خازن چیست؟

مجموعه ای از خازن الکترولیتی سوراخ دار و سطحی. توجه داشته باشید که هر کدام روشی برای علامت گذاری کاتد دارند (سرب منفی).

متأسفانه کلاهک های الکترولیتی معمولاً پلاریزه می شوند. آنها یک پایه مثبت - آند - و یک پایه منفی به نام کاتد دارند. هنگامی که ولتاژ به کلاهک الکترولیتی اعمال می شود، آند باید در ولتاژ بالاتری نسبت به کاتد باشد. کاتد یک خازن الکترولیتی معمولاً با علامت '-' و یک نوار رنگی روی بدنه مشخص می شود. همچنین ممکن است پایه آند به عنوان نشانه دیگری کمی بلندتر باشد. اگر ولتاژ به صورت معکوس روی کلاهک الکترولیتی اعمال شود، به طور چشمگیری از کار می افتند (باز شدن پاپ و ترکیدن)، و برای همیشه. پس از ترکیدن یک الکترولیت مانند یک اتصال کوتاه رفتار می کند.

این درپوش‌ها همچنین به دلیل نشتی بدنام هستند - به مقادیر کمی جریان (در حد nA) اجازه می‌دهند تا از یک ترمینال به ترمینال دیگر از طریق دی الکتریک عبور کنند. این باعث می‌شود درپوش‌های الکترولیتی برای ذخیره‌سازی انرژی ایده‌آل نباشند، که با توجه به ظرفیت و ولتاژ بالای آن‌ها جای تاسف دارد.

ابرخازنها

اگر به دنبال خازن ساخته شده برای ذخیره انرژی هستید، فراتر از ابرخازن ها نباشید. این کلاهک ها به گونه ای منحصر به فرد طراحی شده اند که ظرفیت خازنی بسیار بالایی دارند، در محدوده فاراد.

ابرخازن

یک ابرخازن 1F (!). ظرفیت خازنی بالا، اما فقط برای 2.5 ولت رتبه بندی شده است. توجه داشته باشید که اینها نیز قطبی شده اند.

در حالی که آنها می توانند مقدار زیادی شارژ را ذخیره کنند، سوپرکاپ ها نمی توانند با ولتاژهای بسیار بالا مقابله کنند. این سوپرکاپ 10F فقط برای حداکثر 2.5 ولت رتبه بندی شده است. هر چیزی بیش از این آن را نابود خواهد کرد. سوپر کلاهک ها معمولاً به صورت سری قرار می گیرند تا به ولتاژ بالاتری دست یابند (در حالی که ظرفیت کل کاهش می یابد).

کاربرد اصلی ابرخازن‌ها در ذخیره و آزادسازی انرژی مانند باتری‌ها است که رقیب اصلی آنهاست. در حالی که سوپرکاپ ها نمی توانند به اندازه یک باتری هم اندازه انرژی در خود نگه دارند، اما می توانند آن را بسیار سریعتر آزاد کنند و معمولاً طول عمر بیشتری دارند.

دیگران

کلاهک های الکترولیتی و سرامیکی حدود 80 درصد از انواع خازن های موجود را پوشش می دهند (و سوپرکاپ ها فقط حدود 2 درصد هستند، اما فوق العاده هستند!). یکی دیگر از انواع خازن های رایج، خازن فیلم است که تلفات انگلی بسیار کم (ESR) را دارد و برای مقابله با جریان های بسیار بالا عالی است.

تعداد زیادی خازن کمتر رایج دیگر وجود دارد. خازن های متغیر می توانند طیف وسیعی از ظرفیت ها را تولید کنند، که آنها را جایگزین خوبی برای مقاومت های متغیر در مدارهای تنظیم می کند. سیم های پیچ خورده یا PCB ها می توانند خازن ایجاد کنند (گاهی اوقات نامطلوب) زیرا هر یک از دو هادی تشکیل شده است که توسط یک عایق از هم جدا شده اند. لیدن کوزه -- یک شیشه شیشه ای پر شده و توسط هادی احاطه شده -- O.G. از خانواده خازن ها در نهایت، البته، خازن‌های شار (ترکیبی عجیب از سلف و خازن) برای سفر به دوران شکوه حیاتی هستند.

خازن های سری/موازی

مانند مقاومت ها، چندین خازن را می توان به صورت سری یا موازی ترکیب کرد تا یک ظرفیت معادل ترکیبی ایجاد کند. با این حال، خازن ها به گونه ای با هم جمع می شوند که کاملاً برعکس مقاومت ها است.

خازن ها به صورت موازی

هنگامی که خازن ها به صورت موازی با یکدیگر قرار می گیرند، ظرفیت کل صرفاً مجموع همه ظرفیت ها است. این مشابه روشی است که مقاومت ها در حالت سری اضافه می شوند.

خازن ها به صورت موازی اضافه می شوند

بنابراین، برای مثال، اگر سه خازن با مقادیر 10µF، 1µF، و 0.1µF به صورت موازی داشته باشید، ظرفیت کل 11.1µF (10+1+0.1) خواهد بود.

خازن های سری

همانطور که مقاومت‌ها به صورت موازی به آن‌ها اضافه می‌شوند، خازن‌ها نیز وقتی به صورت سری قرار می‌گیرند بد بو می‌شوند. ظرفیت کل N خازن های سری، معکوس مجموع همه خازن های معکوس است.

خازن های سری معکوس مجموع معکوس آنها هستند

اگر فقط دو خازن به صورت سری دارید، می توانید از روش "محصول بیش از جمع" برای محاسبه ظرفیت کل استفاده کنید:

معادله 2 خازن در سری Ctot=C1*C2/(C1+C2)

اگر این معادله را حتی فراتر ببریم، اگر دو خازن با مقدار مساوی به صورت سری داشته باشید، ظرفیت کل نیمی از مقدار آنها است. به عنوان مثال، دو ابرخازن 10F به صورت سری ظرفیت کل 5F را تولید می کنند (همچنین مزیت دوبرابر کردن ولتاژ کل خازن را از 2.5 ولت به 5 ولت خواهد داشت).

نمونه های کاربردی

هزاران برنامه کاربردی برای این مؤلفه غیرفعال کوچک (در واقع آنها معمولاً بسیار بزرگ هستند) وجود دارد. برای اینکه ایده ای از طیف وسیع کاربرد آنها به شما ارائه دهیم، در اینجا چند مثال آورده شده است:

جداسازی (بای پس) خازن

بسیاری از خازن هایی که در مدارها مشاهده می کنید، به خصوص خازن هایی که دارای مدار مجتمع هستند، در حال جدا شدن هستند. وظیفه خازن جداکننده سرکوب نویز فرکانس بالا در سیگنال های منبع تغذیه است. آنها امواج ولتاژ کوچک را که در غیر این صورت می تواند برای آی سی های ظریف مضر باشد، از منبع ولتاژ خارج می کنند.

به نوعی، خازن‌های جداکننده به‌عنوان منبع تغذیه محلی بسیار کوچک برای آی‌سی عمل می‌کنند (تقریباً مانند منبع تغذیه بدون وقفه برای رایانه‌ها). اگر منبع تغذیه به طور موقت ولتاژ خود را کاهش دهد (که در واقع بسیار رایج است، به خصوص

زمانی که مداری که آن را تغذیه می‌کند دائماً نیاز بار خود را تغییر می‌دهد، یک خازن جداکننده می‌تواند برای مدت کوتاهی برق را با ولتاژ صحیح تامین کند. به همین دلیل است که به این خازن ها کلاهک بای پس نیز می گویند. آنها می توانند به طور موقت به عنوان منبع تغذیه عمل کنند و منبع تغذیه را دور بزنند.

خازن های جداکننده بین منبع تغذیه (5 ولت، 3.3 ولت و غیره) و زمین متصل می شوند. استفاده از دو یا چند خازن با ارزش های متفاوت و حتی انواع مختلف برای دور زدن منبع تغذیه غیرمعمول نیست، زیرا برخی از مقادیر خازن در فیلتر کردن فرکانس های خاصی از نویز بهتر از مقادیر دیگر هستند.

در خازن mkt ، بارها روی صفحات گیر می کنند زیرا نمی توانند از دی الکتریک عایق عبور کنند. الکترون‌ها - ذرات با بار منفی - به یکی از صفحات مکیده می‌شوند و در کل دارای بار منفی می‌شوند. جرم زیادی از بارهای منفی در یک صفحه مانند بارهای روی صفحه دیگر رانده می شود و آن را دارای بار مثبت می کند.

طراحی کلاهک شارژ شده

بارهای مثبت و منفی هر یک از این صفحات یکدیگر را جذب می کنند، زیرا این همان کاری است که بارهای مخالف انجام می دهند. اما، با نشستن دی الکتریک بین آنها، به همان اندازه که آنها می خواهند با هم جمع شوند، شارژها برای همیشه روی صفحه می مانند (تا زمانی که جای دیگری برای رفتن داشته باشند). بارهای ثابت روی این صفحات یک میدان الکتریکی ایجاد می کند که بر انرژی پتانسیل الکتریکی و ولتاژ تأثیر می گذارد. وقتی بارها روی خازن‌هایی مانند این با هم جمع می‌شوند، کلاهک انرژی الکتریکی را ذخیره می‌کند، همانطور که باتری ممکن است انرژی شیمیایی را ذخیره کند.

شارژ و دشارژ

هنگامی که بارهای مثبت و منفی روی صفحات خازن با هم ترکیب می شوند، خازن باردار می شود. یک خازن می تواند میدان الکتریکی خود را حفظ کند - بار خود را نگه دارد - زیرا بارهای مثبت و منفی هر یک از صفحات یکدیگر را جذب می کنند اما هرگز به یکدیگر نمی رسند.

در برخی مواقع صفحات خازن آنقدر پر از بار می شوند که دیگر نمی توانند بپذیرند. به اندازه کافی بارهای منفی در یک صفحه وجود دارد که می توانند هر دیگری را که بخواهند به آن بپیوندند دفع کنند. اینجا جایی است که ظرفیت خازن (فاراد) یک خازن وارد عمل می شود، که به شما می گوید حداکثر مقدار شارژی که درپوش می تواند ذخیره کند.

اگر مسیری در مدار ایجاد شود که به بارها اجازه دهد مسیر دیگری را برای یکدیگر پیدا کنند، خازن را ترک کرده و تخلیه می شود.

به عنوان مثال، در مدار زیر، می توان از یک باتری برای القای پتانسیل الکتریکی در سراسر خازن استفاده کرد. این باعث می شود که بارهای مساوی اما مخالف روی هر یک از صفحات ایجاد شود، تا زمانی که آنها آنقدر پر شوند که جریان بیشتری را از جریان خارج کنند. یک LED قرار داده شده به صورت سری با درپوش می تواند مسیری را برای جریان ایجاد کند و انرژی ذخیره شده در خازن می تواند برای روشن کردن مختصر LED استفاده شود.

مثال شارژ/دشارژ خازن

محاسبه شارژ، ولتاژ و جریان

ظرفیت خازن - چند فاراد - به شما می گوید که چقدر شارژ می تواند ذخیره کند. مقدار شارژی که در حال حاضر یک خازن ذخیره می کند به اختلاف پتانسیل (ولتاژ) بین صفحات آن بستگی دارد. این رابطه بین شارژ، ظرفیت و ولتاژ را می توان با این معادله مدل کرد:

Q=CV

شارژ (Q) ذخیره شده در خازن حاصل ضرب ظرفیت خازن (C) و ولتاژ (V) اعمال شده به آن است.

ظرفیت خازن همیشه باید یک مقدار ثابت و مشخص باشد. بنابراین می توانیم ولتاژ را برای افزایش یا کاهش شارژ درپوش تنظیم کنیم. ولتاژ بیشتر یعنی شارژ بیشتر، ولتاژ کمتر... شارژ کمتر.

این معادله همچنین راه خوبی برای تعریف مقدار یک فاراد به ما می دهد. یک فاراد (F) ظرفیت ذخیره یک واحد انرژی (کولن) در هر یک ولت است.

محاسبه جریان

می‌توانیم معادله شارژ/ولتاژ/خازن را یک قدم جلوتر ببریم تا بفهمیم که چگونه ظرفیت و ولتاژ بر جریان تأثیر می‌گذارند، زیرا جریان نرخ جریان بار است. خلاصه رابطه خازن با ولتاژ و جریان این است: میزان جریان عبوری از خازن به ظرفیت خازن و سرعت افزایش یا کاهش ولتاژ بستگی دارد. اگر ولتاژ دو طرف خازن به سرعت افزایش یابد، جریان مثبت زیادی از خازن القا می شود. افزایش آهسته ولتاژ در خازن معادل جریان کمتری است که از آن عبور می کند. اگر ولتاژ دو طرف خازن ثابت و بدون تغییر باشد، جریانی از آن عبور نخواهد کرد.

(این کار زشت است و وارد حساب دیفرانسیل و انتگرال می شود. تا زمانی که وارد تجزیه و تحلیل دامنه زمانی، طراحی فیلتر و سایر موارد غیرمعمول نشوید، همه چیز لازم نیست، بنابراین اگر با این معادله راحت نیستید، به صفحه بعدی بروید. معادله محاسبه جریان عبوری از خازن به صورت زیر است:

i=Cdv/dt

بخش dV/dt این معادله یک مشتق (روش فانتزی برای گفتن نرخ لحظه ای) از ولتاژ در طول زمان است، معادل این است که بگوییم "ولتاژ در این لحظه با چه سرعتی بالا یا پایین می رود". نکته مهم از این معادله این است که اگر ولتاژ ثابت باشد، مشتق آن صفر است، به این معنی که جریان نیز صفر است. به همین دلیل است که جریان نمی تواند از طریق یک خازن با ولتاژ DC ثابت عبور کند.

انواع خازن

انواع مختلفی از خازن ها وجود دارد که هر کدام دارای ویژگی ها و معایب خاصی هستند که آن را برای برخی از برنامه ها بهتر از سایرین می کند.

هنگام تصمیم گیری در مورد انواع خازن، باید چندین عامل را در نظر گرفت:

اندازه - اندازه هم از نظر حجم فیزیکی و هم از نظر ظرفیت. غیر معمول نیست که یک خازن بزرگترین جزء در مدار باشد. آنها همچنین می توانند بسیار ریز باشند. ظرفیت بیشتر معمولاً به یک خازن بزرگتر نیاز دارد.

حداکثر ولتاژ - هر خازن برای حداکثر ولتاژی که می توان در آن افت کرد رتبه بندی می شود. برخی از خازن ها ممکن است برای 1.5 ولت و برخی دیگر ممکن است برای 100 ولت رتبه بندی شوند. بیش از حد

حداکثر ولتاژ معمولا منجر به تخریب خازن می شود.

جریان نشتی - خازن ها کامل نیستند. هر درپوش مستعد نشت مقدار کمی جریان از طریق دی الکتریک، از یک ترمینال به پایانه دیگر است. این کاهش جریان کوچک (معمولاً نانوآمپر یا کمتر) نشتی نامیده می شود. نشت باعث می شود انرژی ذخیره شده در خازن به آرامی، اما مطمئنا تخلیه شود.

مقاومت سری معادل (ESR) - پایانه های یک خازن 100% رسانا نیستند، آنها همیشه مقدار کمی مقاومت (معمولا کمتر از 0.01Ω) در برابر خود دارند. این مقاومت زمانی مشکل ساز می شود که جریان زیادی از درپوش عبور می کند و باعث اتلاف گرما و توان می شود.

تحمل - همچنین نمی توان خازن ها را طوری ساخت که ظرفیت دقیق و دقیقی داشته باشند. هر درپوش برای ظرفیت اسمی خود رتبه بندی می شود، اما، بسته به نوع، مقدار دقیق ممکن است از ± 1٪ تا ± 20٪ از مقدار مورد نظر متفاوت باشد.

خازن های سرامیکی

متداول ترین خازن مورد استفاده و تولید شده، خازن سرامیکی است. نام از ماده ای است که دی الکتریک آنها از آن ساخته شده است.

خازن های سرامیکی معمولا از نظر فیزیکی و ظرفیتی کوچک هستند. پیدا کردن یک خازن سرامیکی بسیار بزرگتر از 10μF سخت است. کلاهک سرامیکی روی سطح معمولاً در بسته‌های کوچک 0402 (0.4mm x 0.2mm)، 0603 (0.6mm x 0.3mm) یا 0805 یافت می‌شود. کلاهک های سرامیکی سوراخ دار معمولاً شبیه لامپ های کوچک (معمولاً زرد یا قرمز) با دو پایانه بیرون زده هستند.

خازن های سرامیکی

دو کلاهک در بسته بندی شعاعی سوراخ دار؛ یک کلاهک 22 pF در سمت چپ و یک میکروفن 0.1 در سمت راست. در وسط، یک درپوش کوچک 0.1μF 0603 روی سطح قرار دارد.

در مقایسه با کلاهک های الکترولیتی به همان اندازه محبوب، سرامیک ها خازن های تقریبا ایده آل تری هستند (ESR و جریان های نشتی بسیار کمتر)، اما ظرفیت کوچک آنها می تواند محدود کننده باشد. آنها معمولا کم هزینه ترین گزینه نیز هستند. این درپوش ها برای کاربردهای کوپلینگ و جداسازی فرکانس بالا مناسب هستند.

آلومینیوم و تانتالیم الکترولیتی

الکترولیت ها عالی هستند زیرا می توانند ظرفیت زیادی را در حجم نسبتاً کمی جمع کنند. اگر به خازن در محدوده 1μF-1mF نیاز دارید، به احتمال زیاد آن را به شکل الکترولیتی پیدا خواهید کرد. آنها مخصوصاً برای کاربردهای ولتاژ بالا مناسب هستند زیرا حداکثر ولتاژ نسبتاً بالایی دارند.

خازن‌های الکترولیتی آلومینیومی، محبوب‌ترین خازن‌های خانواده الکترولیتی، معمولاً شبیه قوطی‌های حلبی کوچک هستند که هر دو سرب از پایین امتداد دارند.