میدونی کاربرد خازن چیه؟

خازن‌ها یکی از مهم ترین و پرکاربردترین قطعات در مدارهای مختلف به شمار می‌روند. خازن‌ها در کنار مقاومت‌ها یکی از مهم ترین و پرکابردترین قطعات به شمار می‌روند. وجود این قطعه به قدری ضروریست که عدم وجود آن می‌تواند سبب از کار افتادن یک سیستم بزرگ و پیچیده، حتی با قوی ترین پردازنده‌ها شود. این قطعه در کنار تغذیه ماژول‌های مختلف، کامپیوترهای خودرویی و... جهت تثبیت ولتاژ مورد استفاده قرار می گیرد. در این پست راجع به کاربردهای خازن مطالبی را ارایه می‌کنیم. همچنین در خصوص کاربرد انواع خازن توضیحاتی به صورت عمومی ارایه میکنیم. هدف از این پست افزایش آگاهی کاربران فارسی زبان است.

تعریف و شناخت خازن

خازن یکی از اجزای مهم در الکترونیک است که توانایی ذخیره و آزادسازی انرژی الکتریکی را دارا است. خازن‌ها از دو صفحه هادی جدا از یکدیگر تشکیل شده‌اند که میان آنها یک لایه جداکننده، معمولا یک ماده عایقی یا دی‌الکتریک، واقع می‌شود. زمانی که ولتاژ الکتریکی به خازن اعمال می‌شود، بارهای الکتریکی در صفحات هادی ایجاد می‌شوند و انرژی الکتریکی در خود ذخیره می‌گردد. سپس، در صورت قطع اتصال الکتریکی، خازن قادر به آزادسازی این انرژی و تغییرات ولتاژ است. خازن‌ها در ادوات الکتریکی بسیاری استفاده می‌شوند، از جمله در مدارهای الکترونیکی، فیلترها، و سیستم‌های ذخیره انرژی و مدارهای آمپلی فایر این موارد هستند. این اجزا به دلیل خاصیت ذخیره انرژی و پاسخ سریع به تغییرات ولتاژ، در انتقال اطلاعات و مدیریت انرژی بسیار مؤثر هستند.

به عبارت دیگر خازن‌ها قطعاتی هستند که جهت ذخیره ولتاژ به کار می‌روند. دقیقا مشابه باتری‌ها که پس از شارژ قابلیت تحویل بار به خروجی دارند، خازن‌ها هم با شارژ شدن می‌توانند به خروجی خود ولتاژ تحویل دهند. خازن‌ها اهمیتی حیاتی در مدارها دارند، به طوریکه نوسانات ولتاژ تبدیل شده از AC به DC را خنثی می‌کنند. همچنین در یک مدار با المان‌های مصرف کننده زیاد، زمانیکه یک المان جریان زیادی بکشد، خازن مانع افت ولتاژ در اثر جریان کشی خواهد شد؛ چراکه خازن پیش از این به طور کامل شارژ شده است.

همانطور که گفته شد، خازن‌ها جهت تثبیت ولتاژ بسیار کلیدی هستند. اما در کنار این، از خازن‌ها در فیلترهای سیگنال می‌توان بهره برد. صافی های بالاگذر (High-Pass Filter)، پایین گذر (Low-Pass Filter) و میان گذر که طیف خاصی از فرکانس ها را عبور می دهند، از خازن استفاده می کنند؛ چراکه مقاومت درونی خازن‌ها ثابت نیست! این مقاومت تحت تاثیر فرکانس ولتاژ اعمال شده به آن، تغییر می کند. در ادامه این موارد را بررسی می‌کنیم.

• صافی بالاگذر (High-Pass Filter)

در یک صافی بالاگذر، خازن به عنوان عضو اصلی برای انتقال سیگنال‌های با فرکانس‌های بالا به مقصد استفاده می‌شود. خازن‌ها به این صورت عمل می‌کنند که در فرکانس‌های پایین تر، افت جریان از طریق خازن بسیار زیاد است و سیگنال به سختی از خازن عبور می‌کند. اما در فرکانس‌های بالا، خازن عملکرد کمتری دارد و به راحتی به جریان اجازه عبور می‌دهد. این ویژگی باعث می‌شود که صافی بالاگذر بتواند سیگنال‌های با فرکانس‌های بالا را از یک سیگنال با فرکانس‌های پایین جدا کند.

• صافی پایین‌گذر (Low-Pass Filter)

در مقابل، در صافی پایین‌گذر، خازن جهت انتقال سیگنال‌های با فرکانس‌های پایین به مقصد استفاده می‌شود. در اینجا، خازن به عنوان یک "مسیر کوتاه" برای سیگنال‌های با فرکانس‌های پایین عمل می‌کند، اما در برابر فرکانس‌های بالا، افت جریان از طریق خازن بسیار کم است و این سیگنال به راحتی از خازن عبور می‌کند. این خاصیت باعث می‌شود که صافی پایین‌گذر بتواند سیگنال‌های با فرکانس‌های پایین را از یک سیگنال با فرکانس‌های بالا جدا کند.

در هر دو صورت، خازن به عنوان یک عنصر ذخیره‌کننده انرژی الکتریکی نیز عمل می‌کند و به توازن فاز بین ولتاژ و جریان در این صافی‌ها کمک می‌کند.

واحد اندازه گیری خازن 

خازن‌ها مانند سایر قطعات دارای ظرفیت مشخصی هستند. یک خازن با یکای فاراد اندازه گیری می‌شود. اما از آنجاییکه ظرفیت خازن‌ها غالبا بسیار کوچک است، از واحد میکروفاراد جهت اندازه گیری ظرفیت خازن استفاده می کنیم. به عنوان مثال یک خازن هزار میکروفاراد که به صورت 1000uf نمایش داده می شود، دارای ظرفیت 0.001 فاراد است. از طرفی دیگر، پارامتر تاثیر گذار در خازن، میزان ولتاژ آن است. هر خازن می‌تواند یک میزان ولتاژ مشخصی را در خود ذخیره نماید. به عنوان مثال یک خازن 16 ولت، تنها تا 16 ولت می‌تواند ولتاژ را در خود نگاه دارد. اعمال ولتاژ بیش از ظرفیت خازن سبب ترکیدن آن خواهد شد.

مقادیر فاراد خازن معمولا به صورت C=Q/V نمایش داده می‌شوند. که در اینجا:

C نمایانگر خازن (به واحد فاراد) است.

Q مقدار شارژ خازن (به واحد کولن) می‌باشد.

V ولتاژ خازن (به واحد ولت) است.

در عمل، خازنها معمولا از زیر واحدهای فاراد استفاده می‌کنند، مثل میکروفاراد (μF) یا پیکوفاراد (pF)، زیرا مقادیر فاراد برای بسیاری از مواقع خیلی بزرگ هستند.

نماد گرافیکی خازن در مدار

پس از آشنایی با خازن و واحد اندازه گیری آن، به نماد و یا سمبل آن در مدارها می‌پردازیم. نماد گرافیکی خازن در دوتایی‌های الکتریکی و ادوات الکترونیکی با یک خط و دو خط متقاطع به نمایش در می‌آید. این نماد بسته به نوع خازن (یعنی خازن تک‌لایه یا چندلایه) و استفاده‌ای که در مدار دارد، ممکن است تغییراتی داشته باشد. اما در حالت کلی، یک خط برای پله موجود بین دو صفحه خازن و دو خط عمود بر آن به عنوان نماد گرافیکی خازن مورد استفاده قرار می‌گیرد. خازن‌ها به عنوان ذخیره کننده انرژی در خود، به شکل زیر در مدارها معرفی می شوند.

به عنوان مثال در مدار زیر، تصویری از خازن و مقاومت را در کنار هم مشاهده می کنید.

انواع خازن‌ها 

خازن‌ها در ساخت و توسعه دارای انواع و اشکال مختلفی هستند. هر یک از این خازن‌ها در مدار و پروژه منحصر به خود کاربرد دارند. به طور عمده، خازن‌ها را به شکل زیر می‌توان دسته بندی کرد.

• خازن‌های الکترولیتی
• خازن‌های عدسی
• خازن‌های SMD
• خازن‌های تانتالیوم
• خازن‌های پلی استر

خازن‌های الکترولیتی از یک لایه الکترولیت (معمولاً یک محلول الکترولیتی) بین دو صفحه هادی تشکیل شده‌اند. این خازن‌ها معمولاً دارای ظرفیت بالا هستند و برای کاربردهایی که نیاز به ظرفیت ذخیره بالا و ابعاد فیزیکی کمتر دارند، مناسب هستند. این نوع خازن‌ها به دلیل الکترولیتی بودن، معمولاً برای کاربردهایی که در محدوده دمای وسیعی قرار دارند، مناسب نیستند. به عبارت دیگر خازن‌های الکترولیتی خازن‌هایی با دو پایه بلند هستند. این خازن‌ها را احتمالا در مدارها مختلف زیاد دیده اید. این خازن‌ها در مدارهای تغذیه، آمپلی فایرها و..... مورد استفاده قرار می گیرند.

از خازن های الکترولیتی در بسیاری از مدارات استفاده می‌شود. یکی از این مدارها، دیمر‌ها هستند. دیمرها ماژولهایی برای کنترل توان، مانند شدت نور لامپ بوده که با چرخاندن ولوم آن می توانید وسیله برقی خود را کنترل نمایید.

خازن‌های عدسی به دلیل نحوه‌ی ساختار داخلی‌شان به شکل یک عدسی شناخته می‌شوند. این خازن‌ها معمولاً برای کاربردهای مایکروویو و فرکانس‌های بالا مناسب هستند. طراحی خازن‌های عدسی به گونه‌ای است که امکان تغییر ظرفیت آنها با تغییر فرکانس ولتاژ ورودی وجود داشته باشد. در کنار این، خازن‌های عدسی با ابعادی کوچک در مدارهای بسیاری، مورد استفاده قرار می گیرند. از آنجاییکه این خازن‌ها ظرفیت کمی دارند، جهت کاهش نویز سیگنال‌های دیتا، کاهش نویز کریستال‌ها و... مورد استفاده است.

خازن‌های SMD برای استفاده در مدارهای سطحی طراحی شده‌اند. آنها از تکنولوژی سطحی Mount Device (SMD) بهره می‌برند و به صورت مستقیم بر روی سطح مدار (PCB) نصب می‌شوند. این خازن‌ها اغلب ابعاد کوچکتری دارند و به دلیل نصب آسان و اشغال فضای کمتر در مدارهای الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در کنار این، خازن‌های SMD با ابعادی بسیار کوچک، در مدارها با اندازه محدود مورد استفاده قرار می‌گیرند. این خازن‌ها در مدارهای مختلف نظیر تلفن‌های همراه، ECU های خودرویی، بردهای Nodemcu و.... استفاده می گردد.

خازن های SMD از پرکابردترین خازن ها در مدارات مختلف به شمار می روند. به عنوان مثال از این خازن در بردهای بسیاری نظیر برد آردوینو UNO استفاده می شود. به تصویر زیر دقت کنید. تعدادی از خازن های SMD را روی این برد پردازشی، مشاهده می کنید.

از دیگر خازن‌های موجود در بازار می‌توان به خازن‌های تانتالیوم اشاره کرد. این خازن‌ها به دلیل نوع ساختار خود، در کنار مدارهای تغذیه نظیر رگولاتورها بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرند. خازن‌های تانتالیوم از الکترولیت تانتالیم برای ساختار داخلی استفاده می‌کنند. این خازن‌ها به دلیل ابعاد کوچک، پایداری در دماهای بالا، و ظرفیت بالا، در برخی کاربردها مثل تجهیزات پزشکی و مخابرات بیشتر استفاده می‌شوند.

خازن‌های تانتالیوم از پایداری بالایی برخوردار هستند. از این خازن در طراحی برد ماژول سیم کارت SIM880L استفاده شده است. ماژول سیم کارت SIM800L، یک ماژول فوق العاده کاربردی جهت تبادل داده در بستر شبکه موبایلی کشور به شمار می رود.

در کنار این موارد، خازن‌های پلی استر یکی از مهم ترین خازن‌ها در مدارها با ولتاژهای بالا هستند. این خازن‌ها غالبا از ولتاژ تحمل بسیار بالایی برخوردارند. خازن‌های پلی استر از یک لایه پلی‌استر (یا پلی‌پروپیلن) به عنوان ماده عایق بین دو صفحه هادی تشکیل شده‌اند. این نوع خازن‌ها معمولاً برای کاربردهایی که نیاز به پایداری در دماهای مختلف و ولتاژهای کمتر دارند، مناسب هستند. آنها از نظر خصوصیات الکتریکی و پایداری به عنوان یک انتخاب مناسب در برخی از کاربردها شناخته می‌شوند. در زیر تصویر یکی از این خازن‌ها را مشاهده می کنید.

خازن های پلی استر در مدارات با ولتاژهای بالا استفاده می شوند. یکی از این موارد استفاده، دیمرها هستند. در تصویر زیر یک دیمر را به همراه خارن پلی استر تعبیه شده روی آن، مشاهده می کنید.

نحوه خواندن ظرفیت و پلاریته خازن‌ها 

ظرفیت خازن‌ها به صورت کد بر روی بدنه آن ها نوشته می‌شود. توجه داشته باشید که خازن‌های عدسی و پلی استر مستقل از پلاریته هستند. به عبارت دیگر این خازن‌ها پایه مثبت و منفی نداشته و می‌توانند از هر دو جهت به مدار متصل شوند. اما سایر خازن‌ها دارای پلاریته هستند. خازن‌های الکترولیتی در یک جهت، پلاریته آن ها روی بدنه مشخص می شود. در زیر تصویر پلاریته را مشاهده می کنید.

برای تشخیص قطب در خازن‌های SMD و تانتالیوم، بر روی بدنه آن ها خطی وجود داشته که این خط بیانگر پلاریته مثبت خازن است.

در خازن‌های الکترولیتی، میزان ظرفیت بر روی بدن خازن به صورت میکروفاراد درج می‌شود. به عنوان مثال در تصویر زیر، می‌توانید ظرفیت خازن را مشاهده کنید. همچنین ولتاژ قابل تحمل نیز بر روی بدنه خازن درج شده است.

ظرفیت خازن‌های پلی استر، همانند خازن‌های الکترولیت بر روی بدنه آن‌ها ظرفیت به همراه ولتاژ قابل مشاهده است. تصویر زیر ظرفیت یک خازن پلی استر، با 105 میکروفاراد و ولتاژ قابل تحمل 630 ولت را نمایش می دهد.

بر روی بدنه خازن عدسی، معمولا 2 عدد و یا سه عدد درج می گردد. در صورتیکه دو عدد درج شده باشد، ظرفیت به پیکوفاراد است. به عنوان مثال خازن زیر دارای ظرفیت 22 پیکوفارادی است.

در صورتیکه سه رقم بر روی بدنه درج شده باشد، عدد سوم بیانگر ظرفیت خازن به صورت ده به توان منفی رقم سوم است. به عنوان مثال فرض کنید بر روی بدنه خازن، عدد 224 درج شده باشد. در این حالت ظرفیت خازن برابر با 22 ضرب در ده به توان منفی 4 است. در ادامه این موضوع، ظرفیت خازن‌های SMD نیز بر روی بدنه آن ها درج شده است. جهت خواندن ظرفیت این خازن‌ها دقیقا مشابه خازن‌های عدسی عمل می کنیم.

در خازن‌های تانتالیوم، خواندن ظرفیت دقیقا مشابه خازن‌های SMD است. به عنوان مثال در تصویر زیر عدد 476 بیانگر ظرفیت خازن به مقدار 47 میکروفاراد است. اما در این خازن‌ها، ولتاژ با یک کد خاص و با حروف انگلیسی تعیین می گردد.

مطابق تصویر فوق، ولتاژ خازن با کدE  مشخص شده است. این کدها تحت جدول زیر تعریف می گردند.

ولتاژ	کد	ولتاژ	کد
5.5VDC	0L	4VDC	0G
16VDC	1C	10VDC	1A
63VDC	1J	50VDC	1H
110VDC	2Q	100VDC	2A
180VDC	2Z	160VDC	2C
260VDC	2E	220VDC	2P
400VDC	2G	220VDC	2V
630VDC	2J	350VDC	2H

  

در ادامه جدول فوق، کدهای ولتاژ خازن را در جدول زیر ادامه و پایان می دهیم.

ولتاژ	کد
6.3VDC	0J
25VDC	1E
80VDC	1K
125VDC	2B
200VDC	2D
315VDC	2F
450VDC	2W
1000VDC	3A

 

توجه: وجود عدد یک پشت کد بیانگر همان کد است. یعنی عبارت 1E برابر با E خواهد بود.

وضعیت خازن‌ها در حالت سری و موازی 

خازن‌ها در مدارهای الکتریکی می‌توانند به دو شکل مختلف، یعنی موازی و سری، متصل شوند. وضعیت خازن‌ها در این دو حالت متفاوت نقش مهمی در عملکرد کل مدار ایفا می‌کند. خازن‌ها را می توان همانند سایر المان ها، به صورت سری و یا موازی در مدار قرار داد. تصویر زیر حالت موازی خازن‌ها را تشریح می کند.

در حالت موازی، ظرفیت خازن‌ها با یکدیگر جمع می‌شود. به عبارت دیگر در صورتیکه دو خازن، یکی با ظرفیت 10 و دیگری با ظرفیت 15 میکروفاراد با همدیگر موازی شوند، نتیجه به صورت یک خازن 25 میکروفارادی خواهد بود. به عبارت دیگر در حالت موازی ظرفیت نهایی خازن‌ها برابر است با:

CT=C1+C2+C3+….

در مقابل این موضوع، وضعیت خازن‌ها به صورت سری است. تصویر زیر آرایش خازن‌ها را به صورت سری نمایش می دهد.

در حالت سری، ظرفیت معادل خازن‌ها به صورت زیر محاسبه می‌شود.

1/CT=1/C1 +1/C2 + 1/C3+…

چند نکته مهم:

در مدارهای سری، ظرفیت معادل کمتر از ظرفیت کمینه خازن‌های متصل است.

در مدارهای موازی، ظرفیت معادل بیشتر از ظرفیت بیشینه خازن‌های متصل است.

استفاده از خازن‌ها در مدارهای سری و موازی می‌تواند برای مهندسان و طراحان مدارهای الکترونیکی یک ابزار قدرتمند برای کنترل و تنظیم ویژگی‌های مختلف مدارها باشد.

روش خرید خازن مناسب برای هدف مربوطه 

برای خرید خازن، کافیست به فروشگاه دانشجوکیت مراجعه کنید. سپس می‌توانید انواع و اقسام خازن‌های مختلف را مشاهده کرده و بسته به ظرفیت، ولتاژ و البته اندازه، یک مورد را انتخاب کنید. جهت این مورد روی لینک زیر کلیک کنید.

لینک خرید انواع خازن، کلیک کنید.

آموزش های مرتبط با خازن الکترونیکی

• لینک آموزش خازن الکتریکی، تعریف و کاربرد-کلیک کنید