خازن‌ها

خازن (Capacitor) قطعه‌ای است که انرژی الکتریکی را در میدان الکتریکی ذخیره می‌کند؛ مثل مخزن کوچکی که سریع پر می‌شود و به‌سرعت تخلیه می‌کند. این توانایی ساده دو کاربرد عظیم دارد: صاف‌کردن نوسان ولتاژ و ایجاد تأخیر زمانی.

در این درس با انواع خازن، روش خواندن مقدارشان و محاسبهٔ زمان شارژ آشنا می‌شوید؛ دو مفهومی که در هر برد الکترونیکی، از تغذیه تا تایمر، حضور دارند.

خازن چه می‌کند؟

خازن از دو صفحهٔ رسانا تشکیل شده که میانشان عایق است. وقتی به دو سر خازن ولتاژ بدهید، صفحات بارهای مخالف انبار می‌کنند و میدان الکتریکی میان عایق شکل می‌گیرد. مقدار باری که خازن به ازای هر ولت ذخیره می‌کند «ظرفیت» نام دارد و یکایش فاراد (F) است.

فاراد یکای بسیار بزرگی است؛ در مدارهای واقعی با مقادیر کوچک‌تر سروکار داریم:

هر ۱ میکروفاراد معادل ۱۰۰۰ نانوفاراد و هر ۱ نانوفاراد معادل ۱۰۰۰ پیکوفاراد است.

خواندن کد خازن

خازن‌های سرامیکی کوچک به‌جای نوشتن صفرهای طولانی، کد سه‌رقمی دارند: دو رقم اول عدد و رقم سوم شمار صفرها، بر حسب پیکوفاراد. مثلاً کد «104» یعنی ۱۰ و چهار صفر پیکوفاراد:

۱۰۰٬۰۰۰ پیکوفاراد = ۱۰۰ نانوفاراد = ۰٫۱ میکروفاراد

دو نوع رایج: سرامیکی و الکترولیتی

زمان شارژ: ثابت RC

خازن از راه مقاومت یک‌باره پر نمی‌شود؛ به‌صورت نمایی شارژ می‌شود. سرعت این کار با «ثابت زمانی» (Time Constant) توصیف می‌شود:

$\tau = R \times C$

نماد τ (تاو) زمانی است که در آن خازن به حدود ۶۳٪ ولتاژ نهایی می‌رسد. بعد از حدود ۵ برابر τ خازن تقریباً کامل شارژ شده است. مثال: مقاومت ۱۰ کیلواهم و خازن الکترولیتی ۴۷۰ میکروفاراد:

$\tau = 10000 \times 0.00047 = 4.7$

یعنی ۴٫۷ ثانیه؛ پس این مدار حدود ۲۳٫۵ ثانیه برای شارژ تقریباً کامل زمان می‌خواهد. همین رابطه پایهٔ ساخت تایمرهای ساده و مدارهای تأخیر است.

تمرین‌ها

# کد خود را اینجا بنویسید

capacitance_nF = 22 * 10**4 / 1000   # 220000 پیکوفاراد به نانوفاراد
print(capacitance_nF)

R = 10_000          # اهم
C = 470             # میکروفاراد
tau = R * C / 1_000_000
print(tau)
print(5 * tau)      # تقریباً شارژ کامل

::: :::

خلاصه

• خازن انرژی را در میدان الکتریکی ذخیره می‌کند؛ ظرفیتش با فاراد و پیشوندهای میکرو، نانو و پیکو بیان می‌شود.
• خازن‌های سرامیکی بدون قطب و کوچک هستند؛ الکترولیتی‌ها قطب‌دار و ظرفیت بالا دارند و اتصال معکوسشان خطرناک است.
• کد سه‌رقمی خازن سرامیکی بر حسب پیکوفاراد است؛ «104» یعنی ۱۰۰ نانوفاراد.
• ثابت زمانی $\tau = R \times C$ سرعت شارژ را تعیین می‌کند؛ پس از ۵ برابر آن خازن تقریباً پُر است.

با ذخیره‌ساز انرژی آشنا شدید؛ در درس بعدی سراغ قطعه‌ای می‌رویم که جریان را یک‌طرفه می‌کند و نور تولید می‌کند: دیود و LED.