خازن و نحوه ی استفاده از آن در مدار

در بیشتر کتاب ها در مورد کاربرد خازن ها به این صورت نوشته شده که خازن بار الکتریکی را در خود ذخیره می کند و در مواقع لازم آن را تخلیه می کند. آنچه که ما باید بدانیم این است که چه زمان باید خازنها شارژ و چه زمان دشارژ (تخلیه) شود و چگونه این امر ممکن است؟

***«« ، سورس و کد انواع پروژه های مهندسی، دانشجویی و دانش آموزی در زمینه الکترونیک، برنامه نویسی، گرافیک سه بعدی و اپلیکیشن »»***

بنابر این ابتدا عملی که خازنها با اتصال جریان انجام می دهد را باید بدانیم:

قبل از اتصال منبع تغذیه، ولتاژ و شدت جریان خازن صفر است.

در آغاز اتصال ولتاژ دو سر خازن صفر بوده و ولتاژ قطعه ای که با خازن موازی و یا سری شده است حداکثر میزان شارژ خود را دارا است، اما شدت جریان در خازن حداکثر ممکن است.

پس از گذشت هر τ [1] ( تاو ) ولتاژ خازن به اندازه ی 63.7 در صد مقدار قبلی خود افزایش می یابد که طی ٥ مرحله (5τ) خازن تقریبا کامل شارژ می­شود و جریانی که از خازن عبور می­ کند نیز به همین صورت کم می شود.

پس از این امر می توان نتیجه گرفت که خازنها در مقابل جریان مستقیم، همانند یک کلید عمل می­کند که پس از مدتی جریان از خود عبور نمی­دهد.

این مدت زمان بسته به ظرفیت خازنها و میزان جریان عبوری، می­تواند از 0.001 ثانیه کمتر باشد.

انواع خازنها و ظرفیت آن ها

خازنها انواع مختلفی از قبیل: خازن عدسی، الکترولیت، سرامیکی، میکا و … که ظرفیت آن ها بر حسب فاراد (F) است و با C نشان می­دهند.

معمولا برای ظرفیت کمتر از خازنهای عدسی استفاده می ­شود.

برای ظرفیت های بالا از خازنهای الکترولیتی استفاده می­ شود، زیرا به صورت استـوانه است و میزان صفحه­ ی موازی بیشتری را در خود جای دهد.

خازن تخت:

خازن الکترولیتی (قطب دار):

در هنگام استفاده از خازنهای قطب دار، باید قطب مثبت آن را به ولتاژ بیشتر (ورودی جریان) و قطب منفی آن را به ولتاژ کمتر (خروجی جریان) اتصال نمود. در این خازنها، بر روی بدنه پایه منفی (پایه کوتاهتر) با علامت«-» در بالای پایه مشخص شده است.

* در مدار هایی که محدودیت فضا وجود دارد، مانند برد های داخل کیس کامپیوتر و موبایل بیشتر از خازنها، دیود، مقاومت و ترانزیستور SMD استفاده می­ شود که ظرفیت آن روی قطعه نوشته شده­ است. به این صورت که رقم آخر تعداد صفر های جلوی ارقام اول را نشان می­دهد و واحد آن نیـز به اندازه­ی کمترین واحد ممکن است؛ مثلا در خازن ١ پیکو فاراد ( pF ) است.

برای محاسبه­ ی ظرفیت به ولتاژ و بار نیاز داریم.

برای بدست آوردن بار باید از فرمول های مخصوص به آن استفاده کرد.

معمولا ظرفیت و ولتاژ را در اختیار داریم و بار ذخیره شده در خازن را از طریق فرمول زیر بدست می­آوریم:

استاندارد خازنهای موجود در بازار همانند استاندارد E12 و E24 مقاومت ها است.

محاسبه­ ی انرژی ذخیره شده در خازن

ممکن است که محاسبه­ ی انرژی ذخیره شده در خازنها کاربرد چندانی نداشته باشد، اما با استفاده از روابط آن می­ توان مقادیر دیگر را بدست آورد.

انرژی الکتریکی را با U نشان می­دهند و واحد آن ژول ( j ) می­باشد و با روابط زیر محاسبه می­ شود:

در روابط بالا منظور از Δ اختلاف است؛ یعنی اختلاف انرژی الکتریکی ΔU است و ΔV اختلاف پتانسیل ( V₂-V₁ ) می­باشد.

به هم بستن خازنها

خازنها نیز همانند مقاومت ها به ٣ روش زیر به یکدیگر بسته می­ شوند:

۱- موازی

۲- سری

۳- موازی و سری

* هر یک از این روش ها علاوه بر ظرفیت در ولتاژ و بار ذخیره شده در خازنها نیز موثر است.

روش موازی:

در این روش بار ذخیره شده در کل مدار برابر است با مجموع بارهای ذخیره شده در هریک از خازنها و ظرفیت کل برابر است با مجموع ظرفیت ها.

V=V₁=V₂=V₃

C=C₁+C₂+C₃

q=q₁+q₂+q₃

روش سری:

در این روش اختلاف پتانسیل در کل مدار برابر است با مجموع V در هریک از خازنها و وارون ظرفیت معادل، برابر است با مجموع وارون هریک از خازنها:

q=q1=q2=q3

V=V1+V2+V3

روش سری و موازی:

در این روش همانند مقاومت ها ابتدا مدار را ساده می­کنیم، سپس با استفاده از روابط، مقادیر مورد نیاز را بدست می­آوریم.

* سعی کنید از سری کردن خازنها بپرهیزید و فقط از یک خازن استفاده نمایید، اما موازی کردن خازنها کمک بیشتری به حذف نویز جریان می کند.

اتصال کوتاه و محاسبه­­ ی زمان شارژ خازن

در صورتی که دو سر خازن توسط سیم به یکدیگر متصل شود، اتصال کوتاه پدید می­ آید و جریان از سیم (به علّت مقاومت کمتر) عبور می­ کند.

اتصال کوتاه باعث تخلیه خازنها نیز می­ شود.

زمانی که خازن برای شارژ خود می­ برد، به میزان باری که در خود می­تواند جای دهد (که با فرمول های گفته شده بدست می­ آید) و میزان بار عبوری در هر ثانیه (دقیقا همان شدت جریان) بستگی دارد.

مثلا یک خازن که 0.001 کولن بار در خود می­ تواند جای دهد، هنگام تخلیه، 1 آمپر جریان از آن عبور می­ کند.

بسته به مقاومت سیم اتصال کوتاه، زمان تخلیه تعیین می شود.

زمان شارژ خازنها ممکن است بیشتر از این مقدار باشد (بسته به منبع شارژ)، اما به طور تقریبی می­ توانیم بگوییم همین مقدار درست است. محاسبه زمان دقیق، با دستگاههای حساس آزمایشگاهی صورت می­ گیرد.

اگر چند خازن را به صورت موازی ببندیم به علت افزایش ظرفیت، زمان شارژ بیشتری میبرد و اگر متوالی باشند به علت کاهش ظرفیت، زمان کمتری می­برد.

اگر می­ خواهید که پس از عمل شارژ جریان به طور کامل قطع نشود، (پس از بدست آوردن حداقل جریانی که می­خواهید عبور دهید) باید به کمک محاسبه یک مقاوت با خازن موازی کنید.

در این صورت پس از شارژ کامل خازن، جریان از مقاومت عبور می­ کند.

اتصال خازنها به یکدیگر

اگر دو خازن را به یکدیگر متصل نمایید، ولتاژ آن دو با هم برابر شود و میزان ولتاژ آن ها بستگی به عوامل زیر دارد:

١- ظرفیت هریک از خازنها

٢- نحوه اتصال پایه های خازنها

٣- ولتاژ ذخیره شده در هریک از خازنها

ظرفیت خازنها مشخص است و ولتاژ ذخیره شده در هر خازن را می­دانیم؛ اما پایه به دو صورت زیر ممکن است به یکدیگر متصل شوند:

١- اتصال پایه های هم نام:

در این حالت برای محاسبه ولتاژ مجموع بار های ذخیره شده در دو خازن را تقسیم بر مجموع ظرفیت های خازنها می­ کنیم:

٢- اتصال پایه های نا هم نام:

در این حالت قدر مطلق تفریق بار های الکتریکی را تقسیم بر مجموع ظرفیت های خازنها می­کنیم:

* از این خاصیت برای انتقال شارژ به خازنها می­ توان استفاده نمود.

ممتد کردن جریان نیم موج با خازن

همانطور که قبلا گفته شد، جریان DC تولید شده از ترانسفورمر توسط دیود، از صفر تا حداکثر ولتاژ، دائما در حال تغییر است. برای ممتد کردن این جریان باید از خازنها (معمولا قطب دار) استفاده کرد.

علت استفاده از خازنها، قدرت ذخیره سازی آن است.

به این صورت که وقتی ولتاژ به حداکثر خود می­رسد، قسمتی از جریان را در خود ذخیره و هنگامی که جریان به حداقل خود، یعنی صفر می­رسد، در این فاصله کم کم جریان را تخلیه می­کند.

در شکل زیر ولتاژ حاصل را در فرکانس ٥٠ هرتز و ولتاژ ١٠ ولت که به وسیله خازن ١٠٠ میکرو فارادی تولید شده نشان داده شده است.

این تصویر توسط دستگاه اسیلوسکوپ[2] رسم شده است.

برای انجام عمل ممتد کردن جریان، باید خازن را با ورودی موازی کنیم.

شکل زیر این عمل را نشان می­دهد.

* اگر خازن الکترولیتی باشد حتما باید قطب های آن درست متصل شده باشند.

برای تعیین مقدار خازن در صورتی که فرکانس ٥٠ هرتز باشد، می­توان از مقادیر زیر با توجه با نیاز ولتاژ مدار، استفاده کرد. این مقادیر نیز به کمک دستگاه اسیلسکوپ به دست آمده ­اند.

از ٢ تا ١٢ ولت، خازن ١٠٠ میکرو فارادی تقریبا ١ ولت کم می­ کند و جریان تقریبا مستقیم می­ شود.

از ٢ تا ١٢ ولت، ١٠ نانو فارادی کمتر از ٠.٥ ولت کم می­کند و جریان داری اختلاف بیشینه و کمینه موج بیشتری است.

از این مقادیر در کل می­توان نتیجه گرفت که هرچه ظرفیت بیشتر باشد، جریان مستقیم تر و میزان افت ولتاژ بیشتر است.

مستقیم کردن جریان ممتد شده

برای مستقیم کردن جریان باید از دیود زنر استفاده کنید.

همانطور که گفته شد، زنر در بایاس معکوس مانند یک مقاومت عمل می­ کند.

وقتی ولتاژ تغییر می­کند، مقدار مقاومت زنر نیز تغییر می­کند.

بعد از زنر برای اطمینان کامل از اینکه جریان مستقیم است، می ­توانید یک خازن با جریان خروجی موازی کنید.

نحوه استفاده از زنر در آدابتور، بعد از صافی خازنی در شکل زیر آمده است:

* جریان را در ولتاژ کمتر می­ توانید با زنر مستقیم کنید؛ به عنوان مثال ولتاژ ١٠ را باید توسط زنر به ٩ یا ٨ برسانید.

خازن در مقابل جریان AC و مدار فیلتر

عملکرد خازنها در مداراتی که ورودی آن متناوب است با مستقیم متفاوت است.

خازن می­ تواند جریان AC را از خود عبور دهد اما در شرایطی خاص این عمل انجام می­ شود.

روابط زیر نسبت میان مقاومت ورودی و فرکانس عبوری را تعیین می­ کند:

که در رابطه بالا، R مفاومت مدار و C خازن صافی (فیلتر) و π2 عدد پی (3.1415) با ضریب ۲ است و F فرکانس بیشینه (وقتی خازن موازی بسته شود) یا کمینه (وقتی خازن متوالی بسته شود) است.

در لحظات اول بارهای مثبتی که در پشت صفحه اول خازن تجمع می کنند موجب ایجاد باد منفی در صفحه مقابل می شوند و پس از آن با تغییر فاز برق ورودی AC، بار مثبت از صفحه اول تخلیه و با بار منفی جایگزین می گردد که موجب می شود در صفحه مقابل نیز بار مثبت جایگزین بار منفی شود.

این تغییرات بار جریان AC را برقرار می گرداند، اما با اختلاف فاز 90 درجه ای. یعنی موقعی که موج سینوسی در صفحه اول خازن در حال بالا آمدن است، در صفحه دوم در حال پایین آمدن است.

اما ظرفیت خازن عبور جریان را محدود می کند که همین باعث ایجاد نوعی مقاومت در خازن می شود. این نوع مقاومت از نوع حرارتی اتلافی نیست. نیازی به محاسبه توانی ندارد ولی باید خازن تحمل ولتاژ بین دو صفحه را داشته باشد.

از این خاصیت در مورد فیلتر نیز می­توان استفاده کرد.

اگر خروجی خازن را به مصرف کننده متصل کنیم، در صورتی که فرکانس ورودی به خازن از فرکانس قطع کمتر باشد، جریان ضعیف می­شود و هرچه کمتر شود جریان درودی به مصرف کننده کمتر و کمتر می­شود تا به صفر برسد. این فیلتر بالا گذر نامیده می­شود.

اگر یک سر خازن به ورودی مصرف کننده و سر دیگر آن به منفی وصل شود، در فرکانس قطع از ورود جریان (مانند اتصال کوتاه) به مصرف کننده جلوگیری می­شود و اگر فرکانس ورودی از فرکانس قطع کمتر شود، جریان کمتری خارج می­ شود تا آنجا که هیچ جریانی دیگر از خازن خارج نمی­ شود.

در بخش های بعد با فیلتر های صوتی (اکولایزر) نیز آشنا می­ شویم.

شکل زیر  دو نوع فیلتر را نشان می­دهد.

می­توانید به هر شکل دیگری که می­خواهید، از این خاصیت جالب خازنها به عنوان فیلتر استفاده کنید.

فیلترها به صورت میان نگذر (موازی کردن دو فیلتر) و میان گذر (متوالی کردن دو فیلتر) نیز استفاده می­ شوند.

نوسان گیر خازنی

بعضی از قطعات به ولتاژ اشباع نیاز دارند یا برای عبور جریان AC به طور  کامل نیاز به ولتاژ و جریانی دارند که نیم موج های منفی (به خصوص بعد از عبور از خازن) را مثبت کنند (مانند ترانزیستور) که یک نمونه از کاربرد آن در تقویت فرکانس های صوتی است، پس به وسیله یک مقاومت جریانی را باید به ورودی قطعه داد.

نوسانات کلی ممکن است در کار مدار مشکل ایجاد کنند، بنابراین می­ توان با خازنی که با مقاومتی گفته شد موازی می­ شود، از این نوسانات اضافی جلوگیری کرد.

مدار زیر نمونه ای از این عمل است و روابط زیر نحوه محاسبه خازن را نشان می­دهد(R3 مصرف کننده است.):

نمودار زیر نحوه عملکرد مدار بالا را در مقابل نوسان نمایش می­دهد:

درA از خازن استفاده شده و در B از خازن استفاده نشده است. همان طور که مشاهده می­کنید، در آغاز ولتاژ به دلیل شارژ خازنها در حال افزایش است و در ادامه ولتاژA نوسان کمتری نسبت به B دارد.

استفاده عملی از خازنها

مدار چشمک زن تک لامپی:

وسایل مورد نیاز: منبع تغذیه ١٢ ولتی، کلید، لامپ (دیود نور افشان)، مقاومت ١٨٠ و ٤٧٠ اهمی، خازن ١ میلی فارادی، رله 5 ولتی، مقداری سیم.

چنانچه مدار بالا را با توجه به نقشه سوار کنید، خواهید دید که پس از اتصال کلید دیود شروع به روشن و خاموش شدن می­ کند.

تحلیل مدار:

جریان از قطب مثبت وارد می ­شود سپس وارد سیمی که قبل از خازن متصل است می­ شود و به پایه NC رله می­رسد و جریان توسط آن پشت مقاومت ١٨٠ اهمی می­رسد.

جریان پس از عبور از مقاومت وارد پایه های آهنربای رله می­ شود و آهنربای رله فعال می­ شود که این امر موجب می­ شود تا پایه NO رله باز شود و چراغ روشن شود.

از این جاست که خازن شروع به شارژ شدن می­کند.

پس از شارژ خازن رله قطع می­ شود و چراغ نیز خاموش می­شود و همزمان با آن توسط پایه NC رله دو پایه خازن به یکدیگر متصل می شوند و اتصال کوتاه رخ می­دهد.

پس از تخلیه خازن، این عملیات مجدد آغاز می­ شود.

* این قطعات، معمولا بدون وجود ترانزیستور کاربرد چندانی ندارند و مدار بالا هم صرفا برای آشنایی با عملکرد خازن طراحی شده است.

ساخت آدابتور به کمک مولد جریان متناوب:

در این تصویر منظور از VG مولد جریان متناوب است.

می­توانید یک باطری به این مدار اضافه کنید و آن را با توجه به آموخته ها شارژ کنید.

[1]   برابر با یک پنجم زمانی که طول می کشد تا خازن تقریبا شارژ کامل بدست آورد.

[2]   Oscilloscope