دارند که در زیر به آن ها اشاره میکنیم

1.خازن‌های جامد حاوی یک پلیمر آلی جامد هستند، در حالی که خازن‌های الکترولیتی از یک الکترولیت مایع معمولی استفاده می‌کنند.

2. شش برابر طول عمر بیشتر

از نظر طول عمر، خازن های جامد بیشتر از خازن های الکترولیتی دوام می آورند، به خصوص در دمای کاری پایین تر، با کاهش دما، طول عمر خازن های جامد افزایش می یابد. در دمای 65 درجه سانتیگراد، میانگین طول عمر یک خازن جامد بیش از شش برابر خازن های الکترولیتی است. خازن جامد تقریباً 23 سال دوام می آورد، در حالی که خازن الکترولیتی تنها پس از سه سال از بین می رود.

3. تحمل بالاتر برای فرکانس ها و دماهای بالا
خازن های جامد نه تنها برای دماهای بالاتر تحمل بیشتری دارند، بلکه با فرکانس های بالاتر و جریان بالاتر نسبت به خازن های الکترولیتی عملکرد بهتری دارند.

ابتدا بیایید سعی کنیم تحمل بالاتر برای فرکانس های بالا را درک کنیم. برای انجام این کار، ابتدا باید کمی درباره امپدانس بدانیم. امپدانس اندازه گیری مخالفت کلی مدار با جریان است و بر حسب اهم (Ω) اندازه گیری می شود. یک راه بهتر برای بیان این ممکن است این باشد که بگوییم امپدانس این است که مدار (در این مورد خازن) چقدر مانع جریان می شود. امپدانس کمتر همچنین به معنای تولید گرمای کمتر است.

4.خازن های جامد همچنین ظرفیت پایدارتری را ارائه می دهند و کمتر تحت تأثیر تغییرات دما قرار می گیرند.

به همبن منظور است که کمپانی های سازنده مادر برد مانند گیگا بایت از خازن جامد در مادر برد های خود استفاده می کنند.