در سلسله آموزش های قطعات و مدارهای الکترونیکی، قسمت چهارم به خازن و نقش آن در مدارات الکترونیکی می پردازیم. در قسمت پیشین این مجموعه آموزش با عملکرد مقاومت و نقش آن در مدار آشنا شدیم. در این قسمت قصد داریم تا با بررسی خازن، رفتار و عملکرد آن را مورد بررسی قرار دهیم. خازن ها در کنار مقاومت ها یکی از مهم ترین و پرکابردترین قطعات به شمار می روند. وجود این قطعه به قدری ضروریست است که عدم وجود آن می تواند سبب از کار افتادن یک سیستم بزرگ و پیچیده، حتی با قوی ترین پردازنده ها شود. پس از اینکه در قسمت پیش عملکرد مقاومت در کاهش جریان را مورد بررسی قرار دادیم، در این قسمت قصد داریم تا نحوه تثبیت ولتاژ توسط خازن را مورد بررسی قرار دهیم. بنابراین در ادامه شناخت خازن با مرجع تخصصی الکترونیک به زبان فارسی، دیجی اسپارک همراه باشید.
معرفی و شناخت خازن
خازن ها یکی از قطعات مهم در مدارات الکترونیکی به شمار می روند. این قطعات که از دو صفحه خالی ایجاد می شوند، دارای انواع مختلفی هستند. خازن ها به صورت عدسی، تانتالیوم، الکترولیت و…. در بازار یافت می شوند. خازن ها دارای دو پارامتر مشخصه اصلی هستند. یکی از این پارامترها ولتاژ خازن و دیگری ظرفیت آن است. ولتاژ خازن، میزان بیشینه ولتاژی است که خازن می تواند تحمل کند. در طرف دیگر ظرفیت خازن، میزان باری است که این قطعه می تواند به بار در خروجی تحویل دهد
همانطور که گفته شد ظرفیت خازن میزان توان آن در تحویل بار به حساب می آید. ظرفیت خازن را غالبا با میکروفاراد نمایش می دهند. به عنوان مثال در صورتیکه ظرفیت یک خازن برابر با ۱۵۰۰ میکروفاراد باشد، عبارت uf1500 را بر روی بدنه آن مشاهده خواهیم کرد. در رابطه با بحث ظرفیت و ولتاژ یک خازن، مطالب بسیاری وجود دارد. در قسمت های بعد سعی می کنیم به طور هرچند خلاصه، مفهوم ولتاژ و ظرفیت یک خازن را شرح دهیم. در قسمت بعدی انواع مختلف خازن را مشاهده خواهیم نمود.
انواع خازن
پس از بررسی اطلاعات اولیه خازن ها بد نیست تا نگاهی هم به انواع مختلف خازن ها داشته باشیم. خازن ها در انواع و شکل های مختلفی تولید می شوند. به عنوان مثال یکی از پرکاربرد نوع خازن ها، خازن های الکترولیتی هستند. این خازن ها غالبا در موازات تغذیه ها برای حذف نوسان ولتاژ استفاده می شوند. در زیر تصویر یکی از این خازن ها را مشاهده می کنید. توجه نمایید که در این خازن با عبارت – بر روی بدنه خازن، پایه منفی آن مشخص می شود.
در ادامه این موضوع، خازن های تانتالیوم هم برای کاهش و حذف نویز به کار می روند. از آنجاییکه این خازن ها از کیفیت ساخت بسیار بالایی برخوردار هستند، عملکرد بسیار بهتری نسبت به الکترولیتی از خود نمایش می دهند. در این خازن ها قسمت منفی با علامت – بر روی بدنه تعیین می گردد.
پس از خازن تانتالیوم، خازن های عدسی هم در مدارات بسیار پرکاربرد هستند. این خازن ها دارای قطب مثبت و منفی نیستند. به عبارت دیگر این خازن ها را در جهت دلخواه می توانید نصب کنید. از این خازن ها در جریان های بسیار ضعیف استفاده می شوند. به عنوان مثال خازن عدسی می تواند در خروجی سنسورها به عنوان حذف کننده نویز استفاده می شود. در نهایت پس از آشنایی با خازن ها، قسمت بعدی این قطعه را به صورت عملی مورد بحث و بررسی قرار می دهد.
بررسی مفهوم ولتاژ و ظرفیت خازن
در قسمت پیشین به بررسی خازن و تعریف کلی آن پرداختیم. در این قسمت اما قصد داریم تا به بررسی مفاهیم پایه های این قطعه به طور عمیق تر بپردازیم. همانطور که پیشتر گفته شد، یک خازن دارای ولتاژ و ظرفیت مشخصی است. ولتاژ برای بیشینه مقدار قابل تحمل و ظرفیت توان اعمال بار به خروجی تعریف می شود. یک خازن را می توانید دقیقا مشابه یک باتری در نظر بگیرید. همانطور که یک باتری دارای جریان و ولتاژ مشخصی است، خازن هم از همین ویژگی پیروی می کند.
همانطور که می دانید، یک باتری دارای ولتاژ و جریان مشخصی است. به عنوان مثال یک باتری خودرو پراید دارای ولتاژ ۱۲ و جریان(ظرفیت) ۵۰ آمپر است. این به معنای قابلیت ولتاژ ۱۲ ولت و تامین جریان ۵۰ آمپر است. زمانیکه از باتری تحت بار قرار می گیرد، ولتاژ آن کاسته می شود. بدین ترتیب شارژ خود را از دست می دهد. در صورتیکه مجددا باتری شارژ شود، ولتاژ آن به نقطه بالا خود می رسد.
در رابطه با خازن هم شرایط مشابه با باتری است. فرض کنید یک خازن با ظرفیت ۱۵۰۰ میکروفاراد و با ولتاژ ۲۵ ولت در اختیار دارید. این خازن می تواند ۲۵ ولت با بار ۱۵۰۰ میکروفاراد را به خروجی تحویل دهد. همانند باتری، خازن با قرار گرفتن تحت بار، ولتاژ خود را به مدار اعمال کرده و کاهش می یابد. در طرف دیگر ظرفیت خازن همانند جریان باتری است. اگر باتری دارای ظرفیت ۱۵۰۰ میلی آمپری است، خازن هم دارای ظرفیت میکروفارادی است. در زیر می توانید نمودار منحنی شارژ خازن را مشاهده نمایید.
شارژ شدن خازن با اعمال ولتاژ صورت می گیرد. به عبارت دیگر با قرار گیری خازن به صورت موازی با منبع تغذیه در مدارات DC، خازن شروع به شارژ شدن می نماید. اما همانطور که خازن تحت شارژ قرار می گیرد، تحت بار هم دشارژ خواهد شد. در این صورت ولتاژ خازن کاسته شده تا به صفر ولت برسد. تصویر زیر منحنی دشارژ خازن را نمایش می دهد.
موارد شارژ و دشارژ خازن را خود می توانید به صورت عملی نیز تست کنید. برای این کار نیاز به یک خازن، مولتی متر و یک منبع تغذیه متناسب با ولتاژ خازن دارید. برای این کار باید پایه مثبت خازن به پایه مثبت منبع تغذیه و پایه منفی خازن به پایه منفی منبع تغذیه متصل گردد. برای تشخیص پایه مثبت و منفی خازن بر روی خازن های الکترلیتی، قسمتی که شیار با علامت منفی بر روی بدنه داشته به عنوان پایه منفی خازن محسوب می گردد. برای این آزمایش، ابتدا خازن را به منبع تغذیه متصل کنید. سپس مولتی متر خود را روی تست ولتاژ قرار دهید. در این لحظه مولتی متر ولتاژ دو سر خازن را می خواند. حال اتصال تغذیه را از خازن جدا کنید. در این لحظه خواهید دید که ولتاژ خازن دچار افت شده و خازن وارد فاز دشارژ خواهد شد.
کاربرد خازن در مدارات الکترونیک به عنوان تثبیت کننده ولتاژ
همانطور که گفته شد، خازن ها همانند باتری ها شارژ می شوند. زمانیکه یک خازن شارژ کامل شده و موازی با یک قطعه قرار گرفته است، وظیفه تامین تغذیه قطعه با خازن است. از طرف دیگر چون جریان به خازن متصل است، بلافاصله با کاهش ولتاژ خازن، خازن شارژ شده و به ولتاژ ایده آل خود بر می گردد. بنابراین ولتاژ قطعه همواره ثابت خواهد ماند. در طرف دیگر، در صورتیکه یک قطعه از مدار شروع به جریان کشی لحظه ای نماید، ولتاژ قطعه ای که خازن با آن موازی است، کاهش می یابد. در این لحظه خازن افت ولتاژ قطعه را جبران نموده و ولتاژ به قطعه به طور ثابت خواهد رسید. بدین ترتیب خازن در مدارات DC می تواند به عنوان حذف نویز نوسان های ولتاژ استفاده شود.
الزامات فنی استفاده از خازن
همانطور که مشاهده کردید، خازن ها یکی از مهم ترین و پرکابردترین ابزارها در مدارات الکترونیکی به شمار می روند. اما استفاده از خازن ها نیازمند رعایت الزاماتی است. در صورت عدم رعایت این الزامات خازن دچار آسیب و حتی ترکیدگی می شود. همانطور که پیشتر گفته شد، خازن های الکترولیتی و تنتالیوم داریا قطب مثبت و منفی هستند. بنابراین اتصال آن ها در مدار نیزامند رعایت پلاریته است. یکی از عومل ترکیدن خازن، عدم اتصال صحیح پایه های آن به منبع تغذیه است. در صورت موازی قرار دادن خازن جهت تثبیت ولتاژ، این قطعه باید با رعایت پلاریته به تغذیه متصل گردد. عامل بعدی در ترکیدن خازن، اعمال ولتاژ بالاتر از ظرفیت است. فرض کنید که یک خازن ۲۵ ولت ۱۰۰۰ میکروفاراد است. این خازن نهایتا تا ۲۵ ولت را می تواند بر روی خود تحمل کند. در صورت اعمال ولتاژ های بالاتر و خارج از ظرفیت، خازن دچار ترکیدگی خواهد شد.
توجه: ولتاژهای پایین تر نسبت به ظرفیت برای خازن مشکلی ایجاد نخواهند نمود. در این صورت خازن کامل شارژ نشده و تنها به اندازه ولتاژ اعمال شده شارژ خواهد داشت.
مورد آخر که می تواند سبب آسیب جدی به خازن شود، نحوه تخلیه آن است. فرض کنید خازی با ظرفیت بالا در اختیار دارید. این خازن شارژ شده و پس از شارژ منتظر تخلیه آن هستید. در این جا در صورت اتصال پایه های قطعه به یکدیگر، خازن تخلیه می شود. این روش در خازن با ظرفیت های بالا بسیار بسیار خطرناک بوده و به هیچ عنوان توصیه نمی شود. برای این مورد کافیست با اتصال یک مصرف کننده به خازن نظیر موتور الکتریکی، ظرفیت خازن را تخلیه نمایید.
لوازم مورد نیاز
جمع بندی
در سلسله آموزش های مدارهای الکترونیکی، قسمت سوم به خازن پرداختیم. خازن یکی از مهم ترین و پرکابردترین ابزارها در مدارات دیجیتال به شمار می رود. از این قطعه می توان به عنوان از بین برنده نویز استفاده نمود. خازن ها دارای انواع مختلفی بوده که بسیته به ساختار، عملکرد هر کدام در مدار تعیین می گردد. در این آموزش به تحلیل و بررسی خازن، انواع آن، نمودارهای شارژ و دشار و…. پرداختیم. در قسمت های بعدی این سلسله آموزش به بررسی سایر قطعات کلیدی خواهیم پرداخت.
چنانچه مطالب این آموزش را گنک یافتید، بدون هیچ نگرانی در انتهای همین پست، به صورت ثبت نظر سوالتان را مطرح کنید. من در سریع‌ترین زمان ممکن پاسخ رفع مشکل شما را خواهم داد. همچنین اگر ایرادی در مطالب درج شده وجود دارد می‌توانید از همین طریق اطلاع رسانی کنید.
