در طراحی مدار، ممکن است افزودن خازن‌ها را فراموش کنید، به خصوص زمانی که در حال ساخت یک مدار ساده هستید. حقیقت این است که تا چند سال پیش، من به ندرت خازن‌ها را به پروژه‌هایم اضافه می‌کردم، زیرا نمی‌دانستم آیا واقعاً به آنها نیاز دارم یا نه. سرانجام در مدرسه کلاس‌هایی گذراندم و نمونه‌های واقعی از زمان و نحوه استفاده از خازن‌ها را مشاهده کردم. از حفاظت مدار تا فیلتر کردن و از ذخیره انرژی تا حس کردن، من به دنیای پیچیده و در عین حال ساده خازن‌ها وارد شدم.
خازن‌ها چگونه کار می‌کنند؟
در واقع یک خازن تنها از دو رسانا که توسط یک عایق جدا شده‌اند تشکیل شده است. شما حتی می‌توانید خودتان اقدام به ساخت آن کنید؛ تنها کافی است دو سیم را به صورت موازی کنار هم و یک عایق را میان آنها قرار دهید تا یک خازن (هرچند ضعیف) داشته باشید. اما کاربرد خازن چیست و چگونه کار می‌کند؟ اگر دو طرف با یک عایق جدا می‌شوند، بنابراین چگونه جریان قادر به عبور از آن خواهد بود؟
این اتفاق از طریق میدان الکتریکی اتفاق می‌افتد. فرض کنید یک خازن در حالت سکون بوده و هیچ گونه توان الکتریکی به هیچ یک از دو طرف آن متصل نباشد. هر رسانا بارهای یکسان و متعادل خواهد داشت و هیچ جریانی میان یا از صفحات جریان، وجود نخواهد داشت.
نقش خازن در حفاظت از مدار و ذخیره انرژی
برای درک بهتر کاربرد خازن در حفاظت از مدار، شرایط زیر را در نظر بگیرید. این خازن در حالت سکون است و در حقیقت، دارای هیچ ذخیره انرژی به طور موثر نیست. جادو زمانی اتفاق می‌افتد که آن را به یک باتری وصل کنید. حال، تصور کنید همان خازن را به یک باتری متصل کرده‌ایم، به گونه‌ای که سمت چپ به مثبت و سمت راست به زمین وصل شده باشد.
اکنون یک پتانسیل ولتاژ در میان صفحات ایجاد می‌شود. به دلیل آن که صفحات در فاصله بسیار نزدیک به هم قرار دارند، در واقع روی یکدیگر تأثیر خواهند گذاشت.
نحوه عملکرد باتری پس از اتصال به خازن
اکنون چه اتفاقی رخ داد؟ باتری مانند یک پمپ عمل کرد و تمام الکترون‌ها را از یک سمت خازن به سمت دیگر هدایت نمود. در آغاز، این انجام این فرایند به سرعت انجام شد، چرا که الکترون‌های بیشتری برای حرکت وجود داشتند، اما به مرور با شارژ شدن خازن و دریافت بار مختص هر یک از صفحات، سرعت کاهش پیدا کرد.
زمانی که از یک باتری DC استفاده می‌کنید، این فرایند تنها یک بار رخ می‌دهد تا آن زمان که خازن فرصت برگشت به حالت متعادل را پیدا کند. این نکته در هنگام بحث در مورد کاربرد خازن اهمیت زیادی دارد.
جدا کردن باتری از خازن و بازگشت به حالت متعادل
زمانی که باتری را از خازن جدا کنید، هر صفحه همچنان بار قبلی خود را حفظ کرده و آماده تخلیه بار و بازگشت به شرایط متعادل و پایدارتر می‌شود. اگر دو سر خازن را به هم وصل کنید، خازن مانند زمانی که شارژ می‌شد، اما به شکل معکوس عمل می‌کند؛ سریع به حالت پایدار برگشته و با پایین آمدن تعداد بارهایی که باید به سمت خود حرکت کنند، سرعت کاهش پیدا می‌کند.
این فرایند جالب است، اما در واقع تنها چیزی که بیان کردیم این است که خازن چگونه عملکردی مشابه یک باتری دارد و قادر است به سرعت شارژ و تخلیه شود. این ویژگی تنها در کاربردهایی مفید واقع می‌شود که نیاز به خروجی‌های کوتاه با انرژی بالا داشته باشند. از جمله:
- فلش دوربین‌های یک‌بار مصرف
- جرقه‌زن‌های الکتریکی آتش‌بازی
در ادامه با برخی دیگر از کاربردهای خازن آشنا می‌شویم.
کاربردهایAC: فیلتر کردن
اصولی که پیش‌تر آنها را توضیح دادیم، می‌تواند به این کاربردها نیز اعمال شود. در این بخش، فیلتر کردن فرکانس‌ها را بررسی می‌کنیم. یک سیگنال با فرکانس پایین را در نظر بگیرید؛ هر چه میزان فرکانس کمتر باشد، سیگنال، کم کم به یک منبع DC ساده شبیه‌تر خواهد شد. خازن‌ها اجازه نمی‌دهند تا عبور کنند.
بنابراین، اگر قصد داشته باشیم فرکانس‌های پایین را مسدود نماییم، قادر خواهیم بود یک خازن را به ورودی دستگاه خود اضافه کنیم. خازن تنها اجازه می‌دهد بخش‌های با فرکانس بالا از سیگنال عبور کنند. بنابراین یکی از انواع کاربرد خازن فیلتر کردن است که به نام فیلتر بالاگذر (High Pass Filter) شناخته می‌شود.
اکنون، اگر بخواهیم فقط فرکانس‌های پایین اجازه عبور داشته باشند چه کار باید کرد؟ در این حالت، کافی است این این کار را انجام دهیم:
ترتیب خازن و مقاومت را جابه‌جا کنیم. قسمت فرکانس بالا به زمین کوتاه می‌شود، این در حالی که است که فرکانس‌های پایین می‌توانند از خازن عبور کرده و به خروجی برسند. این نوع فیلتر، فیلتر پایین‌گذر (Low Pass Filter) نامیده می‌شود.
کاربردAC: فیلتر کردن نویز
حالا فرض کنید که همان ایده فیلتر پایین‌گذر را استفاده می‌کنید، اما این بار منبع تغذیه و زمین را با یک خازن به هم وصل می‌کنید. در ابتدا، خازن مشابه یک مدار کوتاه عمل می‌کند، ولی با سرعت بالا شارژ می‌شود و تنها به قسمت DC منبع تغذیه اجازه ادامه می‌دهد. این در حالی اتفاق می‌افتد که نویزهای فرکانس بالا را به زمین هدایت می‌کند.
به همین دلیل اصولاً توصیه می‌شود که در بسیاری از مدارهای دارای مدارهای مجتمع (IC)، یک خازن میان پین‌های تغذیه و زمین، نزدیک به تراشه قرار بگیرد. این کاربرد خازن عمدتاً باعث می‌شود که میزان نویز به IC به حداقل برسد و بر عملکرد آن نیز تأثیرگذار باشد.
استفاده از ظرفیت خازنی به عنوان حسگر
کاربرد نهایی که در اینجا قصد بررسی آن را داریم، قابلیت استفاده از ظرفیت خازنی به‌عنوان یک حسگر است. به صفحه نمایش گوشی خود فکر کنید. در داخل صفحه نمایش گوشی شما یک رسانای بزرگ است که در هر گوشه به مدار حسگر وصل شده است. بالای آن لایه، LCD و در نهایت سطح شیشه‌ای قرار گرفته است. انگشت شما یک رسانا بوده و بدن شما یک مسیر به زمین به وجود می‌آورد.
هنگامی که صفحه را لمس می‌کنید، مدار حسگر، تغییری در ظرفیت خازنی ناحیه رسانای بزرگ حس می‌کند و می‌تواند با استفاده از چهار نقطه اتصال به آن لایه، محل انگشت شما روی صفحه را بر اساس جریان عبوری از هر موقعیت تشخیص دهد.
سخن پایانی
این به هیچ وجه یک لیست کامل یا آموزش کامل درباره عملکرد خازن نیست، اما امیدوارم این راهنما بتواند بینشی در مورد "چرایی" استفاده از این قطعه در هنگام ساخت پروژه‌های بعدی شما ارائه دهد. گاهی اوقات "چرایی" می‌تواند به همان اندازه، اگر نگوییم بیشتر از، جنبه‌های فنی "چگونگی" استفاده از یک قطعه اهمیت داشته باشد.
دیدگاه خود را بنویسید