نقش خازن در دستگاه های موبایل
از خازن ها به عنوان ذخیره کننده های ولتاژ استفاده می شود. خازن در انواع مختلفی ساخته و عرضه می شوند و بسته به استفاده در مدار مورد نظر کاربرد متفاوتی دارند، یکی از کاربرد های آن در موبایل در فلش دوربین است که نیاز به ولتاژ بالا دارد این ولتاژ از خازن تامین می شود. انواع خازن در موبایل معمولا خازن سرامیکی و خازن تانتالیومی هستند.
خازن های سرامیکی: که در مبحث انواع خازن ها بیشتر بررسی می شود از نوع غیر قطبی هستند و در مدارات موبایل به رنگ های کرم، قهوه ای و طوسی استفاده می شوند. با توجه به اینکه دی الکتریک این خازن ها از جنس سرامیک می باشد به این اسم نامیده شده اند. خازن های سرامیکی به دما حساس هستند و در صورت افزایش دما ظرفیت خازن تغییر می کند که همین امر باعث تغییر در عملکرد موبایل می شود. بیشترین کاربرد این خازن در موبایل به عنوان نویزگیر است.
خازن های تانتالیومی: این نوع خازنها از نوع قطبی هستند، رنگ آنها معمولاً زرد با یک نوار قهوه ای که معرف قطب مثبت است می باشند، نوع دیگری از این خازنها به رنگ قرمز یا نارنجی است، که پایه مثبت آن به وسیله یک زائده مشخص شده است و در سایر مدل ها به رنگ سفید-مشکی دیده می شوند که طرف سفید پایه مثبت را مشخص می کند.
تعریف خازن
خازن قطعه ای است که وظیفه ذخیره سازی انرژی الکتریکی توسط میدان الکترواستاتیکی (بار الکتریکی)، نویزگیری و کوپلاژ را بر عهده دارد و کاربرد آن بر اساس نوع خازن و نوع سیستمی که در مدار بسته می شود و اینکه در قبل و بعد مدار قرار است که چه اتفاقی بیتفد، متفاوت می باشد. بیشترین استفاده ای که از خازن روی برد موبایل استفاده می شود از طرفی ذخیره سازی انرژی و از طرفی نویزگیری است. حذف نویز ها و هارمونیک ها و فرکانس های مزاحم در مسیر تغذیه در موبایل و سپس عمل کردن به عنوان تقویت کننده و نویز گیر در مدار آنتن وظیفه عمده خازن ها می باشند.
خازن را با حرف C که مخفف Capacitor می باشد نشان می دهند. واحد اندازه گیری آن فاراد می باشد که با حرف F نمایش داده می شود. چون فاراد اندازه بزرگی است ما از پیشوندهای کوچک نظیر میکرو، نانو، پیکو و… استفاده می کنیم.
خازن را در نقشه های شماتیک به شکل مقابل نشان می دهند:
وظیفه آن بصورت کلی ذخیره ولتاژ می باشد ولی نباید با کار باتری اشتباه گرفته شود. زیرا خازن درحد بسیار کم و برای مدت زمان کوتاهی این کار را انجام می دهد و ذخیره آن به صورت موقت می باشد (برای مثال برای یک ثانیه).
ساختار خازن
خازن ها از نظر ساختار به دو صورت قطبی (با هسته) و غیر قطبی (بدون هسته) می باشند. در خازن دو سطح فلزی وجود دارد که به آنها جوشن گفته می شود که در بین این دو سطح، ماده ای قرار می گیرد که بسته به این ماده، جنس خازن تغییر می کند. این ماده عایق بوده و به آن دی الکتریک گفته می شود. وقتی ولتاژی به این دو سر وارد می شود میدان مغناطیسی در بین آنها تشکیل شده و به صورت موقت در این قسمت ذخیره می گردد و همانطور که گفته شد بسیار کم و در مدت زمان کوتاه این کار انجام می شود. این کار خاصیت قطع و وصل شدن را ایجاد می کند که در مدارها استفاده می شود.
جنس صفحات خازن
جنس جوشن های دو طرف خازن از آلومینیوم، نقره، قلع و روی می باشد.
جنس عایق بین صفحات
ماده بین دو صفحه خازن می تواند از جنس هوا، کاغذ، میکا، پلاستیک، اکسید آلومینیوم، سرامیک و اکسید تیتانیوم باشد ولی در موبایل بیشتر از نوع سرامیکی و تیتانیومی و مقدار کمی از الکترولیتی استفاده می شود.
در تصویر متحرک زیر، میتوانید عملکرد خازن را ببینید
علامت خازن
علامت خازن C می باشد که از Capacitor گرفته شده است و نشان آن بدین صورت است که اگر جهت مثبت و منفی آن مشخص و مهم نباشد به شکل زیر می باشد.
اگر پلاریته یا جهت مثبت و منفی آن مشخص و مهم باشد به این صورت دیده می شود ولی اکثراً به شکل بالا می باشد و پلاریته ندارد.
ظرفیت خازن
ظرفیت خازن عبارت است از مقدار باری که باید روی دو صفحه ذخیره شده تا بین دو صفحه اختلاف پتانسیل 1 ولت ایجاد گردد. ظرفیت خازن با C نشان داده شده و واحد آن فاراد است. ظرفیت معیاری برای اندازه گیری توانایی نگهداری انرژی الکتریکی است. ظرفیت زیاد بدین معنی است که خازن قادر به نگهداری انرژی الکتریکی بیشتری است. واحد اندازه‌گیری ظرفیت فاراد است. 1 فاراد واحد بزرگی است و مشخص کننده ظرفیت بالا می‌‌باشد. باید گفت که ظرفیت خازن ها یک کمیت فیزیکی است و به ساختار خازن بستگی دارد و به مدار و اختلاف پتانسیل بستگی ندارد. استفاده از واحدهای کوچک تر نیز در خازن ها مرسوم است.
میکروفاراد µF، نانوفاراد nF و پیکوفاراد pF واحدهای کوچک‌تر فاراد هستند.
نکته: بعد از قرار دادن واحد فاراد دانشمندان متوجه شده اند این واحد برای ظرفیت خازن بسیار بزرگ است، و بیشترین واحدهایی که استفاده می شود میکرو فاراد و نانو فاراد هستند. می توان گفت که خازنی با ظرفیت فاراد وجود نخواهد داشت.
خواص اتصال سری و موازی خازن
برخی از خواص اتصال سری خازن به صورت زیر می باشد:
- بار ذخیره شده در هر خازن با بار کل برابر است.
- ولتاژ کل با مجموع ولتاژ های جزء برابر است.
- ظرفیت کل کاهش می یابد.
در زیر به برخی از خواض اتصال موازی خازن اشاره شده است: - ولتاژ کل با ولتاژ دو سر هر خازن برابر است.
- بار کل با مجموع بارهای جزء برابر است.
- ظرفیت کل افزایش می یابد.
انواع خازن ها
خازن ها در انواع مختلف با مشخصه ها و کاربردهای گوناگون از خازن های ظریف حذف کننده نویز تا خازن های توان ولتاژ بالا برای اصلاح توان و مدارات یکسوساز وجود دارند. مقایسه بین انواع مختلف خازن معمولا با توجه به ماده دی الکتریک استفاده شده در بین صفحات هادی خازن صورت می‌گیرد. همانند مقاومت ها، انواع مختلف خازن ها وجود دارند که به ما امکان تغییر مقدار ظرفیت آن را برای استفاده در مدارات رادیویی یا تنظیم فرکانسی می‌دهند. خازن ها تجاری را با استفاده از صفحات نازک آغشته به پارافین یا مایلار مابین صفحات فویل فلزی درست می کنند. بعضی از خازن ها لوله مانند هستند، که در این نوع خازن ها صفحات فویل فلزی به شکل استوانه ای پیچانده شده اند و ماده عایق دی الکتریک در وسط آن ها ساندویچ شده است. خازن های کوچک معمولا از مواد سرامیکی ساخته می شوند و به منظور مهر و موم کردن در رزین اپوکسی غوطه ور می کنند. بهر حال خازن ها نقش مهمی در مدارات الکترونیک بازی می کنند که در ادامه به انواع مختلف و رایج آنها در برد موبایل اشاره می‌کنیم.
خازن سرامیکی
خازن سرامیکی یکی از کاربردی ترین خازن هاست و نام آن به دلیل دی الکتریک بین دو صفحه خازن می باشد که از جنس سرامیک می باشد. خازن سرامیکی به رنگ کرم قهوه ای و طوسی است و نکته ای که در مورد این خازن می توان گفت این است که قطبی بودن در خازن سرامیکی اهمین ندارد.
مزیت خازن های سرامیکی: به دلیل اینکه معمولاً سرامیک دارای ثابت دی الکتریک بالایی است، می توان خازن سرامیکی را در اندازه های کوچک و با ظرفیت های بالا نسبت به حجم آنها ساخت. ظرفیت این خازن ها بین 1μf تا 100 μf می باشد. شکل این خازن ها به شکل عدسی (دیسکی) که بیشتر در تلویزیون ها و رادیوها استفاده می گردد و یا استوانه ای (لوله ای) که در موبایل ها کاربرد دارد ساخته می شوند.
معایب خازن سرامیکی: ضریب حرارتی بالای این خازن ها، باعث می شود در اثر دما ظرفیت خازن تغییر کند شاید این اصلی ترین عیب خازن سرامیکی باشد.
خازن الکترولیتی آلومینیومی
این خازن ها از دو ورقه آلومینیومی تشکیل شده اند که یکی از این ورقه ها که لایه اکسید روی آن ایجاد می گردد،آند می باشد و ورقه آلومینیومی دیگر کاتد گفته می شود. ساختمان داخلی این نوع خازن ها به این حالت است که دو ورقه آلومینیومی به همراه دو لایه کاغذ متخلخل که در بین ورقه های آلومینیومی قرار دارند هم زمان پیچیده شده و به انتهای هر ورقه آلومینیومی یک سیم رابط متصل می گردد. سپس این مجموعه را درون یک الکترولیت مناسب غوطه ور می کنند تا دو لایه کاغد متخلخل از الکترولیت پر شوند. سپس کل مجموعه را درون یک قاب فلزی قرار می دهند و توسط یک پولک پلاستیکی که سیم های رابط خازن از آن می گذرد ارتباط فضای داخلی محفظه را با بیرون قطع می کنند. هنگامی که پایه آند به قطب مثبت و پایه کاتد به قطب منفی یک منبع تغذیه متصل می شوند در اثر واکنش شیمیایی بر روی ورقه آند یک لایه عایق اکسید آلومینیوم تشکیل می شود. ولتاژ کار خازن متناسب بر روی ورقه آند یک لایه عایق اکسید آلومینیوم تشکیل می شود. ولتاژ کار خازن متناسب با ضخامت لایه اکسید است.
معایب خازن الکترولیتی آلومینیومی: از معایب این خازن ها می توان به تبخیر و خارج شدن الکترولیت از پولک پلاستیکی و بالا بودن جریان نشتی آنها اشاره کرد و از جمله ویژگی های خوب این خازن ها داشتن ظرفیت زیاد نسبت به حجم شان است. پایه منفی (کاتد) خازن های الکترولیتی را با نواری که بر روی آن علامت منفی (-) درج شده است مشخص می کنند.
خازن الکترولیتی تانتولیومی
در این نوع خازن ها به جای فلز آلومینیوم از فلز تانتالیوم استفاده می شود. به دلیل اینکه ثابت دی الکتریک اکسید تانتالیوم نسبت به اکسید آلومینیوم یبشتر است خازن های تانتالیومی نسبت به خازن های آلومینیومی در حجم مساوی دارای ظرفیت بیشتر است. خازن های تانتالیومی از خازن های آلومینیومی گرانتر هستند و به همین دلیل در تولید انبوه محصولاتی که در ساخت آنها باید از خازن های الکترولیتی استفاد شود، سعی می شود تا حد امکان از خازن های آلومینیومی استفاده گردد.
خازن های تانتالیومی طول عمر و کارکرد بیشتر و جریان نشتی کمتری نسبت خازن های آلومینیومی دارند و از این جهات بر خازن های آلومینیومی برتری دارند. همچنین در ظرفیت های یکسان، خازن های تانتالیومی حجم کمتری دارند. اما باید دقت داشته باشید که خازن های تانتالیومی نسبت به افزایش ولتاژ دو سر خازن به بیش از ولتاژ مجاز و نیز اشتباه وصل شدن ولتاژ به دو سر خازن از نظر پلاریته، حساس تر از خازن های آلومینیومی هستند و سریعتر آسیب می بینند. خازن های تانتالیومی همچنین تحمل جریان های شارژ و دشارژ زیاد را ندارند و هنگام شارژ و دشارژ آنها باید به این مسئله توجه داشت.
یکی از مزیت های خازن های آلومینیومی نسبت به خازن های تانتالیومی این است که خازن های آلومینیومی در ظرفیت های بالت نیز ساخته می شوند (تا چند هزار میکرو فاراد) اما خازن های تانتالیومی حداکثر تا ضرفیت 330 میکروفاراد ساخته می شوند.
رنگ خازن های تانتالیومی: در موبایل زرد رنگ همراه با نوار قهوه ای هستند گاهی نارنجی و قرمز هستند به ندرت هم مشکی و سفید (سفید یعنی مثبت) هستند.
کاربرد های خازنها
خازنها دارای کاربردهای زیادی هستند که از مهمترین آن ها میتوان به موارد زیر اشاره کرد.
1- نویزگیری در مدار
2- تقویت کنندگی در مدار
3- تغییر فرکانس در مدارات فیلترینگ
4- کمک به افزایش راندمان در موتور های الکتریکی
5- تفکیک دو بخش AC و DC مدارات الکترونیکی (خازن کوپلاژ)
6- کمک به نوسان ساز های الکترونیکی
