خازن چیست و چگونه کار می کند؟

خازن ها یکی از مهم ترین قطعات الکترونیکی هستند. در این مقاله با اصول اولیه و پایه ای نحوه کار خازن ها آشنا می شویم. همچنین به بررسی میزان ظرفیت و ولتاژ هر خازن می پردازیم و با انواع نماد های خازن که در مدار های الکتریکی استفاده می شوند، آشنا خواهیم شد. یاد می گیریم خازن ها در کجا استفاده می شوند و چرا مهم هستند.

خازن چیست؟

خازن شبیه به باتری کار می کند و بار الکتریکی را در خود ذخیره می کند. اما شیوه ذخیره سازی آن با باتری ها قدری متفاوت است. خازن مانند باتری نمی تواند انرژی زیادی را درون خود نگه دارد اما می تواند این انرژی را در خودش بسیار سریع شارژ و آزاد سازی کند. در برد های مداری این موضوع مهم است و به همین دلیل در بسیاری از برد های مداری خازن ها جای ثابت و تقریبا همیشگی دارند.

خازن چگونه کار می کند؟

برای درک این موضوع که خازن چگونه کار می کند، به یک لوله آب فکر کنید که آب در آن جریان دارد. آب در لوله حرکت می کند تا زمانی که ما شیر را ببندیم. آن وقت هیچ آبی نمی تواند در لوله جریان داشته باشد.

اگر آبی که از لوله جریان دارد را وارد یک مخزن ذخیره سازی کنیم، در این صورت هر بار شیر لوله را که باز می کنیم مقداری آب در مخزن ذخیره می شود. در همین حالت ما یک شیر تخلیه هم برای مخزن در نظر گرفته ایم و آن را اگر باز نگه داریم و تا زمانی که در مخزن آب وجود داشته باشد و به آن آب وارد شود، ما همچنان درون مخزن آب خواهیم داشت. در واقع یک منبع ذخیره آب خواهیم داشت.

نقش این منبع ذخیره سازی آب را در مدار های الکتریکی، خازن ایفا می کند. خازن می تواند برای رفع وقفه ها، انرژی آزاد کند. اگر یک مدار ساده را خیلی سریع و بدون خازن خاموش کنیم، چراغ موجود در مدار چشمک می زند. اما اگر یک خازن را به مدار وصل کنیم، در طول وقفه‌ها، حداقل برای مدت کوتاهی، چراغ روشن می‌ماند، زیرا خازن اکنون مدار را تخلیه و تغذیه می‌کند.

در داخل یک خازن ما دو صفحه فلزی رسانا داریم که معمولاً از آلومینیوم ساخته می شوند. این دو صفحه توسط یک ماده عایق دی الکتریک مانند سرامیک از هم جدا می شوند. در دی الکتریک ها مواد در تماس با یک میدان الکتریکی قطبی می شوند. در ارتباط با دی الکتریک ها به زودی بیشتر خواهیم فهمید.

در یک مدار الکتریکی، یکی از پایانه های مثبت خازن به طرف مثبت مدار و پایانه دیگر خازن به طرف منفی متصل می شود. بر روی خازن ها توسط یک نوار یا نماد مثبت و منفی می توانید متوجه این پایانه ها شوید، همچنین در خازن ها پایه منفی کوتاه تر از پایه مثبت آن است.

وقتی که یک خازن به باتری وصل می شود، اختلاف ولتاژ، الکترون ها را از قطب منفی به سمت خازن حرکت می دهد و فشار وارد می کند. الکترون ها روی یک صفحه خازن ذخیره می شوند در حالی که صفحه دیگر به نوبه خود مقداری الکترون آزاد می کند. به دلیل وجود مواد عایق، الکترون ها نمی توانند از خازن عبور کنند. در نهایت ولتاژ خازن با باتری برابر می شود و دیگر الکترونی جریان نخواهد داشت.

در این حالت ما در یک طرف خازن الکترون جمع کرده ایم، یعنی در خازن انرژی ذخیره شده است و می توانیم در صورت نیاز آن را آزاد کنیم. از آنجایی که در یک طرف الکترون های بیشتری نسبت به طرف دیگر وجود دارد و الکترون ها دارای بار منفی هستند، به این معنی است که یک طرف آن منفی و یک طرف مثبت است، بنابراین بین این دو اختلاف پتانسیل یا اختلاف ولتاژ وجود دارد. ما می توانیم این اختلاف ولتاژ به وجود آمده را با یک مولتی متر اندازه گیری کنیم.

ولتاژ چیست؟

ولتاژ مثل فشار است. اندازه گیری ولتاژ مانند اندازه گیری اختلاف پتانسیل بین دو نقطه است. وقتی بین دو نقطه اختلاف پتانسیل وجود داشته باشد، فشار ایجاد می شود. شما یک مخزن آب را مجدد در نظر بگیرید، می توانیم فشار این مخزن را به کمک یک فشار سنج محاسبه کنیم. در واقع اختلاف فشار داخل لوله در مقایسه با فشار بیرون لوله یا اتمسفر. وقتی مخزن خالی است فشار برابر صفر است. زیرا فشار داخل مخزن برابر فشار بیرون آن است. فشار سنج چیزی برای مقایسه ندارد به همین دلیل اختلاف فشار را برابر صفر در نظر می گیرد.

در مورد ولتاژ هم ما تفاوت بین دو نقطه را در نظر می گیریم. اگر اختلاف ولتاژ یکی باتری 1.5 ولتی را محاسبه کنیم، در واقع اختلاف ولتاژ بین دو پایانه مثبت و منفی آن را اندازه گیری کرده ایم. اما اگر یکی از پایانه های باتری را اندازه گیری کنیم، این مقدار برابر صفر خواهد شد، چون اختلافی وجود ندارد که اندازه گیری شود.

در خازن ها هم ما اختلاف ولتاژ بین دو سطح را به دلیل تجمع الکترون ها در یک سمت آن و نبود الکترون در سمت دیگر آن محاسبه می کنیم. حتی اگر باتری را از مدار خارج کنیم این اختلاف ولتاژ به دلیل وجود خازن در مدار همچنان برقرار است.

حتما می دانید که در آهنربا هم قطب های متضاد سعی در جذب یکدیگر دارند. در خازن ها همین اتفاق با تجمع الکترون‌هایی با بار منفی در یک سمت خازن اتفاق می‌افتد. الکترون ها به سمت ذرات با بار مثبت اتم‌های صفحه مقابل جذب می‌شوند، اما به دلیل وجود مواد عایق، هرگز نمی‌توانند جذب آن ها شوند. این کشش بین دو طرف مثبت و منفی خازن، یک میدان الکتریکی ایجاد می کند که الکترون ها را در جای خود نگه می دارد تا مسیر دیگری ایجاد شود. منظور از مسیر جدید را در مثال زیر توضیح داده ایم.

اگر یک لامپ کوچک را در مدار قرار دهیم، اکنون مسیری برای جریان الکترون ها و رسیدن به طرف مقابل ایجاد می شود. بنابراین الکترون ها از طریق لامپ جریان پیدا می کنند و انرژی آن را تامین می کنند و الکترون ها به سمت دیگر خازن می رسند.این جریان الکترون ها برای رسیدن به سمت مثبت برای مدت کوتاهی ادامه پیدا می کند، تا زمانی که اجتماع الکترون ها در هر طرف برابر شود. سپس ولتاژ صفر است، بنابراین هیچ نیروی فشاری وجود ندارد و هیچ الکترونی جریان ندارد.
هنگامی که باتری را دوباره وصل می کنیم، خازن شروع به شارژ شدن می کند. در این حالت این امکان وجود دارد که منبع تغذیه را قطع کنیم و خازن در طول این وقفه ها برق را تامین می کند.

نمونه نماد های خازن در مدار های الکتریکی

خازن ها در همه جا استفاده می شوند. نماد خازن در مدار کمی متفاوت به نظر می رسند اما به راحتی قابل تشخیص هستند. در مدار های الکتریکی خازن ها به شکل نمونه های زیر مشخص می شوند. خازن ها فقط در برد های کوچک کاربرد ندارند و می‌توانیم خازن‌های بزرگ‌تری را برای مثال در موتورهای القایی، پنکه‌های سقفی یا واحدهای تهویه مطبوع استفاده کنیم.

ظرفیت خازن

بر روی خازن ها دو مقدار مشخص و نوشته شده است. یکی برای ظرفیت و دیگری برای مشخص کردن ولتاژ هر خازن. واحد اندازه گیری ظرفیت خازن فاراد است که با F بزرگ نشان می دهیم، اگرچه معمولاً یک خازن را بر حسب میکروفاراد اندازه می گیریم، بنابراین یک نماد میکرو درست قبل از آن داریم که نماد میکرو چیزی شبیه حرف U با دم است.

ولتاژ خازن

مقدار دیگر نوشته شده برروی خازن ها ولتاژ است که ما آن را با V بزرگ و بر حسب ولت اندازه گیری می کنیم. مقدار ولتاژ نوشته شده بر روی خازن حداکثر ولتاژی است که خازن می تواند تحمل کند. اگر از این مقدار تجاوز کند، خازن منفجر خواهد شد.

اکثر خازن ها دارای ترمینال مثبت و منفی هستند. پس باید مطمئن شویم که خازن به درستی به مدار وصل شده است.

کاربرد خازن

یکی از رایج ترین کاربردهای خازن در ساختمان های بزرگ برای تصحیح ضریب توان است. هنگامی که بارهای القایی بیش از حد در مدار قرار می گیرند، شکل موج جریان و ولتاژ با یکدیگر هماهنگ نمی شوند و جریان از ولتاژ عقب می ماند. سپس از مخازن و بانک های خازن برای مقابله با آن استفاده می‌کنیم و تعادل بین آن ها را برقرار می کنیم.

یکی دیگر از کاربردهای رایج خازن، صاف کردن پیک ها هنگام تبدیل جریان AC به DC است.
هنگامی که از یکسو کننده پل کامل استفاده می کنیم، موج سینوسی AC برگردانده می شود تا چرخه منفی در جهت مثبت جریان یابد، این امر مدار را فریب می دهد تا فکر کند جریان مستقیم دریافت می کند.

اما یکی از مشکلات این روش وجود شکاف بین قله هاست. بنابراین ما از یک خازن برای آزاد کردن انرژی در مدار در طول این وقفه‌ها استفاده می‌کنیم که منبع تغذیه را صاف می‌کند تا بیشتر شبیه DC شود.

نحوه اندازه گیری ظرفیت خازن با مولتی متر

ما می توانیم ظرفیت خازن و ولتاژ ذخیره شده را با استفاده از یک مولتی متر اندازه گیری کنیم. اما همه مولتی مترها قادر به این اندازه گیری نیستند.

باید بسیار مراقب خازن‌ها باشید زیرا آنها انرژی را ذخیره می‌کنند و می‌توانند مقادیر ولتاژ بالا را برای مدت طولانی حتی در صورت قطع شدن از مدار در خود نگه دارند. برای بررسی ولتاژ خازن ها، در مولتی متر ولتاژ را به ولتاژ DC تغییر می دهیم و سپس سیم قرمز را به سمت مثبت خازن و سیم مشکی را به سمت منفی وصل می کنیم.

اگر چندین ولت متفاوت به دست آوردیم، باید خازن را با اتصال ایمن پایانه ها به یک مقاومت تخلیه شارژ کنیم و به خواندن ولتاژ ادامه دهیم. ما می‌خواهیم قبل از اینکه با آن برخورد کنیم، مطمئن شویم که به محدوده میلی‌ولت کاهش می‌یابد، در غیر این صورت ممکن است شوک دریافت کنیم.

برای اندازه گیری ظرفیت خازن، به سادگی مولتی متر را به عملکرد خازن تغییر می دهیم. سیم قرمز را به پایانه مثبت و سیم مشکی را به پایانه منفی وصل می کنیم. پس از گذشت مدت زمان کوتاهی مولتی متر ظرفیت خازن را نمایش می دهد. اما این عدد به طور تقریبی نشان داده می شود.

به عنوان مثال، ظرفیت این خازن 1000 میکروفاراد نوشته شده است، اما توسط مولتی متر 946 میکرو فاراد نمایش داده می شود.