خازن و تابلو برق خازنی
خازن (capacitor) چیست؟
خازن یک قطعه ساده در اصطلاح غیرفعال و ساده است که می‌تواند در صورت اتصال به ولتاژ الکتریکی، بار الکتریکی را در خود ذخیره کند. به بیانی دیگر خازن قطعه‌ای است که ظرفیت خازنی داشته و می تواند شارژ شود. اما مقصود از داشتن ظرفیت خازنی در یک خازن چیست؟ در ادامه این مقاله ابتدا به ماهیت خازن و سپس به کاربرد آن در تابلو برق و صنعت پرداخته ایم.
خازن چگونه می‌تواند بار الکتریکی را ذخیره کند؟
یک خازن ساده از دو صفحه فلزی جدا از هم تشکیل شده که تماس مستقیمی با یکدیگر ندارند؛ در نظر داشته باشید که اگر دو صفحه تماس مستقیم داشتند، عملاً الکتریسیته به سادگی از یکی به دیگری منتقل می شد و قطعه با یک سیم هیچ تفاوتی نداشت. این دو صفحه به دو پایه خازن ارتباط یافته و در عمل پس از قرارگیری قطعه در مدار، یک اختلاف پتانسیل نسبت به یکدیگر دارند؛ یکی دارای بار مثبت شده و دیگری دارای بار منفی.
فضای بین این دو صفحه را ماده‌ای تحت عنوان دی‌الکتریک پر می‌کند. دی‌الکتریک ماده‌ای عایق (نارسانا) است که عبور جریان الکتریکی از درون آن بسیار سخت است. صرف قرارگیری دو صفحه فلزی روبروی یکدیگر، به شرط وجود فاصله و عدم تماس آن‌ها، تشکیل خازن می‌دهد؛ اما ظرفیت چنین خازنی بسیار کم است. با اضافه شدن دی‌الکتریک به فضای بین دو صفحه، عملاً ظرفیت خازن افزایش خواهد یافت.
در حالتی که چیزی بین دو صفحه نباشد دی‌الکتریک خازن هواست؛ اما در صورتی که بخواهیم دی‌الکتریک را افزایش دهیم، از مواد نارساناتری مانند کاغذ، پلاستیک، سرامیک، میکا و اکسید تانتالیوم استفاده می‌کنیم. در تعریف فیزیکی به طور اجمالی میتوان گفت هر قدر ماده قرار گرفته بین دو صفحه فلزی نارساناتر باشد، در اصطلاح ثابت دی‌الکتریک آن بیشتر بوده و این به افزایش ظرفیت خازن کمک می‌کند.
ظرفیت خازن چیست؟
خازن یک قطعه و عضوی از بردهای الکترونیکی است اما مقدمه پاسخگویی پرسش خازن چیست، یکی از اصول فیزیکی خواهد بود؛ اصلی که به آن ظرفیت خازنی یا (Capacitance) گفته می‌شود. ظرفیت خازنی، عبارت است از توانایی نگهداری و شارژ بار الکتریکی. قانون و فرمول فیزیکی ظرفیت خازنی مطابق تصویر زیر است.
این فرمول بیان می‌کند که در صورت اتصال یک اختلاف پتانسیل (ولتاژ) به قدر V به دو سر یک خازن با ظرفیت C، یک بار الکتریکی به قدر Q در آن ذخیره می‌شود. البته میتوان تحلیل‌های دیگری را در این مورد ارائه کرد اما این تحلیل از فرمول فوق، به ما کمک می‌کند ماهیت خازن را درک کنیم. پس اساس عملکرد این وسیله ذخیره‌سازی بار الکتریکی یا همان Q است.
در نظر داشته باشید که ظرفیت خازن در اصل معیاری است برای سنجش میزان توانایی قطعه، در ذخیره ساختن انرژی الکتریکی. در فرمول درج‌شده در قسمت دوم، ظرفیت خازن با نماد (C) مشخص شده است. هر قدر ظرفیت یک خازن بالاتر باشد، میتوان گفت انرژی الکتریکی را بیشتر نگهداری می‌کند. واحد ظرفیت خازن، فاراد می باشد.
این کمیت به موضوعات مختلفی وابسته است و با رجوع به ساختار فیزیکی قطعه، قابل محاسبه و سنجش است. به طور مثال هر قدر فاصله دو صفحه خازن کمتر، مساحت دو صفحه بیشتر و نارسانایی ماده قرار گرفته بین دو صفحه بیشتر باشد، ظرفیت خازن بیشتر خواهد بود.
واحد خازن چیست؟
واحد سنجش ظرفیت خازن در سیستم SI، فاراد می باشد. فاراد یک معیار و واحد بزرگ است؛ به همین دلیل از واحدهای کوچکتری مانند نانوفاراد، میکروفاراد و پیکوفاراد نیز برای اندازه گیری واحد خازن ها استفاده می شود.
ولتاژ خازن چیست؟
به مقدار ولتاژی که یک خازن می تواند در خود ذخیره کند، ولتاژ خازن گفته می شود. معمولاً ولتاژ کار خازن را روی آن می نویسند، اما اگر روی خازنی ولتاژ آن نوشته نشده باشد، به این منظور است که خازن ولتاژ 50V دارد.
حال اگر ولتاژی بیش از میزان استاندارد خازن به آن وارد شود، دی الکتریک پلاریزده می شود و عایق از بین می رود. در نتیجه، با ایجاد جرقه، خازن می سوزد.
کار خازن چیست؟
حال با وجود دستیابی به یک دید کلی، می‌توانیم مجدداً به مفاهیم ابتدای متن درباره رجوع کرده و تعریف خازن را مرور کنیم. در پاسخ به این سوال که وظیفه خازن چیست می توان گفت خازن قطعه‌ای است که توانایی ذخیره انرژی الکتریکی را داشته و یک ولتاژ استاتیک را در صفحات خود ذخیره می‌کند. خازن در عمل دقیقاً مانند یک باتری کوچک قابل شارژ است که به‌سرعت شارژ شده و در صورت قطع جریان الکتریکی و اتصال با مصرف‌کننده، به سرعت خالی می‌شود.
به یاد داشته باشید که خازن با قرار گرفتن در مسیر مدار برق مستقیم، تا مادامی که شارژ نشده باشد، اجازه عبور جریان را می‌دهد؛ اما پس از شارژ اجازه عبور جریان را نمی‌دهد. یک خازن در مدار متناوب، مداوماً شارژ و دشارژ می‌شود.
خازن ها چه کاربردی دارند؟
اساس کاربرد یک خازن و دلیل استفاده از خازن در مدار این است که با قرارگیری در مدار متناوب، حد خاصی از انرژی الکتریکی را در خود ذخیره می‌کند و در مواقع افت یا کاهش ناگهانی جریان، انرژی ذخیره شده را به مدار باز می‌گرداند؛ این یک پروسه متناوب و سریع است. هرچند شاید بتوان صدها کاربردی برای خازن در نظر گرفت اما به طور اجمالی برخی از آن‌ها را ذکر می‌کنیم.
- خازن مانند یک فیلتر بوده و شاخصه‌های جریان را اصلاح می‌کند. مثلاً در بردهای فیلترینگ، فرکانس جریان را تغییر می‌دهد.
- این قطعه خاصیت تقویت‌کنندگی دارد.
- به عنوان یک دیوار بین بخش‌های مستقیم و متناوب مدارهای پیچیده عمل می‌کند. در نظر داشته باشید که خازن در ارتباط با برق مستقیم، پس از شارژ شدن اجازه عبور جریان را نمی‌دهد؛ در اصطلاح برق مستقیم را بلوکه می‌کند.
- خازن در صورت موازی بسته شدن با برخی قطعات دیگر به بای‌پس(Bypass) فرکانس کمک می‌کند.
- خازن یک نویزگیر طبیعی در مدار است.
انواع مختلف خازن در مدارات :
روش‌های مختلفی برای دسته‌بندی خازن ها وجود دارد. خازن‌ها بر اساس شکل ظاهری به سه گونه تقسیم می‌شوند؛ مسطح، کروی، استوانه‌ای. اما از نظر عملکرد و ساختار به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند؛ خازن ثابت و خازن متغیر. باید خاطر نشان کرد اساساً امکان پرداختن به تمام انواع خازن وجود نداشته و آنچه در ادامه مطالعه می‌کنید، برخی از مهم‌ترین گونه‌ها هستند
انواع خازن ثابت
– خازن الکترولیتی
از خازن های الکترولیتی در مواقعی که به خازن های با مقادیر بزرگ نیاز است، استفاده می شود. خازن الکترولیتی با ظرفیت های خازنی زیاد و در اندازه های خیلی کوچک با فاصله بسیار کم دو صفحه ساخته می شود. این نوع از خازن ها را در مدار منبع تغذیه DC، کوپلینگ و جداسازی استفاده می کنند.
– خازن میکا
خازن های میکا برای طراحی و آماده سازی خازن های پایدار و نسبتاً کوچک کاربرد دارند. از این نوع خازن در فرکانس های بالا استفاده می شود. دو نوع خازن میکا وجود دارند: خازن های گیره دار و خازن های نقره ای.
– خازن کاغذی
محدوده ظرفیت خازن های کاغذی از 0.001 تا 2.000 میکروفاراد و ولتاژ بالاتر تا 2000 ولت می باشد. این خازن ها به این دلیل که در ابتدا از کاغد در بین دو فویل خازن استفاده می شد، به این نام شناخته شدند. امروزه از پلاستیک در ساختار این خازن ها کاربرد دارند.
– خازن فیلم
در خازن فیلمی نیز از پلاستیک به عنوان دی الکتریک استفاده می شود. انواع مختلفی از خازن های فیلمی وجود دارند مانند فیلم پلی استر، PTE، پلی پروپیلن، پلی استایرن و … . تفاوت این نوع خازن ها در مواد دی الکتریک آن هاست.
از خازن های فیلم PTE در فناوری هوافضا و نظامی استفاده می شود.
– خازن غیر پلاریزه
خازن های غیر پلاریزه در دو نوع فویل پلاستیکی و خازن غیرقطبی الکترولیتی طبقه بندی می شوند.
خازن فویل پلاستیکی غیر پلاریزه است و خازن غیر قطبی الکترولیتی معمولاٌ دو خازن پشت به پشت هستند و در حالت غیرپلاریزه با نیم ظرفیت است.
– خازن سرامیکی
در خازن سرامیکی همانطور که از نام آن مشخص است، از سرامیک استفاده شده است. این خازن ها بین 1 نانوفاراد تا 1 میکروفاراد و تا 100 میکروفاراد ظرفیت دارند.
انواع خازن متغیر
خازن‌های متغیر نیز انواع گوناگونی دارند که در ادامه توضیحات مختصری از آن ها را ارائه دادیم:
– خازن تیونینگ
خازن های تیونینگ از پیکوفاراد تا ده ها پیکوفاراد ظرفیت متغیر دارند. این نوع خازن ها را در گیرنده های رادیویی دارای مدارهای LC استفاده می کنند. به خازن تیونینگ، خازن تنظیم کننده نیز می گویند. خازن تیونینگ دارای ظرفیتی در حدود 10 تا 400 پیکوفاراد هستند.
– خازن تریمر
این نوع خازن ها به دو نوع تریمر هوا و تریمر سرامیکی تقسیم می شوند. این دسته بندی به دلیل مواد دی الکتریک آن هاست که از صاف کننده هوا و تراش سرامیکی برای ساخت آن ها استفاده می شود. این خازن ها 5 تا 30 پیکوفاراد ظرفیت دارند.
خازن تریمر اندازه های کوچکی دارند که در تنظیم فرکانس های رادیویی استفاده می شوند.
– خازن مکانیکی
خازن های مکانیکی مججموعه ای از صفحات منحنی هستند که به یک دستگیره متصل می شوند. مزیت این خازن ها در این قابلیت است که می توان به راحتی ظرفیت خازن را تغییر داد.
– خازن الکترونیکی
از خازن های الکترونیکی در مولتی متر، مقاومت و آمپر استفاده می شود. این خازن ها نیز این امکان را دارند که با تغییراتی در ولتاژ جریان مستقیم (DC) آن ها، ظرفیت متغیری را در آن ها ایجاد کرد.
میکرو خازن چیست؟
میکرو خازن ها جایگزین های مناسبی برای خازن ها هستند که توانایی تحمل تغییراتی مانند جریان، ولتاژ و … را دارند. میکروخازن ها عمر مفید بالایی دارند.
از این قطعات در موتورها استفاده می شود و می توانند نقش راه اندازها را ایفا کنند و جریان های اولیه الکتروموتور را پایین بیاورند.
سنسور خازنی چیست؟
سنسورهای خازنی سنسورهای بدون تماس و بدون کنتاکت الکتریکی هستند که در مقابل فلزات و اغلب غیر فلزات عمل می‌نمایند.
این سنسورها برای کنترل سطوح در مخازنی که از مواد پودری، مایع و با دانه دانه پر شده اند مناسب می‌باشند.
همچنین از آن‌ها میتوان به عنوان مولد پالس به منظور کنترل وضعیت برنامه ماشین آلات برای شمارنده‌ها و آشکارسازی تقریبا تمام مواد فلزی و غیر فلزی استفاده کرد.
سنسور های خازنی معمولا به صورت استوانه ای در قطر های ۳۰-۱۸-۱۲-۶ میلی متر و یا بدنه پلاستیکی و یا فلزی ساخته می شود و البته در برخی موارد خاص به صورت مکعبی همچنین اشکال دیگرنیز ساخته می شوند.
این سنسورها معمولا به صورت استوانه ای در قطر های ۳۰-۱۸-۱۲-۶ میلی متر و یا بدنه پلاستیکی و یا فلزی ساخته می شود و البته در برخی موارد خاص به صورت مکعبی همچنین اشکال دیگرنیز ساخته می شوند.
اساس کار سنسور های خازنی بر مبنای اندازه گیری تغییر ظرفیت یک خازن در مدار رزونانس RC در اثر نزدیک شدن قطعات فلزی یا غیر فلزی می باشد.
قسمت اصلی اسیلاتور از دو قطعه فلزی تشکیل شده,وضعیت قرار گیر یاین قطعات نسبت بهم طوری است که باعث ایجاد یک ظرفیت خازنی می شود.
هرگاه قطعه ای با ثابت دی الکتریک به صفحه حساس نزدیک گردد باعث تغیر در ظرفیت خازنی بین قطعات فلز ی می شود که این تغییر ظرفیت باعث تغییر دامنه خروجی اسیلاتور توسط دمدولاتور با مقایسه با مقدار مرجع آشکار می گردد.
هر گاه دامنه اسیلاتور از مقدار مرجع بیشتر باشد ,خروجی سنسور فعال می شود .
تابلو برق خازنی چیست؟
زمانی که ترکیبی از چندین خازن به‌صورت سری یا موازی با یک رتبه به هم متصل شوند، به آن بانک خازن می‌گویند. به‌طورکلی، یک خازن جداگانه برای ذخیره انرژی الکتریکی استفاده می‌شود. بنابراین هنگامی‌که خازن‌ها در یک بانک افزایش می‌یابند، ظرفیت انرژی ذخیره‌شده در یک دستگاه واحد افزایش می‌یابد. نماد یا نمودار اصلی بانک خازن در زیر نشان داده‌شده است.
خازن‌ها با ذخیره انرژی و ارائه آن‌ها در زمان موردنیاز درست برعکس سلف عمل می‌کنند یعنی هر جا سلف جریان را به مدار پس بدهد خازن‌ها آن‌ها را دریافت می‌کنند، بانک خازنی، با کنترل توان راکتیو و جلوگیری از برگشت آن به شبکه، سبب محافظت از مدار می‌شود. بانک خازن در حقیقت باعث به حداقل رسیدن تبادل سلف با مدار شده که به این عمل اصلاح ضریب قدرت می‌گویند.
رگلاتور خازنی
هدف از نصب خازن، حذف بار راکتیو متغیر مصرف کننده در هر شرایط است، برای کنترل آن از رگولاتور خازنی یا رگولاتور تصحیح ضریب قدرت استفاده می‌شود
رگلاتور، ترتیبِ به مدار آمدن و یا از مدار خارج شدن خازن ها در یک بانک خازنی را تعیین کرده و متناسب با بار راکتیو مورد نیاز، فرمان قطع و وصل را به کنتاکتور‌ها صادر می کند. می توانیم هر دوی این موارد را جزو تجهیزات مهم و حیاتی در تابلو های برق بانک خازنی به شمار آوریم.
در تابلوهای برق بانک خازنی از چه نوع خازن‌هایی استفاده می‌شود؟
ویژگی‌هایی که باید خازن‌های بانک خازنی داشته باشند:
- تحمل تبادل‌های متناوب و زیاد جریان و توان بین خودش و سلف را داشته باشد.
- تحمل حرارت یا سردی هوا را داشته باشد.
- تحمل ولتاژ شبکه برق را داشته باشد. (ممکن است شبکه فشار ضعیف با ولتاژ ۳۸۰ باشد)
- تحمل جریان‌های اولیه زیاد که در هنگام اتصال به شبکه برق دریافت می‌کند را داشته باشد.
توجه: به دلیل اینکه واحد توان راکتیر کیلو وار kvar است و وظیفه خازن اصلاح این توان است بنابراین خازن‌های اصلاح ضریبتان هم بر اساس همین واحد است نه بر اساس میکرو فاراد
انواع خازن در تابلو بانک خازنی
خازن روغنی
از خصوصیات خازن‌های روغنی میتوان به دوام بالا و اصلاح ضریب توان مناسب آن‌ها اشاره نمود. همچنین سطح مقاومت oil capacitor به هارمونیک بالا است. از طرفی معایب این مدل در این است که در برابر هارمونیک‌های شدید قابلیت تحمل ندارند. درنتیجه در این شرایط خازن و قطعات اطراف آن سوخته و معیوب می‌شوند.
خازن خشک
از مزایای خازن‌های خشک میتوان به دوام طولانی، تلفات کم، خاصیت ضد انفجاری، ابعاد کوچک و داشتن سازگاری بالا با محیط‌زیست اشاره نمود.
خازن گازی
در خازن گازی، فضای بین صفحات با دی‌الکتریکی به‌جز هوا عمدتا گاز نیتروژن N2 بهره می‌برند. این خازن‌ها یکی از انواع پرکاربرد در صنعت هستند.
خازن سرامیکی
دی‌الکتریک این خازن‌ها از جنس ماده سرامیک مثل Barium titanate است. بنابراین خاصیت دی‌الکتریکی و ولتاژ کاری آن‌ها بسیار بالا است. از معایب این مدل نیز میتوان وابستگی زیاد به دمای محیط نام برد. تغییر ظرفیت با تغییر دما برای خازن یک نقص به شمار می‌رود.
موارد استفاده از بانک خازنی
- شبکه‌های انتقال انرژی
- پست‌های سوئیچینگ
- شبکه توزیع
- مراکز صنعتی و …
- گروه نیروصنعت با تجربه غنی در تولید انواع تابلو برق و استفاده از بهترین تجهیزات برق صنعتی می‌تواند در «آموزش و تهیه تابلو برق های صنعتی و تجهیزات» به شما کمک کند.
