یک خازن یک قطعه پسیو است که قابلیت ذخیره سازی انرژی به صورت اختلاف پتانسیل بین صفحات خود را دارد. در برابر تغییرات ناگهانی ولتاژ مقاوم است. بار الکتریکی به صورت اختلاف پتانسیل بین دو صفحه ذخیره می شود که بسته به جهت ذخیره بار و قطب مثبت و منفی تشکیل می شود.
بین دو صفحه خازن یک ناحیه غیر رسانا وجود دارد که دی الکتریک نامیده می شود. دی الکتریک می تواند ناحیه خلا، هوا، میکا، کاغذ، سرامیک، آلومینیوم و غیره باشد. نام خازن به دلیل استفاده از دی الکتریک، نامیده شده است.
نماد و یکای خازن
یکای استاندارد خازن، فاراد است. عموماً مقادیر خازنها به صورت میکرو فاراد، پیکو فاراد و نانو فاراد می باشد. نماد خازنها در تصویر زیر نشان داده شده است:
ظرفیت خازنی با فاصله بین صفحات متناسب است و با مساحت صفحات رابطه عکس دارد. همچنین، هر چه گذردهی ماده بالاتر باشد، ظرفیت خازنی بیشتر می شود. میزان گذردهی میزان شار الکتریکی در ماده را نشان می دهد. تصویر زیر انواع خازن را نشان می دهد.
زمانیکه دو صفحه دارای یک مساحت A باشند و به صورت موازی با یکدیگر و به فاصله d از هم قرار گرفته باشند، اگر انرژی در صفحات فعال شود، آنگاه ظرفیت خازنی صفحات موازی به صورت زیر تعریف می شود:
بطوریکه:
= Cظرفیت خازن
= ε0گذردهی فضای خالی
= εr گذردهی دی الکتریک
= d فاصله بین صفحات
= Aمساحت دو صفحه رسانا
با مقداری ولتاژ اعمال شده، بار بر روی دو صفحه موازی خازن رسوب می کند. این رسوب بار به آهستگی رخ می دهد و هنگامیکه ولتاژ روی خازن برابر با ولتاژ اعمال شده است، شارژ متوقف می شود، زیرا ولتاژ ورودی برابر با ولتاژ خارج شده است.
درصد بار به مقدار ظرفیت خازنی بستگی دارد. ظرفیت بزرگتر موجب می شود که تغییرات ولتاژ صفحات به آهستگی انجام شود.
کار خازن
یک خازن به عنوان یک قطعه پسیو که انرژی الکتریکی را ذخیره می کند، به کار می رود. این انرژی الکتریکی در بخش الکترواستاتیک ذخیره می شود.
در ابتدا، بارهای مثبت و منفی بر روی هر دو صفحه خازن در تعادل هستند. خازن تمایلی به شارژ یا دشارژ شدن ندارد. بار منفی توسط تجمع الکترون ها شکل می گیرد، در حالیکه بار مثبت به دلیل تخلیه بار الکتریکی بوجود می آید. اگر بدون دادن هیچ نوع باری به خازن، شارژ شود، این حالت را شرایط الکترواستاتیک می گویند. تصویر زیر خازن را با بارهای استاتیک نشان می دهد.
تجمع و تخلیه الکترون ها که با توجه به تغییرات چرخه های مثبت و منفی منبع تغذیه AC بوجود می آید، جریان الکتریکی می باشد و آن را جریان جا بجایی می نامند. جهت این جریان در حالیکه تغذیه AC وجود داشته باشد، دائما در حال تغییر است.
شارژ خازن
زمانیکه ولتاژ خارجی داده می شود، بار الکتریکی به بار الکترواستاتیک تبدیل می شود. این مساله زمانیکه خازن در حال شارژ است اتفاق می افتد. قطب مثبت منبع تغذیه الکترون ها را از صفحه مثبت خازن جذب می کند و موجب مثبت شدن بیشتر آن می شود. قطب منفی منبع تغذیه، الکترون ها را به سمت صفحه منفی خازن می فرستد و موجب منفی تر شدن آن می شود. تصویر زیر این مساله را نشان می دهد.
در طول شارژ، الکترون ها در منبع تغذیه DC حرکت می کنند اما در دی الکتریک که یک عایق می باشد، حرکت نمی کنند. این جابجایی بزرگ است، هنگامیکه خازن شروع به شارژ شدن می کند اما با شارژ شدن کاهش می یابد، این جا بجایی بزرگ است. هنگامیکه ولتاژ خازن با ولتاژ منبع تغذیه برابر می شود، خازن شارژ را متوقف می کند.
دی الکتریک چیست؟
هنگامیکه بارها بر روی صفحات رسوب می کنند، یک بخش الکترواستاتیک شکل می گیرد. قدرت بخش الکترواستاتیک به مغناطیس بار بر روی صفحه و گذردهی ماده دی الکتریک بستگی دارد. گذردهی معیار دی الکتریک است بطوریکه اجازه می دهد تا خطوط الکترواستاتیک از آن عبور کند.
دی الکتریک در واقع یک عایق است. در مدار خارجی اتم ها، الکترون زیادی دارد. هنگامیکه در صفحات باری وجود ندارد، الکترون هایی که در دی الکتریک قرار دارند، به صورت یک مدار دایره ای حرکت می کنند. تصویر زیر این مساله را بیان می کند:
زمانیکه رسوب بار رخ می دهد، الکترون ها تمایل دارند تا به سمت صفحه بار مثبت حرکت کنند، اما همانطور که در شکل می بینید، همچنان می چرخند.
اگر بار بیشتر شود، مدارها گسترش بیشتری می یابند. اما اگر همچنان افزایش یابد، دی الکتریک موجب خراب شدن خازن می شود. اکنون که خازن کاملا شارژ شده، آماده تخلیه شدن است. باید مسیری برای آنها فراهم کنیم تا از صفحه منفی به صفحه مثبت منتقل شوند. الکترونها بدون نیاز به منبع تغذیه خارجی، جریان می یابند. این عدم تعادل به دلیل تخلیه خازن رخ می دهد.
همچنین، هنگامیکه مسیر تخلیه ایجاد شود، اتم های دی الکتریک تمایل دارند تا به مدار دایره ای برسند و به همین دلیل الکترونها را مجبور به تخلیه می کند. این نوع تخلیه همانند فلش دوربین، خازنها را برای ارسال جریان زیاد در زمان کوتاه فعال می کند.
کدگذاری رنگها
خازنها معمولاً به صورت زیر نامگذاری می شوند:
n35 = 0.35nF یا 3n5 = 3.5nF یا 35n = 35nF
گاهی وقتها بصورت 100K به این معنا که k = 1000pF نامگذاری می شوند. بنابراین مقدار آن برابر است با 100 × 1000pF = 100nF
امروزه اینگونه نامگذاری اعداد برای خازنها به کار می رود. به همین دلیل یک طرح کدگذاری رنگ بین المللی برای خازنها ایجاد می شود تا مقادیر خازنها برای همه مشخص شود. این کدگذاری رنگ به صورت زیر می باشد:
در این خازنهای 5 باند، دو باند اول از بالا مقدار خازن را بیان می کند، باند سوم مقدار ضریب، باند چهارم میزان تلورانس و باند پنجم میزان ولتاژ را بیان می کند. به مثال زیر توجه کنید:
مثال: کدگذاری رنگ خازنی بصورت زرد، بنفش، نارنجی، سفید و قرمز می باشد. مقدار آن به صورت زیر محاسبه می شود:
رنگ زرد معادل عدد 4، بنفش 7 که مقدار ظرفیت خازنی را بیان می کند، نارنجی 3، که مقدار ضریب را نشان می دهد. رنگ سفید ±10 است که میزان تلورانس می باشد. قرمز میزان ولتاژ را بیان می کند. در نتیجه خازن به صورت زیر تعریف می شود:
مقدار خازن : 47nF, 10% 250v
جدول زیر نشان می دهد که چگونه ولتاژها با توجه به باند خازنها تعیین می شوند:
با استفاده از این جدول، درصد ولتاژ برای هر باند از خازنها با توجه به رنگ داده شده مشخص می شود. نوع درصد ولتاژ، نوع خازن را نیز مشخص می کند. به عنوان مثال، نوع J خازنهای تانتالیوم، نوع K خازنهای میکا، نوع L خازن پلی پروپیلن، نوع M خازنهای باند 4 الکترولیت و نوع N خازنهای باند 3 الکترولیت هستند.
مقاومت القایی خازن
مقاومت القایی خازن در تقابل با جریان AC می باشد. یک خازن در برابر تغییر جریان مقاومت می کند، به همین دلیل به آن راکتانس می گویند، همچنین فرکانس جریان ورودی نیز باید به همراه مقاومتی که ارائه می دهد، در نظر گرفته شود.
ضریب دمای خازن ها
ضریب دمای یک خازن، حداکثر تغییر در ظرفیت خازن در محدوده دمایی مشخص می باشد. این مساله بیان می کند که وقتی دما از یک نقطه خاصی فراتر رود، تغییر ظرفیت خازنی که ممکن است رخ بدهد را ضریب دمای خازنها می گویند.
تمام خازنها معمولاً با در نظر گرفتن دمای مرجع 25 درجه سانتی گراد ساخته می شوند. به همین دلیل ضریب دمای خازنها برای مقادیر دمایی که بالاتر و کمتر از این مقدار هستند در نظر گرفته می شود.
