برق , فیزیک , مهندسی 189 بازدید

آیا تا به حال به تفاوت باتری و خازن فکر کرده‌اید؟ باتری و خازن هر دو انرژی الکتریکی را ذخیره کرده و در مواقع لزوم در اختیار مدار الکتریکی قرار می‌دهند. از این حیث خازن و باتری بسیار شبیه به یکدیگر هستند. با این حال تفاوت‌هایی اساسی بین آن‌ها وجود داشته که کاربرد‌های هر یک از آن‌ها را محدود به شرایطی خاص می‌کند.

اصلی‌ترین تفاوت باتری و خازن در این است که باتری با تبدیل انرژی شیمیایی به الکتریکی، انرژی الکتریکی لازم را فراهم می‌کند. این در حالی است که خازن، از طریق یک میدان الکترواستاتیک، با جمع شدن بارهای الکتریکی روی دو صفحه آن، انرژی الکتریکی را ذخیره می‌کند. در ادامه این مقاله با ما همراه باشید تا با زبانی ساده بیشتر به تفاوت باتری و خازن بپردازیم.

باتری

همان‌طور که می‌دانید، باتری وسیله‌ای است که به عنوان منبع انرژی در بسیاری از وسایل برقی استفاده می‌شود. از آنجایی که یک باتری سالم، ولتاژی ثابت دارد (اختلاف پتانسیل بین قطب مثبت و منفی آن ثابت است)، جریان تولید شده توسط آن نیز ثابت (DC) است. باتری از ۳ قسمت عمده کاتد (ترمینال مثبت)، آند (ترمینال منفی) و ماده الکترولیت تشکیل شده است. یک باتری به واسطه ساختار شیمیایی ماده الکترولیت و جنس کاتد خود، انرژی شیمیایی را ذخیره کرده و در صورت لزوم طی واکنش‌های شیمیایی کاهش – اکسیداسیون (oxidation-reduction)، آن را تبدیل به انرژی الکتریکی می‌کند. در واقع طی واکنش‌های شیمیایی، یون و الکترون‌هایی تولید شده که الکترون‌ها از طریق مدار به سمت ترمینال مثبت باتری می‌روند. در این حالت باتری تخلیه یا دشارژ (discharge) می‌شود. در برخی از باتری‌ها، این واکنش‌ها می‌توانند در جهت عکس انجام شوند که منجر به شارژ باتری می‌شوند.

باتری
شکل (۱): نمایی از یک باتری 1.5 ولت

به یاد داشته باشید که جهت واقعی الکترون‌ها (جریان الکتریکی) از ترمینال منفی به ترمینال مثبت باتری است. اما به صورت قراردادی در تحلیل مدارهای الکتریکی، جهت جریان را از ترمینال مثبت باتری خارج می‌کنند. جهت آشنایی با باتری‌های مختلف به مقاله «انواع باتری — از صفر تا صد» مراجعه فرمایید.

خازن

در مقاله «ظرفیت خازن — یادگیری با مثال» به طور کامل با فیزیک خازن‌ها و محاسبه ظرفیت آن‌ها آشنا شدید. همان‌طور که مشاهده کردید، خازن ساختاری لایه‌ای است که بین لایه‌ها هوا یا ماده دی‌الکتریک وجود دارد. در ساده‌ترین حالت خازن را تخت با دو صفحه موازی زیر را در نظر بگیرید.

خازن تخت
شکل (۲): فیزیک خازن تخت (صفحه موازی)

با قرار دادن خازن در یک مدار که توسط منبع ولتاژ (نظیر باتری) تغذیه می‌شود، جریان از خازن تا هنگامی که ولتاژ دو سر خازن با ولتاژ منبع تغذیه برابر شود، عبور خواهد کرد (جریان را DC در نظر بگیرید). به عبارت دیگر، خازن پر شده اجازه عبور جریان الکتریکی را نمی‌دهد. البته با فرض اینکه ظرفیت خازن به مقداری باشد که ولتاژ آن بتواند با ولتاژ باتری برابر شود. به یاد داشته باشید که عامل شارش بار الکتریکی یا جریان، اختلاف پتانسیل است.

در این حالت بار‌های ذخیره شده روی دو صفحه خازن، انرژی الکتریکی را در شکل میدان الکترواستاتیک ذخیره می‌کنند. حال با قرار دادن خازن پر شده در یک مدار، بار روی صفحات آن به مدت زمان دشارژ خازن از طریق مدار جریان می‌یابند. جهت آشنایی با انواع خازن‌ها (تجاری) به دو مقاله «انواع خازن های الکتریکی — به زبان ساده» و «کد رنگی خازن — به زبان ساده» مراجعه فرمایید.

خازن
شکل (۳): نمایی از خازن‌های مختلف تجاری

با توجه به مطالب فوق، می‌توان گفت که مهم‌ترین تفاوت باتری و خازن در چگونگی ذخیره انرژی الکتریکی است.

ابرخازن

در مقاله «ابرخازن‌ها — آشنایی با مفاهیم و کاربردها» با مفهوم ابرخازن‌ها آشنا شدید. ابرخازن‌ها که به Super Cap یا Ultra Capacitor نیز معروف هستند، خازن‌هایی بوده که همانند باتری‌ها ترمینال‌های مثبت و منفی داشته که از ظرفیت بسیاری بالایی علی‌رغم ولتاژ پایین برخوردار هستند. غالباً ظرفیت ابرخازن‌ها از 100 فاراد تا 12000 فاراد در ولتاژهای پایین 2.5 تا 2.7 ولت است.

ابر خازن
شکل (۴): نمایی از یک ابرخازن (Ultra Cap) با ظرفیت 2600 فاراد و ولتاژ 2.7 ولت

ابرخازن‌ها را می‌توان ساختاری بین باتری و خازن در نظر گرفت که سریع‌تر از باتری‌ها شارژ می‌شوند و در واحد حجم یکسان ظرفیتی بیشتر از خازن‌های الکترولیتی دارند.

تفاوت باتری و خازن

حال که با تعریف‌های مقدماتی باتری و خازن آشنا شدید، به تفاوت باتری و خازن در قالب جدول زیر توجه کنید:

مشخصات باتری خازن
تعریف (Definition) باتری انرژی پتانسیل را در قالب انرژی شیمیایی ذخیره کرده و در مواقع لزوم به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. خازن انرژی پتانسیل را در قالب میدان الکترواستاتیک ذخیره می‌کند. (جمع شدن بارهای الکتریکی روی صفحات)
ساختار (Construction) متشکل از ۳ قسمت اصلی، کاتد (ترمینال منفی)، آند (ترمینال مثبت) و ماده الکترولیت در ساده‌ترین حالت دو صفحه موازی که بین آن‌ها هوا یا ماده دی‌الکتریک قرار گرفته است.
کارکرد (وظیفه – Function) فراهم کردن انرژی لازم مدار. باتری‌ها بارهای الکتریکی را از طریق واکنش‌های شیمیایی تولید می‌کنند. خازن انرژی الکتریکی را از طریق بار‌های الکتریکی (الکترون‌ها) در خود ذخیره می‌کنند.
نحوه کار (Working Principle) تولید یون و الکترون طی واکنش‌های شیمیایی موسوم به کاهش – اکسایش (oxidation-reduction ) با اعمال ولتاژ به دو سر خازن، بارهای الکتریکی در آن تا تکمیل ظرفیت، ذخیره می‌شوند.
عمل اصلی (Operation) تولید جریان (آزاد سازی الکترون‌ها) ذخیره الکترون‌ها
انوع (Types) قلیایی، سلول‌های لیتیومی، سلول‌های اکسید نقره، سلول‌های هوا روی، سلول‌های کربن روی، اسید سرب، لیتیوم یون، نیکل فلزی هیبرید، نیکل کادمیوم و … سرامیکی، الکترولیت، ابرخازن، تانتالومی، الکتروشیمیایی، سرامیکی، خازن‌های فیلم و …
نوع عنصر در مدار (Type of Device) عنصر فعال عنصر غیرفعال یا پسیو
کاربرد در سیگنال‌های AC و DC جهت تولید جریان‌های DC در مدار از باتری‌ها استفاده می‌شود. خازن فول شارژ، مانع عبور جریان DC شده و جریان AC را عبور می‌دهد. خازن در جریان AC از خود راکتانس نشان می‌دهد.
رفتار ولتاژ (Voltage Behavior) باتری به هنگام دشارژ، ولتاژ ثابتی را فراهم می‌کند. ولتاژ دو سر خازن با دشارژ خازن (کاهش بار صفحات) کاهش می‌یابد.
زمان شارژ و دشارژ آهسته سریع
دمای مناسب جهت شارژ 0 تا مثبت ۴۵ درجه سانتی‌گراد منفی ۴۰ تا مثبت ۶۵ درجه سانتی‌گراد
عمر مفید در شرایط استفاده مطلوب بیش از 500 ساعت بین ۱ میلیون تا ۳ میلیون ساعت
قطبیت ترمینال‌ها طی شارژ و دشارژ معکوس می‌شوند. طی شارژ و دشارژ ثابت باقی می‌ماند.
اندازه متغیر متغیر
قیمت غالباً گران‌تر از خازن غالباً ارزان‌تر از باتری
مزایا ذخیره‌سازی انرژی

ولتاژ ثابت

جریان نشت (Leakage Curren) بهتر از خازن (پایدارتر)

طول عمر بالا

زمان شارژ کوتاه

نشت جریان زیاد (امپر بالا)

دمای کاری گسترده

معایب طول عمر کوتاه

زمان شارژ طولانی

محدود بودن ولتاژ و جریان

تاثیر پذیری زیاد از دما

تخلیه خود به خودی زیاد در گذر زمان

قیمت بیشتر برای هر وات توان نسبت به باتری

 

کاربردها الکترونیک قدرت

کاربرد‌های روزمره

ذخیره انرژی و استفاده از آن در دستگاه‌های قابل حمل

استفاده زیاد در ماشین‌ها جهت تامین نیروی استارت

استفاده در ماشین‌های برقی و هیبریدی

صاف کردن خروجی منابع تغذیه AC

استفاده در فیلتر‌های عبوری فرکانس

استفاده در نوسان‌ساز‌ها

و …

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌هایی که در ادامه آمده‌اند نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

^^

به عنوان حامی، استارتاپ، محصول و خدمات خود را در انتهای مطالب مرتبط مجله فرادرس معرفی کنید.

telegram
twitter

اشکان ابوالحسنی

«اشکان ابوالحسنی» دانشجو مقطع دکتری واحد علوم و تحقیقات تهران در رشته مهندسی برق مخابرات، گرایش میدان و امواج است. علاقه خاص او به فرکانس‌های ناحیه اپتیکی و مکانیک کوانتومی باعث شده که در حال حاضر در دو زمینه‌ مخابرات نوری و محاسبات کوانتومی تحقیق و پژوهش کند. او در حال حاضر، آموزش‌هایی را در دو زمینه فیزیک و مهندسی برق (مخابرات) در مجله فرادرس می‌نویسد.

بر اساس رای 2 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *