خازن (Capacitor)

خازن (Capacitor)، قطعه‌ای الکتریکی است که انرژی الکتریکی را توسط میدان الکترواستاتیکی (بار الکتریکی) در خود ذخیره می‌کند. همانطور که در سیستم‌های مکانیکی، فنر انرژی مکانیکی را در خود ذخیره می‌کند و بعد از برداشتن نیرو از روی فنر انرژی مکانیکی را پس می‌ دهد، در سیستم‌های الکتریکی نیز خازن انرژی الکتریکی را درخود ذخیره می‌کند و بعد از کم شدن پتانسیل مدار یا ولتاژ مدار از ولتاژ شارژ، انرژی الکتریکی را به مدار باز می‌گرداند و این فرآیند به طور مستمر در مدارهای الکتریکی مادامیکه سیستم برقی فعال است صورت می‌پذیرد ( 3 وظیفه خازن در سیستم بررق خودرو ) تا باعث ارتقای پایداری مدارهای برقی شود.
مطابق شکل 1 این قطعه از دو صفحه رسانا، دو ترمینال و یک صفحه عایق یا دی‌الکتریک تشکیل شده است که البته همه این اجزا درون یک بدنه قرار می‌گیرند و در ابعاد، اندازه‌ و شکل‌های مختلفی(عدسی، استوانه‌ای یا کپسولی، مکعبی یا آجری و غیره) مطابق شکل 2 تولید و به بازار عرضه می‌شود.

1-صفحه‌ دی‌الکتریک یا عایق 2-ترمینال 3-صفحه ی رسانا
شکل 1-ساختمان خازن

شکل 2-انواع خازن

صفحات رسانا معمولا از جنس آلومینیوم، روی و نقره است و معمولا مساحت زیادی دارند. صفحه عایق نیز معمولا از جنس هوا، کاغذ، میکا، پلاستیک، اکسید آلومینیوم، اکسید تانتالیوم و غیره می باشد.
مهمترین ویژگی این قطعه الکتریکی، ظرفیت آن می باشد که با حرف C نشان داده می شود و به معنای توانایی ذخیره بار الکتریکی می باشد. هر چه ظرفیت بیشتر باشد، توانایی ذخیره بار الکتریکی آن بیشتر می شود بدین منظور که توانایی ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی بیشتری را دارا است. همچنین هر چه مساحت مشترک صفحات بیشتر و ضخامت دی الکتریک بین دو صفحه فلزی کمتر باشد، ظرفیت آن بیشتر می شود. بدین منظور صفحات رسانا و دی‌الکتریک را مطابق شکل 3 به دور هم می‌پیچند تا با حجم اشغال شده کم، بیشترین مقدار ظرفیت ایجاد شود. از طرفی جنس دی‌الکتریک هم در ظرفیت آن تاثیرگذار است به طوری که هر چه ضریب دی‌الکتریک بیشتر باشد، ظرفیت آن بیشتر می‌شود.

1-بدنه 2-ترمینال 3-صفحات دی‌الکتریک 4-صفحات فلزی
شکل 3-پیچیدن صفحات عایق و رسانا به دور هم به منظور کاهش حجم و افزایش ظرفیت

جدول 1 ضریب دی‌الکتریک برخی عایق‌ها یا دی‌الکتریک‌های مورد استفاده در ساخت این قطعه را نشان می‌دهد.

جدول 1-ضریب دی‌الکتریک برخی عایق‌ها

ظرفیت به عنوان مهمترین مشخصه بر روی بدنه آن حک می‌شود. واحد ظرفیت فاراد می‌باشد اما از آنجایی که فاراد کمیتی بزرگ است، ظرفیت را معمولا بر حسب میکرو فاراد (Fµ) یا پیکوفاراد (pF) بیان می‌کنند.
از طرفی ولتاژ پلاریزاسیون یا ولتاژ کار خازن نیز دارای اهمیت زیادی است، که معمولا به همراه ظرفیت بر روی بدنه آن حک می‌شود. ولتاژ کاری، ماکزیمم ولتاژی است که به ترمینال‌های آن اعمال می شود، تا مولکول های عایق درون آن شکسته نشده و خاصیت عایق بودن خود را از دست ندهند در صورتیکه ولتاژ اعمالی به دو ترمینال از ولتاژ کاری بیشتر شود، این دی‌الکتریک خاصیت عایق بودن خود را از دست داده و باعث می‌شود تا مدار به صورت مستقیم متصل شود و چه بسا پایداری سیستم برقی دچار اختلال شود.
هنگامی که خازن به جریان برق مستقیم وصل می شود، مطابق شکل 4، صفحه فلزی که به قطب مثبت وصل است، حامل بار مثبت شده، در حالی که صفحه فلزی که به قطب منفی وصل است، حامل بار منفی می‌شود و در این صورت فرآیند شارژ تشکیل می‌شود.

1-صفحه فلزی مثبت 2-صفحه عایق 3-صفحه فلزی منفی 4-فیوز

شکل 4- مدار خازن در حال شارژ

برای افزایش زمان شارژ می توان مطابق شکل 5 مقاومتی را با آن سری کرد و یا به عبارتی، دیگر مدار خازن–مقاومت (RC)را تشکیل داد. بعد از اینکه عملیات شارژ انجام شد، این قطعه الکتریکی می‌تواند این بار الکتریکی را تا مدت زمان زیادی درون خود ذخیره کند.

شکل 5-مدار RC برای افزایش زمان شارژ

بعد از تشکیل مدار RC و اتصال آن به برق مستقیم، مطابق شکل6، مدت زمانی که شارژ می‌شود را ثابت زمانی مدار RC گفته می‌شود که از رابطه …. بدست می‌آید.

I: جریان مدار

VC:ولتاژ شارژ

t: زمان
شکل 6- نمودار ولتاژ و جریان مدار RC در حالت شارژ

(1-2) τ=C∙R
τ : ثابت زمانی مدار RC بر حسب ثانیه (S)
C : ظرفیت بر حسب فاراد (F)
R : مقاومت الکتریکی بر حسب اهم (Ω)
زمان شارژ یا دشارژ کامل، تقریبا برابر با پنج برابر ثابت زمانی (5τ) است. ملاحظه می‌گردد که در لحظه صفر، حداکثر جریان مصرفی مدار ایجاد می‌شود ولی اختلاف پتانسیل دو سر آن حداقل است. بعد از گذشت زمان و شارژ کامل، دیگر جریان از مدار عبور نمی‌کند، در حالی که اختلاف پتانسیل بین صفحه مثبت و منفی به حداکثر مقدار خود رسیده و با ولتاژ مدار برابر می‌شود.
بعد از اینکه عملیات شارژ انجام شد، اگر مطابق شکل 7 دو سر خازن را به مقاومت الکتریکی وصل کرده و مدار RC تشکیل شود، در این حالت نیز به اندازه پنج برابر ثابت زمانی مدار RC طول می‌کشد، تا مدار به طور کامل تخلیه شده و اختلاف پتانسیل بین صفحات مثبت و منفی آن صفر شود.

شکل 7- مدار RC در حالت دشارژ یا تخلیه

منحنی تخلیه یا دشارژ مطابق شکل 7 است.

t: زمان

VC ولتاژ دشارژ
شکل 8- نمودار ولتاژ در حالت دشارژ یا تخلیه

هنگامی که در مداری با جریان مستقیم (DC) خازنی با مصرف کننده سری شود، مصرف کننده روشن نمی‌شود چون این قطعه در مدارهای DC به صورت مدار باز عمل می‌کند ولی در مداری که از جریان برق متناوب (AC) استفاده می‌شود به خاطر آنکه در هر لحظه جهت جریان عوض می‌شود، جای صفحات مثبت و منفی عوض شده و بنابراین مصرف کننده روشن می‌شود.
البته روشن شدن مصرف کننده به ظرفیت خازن و فرکانس برق متناوب و یا به واکنش ظرفیتی(Capacitance Reactance) یا راکتانس مطابق رابطه 2-2 نیز بستگی دارد.
X_c=1/(2π∙f∙c) ) (2-2

X_c: راکتانس بر حسب اهم (Ω)
f : فرکانس بر حسب هرتز (Hz)
c : ظرفیت بر حسب فاراد (F)
مقدار راکتانس برای برق مستقیم بی نهایت است. در حالیکه مقدار راکتانس در برق متناوب، با افزایش ظرفیت خازن و فرکانس (تا فرکانس کاری) کاهش می یابد. اما اگر فرکانس از فرکانس کاری زیادتر شود، مقدار راکتانس دوباره رو به افزایش می‌گذارد چرا که در این صورت، اثر سلفی صفحات خازن ظاهر می‌شود.