فیزیک الکتریسیته و مغناطیس

گروه فیزیک دانشگاه ملایر

کاربرد خازن در صنعت برق

              دانشگاه  آزاد   اسلامي  واحد  ملاير

 

موضوع :

کاربرد خازن در صنعت برق

 

استـاد راهنما :

جناب آقاي احمدي

 

 

دانشجو :

محمد سهيلي فر

 

 

پاييز 89

 

خازن و کاربرد آن در صنعت برق

 

خازنهاي ثابت و خازنهاي متغير.

خازنهاي ثابت

اين خازنها داراي ظرفيت معيني هستند که در وضعيت معمولي تغيير پيدا نمي‌کنند. خازنهاي ثابت را بر اساس نوع ماده دي الکتريک به کار رفته در آنها تقسيم بندي و نام گذاري مي‌کنند و از آنها در مصارف مختلف استفاده مي‌شود. از جمله اين خازنها مي‌توان انواع سراميکي ، ميکا ، ورقه‌اي ( کاغذي و پلاستيکي ) ،الکتروليتي ، روغني ، گازي و نوع خاص فيلم (Film) را نام برد. اگر ماده دي الکتريک طي يک فعاليت شيميايي تشکيل شده باشد آن را خازن الکتروليتي و در غير اين صورت آن را خازن خشک گويند. خازنهاي روغني و گازي در صنعت برق بيشتر در مدارهاي الکتريکي براي راه اندازي و يا اصلاح ضريب قدرت به کار مي‌روند. بقيه خازنهاي ثابت داراي ويژگيهاي خاصي هستند.

خازنهاي متغير

به طور کلي با تغيير سه عامل مي‌توان ظرفيت خازن را تغييير داد: “فاصله صفحات” ، “سطح صفحات” و “نوع دي الکتريک”. اساس کار خازن متغير بر مبناي تغيير سطح مشترک صفحات خازن يا تغيير ضخامت دي الکتريک است، ظرفيت يک خازن نسبت مستقيم با سطح مشترک دو صفحه خازن دارد. خازنهاي متغير عموما ازنوع عايق هوا يا پلاستيک هستند. نوعي که به وسيله دسته متحرک (محور) عمل تغيير ظرفيت انجام مي‌شود “واريابل” نامند و در نوع ديگر اين عمل به وسيله پيچ گوشتي صورت مي‌گيرد که به آن “تريمر” گويند. محدوده ظرفيت خازنهاي واريابل 10 تا 400 پيکو فاراد و در خازنهاي تريمر از 5 تا 30 پيکو فاراد است. از اين خازنها در گيرنده‌هاي راديويي براي تنظيم فرکانس ايستگاه راديويي استفاده مي‌شود.

 

خازنهاي سراميکي

خازن سراميکي (Ceramic capacitor) معمولترين خازن غير الکتروليتي است که در آن دي الکتريک بکار رفته از جنس سراميک است. ثابت دي الکتريک سراميک بالا است، از اين رو امکان ساخت خازنهاي با ظرفيت زياد در اندازه کوچک را در مقايسه با ساير خازنها بوجود آورده ، در نتيجه ولتاژ کار آنها بالا خواهد بود. ظرفيت خازنهاي سراميکي معمولا بين 5 پيکو فاراد تا 1/0 ميکرو فاراد است. اين نوع خازن به صورت ديسکي (عدسي) و استوانه‌اي توليد مي‌شود و فرکانس کار خازنهاي سراميکي بالاي 100 مگاهرتز است. عيب بزرگ اين خازنها وابسته بودن ظرفيت آنها به دماي محيط است، زيرا با تغيير دما ظرفيت خازن تغيير مي‌کند. از اين خازن در مدارهاي الکترونيکي ، مانند مدارهاي مخابراتي و راديويي استفاده مي‌شود.

 

خازنهاي ورقه‌اي

در خازنهاي ورقه‌اي از کاغذ و مواد پلاستيکي به سبب انعطاف پذيري آنها ، براي دي الکتريک استفاده مي‌شود. اين گروه از خازنها خود به دو صورت ساخته مي‌شوند:

خازنهاي کاغذي

دي الکتريک اين نوع خازن از يک صفحه نازک کاغذ متخلخل تشکيل شده که يک دي الکتريک مناسب درون آن تزريق مي‌گردد تا مانع از جذب رطوبت گردد. براي جلوگيري از تبخير دي الکتريک درون کاغذ ، خازن را درون يک قاب محکم و نفوذ ناپذير قرار مي‌دهند. خازنهاي کاغذي به علت کوچک بودن ضريب دي الکتريک عايق آنها داراي ابعاد فيزيکي بزرگ هستند، اما از مزاياي اين خازنها آن است که در ولتاژها و جريانهاي زياد مي‌توان از آنها استفاده کرد.

خازنهاي پلاستيکي

در اين نوع خازن از ورقه‌هاي نازک پلاستيک براي دي الکتريک استفاده مي‌شود. ورقه‌هاي پلاستيکي همراه با ورقه‌هاي نازک فلزي (آلومينيومي) به صورت لوله ، در درون قاب پلاستيکي بسته بندي مي‌شوند. امروزه اين نوع خازنها به دليل داشتن مشخصات خوب در مدارات زياد به کار مي‌روند. اين خازنها نسبت به تغييرات دما حساسيت زيادي ندارند، به همين سبب از آنها در مداراتي استفاده مي‌کنند که احتياج به خازني با ظرفيت ثابت در مقابل حرارت باشد. يکي از انواع دي الکتريکهايي که در اين خازنها به کار مي‌رود پلي استايرن (Polystyrene) است، از اين رو به اين خازنها “پلي استر” گفته مي‌شود که از جمله رايج‌ترين خازنهاي پلاستيکي است. ماکزيمم فرکانس کار خازنهاي پلاستيکي حدود يک مگا هرتز است.

خازنهاي ميکا

در اين نوع خازن از ورقه‌هاي نازک ميکا در بين صفحات خازن (ورقه‌هاي فلزي آلومينيوم) استفاده مي‌شود و در پايان ، مجموعه در يک محفظه قرار داده مي‌شوند تا از اثر رطوبت جلوگيري شود. ظرفيت خازنهاي ميکا تقريبا بين 01/0 تا 1 ميکرو فاراد است. از ويژگيهاي اصلي و مهم اين خازنها مي‌توان داشتن ولتاژ کار بالا ، عمر طولاني و کاربرد در مدارات فرکانس بالا را نام برد.

خازنهاي الکتروليتي

اين نوع خازنها معمولاً در رنج ميکرو فاراد هستند. خازنهاي الکتروليتي همان خازنهاي ثابت هستند، اما اندازه و ظرفيتشان از خازنهاي ثابت بزرگتر است. نام ديگر اين خازنها، شيميايي است. علت ناميدن آنها به اين نام اين است که دي ‌الکتريک اين خازنها را به نوعي مواد شيميايي آغشته مي‌کنند که در عمل ، حالت يک کاتاليزور را دارا مي‌باشند و باعث بالا رفتن ظرفيت خازن مي‌شوند. برخلاف خازنهاي عدسي ، اين خازنها داراي قطب يا پايه مثبت و منفي مي‌باشند. روي بدنه خازن کنار پايه منفي ، علامت نوشته شده است. مقدار واقعي ظرفيت و ولتاژ قابل تحمل آنها نيز روي بدنه درج شده است .خازنهاي الکتروليتي در دو نوع آلومينيومي و تانتاليومي ساخته مي‌شوند.

 

 

 

خازن آلومينيومي

اين خازن همانند خازنهاي ورقه‌اي از دو ورقه آلومينيومي تشکيل شده است. يکي از اين ورقه‌ها که لايه اکسيد روي آن ايجاد مي‌شود “آند” ناميده مي‌شود و ورقه آلومينيومي ديگر نقش کاتد را دارد. ساختمان داخلي آن بدين صورت است که دو ورقه آلومينيومي به همراه دو لايه کاغذ متخلخل که در بين آنها قرار دارند هم زمان پيچيده شده و سيمهاي اتصال نيز به انتهاي ورقه‌هاي آلومينيومي متصل مي‌شوند. پس از پيچيدن ورقه‌ها آن را درون يک الکتروليت مناسب که شکل گيري لايه اکسيد را سرعت مي‌بخشد غوطه‌ور مي‌سازند تا دو لايه کاغذ متخلخل از الکتروليت پر شوند. سپس کل مجموعه را درون يک قاب فلزي قرار داده و با يک پولک پلاستيکي که سيمهاي خازن از آن مي‌گذرد محکم بسته مي‌شود.

خازن تانتاليوم

در اين نوع خازن به جاي آلومينيوم از فلز تانتاليوم استفاده مي‌شود زياد بودن ثابت دي الکتريک اکسيد تانتاليوم نسبت به اکسيد آلومينيوم (حدودا 3 برابر) سبب مي‌شود خازنهاي تانتاليومي نسبت به نوع آلومينيومي درحجم مساوي داراي ظرفيت بيشتري باشند. محاسن خازن تانتاليومي نسبت به نوع آلومينيومي بدين قرار است:

ابعاد کوچکتر جريان نشتي کمتر عمر کارکرد طولاني از جمله معايب اين نوع خازن در مقايسه با خازنهاي آلومينيومي عبارتند از:

خازنهاي تانتاليوم گرانتر هستند. نسبت به افزايش ولتاژ اعمال شده در مقابل ولتاژ مجاز آن ، همچنين معکوس شدن پلاريته حساس ترند. قابليت تحمل جريانهاي شارژ و دشارژ زياد را ندارند. خازنهاي تانتاليوم داراي محدوديت ظرفيت هستند (حد اکثر تا 330 ميکرو فاراد ساخته مي شوند).

کد رنگي خازن ها

در خازن‌هاي پليستر براي سالهاي زيادي از کدهاي رنگي بر روي بدنه آنها استفاده مي‌‌شد. در اين کدها سه رنگ اول ظرفيت را نشان مي‌‌دهند و رنگ چهارم تولرانس(درصد خطا) را نشان مي‌‌دهد . براي مثال قهوه‌اي - مشکي - نارنجي به معني 10000 پيکوفاراد يا 10 نانوفاراد است. خازن‌هاي پليستر امروزه به وفور در مدارات الکترونيک مورد استفاده قرار مي‌‌گيرند. اين خازنها در برابر حرارت زياد معيوب مي‌شوند و بنابراين هنگام لحيمکاري بايد به اين نکته توجه داشت.

ترتيب رنگي خازن‌ها به ترتيب از ۰ تا ۹ به صورت زير است:

سياه، قهوه اي، قرمز، نارنجي، زرد، سبز، آبي، بنفش، خاکستري، سفيد

خازن‌ها با هر ظرفيتي وجود ندارند. بطور مثال خازن‌هاي 22 ميکروفاراد يا 47 ميکروفاراد وجود دارند ولي خازن‌هاي 25 ميکروفاراد يا 117 ميکروفاراد وجود ندارند. دليل اينکار چنين است :

فرض کنيم بخواهيم خازن‌ها را با اختلاف ظرفيت ده تا ده تا بسازيم. مثلاً 10 و 20 و 30 و. .. به همين ترتيب. در ابتدا خوب بنظر مي‌‌رسد ولي وقتي که به ظرفيت مثلاً 1000 برسيم چه رخ مي‌‌دهد ؟

مثلاً 1000 و 1010 و 1020 و. .. که در اينصورت اختلاف بين خازن 1000 ميکروفاراد با 1010 ميکروفاراد بسيار کم است و فرقي با هم ندارند پس اين مساله معقول بنظر نمي‌رسد. براي ساختن يک رنج محسوس از ارزش خازن‌ها، مي‌توان براي اندازه ظرفيت از مضارب استاندارد 10 استفاده نمود. مثلاً 7/4 - 47 - 470 و. .. و يا 2/2 - 220 - 2200 و.. .

خازن‌هاي متغير

در مدارات تيونينگ راديويي از اين خازن‌ها استفاده مي‌شود و به همين دليل به اين خازنها گاهي خازن تيونينگ هم اطلاق مي‌شود. ظرفيت اين خازن‌ها خيلي کم و در حدود 100 تا 500 پيکوفاراد است و بدليل ظرفيت پايين در مدارات تايمينگ مورد استفاده قرار نمي‌گيرند.

در مدارات تايمينگ از خازن‌هاي ثابت استفاده مي‌شود و اگر نياز باشد دوره تناوب را تغيير دهيم، اين عمل بکمک مقاومت انجام مي‌شود .

 

 

خازن‌هاي تريمر

خازن‌هاي تريمر خازن‌هاي متغيير کوچک و با ظرفيت بسيار پايين هستند. ظرفيت اين خازن‌ها از حدود 1 تا 100 پيکوفاراد است و بيشتر در تيونرهاي مدارات با فرکانس بالا مورد استفاده قرار مي‌‌گيرند .

ظرفيت معياري براي اندازه گيري توانايي نگهداري انرژي الکتريکي است. ظرفيت زياد بدين معني است که خازن قادر به نگهداري انرژي الکتريکي بيشتري است. واحد اندازه گيري ظرفيت فاراد است.

ظرفيت

ظرفيت معياري براي اندازه گيري توانايي نگهداري انرژي الکتريکي است. ظرفيت زياد بدين معني است که خازن قادر به نگهداري انرژي الکتريکي بيشتري است. واحد اندازه گيري ظرفيت فاراد است. 1 فاراد واحد بزرگي است و مشخص کننده ظرفيت بالا مي‌‌باشد. بايد گفت که ظرفيت خازن ها يک کميت فيزيکي هست و به ساختمان خازن وابسته است و به مدار و اختلاف پتانسيل بستگي ندارد

بنابراين استفاده از واحدهاي کوچک‌تر نيز در خازنها مرسوم است. ميکروفاراد µF، نانوفاراد nF و پيکوفاراد pF واحدهاي کوچک‌تر فاراد هستند.

n means 10-9 (thousand-millionth), so 1000nF = 1µF

p means 10-12 (million-millionth), so 1000pF = 1nF µ means 10-6 (millionth), so 1000000µF = 1F

خازن المان الکتريکي است که مي‌تواند انرژي الکتريکي را توسط ميدان الکترواستاتيکي (بار الکتريکي) در خود ذخيره کند. انواع خازن در مدارهاي الکتريکي بکار مي‌روند. خازن را با حرف C که ابتداي کلمه capacitor است نمايش مي‌دهند. ساختمان داخلي خازن از دو قسمت اصلي تشکيل مي‌شود:

الف صفحات هادي ب عايق بين هاديها (دي الکتريک) ساختمان خازن هرگاه دو هادي در مقابل هم قرار گرفته و در بين آنها عايقي قرار داده شود، تشکيل خازن مي‌دهند. معمولاً صفحات هادي خازن از جنس آلومينيوم ، روي و نقره با سطح نسبتاً زياد بوده و در بين آنها عايقي (دي الکتريک) از جنس هوا ، کاغذ ، ميکا ، پلاستيک ، سراميک ، اکسيد آلومينيوم و اکسيد تانتاليوم استفاده مي‌شود. هر چه ضريب دي الکتريک يک ماده عايق بزرگ‌تر باشد آن دي الکتريک داراي خاصيت عايقي بهتر است. به عنوان مثال ، ضريب دي الکتريک هوا 1 و ضريب دي الکتريک اکسيد آلومينيوم 7 مي‌باشد. بنابراين خاصيت عايقي اکسيد آلومينيوم 7 برابر خاصيت عايقي هوا است. انواع خازن الف- خازنهاي ثابت سراميکي خازنهاي ورقه‌اي خازنهاي ميکا خازنهاي الکتروليتي o آلومينيومي o تانتاليوم

ب- خازنهاي متغير واريابل تريمر انواع خازن بر اساس شکل ظاهري آنها 1. مسطح 2. کروي 3. استوانه‌اي انواع خازن بر اساس دي الکتريک آنها 1. خازن کاغذي 2. خازن الکترونيکي 3. خازن سراميکي 4. خازن متغيير

خازن کروي

خازن مسطح (خازن تخت) دو صفحه فلزي موازي که بين آنها عايقي به نام دي الکتريک قرار دارد، مانند (هوا ، شيشه). با اتصال صفحات خازن به يک مولد مي‌توان خازن را باردار کرد. اختلاف پتانسيل بين دو سر صفحات خازن برابر اختلاف پتانسيل دو سر مولد خواهد بود. ظرفيت خازن (C) نسبت مقدار باري که روي صفحات انباشته مي‌شود بر اختلاف پتانسيل دو سر باتري را ظرفيت خازن گويند؛ که مقداري ثابت است.

C = ظرفيت خازن بر حسب فاراد

C = kε0 A/d Q = بار ذخيره شده برحسب کولن V = اختلاف پتانسيل دو سر مولد برحسب ولت

ε0 = قابليت گذر دهي خلا است که برابر است با: 8.85 × 12-10 _ C2/N.m2

k (بدون يکا) = ثابت دي الکتريک است که براي هر ماده‌اي فرق دارد. تقريباً براي هوا و خلأ 1=K است و براي محيطهاي ديگر مانند شيشه و روغن 1

A = سطح خازن بر حسب m2

d =فاصله بين دو صفه خازن بر حسب m

چند نکته آزمايش نشان مي‌دهد که ظرفيت يک خازن به اندازه بار (q) و به اختلاف پتانسيل دو سر خازن (V) بستگي ندارد بلکه به نسبت q/v بستگي دارد. بار الکتريکي ذخيره شده در خازن با اختلاف پتانسيل دو سر خازن نسبت مستقيم دارد. يعني: q a v ظرفيت خازن با فاصله بين دو صفحه نسبت عکس دارد. يعني: C a 1/d ظرفيت خازن با مساحت هر يک از صفحات و جنس دي الکتريک (K )نسبت مستقيم دارد. يعني: C a A و C a K شارژ يا پر کردن يک خازن وقتي که يک خازن بي بار را به دو سر يک باتري وصل کنيم؛ الکترونها در مدار جاري مي‌شوند. بدين ترتيب يکي از صفحات بار (+) و صفحه ديگر بار (-) پيدا مي‌کند. آن صفحه‌اي که به قطب مثبت باتري وصل شده ؛ بار مثبت و صفحه ديگر بار منفي پيدا مي‌کند. خازن پس از ذخيره کردن مقدار معيني از بار الکتريکي پر مي‌شود. يعني با توجه به اينکه کليد همچنان بسته است؛ ولي جرياني از مدار عبور نمي‌کند و در واقع جريان به صفر مي‌رسد. يعني به محض اينکه يک خازن خالي بدون بار را در يک مدار به مولد متصل کرديم؛ پس از مدتي کوتاه عقربه گالوانومتر دوباره روي صفر بر مي‌گردد. يعني ديگر جرياني از مدار عبور نمي‌کند. در اين حالت مي‌گوييم خازن پرشده است. دشارژ يا تخليه يک خازن ابتدا خازني را که پر است در نظر مي‌گيريم. دو سر خازن را توسط يک سيم به همديگر وصل مي‌کنيم. در اين حالت براي مدت کوتاهي جرياني در مدار برقرار مي‌شود و اين جريان تا زماني که بار روي صفحات خازن وجود دارد برقرار است. پس از مدت زماني جريان صفر خواهد شد. يعني ديگر باري بر روي صفحات خازن وجود ندارد و خازن تخليه شده است. اگر خازن کاملاً پر شود ديگر جرياني برقرار نمي‌شود و اگر خازن کاملاً تخليه شود باز هم جرياني برقرار نمي‌شود.

تأثير ماده دي‌الکتريک در فضاي بين دو صفحه موازي يک خازن وقتي که خازني را به مولدي وصل مي‌کنيم؛ يک ميدان يکنواخت در داخل خازن بوجود مي‌آيد. اين ميدان الکتريکي بر توزيع بارهاي الکتريکي اتمي عايقي که در درون صفحات قرار دارد اثر مي‌گذارد و باعث مي‌شود که دو قطبيهاي موجود در عايق طوري شکل گيري کنند؛ که در يک سمت عايق بارهاي مثبت و در سمت ديگر آن بارهاي منفي تجمّع کنند. توزيع بارهايي که در لبه‌هاي عايق قرار دارند؛ بر بارهاي روي صفحات خازن اثر مي‌گذارد. يعني بارهاي منفي روي لبه‌هاي عايق؛ بارهاي مثبت بيشتري را روي صفحات خازن جمع مي‌کند؛ و همينطور بارهاي مثبت روي لبه‌هاي عايق بارهاي منفي بيشتري را روي صفحات خازن جمع مي‌کند. بنابراين با افزايش ثابت دي الکتريک (K) مي‌توان بارهاي بيشتري را روي خازن جمع کرد و باعث افزايش ظرفيت يک خازن شد. با گذاشتن دي الکتريک در بين صفحات يک خازن ظرفيت آن افزايش مي‌يابد. ميدان الکتريکي درون خازن تخت در فضاي بين صفحات خازن بار دار ميدان الکتريکي يکنواختي برقرار مي‌شود که جهت آن همواره از صفحه مثبت خازن به سمت صفحه منفي خازن است. اندازه ميدان همواره يک عدد ثابت مي‌باشد.

E=V/d

E: ميدان الکتريکي

V: اختلاف پتانسيل دو سر خازن d: فاصله بين دو صفحه خازن

ميدان الکتريکي با اختلاف پتانسيل دو سر خازن نسبت مستقيم و با فاصله بين صفحات خازن نسبت عکس دارد. به هم بستن خازنها خازنها در مدار به دو صورت بسته مي‌شوند: 1. موازي 2. متوالي (سري) بستن خازنها به روش موازي در بستن به روش موازي بين خازنها دو نقطه اشتراک وجود دارد. در اين نوع روش:

اختلاف پتانسيل براي همة خازنها يکي است. بار ذخيره شده در کل مدار برابر است با مجموع بارهاي ذخيره شده در هريک از خازنها. ظرفيت معادل در حالت موازي مولد V = V1 = V2 = V3

بار کل Q = Q1 + Q2 + Q3

CV = C1V1 + C2V2 + C3V3

ظرفيت کل : C = C1 + C2 + C3

انديسها مربوط به خازنهاي 1 ؛ 2 و 3 مي‌باشد. هرگاه چند خازن باهم موازي باشند، ظرفيت خازن معادل برابر است با مجموع ظرفيت خازنها.

بستن خازنها بصورت متوالي در بستن به روش متوالي بين خازنها يک نقطه اشتراک وجود دارد و تنها دو صفحه دو طرف مجموعه به مولد بسته شده ؛ از مولد بار دريافت مي‌کند. صفحات مقابل نيز از طريق القاء بار الکتريکي دريافت مي‌کنند. بنابراين اندازه بار الکتريکي روي همه خازنها در اين حالت باهم برابر است. در بستن خازنها به طريق متوالي:

بارهاي روي صفحات هر خازن يکي است. اختلاف پتانسيل دو سر مدار برابر است با مجموع اختلاف پتانسيل دو سر هر يک از خازنها. ظرفيت معادل در حالت متوالي:

بار کل Q = Q1 + Q2 + Q3

اختلاف پتانسيل کل V = V1 = V2 = V3

q/C = q1/C1 + q2/C2 + q3/C3

C-1 = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3

ظرفيت کل در حالت متوالي ، وارون ظرفيت معادل ، برابر است با مجموع وارون هريک از خازنها.

انرژي ذخيره شده در خازن پر شدن يک خازن باعث بوجود آمدن بار ذخيره در روي آن مي‌شود و اين هم باعث مي‌شود که انرژي روي صفحات ذخيره گردد. کل کاري که در فرآيند پر شدن خازن انجام مي‌شود از طريق محاسبه بدست مي‌آيد. کاربرد خازن با توجه به اينکه بار الکتريکي در خازن ذخيره مي‌شود؛ براي ايجاد ميدانهاي الکتريکي يکنواخت مي‌توان از خازن استفاده کرد. خازنها مي‌توانند ميدانهاي الکتريکي را در حجمهاي کوچک نگه دارند؛ به علاوه مي‌توان از آنها براي ذخيره کردن انرژي استفاده کرد. خازن در اشکال مختلف ساخته مي‌شود.

خازن وسيله‌اي الکتريکي است که در مدارهاي الکتريکي اثر خازني ايجاد مي‌کند. اثر خازني خاصيتي است که سب مي‌شود مقداري انرژي الکتريکي در يک ميدان الکترواستاتيک ذخيره شود و بعد از مدتي آزاد گردد. به تعبير ديگر ، خازنها المانهايي هستند که مي‌توانند مقداري الکتريسيته را به صورت يک ميدان الکترواستاتيک در خود ذخيره کنند. همانگونه که يک مخزن آب براي ذخيره کردن مقداري آب مورد استفاده قرار مي‌گيرد. خازنها به اشکال گوناگون ساخته مي‌شوند و متداولترين آنها خازنهاي مسطح هستند.

+ نوشته شده در  89/09/10ساعت 11:43  توسط مدیریت  |