خازن^[۱] یا انباره عبارتست از دو صفحهٔ موازی فلزی که در میان آن لایه‌ای از هوا یا عایق قرار دارد. خازن‌ها انرژی الکتریکی را نگهداری می‌کنند و به همراه مقاومت‌ها، در مدارات تایمینگ استفاده می‌شوند. همچنین از خازن‌ها برای صاف کردن سطح تغییرات ولتاژ مستقیم استفاده می‌شود. از خازن‌ها در مدارات به‌عنوان فیلتر هم استفاده می‌شود. زیرا خازن‌ها به راحتی سیگنالهای متناوب را عبور می‌دهند ولی مانع عبور سیگنالهای مستقیم می‌شوند.

خازن المان الکتریکی است که می‌تواند انرژی الکتریکی را توسط میدان الکترواستاتیکی (بار الکتریکی) در خود ذخیره کند. انواع خازن در مدارهای الکتریکی بکار می‌روند. خازن را با حرف C که ابتدای کلمه capacitor است نمایش می‌دهند.

با توجه به اینکه بار الکتریکی در خازن ذخیره می‌شود؛ برای ایجاد میدانهای الکتریکی یکنواخت می‌توان از خازن استفاده کرد. خازنها می‌توانند میدانهای الکتریکی را در حجم‌های کوچک نگه دارند؛ به علاوه می‌توان از آنها برای ذخیره کردن انرژی استفاده کرد.

محتویات

[نهفتن]

۱ ظرفیت خازن
۲ ساختمان خازن
۳ انواع خازن
- ۳.۱ خازنهای ثابت
  - ۳.۱.۱ خازنهای سرامیکی
  - ۳.۱.۲ خازنهای ورقه‌ای
    - ۳.۱.۲.۱ خازنهای کاغذی
    - ۳.۱.۲.۲ خازنهای پلاستیکی
  - ۳.۱.۳ خازنهای میکا
  - ۳.۱.۴ خازنهای الکترولیتی
    - ۳.۱.۴.۱ خازن آلومینیومی
    - ۳.۱.۴.۲ خازن تانتالیوم
- ۳.۲ خازنهای متغیر
  - ۳.۲.۱ خازن‌های تریمر
- ۳.۳ انواع خازن بر اساس شکل ظاهری آنها
  - ۳.۳.۱ خازن مسطح
- ۳.۴ انواع خازن‌ها بر اساس دی‌الکتریک آن‌ها
۴ کاربرد خازنها در مدارات دیجیتال و انالوگ
۵ شارژ یا پر کردن یک خازن
۶ دشارژ یا تخلیه یک خازن
۷ تأثیر ماده دی‌الکتریک
۸ میدان الکتریکی درون خازن تخت
۹ به هم بستن خازنها
- ۹.۱ بستن خازنها به روش موازی
  - ۹.۱.۱ ظرفیت معادل در حالت موازی
- ۹.۲ بستن خازنها بصورت متوالی
  - ۹.۲.۱ ظرفیت معادل در حالت متوالی
۱۰ انرژی ذخیره شده در خازن
۱۱ کد رنگی خازن‌ها
۱۲ کد عددی خازن‌ها
۱۳ منابع

ظرفیت خازن[ویرایش]

ظرفیت معیاری برای اندازه‌گیری توانایی نگهداری انرژی الکتریکی است. ظرفیت زیاد بدین معنی است که خازن قادر به نگهداری انرژی الکتریکی بیشتری است. باید گفت که ظرفیت خازن‌ها یک کمیت فیزیکی‌ست و به ساختمان خازن وابسته‌است و به مدار و اختلاف پتانسیل بستگی ندارد.

واحد اندازه گیری ظرفیت فاراد است. ۱ فاراد واحد بزرگی است و مشخص کننده ظرفیت بالا می‌باشد. بنابراین استفاده از واحدهای کوچک‌تر نیز در خازنها مرسوم است. میکروفاراد (µF)، نانوفاراد (nF) و پیکوفاراد (pF) واحدهای کوچک‌تر فاراد هستند.

نسبت مقدار باری که روی صفحات انباشته می‌شود بر اختلاف پتانسیل دو سر باتری را ظرفیت خازن (C) گویند؛ که مقداری ثابت است.

$C = k\varepsilon _0 \frac{A}{d}$

در این رابطه:

C = ظرفیت خازن بر حسب فاراد
Q = بار ذخیره شده برحسب کولن
V = اختلاف پتانسیل دو سر مولد برحسب ولت
ε₀ = قابلیت گذر دهی خلا است که برابر است با: $8.85 \times 10^{-12} \frac{C^2}{N.m^2}$
k (بدون یکا) = ثابت دی‌الکتریک است که برای هر ماده‌ای فرق دارد. تقریباً برای هوا و خلأ 1=K است و برای محیطهای دیگر مانند شیشه و روغن ۱
A = سطح خازن بر حسب $m^2$
d =فاصله بین دو صفه خازن بر حسب متر(m)

چند نکته

آزمایش نشان می‌دهد که ظرفیت یک خازن به اندازه بار (q) و به اختلاف پتانسیل دو سر خازن (V) بستگی ندارد بلکه به نسبت q/v بستگی دارد.
بار الکتریکی ذخیره شده در خازن با اختلاف پتانسیل دو سر خازن نسبت مستقیم دارد.
ظرفیت خازن با فاصله بین دو صفحه نسبت عکس دارد.
ظرفیت خازن با مساحت هر یک از صفحات و جنس دی‌الکتریک (K) نسبت مستقیم دارد.

به عبارت ساده انرژی ذخیره شده در یک خازن یک فارادی ۲۲۰ ولتی میتواند یک مصرف کننده ۶،۷۲۲ وات بر ساعت را به مدت یک ساعت روشن کند .

$\mbox{24200 W.s} =\,\mathrm \frac{1}{2} {{1F \times 220V}^2 }$

و یا انرژی ذخیره شده در یک خازن یک فارادی ۱۲ ولتی میتواند یک مصرف کننده ۰،۰۲ وات بر ساعت را به مدت یک ساعت روشن کند .

$\mbox{72 W.s} =\,\mathrm \frac{1}{2} {{1F \times 12V}^2 }$

فرمول : $\mbox{W} =\,\mathrm \frac{1}{2} {{CV}^2}=J$

ساختمان خازن[ویرایش]

یک نمایش ساده از خازنی با صفحه‌های موازی

ساختمان داخلی خازن از دو قسمت اصلی تشکیل می‌شود:

صفحات هادی
عایق بین هادیها (دی‌الکتریک)

هرگاه دو هادی در مقابل هم قرار گرفته و در بین آنها عایقی قرار داده شود، تشکیل خازن می‌دهند. معمولاً صفحات هادی خازن از جنس آلومینیوم، روی و نقره با سطح نسبتاً زیاد بوده و در بین آنها عایقی (دی‌الکتریک) از جنس هوا، کاغذ، میکا، پلاستیک، سرامیک، اکسید آلومینیوم و اکسید تانتالیوم استفاده می‌شود. هر چه ضریب دی‌الکتریک یک ماده عایق بزرگ‌تر باشد آن دی‌الکتریک دارای خاصیت عایقی بهتر است. به عنوان مثال، ضریب دی‌الکتریک هوا ۱ و ضریب دی‌الکتریک اکسید آلومینیوم ۷ می‌باشد. بنابراین خاصیت عایقی اکسید آلومینیوم ۷ برابر خاصیت عایقی هوا است.

انواع خازن[ویرایش]

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[ویرایش]

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 دی‌الکتریک 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:
- سرامیکی
- خازنهای ورقه‌ای
- خازنهای میکا
- خازنهای الکترولیتی
- آلومینیومی
- تانتالیوم

خازنهای سرامیکی[ویرایش]

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 بسامدکار 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[ویرایش]

در خازنهای ورقه‌ای از کاغذ و مواد پلاستیکی به سبب انعطاف پذیری آنها، برای دی‌الکتریک استفاده می‌شود. این گروه از خازنها خود به دو صورت ساخته می‌شوند:

خازنهای کاغذی[ویرایش]

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[ویرایش]

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[ویرایش]

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 0/01 تا ۱میکروفاراد 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[ویرایش]

یک نمونه خازن الکترولیت رایج

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[ویرایش]

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[ویرایش]

نوشتار اصلی : خازن تانتالیوم

خازن تانتالیوم

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[ویرایش]

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 رادیوییاستفاده 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
- واریابل
- تریمر

خازن‌های تریمر[ویرایش]

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[ویرایش]

خازن مسطح (خازن تخت)
خازن کروی
خازن استوانه‌ای

خازن مسطح[ویرایش]

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.

انواع خازن‌ها بر اساس دی‌الکتریک آن‌ها[ویرایش]

مواد به کار رفته در خازن. از چپ: سرامیک چندلایه، دیسک سرامیکی، فیلم پلی‌استر چندلایه، سرامیکی لوله‌ای،یونولیت، فیلم پلی‌استر متالیزه‌شده، الکترولیتی آلمینیوم.

خازن کاغذی
خازن الکترونیکی
خازن سرامیکی
خازن متغیر

کاربرد خازنها در مدارات دیجیتال و انالوگ[ویرایش]

در مدارهای دیجیتال از خازنها به عنوان عنصر ذخیره کنندهٔ انرژی استفاده می‌کنند که در یک لحظه شارژ و در لحظه دیگر دی شارژ می‌شود ولی در مدارات انالوگ از خازن جهت ایزوله کردن (جداساختن) دو منبع متناوب و مستقیم استفاده می‌شود. خازن در برابر ولتاژ متناوب مثل اتصال کوتاه عمل می‌کند و اجازه ورود یا خروج می‌دهد ولی در مقابل ولتاژ مستقیم همانند سد عمل می‌کند و اجازه ورود و یا خارج شدن ولتاژ مستقیم از مدار را به قسمت تحت ایزوله خود نمی‌دهد.

شارژ یا پر کردن یک خازن[ویرایش]

یک مدار خازنی-مقاومتی ساده که چگونگی شارژ خازن را نمایش می‌دهد.

وقتی که یک خازن بی‌بار را به دو سر یک باتری وصل کنیم؛ الکترون‌ها در مدار جاری می‌شوند. بدین ترتیب یکی از صفحات بار مثبت و صفحه دیگر بار منفی پیدا می‌کند. آن صفحه‌ای که به قطب مثبت باتری وصل شده؛ بار مثبت و صفحه دیگر بار منفی پیدا می‌کند. خازن پس از ذخیره کردن مقدار معینی از بار الکتریکی پر می‌شود. یعنی وجود اینکه کلید همچنان بسته‌است، ولی جریانی از مدار عبور نمی‌کند و در واقع جریان به صفر می‌رسد. یعنی به محض اینکه یک خازن خالی بدون بار را در یک مدار به مولد متصل کردیم؛ پس از مدتی کوتاه عقربه گالوانومتر دوباره روی صفر بر می‌گردد. یعنی دیگر جریانی از مدار عبور نمی‌کند. در این حالت می‌گوییم خازن پرشده‌است.

دشارژ یا تخلیه یک خازن[ویرایش]

ابتدا خازنی را که پر است در نظر می‌گیریم. دو سر خازن را توسط یک سیم به همدیگر وصل می‌کنیم. در این حالت برای مدت کوتاهی جریانی در مدار برقرار می‌شود و این جریان تا زمانی که بار روی صفحات خازن وجود دارد برقرار است. پس از مدت زمانی جریان صفر خواهد شد. یعنی دیگر باری بر روی صفحات خازن وجود ندارد و خازن تخلیه شده‌است.

تأثیر ماده دی‌الکتریک[ویرایش]

وقتی که خازنی را به مولدی وصل می‌کنیم؛ یک میدان یکنواخت در داخل خازن بوجود می‌آید. این میدان الکتریکی بر توزیع بارهای الکتریکی اتم‌های عایقی که در بین صفحات قرار دارد اثر می‌گذارد و باعث می‌شود که دوقطبی‌های موجود در عایق طوری شکل‌گیری کنند؛ که در یک سمت عایق بارهای مثبت و در سمت دیگر آن بارهای منفی تجمع یابند. توزیع بارهایی که در لبه‌های عایق قرار دارند، بر بارهای روی صفحات خازن اثر می‌گذارد. یعنی بارهای منفی روی لبه‌های عایق، بارهای مثبت بیشتری را روی صفحات خازن جمع می‌کند؛ و همینطور بارهای مثبت روی لبه‌های عایق بارهای منفی بیشتری را روی صفحات خازن جمع می‌کند. بنابراین با افزایش ثابت دی‌الکتریک (K) می‌توان بارهای بیشتری را روی خازن جمع کرد و باعث افزایش ظرفیت یک خازن شد. با گذاشتن دی‌الکتریک در بین صفحات یک خازن ظرفیت آن افزایش می‌یابد.

میدان الکتریکی درون خازن تخت[ویرایش]

در فضای بین صفحات خازن باردار میدان الکتریکی یکنواختی برقرار می‌شود که جهت آن همواره از صفحه مثبت خازن به سمت صفحه منفی خازن است. اندازه میدان همواره یک عدد ثابت می‌باشد و از فرمول زیر بدست می‌آید:

$E=\frac{V}{d}$

که در آن:

E: میدان الکتریکی
V: اختلاف پتانسیل دو سر خازن
d: فاصله بین دو صفحه خازن

میدان الکتریکی با اختلاف پتانسیل دو سر خازن نسبت مستقیم و با فاصله بین صفحات خازن نسبت عکس دارد.

به هم بستن خازنها[ویرایش]

خازنها در مدار به دو صورت بسته می‌شوند:

موازی
متوالی (سری)

بستن خازنها به روش موازی[ویرایش]

خازن‌هایی که موازی به هم متصل شده‌اند.

در بستن به روش موازی، بین خازنها دو نقطه اشتراک وجود دارد. در این روش:

اختلاف پتانسیل برای همة خازنها یکی است.
بار ذخیره شده در کل مدار برابر است با مجموع بارهای ذخیره شده در هریک از خازنها.

ظرفیت معادل در حالت موازی[ویرایش]

با فرض اینکه سه خازن به نام‌های ۱، ۲ و ۳ در اختیار داشته باشیم:

V = V_1 = V_2 = V_3

Q = Q_1 + Q_2 + Q_3

(Q:بار کل دو خازن است)

CV = C_1V_1 + C_2V_2 + C_3V_3

ظرفیت کل:

C = C_1 + C_2 + C_3

جریان کل:

$I = I_1 + I_2 + I_3$

اندیسها مربوط به خازنهای ۱ ؛ ۲ و ۳ می‌باشد.

بنابراین هرگاه چند خازن باهم موازی باشند، ظرفیت خازن معادل برابر است با مجموع ظرفیت خازن‌ها.

بستن خازنها بصورت متوالی[ویرایش]

بستن خازن‌ها به صورت سری.

در بستن به روش متوالی بین خازن‌ها یک نقطه اشتراک وجود دارد و تنها دو صفحه دو طرف مجموعه به مولد بسته شده و از مولد بار دریافت می‌کند؛ صفحات مقابل نیز از طریق القاء بار الکتریکی دریافت می‌کنند. بنابراین اندازه بار الکتریکی روی همه خازنها در این حالت باهم برابر است. در بستن خازنها به طریق متوالی:

بارهای روی صفحات هر خازن یکی است.
اختلاف پتانسیل دو سر مدار برابر است با مجموع اختلاف پتانسیل دو سر هر یک از خازن‌ها.

_(در حالت متوالی بین 2 خازن، ولتاژ دو برابر و میکرو فاراد تقسیم بر دو میشود مثلاً دو خازن 25v 1000uF داریم. و اگر بطور متوالی به یکدیگر اتصال دهیم، میشود: 50v 500uF )

ظرفیت معادل در حالت متوالی[ویرایش]

بار کل:

$Q = Q_1 = Q_2 = Q_3$

اختلاف پتانسیل کل:

$V = V_1 + V_2 + V_3$

$\frac{q}{C} = \frac{q_1}{C_1} + \frac{q_2}{C_2} + \frac{q_3}{C_3}$

$\frac{1}{C} = \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2} + \frac{1}{C_3}$

جریان کل:

$I = I_1 = I_2 = I_3$

بنابراین وارون ظرفیت معادل در حالت متوالی، برابر است با مجموع وارون ظرفیت هریک از خازن‌ها.

انرژی ذخیره شده در خازن[ویرایش]

پر شدن یک خازن باعث بوجود آمدن بار ذخیره در روی آن می‌شود و این هم باعث می‌شود که انرژی روی صفحات ذخیره گردد. کاری که در فرایند پر شدن خازن (شارژ) انجام می‌شود را می‌توان محاسبه نمود.

کد رنگی خازن‌ها[ویرایش]

در خازن‌های پلیستر برای سالهای زیادی از کدهای رنگی بر روی بدنه آنها استفاده می‌شد. در این کدها سه رنگ اول ظرفیت را نشان می‌دهند و رنگ چهارم تولرانس (درصد خطا) را نشان می‌دهد. برای مثال قهوه‌ای - مشکی - نارنجی، به معنی ۱۰۰۰۰ پیکوفاراد یا ۱۰ نانوفاراد است. خازن‌های پلیستر امروزه به وفور در مدارات الکترونیک مورد استفاده قرار می‌گیرند. این خازنها در برابر حرارت زیاد معیوب می‌شوند و بنابراین هنگام لحیم‌کاری باید به این نکته توجه داشت.

ترتیب رنگی خازن‌ها به ترتیب از ۰ تا ۹ به صورت زیر است:

سیاه، قهوه‌ای، قرمز، نارنجی، زرد، سبز، آبی، بنفش، خاکستری، سفید

خازن‌ها با هر ظرفیتی وجود ندارند. بطور مثال خازن‌های ۲۲ میکروفاراد یا ۴۷ میکروفاراد وجود دارند ولی خازن‌های ۲۵ میکروفاراد یا ۱۱۷ میکروفاراد وجود ندارند. دلیل اینکار چنین است:

فرض کنیم بخواهیم خازن‌ها را با اختلاف ظرفیت ده تا ده تا بسازیم. مثلاً ۱۰ و ۲۰ و ۳۰ و.... در ابتدا خوب به‌نظر می‌رسد ولی وقتی که به ظرفیت مثلاً ۱۰۰۰ برسیم چه رخ می‌دهد؟ مثلاً ۱۰۰۰ و ۱۰۱۰ و ۱۰۲۰ و... که در اینصورت اختلاف بین خازن ۱۰۰۰ میکروفاراد با ۱۰۱۰ میکروفاراد بسیار کم است و فرقی با هم ندارند پس این مساله معقول به‌نظر نمی‌رسد. برای ساختن یک رنج محسوس از ارزش خازن‌ها، می‌توان برای اندازه ظرفیت از مضارب استاندارد ۱۰ استفاده نمود. مثلاً ۷/۴ - ۴۷ - ۴۷۰ و... و یا ۲/۲ - ۲۲۰ - ۲۲۰۰ و...

کد عددی خازن‌ها[ویرایش]

در خازن‌های الکترولیتی معمولاً ظرفیت به صورت یک عدد مشخص با واحد مربوطه‌اش (pf,nf و...) در کنار ولتاژ ذخیره سازی (حداکثر ولتاژ که در خازن ذخیره می‌شود) نوشته شده‌است. اما در سایر خازن‌ها یک عدد ۳ رقمی به همراه یک حرف انگلیسی (k , j یا m)نوشته شده‌است. برای محاسبهٔ ظرفیت این نوع خازن‌ها دو عدد اول را در ده به توان عدد سوم ضرب می‌کنیم که واحد را بر حسب پیکوفاراد به دست می‌دهد. برای مثال اگر روی خازنی عدد 684k نوشته شده باشد به این معنی است که ظرفیت این خازن برابر است با: ۱۰۰۰۰×۶۸ پیکوفاراد یعنی ۶۸۰ نانوفاراد یا ۰٫۶۸ میکروفاراد. حروف نیز به ترتیب بیانگر خطاهای پنج درصد برای j ده درصد برای k و بیست درصد برای m می‌باشند.^[۲]

منیع : ویکی پدیا فارسی

هوالعلیم

معرفی خازن و مقاومت و دیود و ترانس و رگولاتور و ساخت منبع تغذیه

ما در این بخش به معرفی قطعات پر کاربرد مداری میپردازیم و در آخر با این قطعات یک منبع تغذیه برای انجام آزمایش های بعدی میسازیم.

مقاومت ها:

مقاومت یکی از پایه ای ترین قطعات ساخت مدار های الکترونیکی است. شما نمیتوانید مداری را بیابید که در آن به طور مستقیم یا غیر مستقیم مقاومتی وجود نداشته باشد. کار مقاومت دقیقا همانطور که از اسمش پیداست مقاومت در برابر عبور جریان الکتریکی است. طبق عث معمول روال دوره ما مقاومت را میتوانیم شبیه یک پدیده فیزیکی قابل لمس تر مثل شکل زیر بیان کنیم که کم شدن قطر لوله باعث ایجاد مقاومت در برابر جریان آب عبوری از آن میشود.

در الکترونیک قانونی تحت عنوان قانون اهم وجود دارد که رابطه بین جریان و ولتاژ یک مقاومت را بیان میکند.

یعنی اگر دو سر یک مقاومت مثلا 1 کیلو اهمی را به یک باتری 1.5 ولتی متصل کنیم جریان عبوری از آن 1.5 میلی آمپر میشود.

مقاومت های موجود در بازار به شکل های زیر وجود دارند:

ما معمولا از مقاومت های ¼ وات که اندازه متوسطی دارند استفاده میکنیم. مقاومت های با توان های بالاتر تحت عنوان آجری نیز در بازار وجود دارند که تفاوتشان همان طور که گفتم در توان قابل تحملشان است. توان یک مقاومت از رابطه زیر بدست می آید.

مقدار مقاومت ها را میتوان از روی رنگ های روی بدنه شان قرائت کرد . برای یادگیری نحوه خواندن مقدار مقاومت اینجا کلیک کنید .

با پیشرفت تکنولوژی ساخت قطعات، قطعاتی تحت عنوان SMD بوجود آمده اند که مثل قطعات بالا پایه ندارند و باید روی برد مدارچاپی لحیم شوند. تنها تفاوت آنها در سایز قطعات است. تمام قطعات تقریبا مدل های مشابه smd خودشان را دارند. در شکل زیر خازنی به صورت smd را در حالت لحیم شده مشاهده می کنیم.

مقاومت ها همیشه مقدار ثابتی ندارند. مقاومت های متغیری هم وجود دارند که قابل تنظیم هستند.در بازار به آنهایی که یک پیچ روی بدنه شان دارند که با پیچگوشتی باید چرخیده شود پتانسیومتر و بهآنهایی که یک اهرم برای چرخیدن دارند ولوم میگویند

با مراجعه به فروشگاه های اینترنتی مثل

www.eshop.eca.ir

www.iranmicro.ir

www.roboeq.ir

و دیگر فروشگاه ها میتوانید با انواع دیگر این قطعات آشنا شوید.

خازن:

خازن دومین قطعه ی اصلی مدارات میباشد. شرح کار آن به این صورت است که وقتی یک ولتاژ به خازن خالی اعمال میکنیم شروع به شارژ شدن میکند و بار های الکتریکی را در خود ذخیره میکند و با قطع کردن منبع بار ها را در خود حفظ میکند و میتواند آنها را به نقطه ی دیگری از مدار انتقال دهد. برای مثال شکل زیر اتصال یک خازن پر را به یک مقاومت نشان میدهد. خازن در حالت خالی بودن مانند یک سیم اتصال کوتاه میماند و کم کم با گذشت جریان از آن ، در مقابل عبور جریان مقاومتش زیاد میشود تا جایی که ولتاژش با ولتاژ منبع یکی شود.

این عمل را شارژ شدن خازن میگویند. کاربرد خازن در مدارات معمولا به این صورت است که در مقابل تغییرات ولتاژ دوسرش مقاومت میکند در مواقعی که ولتاژ زیاد است بار در خود ذخیره میکند و وقتی ولتاژ کم شد بار را به مدار تحویل میدهد.

خازن های در بازار به چند شکل سرامیکی، پلی استر(film capacitors) و الکترولیتی یافت میشوند که هر کدام ویژگی های خاص خودشان را دارند. به طور کلی خازن های الکترولیتی دارای ظرفیت های بالاتری هستند و نکته مهم این است که جهت پایه های + و – دارند که روی بدنه شان معمولا با یک خط سفید – نمایش داده شده است(به شکل زیر توجه کنید دو خازن وسطی و راستی خط دارند) خازن های سرامیکی محدوده ولتاژ و ظرفیت کمتری را شامل میشوند و خازن های پلی استر در ظرفیت های کم و ولتاژ های بالا استفاده میشوند و در فرکانس های بالا عملکرد بهتری دارند. خود این 3 دسته نیز انواع و اقسام زیر مجموعه ها را دارند که برای اطلاعات بیشتر اینجا کلیک کنید.

نکته مهم در هنگام خرید خازن های الکترولیتی ولتاژ کاری آنها است. باید توجه کنید که ولتاژ آن با ولتاژ مدارتان سازگاری داشته باشد.

خازن ها نیز نمونه های smd دارند که میتوانید در فروشگاه ها مدل های مختلفشان را مشاهده کنید.

دیود:

دیود به طور کلی شبیه یک شیر آب یک طرفه است که جریان را از یک جهت عبور میدهد و از جهت دیگر عبور نمیدهد. البته انواع بسیاری از دیود ها هستند که همچین کاری انجام نمیدهند ولی دیود هایی مثل 1N4007 که به قولی General purpose هستند همچین مشخصه ای دارند. در شکل زیر در پایین شکل، نمای مداری دیود و بالای شکل نمای واقعی یک دیود نمایش داده شده است که با آن میتوانید کاتد و آند دیود را مشاهده کنید.

دیود اگر ولتاژ آندش بیشتر از کاتدش شود (حدود 0.7 ولت) شروع به هدایت میکند و جریان را از خود عبور میدهد برای مثال در شکل زیر یک مدار دیودی داریم که به آن یک ولتاژ سینوسی اعمال کردیم و دیود قسمت های + ورودی را از خود رد کرده و به قسمت های منفی ولتاژ اجازه ی عبور

در شکل زیر نمای واقعی دیودی که از آن استفاده خواهیم کرد را میبینید. نام این دیود 1N4007 است که دیتاشیت یا برگه ی اطلاعات آن را میتوانید از لینک زیر مشاهده کنید. در دیتا شیت هر قطعه مشخصات الکتریکی و مکانیکی و حرارتی آن قطعه و گاها نحوه ی کار با آن شرح داده میشود. دیتاشیت های یک قطعه را میتوانید با سرچ نام آن در گوگل بدست آورید.

دیتا شیت نمونه ای از این قطعه را می توانید اینجا دانلود کنید.

حالا به معرفی انواع دیود ها میپردازیم :

دیود های یکسو کننده یا رکتیفایر: 1N4007 از این نوع دیود هاست که برای یکسو کردن برق(بعدا بیشتر بحث میکنیم) یا کاربرد های معمولی از آنها استفاده میشوند. دونوع خیلی متعارف این دیود ها 1N4007 و 1N4148 هستند. این دیود ها مشخصه ی جریان و ولتاژی شبیه شکل زیر دارند:

همان طور که گفتیم در حدود 0.7 ولت برای دیود های سیلیکونی هدایت آغاز میشود. همان طور که در شکل پیداست ناحیه ای به نام ناحیه شکست نیز در این دیود ها وجود دارد که اگر ولتاژ معکوس روی دیود از آن بیشتر شود دیود میشکند و جریان زیادی از خود عبور میدهد و اگر جریان آن کنترل نشود میسوزد. برای 1N4007 این ولتاژ 1000 ولت است.

دیود های زنر:

این دیود ها مثل دیود های معمولی هستند با این تفاوت که ولتاژ شکستشان دقیقا مشخص است. شما مثلا دیود زند 6.8 ولتی خریداری میکنید که ولتاژ شکستش 6.8 ولت است. این دیود ها کاربردشان در ناحیه شکستشان است. مثلا یکی از کابرد هایشان در رگوله کردن ولتاژ است. رگولاتور وسیله ای است که سعی میکند ولتاژ ورودی اش را هر چقدر هم که باشد به یک ولتاژ ثابت در خروجی تبدیل کند. در مدار زیر هم این زنر نقش رگولاتور را ایفا میکند وقتی ولتاژش بیشتر از ولتاژ Vz شود میشکند و ولتاژ را روی Vz ثابت میکند. البته رگولاتور های بهتری در بازار هست که بعدا به معرفی آنها میپردازیم.

دیود های نوری (LED): این دیود ها بسیار پرکاربرد هستند. در صورت عبور جریان از LED ، نوری از آن ساتع میشود. LED ها انواع مختلفی دارند از جمله LED های خود رنگ که بدنه شان همان رنگی است که نورشان است، LED های شیشه ای یا هایبرایت که بدنه شفاف دارند و نورشان بیشتر از LED های خودرنگ است و در نور ها بارنگ های مختلفی عرضه میشوند و LED های پاور که در سیستم های روشنایی جدید برای روشن کردن ساختمان یا ... به کار میروند و توان های بالایی دارند. عکس زیر 3 رنگ LED خودرنگ را نمایش میدهد.

برای روشن کردن LED باید یک مقاومت بین 100 اهم تا 1000 اهم با آن سری شود تا جریانش محدود شود و آسیب نبیند. مقاومت 1k اهم مقدار مناسبی است. همچنین کاتد و آند LED از اندازه پایه هایش معلوم میشود پایه بلند تر آند است

انواع دیگر دیود ها نیز وجود دارند که به دلیل پیچیده بودن مسائل تئوریشان و کم کاربرد بودن در مدار های ما به بیان آنها نمیپردازیم.

ترانس:

ترانس یا ترانسفورماتور شامل یک هسته ی آهنی(برای مصارف عادی) یا فریتی(برای مصارف فرکانس بالا) است دو طرف آن حداقل دو سیمپیچی پیچیده شده اند. اگر به یکی از این ورودی ها یک ولتاژ متناوب اعمال کنیم در طرف دیگر ولتاژی القا میشود که میتوان با تنظیم تعداد دور سیمپیچی ها نسبت این دو ولتاژ را تعیین کرد. به جایی که ولتاژ را به آن میدهیم اولیه ترانس میگوییم و به جا(ها)یی که از آن ولتاژ میگیریم ثانویه ترانس میگوییم.

ما از ترانس معمولا برای تبدیل برق 220 ولت شهر به برق مورد نیازمان مثلا 9 ولت یا 5 ولت استفاده میکنیم.

رگولاتور :

در بخش زنر ها یک مقدمه کوچکی از رگولاتورها بیان کردیم. گفتیم که رگولاتور وسیله ای است که ولتاژ خروجی اش را تثبیت میکند و ما یک زنر را در حالت رگولاتوری نشان دادیم. این زنر ها دقت بالایی ندارند و جریان های زیادی را نمیتوانند رگوله کنند. به همین دلیل رگولاتور هایی با قابلیت جریان بالا و دقت بالا در بازار به فروش میرسد از این رگولاتور ها میتوان به خانواده 78xx که به جای xx ، 05 یا 09 یا 12 یا ... مینشیند و نشان دهنده ولتاژ خروجی آن است اشاره کرد. برای مثال 7805 ولتاژ 5 ولت در خروجی اش تولید میکند. رگولاتور های قابل تنظیم ولتاژ خروجی نیز وجود دارند مثل Lm317 که ولتاژ خروجی اش قابل عوض شدن است. در شکل زیر یک رگولاتور 7805 را مشاهده میکنید. توجه کنید که این یک بسته بندی است ممکن است قطعه ای شبیه این بیابید که ترانزیستور یا دیود یا ... باشد. نام این بسته بندی TO220 میباشد. این رگولاتور ولتاژ رگوله نشده را از پایه سمت چپ خود دریافت میکند و در سمت راست ولتاژ ثابت 5 میدهد. پایه وسط زمین مدار است. اگر کمی گیج کننده بود نگران نباشید در انتهای بحث یک منبع تغذیه با این رگولاتور ها میسازیم!

خازن ها برای صاف کردن ولتاژ خروجی و ورودی رگولاتور است.

برد برد (Bread board)

این وسیله محلی برای پیاده کردن مدار های نمونه ای است که میسازیم , برای به دست آوردن اطلاعات بیشتر به اینجا مراجعه کنید.

و اما ساخت منبع تغذیه :

هدف ما در این مدار تبدیل ولتاژ 220 ولت شهر به ولتاژ های 5 ولت و 12 ولت DC است.

لیست قطعات

برد برد

ترانس 220 به 12 یک آمپری

یک عدد پل دیودی 1 آمپری

خازن 470 میکرو فاراد 25 ولت و 100 میکرو 25 ولت یا 16 ولت

یک عدد LED به رنگ دلخواه

مقاومت 1 کیلو اهم

رگولاتور های 7805 و 7812

سیم بردبردی یا سیم خشک یک رشته

توجه کنید که ممکن است خازن یا مقاومت به تعداد کم را نفروشند و در بسته های 10 تایی یا ... بفروشند. اگر در تهران هستید تقاطع جمهوری و حافظ پاساژ عباسیان فروشگاه سیما الکترونیک و چهره الکترونیک قطعات به تعداد کم میفروشند.

برای شروع ما باید ولتاژ برق شهر را به 12 ولت AC تبدیل کنیم برای این کار از ترانس مان استفاده میکنیم. توجه کنید که سرهای ترانس روی قسمتی که از آن خارج شده اند ولتاژشان مشخص شده پس حواستان باشد که اشتباها به قسمت 12 ولت ترانس 220 را متصل نکنید و همچنین مراقب برق شهر نیز باشید.

حال باید ولتاژ AC را به DC تبدیل کنیم :

برای این کار ما از یک یکسو کننده تمام موج استفاده میکنیم. در قسمت دیود ها ما یکسو کننده نیم موج که نصف ولتاژ سینوسی را عبور میداد را دیدیم. با بستن 4 دیود در آرایش پل دیودی یا خرید یک عدد پل دیودی میتوانید یکسو کننده تمام موج داشته باشید.

همان طور که گفتم شما میتوانید یک پل دیودی را با بستن 4 دیود 1n4007 به شکلی که گفتیم بسازید یا این که یک پل دیودی از بازار تهیه کنید.

شکل بالا یک نمونه پل دیود 1 آمپر است. دو سری که علامت ~ دارند برای ورودی AC هستند و سر + و – هم که خروجی + و – پل میباشد.

حال ولتاژ ما یکسو شده است و باید آن را صاف کنیم. این کار را بوسیله ی خازن انجام میدهیم.

همان طور که مشاهده میکنید خروجی با قرار دادن یک خازن صاف میشود و به DC نزدیک میشود.

میتوانید در این مرحله یک LED را با مقاومت 1 کیلو اهمی سری کنید و با رعایت جهت LED به دو سر مدار بزنید و ببینید که روشن میشود.

حال باید ولتاژمان را رگوله کنیم این کار را با استفاده از رگولاتور 7805 و 7812 انجام میدهیم. در آخر مدارمان به شکل زیر خواهد شد.

همان طور که در جلسه قبل گفتیم زمین ها صرفا یک نماد هستند و باید به هم وصل شوند.

در جلسه بعد نحوه شبیه سازی این مدار را به شما نشان خواهیم داد ولی بهتر است خودتان دست به کار شوید و این مدار کاربردی را بسازید.

پروژه باز

یادگیری ، تجربه عملی ، ساخت پروژه

۲ مطلب با کلمه‌ی کلیدی «خازن» ثبت شده است

خازن ها