خازن‌ها: ذخیره‌کننده‌های انرژی الکتریکی
- 5 دقیقه زمان مطالعه
- بدون نظر
خازن یک قطعه الکترونیکی است که وظیفه اصلی آن ذخیره و تخلیه انرژی الکتریکی به صورت بار الکتریکی است. این قطعه از دو صفحه رسانا تشکیل شده که توسط یک ماده عایق به نام دی‌الکتریک از یکدیگر جدا شده‌اند. خازن‌ها در مدارهای الکتریکی برای انجام وظایف متنوعی نظیر صاف کردن ولتاژ، تنظیم فرکانس و ذخیره انرژی مورد استفاده قرار می‌گیرند. ظرفیت خازن، که با واحد فاراد (Farad) اندازه‌گیری می‌شود، نشان‌دهنده میزان باری است که خازن قادر به ذخیره‌سازی آن می‌باشد.
تاریخچه خازن
تاریخچه خازن به قرن هجدهم میلادی بازمی‌گردد. اولین نمونه شناخته‌شده از خازن‌ها، “بطری لیدن” (Leyden Jar) نام داشت که در سال 1745 به طور مستقل توسط دو دانشمند آلمانی، اوالد یورگن فون کلایست (Ewald Jürgen von Kleist) و پیتر ون موسچنبروک (Pieter van Musschenbroek)، اختراع شد. بطری لیدن از یک بطری شیشه‌ای پر از آب یا جیوه تشکیل شده بود که به عنوان دی‌الکتریک عمل می‌کرد و دارای یک الکترود داخلی و یک الکترود خارجی بود.
در طول قرن‌ها، خازن‌ها تکامل یافتند و به شکل‌های مختلفی از جمله خازن‌های الکترولیتی، سرامیکی و فیلمی توسعه یافتند. امروزه، خازن‌ها به دلیل ویژگی‌های منحصر به فردشان در ذخیره‌سازی انرژی و کاربردهای گسترده در صنایع الکترونیک و برق، به عنوان اجزای حیاتی در طراحی مدارها محسوب می‌شوند.
خازن چیست؟
خازن قطعه‌ای است که برای جمع‌آوری انرژی الکتریکی به صورت میدان الکتریکی در بین صفحات خود به کار می‌رود. این قابلیت به خازن‌ها اجازه می‌دهد تا به عنوان یک باتری یا ذخیره‌ساز انرژی و یا فیلتر نویز در مدارها عمل کنند. ساختار خازن‌ها از دو صفحه موازی و روبروی یکدیگر تشکیل شده است که بین آن‌ها ماده‌ای به نام دی‌الکتریک قرار دارد. جنس ماده دی‌الکتریک می‌تواند متنوع باشد، اما پرکاربردترین آن‌ها هوا، کاغذ، سرامیک، شیشه و میکا هستند. جنس صفحات خازن نیز معمولاً از آلومینیوم یا تانتالوم ساخته می‌شود.
عملکرد خازن‌ها با کمیتی به نام ظرفیت خازن سنجیده می‌شود که به ساختار درونی خازن شامل سطح مقطع صفحات، فاصله بین صفحات و جنس دی‌الکتریک بستگی دارد.
خازن‌ها چگونه کار می‌کنند؟
با اعمال ولتاژ به خازن، به ازای هر ولت، الکترون‌های معادل آن از یک صفحه جدا شده و به طرف صفحه دیگر می‌روند و در نتیجه در دو صفحه بارهای غیرهم‌نام تجمع می‌یابد. این تجمع بارها باعث ایجاد میدان الکتریکی بین صفحات خازن می‌شود که انرژی الکتریکی در این میدان ذخیره می‌گردد.
عملکرد یک خازن به این صورت است که با شارژ شدن، بار الکتریکی را ذخیره می‌کند و سپس در مواقع نیاز، این بار را تخلیه می‌کند. این فرآیند باعث می‌شود که خازن‌ها به عنوان فیلتر، تثبیت‌کننده و تنظیم‌کننده ولتاژ در مدارها عمل کنند.
انواع خازن
خازن‌ها از نظر ظاهری و بر اساس کاربردشان انواع مختلفی دارند:
-
خازن سرامیکی
- این خازن‌ها معمولاً کوچک‌تر و به شکل دیسکی یا مستطیلی هستند و اغلب دارای طیف رنگی نارنجی می‌باشند. به دلیل قدرت بالا، کاربرد اصلی آن‌ها در بردهای مدار چاپی است.
-
خازن فیلم
این خازن‌ها نیز کوچک بوده و به رنگ‌های مختلفی مانند قرمز یا سبز دیده می‌شوند. از آن‌ها در مدارهایی که دمای بالایی دارند استفاده می‌شود، زیرا نسبت به دما مقاومت بالایی دارند.
-
خازن تانتالیوم
این خازن‌ها بسیار کوچک بوده و به دلیل ماندگاری و دوام بالا، در دستگاه‌هایی مانند تلفن‌های همراه و تجهیزات پزشکی کاربرد دارند.
-
خازن میکا
این نوع خازن‌ها از دو صفحه فلزی تشکیل شده‌اند که توسط یک جداکننده عایق الکتریکی (میکا) از یکدیگر جدا شده‌اند. از آن‌ها برای ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی و انتقال آن در فرکانس‌های مختلف استفاده می‌شود.
-
خازن الکترولیتی
این خازن‌ها دارای یک لایه الکترولیتی بین دو صفحه فلزی هستند. از این نوع خازن‌ها برای ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی در باتری‌ها و دستگاه‌های الکتریکی با ولتاژ بالا استفاده می‌شود. نکته مهم: خازن‌های الکترولیتی قطبیت دارند (دارای پایه مثبت و منفی هستند).
-
خازن عدسی
این نوع خازن‌ها از یک عدسی دی‌الکتریک (مانند شیشه یا پلاستیک) تشکیل شده‌اند که بین دو صفحه فلزی قرار دارد. از آن‌ها برای کنترل و تنظیم جریان الکتریکی در مدارهای الکتریکی استفاده می‌شود. نکته مهم: خازن‌های عدسی قطبیت ندارند.
-
خازن مولتی لایر (چند لایه)
این نوع خازن‌ها دارای چندین لایه عایقی هستند که توسط صفحات فلزی از یکدیگر جدا شده‌اند. از آن‌ها برای ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی و انتقال امواج رادیویی استفاده می‌شود.
-
خازن SMD (نصب سطحی)
این نوع خازن‌ها دارای یک لایه نیمه‌هادی بین دو صفحه فلزی هستند و برای فیلترینگ و تنظیم فرکانس در مدارهای الکتریکی و الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. طراحی آن‌ها برای نصب بر روی سطح برد مدار چاپی مناسب است.
هشداری برای خازن‌ها!
خازن‌ها در صورت استفاده نادرست یا قرار گرفتن در شرایطی که خارج از مشخصات طراحی آن‌ها باشد، ممکن است دچار خرابی یا انفجار شوند. یکی از خطرات اصلی، پلاریته معکوس در خازن‌های الکترولیتی است؛ اعمال ولتاژ معکوس به این نوع خازن‌ها می‌تواند منجر به گرم شدن سریع، نشتی یا حتی انفجار آن‌ها شود. اضافه‌ولتاژ نیز می‌تواند باعث خرابی یا سوختن خازن‌ها شود و در این حالت، خازن‌ها ممکن است به صورت ناگهانی ولتاژ ذخیره‌شده را تخلیه کرده و جرقه بزنند یا بترکند. دمای بالا نیز می‌تواند عملکرد خازن را مختل کرده و طول عمر آن را کاهش دهد و در موارد شدید منجر به خرابی کامل شود.
کاربردهای خازن
خازن‌ها کاربردهای گسترده‌ای در مدارهای الکتریکی و الکترونیکی دارند، از جمله:
- مدارهای تایمر: با تغییر ظرفیت خازن و مقاومت متصل به آن، می‌توان زمان تخلیه و در نتیجه زمان تأخیر را تنظیم کرد. این ویژگی در مدارهای زمان‌سنج و تولید پالس بسیار کاربردی است.
- مدارهای مخابراتی: از خازن‌ها برای تنظیم و تثبیت فرکانس‌های رادیویی استفاده می‌شود.
- ذخیره انرژی: خازن‌های خاصی مانند سوپرخازن‌ها می‌توانند انرژی بیشتری نسبت به خازن‌های معمولی ذخیره کرده و در زمان‌های کوتاه‌تری آن را تخلیه کنند. این ویژگی در فناوری‌های مدرن مانند خودروهای الکتریکی و دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل کاربرد دارد.
- صاف کردن ولتاژ: در منابع تغذیه، از خازن‌ها برای کاهش ریپل (نوسانات) ولتاژ DC استفاده می‌شود.
- کوپلاژ و دی‌کوپلاژ: خازن‌ها می‌توانند برای انتقال سیگنال AC بین دو بخش از مدار در حالی که از انتقال DC جلوگیری می‌کنند (کوپلاژ)، یا برای حذف نویز و نوسانات ناخواسته از خطوط تغذیه (دی‌کوپلاژ) استفاده شوند.
- فیلتر کردن: خازن‌ها به همراه مقاومت‌ها و سلف‌ها برای ساخت انواع فیلترهای فرکانسی (مانند فیلترهای بالاگذر، پایین‌گذر و میان‌گذر) استفاده می‌شوند.
نحوه تست خازن با استفاده از مولتی متر
برای تست خازن با استفاده از مولتی متر، چند روش وجود دارد:
روش اول: اندازه‌گیری مستقیم ظرفیت
- ابتدا اتصالات برق مدار را قطع کنید و در صورت لزوم خازن را تخلیه نمایید (به بخش “نحوه اندازه گیری خازن ها” مراجعه کنید).
- سلکتور مولتی متر را روی رنج خازن (علامت فاراد – F) قرار دهید. اگر مولتی متر شما دارای چندین محدوده ظرفیت خازنی است، محدوده مناسبی را انتخاب کنید که بالاتر از مقدار ظرفیت خازن مورد انتظار باشد.
- پراپ قرمز را به پایه مثبت و پراپ سیاه را به پایه منفی خازن (در خازن‌های قطبیت‌دار مانند خازن الکترولیت) متصل کنید. در خازن‌های بدون قطبیت، اتصال پراپ‌ها مهم نیست.
- هنگامی که اتصال برقرار شد، مولتی متر مقدار ظرفیت خازن را بر حسب فاراد (F) یا واحدهای فرعی مانند میکرو فاراد (µF)، نانو فاراد (nF) و پیکو فاراد (pF) نمایش می‌دهد.
- مقدار نمایش داده شده را با مقدار نامی درج شده روی خازن مقایسه کنید. اگر مقدار اندازه‌گیری شده به مقدار نامی نزدیک باشد (در محدوده تلورانس مشخص شده)، خازن احتمالاً سالم است.
روش دوم: تست اتصال کوتاه با اهم متر
- ابتدا اتصالات برق مدار را قطع کنید و خازن را تخلیه نمایید.
- سلکتور مولتی متر را روی حالت اندازه‌گیری مقاومت (اهم – Ω) قرار دهید.
- پراپ‌های اهم متر را به پایه‌های خازن متصل کنید.
- در این حالت، خواهید دید که در ابتدا، اهم متر مقدار مقاومت پایینی را نشان می‌دهد. این نشان‌دهنده شارژ شدن خازن توسط جریان داخلی مولتی متر است.
- اگر خازن سالم باشد، این مقدار مقاومت به تدریج افزایش می‌یابد و در نهایت به یک مقدار بسیار بالا (مقاومت مدار باز – OL در مولتی مترهای دیجیتال) می‌رسد.
- اگر مقدار نشان داده شده پایین بماند یا عدد صفر روی صفحه اهم متر نشان داده شود، احتمالاً خازن اتصال کوتاه شده و معیوب است.
- برای اطمینان بیشتر، پس از جدا کردن سیم‌ها از خازن، مجدداً با قطبیت معکوس پراپ‌ها را وصل کرده و مراحل 4 و 5 را تکرار کنید.
روش سوم: بررسی جریان نشتی (نیاز به منبع تغذیه)
این روش برای تست خازن‌های پلی استر، سرامیکی و عدسی و بررسی دقیق‌تر آن‌ها کاربرد دارد:
- به یک مولتی متر دیجیتال با قابلیت اندازه‌گیری ظرفیت، ولتاژ و جریان نیاز دارید.
- یک منبع تغذیه یا باتری با ولتاژ مناسب (مطابق با ولتاژ نامی خازن) تهیه کنید.
- ابتدا ظرفیت خازن را با روش اول اندازه‌گیری کنید و با مقدار نامی آن مقایسه نمایید.
- خازن را با رعایت پلاریته (در صورت وجود) به منبع تغذیه متصل کنید.
- پس از گذشت مدت زمان کوتاهی، ولتاژ دو سر خازن را با مولتی متر اندازه‌گیری کنید. باید نزدیک به ولتاژ منبع تغذیه باشد. اگر ولتاژ به سرعت افت کند، خازن نشتی دارد.
- برای اندازه‌گیری جریان نشتی، مولتی متر را در حالت اندازه‌گیری جریان (میکروآمپر یا نانوآمپر) قرار داده و آن را به صورت سری با خازن و منبع تغذیه قرار دهید. مقدار جریان نشتی باید بسیار کم باشد. جریان نشتی بالا نشان‌دهنده معیوب بودن خازن است.
روش چهارم: بررسی ظاهری و عملکرد تحت ولتاژ
- خازن را با رعایت پلاریته (در صورت وجود) به یک باتری یا منبع تغذیه متناسب با ولتاژ نامی آن متصل نمایید.
- وضعیت خازن را از نظر هرگونه گرمای بیش از حد، بادکردگی، نشتی یا آسیب فیزیکی بررسی کنید.
- اگر خازن رفتار غیرعادی داشته باشد یا نتواند ولتاژ اعمال شده را حفظ کند، احتمالاً معیوب است.
نحوه اندازه‌گیری خازن‌های نصب شده روی برد
- در درجه اول، اتصالات برق مدار را به طور کامل قطع کنید.
- خازن را تخلیه کنید. برای این کار، از یک مقاومت استفاده کنید. پایه‌های مقاومت را به دو سر پایه‌های خازن متصل کنید تا بار الکتریکی ذخیره شده تخلیه شود.
- برای اندازه‌گیری دقیق، بهتر است خازن را از برد جدا کنید. وجود قطعات دیگر در مدار می‌تواند بر اندازه‌گیری تأثیر بگذارد.
- قطب‌های مثبت و منفی خازن‌های قطبیت‌دار را شناسایی کنید:
- پایه بلندتر: ترمینال مثبت است و پایه کوتاه‌تر ترمینال منفی.
- نوار رنگی: در اکثر مواقع یک نوار (معمولاً خاکستری) در کنار ترمینال منفی خازن الکترولیتی قرار دارد.
- علامت‌ها: علامت‌های “+” و “-” معمولاً در کنار ترمینال‌های خازن چاپ شده‌اند.
- نکته: خازن‌های عدسی (سرامیکی) قطبیت ندارند.
- مولتی متر را روی حالت اندازه‌گیری خازن (فاراد) تنظیم کنید و پراپ‌ها را به پایه‌های خازن وصل کنید.
- منتظر نتیجه خروجی روی صفحه مولتی متر باشید.
- توجه: اگر روی مولتی متر عبارت “OL” (Overload) را مشاهده کردید، به این معنی است که:
- خازن اتصال کوتاه شده است.
- ظرفیت خازن برای محدوده انتخاب شده در مولتی متر بسیار زیاد است. در این صورت، باید محدوده اندازه‌گیری را در مولتی متر افزایش دهید.
