دوشنبه , ۳ تیر ۱۳۹۸
آخرین مطالب
LINK TABLES
خانه | الکترونیک | خازن و میدان الکتریکی

خازن و میدان الکتریکی

سلام . امیدوارم حالتون خوب باشه. امروز ادامه ی آموزش الکترونیک رو پیش می گیریم و میخوایم خازن رو آموزش بدیم. خازن یکی از ۳ جزء اصلی تمام مدارهای الکتریکی هست و خوب یادگرفتنش خیلی اهمیت داره. یاد گرفتنش سخت نیست و خیلی هم جذابه. برای آموزش خازن ابتدا میدان الکتریکی رو آموزش میدیم تا خوب عملکرد خازن رو متوجه بشید . ایشا.. مطالبش براتون خوب و مفید باشه . با ما همراه باشید  🙂

میدان الکتریکی

تعریف میدان الکتریکی

تعریف میدان : به محدوده ، فضا ، ناحیه ، حوزه ، مکان و … گفته می شود که دارای ویژگی مخصوص به خود باشد . مانند : میدان الکتریکی ، میدان جنگ ، میدان دید ، میدان مغناطیسی ، میدان مین و …

تعریف میدان الکتریکی : به محدوده ، فضا یا حوزه ای گفته می شود که اگر ذره ی فرضی ، ریاضی ، تک قطب بار آزمون با یک کولن بار مثبت در این محدوده قرار بگیرد به آن نیرو وارد می شود . ( نیرو می تواند جاذبه یا دافعه باشد ) در این صورت با حرکت بار آزمون می گوییم میدان الکتریکی وجود دارد و میدان آشکار می شود .

تعریف بار آزمون : ذره ای فرضی ، ریاضی ، می باشد که ابعاد آن به صفر میل می کند ولی دارای یک کولن بار مثبت می باشد .

۳۳

قانون بار های الکتریکی

قانون بار های الکتریکی

قانون بار های الکتریکی

قانون بارهای الکتریکی بیان می کند که بار الکترون و پروتون درون هسته از نظر مقدار مساوی ولی از نظر جهت خطوط میدان الکتریکی ، مخالف با یکدیگر است . به بار های الکترون و پروتون ، بار های الکترو استاتیک نیز می گویند .
خطوط نیروی هر یک از این بار ها میدان های الکتریکی تولید می کند که در شکل زیر مشاهده می کنید :

 

۳۴۳۵

 

 

 

 

 

 

حال اگر این دو بار در مجاورت هم قرار گیرند به یکدیگر نیرو وارد می کنند . بر اساس قانون بار های الکتریکی ، ذراتی که بار های همنام دارند یکدیگر را جذب و ذراتی که بار های مخالف دارند یکدیگر را دفع می کنند . در شکل زیر نیرو های وارد شده در ۳ حالت را مشاهده می کنید :

۳۶

۳۷

۳۸

در شکل بالا نیز میدان الکتریکی حاصل از مجاورت دو بار غیر همنام را مشاهده می کنید .
خطوط نیرو هرگز نمی توانند یکدیگر را قطع کنند و علت تغیر مسیر خطوط نیرو در اثر مجاورت دوبار به همین علت است . در شکل اول چون در ناحیه بین دو بار ، خطوط نیرو نمی توانند یکدیگر را قطع کنند پس خطوط نیرو ی دو بار مسیرشان تغیر می کند و خطوط یکدیگر را دفع می کنند در واقع این به خاطر غیر هم جهت بودن خطوط نیرو در دوبار می باشد . در شکل دوم نیز در ناحیه بین دوبار ، خطوط نیرو نمی توانند یکدیگر را قطع کنند پس خطوط نیروی دو بار مسیرشان تغییر می کند و یکدیگر را دفع می کنند . اما در شکل سوم چون خطوط نیرو دو بار در نهایت در یک مسیر هستند پس خطوط نیرو با یکدیگر ترکیب شده و خطوط نیرو به طرف یکدیگر جذب می شوند .

 

میدان های الکترو استاتیک

میدان های الکترو استاتیک

میدان های الکترواستاتیک

نیرو های جاذبه و دافعه دو جسم باردار از طریق خطوط نیروی الکترواستاتیکی که در اطراف جسم بار دارد وجود دارند ، اعمال می شوند.
در یک جسم باردار منفی ، خطوط نیروی الکترون ها ی اضافی با یکدیگر جمع می شوند و میدان الکترواستاتیکی بوجود می آورند که جهت خطوط نیروی آن در تمام جهات از بیرون به طرف درون جسم است.
در یک جسم باردار مثبت ، کمبود الکترون ها باعث می شود که خطوط نیروی پروتون های اضافی با هم جمع شوند و میدان الکترواستاتیکی تولید کنند که در آن خطوط نیرو در تمام جهات از درون جسم به طرف بیرون است .
میدان های الکتریکی در هنگام جذب به طرف یکدیگر متمایل می شوند و در هنگام دفع با هم مخالفت می کنند .
نیروی جذب و دفع به ۳ عامل بستگی دارد :
۱- مقدار بار الکتریکی که در هر جسم وجود دارد
۲- فاصله ی بین دو جسم
۳- جنس محیط بین دو جسم

قانون کولن

این قانون در رابطه با نیرو های بین دو جسم بار دار می باشد . اگر دو جسم بار دار کروی ، در مجاورت هم دیگر قرار بگیرند به هم نیروی جاذبه و دافعه وارد می کنند که مقدار نیرو با مقدار بار الکتریکی دو جسم نسبت مستقیم و با فاصله دو بار نسبت عکس دارد .

۶۲

 

 

رابطه بالا مقدار نیرویی که دو جسم بار دار به هم وارد می کنند را نشان میدهد
K : ضریب ثابتی برابر با ۹×۱۰۹ می باشد و با جنس محیط رابطه دارد .
Q : مقدار بار الکتریکی هر جسم را نشان می دهد .
R : بیان کننده فاصله دو جسم بار دار می باشد .

منشا پیدایش میدان الکتریکی

در این بخش عوامل بوجود آورنده میدان الکتریکی در یک جسم یا ذره را بررسی می کنیم :

۱- اجسام باردار

تمام اجسام باردار دارای میدان الکتریکی می باشند . با توجه به این که گفتیم بار های الکتریکی دارای میدان الکتریکی هستند پس تمامی اجسام باردار دارای میدان الکتریکی می باشند .

اجسام به ۳ روش زیر باردار می شوند :
۱- القا ۲- تماس ۳- مالش

۲- وجود مولکول های قطبی منظم شده در یک جسم

مولکول قطبی : مولکولی است که توزیع بارها در آن یکسان نباشد ، با وجود این که کل مولکول خنثی است . یعنی تراکم بارهای مثبت و منفی در آن یکسان نیست در نتیجه یک طرف نسبت به طرف دیگر مثبت تر یا منفی تر است .

۳۹

 

۳- تغییرات میدان مغناطیسی

هرگاه میدان مغناطیسی تغییر کند ( یعنی میدان مغناطیسی کاهش یا افزایش داشته باشد ) باعث بوجود آمدن میدان الکتریکی متغیر خواهد شد و بالعکس اگر میدان الکتریکی تغییر کند باعث بوجود آمدن میدان مغناطیسی متغیر خواهد شد که به مجموعه ی آن ها میدان های الکترومغناطیسی می گویند .
امواج رادیویی و امواج نورانی مرئی یا نامرئی از جنس میدان های الکترومغناطیسی می باشند .

 

کمیت های میدان الکتریکی

۱- مقدار خطوط میدان الکتریکی

به مسیر حرکت بار آزمون درون میدان الکتریکی خط نیرو و به مجموعه ی آن ها خطوط میدان الکتریکی می گویند .
آن را با نماد ɸ نشان می دهند و واحد آن کولن می باشد .

۴۰

۲- شکل و جهت خطوط میدان الکتریکی

جهت خطوط میدان در میدان الکتریکی از مثبت به منفی می باشد که علت آن هم به خاطر بار آزمون است چون گفتیم بار آزمون مثبت است و همچنین مسیر حرکت بار آزمون در میدان ، خطوط میدان را تشکیل می دهند .

۳- شکل خطوط میدان الکتریکی ( طیف میدان )

شکل خطوط میدان بستگی به عامل بوجود آورنده ی میدان دارد . یعنی همان دو سطح فلزی که میدان را بوجود می آورند .

الف ) موازی و مسطح۴۱
خطوط میدان بین دو صفحه موازی و میدان یکنواخت و تراکم و شدت میدان ثابت است .
خارج از دو صفحه خطوط به طور منحنی و شدت و تراکم میدان متغیر است .

 

 

 

 

ب) ۲ صفحه مسطح غیرموازی

۴۲
میدان الکتریکی بین دو صفحه و خترج از دو صفحه یکنواخت نیست و تراکم و شدت میدان الکتریکی نیز در هیچ کجای این میدان ثابت نیست .

 

 

 

 

 

ج) دو صفحه موازی ولی غیر مسطح

۴۳
میدان الکتریکی بین دو صفحه یکنواخت و خطوط میدان الکتریکی با یکدیگر موازی می باشند . همچنین شدت و تراکم میدان نیز بین دو صفحه یکسان می باشد .

 

 

د) ۲ صفحه غیر موازی و غیر مسطح

۴۴
میدان الکتریکی و تراکم میدان الکتریکی و شدت میدان الکتریکی ثابت نیست .

 

 

 

 

 

 

۴- شدت میدان الکتریکی

تعریف اول : شدت میدان الکتریکی نیرویی است که از طرف میدان الکتریکی به یک کولن بار مثبت ( بار آزمون ) وارد می شود .

۶۳

 

 

 

نکته : مقدار شدت میدان الکتریکی ، فقط بین دو صفحه موازی و مسطح از رابطه ی بالا بدست می آید .
تعریف دوم : مقدار ولتاژی که در هر یک متر از طول مسیر خطوط میدان الکتریکی افت می کند را شدت میدان الکتریکی می نامند .

۶۴

 

 

 

۴۵

 

۵ – تراکم خطوط میدان الکتریکی

به مقدار خطوط میدانی که از واحد سطح می گذرند تراکم خطوط میدان الکتریکی می گویند .

۶۵

 

 

 

در رابطه بالا ɸ مقدار خطوط میدان برحسب کولن می باشد .
A مقدار مساحت سطح صفحه ای که خطوط از آن می گذرد می باشد.
Cosα بیان کننده موقعیت صفحه می باشد و αزاویه بین محور عمود بر صفحه با امتداد خطوط میدان می باشد .
نتیجه : با توجه به رابطه بالا نتیجه می گیریم که مقدار خطوطی که از یک صفحه واقع در میدان می گذرد به ۳ عامل بستگی دارد :

 

۱- تراکم میدانی که صفحه درون آن واقع است . ۶۶
۲- مساحت سطح صفحه
۳- موقعیت صفحه ( زاویه بین محور صفحه با امتداد میدان )

 

۶- ضریب گذردهی خطوط میدان الکتریکی

از آن جا که رفتار عایق های مختلف درون میدان الکتریکی ( یعنی تغییر شکل میدان ، تغییر مقدار خطوط میدان و تراکم خطوط ) یکسان نیست از هر ماده ای شکل یا جرم یا حجم معینی را انتخاب نموده و آن را با خلاء مقایسه نموده و آن را ضریب نفوذ نسبی می نامیم و برای بدست آوردن ضریب نفوذ کلی از رابطه ی ε = ε۰ . εr استفاده می کنیم.

۶۷

 

 

در رابطه بالا ε۰ مقدار ضریب نفوذ در خلا و برابر ۸٫۸۵۴×۱۰-۱۲ می باشد .
εr مقدار ضریب نفوذ نسبی ماده نسبت به خلا می باشد .
مقدار تراکم خطوط با توجه به ضریب گذردهی به صورت زیر است : ۶۸

 

 

۴۶

 

با توجه به مطالبی که تاکنون خوانده ایم می توانیم روابط زیر را اثبات کنیم :

۶۹

 

 

 

 

توجه شود که این روابط فقط برای ۲ صفحه موازی و مسطح صادق است .
در رابطه ی کلی بالا اگر بخواهیم برای ضریب گذردهی واحدی را اثبات کنیم به صورت زیر عمل می کنیم :

۷۰

 

 

 

با توجه به رابطه بالا مقدار S/Ω=F یا فاراد می شود و در نهایت واحد ضریب گذردهی برابر فاراد بر متر می شود .

 

 

خازن ( Capacitor )

 

تعریف

خازن وسیله ای است که انرژی الکتریکی را در خودر ذخیره می کند . ( این انرژی به صورت میدان الکتریکی یا انرژی الکتریکی درون عایق خازن ذخیره می شود )

خازن یا اثر خازنی در چه زمانی وجود دارد ؟

هرگاه بین دوهادی عایق وجود داشته باشد این مجموعه از خود اثر خازنی نشان می دهد . یعنی می تواند انرژی الکتریکی را در خود ذخیره کند .

خازن ناخواسته چیست ؟

با توجه به تعریفی که برای خازن و اثر خازنی گفته شد در مدار های الکتریکی تعداد بی شماری خازن ناخواسته وجود دارد که در موارد بسیار زیادی این اثر خازنی مزاحم است و در مواردی هم مفید است ولی در بیشتر اوقات نیز از تاثیر جزئی آن بر کار مدار می توان صرف نظر کرد .
مانند اثر خازنی در سیم های رابط و خطوط انتقال انرژی الکتریکی ، یا اثر خازنی بین نوار های مسی بر روی برد های الکترونیکی یا اثر خازنی بین پایه های قطعات الکترونیکی یا ترمینال های دستگاه های الکتریکی و همینطور اثر خازنی در حلقه های سیم پیچ ها و … .

ساختمان خازن

هرگاه بین دو هادی عایقی وجود داشته باشد خازن و اثر خازنی ایجاد می شود. برای سادگی مطالبی که در زیر بیان می کنیم ، اثر خازنی بین ۲ صفحه موازی و مسطح را مورد بررسی قرار داده و از آن ها روابطی را بدست می آوریم که میزان با ذخیره شده یا مقدار انرژی ذخیره شده در یک خازن را بتوان حساب کرد .

۴۷

ظرفیت خازن (capacitance )

هر خازنی مقدار باری را می تواند در خود ذخیره کند و یا به عبارت دیگر ظرفیت خازن معینی دارد که مقدار ظرفیت بستگی به جنس عایق و سطح عایق و طول عایق دارد که از روابط زیر بدست می آید :
واحد ظرفیت خازن فاراد است . فاراد را با F نشان می دهند . به دلیل بزرگی فاراد , از واحد های کوچک تر یعنی ,میکرو فاراد (f µ), نانوفاراد ( nf ) و پیکوفاراد ( pf ) استفاده می شود.

۷۱

 

در رابطه بالا می بینیم که مقدار بار خازن نسبت مستقیمی با مقدار خطوط میدان دارند و مقدار خطوط میدان با رابطه ی بالا محاسبه می شود که این رابطه با مقدار بار ذخیره شده هم ارز است .
در این رابطه :
ε۰ . εr = مقدار ضریب گذردهی خطوط میدان را بیان می کند .
A = برابر است با سطح صفحات خازن
d = برابر است با فاصله صفحات خازن از یکدیگر
از طرفی مقدار بار ذخیره شده در خازن از رابطه ی زیر بدست می آید :

۷۲

 

 

در رابطه بالا :
C = برابر است با مقدار ظرفیت خازن
V = برابر است با ولتاژ خازن
با توجه به این که در رابطه اول مقدار بار خازن را با مقدار خطوط میدان هم ارز در نظر گرفتیم می توانیم رابطه ظرفیت خازن را از رابطه اول بدست آوریم :

۷۳

 

 

در رابطه بالا می توانیم واحد ظرفیت خازن را نیز بدست آوریم :

۷۴

 

 

 

همچنین می توانیم از رابطه ی دوم نیز واحد ظرفیت خازن را بدست آوریم :

۷۵

 

 

 

همان طور که از روابط بالا معلوم است ظرفیت خازن به عایق و مشخصات ( جنس ، سطح و طول عایق ) وابسته است و سطح و جنس و ضخامت هادی یا ضخامت سطح هادی نقشی در ظرفیت خازن ندارد . دلیل آن این است که نقش صفحات فلزی توزیع بار الکتریکی به طور یکنواخت روی سطح عایق است تا عایق در میدان الکتریکی یکنواختی قرار بگیرد . به همین دلیل جنس و ضخامت صفحات فلزی نقشی در ظرفیت خازن ندارد .
نکته : عامل تعیین کننده ظرفیت خازن عایق آن است .
هر خازنی تحمل ولتاژ خاصی دارد و وقتی ولتاژ بیش از حد تحمل خازن به خازن بدهیم الکترون های لایه آخر صفخات هادی بیرون بزند و از طریق جرقه ای این الکترون ها بین دو صفحه جابه جا شوند و خازن معیوب شود .

 

خازن در DC ثابت

۱- شارژ خازن

برای درک بهتر عملکرد شارژ خازن آن را با یک مخزن گاز و یک شیر برقی و منبع ایده آل مقایسه می کنیم .

۴۸

با وصل کردن شیر برقی و عبور گاز :
۱- در لحظه ی اول با زدن شیر برقی مقدار جریان گاز برابر است با مقدار حداکثر جریان گاز چون فشار مخزن کپسول صفر است و فشار منبع ایده آل زیاد است .
این مقدار حداکثر جریان گاز در لحظه اول تابع فشار منبع اصلی و مقاومت مسیر عبور گاز می باشد .
۲- این مقدار جریان گاز رو به کاهش است چون با پرشدن ظرف یا کپسول گاز ، فشار درون آن لحظه به لحظه در حال افزایش است و یک فشار مخالف منبع گاز ایجاد می کند در نتیجه جریان گاز در حال کاهش است . مقدار عبور جریان رو به کاهش است ولی به صفر نمی رسد .
۳- مدت زمان عبور جریان گاز تابع ظرفیت کپسول و مقاومت مسیر عبور گاز می باشد . هر چه ظرفیت و مقدار مقاومت مسیر بیشتر باشد زمان عبور جریان برای شارژ کپسول بیشتر است .
۴- مقدار گاز ذخیره شده در منبع تابع ظرفیت کپسول و فشار منبع می باشد . چون کپسول تا زمانی شارژ می شود که هم فشار با منبع ایده آل شود . پس مقدار گاز ذخیره شده در آن به فشار منبع نیز بستگی دارد .

 

 

عکس العمل خازن در حالت شارژ مانند کپسول بالا می باشد .
۱- با وصل کردن خازن به منبع ولتاژ :
در لحظه ی اول بیشترین جریان از مدار عبور می کند :
چون ولتاژ خازن صفر است و ولتاژ منبع زیاد است و مانند اتصال کوتاه در آن لحظه عمل می کند .

 

این مقدار حدکثر جریان تابع ولتاژ منبع و مقاومت مسیر می باشد . ۷۶

 

این مقدار حدکثر جریان گاز سپس بعد از افزایش تدریجی ولتاژ خازن به تدریج کاهش می یابد .
۲- با افزایش ولتاژ خازن و بار ذخیره شده در خازن ، یک ولتاژ مخالف منبع خازن ایجاد می کند که درنتیجه باعث کاهش شدت جریان عبوری از مدار می شود که این جریان روبه کاهش است و به صفر میل می کند .
۳- مدت زمان عبور جریان ، تابع ظرفیت خازن و مقاومت مسیر می باشد .هرچه ظرفیت خازن و مقاومت مسیر بیشتر باشد زمان عبور جریان نیز بیشتر است .

۷۷

 

 

۴- مقدار بار ذخیره شده در خازن تابع ولتاژ منبع و ظرفیت خازن می باشد .

۷۸

 

 

 

۲- دشارژ خازن

برای درک بهتر عملکرد شارژ خازن آن را با یک مخزن گاز و یک شیر برقی و منبع ایده آل مقایسه می کنیم .

۴۹

با وصل کردن شیر برقی و عبور گاز :
۱- در لحظه ی اول با زدن شیر برقی مقدار جریان گاز برابر است با مقدار حداکثر جریان گاز چون فشار مخزن مصرف کننده صفر است و فشار مخزن گاز زیاد است .
این مقدار حداکثر جریان گاز در لحظه اول تابع فشار مخزن گاز و مقاومت مسیر عبور گاز می باشد .
۲- این مقدار جریان گاز رو به کاهش است چون با پرشدن ظرف یا کپسول مصرف کننده ، فشار درون آن لحظه به لحظه در حال افزایش است و یک فشار مخالف مخزن گاز ایجاد می کند در نتیجه جریان گاز در حال کاهش است . مقدار عبور جریان رو به کاهش است ولی به صفر نمی رسد .
۳- مدت زمان عبور جریان گاز تابع ظرفیت کپسول مصرف کننده و مقاومت مسیر عبور گاز می باشد . هر چه ظرفیت و مقدار مقاومت مسیر بیشتر باشد زمان عبور جریان برای دشارژ مخزن گاز بیشتر است .

 

عکس العمل خازن در حالت شارژ مانند کپسول بالا می باشد .
۱- با وصل کردن خازن شارژ شده به مقومت :
در لحظه ی اول بیشترین جریان از مدار عبور می کند :
چون بیشترین بار در خازن وجود دارد و طبق رابطه ی V= Q/C ولتاژ خازن هم بیشترین مقدار خود را دارد پس بیشترین مقدار جریان هم برقرار است .

 

این مقدار حدکثر جریان تابع ولتاژ خازن و مقاومت مسیر می باشد .۷۹

 

این مقدار حدکثر جریان گاز سپس بعد از کاهش تدریجی بار خازن به تدریج کاهش می یابد .
۲- با کاهش بار ذخیره شده در خازن ولتاژ آن نیز به تدریج کاهش می یابد و با عث کاهش تدریجی جریان می شود.
۳- مدت زمان عبور جریان ، تابع ظرفیت خازن و مقاومت مسیر می باشد .هرچه ظرفیت خازن و مقاومت مسیر بیشتر باشد زمان عبور جریان نیز بیشتر است .

۷۷

 

 

۴- مقدار بار ذخیره شده در خازن تابع ولتاژ خازن و ظرفیت خازن می باشد .

۷۸

 

 

تحلیل خازن در مدار الکتریکی DC

تحلیل خازن در مدار الکتریکی DC

تحلیل خازن در مدار الکتریکیDC

در این قسمت می خواهیم عملکرد خازن را در مدار الکتریکی DC تحلیل کنیم .
رابطه ی کلی خازن به صورت زیر می باشد :

۸۰

 

 

این رابطه بیان می کند که خازن زمانی جریان دارد که ولتاژ آن دارای تغییرات باشد و یا زمانی که ولتاژ خازن تغییر کند در آن جریان ایجاد می شود .
از رابطه بالا در تحلیل خازن در مدار های الکتریکی AC و DC استفاده می کنیم .

۵۰

 

۸۱

 

 

 

 

 

 

در رابطه بالا یک معادله دیفرانسیل بوجود آمد . معادله دیفرانسیل معادله ای است که در آن متغیر به همراه تغییرات متغیر وجود داشته باشد . بعد از حل معادله دیفرانسیل معادله زیر بدست می آید :

 

۸۲

Vc t = مقدار ولتاژ خازن در هر لحظه
Vs = مقدار ولتاژ منبع ورودی
V0 = مقدار ولتاژ اولیه ی خازن
e = عدد نپرین ۲٫۷۱۸
Ƭ = ثابت زمانی خازن که برابر است با τ=R.C

ثابت زمانی خازن

چنان چه خازنی در یک مدار DC قرار گیرد به سرعت شارژ می شود . شارژ سریع خازن به این دلیل اتفاق می افتد که هیج گونه مقاومتی در مسیر شارژ وجود ندارد . حال اگر مقاومتی را به مدار اضافه کنیم ، وجود آن در مسیر شارژ ، زمان شارژ را طولانی تر می کند . مقدار دقیق این زمان شارژ به مقدار مقاومت قرار گرفته در مسیر شارژ (R) و ظرفیت خازن (C) بستگی دارد و به کمک رابطه ی زیر مشخص می شود :

۷۷

τ را ثابت زمانی خازن می گویند و آن مدت زمانی است که ولتاژ خازن به ۶۳٫۲ درصد کل ولتاژ برسد . در هر ثابت زمانی بعدی ، ولتاژ خازن به اندازه ۶۳٫۲ درصد از ولتاژ باقی مانده شارژ می شود . شارژ کل خازن در حدود ۵ ثابت زمانی طول می کشد و خالی شدن آن نیز در حدود همین مدت زمان انجام می شود . در ثابت زمانی اول ۶۳٫۲ درصد از شارژ کامل خازن از بین می رود و در ثابت زمانی های بعدی به ترتیب ۶۳٫۲ درصد از شارژ باقی مانده تخلیه می شود .در انتهای ۵ ثابت زمانی خازن کاملا تخلیه شده است . در جدول زیر رابطه ی شارژ و دشارژ با ثابت زمانی و در شکل زیر منحنی های شارژ و دشارژ را مشاهده می کنید .

۵۱

۵۲

نشتی در خازن ها

دی الکتریک مورد استفاده در خازن ها باید از عبور هرگونه جریانی بین صفحات خازن جلوگیری کند . مگر در مواقعی که به دلیل ولتاژ بسیار زیاد ، مولکول های دی الکتریک شکسته شوند . در هر صورت ، عملا عایقی به معنای صد در صد وجود ندارد . لذا تمام دی الکتریک ها هم مقداری بسیار کمی جریان را از خود عبور می دهند . مقاومتی که هر دی الکتریک در مقابل عبور جریان از خود نشام می دهد را مقاومت نشتی خازن می نامند . شکل زیر مقاومت نشتی خازن و مدار معادل آن را نشان می دهد . مقاومت نشتی معمولا در حدود مگا اهم است . در اثر کارکرد زیاد خازن ، مقاومت نشتی آن به تدریج کاهش می یابد .

۵۳

 

انواع خازن

خازنها بر حسب ثابت یا متغیر بودن ظرفیت به دو گروه کلی ثابت و متغیر تقسیم‌بندی می‌شوند. خازنها انواع مختلفی دارند و از لحاظ شکل و اندازه با یک دیگر متفاوت‌اند. بعضی از خازنها از روغن پر شده و بسیار حجیم‌اند.

 

خازنهای ثابت

این خازنها دارای ظرفیت معینی هستند که در وضعیت معمولی تغییر پیدا نمی‌کنند. خازنهای ثابت را بر اساس نوع ماده دی‌الکتریک به کار رفته در آنها تقسیم بندی و نام‌گذاری می‌کنند و از آنها در مصارف مختلف استفاده می‌شود. از جمله این خازنها می‌توان انواع سرامیکی، میکا، ورقه‌ای (کاغذی و پلاستیکی)، الکترولیتی، روغنی، گازی و نوع خاص فیلم (Film) را نام برد. اگر ماده دی ‌الکتریک طی یک فعالیت شیمیایی تشکیل شده باشد آن را خازن الکترولیتی و در غیر این صورت آن را خازن خشک گویند . خازنهای روغنی و گازی در صنعت برق بیشتر در مدارهای الکتریکی برای راه اندازی و یا اصلاح ضریب قدرت به کار می‌روند . بقیه خازنهای ثابت دارای ویژگیهای خاصی هستند.

خازنهای ثابت:
o سرامیکی
o خازنهای ورقه‌ای
o خازنهای میکا
o خازنهای الکترولیتی
o آلومینیومی
o تانتالیوم

 

خازنهای سرامیکی

۵۴

خازن سرامیکی (به انگلیسی: Ceramic capacitor) معمولترین خازن غیر الکترولیتی است که در آن دی‌الکتریک بکار رفته از جنس سرامیک است. ثابت دی‌الکتریک سرامیک بالا است، از این رو امکان ساخت خازنهای با ظرفیت زیاد در اندازه کوچک را در مقایسه با سایر خازنها بوجود آورده، در نتیجه ولتاژ کار آنها بالا خواهد بود. ظرفیت خازنهای سرامیکی معمولاً بین ۵ پیکوفاراد تا ۱/۰ میکروفاراد است. این نوع خازن به صورت دیسکی (عدسی) و استوانه‌ای تولید می‌شود و بسامد کار خازنهای سرامیکی بالای ۱۰۰ مگاهرتز است. عیب بزرگ این خازنها وابسته بودن ظرفیت آنها به دمای محیط است، زیرا با تغییر دما ظرفیت خازن تغییر می‌کند. از این خازن در مدارهای الکترونیکی، مانند مدارهای مخابراتی و رادیویی استفاده می‌شود.

 

خازنهای ورقه‌ای

در خازنهای ورقه‌ای از کاغذ و مواد پلاستیکی به سبب انعطاف‌پذیری آنها، برای دی‌الکتریک

۵۵

استفاده می‌شود. این گروه از خازنها خود به دو صورت ساخته می‌شوند:

 

 

 

 

خازنهای کاغذی

دی‌الکتریک این نوع خازن از یک صفحه نازک کاغذ متخلخل تشکیل شده که یک دی‌الکتریک مناسب درون آن تزریق می‌گردد تا مانع از جذب رطوبت گردد. برای جلوگیری از تبخیر دی‌الکتریک درون کاغذ، خازن را درون یک قاب محکم و نفوذناپذیر قرار می‌دهند. خازنهای کاغذی به علت کوچک بودن ضریب دی‌الکتریک عایق آنها دارای ابعاد فیزیکی بزرگ هستند، اما از مزایای این خازنها آن است که در ولتاژها و جریانهای زیاد می‌توان از آنها استفاده کرد.

خازنهای پلاستیکی

در این نوع خازن از ورقه‌های نازک پلاستیک برای دی‌الکتریک استفاده می‌شود. ورقه‌های پلاستیکی همراه با ورقه‌های نازک فلزی (آلومینیومی) به صورت لوله، در درون قاب پلاستیکی بسته بندی می‌شوند. امروزه این نوع خازنها به دلیل داشتن مشخصات خوب در مدارات زیاد به کار می‌روند. این خازنها نسبت به تغییرات دما حساسیت زیادی ندارند، به همین سبب از آنها در مداراتی استفاده می‌کنند که احتیاج به خازنی با ظرفیت ثابت در مقابل حرارت باشد. یکی از انواع دی‌الکتریک‌هایی که در این خازنها به کار می‌رود پلی استایرن (به انگلیسی: Polystyrene) است، از این رو به این خازنها «پلی استر» گفته می‌شود که از جمله رایج‌ترین خازنهای پلاستیکی است. ماکزیمم بسامد کار خازنهای پلاستیکی حدود یک مگاهرتز است.

 

خازنهای میکا

۵۶

در این نوع خازن از ورقه‌های نازک میکا در بین صفحات خازن (ورقه‌های فلزی – آلومینیوم) استفاده می‌شود و در پایان، مجموعه در یک محفظه قرار داده می‌شوند تا از اثر رطوبت جلوگیری شود. ظرفیت خازنهای میکا تقریباً بین ۰/۰۱ تا ۱ میکروفاراد است. از ویژگیهای اصلی و مهم این خازنها می‌توان داشتن ولتاژ کار بالا، عمر طولانی و کاربرد در مدارات فرکانس بالا را نام برد.

خازنهای الکترولیتی

۵۷

این نوع خازنها معمولاً در رنج میکروفاراد هستند. خازنهای الکترولیتی همان خازنهای ثابت هستند، اما اندازه و ظرفیتشان از خازنهای ثابت بزرگتر است. نام دیگر این خازنها، خازن شیمیایی است. علت نامیدن آنها به این نام این است که دی‌الکتریک این خازنها را به نوعی مواد شیمیایی آغشته می‌کنند که در عمل، حالت یک کاتالیزور را دارا می‌باشند و باعث بالا رفتن ظرفیت خازن می‌شوند. برخلاف خازنهای عدسی، این خازنها دارای قطب یا پایه مثبت و منفی می‌باشند. روی بدنه خازن کنار پایه منفی، علامت – نوشته شده‌است. مقدار واقعی ظرفیت و ولتاژ قابل تحمل آنها نیز روی بدنه درج شده‌است. خازن‌های الکترولیتی در دو نوع آلومینیومی و تانتالیومی ساخته می‌شوند. یکی از کاربردهای گسترده این نوع خازن استفاده در مدار یکسوساز دیودی بعنوان فیلتر dc است.

خازن آلومینیومی

۵۸

این خازن همانند خازنهای ورقه‌ای از دو ورقه آلومینیومی تشکیل شده‌است. یکی از این ورقه‌ها که لایه اکسید بر روی آن ایجاد می‌شود (آند) نامیده می‌شود و ورقه آلومینیومی دیگر نقش کاتد را دارد. ساختمان داخلی آن بدین صورت است که دو ورقه آلومینیومی به همراه دو لایه کاغذ متخلخل که در بین آنها قرار دارند هم زمان پیچیده شده و سیمهای اتصال نیز به انتهای ورقه‌های آلومینیومی متصل می‌شوند. پس از پیچیدن ورقه‌ها آن را درون یک الکترولیت مناسب که شکل گیری لایه اکسید را سرعت می‌بخشد غوطه‌ور می‌سازند تا دو لایه کاغذ متخلخل از الکترولیت پر شوند. سپس کل مجموعه را درون یک قاب فلزی قرار داده و با یک پولک پلاستیکی که سیمهای خازن از آن می‌گذرد محکم بسته می‌شود.

خازن تانتالیوم

۵۹

در این نوع خازن به جای آلومینیوم از فلز تانتالیوم استفاده می‌شود. زیاد بودن ثابت دی‌الکتریک اکسید تانتالیوم نسبت به اکسید آلومینیوم (حدوداً ۳ برابر) سبب می‌شود خازنهای تانتالیومی نسبت به نوع آلومینیومی درحجم مساوی دارای ظرفیت بیشتری باشند. محاسن خازن تانتالیومی نسبت به نوع آلومینیومی بدین قرار است:

• ابعاد کوچکتر
• جریان نشتی کمتر
• عمر کارکرد طولانی

از جمله معایب این نوع خازن در مقایسه با خازنهای آلومینیومی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• خازنهای تانتالیوم گرانتر هستند
• نسبت به افزایش ولتاژ اعمال شده در مقابل ولتاژ مجاز آن، همچنین معکوس شدن پلاریته حساس‌ترند
• قابلیت تحمل جریانهای شارژ و دشارژ زیاد را ندارند
• خازنهای تانتالیوم دارای محدودیت ظرفیت هستند (حد اکثر تا ۳۳۰ میکرو فاراد ساخته می‌شوند)

 

خازنهای متغیر

به طور کلی با تغییر سه عامل می‌توان ظرفیت خازن را تغیییر داد: «فاصله صفحات»، «سطح صفحات» و «نوع دی‌الکتریک». اساس کار خازن متغیر بر مبنای تغییر سطح مشترک صفحات خازن یا تغییر ضخامت دی‌الکتریک است، ظرفیت یک خازن نسبت مستقیم با سطح مشترک دو صفحه خازن دارد. خازنهای متغیر عموماً ازنوع عایق هوا یا پلاستیک هستند. نوعی که به وسیله دسته متحرک (محور) عمل تغییر ظرفیت انجام می‌شود «واریابل» نامند و در نوع دیگر این عمل به وسیله پیچ گوشتی صورت می‌گیرد که به آن «تریمر» گویند. محدوده ظرفیت خازنهای واریابل ۱۰ تا ۴۰۰ پیکو فاراد و در خازنهای تریمر از ۵ تا ۳۰ پیکو فاراد است. از این خازنها در گیرنده‌های رادیویی برای تنظیم فرکانس ایستگاه رادیویی استفاده می‌شود.
در مدارات تیونینگ رادیویی از این خازن‌ها استفاده می‌شود و به همین دلیل به این خازنها گاهی خازن تیونینگ هم اطلاق می‌شود. ظرفیت این خازن‌ها خیلی کم و در حدود ۱۰۰ تا ۵۰۰ پیکوفاراد است و بدلیل ظرفیت پایین در مدارات تایمینگ مورد استفاده قرار نمی‌گیرند، در مدارات تایمینگ از خازن‌های ثابت استفاده می‌شود و اگر نیاز باشد دوره تناوب را تغییر دهیم، این عمل به کمک مقاومت انجام می‌شود.
• خازنهای متغیر
o واریابل
o تریمر

 

خازن‌های تریمر

۶۰

خازن‌های تریمر خازن‌های متغیر کوچک و با ظرفیت بسیار پایین هستند. ظرفیت این خازن‌ها از حدود ۱ تا ۱۰۰ پیکوفاراد است و بیشتر در تیونرهای مدارات با فرکانس بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند. این خازن‌ها معمولاً دارای ۳ پایه هستند که نوع ۲ پایه عملاً فرقی در مونتاژ ندارد.

 

انواع خازن بر اساس شکل ظاهری آنها

• خازن مسطح (خازن تخت)
• خازن کروی
• خازن استوانه‌ای

 

خازن مسطح

خازنهای مسطح از دو صفحه هادی که بین آنها عایق یا دی‌الکتریک قرار دارد تشکیل می‌شوند. صفحات هادی نسبتاً بزرگ هستند و در فاصله‌ای بسیار نزدیک به هم قرار می‌گیرند. دی‌الکتریک این نوع خازن‌ها انواع مختلفی دارد و با ضریب مخصوصی که نسبت به هوا سنجیده می‌شود، معرفی می‌گردد. این ضریب را ضریب دی‌الکتریک می‌نامند. برخی دیگر بسیار کوچک و به اندازه یک دانه عدس می‌باشند.

 

کد رنگی خازن ها

در خازن های پلی استر برای سالهای زیادی از کدهای رنگی بر روی بدنه آنها استفاده می شد . در این کد ها سه رنگ اول ظرفیت را نشان می دهند و رنگ چهارم تولرانس ا نشان می دهد .

برای مثال قهوه ای – مشکی – نارنجی به معنی ۱۰۰۰۰ پیکوفاراد یا ۱۰ نانوفاراد است .

خازن های پلیستر امروزه به وفور در مدارات الکترونیک مورد استفاده قرار می گیرند . این خازنها در برابر حرارت زیاد معیوب می شوند و بنابراین هنگام لحیمکاری باید به این نکته توجه داشت .

۶۱

 

رنگ شماره
سیاه ۰      قهوه ای ۱      قرمز ۲      نارنجی ۳      زرد ۴      سبز ۵      آبی ۶      بنفش ۷      خاکستری ۸

خازن ها با هر ظرفیتی وجود ندارند . بطور مثال خازن های ۲۲ میکروفاراد یا ۴۷ میکروفاراد وجود دارند ولی خازن های ۲۵ میکروفاراد یا ۱۱۷ میکروفاراد وجود ندارند.
فرض کنیم بخواهیم خازن ها را با اختلاف ظرفیت ده تا ده تا بسازیم . مثلاً ۱۰ و ۲۰ و ۳۰ و . . . به همین ترتیب . در ابتدا خوب بنظر می رسد ولی وقتی که به ظرفیت مثلاً ۱۰۰۰ برسیم چه رخ می دهد ؟
مثلاً ۱۰۰۰ و ۱۰۱۰ و ۱۰۲۰ و . . . که در اینصورت اختلاف بین خازن ۱۰۰۰ میکرو فاراد با ۱۰۱۰ میکروفاراد بسیار کم است و فرقی با هم ندارند پس این مسئله معقول بنظر نمی رسد . برای ساختن یک رنج محسوس از ارزش خازن ها ، میتوان برای اندازه ظرفیت از مضارب استاندارد ۱۰ استفاده نمود . مثلاً ۷/۴ – ۴۷ – ۴۷۰ و . . . و یا ۲/۲ – ۲۲۰ – ۲۲۰۰ و غیره .

ظرفیت گذاری خازنها

برروی خازن های الکترولیت ظرفیت را با اعدادنشان می دهند . وهم چنین قطب پایه های آنرا نیز با گذاشتن یک علامت (+ )یا( – )مشخص میکنند.البته علامت ( -) عمومیت بیشتری دارد و روی اکثر خازنهای الکترولیت قرار دارد که نشان دهنده قطب منفی خازن میباشد.
اکثر خازنهای الکترولیت دارای قطب مثبت ومنفی هستند و ظرفیت شان هم بالای یک میکروفاراد است که در موقع جاگذاشتن باید به قطبیت آن توجه نمود . درصورت که پایه ها اشتباه درمحل قرار گیرد.در تلویزیونهای رنگی(ومانیتورها) که مدارات حساسی دارند.باعث بروز عیوب پیچیده میگردند.حتی احتمال منفجر شدن خازن نیز می رود . آسیب شدید نیز به مدارات مربوطه وارد می کند.
البته خازنهای الکترولیت بدون قطب هم در مدارات بکار میرود . مشخصات عمومی آن شبیه خازنهای قطب دار می باشد . با این تفاوت که در این خازنها پایه مثبت یا منفی ندارد . در موقع جاگذاری نیاز به دقت در مورد پایه های آن نیست . عموما در طبقات تغذیه و افقی از این خازنها استفاده میگردد (خیلی کم) در تلویزیونهای سیاه وسفید برای کوپلاژ یوک افقی ازاین خازنها استفاده میگردد وظرفیت آن عموما بین یک میکرو تاده میکرو میباشد.

توجه : تعدادی از تصاویر این مطلب از کتاب مبانی برق گرفته شده است

برای مطالب بیشتر در مورد خازن و مطالب گفته شده به لینک زیر مراجعه کنید:

مبانی برق (فصل یازدهم)

منابع استفاده شده در این مطلب

۱ – مبانی برق : مهندس فریدون قیطرانی

۲- فلوبد توماس ، اصول و مبانی مدار های الکتریکی

۳- مجموعه جزوات هنرستان نمونه دولتی آزادی فلسطین

خسته نباشید . در این قسمت هم خازن و عملکرد خازن رو توضیح دادیم . این مطالب رو خوب یاد بگیرید تا در جلسه ی بعدی بریم سراغ دنیای مغناطیس و سلف . یا علی .

درباره ی Mahdiyar

۱۲ دیدگاه

  1. با سلام
    من در زمینه لامپ های LED کار میکنم، برای این لامپ ها درایورهای جریان ثابت استفاده میشه، میخواستم علت خرابی و نحوه عیب یابی این درایورها رو یاد بگیرم، مثلا یه پاور، ولتاژ خروجیش صفره، یه پاور چشمک زن میشه و …
    ممنون میشم اگه راهنمایی کنید

  2. سلام
    شما نظر رو تایید میکنید بدون اینکه پاسخی به اون بدین ! دمت گرم

    • دوست عزیز مشکل از طرف ما بود. کمی پاسخ دیر ارسال شد. ازاین بابت عذر خواهی میکنیم.
      پاسختون رو میتونید مشاهده کنید.

  3. بسیار عالی مخصوصا که اموزشها همراه تصویر و عکس المان هست بسیار هم زیبا صفحه ارایی شده کار بی نظیر و خدمت ارزشمندی است. سپاسگذار و ممنونیم.

  4. سلام

    ESR در خازن ها چه مفهومی داره؟

    • سلام. معمولا در عمل عناصری مثل خازن ، سلف یا مقاومت ها ایده آل نبستند و عناصر دیگری نیز با آن ها وجود دارند. در کل هیچ مدار الکتریکی نبست که ۳ عنصر سلف خازن مقاومت را نداشته باشد و تمام مدار ها این ۳ عنصر را دارند. خازن هم علاوه بر خازن ایده آلی که دارد یک مقاومت سری با خود دارد که به ESR یا Equivalent Series Resistance معروف است. این مقاومت با خازن سری بوده و مقدار مقاومت آن به ولتاژ ، فرکانس ، دمای خازن بستگی دارد.

  5. با سلام و خسته نباشید
    من داننشجوی رشته الکترونیک در مقطع ارشد هستم
    موضوع پاین نامم در رابطه با نویز سوئیچینگ در مدارات سنکرون هست
    ممنون میشم بهم کمک کنید
    با تشکر

    • سلام به شما دوست عزیز
      باعث افتخار ماست که میکرولرن تونسته برای شما جذابیت ایجاد کنه. سوالتون را بفرمایید تا در صورت امکان کمکتون کنیم 🙂

      • ببخشید من باید نویز سوئیچینگ رو در مدارات سنکرون یا همزمان کاهش بدم.
        از دوستان کسی هست بتونه به من کمک کنه؟
        نرم افزار شبیه سازیم هم با hspice هست
        باز هم مممنون

  6. سلام و ممنونم از همه شما دوستان زحمتکش. خدا بهشتش رو برا همتون حلال کنه.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *