خازن یک قطعه الکترونیکی است که برای ذخیره انرژی الکتریکی استفاده می شود.
خازن ها از دو صفحه فلزی ساخته شده اند که توسط یک عایق، معمولاً یک دی الکتریک از هم جدا شده اند و می توانند شارژ را برای مدت زمانی ذخیره کنند.
آنها در طیف گسترده ای از مدارهای الکترونیکی استفاده می شوند و می توان از آنها برای فیلتر یا ذخیره انرژی استفاده کرد و همچنین می تواند برای ساخت مدارهای نوسانگر ساده استفاده شود.
در این مقاله به این خواهیم پرداخت که خازن چیست، چه کاربردی دارد و چگونه کار می کند.
خازن چیست؟
خازن جزء الکتریکی است که انرژی را به شکل بار الکتریکی ذخیره می کند. این شامل دو صفحه رسانا است که درون یک ماده دی الکتریک (مواد عایق) قرار دارد. هنگامی که به منبع برق متصل می شود، صفحات شارژ می شوند و انرژی الکتریکی در مواد دی الکتریک ذخیره می شود. این انرژی ذخیره شده می تواند در صورت نیاز آزاد شود و امکان استفاده از آن برای هر تعداد کاربرد را فراهم می کند.
خازن ها در اشکال، اندازه ها و مواد مختلفی وجود دارند - همه بسته به هدف آنها. رایج ترین نوع خازن به عنوان خازن فیلم شناخته می شود - این خازن از لایه های نازکی از پلاستیک یا سرامیک به عنوان ماده دی الکتریک استفاده می کند، با نوارهای فلزی نازک رسانا به نام "الکترود" در دو طرف. این نوع خازن ها به دلیل کم هزینه بودن و خواص بادوام، کاربرد گسترده ای در الکترونیک دارند.
خازن‌ها همچنین در کاربردهای دیگری مانند موتورها و منابع تغذیه مورد استفاده قرار می‌گیرند، جایی که به تنظیم ولتاژ یا فیلتر کردن نویز و تداخل کمک می‌کنند که می‌تواند باعث عملکرد نامنظم یا آسیب به اجزای خط شود. همانطور که الکترونیک پیچیده تر می شود، خازن ها نقش مهم تری را در این سیستم ها ایفا می کنند. کمک به حفظ جریان دقیق جریان در طول عملیات سوئیچینگ یا ایجاد بافر در برابر تغییرات ناگهانی سطوح ولتاژ از منابع خارجی.
انواع خازن
خازن ها در انواع، اندازه ها و سبک های مختلفی وجود دارند. برخی از خازن ها در سیستم های صوتی پیشرفته استفاده می شوند در حالی که برخی دیگر در رایانه ها یا سیستم های امنیتی خانگی استفاده می شوند. همه آنها یک هدف اساسی را دنبال می کنند. آنها انرژی الکتریکی را با آزاد شدن جریان ذخیره می کنند و با قطع جریان آن انرژی را برمی گردانند. انواع شامل موارد زیر است:
خازن های سرامیکی: این خازن ها معمولاً کوچک هستند و از قبل روی تخته های مدار لحیم می شوند. آنها یک دی الکتریک ساخته شده از مواد سرامیکی دارند و معمولاً برای الکترونیک سطح پایین مانند تداخل فرکانس رادیویی (RFI) استفاده می شوند. فیلترها برای تصفیه آب یا مدارهای بای پس
خازن های الکترولیتی: این خازن ها معمولاً به عنوان خازن های پلاریزه شناخته می شوند زیرا دارای یک ترمینال آند منفی، یک ترمینال کاتد مثبت و محلول الکترولیت در داخل بدنه خازن هستند که ظرفیت خازن بیشتری را امکان پذیر می کند. آنها معمولاً در منابع تغذیه، فیلترها، مدارهای زمان بندی و بسیاری دیگر از نقاط تنظیم قدرت یافت می شوند.
خازن های تانتالیوم: ساخته شده از اکسید تانتالیوم، این خازن ها از یک دی الکتریک حالت جامد (به جای الکترولیت مایع) استفاده می کنند. این به آنها عملکرد دمایی بهتری نسبت به خازن های الکترولیتی و همچنین پایداری بهتر در طول زمان و سازگاری بهتر بین محصولات دسته ای می دهد.
خازن فیلم/کاغذ: این نوع از فیلم یا کاغذ متالایزه ساخته می شود که به عنوان عایق بین دو صفحه فویل آلومینیومی عمل می کند که الکترودهای سطح بالایی ایجاد می کند تا بتواند بار الکتریکی بیشتری را ذخیره کند. معمولاً در جاهایی استفاده می‌شود که تحمل اغتشاشات الکتریکی به دلیل توانایی آنها در مقاومت در برابر جریان‌های موج ناشی از قوس الکتریکی یا شرایط اضافه ولتاژ جرقه مورد نیاز است.
Supercapacitor/ Ultracapacitor: همچنین به عنوان supercap/ ultra cap یا خازن دو لایه الکتروشیمیایی (EDLC) شناخته می شود، این نوع دارای ظرفیت ذخیره سازی بسیار بزرگ (به طور کلی بالاتر از بسیاری از انواع دیگر) با استقامت بهبود یافته (تا صدها هزار چرخه) است. این برای آن دسته از برنامه هایی طراحی شده است که به مقادیر زیادی انرژی در صورت تقاضا نیاز دارند، مانند وضعیت پشتیبان گیری برای مراکز داده که در آن ثانیه ها قبل از اینکه کسی بتواند به صورت دستی منبع تغذیه دیگری را روشن کند، حساب می شود.
موارد استفاده از خازن
خازن ها یک جزء اصلی الکتریکی هستند که در کاربردهای مختلف نقش مهمی ایفا می کنند. آنها معمولاً برای ذخیره انرژی الکتریکی، ایجاد فیلترها و در مدارهای زمان بندی استفاده می شوند. آنها همچنین در سیستم های صوتی اتومبیل و همچنین لوازم الکترونیکی مصرفی استفاده می شوند. بیایید برخی از کاربردهای خازن را با جزئیات بیشتری بررسی کنیم.
صاف کردن منبع تغذیه
خازن ها را می توان برای فیلتر کردن در مدار منبع تغذیه استفاده کرد و به ایجاد ولتاژ DC روان تر کمک کرد. این اغلب در مدارهایی دیده می شود که از منبع تغذیه استفاده می کنند، جایی که یکسوسازی جریان متناوب را به DC پالسی تبدیل می کند. یک خازن الکترولیتی معمولاً در سراسر خروجی یکسو کننده به عنوان یک عنصر صاف کننده برای منبع تغذیه متصل می شود. خازن به سرعت شارژ می شود و مقداری از بار خود را نگه می دارد تا به صاف کردن پالس های یکسو کننده کمک کند و ولتاژ پایدارتری برای تغذیه سایر اجزا فراهم کند. هرچه ظرفیت خازنی یا ظرفیت ذخیره سازی در خازن بیشتر باشد، اثر صاف کنندگی بیشتری خواهد داشت زیرا می تواند انرژی بیشتری را قبل از نیاز به شارژ مجدد جذب کند. در این کاربرد، خازن‌های با ارزش بالاتر، نوسانات را کاهش می‌دهند، مانند موج‌هایی در سطوح ولتاژ و نوسانات ولتاژ ناشی از تغییرات بار، و پایداری عناصر بعدی را در مدار یک برنامه کاربردی فراهم می‌کنند.
پردازش سیگنال
خازن ها به طور گسترده ای در پردازش سیگنال و ارتباطات الکترونیکی استفاده می شوند. آنها به دلیل توانایی ذخیره و آزادسازی انرژی، اجزای ضروری در اکثر مدارهای الکترونیکی هستند.
در پردازش سیگنال می توان از خازن ها برای کاهش نویز و فیلتر کردن فرکانس ها یا سیگنال های ناخواسته استفاده کرد. محافظت از سیگنال ها در برابر نویز را صاف کردن یا فیلتر پایین گذر می نامند و عموماً از طریق استفاده از خازن به دست می آید.
در ارتباطات الکترونیکی، می توان از یک خازن برای تبدیل سیگنال الکتریکی از شکلی به شکل دیگر بدون تغییر فرکانس استفاده کرد. این فرآیند به عنوان کوپلینگ یا انتقال ولتاژ شناخته می شود و معمولاً از خازن ها نیز برای این منظور در گیرنده ها و فرستنده های رادیویی استفاده می شود. علاوه بر این، خازن ها به عنوان بخشی از فیلترهای بالا گذر عمل می کنند، که سیگنال های فرکانس پایین را حذف می کنند در حالی که سیگنال های بالاتر را در طول مسیر عبور می دهند.
خازن ها اغلب در فیلترهای آنالوگ فعال نیز استفاده می شوند: آنها تعیین می کنند واکنش بسامدی یک فیلتر با تنظیم فرکانس قطع آن. به این ترتیب، آنها نقش مهمی در کنترل سیگنال های صوتی در هنگام طراحی تجهیزات موسیقی مانند تقویت کننده ها یا کنسول های میکس دارند.
تنظیم وقت
زمان بندی یکی از کاربردهای رایج خازن ها است. در مدارهای روزمره معمولاً از مقاومت ها برای زمان بندی استفاده می شود. با این حال، در موقعیت های ولتاژ بالا یا فرکانس بالا، اغلب می توان از خازن ها به جای آن استفاده کرد. اغلب استفاده از خازن ها برای زمان بندی مفید است زیرا آنها به سرعت مقاومت ها توان را از بین نمی برند و می توانند ولتاژهای بالاتر را با خطر خرابی کمتری تحمل کنند.
علاوه بر ارائه یک روش ایمن و کارآمد برای کنترل ولتاژ و جریان در مدار، خازن ها همچنین برای تامین برق در نقاط داده خاص برای قطعاتی مانند LED یا ترانزیستورها که ممکن است در هنگام فعال شدن نیاز به پالس جریان داشته باشند، استفاده می شود. این می تواند به تقویت سیگنال ارسال شده توسط قطعه کمک کند تا بدون از دست دادن انرژی یا یکپارچگی بیشتر حرکت کند.
خازن‌ها همچنین به‌طور گسترده در تجهیزات صوتی برای فیلتر کردن سیگنال‌ها و کاهش اعوجاج استفاده می‌شوند و در عین حال اطلاعات مفیدی را با کمترین تداخل نویز ارائه می‌دهند. همانطور که قبلاً ذکر شد، آنها معمولاً در بین پایانه های بلندگو قرار می گیرند تا به محدود کردن اتصال کوتاه تصادفی کمک کنند و در عین حال توزیع بار یکنواخت را در مراحل خروجی تقویت کننده حفظ کنند.
هنگامی که خازن ها خلاقانه و با درک الکتریسیته مورد استفاده قرار می گیرند، ظرفیت شگفت انگیزی برای شکل دادن به جریان شارژ دارند - به مهندسان اجازه می دهد تا سیستم های صوتی فوق العاده پیچیده ای را با حداقل هزینه توسعه دهند.
برنامه های رایج
خازن ها اجزای الکتریکی هستند که معمولا در کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار می گیرند. توانایی آنها در ذخیره انرژی آنها را به اجزای ضروری سیستم هایی تبدیل می کند که به یک منبع انرژی ثابت در یک دوره زمانی نیاز دارند. آنها در بسیاری از برنامه ها از جمله منابع تغذیه، موتورها، سیستم های صوتی، سیستم های HVAC و غیره استفاده می شوند. در این مقاله، برخی از رایج ترین کاربردهای خازن را بررسی خواهیم کرد.
موتورز
موتورها از خازن ها برای کنترل سرعت موتور یا بهبود گشتاور راه اندازی استفاده می کنند. این کار با ارائه یا حذف a انجام می شود فاز به سیم پیچ موتور الکتریکی خازن‌ها که در درایوهای فرکانس متغیر، منابع تغذیه و سایر کاربردها استفاده می‌شوند، می‌توانند ولتاژ یا جریان را در بارهای پالسی تنظیم کنند و با اتلاف انرژی ناخواسته از سیستم‌های قدرت از هدر رفتن انرژی جلوگیری کنند. در جریان‌های تحت موتورهای فرکانس متوسط، معمولاً از مقادیر خازن بزرگ در هر دو انتهای موتور برای اجرای بانک‌های خازن جبران فاز استفاده می‌شود تا اثر هارمونیک امواج جریان ناشی از بار غیرخطی مبدل را کاهش دهد.
روشنایی
از خازن ها می توان برای تغذیه و تنظیم سیستم های روشنایی در هر اندازه استفاده کرد. در بالاست های الکترونیکی برای کنترل جریان جریان و سرعت بخشیدن به فرآیند راه اندازی لامپ های فلورسنت و روشنایی تخلیه با شدت بالا استفاده می شود. آنها همچنین به کاهش سوسو زدن چراغ ها کمک می کنند. در سیستم های مدار ترانزیستوری، خازن ها یک جریان الکتریکی مداوم را حفظ می کنند و به اطمینان از روشن ماندن چراغ ها کمک می کنند. علاوه بر این، آنها در هنگام نوسانات ولتاژ با کاهش بار الکتریکی روی وسایل روشنایی در محیط داخلی و خارجی محافظت می کنند.
خودرو
خازن‌های خودرو از اهمیت ویژه‌ای برخوردار هستند زیرا وظیفه کمک به سیستم الکتریکی خودرو را کاهش داده و ناهماهنگی‌های جریان برق را جبران می‌کنند که در بسیاری از خودروها رایج است. خازن های خودرو انرژی را ذخیره می کنند تا در صورت نیاز برق دینام یا موتور استارت خودرو را تامین کنند. این انرژی برای خنثی کردن نوک های ولتاژ ایجاد شده در زمانی که تقاضای جریان بیش از ظرفیت باتری یا دینام است، استفاده می شود. خازن‌های خودرو نیز ممکن است در سیستم‌های صوتی مورد استفاده قرار گیرند، جریان‌های داخل تقویت‌کننده‌ها و بلندگوها را کنترل می‌کنند. با صاف کردن نوسانات ولتاژ، خازن های خودرو به طولانی شدن عمر باتری و کاهش فشار بر سایر اجزای الکتریکی کمک می کنند.
ایمنی خازن
هنگام کار با خازن، ایمنی باید همیشه در اولویت باشد. خازن ها انرژی را ذخیره می کنند و باید در حین شارژ یا دشارژ با آنها با احتیاط کار کرد. در این بخش، دستورالعمل‌های ایمنی برای استفاده در هنگام کار با خازن را بررسی می‌کنیم و خطرات احتمالی مرتبط با آن را مورد بحث قرار می‌دهیم.
اجتناب از شورت
هنگام استفاده از خازن ها، مهم است که پتانسیل شورت را در نظر داشته باشید، زیرا آنها اجزای الکتریکی هستند. اتصال کوتاه زمانی اتفاق می افتد که یک خازن به خودی خود اتصال کوتاه می کند. در حالی که شورت می تواند ناشی از نقص تولید یا سایر عوامل خارجی باشد، اکثر شورت ها به دلیل استفاده نادرست از خازن ها ایجاد می شوند.
برای جلوگیری از شورت، همیشه باید در مورد خازن ها احتیاط کنید. روش های زیر به شما در حفظ ایمنی خازن کمک می کند:
1) هرگز خازن ها را تحت فشار یا کرنش بیش از حد با شارژ بیش از حد قرار ندهید.
2) خازن ها را برای مدت طولانی در حالت اضافه بار قرار ندهید.
3) همیشه از تکنیک‌ها و/یا روش‌های نصب مناسب استفاده کنید که جداسازی ضربه را تضمین می‌کند.
4) دو قطب متفاوت را به هم وصل نکنید زیرا این امر می تواند باعث ایجاد قوس و آسیب بالقوه خازن شود.
5) قطعات یا مواد واجد شرایط (مانند مواد عایق) را بررسی کنید تا مطمئن شوید که قبل از نصب هیچ نقصی وجود ندارد.
6) به الزامات بارگذاری توجه زیادی داشته باشید - در صورت امکان بارگذاری را کاهش دهید و تکنیک های نصب کافی را برای همه اجزاء اعمال کنید. و
7) توجه داشته باشید که ولتاژهای آماده به کار باعث ایجاد جریان در سراسر مدار می شود که در صورت عدم کنترل می تواند به درجه بندی استاندارد خازن آسیب برساند.
با انجام این اقدامات احتیاطی، کاربران می توانند به حفظ استفاده ایمن و جلوگیری از وقوع موقعیت های خطرناک به دلیل اتصال کوتاه یا سایر مشکلات خازن کمک کنند. مهم است که به یاد داشته باشید که هنگام کار با وسایل الکترونیکی و به خصوص با هر چیزی که مربوط به برق است، ایمنی همیشه در اولویت قرار دارد!
تخلیه خازن ها
اطمینان از تخلیه مناسب خازن ها هنگام جابجایی یا تعویض آنها بسیار مهم است. برای انجام تخلیه ایمن، یک مقاومت 1 کیلو اهم تا 10 کیلو اهم را بین هر پایانه خازن و زمین وصل کنید. ولتاژ در خازن به سرعت بدون ایجاد قوس یا جرقه از بین می رود و امکان تعویض یا جابجایی ایمن را فراهم می کند.
همچنین باید به یاد داشته باشید که خازن های ولتاژ بالا را قبل از دفع به درستی تخلیه کنید. اگر این اجزا را به طور ایمن تخلیه نکنید، می توانند خطر الکتریکی ایجاد کنند و حتی آتش سوزی کنند! تخلیه این اجزا شامل اتصال یک سیم عایق بین دو پایانه روی قطعه و سپس تخلیه آن در طی چند دقیقه است. هنگام انجام این روش حتما از عینک ایمنی استفاده کنید تا از چشمان خود در برابر جرقه های ایجاد شده در طول فرآیند تخلیه محافظت کنید.
از بین بردن خازن ها
هنگام دور انداختن خازن ها، مهم است که اقدامات احتیاطی مناسب برای ایمنی و حفاظت از محیط زیست انجام شود. از آنجایی که خازن ها ممکن است حاوی سموم احتمالی مانند سرب، باریم و سایر فلزات باشند، باید از ریختن این اقلام در سطل های زباله معمولی یا محل های دفن زباله خودداری کنید. در عوض باید با یافتن یک مرکز جمع‌آوری بازیافت مناسب یا تامین‌کننده‌ای که متخصص در دفع مواد خطرناک است، به روشی سازگار با محیط زیست دفع شوند.
مهم است که اطمینان حاصل شود که همه خازن‌ها قبل از دفع هنوز شارژ دارند - حتی اگر به عنوان خازن‌های "مرده" برچسب زده شده باشند. خازن ها می توانند بارهای باقیمانده را در خود نگه دارند و ممکن است در هنگام استفاده تخلیه شوند. بنابراین، تا زمانی که آنها را تخلیه نکنید، باید در استفاده از آنها احتیاط کنید. برای تخلیه ایمن خازن، به یک پیچ گوشتی عایق به اندازه کافی نیاز دارید تا دست شما را از ترمینال‌ها عقب نگه دارد تا ولتاژ به قوس شما نرسد. پس از تخلیه خازن های شارژ شده، هر گونه عایق شل را با انبردست یا سیم برش جدا کنید و سپس قبل از دور انداختن آنها به دور عایق ها بپیچید.
نتیجه
در پایان، خازن ها اجزای ضروری در هر مدار الکتریکی هستند. آنها برای ذخیره انرژی، فیلتر کردن نویز و تهیه منبع جریان برای مدارهای AC استفاده می شوند. خازن ها انواع مختلفی دارند و کاربردهای وسیعی دارند. درک اصول اولیه خازن ها به شما کمک می کند تا اجزای مناسب برای پروژه خود را شناسایی کنید.
خلاصه ای از مبانی خازن
برای خلاصه کردن اصول اولیه خازن، خازن یک جزء الکتریکی است که از دو صفحه رسانا تشکیل شده است که توسط یک ماده عایق به نام دی الکتریک از هم جدا شده اند. برای ذخیره انرژی به شکل میدان الکتریکی استفاده می شود. خازن‌ها معمولاً در مدارهای الکترونیکی، معمولاً همراه با مقاومت‌ها و مدارهای مجتمع مانند ریزپردازنده‌ها، برای تنظیم سطح جریان و ولتاژ استفاده می‌شوند. آنها همچنین می توانند برای فیلتر کردن سیگنال ها و ارائه حداکثر انتقال توان در مدارهای خاص استفاده شوند. هنگام انتخاب خازن برای کاربرد خاص خود، مهم است که ولتاژ کار، دمای عملیاتی، اندازه پکیج و محدوده مقدار خازن نوع خازن انتخابی خود را در نظر بگیرید.
مزایای استفاده از خازن
خازن ها به دلیل قابلیت ذخیره انرژی و آزادسازی آن در صورت نیاز در کاربردهای مختلفی قابل استفاده هستند. آنها همچنین قادر به کنترل مقدار زیادی جریان هستند، بنابراین اغلب به عنوان فیلتر و ترمز مدار استفاده می شوند. علاوه بر این، خازن ها می توانند به کاهش نویز الکتریکی و افزایش راندمان در مدارهای قدرت کمک کنند. به عنوان یک نتیجه، آنها به طور گسترده در دستگاه های الکترونیکی با قدرت بالا مانند کامپیوتر، تلفن های همراه و دستگاه های تلویزیون استفاده می شوند.
وقتی صحبت از الکترونیک می شود، خازن ها مزایای زیادی دارند. به عنوان مثال، آنها با فراهم کردن ذخیره موقت برای پالس های پرانرژی یا انفجارهای کوتاه جریان که در غیر این صورت می تواند در طول زمان به قطعات الکترونیکی آسیب برساند، به پایدار نگه داشتن سطح ولتاژ کمک می کند. طراحی آنها همچنین به فیلتر تداخل الکترومغناطیسی (EMI) در سراسر سیستم یا در یک مدار جداگانه کمک می کند. این برای جلوگیری از ورود سیگنال های ناخواسته به سیستم یا ایجاد اختلال در سیگنال های موجود در آن مهم است.
علاوه بر این، خازن‌ها در صورت نیاز جریان لحظه‌ای را ارائه می‌کنند که می‌توانند با فعال کردن کنترل خازن راه‌اندازی و عملکرد موتور سنکرون - که برای عملکرد طولانی‌مدت در کاربردهای محیطی شدید مانند سیستم‌های روشنایی خیابان و موتورهای HVAC، بسیار مهم است، مصرف برق را در هر سیستم برق متناوب به طور چشمگیری کاهش دهند. در نهایت، تثبیت امواج سینوسی ایجاد شده توسط مدارهای AC یکی از عملکردهای اصلی آنها است - آنها انرژی را در فرکانس های خاص بیرون می کشند در حالی که انرژی را در فرکانس های دیگر تقویت می کنند - کاهش اعوجاج ولتاژ و تضمین مدیریت انرژی پاک در تمام کانال ها.
من Joost Nusselder، بنیانگذار Neaera و یک بازاریاب محتوا هستم، پدر، و عاشق امتحان کردن تجهیزات جدید با گیتار در قلب علاقه‌ام هستم، و همراه با تیمم، از سال 2020 در حال ایجاد مقالات عمیق در وبلاگ هستم. برای کمک به خوانندگان وفادار با نکات ضبط و گیتار.
