خلاصه مقدمه ای بر خازن ها
در این آموزش دیدیم که 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 خازنی آن شناخته می شود و به سه عامل اصلی بستگی دارد.
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.
ما همچنین دیدیم که یک 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، میکا انواع مختلف پلاستیک و غیره. دی الکتریک مزایای زیر را دارد:
ثابت دی الکتریک خاصیت ماده دی الکتریک است و از ماده ای 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 هم نزدیکتر 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 در 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 اتصال مراحل تقویت‌کننده جداگانه که باید از انتقال جریان DC محافظت شوند، استفاده شوند.
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 است (اتصال کوتاه). همه خازن‌ها دارای حداکثر رتبه ولتاژ DC کار (WVDC) هستند، بنابراین توصیه می‌شود خازن‌هایی با درجه ولتاژ حداقل ۵۰ درصد بیشتر از ولتاژ منبع تغذیه انتخاب کنید.
انواع مختلفی از سبک ها و انواع خازن ها وجود دارد که هر کدام مزایا، معایب و ویژگی های خاص خود را دارند. گنجاندن همه انواع، این بخش آموزشی را بسیار بزرگ می‌کند، بنابراین در آموزش بعدی درباره مقدمه خازن‌ها، آنها را به رایج‌ترین انواعی که استفاده می‌شود محدود می‌کنم.
گذردهی خازن
به عبارت دیگر، اگر گذردهی فضای آزاد εo را به عنوان سطح پایه خود در نظر بگیریم و آن را برابر با یک قرار دهیم، هنگامی که خلاء فضای آزاد با نوع دیگری از مواد عایق جایگزین می شود، گذردهی آنها به دی الکتریک آن اشاره می شود. دی الکتریک پایه فضای آزاد که ضریب ضربی را به نام «گذردهی نسبی» می دهد. بنابراین مقدار گذردهی مختلط ε همیشه برابر با گذردهی نسبی ضربدر یک خواهد بود.
واحدهای معمولی گذردهی دی الکتریک، ε یا ثابت دی الکتریک برای مواد معمول عبارتند از: خلاء خالص = 1.0000، هوا = 1.0006، کاغذ = 2.5 تا 3.5، شیشه = 3 تا 10، میکا = 5 تا 7، چوب = 3 تا 8 و فلز Ox. پودرها = 6 تا 20 و غیره. سپس معادله نهایی ظرفیت خازن را به صورت زیر به ما می دهد:
ظرفیت یک خازن
یکی از روش‌هایی که برای افزایش ظرفیت کلی یک خازن و در عین حال کوچک نگه داشتن اندازه آن استفاده می‌شود این است که صفحات بیشتری را در یک بدنه خازن به هم بچسبانند. به جای تنها یک مجموعه از صفحات موازی، یک خازن می تواند صفحات مجزای زیادی را به هم متصل کند و در نتیجه مساحت سطح، A صفحات را افزایش دهد.
برای یک خازن صفحه موازی استاندارد همانطور که در بالا نشان داده شده است، خازن دارای دو صفحه با برچسب A و B است. بنابراین از آنجایی که تعداد صفحات خازن دو است، می توان گفت n = 2، که در آن "n" نشان دهنده تعداد صفحات است.
سپس معادله ما در بالا برای یک خازن صفحه موازی منفرد باید واقعاً باشد:
ظرفیت واقعی یک خازن
با این حال، خازن ممکن است دو صفحه موازی داشته باشد اما فقط یک طرف هر صفحه با دی الکتریک در وسط تماس دارد زیرا طرف دیگر هر صفحه بیرون خازن را تشکیل می دهد. اگر دو نیمه صفحات را برداریم و آنها را به هم وصل کنیم، عملا فقط "یک" صفحه کامل در تماس با دی الکتریک خواهیم داشت.
در مورد یک خازن صفحه موازی تک، n – 1 = 2 – 1 که برابر است با 1 به عنوان C = (εo*εr x 1 x A)/d دقیقاً با گفتن این جمله: C = (εo*εr*A)/d است. که معادله استاندارد بالا است.
حال فرض کنید یک خازن داریم که از 9 صفحه بهم پیوسته تشکیل شده است، سپس مطابق شکل n = 9.
خازن چند صفحه ای
ساخت خازن
اکنون پنج صفحه داریم که به یک سرب (A) و چهار صفحه به سرب دیگر (B) متصل شده اند. سپس هر دو طرف چهار صفحه متصل به سرب B با دی الکتریک در تماس هستند، در حالی که تنها یک طرف از هر یک از صفحات خارجی متصل به A با دی الکتریک در تماس است. سپس مانند بالا، مساحت سطح مفید هر مجموعه از صفحات فقط هشت است و بنابراین ظرفیت آن به صورت زیر است:
خازن هشت صفحه ای
خازن های مدرن را می توان با توجه به ویژگی ها و خواص دی الکتریک عایق آنها طبقه بندی کرد:
تلفات کم، پایداری بالا مانند میکا، سرامیک کم پتاسیم، پلی استایرن.
تلفات متوسط، پایداری متوسط مانند کاغذ، فیلم پلاستیکی، سرامیک با کیفیت بالا.
خازن های پلاریزه مانند الکترولیتیک، تانتالیوم.
رتبه بندی ولتاژ یک خازن
همه خازن ها دارای حداکثر درجه ولتاژ هستند و هنگام انتخاب خازن باید به مقدار ولتاژ اعمال شده در خازن توجه شود. حداکثر مقدار ولتاژی که می توان بدون آسیب به مواد دی الکتریک خازن اعمال کرد، عموماً در برگه های داده به صورت: WV، (ولتاژ کاری) یا WV DC، (ولتاژ کاری DC) آورده شده است.
اگر ولتاژ اعمال شده در خازن خیلی زیاد شود، دی الکتریک شکسته می شود (که به عنوان شکست الکتریکی شناخته می شود) و قوس بین صفحات خازن ایجاد می شود که منجر به اتصال کوتاه می شود. ولتاژ کاری خازن به نوع ماده دی الکتریک مورد استفاده و ضخامت آن بستگی دارد.
ولتاژ کاری DC یک خازن دقیقاً همین است، حداکثر ولتاژ DC و نه حداکثر ولتاژ AC به عنوان خازن با درجه ولتاژ DC 100 ولت DC نمی تواند به طور ایمن تحت ولتاژ متناوب 100 ولت قرار گیرد. از آنجایی که یک ولتاژ متناوب که دارای مقدار RMS 100 ولت است، مقدار پیک آن بیش از 141 ولت خواهد بود! (√2*100).
سپس خازنی که برای کار در ولتاژ 100 ولت AC مورد نیاز است باید حداقل ولتاژ کاری 200 ولت داشته باشد. در عمل، یک خازن باید به گونه ای انتخاب شود که ولتاژ کاری DC یا AC آن حداقل 50 درصد بیشتر از بالاترین ولتاژ موثر اعمال شده به آن باشد.
عامل دیگری که بر عملکرد یک خازن تأثیر می گذارد، نشت دی الکتریک است. نشت دی الکتریک در خازن در نتیجه یک جریان نشتی ناخواسته که از مواد دی الکتریک عبور می کند رخ می دهد.
به طور کلی، فرض بر این است که مقاومت دی الکتریک بسیار بالا است و عایق خوبی است که جریان DC را از طریق خازن (مانند یک خازن کامل) از یک صفحه به صفحه دیگر مسدود می کند.
با این حال، اگر ماده دی الکتریک به دلیل ولتاژ بیش از حد یا دمای بیش از حد آسیب ببیند، جریان نشتی از طریق دی الکتریک بسیار زیاد می شود که منجر به از دست دادن سریع شارژ روی صفحات و گرم شدن بیش از حد خازن و در نهایت خرابی زودرس خازن می شود.
خلاصه مقدمه ای بر خازن ها
در این آموزش دیدیم که 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 خازنی آن شناخته می شود و به سه عامل اصلی بستگی دارد.
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.
ما همچنین دیدیم که یک 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، میکا انواع مختلف پلاستیک و غیره. دی الکتریک مزایای زیر را دارد:
ثابت دی الکتریک خاصیت ماده دی الکتریک است و از ماده ای 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 هم نزدیکتر 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 در 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 اتصال مراحل تقویت‌کننده جداگانه که باید از انتقال جریان DC محافظت شوند، استفاده شوند.
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 است (اتصال کوتاه). همه خازن‌ها دارای حداکثر رتبه ولتاژ DC کار (WVDC) هستند، بنابراین توصیه می‌شود خازن‌هایی با درجه ولتاژ حداقل ۵۰ درصد بیشتر از ولتاژ منبع تغذیه انتخاب کنید.
انواع مختلفی از سبک ها و انواع خازن ها وجود دارد که هر کدام مزایا، معایب و ویژگی های خاص خود را دارند. گنجاندن همه انواع، این بخش آموزشی را بسیار بزرگ می‌کند، بنابراین در آموزش بعدی درباره مقدمه خازن‌ها، آنها را به رایج‌ترین انواعی که استفاده می‌شود محدود می‌کنم.
گذردهی خازن
به عبارت دیگر، اگر گذردهی فضای آزاد εo را به عنوان سطح پایه خود در نظر بگیریم و آن را برابر با یک قرار دهیم، هنگامی که خلاء فضای آزاد با نوع دیگری از مواد عایق جایگزین می شود، گذردهی آنها به دی الکتریک آن اشاره می شود. دی الکتریک پایه فضای آزاد که ضریب ضربی را به نام «گذردهی نسبی» می دهد. بنابراین مقدار گذردهی مختلط ε همیشه برابر با گذردهی نسبی ضربدر یک خواهد بود.
واحدهای معمولی گذردهی دی الکتریک، ε یا ثابت دی الکتریک برای مواد معمول عبارتند از: خلاء خالص = 1.0000، هوا = 1.0006، کاغذ = 2.5 تا 3.5، شیشه = 3 تا 10، میکا = 5 تا 7، چوب = 3 تا 8 و فلز Ox. پودرها = 6 تا 20 و غیره. سپس معادله نهایی ظرفیت خازن را به صورت زیر به ما می دهد:
ظرفیت یک خازن
یکی از روش‌هایی که برای افزایش ظرفیت کلی یک خازن و در عین حال کوچک نگه داشتن اندازه آن استفاده می‌شود این است که صفحات بیشتری را در یک بدنه خازن به هم بچسبانند. به جای تنها یک مجموعه از صفحات موازی، یک خازن می تواند صفحات مجزای زیادی را به هم متصل کند و در نتیجه مساحت سطح، A صفحات را افزایش دهد.
برای یک خازن صفحه موازی استاندارد همانطور که در بالا نشان داده شده است، خازن دارای دو صفحه با برچسب A و B است. بنابراین از آنجایی که تعداد صفحات خازن دو است، می توان گفت n = 2، که در آن "n" نشان دهنده تعداد صفحات است.
سپس معادله ما در بالا برای یک خازن صفحه موازی منفرد باید واقعاً باشد:
ظرفیت واقعی یک خازن
با این حال، خازن ممکن است دو صفحه موازی داشته باشد اما فقط یک طرف هر صفحه با دی الکتریک در وسط تماس دارد زیرا طرف دیگر هر صفحه بیرون خازن را تشکیل می دهد. اگر دو نیمه صفحات را برداریم و آنها را به هم وصل کنیم، عملا فقط "یک" صفحه کامل در تماس با دی الکتریک خواهیم داشت.
در مورد یک خازن صفحه موازی تک، n – 1 = 2 – 1 که برابر است با 1 به عنوان C = (εo*εr x 1 x A)/d دقیقاً با گفتن این جمله: C = (εo*εr*A)/d است. که معادله استاندارد بالا است.
حال فرض کنید یک خازن داریم که از 9 صفحه بهم پیوسته تشکیل شده است، سپس مطابق شکل n = 9.
خازن چند صفحه ای
ساخت خازن
اکنون پنج صفحه داریم که به یک سرب (A) و چهار صفحه به سرب دیگر (B) متصل شده اند. سپس هر دو طرف چهار صفحه متصل به سرب B با دی الکتریک در تماس هستند، در حالی که تنها یک طرف از هر یک از صفحات خارجی متصل به A با دی الکتریک در تماس است. سپس مانند بالا، مساحت سطح مفید هر مجموعه از صفحات فقط هشت است و بنابراین ظرفیت آن به صورت زیر است:
خازن هشت صفحه ای
خازن های مدرن را می توان با توجه به ویژگی ها و خواص دی الکتریک عایق آنها طبقه بندی کرد:
تلفات کم، پایداری بالا مانند میکا، سرامیک کم پتاسیم، پلی استایرن.
تلفات متوسط، پایداری متوسط مانند کاغذ، فیلم پلاستیکی، سرامیک با کیفیت بالا.
خازن های پلاریزه مانند الکترولیتیک، تانتالیوم.
رتبه بندی ولتاژ یک خازن
همه خازن ها دارای حداکثر درجه ولتاژ هستند و هنگام انتخاب خازن باید به مقدار ولتاژ اعمال شده در خازن توجه شود. حداکثر مقدار ولتاژی که می توان بدون آسیب به مواد دی الکتریک خازن اعمال کرد، عموماً در برگه های داده به صورت: WV، (ولتاژ کاری) یا WV DC، (ولتاژ کاری DC) آورده شده است.
اگر ولتاژ اعمال شده در خازن خیلی زیاد شود، دی الکتریک شکسته می شود (که به عنوان شکست الکتریکی شناخته می شود) و قوس بین صفحات خازن ایجاد می شود که منجر به اتصال کوتاه می شود. ولتاژ کاری خازن به نوع ماده دی الکتریک مورد استفاده و ضخامت آن بستگی دارد.
ولتاژ کاری DC یک خازن دقیقاً همین است، حداکثر ولتاژ DC و نه حداکثر ولتاژ AC به عنوان خازن با درجه ولتاژ DC 100 ولت DC نمی تواند به طور ایمن تحت ولتاژ متناوب 100 ولت قرار گیرد. از آنجایی که یک ولتاژ متناوب که دارای مقدار RMS 100 ولت است، مقدار پیک آن بیش از 141 ولت خواهد بود! (√2*100).
سپس خازنی که برای کار در ولتاژ 100 ولت AC مورد نیاز است باید حداقل ولتاژ کاری 200 ولت داشته باشد. در عمل، یک خازن باید به گونه ای انتخاب شود که ولتاژ کاری DC یا AC آن حداقل 50 درصد بیشتر از بالاترین ولتاژ موثر اعمال شده به آن باشد.
عامل دیگری که بر عملکرد یک خازن تأثیر می گذارد، نشت دی الکتریک است. نشت دی الکتریک در خازن در نتیجه یک جریان نشتی ناخواسته که از مواد دی الکتریک عبور می کند رخ می دهد.
به طور کلی، فرض بر این است که مقاومت دی الکتریک بسیار بالا است و عایق خوبی است که جریان DC را از طریق خازن (مانند یک خازن کامل) از یک صفحه به صفحه دیگر مسدود می کند.
با این حال، اگر ماده دی الکتریک به دلیل ولتاژ بیش از حد یا دمای بیش از حد آسیب ببیند، جریان نشتی از طریق دی الکتریک بسیار زیاد می شود که منجر به از دست دادن سریع شارژ روی صفحات و گرم شدن بیش از حد خازن و در نهایت خرابی زودرس خازن می شود.
آموزش پی ال سی