چرا یک خازن جریان مستقیم نمی دهد، اما اجازه عبور جریان متناوب را می دهد؟ خازن ها چه جریانی از خازن می گذرد

در مورد خازن های الکترولیتی صحبت شد. آنها عمدتاً در مدارهای DC به عنوان مخازن فیلتر در یکسو کننده ها استفاده می شوند. همچنین، در جدا کردن مدارهای منبع تغذیه آبشارهای ترانزیستور، تثبیت کننده ها و فیلترهای ترانزیستور نمی توانید بدون آنها کار کنید. در عین حال همانطور که در مقاله گفته شد جریان مستقیم عبور نمی کنند و اصلاً نمی خواهند با جریان متناوب کار کنند.

خازن های غیر قطبی برای مدارهای جریان متناوب وجود دارد و انواع متعدد آنها نشان می دهد که شرایط کار بسیار متنوع است. در مواردی که پایداری زیاد پارامترها مورد نیاز باشد و فرکانس به اندازه کافی بالا باشد، از خازن های هوا و سرامیکی استفاده می شود.

پارامترهای چنین خازن هایی در معرض افزایش نیاز هستند. اول از همه، این دقت بالا (تحمل کوچک) و همچنین ضریب دمایی ناچیز ظرفیت TKE است. به عنوان یک قاعده، چنین خازن هایی در مدارهای نوسانی دریافت و ارسال تجهیزات رادیویی قرار می گیرند.

اگر فرکانس پایین باشد، به عنوان مثال، فرکانس شبکه روشنایی یا فرکانس محدوده صوتی، در این صورت می توان از خازن های کاغذ و کاغذ فلزی استفاده کرد.

خازن های دارای دی الکتریک کاغذی دارای روکش های ساخته شده از فویل فلزی نازک هستند که اغلب آلومینیومی است. ضخامت صفحات از 5...10 میکرومتر متغیر است که به طراحی خازن بستگی دارد. بین صفحات یک دی الکتریک ساخته شده از کاغذ خازن آغشته به یک ترکیب عایق وجود دارد.

به منظور افزایش ولتاژ کار خازن می توان کاغذ را در چند لایه قرار داد. کل این بسته مانند یک فرش گرد شده و در بدنه ای گرد یا مستطیلی قرار می گیرد. در این مورد، البته، از صفحات نتیجه گیری می شود، اما بدنه چنین خازنی به هیچ چیز متصل نیست.

خازن های کاغذی در مدارهای فرکانس پایین در ولتاژهای کاری بالا و جریان های قابل توجه استفاده می شوند. یکی از این کاربردهای بسیار رایج، اتصال موتور سه فاز به شبکه تک فاز است.

در خازن های کاغذی فلزی، نقش صفحات را یک لایه نازک از فلز، همان آلومینیوم که در خلاء روی کاغذ خازن پاشیده می شود، ایفا می کند. طراحی خازن ها همانند خازن های کاغذی است، البته ابعاد آن بسیار کوچکتر است. دامنه کاربرد هر دو نوع تقریباً یکسان است: مدارهای جریان مستقیم، ضربانی و متناوب.

طراحی خازن های کاغذی و فلزی کاغذی علاوه بر ظرفیت خازنی، اندوکتانس قابل توجهی نیز برای این خازن ها فراهم می کند. این منجر به این واقعیت می شود که در برخی از فرکانس ها خازن کاغذ به یک مدار نوسانی تشدید تبدیل می شود. بنابراین، چنین خازن هایی فقط در فرکانس های بیش از 1 مگاهرتز استفاده می شوند. شکل 1 خازن های کاغذ و کاغذ فلزی تولید شده در اتحاد جماهیر شوروی را نشان می دهد.

تصویر 1.

خازن های کاغذ فلزی عتیقه خاصیت خود ترمیم پس از خراب شدن را داشتند. اینها خازنهایی از نوع MBG و MBGCH بودند، اما اکنون با خازنهایی با دی الکتریک سرامیکی یا آلی از نوع K10 یا K73 جایگزین شده اند.

در برخی موارد، به عنوان مثال، در دستگاه های ذخیره سازی آنالوگ، یا در غیر این صورت، دستگاه های نمونه برداری و نگهداری (SSD)، الزامات ویژه ای بر خازن ها اعمال می شود، به ویژه جریان نشتی کم. سپس خازن هایی به کمک می آیند که دی الکتریک آنها از موادی با مقاومت بالا ساخته شده است. اول از همه، اینها خازن های فلوروپلاستیک، پلی استایرن و پلی پروپیلن هستند. خازن های میکا، سرامیکی و پلی کربنات مقاومت عایق کمی کمتری دارند.

از همین خازن ها در مدارهای پالسی در مواقعی که به پایداری بالا نیاز است استفاده می شود. در درجه اول برای تشکیل تاخیرهای زمانی مختلف، پالس های با مدت زمان معین و همچنین برای تنظیم فرکانس های کاری ژنراتورهای مختلف.

برای پایدارتر کردن پارامترهای زمان بندی مدار، در برخی موارد توصیه می شود از خازن هایی با ولتاژ کاری بالاتر استفاده کنید: نصب خازن با ولتاژ کاری 400 یا حتی 630 ولت در مداری با ولتاژ ایرادی ندارد. 12 ولت البته چنین خازنی فضای بیشتری را اشغال می کند، اما پایداری کل مدار به طور کلی افزایش می یابد.

ظرفیت الکتریکی خازن ها با فاراد F (F) اندازه گیری می شود، اما این مقدار بسیار زیاد است. همین بس که ظرفیت زمین از 1 فارنهایت تجاوز نمی کند. در هر صورت این دقیقاً همان چیزی است که در کتاب های درسی فیزیک نوشته شده است. 1 فاراد ظرفیتی است که در آن با شارژ q برابر با 1 کولن، اختلاف پتانسیل (ولتاژ) در صفحات خازن 1 ولت است.

از آنچه که قبلاً گفته شد، نتیجه می شود که فاراد یک مقدار بسیار بزرگ است، بنابراین در عمل واحدهای کوچکتر بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند: میکروفارادها (μF, μF)، نانوفارادها (nF, nF) و پیکوفارادها (pF, pF). این مقادیر با استفاده از پیشوندهای فرعی و چندگانه به دست می آیند که در جدول شکل 2 نشان داده شده است.

شکل 2.

قطعات مدرن کوچکتر و کوچکتر می شوند، بنابراین همیشه نمی توان علامت گذاری کامل روی آنها اعمال کرد؛ سیستم های نمادهای مختلف به طور فزاینده ای مورد استفاده قرار می گیرند. تمامی این سیستم ها به صورت جداول و توضیحاتی برای آنها در اینترنت یافت می شود. خازن های در نظر گرفته شده برای نصب SMD اغلب هیچ علامتی ندارند. پارامترهای آنها را می توان روی بسته بندی خواند.

به منظور یافتن چگونگی رفتار خازن ها در مدارهای جریان متناوب، انجام چندین آزمایش ساده پیشنهاد شده است. در عین حال، هیچ الزام خاصی برای خازن وجود ندارد. رایج ترین خازن های کاغذ یا کاغذ فلزی کاملا مناسب هستند.

خازن ها جریان متناوب را هدایت می کنند

برای دیدن این موضوع با چشمان خود کافی است یک مدار ساده که در شکل 3 نشان داده شده است را جمع آوری کنید.

شکل 3.

ابتدا باید لامپ را از طریق خازن های C1 و C2 که به صورت موازی متصل هستند روشن کنید. لامپ می درخشد، اما نه خیلی روشن. اگر اکنون یک خازن دیگر C3 اضافه کنیم، درخشش لامپ به طور محسوسی افزایش می یابد، که نشان می دهد خازن ها در برابر عبور جریان متناوب مقاومت می کنند. علاوه بر این، یک اتصال موازی، یعنی. افزایش ظرفیت باعث کاهش این مقاومت می شود.

از این رو نتیجه گیری: هر چه ظرفیت خازن بزرگتر باشد، مقاومت خازن در برابر عبور جریان متناوب کمتر می شود. این مقاومت خازنی نامیده می شود و در فرمول ها به صورت Xc نشان داده می شود. Xc همچنین به فرکانس جریان بستگی دارد، هر چه بیشتر باشد، Xc کمتر است. در این مورد کمی بعد بحث خواهد شد.

آزمایش دیگری را می توان با استفاده از کنتور برق انجام داد و ابتدا همه مصرف کنندگان را قطع کرد. برای انجام این کار، باید سه خازن 1 µF را به صورت موازی وصل کنید و به سادگی آنها را به پریز برق وصل کنید. البته باید بسیار مراقب باشید یا حتی یک دوشاخه استاندارد را به خازن ها لحیم کنید. ولتاژ کاری خازن ها باید حداقل 400 ولت باشد.

پس از این اتصال کافی است که کنتور را به سادگی مشاهده کنید تا از قرار گرفتن آن اطمینان حاصل کنید، البته طبق محاسبات، چنین خازنی از نظر مقاومت معادل یک لامپ رشته ای با توان حدود 50 وات است. سوال این است که چرا شمارنده نمی چرخد؟ در مقاله بعدی نیز به این موضوع پرداخته خواهد شد.

این را می توان به راحتی با آزمایشات تأیید کرد. شما می توانید یک لامپ را با اتصال آن به منبع تغذیه AC از طریق یک خازن روشن کنید. بلندگو یا گوشی ها اگر نه مستقیم، بلکه از طریق خازن به گیرنده متصل شوند، به کار خود ادامه می دهند.

یک خازن از دو یا چند صفحه فلزی تشکیل شده است که توسط یک دی الکتریک از هم جدا شده اند. این دی الکتریک اغلب میکا، هوا یا سرامیک است که بهترین عایق ها هستند. کاملا طبیعی است که جریان مستقیم نمی تواند از چنین عایق عبور کند. اما چرا جریان متناوب از آن عبور می کند؟ این موضوع عجیب‌تر به نظر می‌رسد زیرا همان سرامیک‌ها به شکل مثلاً غلتک‌های چینی، سیم‌های جریان متناوب را کاملاً عایق می‌کنند و میکا به‌عنوان یک عایق در اتوهای برقی و سایر وسایل گرمایشی که به درستی با جریان متناوب کار می‌کنند عمل می‌کند.

از طریق برخی آزمایش‌ها می‌توانیم حقیقت عجیب‌تری را «اثبات» کنیم: اگر در یک خازن، دی‌الکتریکی با خواص عایق نسبتاً ضعیف با دی‌الکتریک دیگری که عایق بهتری است جایگزین شود، آن‌گاه ویژگی‌های خازن به‌گونه‌ای تغییر می‌کند که عبور جریان متناوب. از طریق خازن مانع نمی شود، بلکه برعکس، تسهیل می شود. به عنوان مثال، اگر یک لامپ را از طریق یک خازن با یک دی الکتریک کاغذی به یک مدار جریان متناوب وصل کنید و سپس کاغذ را با چنین عایق عالی جایگزین کنید. مانند شیشه یا چینی با ضخامت یکسان، لامپ روشن‌تر می‌سوزد. چنین آزمایشی به این نتیجه می‌رسد که جریان متناوب نه تنها از خازن عبور می‌کند، بلکه هر چه راحت‌تر عبور کند، دی الکتریک عایق بهتری است.

با این حال، با وجود تمام قانع‌کننده‌های ظاهری چنین آزمایش‌هایی، جریان الکتریکی - نه مستقیم و نه متناوب - از خازن عبور نمی‌کند. دی الکتریک جداکننده صفحات خازن به عنوان یک مانع قابل اعتماد برای مسیر جریان، هر چه که باشد - متناوب یا مستقیم عمل می کند. اما این بدان معنا نیست که در کل مداری که خازن در آن وصل است جریانی وجود نخواهد داشت.

خازن خاصیت فیزیکی خاصی دارد که آن را خازن می نامیم. این خاصیت شامل توانایی تجمع بارهای الکتریکی بر روی صفحات است. یک منبع جریان الکتریکی را می توان تقریباً به پمپی تشبیه کرد که بارهای الکتریکی را به یک مدار پمپ می کند. اگر جریان ثابت باشد، بارهای الکتریکی همیشه در یک جهت پمپ می شوند.

یک خازن در مدار DC چگونه رفتار خواهد کرد؟

"پمپ الکتریکی" ما بارها را به یکی از صفحات خود پمپ می کند و آنها را از صفحه دیگر خارج می کند. توانایی خازن برای نگه داشتن اختلاف معینی در تعداد بارهای روی صفحات خود ظرفیت آن نامیده می شود. هرچه ظرفیت خازن بزرگتر باشد، بارهای الکتریکی بیشتری در یک صفحه نسبت به دیگری وجود دارد.

در لحظه روشن شدن جریان، خازن شارژ نمی شود - تعداد شارژ روی صفحات آن یکسان است. اما جریان روشن است. "پمپ الکتریکی" شروع به کار کرد. او بارها را روی یک صفحه ریخت و شروع به پمپاژ آنها از صفحه دیگر کرد. هنگامی که حرکت بارها در مدار شروع می شود، به این معنی است که جریان در آن شروع به جریان می کند. جریان تا زمانی که خازن به طور کامل شارژ شود جریان خواهد داشت. پس از رسیدن به این حد، جریان متوقف می شود.

بنابراین، اگر یک خازن در مدار DC وجود داشته باشد، پس از بسته شدن آن، تا زمانی که طول می کشد تا خازن به طور کامل شارژ شود، جریان در آن جریان می یابد.

اگر مقاومت مداری که از طریق آن خازن شارژ می شود نسبتاً کوچک باشد، زمان شارژ بسیار کوتاه است: کسری ناچیز از ثانیه طول می کشد و پس از آن جریان جریان متوقف می شود.

وضعیت در مدار جریان متناوب متفاوت است. در این مدار، "پمپ" بارهای الکتریکی را در یک جهت یا جهت دیگر پمپ می کند. پمپ با ایجاد بار اضافی در یک صفحه خازن در مقایسه با تعداد روی صفحه دیگر، پمپ شروع به پمپاژ آنها در جهت مخالف می کند. بارها به طور مداوم در مدار گردش می کنند، به این معنی که، با وجود وجود یک خازن غیر رسانا، جریانی در آن وجود خواهد داشت - جریان شارژ و تخلیه خازن.

بزرگی این جریان به چه چیزی بستگی دارد؟

منظور ما از بزرگی جریان، تعداد بارهای الکتریکی است که در واحد زمان از سطح مقطع یک هادی عبور می کنند. هرچه ظرفیت خازن بیشتر باشد، بارهای بیشتری برای "پر کردن" آن مورد نیاز خواهد بود، به این معنی که جریان در مدار قوی تر خواهد بود. ظرفیت خازن به اندازه صفحات، فاصله بین آنها و نوع دی الکتریک جدا کننده آنها، ثابت دی الکتریک آن بستگی دارد. پرسلن دارای ثابت دی الکتریک بیشتری نسبت به کاغذ است، بنابراین هنگام جایگزینی کاغذ با چینی در خازن، جریان در مدار افزایش می یابد، اگرچه چینی عایق بهتری نسبت به کاغذ است.

بزرگی جریان به فرکانس آن نیز بستگی دارد. هر چه فرکانس بیشتر باشد جریان بیشتر خواهد بود. با تصور اینکه ظرفی با ظرفیت مثلاً 1 لیتر آب را از طریق لوله ای پر می کنیم و سپس آن را از آنجا پمپ می کنیم، به راحتی می توان فهمید که چرا این اتفاق می افتد. اگر این فرآیند یک بار در ثانیه تکرار شود، در هر ثانیه 2 لیتر آب از لوله عبور می کند: 1 لیتر در یک جهت و 1 لیتر در جهت دیگر. اما اگر فرکانس فرآیند را دو برابر کنیم: ظرف را 2 بار در ثانیه پر و خالی کنیم، در هر ثانیه 4 لیتر آب از طریق لوله جریان می یابد - افزایش فرکانس فرآیند با همان ظرفیت ظرف منجر به یک افزایش متناظر در مقدار آب جاری در لوله.

از مجموع آنچه گفته شد، می توان نتایج زیر را به دست آورد: جریان الکتریکی - نه مستقیم و نه متناوب - از خازن عبور نمی کند. اما در مدار اتصال منبع AC به خازن جریان شارژ و دشارژ این خازن جریان می یابد. هر چه ظرفیت خازن بزرگتر و فرکانس جریان بیشتر باشد، این جریان قوی تر خواهد بود.

این ویژگی جریان متناوب به شدت در مهندسی رادیو استفاده می شود. انتشار امواج رادیویی نیز بر اساس آن است. برای انجام این کار، یک جریان متناوب با فرکانس بالا را در آنتن فرستنده تحریک می کنیم. اما چرا جریان در آنتن جریان دارد، زیرا مدار بسته نیست؟ به دلیل وجود ظرفیت خازنی بین آنتن و سیم های وزنه تعادل یا زمین جریان دارد. جریان در آنتن نشان دهنده جریان شارژ و دشارژ این خازن، این خازن است.

در تمامی دستگاه های مهندسی رادیو و الکترونیک، علاوه بر ترانزیستورها و ریز مدارها، از خازن نیز استفاده می شود. برخی مدارها تعداد بیشتری دارند، برخی دیگر کمتر، اما عملا مدار الکترونیکی بدون خازن وجود ندارد.

در عین حال، خازن ها می توانند وظایف مختلفی را در دستگاه ها انجام دهند. اول از همه، اینها ظرفیت های موجود در فیلترهای یکسو کننده و تثبیت کننده هستند. با استفاده از خازن ها، سیگنالی بین مراحل تقویت کننده مخابره می شود، فیلترهای پایین گذر و بالا گذر ساخته می شوند، فواصل زمانی در تأخیرهای زمانی تنظیم می شوند و فرکانس نوسان در ژنراتورهای مختلف انتخاب می شود.

خازن‌ها ریشه‌های خود را به ردیابی می‌کنند، که توسط دانشمند هلندی Pieter van Musschenbroeck در آزمایش‌های خود در اواسط قرن 18 مورد استفاده قرار گرفت. او در شهر لیدن زندگی می کرد، بنابراین حدس زدن اینکه چرا این کوزه به این نام خوانده می شود، سخت نیست.

در واقع، این یک شیشه معمولی بود که داخل و خارج آن با فویل قلع - استانیول پوشانده شده بود. از آن برای همان اهداف آلومینیوم مدرن استفاده می شد، اما آلومینیوم هنوز کشف نشده بود.

تنها منبع برق در آن روزها یک دستگاه الکتروفور بود که می توانست ولتاژهایی تا چند صد کیلو ولت ایجاد کند. اینجا جایی بود که کوزه لیدن شارژ شد. کتاب‌های درسی فیزیک موردی را توصیف می‌کنند که موشنبروک قوطی خود را از طریق زنجیره‌ای متشکل از ده نگهبان که دستان یکدیگر را گرفته بودند تخلیه کرد.

در آن زمان هیچ کس نمی دانست که عواقب آن می تواند غم انگیز باشد. ضربه کاملا حساس بود، اما کشنده نبود. به این نتیجه نرسید، زیرا ظرفیت شیشه لیدن ناچیز بود، پالس بسیار کوتاه بود، بنابراین قدرت تخلیه کم بود.

خازن چگونه کار می کند؟

طراحی یک خازن عملاً هیچ تفاوتی با شیشه لیدن ندارد: همان دو صفحه که توسط یک دی الکتریک از هم جدا شده اند. این دقیقاً همان چیزی است که خازن ها در نمودارهای الکتریکی مدرن نشان داده می شوند. شکل 1 طرح شماتیک یک خازن صفحه تخت و فرمول محاسبه آن را نشان می دهد.

شکل 1. طراحی یک خازن صفحه موازی

در اینجا S مساحت صفحات بر حسب متر مربع، d فاصله بین صفحات بر حسب متر، C ظرفیت خازنی بر حسب فاراد، ε ثابت دی الکتریک محیط است. تمام مقادیر موجود در فرمول در سیستم SI نشان داده شده است. این فرمول برای ساده ترین خازن تخت معتبر است: شما می توانید به سادگی دو صفحه فلزی را در کنار یکدیگر قرار دهید که از آنها نتیجه گیری می شود. هوا می تواند به عنوان دی الکتریک عمل کند.

از این فرمول می توان فهمید که هر چه مساحت صفحات بزرگتر و فاصله بین آنها کمتر باشد، ظرفیت خازن بیشتر است. برای خازن هایی با هندسه متفاوت، فرمول ممکن است متفاوت باشد، به عنوان مثال، برای ظرفیت یک هادی یا. اما وابستگی ظرفیت به مساحت صفحات و فاصله بین آنها مانند خازن تخت است: هر چه مساحت بزرگتر و فاصله کوچکتر باشد، ظرفیت خازنی بیشتر است.

در واقع، صفحات همیشه صاف ساخته نمی شوند. برای بسیاری از خازن‌ها، به عنوان مثال خازن‌های کاغذ فلزی، صفحات فویل آلومینیومی هستند که به همراه یک دی الکتریک کاغذی به شکل یک توپ محکم به شکل یک محفظه فلزی نورد شده‌اند.

برای افزایش قدرت الکتریکی، کاغذ خازن نازک با ترکیبات عایق، اغلب روغن ترانسفورماتور، آغشته می شود. این طراحی امکان ساخت خازن هایی با ظرفیت تا چند صد میکروفاراد را فراهم می کند. خازن ها تقریباً مشابه سایر دی الکتریک ها عمل می کنند.

فرمول هیچ محدودیتی در مساحت صفحات S و فاصله بین صفحات d ندارد. اگر فرض کنیم که صفحات را می توان بسیار دور از هم قرار داد، و در عین حال مساحت صفحات را می توان بسیار کوچک کرد، آنگاه مقداری ظرفیت، هرچند کوچک، همچنان باقی می ماند. چنین استدلالی حاکی از آن است که حتی فقط دو هادی که در کنار یکدیگر قرار دارند دارای ظرفیت الکتریکی هستند.

این شرایط به طور گسترده ای در فناوری فرکانس بالا مورد استفاده قرار می گیرد: در برخی موارد، خازن ها به سادگی به شکل مسیرهای مدار چاپی ساخته می شوند یا حتی فقط دو سیم در عایق پلی اتیلن به هم پیچیده شده اند. سیم یا کابل نودل معمولی نیز دارای ظرفیت خازنی است و با افزایش طول افزایش می یابد.

علاوه بر ظرفیت C، هر کابلی دارای مقاومت R نیز می باشد. هر دوی این ویژگی های فیزیکی در طول کابل توزیع می شوند و هنگام ارسال سیگنال های پالس به عنوان یک زنجیره RC یکپارچه عمل می کنند که در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل 2.

در شکل، همه چیز ساده است: اینجا مدار است، سیگنال ورودی و در اینجا سیگنال خروجی است. ضربه فراتر از تشخیص تحریف می شود، اما این کار به عمد انجام می شود، به همین دلیل است که مدار مونتاژ شده است. در این بین، ما در مورد تأثیر ظرفیت کابل بر روی سیگنال پالس صحبت می کنیم. به جای یک پالس، یک "زنگ" مانند این در انتهای دیگر کابل ظاهر می شود و اگر پالس کوتاه باشد، ممکن است اصلا به انتهای دیگر کابل نرسد، ممکن است کاملا ناپدید شود.

واقعیت تاریخی

در اینجا کاملاً مناسب است که داستان چگونگی نصب کابل ماوراء اقیانوس اطلس را یادآوری کنیم. اولین تلاش در سال 1857 با شکست مواجه شد: نقاط و خط تیره های تلگراف (نبض های مستطیل شکل) تحریف شدند به طوری که در انتهای دیگر یک خط به طول 4000 کیلومتر چیزی قابل تشخیص نبود.

تلاش دوم در سال 1865 انجام شد. در این زمان، فیزیکدان انگلیسی W. Thompson تئوری انتقال داده ها را در خطوط طولانی ایجاد کرده بود. با توجه به این نظریه، کابل کشی موفق تر بود و سیگنال ها دریافت شد.

برای این شاهکار علمی، ملکه ویکتوریا نشان شوالیه و عنوان لرد کلوین را به دانشمند اعطا کرد. این نام شهر کوچکی در ساحل ایرلند بود که در آن کابل گذاری آغاز شد. اما این فقط یک کلمه است و حالا به حرف آخر فرمول یعنی ثابت دی الکتریک محیط ε برگردیم.

کمی در مورد دی الکتریک

این ε در مخرج فرمول است، بنابراین افزایش آن مستلزم افزایش ظرفیت خواهد بود. برای اکثر دی الکتریک های مورد استفاده، مانند هوا، لوسان، پلی اتیلن، فلوروپلاستیک، این ثابت تقریباً مشابه خلاء است. اما در عین حال، بسیاری از مواد وجود دارند که ثابت دی الکتریک آنها بسیار بیشتر است. اگر یک کندانسور هوا با استون یا الکل پر شود، ظرفیت آن 15 ... 20 برابر می شود.

اما چنین موادی، علاوه بر ε بالا، رسانایی نسبتاً بالایی نیز دارند، بنابراین چنین خازنی به خوبی بار را نگه نمی دارد؛ به سرعت از طریق خود تخلیه می شود. این پدیده مضر جریان نشتی نام دارد. بنابراین، مواد ویژه ای برای دی الکتریک ها در حال توسعه است که امکان ارائه جریان های نشتی قابل قبول با ظرفیت ویژه خازن ها را فراهم می کند. این دقیقاً همان چیزی است که چنین تنوعی از انواع و انواع خازن ها را توضیح می دهد که هر کدام برای شرایط خاصی طراحی شده اند.

آنها بالاترین ظرفیت ویژه (نسبت ظرفیت/حجم) را دارند. ظرفیت "الکترولیت ها" تا 100000 uF می رسد، ولتاژ کاری تا 600 ولت. چنین خازن هایی فقط در فرکانس های پایین و اغلب در فیلترهای منبع تغذیه به خوبی کار می کنند. خازن های الکترولیتی با قطبیت صحیح متصل می شوند.

الکترودهای موجود در چنین خازن هایی یک لایه نازک از اکسید فلز هستند، به همین دلیل است که این خازن ها اغلب خازن های اکسید نامیده می شوند. یک لایه نازک هوا بین چنین الکترودهایی عایق چندان قابل اعتمادی نیست، بنابراین یک لایه الکترولیت بین صفحات اکسیدی وارد می شود. اغلب اینها محلولهای غلیظ اسیدها یا قلیاها هستند.

شکل 3 یکی از این خازن ها را نشان می دهد.

شکل 3. خازن الکترولیتی

برای تخمین اندازه خازن از یک جعبه کبریت ساده در کنار آن عکس گرفته شد. علاوه بر ظرفیت نسبتاً بزرگ، در شکل می توانید میزان تحمل را نیز به صورت درصد مشاهده کنید: حداقل 70٪ از اسمی.

در آن روزها که کامپیوترها بزرگ بودند و کامپیوتر نامیده می شدند، چنین خازن هایی در درایوهای دیسک (در HDD مدرن) وجود داشتند. ظرفیت اطلاعاتی چنین درایوهایی اکنون فقط می تواند باعث لبخند شود: 5 مگابایت اطلاعات روی دو دیسک با قطر 350 میلی متر ذخیره می شد و وزن خود دستگاه 54 کیلوگرم بود.

هدف اصلی ابرخازن های نشان داده شده در شکل حذف سرهای مغناطیسی از ناحیه کار دیسک در هنگام قطع برق ناگهانی بود. چنین خازن هایی می توانند شارژ را برای چندین سال ذخیره کنند که در عمل آزمایش شد.

در زیر، انجام چند آزمایش ساده با خازن‌های الکترولیتی را پیشنهاد می‌کنیم تا بفهمیم یک خازن چه کاری می‌تواند انجام دهد.

خازن های الکترولیتی غیر قطبی برای کار در مدارهای جریان متناوب تولید می شوند، اما به دلایلی به دست آوردن آنها بسیار دشوار است. برای غلبه بر این مشکل، «الکترولیت‌های» قطبی معمولی به‌طور متوالی روشن می‌شوند: بعلاوه - منهای - منهای - پلاس.

اگر یک خازن الکترولیتی قطبی به مدار جریان متناوب متصل شود، ابتدا گرم می شود و سپس انفجار رخ می دهد. خازن های داخلی قدیمی در همه جهات پراکنده هستند، در حالی که خازن های وارداتی دارای دستگاه خاصی هستند که به آنها اجازه می دهد از شلیک های بلند جلوگیری کنند. به عنوان یک قاعده، این یا یک شکاف متقاطع در پایین خازن است، یا یک سوراخ با پلاگین لاستیکی که در آنجا قرار دارد.

آنها واقعاً خازن های الکترولیتی ولتاژ بالا را دوست ندارند، حتی اگر قطبش درست باشد. بنابراین، هرگز نباید "الکترولیت" را در مداری قرار دهید که در آن ولتاژی نزدیک به حداکثر برای یک خازن معین مورد انتظار است.

گاهی اوقات در برخی از انجمن های معتبر، مبتدیان این سوال را می پرسند: "نمودار یک خازن 470μF * 16V را نشان می دهد، اما من یک خازن 470μF * 50V دارم، آیا می توانم آن را نصب کنم؟" بله، البته می توانید، اما تعویض معکوس غیرقابل قبول است.

خازن می تواند انرژی را ذخیره کند

یک نمودار ساده نشان داده شده در شکل 4 به شما در درک این جمله کمک می کند.

شکل 4. مدار با خازن

شخصیت اصلی این مدار یک خازن الکترولیتی C با ظرفیت کافی است به طوری که فرآیندهای شارژ و دشارژ به آرامی و حتی بسیار واضح انجام می شود. این امکان مشاهده عملکرد مدار را به صورت بصری با استفاده از یک لامپ چراغ قوه معمولی فراهم می کند. این چراغ قوه ها مدت هاست که جای خود را به چراغ های LED مدرن داده اند، اما لامپ های روشنایی برای آنها هنوز فروخته می شود. بنابراین، مونتاژ یک مدار و انجام آزمایشات ساده بسیار ساده است.

شاید کسی بگوید: «چرا؟ بالاخره همه چیز واضح است، اما اگر توضیحات را هم بخوانید...» به نظر می رسد که در اینجا چیزی برای اعتراض وجود ندارد، اما هر چیزی، حتی ساده ترین چیز، اگر درک آن از طریق دست باشد، برای مدت طولانی در ذهن باقی می ماند.

بنابراین، مدار مونتاژ می شود. چگونه کار می کند؟

در موقعیت سوئیچ SA نشان داده شده در نمودار، خازن C از منبع تغذیه GB از طریق مقاومت R در مدار شارژ می شود: +GB __ R __ SA __ C __ -GB. جریان شارژ در نمودار با فلش با شاخص iз نشان داده شده است. فرآیند شارژ خازن در شکل 5 نشان داده شده است.

شکل 5. فرآیند شارژ خازن

شکل نشان می دهد که ولتاژ خازن در طول یک خط منحنی افزایش می یابد که در ریاضیات نمایی نامیده می شود. جریان شارژ مستقیماً ولتاژ شارژ را منعکس می کند. با افزایش ولتاژ خازن، جریان شارژ کمتر می شود. و فقط در لحظه اولیه با فرمول نشان داده شده در شکل مطابقت دارد.

پس از مدتی، خازن از 0 ولت به ولتاژ منبع تغذیه، در مدار ما تا 4.5 ولت شارژ می شود. کل سوال این است که چگونه می توان این زمان را تعیین کرد، چه مدت باید منتظر ماند، چه زمانی خازن شارژ می شود؟

ثابت زمانی "tau" τ = R*C

این فرمول به سادگی مقاومت و ظرفیت یک مقاومت و خازن متصل به سری را چند برابر می کند. اگر بدون غفلت از سیستم SI، مقاومت را بر حسب اهم و ظرفیت را بر حسب فاراد جایگزین کنیم، نتیجه در چند ثانیه به دست می آید. این مدت زمان لازم برای شارژ خازن تا 36.8 درصد ولتاژ منبع تغذیه است. بر این اساس، شارژ تقریباً 100٪ به زمان 5 * τ نیاز دارد.

اغلب، با غفلت از سیستم SI، مقاومت بر حسب اهم و ظرفیت خازنی بر حسب میکروفاراد را در فرمول جایگزین می کنند، سپس زمان بر حسب میکروثانیه خواهد بود. در مورد ما، به دست آوردن نتیجه در ثانیه راحت تر است، که برای آن شما به سادگی باید میکروثانیه را در یک میلیون ضرب کنید، یا، ساده تر، نقطه اعشار را شش مکان به سمت چپ حرکت دهید.

برای مدار نشان داده شده در شکل 4، با ظرفیت خازن 2000 μF و مقاومت مقاومت 500 Ω، ثابت زمانی τ = R*C = 500 * 2000 = 1000000 میکروثانیه یا دقیقاً یک ثانیه خواهد بود. بنابراین، شما باید حدود 5 ثانیه صبر کنید تا خازن به طور کامل شارژ شود.

اگر پس از زمان مشخص شده، کلید SA به موقعیت مناسب منتقل شود، خازن C از طریق لامپ EL تخلیه می شود. در این لحظه یک فلاش کوتاه وجود دارد، خازن تخلیه می شود و نور خاموش می شود. جهت تخلیه خازن با فلش با شاخص ip نشان داده می شود. زمان تخلیه نیز با ثابت زمانی τ تعیین می شود. نمودار تخلیه در شکل 6 نشان داده شده است.

شکل 6. نمودار تخلیه خازن

خازن جریان مستقیم عبور نمی کند

یک نمودار ساده تر نشان داده شده در شکل 7 به شما کمک می کند تا این عبارت را تأیید کنید.

شکل 7. مدار با یک خازن در مدار DC

اگر کلید SA را ببندید، لامپ برای مدت کوتاهی چشمک می زند که نشان می دهد خازن C از طریق لامپ شارژ شده است. نمودار شارژ نیز در اینجا نشان داده شده است: در لحظه بسته شدن سوئیچ، جریان حداکثر است، با شارژ شدن خازن، کاهش می یابد و پس از مدتی به طور کامل متوقف می شود.

اگر خازن از کیفیت خوبی برخوردار باشد، یعنی. با جریان نشتی کم (خود تخلیه)، بسته شدن مکرر سوئیچ منجر به فلاش نمی شود. برای دریافت فلاش دیگر، خازن باید تخلیه شود.

خازن در فیلترهای قدرت

خازن معمولاً بعد از یکسو کننده قرار می گیرد. اغلب یکسو کننده ها به صورت تمام موج ساخته می شوند. رایج ترین مدارهای یکسو کننده در شکل 8 نشان داده شده است.

شکل 8. مدارهای یکسو کننده

یکسو کننده های نیمه موج نیز معمولاً در مواردی که قدرت بار ناچیز است اغلب استفاده می شود. با ارزش ترین کیفیت چنین یکسو کننده ها سادگی آنهاست: فقط یک دیود و یک سیم پیچ ترانسفورماتور.

برای یکسو کننده تمام موج، ظرفیت خازن فیلتر را می توان با استفاده از فرمول محاسبه کرد.

C = 1000000 * Po / 2*U*f*dU، که در آن C ظرفیت خازن μF است، Po توان بار W، U ولتاژ در خروجی یکسو کننده V، f فرکانس متناوب است. ولتاژ هرتز، dU دامنه ریپل V است.

عدد بزرگ در عدد 1000000 ظرفیت خازن را از سیستم فاراد به میکروفاراد تبدیل می کند. دو مورد در مخرج تعداد نیم چرخه های یکسو کننده را نشان می دهد: برای یکسو کننده نیمه موج، یکی در جای خود ظاهر می شود.

C = 1000000 * Po / U*f*dU،

و برای یکسو کننده سه فاز فرمول به شکل C = 1000000 * Po / 3*U*f*dU خواهد بود.

ابرخازن - یونیستور

به تازگی، کلاس جدیدی از خازن های الکترولیتی ظاهر شده است، به اصطلاح. در خواص آن شبیه به باتری است، اگرچه با چندین محدودیت.

یونیستور در مدت زمان کوتاهی به معنای واقعی کلمه در چند دقیقه به ولتاژ نامی شارژ می شود، بنابراین توصیه می شود از آن به عنوان منبع تغذیه پشتیبان استفاده کنید. در واقع، یونیستور یک دستگاه غیر قطبی است؛ تنها چیزی که قطبیت آن را تعیین می کند شارژ در سازنده است. برای جلوگیری از اشتباه گرفتن این قطبیت در آینده، با علامت + نشان داده شده است.

شرایط عملکرد یونیستورها نقش زیادی دارد. در دمای 70 درجه سانتیگراد در ولتاژ 0.8 ولتاژ نامی، دوام تضمین شده بیش از 500 ساعت نیست. اگر دستگاه با ولتاژ 0.6 ولتاژ اسمی کار کند و دما از 40 درجه تجاوز نکند، عملکرد مناسب برای 40000 ساعت یا بیشتر امکان پذیر است.

رایج ترین کاربرد یونیستور در منابع تغذیه پشتیبان است. اینها عمدتا تراشه های حافظه یا ساعت های الکترونیکی هستند. در این مورد، پارامتر اصلی یونیستور جریان نشتی کم، خود تخلیه آن است.

استفاده از یونیستورها در ارتباط با باتری های خورشیدی بسیار امیدوار کننده است. این نیز به دلیل بحرانی نبودن شرایط شارژ و تعداد عملا نامحدود چرخه شارژ-دشارژ است. یکی دیگر از ویژگی های ارزشمند این است که یونیستور نیازی به تعمیر و نگهداری ندارد.

تاکنون توانسته ام به شما بگویم که خازن های الکترولیتی چگونه و کجا کار می کنند، عمدتاً در مدارهای DC. عملکرد خازن ها در مدارهای جریان متناوب در مقاله دیگری مورد بحث قرار خواهد گرفت -.

خازن (درپوش) یک "باتری" کوچک است که در صورت وجود ولتاژ در اطراف آن به سرعت شارژ می شود و زمانی که ولتاژ کافی برای نگه داشتن شارژ وجود ندارد به سرعت تخلیه می شود.

ویژگی اصلی یک خازن ظرفیت آن است. با نماد نشان داده می شود سیواحد اندازه گیری آن فاراد است. هر چه ظرفیت خازن بزرگتر باشد، خازن می تواند بار بیشتری را در یک ولتاژ معین نگه دارد. همچنین از بیشترظرفیت، کمترسرعت شارژ و دشارژ

مقادیر معمول مورد استفاده در میکروالکترونیک: از ده ها پیکوفاراد (pF، pF = 0.000000000001 F) تا ده ها میکروفاراد (μF، μF = 0.000001). رایج ترین انواع خازن ها سرامیکی و الکترولیتی هستند. سرامیکی ها از نظر اندازه کوچکتر هستند و معمولاً ظرفیتی تا 1 μF دارند. برای آنها مهم نیست که کدام یک از مخاطبین به مثبت و کدام یک به منفی متصل می شود. خازن های الکترولیتی دارای ظرفیت خازنی از 100 pF هستند و قطبی هستند: یک تماس خاص باید به مثبت وصل شود. پای مربوط به پلاس بلندتر می شود.

یک خازن از دو صفحه تشکیل شده است که توسط یک لایه دی الکتریک از هم جدا شده اند. صفحات بار جمع می کنند: یکی مثبت، دیگری منفی است. در نتیجه باعث ایجاد تنش در داخل می شود. دی الکتریک عایق از تبدیل ولتاژ داخلی به جریان داخلی جلوگیری می کند که باعث یکسان شدن صفحات می شود.

شارژ و دشارژ

این نمودار را در نظر بگیرید:

در حالی که سوئیچ در موقعیت 1 قرار دارد، ولتاژ روی خازن ایجاد می شود - شارژ می شود. شارژ سروی صفحه در یک نقطه خاص از زمان با فرمول محاسبه می شود:

سی- ظرفیت، ه- توان (ثابت ≈ 2.71828)، تی- زمان از شروع شارژ شارژ صفحه دوم همیشه دقیقاً یکسان است، اما با علامت مخالف. اگر مقاومت آرحذف کنید، فقط یک مقاومت کوچک از سیم ها باقی می ماند (این به مقدار تبدیل می شود آر) و شارژ خیلی سریع اتفاق می افتد.

با رسم تابع بر روی نمودار، تصویر زیر را بدست می آوریم:

همانطور که می بینید، بار به طور یکنواخت رشد نمی کند، بلکه به طور معکوس به صورت تصاعدی رشد می کند. این به این دلیل است که با تجمع بار، ولتاژ معکوس بیشتری ایجاد می کند V ج، که "مقاومت می کند" V در.

همه چیز با این تمام می شود V جاز نظر ارزش برابر می شود V درو جریان به طور کلی متوقف می شود. در این نقطه گفته می شود که خازن به نقطه اشباع (تعادل) خود رسیده است. شارژ به حداکثر خود می رسد.

با یادآوری قانون اهم، می‌توانیم وابستگی جریان مدار خود را هنگام شارژ کردن خازن به تصویر بکشیم.

اکنون که سیستم در حالت تعادل است، سوئیچ را در موقعیت 2 قرار دهید.

صفحات خازن دارای بارهایی از علائم مخالف هستند، آنها ولتاژ ایجاد می کنند - جریانی از طریق بار ظاهر می شود (Load). جریان در مقایسه با جهت منبع برق در جهت مخالف جریان خواهد داشت. دشارژ نیز برعکس اتفاق می افتد: ابتدا شارژ به سرعت از بین می رود، سپس با افت ولتاژ ایجاد شده توسط آن، آهسته تر و کندتر می شود. اگر برای Q 0باری را که ابتدا روی خازن بود مشخص کنید، سپس:

این مقادیر در نمودار به شکل زیر هستند:

دوباره پس از مدتی سیستم به حالت استراحت می رسد: تمام شارژ از بین می رود، ولتاژ ناپدید می شود و جریان جریان متوقف می شود.

اگر دوباره از سوئیچ استفاده کنید، همه چیز در یک دایره شروع می شود. بنابراین خازن هیچ کاری جز قطع کردن مدار در زمانی که ولتاژ ثابت است انجام نمی دهد. و هنگامی که ولتاژ به طور ناگهانی تغییر می کند "کار می کند". این ویژگی تعیین می کند که چه زمانی و چگونه در عمل از آن استفاده شود.

کاربرد در عمل

در میان رایج ترین الگوهای میکروالکترونیک می توان به الگوهای زیر اشاره کرد:

خازن پشتیبان (کلاه بای پس) - برای کاهش امواج ولتاژ تغذیه

خازن فیلتر - برای جداسازی اجزای ولتاژ ثابت و متغیر، برای جداسازی سیگنال

خازن رزرو

بسیاری از مدارها برای ارائه توان ثابت و پایدار طراحی شده اند. مثلاً 5 ولت. منبع تغذیه آن را به آنها می رساند. اما سیستم های ایده آل وجود ندارند، و در صورت تغییر ناگهانی در مصرف فعلی دستگاه، به عنوان مثال، هنگامی که یک قطعه روشن می شود، منبع تغذیه زمانی برای "واکنش" فوری و کوتاه مدت ندارد. افت ولتاژ رخ می دهد علاوه بر این، در مواردی که سیم از منبع تغذیه به مدار به اندازه کافی طولانی باشد، شروع به عمل به عنوان یک آنتن می کند و همچنین نویز ناخواسته را به سطح ولتاژ وارد می کند.

به طور معمول، انحراف از ولتاژ ایده‌آل از یک هزارم ولت تجاوز نمی‌کند، و این پدیده در هنگام تغذیه، به عنوان مثال، LED یا موتور الکتریکی، کاملاً ناچیز است. اما در مدارهای منطقی، جایی که سوئیچینگ منطق صفر و منطق یک بر اساس تغییرات ولتاژهای کوچک اتفاق می‌افتد، نویز منبع تغذیه را می‌توان با سیگنال اشتباه گرفت که منجر به سوئیچینگ نادرست می‌شود که مانند یک اثر دومینو، سیستم را قرار می‌دهد. در حالت غیر قابل پیش بینی

برای جلوگیری از چنین خرابی هایی، یک خازن پشتیبان مستقیماً در مقابل مدار قرار می گیرد

در لحظاتی که ولتاژ پر است، خازن تا حد اشباع شارژ می شود و به شارژ ذخیره تبدیل می شود. به محض کاهش سطح ولتاژ در خط، خازن پشتیبان به عنوان یک باتری سریع عمل می کند و شارژ انباشته شده قبلی را آزاد می کند تا شکاف را پر کند تا وضعیت به حالت عادی بازگردد. چنین کمکی به منبع اصلی برق تعداد زیادی بار در هر ثانیه رخ می دهد.

اگر از دیدگاه دیگری فکر کنیم: خازن جزء متناوب را از ولتاژ مستقیم استخراج می کند و با عبور از خود، آن را از خط برق به زمین می برد. به همین دلیل است که به خازن پشتیبان «خازن بای پس» نیز می گویند.

در نتیجه، ولتاژ صاف شده به صورت زیر است:

خازن‌های معمولی که برای این منظور استفاده می‌شوند، خازن‌های سرامیکی با مقدار اسمی 10 یا 100 nF هستند. سلول های الکترولیتی بزرگ برای این نقش مناسب نیستند، زیرا آنها کندتر هستند و در این شرایط که نویز فرکانس بالایی دارد نمی توانند به سرعت شارژ خود را آزاد کنند.

در یک دستگاه، خازن های پشتیبان می توانند در مکان های زیادی وجود داشته باشند: در جلوی هر مدار، که یک واحد مستقل است. به عنوان مثال، آردوینو از قبل دارای خازن های پشتیبان است که عملکرد پایدار پردازنده را تضمین می کند، اما قبل از روشن کردن صفحه LCD متصل به آن، باید خود را نصب کنید.

خازن فیلتر

یک خازن فیلتر برای حذف سیگنال از سنسور استفاده می شود که آن را به شکل یک ولتاژ متغیر منتقل می کند. نمونه هایی از این سنسورها میکروفون یا آنتن فعال Wi-Fi هستند.

بیایید به نمودار اتصال یک میکروفون الکترت نگاه کنیم. میکروفون الکترت رایج ترین و همه جا حاضر است: این میکروفون در تلفن های همراه، لوازم جانبی کامپیوتر و سیستم های آدرس عمومی استفاده می شود.

میکروفون برای کار کردن به برق نیاز دارد. در حالت سکوت مقاومت آن بالاست و به ده ها کیلواهم می رسد. هنگامی که در معرض صدا قرار می گیرد، دروازه ترانزیستور اثر میدانی ساخته شده در داخل باز می شود و میکروفون مقاومت داخلی خود را از دست می دهد. از دست دادن و بازیابی مقاومت بارها در هر ثانیه اتفاق می افتد و مطابق با فاز موج صوتی است.

در خروجی، ما فقط در آن لحظاتی که صدا وجود دارد به ولتاژ علاقه مندیم. اگر خازن نبود سی، خروجی همیشه تحت تأثیر ولتاژ تغذیه ثابت قرار می گیرد. سیاین جزء ثابت را مسدود می کند و فقط به انحرافات مربوط به صدا اجازه عبور می دهد.

صدای قابل شنیدن که مورد توجه ما است، در محدوده فرکانس پایین است: 20 هرتز - 20 کیلوهرتز. به منظور جداسازی سیگنال صوتی از ولتاژ، و نه نویز برق با فرکانس بالا، سییک خازن الکترولیتی آهسته با مقدار اسمی 10 μF استفاده می شود. اگر از یک خازن سریع، مثلاً 10 nF، استفاده شود، سیگنال‌های غیر صوتی به خروجی می‌رسند.

توجه داشته باشید که سیگنال خروجی به صورت ولتاژ منفی عرضه می شود. یعنی وقتی خروجی به زمین وصل می شود، جریان از زمین به خروجی می رود. مقادیر پیک ولتاژ در مورد میکروفون ده ها میلی ولت است. برای معکوس کردن ولتاژ و افزایش مقدار آن، خروجی V بیرونمعمولاً به یک تقویت کننده عملیاتی متصل می شود.

اتصال خازن ها

اگر با اتصال مقاومت ها مقایسه شود، محاسبه مقدار نهایی خازن ها برعکس به نظر می رسد.

هنگامی که به صورت موازی متصل می شود، ظرفیت کل به صورت زیر خلاصه می شود:

در صورت اتصال سری، ظرفیت نهایی با استفاده از فرمول محاسبه می شود:

اگر فقط دو خازن وجود دارد، با اتصال سری:

در مورد خاص دو خازن یکسان، ظرفیت کل اتصال سری برابر با نیمی از ظرفیت هر یک است.

ویژگی های محدود

اسناد مربوط به هر خازن حداکثر ولتاژ مجاز را نشان می دهد. بیش از حد آن می تواند منجر به خرابی دی الکتریک و انفجار خازن شود. برای خازن های الکترولیتی، قطبیت باید رعایت شود. در غیر این صورت، یا الکترولیت به بیرون نشت می کند یا دوباره انفجار رخ می دهد.

ولتاژ ثابت و ولتاژ تمساح هایش را روی 12 ولت تنظیم کنید. یک لامپ 12 ولتی هم می گیریم. اکنون یک خازن را بین یک پروب منبع تغذیه و لامپ قرار می دهیم:

نه نمیسوزه

اما اگر مستقیماً این کار را انجام دهید، روشن می شود:

این نتیجه گیری را نشان می دهد: جریان DC از خازن عبور نمی کند!

صادقانه بگویم، در همان لحظه اولیه اعمال ولتاژ، جریان همچنان برای کسری از ثانیه جریان دارد. همه چیز به ظرفیت خازن بستگی دارد.

خازن در مدار AC

بنابراین، برای اینکه بفهمیم آیا جریان AC از خازن عبور می کند یا خیر، به یک دینام نیاز داریم. من فکر می کنم این مولد فرکانس به خوبی عمل می کند:

از آنجایی که ژنراتور چینی من بسیار ضعیف است، به جای بار لامپ از یک 100 اهم ساده استفاده می کنیم. اجازه دهید یک خازن با ظرفیت 1 میکروفاراد نیز بگیریم:

ما چیزی شبیه به این را لحیم می کنیم و یک سیگنال از ژنراتور فرکانس ارسال می کنیم:

سپس دست به کار می شود. اسیلوسکوپ چیست و با آن چه کاربردی دارد اینجا را بخوانید. ما از دو کانال به طور همزمان استفاده خواهیم کرد. دو سیگنال به طور همزمان در یک صفحه نمایش داده می شود. در اینجا روی صفحه نمایش می توانید تداخل شبکه 220 ولتی را مشاهده کنید. توجه نکنید.

همانطور که مهندسان الکترونیک حرفه ای می گویند، ما ولتاژ متناوب اعمال می کنیم و سیگنال ها را در ورودی و خروجی تماشا می کنیم. همزمان.

همه چیز چیزی شبیه به این خواهد بود:

بنابراین، اگر فرکانس ما صفر باشد، این به معنای جریان ثابت است. همانطور که قبلاً دیدیم، خازن اجازه عبور جریان مستقیم را نمی دهد. به نظر می رسد این موضوع حل شده است. اما اگر یک سینوسی با فرکانس 100 هرتز اعمال کنید چه اتفاقی می افتد؟

در صفحه نمایش اسیلوسکوپ پارامترهایی مانند فرکانس و دامنه سیگنال را نمایش دادم: اف فرکانس است مامان - دامنه (این پارامترها با یک فلش سفید مشخص شده اند). کانال اول با رنگ قرمز و کانال دوم با زرد مشخص شده است تا درک آسانی داشته باشد.

موج سینوسی قرمز سیگنالی را نشان می دهد که مولد فرکانس چینی به ما می دهد. موج سینوسی زرد همان چیزی است که ما در حال حاضر در بار دریافت می کنیم. در مورد ما، بار یک مقاومت است. خوب، این همه است.

همانطور که در اسیلوگرام بالا می بینید، من یک سیگنال سینوسی از ژنراتور با فرکانس 100 هرتز و دامنه 2 ولت ارائه می کنم. در مقاومت ما قبلاً سیگنالی با همان فرکانس (سیگنال زرد) می بینیم، اما دامنه آن حدود 136 میلی ولت است. علاوه بر این، سیگنال تا حدودی "شگی" بود. این به دلیل به اصطلاح "". نویز سیگنالی با دامنه کم و تغییرات تصادفی ولتاژ است. این می تواند توسط خود عناصر رادیویی ایجاد شود یا همچنین می تواند تداخلی باشد که از فضای اطراف گرفته می شود. به عنوان مثال، یک مقاومت بسیار خوب "صدا می کند". این بدان معنی است که "شگی" سیگنال مجموع یک سینوسی و نویز است.

دامنه سیگنال زرد کوچکتر شده است و حتی نمودار سیگنال زرد به سمت چپ تغییر می کند، یعنی جلوتر از سیگنال قرمز است یا به زبان علمی ظاهر می شود. تغییر فاز. این مرحله است که جلوتر است، نه خود سیگنال.اگر خود سیگنال جلوتر بود، سیگنال روی مقاومت زودتر از سیگنالی که از طریق خازن به آن اعمال می شود ظاهر می شود. نتیجه یک نوع سفر در زمان خواهد بود :-)، که البته غیرممکن است.

تغییر فاز- این تفاوت بین فازهای اولیه دو کمیت اندازه گیری شده. در این مورد تنش. برای اندازه گیری تغییر فاز، باید شرایطی وجود داشته باشد که این سیگنال ها همان فرکانس. دامنه می تواند هر کدام باشد. شکل زیر همین تغییر فاز را نشان می دهد یا همان طور که به آن می گویند، اختلاف فاز:

بیایید فرکانس ژنراتور را به 500 هرتز افزایش دهیم

مقاومت قبلاً 560 میلی ولت دریافت کرده است. تغییر فاز کاهش می یابد.

فرکانس را به 1 کیلو هرتز افزایش می دهیم

در خروجی ما از قبل 1 ولت داریم.

فرکانس را روی 5 کیلوهرتز تنظیم کنید

دامنه 1.84 ولت است و تغییر فاز به وضوح کوچکتر است

به 10 کیلوهرتز افزایش دهید

دامنه تقریباً مشابه ورودی است. تغییر فاز کمتر قابل توجه است.

ما 100 کیلوهرتز را تنظیم کردیم:

تقریبا هیچ تغییر فازی وجود ندارد. دامنه تقریباً مشابه ورودی است، یعنی 2 ولت.

از اینجا نتیجه گیری های عمیقی می گیریم:

هرچه فرکانس بالاتر باشد، خازن مقاومت کمتری در برابر جریان متناوب دارد. تغییر فاز با افزایش فرکانس به تقریبا صفر کاهش می یابد. در فرکانس های بی نهایت پایین قدر آن 90 درجه یاπ/2 .

اگر یک برش از نمودار را رسم کنید، چیزی شبیه به این خواهید داشت:

من ولتاژ را به صورت عمودی و فرکانس را به صورت افقی رسم کردم.

بنابراین، ما آموخته ایم که مقاومت یک خازن به فرکانس بستگی دارد. اما آیا فقط به فرکانس بستگی دارد؟ بیایید یک خازن با ظرفیت 0.1 میکروفاراد یعنی مقدار اسمی 10 برابر کمتر از خازن قبلی بگیریم و دوباره آن را در همان فرکانس ها اجرا کنیم.

بیایید مقادیر را بررسی و تجزیه و تحلیل کنیم:

مقادیر دامنه سیگنال زرد را در همان فرکانس، اما با مقادیر خازن متفاوت با دقت مقایسه کنید. به عنوان مثال، در فرکانس 100 هرتز و مقدار خازن 1 μF، دامنه سیگنال زرد 136 میلی ولت بود و در همان فرکانس، دامنه سیگنال زرد، اما با خازن 0.1 μF، قبلاً بود. 101 میلی ولت (در واقعیت، حتی کمتر به دلیل تداخل). در فرکانس 500 هرتز - 560 میلی ولت و 106 میلی ولت به ترتیب در فرکانس 1 کیلوهرتز - 1 ولت و 136 میلی ولت و غیره.

از اینجا نتیجه گیری خود را نشان می دهد: با کاهش مقدار خازن، مقاومت آن افزایش می یابد.

فیزیکدانان و ریاضیدانان با استفاده از تبدیل های فیزیکی و ریاضی فرمولی را برای محاسبه مقاومت خازن به دست آورده اند. لطفا محبت کنید و احترام بگذارید:

جایی که، X Cمقاومت خازن، اهم است

پ -ثابت و تقریباً برابر با 3.14 است

اف- فرکانس، با هرتز اندازه گیری می شود

با– ظرفیت، بر حسب فاراد اندازه گیری می شود

بنابراین، فرکانس را در این فرمول روی صفر هرتز قرار دهید. فرکانس صفر هرتز جریان مستقیم است. چه اتفاقی خواهد افتاد؟ 1/0=بی نهایت یا مقاومت بسیار بالا. خلاصه مدار خرابه

نتیجه

با نگاهی به آینده، می توانم بگویم که در این آزمایش به (فیلتر بالاگذر) دست یافتیم. با استفاده از یک خازن و مقاومت ساده و اعمال چنین فیلتری روی اسپیکر در جایی از تجهیزات صوتی، تنها صدای جیر جیر بلندی را در بلندگو خواهیم شنید. اما فرکانس باس توسط چنین فیلتری کاهش می یابد. وابستگی مقاومت خازن به فرکانس در الکترونیک رادیویی بسیار مورد استفاده قرار می گیرد، به ویژه در فیلترهای مختلف که در آن نیاز به سرکوب یک فرکانس و عبور فرکانس دیگری است.