مبانی دقیق در مورد خازن ها

1-تعریف

خازن جزء الکتریکی است که برای ذخیره و آزادسازی انرژی در میدان الکتریکی استفاده می شود. هنگامی که یک ولتاژ در پایانه های آن اعمال می شود، یک میدان الکتریکی بین هادی ها (صفحات) برقرار می شود و به خازن اجازه می دهد انرژی را ذخیره کند.

 

واحد ظرفیت خازن فاراد (F) است. در کاربردهای عملی، واحدهای کوچکتر مانند میکروفارادها (μF)، نانوفارادها (nF) و پیکوفارادها (pF) بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند.

 

2. اصل کار

خازن از دو صفحه رسانا تشکیل شده است که توسط ماده ای عایق به نام دی الکتریک از هم جدا شده اند. هنگامی که یک ولتاژ DC بر روی صفحات اعمال می شود، الکترون ها در یک صفحه جمع می شوند و به آن بار منفی می دهند، در حالی که تعداد مساوی الکترون از صفحه مقابل حذف می شود و آن را دارای بار مثبت می کند.

 

این جداسازی بار باعث ایجاد میدان الکتریکی در دی الکتریک می شود. خازن انرژی را در این میدان الکتریکی ذخیره می کند و تا زمانی که ولتاژ اعمال می شود و مسیر تخلیه ای فراهم نمی شود، بار را حفظ می کند. هنگامی که یک مسیر رسانا معرفی می شود، انرژی ذخیره شده با عبور جریان از مدار خارجی آزاد می شود.

 

3. ظرفیت

ظرفیت C یک خازن به عوامل زیر بستگی دارد:

 

منطقه بشقابA:سطح صفحه بزرگتر باعث خازن بالاتر می شود.

 

فاصله بین صفحاتd:فاصله کمتر بین صفحات باعث افزایش ظرفیت خازنی می شود.

 

مجاز بودنε:نوع ماده دی الکتریک بر ظرفیت خازن تأثیر می گذارد. مواد با گذردهی بالاتر ظرفیت بیشتری تولید می کنند.

 

رابطه توسط:

 

 

کجا:

• Ε گذردهی ماده دی الکتریک است

 

• A مساحت موثر صفحات است

 

• d فاصله بین صفحات است

 

4. واحد ظرفیت

 

واحد ظرفیت خازن فاراد (F) است. از آنجایی که فاراد یک واحد بسیار بزرگ است، اکثر خازن های کاربردی در واحدهای کوچکتر مانند پیکو فاراد (pF)، نانوفاراد (nF) و میکروفاراد (μF) رتبه بندی می شوند.

ظرفیت خازن نشان می دهد که یک خازن چه مقدار بار الکتریکی می تواند در واحد ولتاژ ذخیره کند. با رابطه تعریف می شود:

کجا:

 

• Q شارژ ذخیره شده است،

 

• C ظرفیت خازنی و

 

• V ولتاژ اعمال شده است.

 

بنابراین، ظرفیت بالاتر به این معنی است که می توان بار بیشتری را در همان ولتاژ ذخیره کرد.

 

توجه به این نکته مهم است که ظرفیت به خودی خود نشان دهنده ظرفیت بار مطلق نیست. بلکه رابطه بین شارژ و ولتاژ را توصیف می کند. برای یک خازن معین، مقدار ثابت شارژ مربوط به یک تغییر متناسب در ولتاژ است.

 

درجه بندی ولتاژ یک خازن به حداکثر ولتاژی که می تواند بدون آسیب تحمل کند اشاره دارد. مقدار بار ذخیره شده با ظرفیت خازن و ولتاژ اعمالی افزایش می یابد.

 

به طور کلی، خازن های بزرگتر (با مقادیر ظرفیت خازنی بالاتر) تمایل به اندازه فیزیکی بزرگتر و هزینه های بالاتر دارند.

 

5. طبقه بندی خازن ها

خازن های پلاریزه

خازن های پلاریزه دارای پایانه های مثبت و منفی مشخصی هستند. آنها باید با قطبیت صحیح متصل شوند. در غیر این صورت، اتصال معکوس می تواند باعث گرم شدن بیش از حد، نشت یا حتی پارگی و انفجار شود.

 

خازن های الکترولیتی مایع

خازن های الکترولیتی مایع نوعی خازن پلاریزه هستند. آنها ظرفیت نسبتاً بالایی را ارائه می دهند و می توانند سطوح ولتاژ بالاتری را تحمل کنند، اما معمولاً از نظر اندازه بزرگتر هستند، عملکرد فرکانس بالا{1} و عمر مفید متوسطی دارند.

 

این خازن ها به طور گسترده در مدارهای منبع تغذیه برای فیلتر کردن و صاف کردن ولتاژ استفاده می شود.

 

یک مثال رایج خازن الکترولیتی آلومینیومی است. اغلب در نزدیکی منابع تغذیه نصب می شود تا ذخیره انرژی و تثبیت ولتاژ را فراهم کند.

 

خازن‌های الکترولیتی{0} حالت جامد

 

خازن های تانتالیوم نوعی خازن الکترولیتی هستند که از فلز تانتالیوم به عنوان آند و یک الکترولیت جامد استفاده می کنند. آنها به دسته-خازن های الکترولیتی حالت جامد تعلق دارند.

 

آنها ظرفیت خازنی بالا در واحد حجم (اندازه کوچک)، پایداری خوب، جریان نشتی کم و عملکرد قابل اعتماد را در محدوده دمایی گسترده ارائه می دهند.

با این حال، آنها معمولاً دارای رتبه های ولتاژ پایین تری در مقایسه با برخی از انواع دیگر خازن ها هستند و به اضافه ولتاژ و قطبیت معکوس حساس هستند.

 

خازن های تانتالیومی پلاریزه هستند و باید با قطبیت صحیح وصل شوند. آنها معمولاً در دستگاه‌های الکترونیکی فشرده{1} ولتاژ پایین برای فیلتر کردن منبع تغذیه، جداسازی و برنامه‌های صوتی استفاده می‌شوند.

 

به عنوان مثال، خازن های تانتالیوم به طور گسترده ای در تلفن های همراه استفاده می شود و معمولاً در رایانه ها نیز یافت می شود.

 

خازن های غیر قطبی{{0}

 

خازن های سرامیکی

خازن‌های سرامیکی (همچنین به عنوان خازن‌های دیسکی سرامیکی نیز شناخته می‌شوند) اجزای{0} غیر قطبی هستند، به این معنی که هیچ پایانه مثبت یا منفی ندارند و می‌توانند در هر جهت متصل شوند.

 

آنها با مقادیر ظرفیت خازنی کوچک، درجه بندی ولتاژ بالا، اندازه جمع و جور، و عملکرد فرکانس بالا{0} عالی مشخص می شوند. با توجه به این ویژگی ها، خازن های سرامیکی به طور گسترده در کاربردهایی مانند جداسازی، فیلتر کردن و جفت سیگنال در مدارهای الکترونیکی استفاده می شوند.

 

6. تحمل ابعاد

 

خازن ها معمولاً تحمل نسبتاً گسترده ای در مقایسه با سایر قطعات الکترونیکی دارند.

 

برای خازن های سرامیکی، درجه های تحمل متداول عبارتند از:

 

±5% (J)- تحمل شدیدتر

 

±10% (K)- معمولا استفاده می شود

 

±20% (M)- به طور گسترده استفاده می شود

 

+80% / −20% (Z)- تحمل بسیار سست

 

در عمل:

 

خازن های سطح{0}pFاغلب از تحمل ± 5٪ استفاده می شود

 

خازن های سطح nF-معمولاً از تحمل ± 10٪ استفاده می کنند

 

خازن های سطح -مFمعمولاً از تحمل ± 20٪ استفاده می شود

 

خازن های الکترولیتیمعمولاً ± 20٪ یا بیشتر رتبه بندی می شوند

 

خازن‌های با دقت بالا کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرند زیرا بسیاری از کاربردهای خازن-مانند فیلتر منبع تغذیه و صاف کردن ولتاژ-به مقادیر خازن بسیار دقیق نیاز ندارند. انحرافات کوچک معمولاً کمترین تأثیر را بر عملکرد مدار دارند.

 

با این حال، در کاربردهایی مانند تطبیق RF و شبکه‌های فیلتر، ممکن است برای اطمینان از ویژگی‌های فرکانس پایدار، تلورانس‌های سخت‌تر (مثلاً 5±%) مورد نیاز باشد. حتی در این موارد، دقت بسیار بالا اغلب غیر ضروری است، زیرا تلرانس های استاندارد برای حفظ عملکرد مناسب کافی است.

 

7. ابعاد خازن

 

برای خازن های سرامیکی و تانتالیومی، اندازه بسته بندی از همان استاندارد مورد استفاده برای مقاومت ها پیروی می کند. اجزای پایه کوچک‌تر-از کدهای امپریالیستی مانند 0201، 0402، 0603 و 0805 استفاده می‌کنند، در حالی که بسته‌های بزرگ‌تر نیز ممکن است در کدهای متریک مانند 2520، 3525 و غیره بیان شوند.

 

برای خازن های الکترولیتی استوانه ای، ابعاد معمولاً به صورت قطر × ارتفاع (مثلاً 6 میلی متر × 11 میلی متر) مشخص می شود.

 

در طراحی سخت افزاری، به طور کلی توصیه می شود در صورت امکان، فضای کمی بزرگتر برای خازن ها رزرو کنید. به عنوان مثال، اگر یک ردپای 6 × 11 میلی‌متر اختصاص داده شود، حداکثر مشخصات معمول ممکن است حدود 100 μF، 25 ولت باشد. در حالی که جایگزین کردن خازن کوچک‌تر برای کاهش هزینه آسان است، ارتقا به ظرفیت بسیار بالاتر در همان اندازه معمولاً امکان‌پذیر نیست. به عنوان مثال، یک خازن 470 μF و 25 ولت معمولاً در بسته بندی 6 × 11 میلی متر قابل تولید نیست.

 

همین توجه در مورد خازن های سرامیکی نیز صدق می کند. به عنوان مثال، با یک بسته 0805، حداکثر مشخصات معمول موجود در حدود 22 μF، 6.3 ولت است. خازن هایی با ظرفیت خازن یا ولتاژ بالاتر در این اندازه بسته به سختی به دست می آیند.