کاربرد خازن-چگونه از خازن در طراحی مدار استفاده کنیم

در مبحث قبلی به معرفی خازن و محاسبات آن پرداختم. در این مطلب قصد دارم چند نمونه کاربرد خازن و روش استفاده از آن در طراحی مدار را نیز معرفی کنم

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

مدارها به طور کلی به سه دسته دیجیتال، آنالوگ و یا ترکیبی تقسیم می شوند. نقش خازن ها در هریک از این مدار ها متفاوت است، اما عملکرد خازن ثابت است. یعنی صفحات خازن در لحظه اول ورود جریان، آن را از خود عبور می دهند. و پس از آن بارهای الکتریکی را ذخیره می کنند و مانع عبور می شوند.

به طور مثال، همان طور که در مبحث قبلی خازن به آن اشاره شد. حتی سیگنال سینوسی که از خازن عبور می کند، دارای اخلاف فاز است. ظرفیت خازن نیز نوعی مقاومت ایجاد می کند که از نوع اتلافی حرارتی نیست.

کاربرد خازن در مدار دیجیتال

هر مداری دارای یک محدوده ولتاژی است. به طور مثال بین 0 تا 5 ولت. مدار دیجیتال مداری است که قطعات آن به طور کلی یا 0 ولت وردی خروجی دارند ویا 5 ولت. یعنی ولتاژ 2.5 و … در آن به طور اختصاصی معنایی ندارد و باید به صورت 0 یا 5 تعریف شود.

جهت سهولت ولتاژ پایین یعنی 0 را در تئوری مدار 0، و ولتاژ بالایی یعنی 5 ولت را در تعاریف و محاسبات تئوری 1 در نظر می گیرند.

کاربرد خازن ها در مدار دیجیتال عمدتا به عنوان نوسان گیر است. به عبارت دیگر، هیچ سیگنالی به طور کامل خطی نیست. همیشه مقداری حتی خیلی جزئی نوسان ولتاژی وجود دارد.

این نوسان های ولتاژی گاها در حد میکرو ولت هستن. اما ممکن است برای چند هزارم ثانیه نوسانی بزرگ نیز وارد شود و محدوده منطقی 0-1 را جا به جا کند.

برای جلوگیری از این اتفاق از خازن ها به عنوان نویز گیر که به آن اصطلاحا “دی کوپلینگ” می گویند استفاده می کنند.

به مدار زیر دقت کنید:

بخش بالایی رگولاتور است که ولتاژ بین 5 تا 12 ولتی را به 3.3 ولت تبدیل می کند که مناسب قطعات مدار است.

واضح است که این تبدیل ولتاژی مقادیری نویز به مدار وارد خواهد آورد. بنابراین، تولید کنندگان رگولاتور همیشه استفاده از خازن قبل و بعد از قطعه را توصیه می کنند.

قبل از آن از دو خازن 1 میلی فارادی و 100 نانو فارادی استفاده شده.

خازن 1 میلی فارادی به دو منظور تامین جریان های ناگهانی قطعات و همچنین از بین بردن نوسان های با فرکانس کم قرار داده شده.

خازن 100 نانو فارادی برای از بین بردن نوسان های فرکانس بالا که ممکن است در مسیر آدابتور تا رگولاتور ایجاد شده باشند استفاده شده است.

چون ورودی خود باید استاندارد 12 ولت مستقیم باشد، به دو خازن برای ورودی بسنده شده. اما در خروجی رگولاتور از تعداد بیشتری استفاده شده.

سه پله فیلتر 1 میلی فارادی برای تامین جریان، 22 میکرو فارادی برای از بین بردن نویز فرکانس متوسط. و 100 نانو فارادی برای از بین بردن نویز فرکانس بالا استفاده شده است.

همچنین در ورودی ماژول U2 که پین 8 آن می باشد، دو عدد خازن دی کوپلینگ دیگر برای از بین بردن نویز مسیر از رگولاتور تا ماژول استفاده شده اند. در مدار پی سی بی نیز، این دو خازن باید بسیار نزدیک پین 8 باشند.

در پایه کلید ها نیز خازن کاربرد دارد و بهتر از از یک خازن با ظرفیت نسبتا پایین نیز استفاده شود. به طور مثال بهتر است یک عدد خازن نیز بین پایه 1 کلید SW1 و گراند (0 ولت) قرار بگیرد. با توجه به اینکه زمان فشار دادن کلید حدودا نیم ثانیه است، یک خازن بین 10 تا 100 نانوفاراد مناسب است.

برای زمان کمتر خازن ظرفیت کمتر و زمان بیشتر خازن ظرفیت بالاتر استفاده می شود.

خازن در مدار آنالوگ

رابطه فرکانس عبوری از خازن، با ظرفیت و مقاومت ایجاد شده در آن به صورت زیر است:

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 کاربرد خازن به عنوان 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.

در مداری که در بخش دیجیتال به آن اشاره شد، کاربرد خازن به عنوان C6 نوعی فیلتر است. که مقاوت درونی آن در برابر فرکانس بالا کم است و با رساندن سیگنال های فرکانس بالا به گراند و از بین بردن آن، مانع ورود آن به بخش های دیگر مدار مدار می شود.

به طور کلی محاسبه ظرفیت دقیق خازن فیلتر در تئوری دشوار است. بنابراین بهترین روش محاسبه محدوده تخمینی و بررسی خازن های مختلف در محدوده به صورت عملی با استفاده از ابزار اندازه گیری است.

بهترین ابزار اندازه گیری در این زمینه اسیلوسکوپ است که شکل سیگنال را نمایش می دهد.