برق , علوم پایه , فیزیک 66 بازدید

در دو مقاله «خازن چیست؟ — از صفر تا صد» و «ظرفیت خازن — یادگیری با مثال» با ساختار و فیزیک خازن‌ها آشنا شدید. همچنین در مقاله «ابرخازن‌ها — آشنایی با مفاهیم و کاربردها» با ابرخازن‌ها (SuperCapacitor) که ظرفیت بسیار بیشتری (با ولتاژ پایین) نسبت به خازن‌های معمولی دارند، آشنا شدید. خازن‌های معمولی و ابرخازن‌ها هر دو در قالب میدان‌های الکترواستاتیکی می‌توانند انرژی الکتریکی را در خود ذخیره کنند. با اینکه عملکرد این دو خازن یکسان است، تفاوت‌هایی با یکدیگر نیز دارند. در این مقاله قصد داریم تا با زبانی ساده به تفاوت خازن و ابرخازن بپردازیم. با ما در ادامه این مطلب همراه باشید.

قبل از پرداختن به تفاوت خازن و ابرخازن در قالب یک جدول، بهتر است که مروری بر تعریف خازن و ابرخازن داشته باشیم.

خازن (Capacitor)

خازن عنصری پسیو (غیر فعال) در فیزیک و مهندسی الکترونیک است که در ساده‌ترین حالت، ساختاری صفحه‌ای مطابق با شکل زیر دارد. به واسطه جمع شدن بارهای الکتریکی روی صفحات، خازن می‌تواند انرژی الکتریکی را به صورت میدان الکترواستاتیکی در خود ذخیره کند و در صورت لزوم در اختیار مدار الکتریکی بگذارد.

خازن تخت
فیزیک خازن تخت (صفحه موازی)؛ با صرف نظر از اثرات لبه، بین صفحات خازن تخت میدان الکتریکی یکنواخت وجود دارد.

بین صفحات خازن، هوا یا ماده دی‌الکتریک قرار می‌گیرد. ماده دی‌الکتریک به جهت افزایش ظرفیت خازن استفاده می‌شود. خازن در حالت کلی عنصری غیرقطبی است. بدین معنی که قطب‌های مثبت و منفی به صورت پیش‌فرض برای آن تعریف نشده و قطب‌های آن به هنگام قرارگیری در مدار الکتریکی تعیین می‌شوند.

با قرار گرفتن خازن در یک مدار الکتریکی که توسط منبع جریان یا ولتاژ (نظیر باتری – جریان DC) تغذیه می‌شود، جریان الکتریکی از خازن مذکور تا هنگامی عبور خواهد کرد که ولتاژ دو سر خازن با ولتاژ منبع تغذیه برابر شود (عامل شارش بار یا جریان الکتریکی، اختلاف پتانسیل است). به عبارت دیگر، خازنی که ظرفیت آن تکمیل شده باشد، اجازه عبور جریان الکتریکی را نمی‌دهد (با این فرض که ظرفیت خازن مذکور به حدی باشد که ولتاژ آن بتواند با ولتاژ باتری برابر شود).

خازن با دی الکتریک
قطبیده شدن اتم‌ها یا مولکول‌های ماده دی‌الکتریک منجر به افزایش ظرفیت خازن‌ می‌شود.

البته رفتار خازن در مدارهایی با منبع ولتاژ یا جریان متناوب (AC) متفاوت بوده و در مقابل عبور جریان AC از خود مقاومتی واکنشی موسوم به راکتانس (Reactance) نشان می‌دهد. جهت آشنایی بیشتر با رفتار خازن در جریان‌های متناوب AC به مقاله «خازن در جریان متناوب — به زبان ساده» مراجعه فرمایید. با قرار گرفتن خازن در مدار، جریان الکتریکی تا هنگامی ادامه پیدا می‌کند که مقدار بارهای جمع‌ شده روی صفحات آن تمام شود یا اصطلاحاً‌ خازن دشارژ شود. جهت آشنایی با انواع مختلف خازن‌ (تجاری)، به دو مقاله «انواع خازن های الکتریکی — به زبان ساده» و «کد رنگی خازن — به زبان ساده» رجوع فرمایید.

خازن
نمایی از خازن‌های مختلف

ابرخازن (SuperCapacitor)

ابرخازن‌ها که به خازن‌های دولایه (Double Layer Capacitor) و Ultra-Capacitor نیز معروف هستند، توانایی ذخیره بار الکتریکی بسیار بیشتر از خازن‌های معمولی را دارند. شماتیک یک ابرخازن به شکل زیر است:

ساختار ابرخازن
فیزیک ابرخازن یا خازن دو لایه‌؛ مهم‌ترین تفاوت خازن و ابرخازن استفاده از ماده الکترولیت به جای ماده دی‌الکتریک در ابرخازن‌ها است.

همان‌طور که مشاهده می‌کنید، صفحات یا الکترود‌های ابرخازن‌ها با لایه‌ای از کربن فعال پوشانده شده است. همچنین جداکننده‌ای بین دو قطب آند و کاتد خازن در ماده الکترولیت وجود دارد. این در حالی است که بین صفحات یا الکترودهای خازن‌های معمولی تنها ماده دی‌الکتریک قرار می‌گیرد.

ابرخازن‌ها به دلیل استفاده از ماده الکترولیت (ماده‌ای که در باتری‌ها به کار می‌رود)، جدا از قابلیت ذخیره انرژی الکتریکی به صورت میدان الکترواستاتیک (همانند خازن‌های معمولی)، قابلیت ذخیره انرژی شبیه به باتری‌ها را نیز دارند. ابرخازن‌ها همانند باتری‌ها ترمینال‌های (قطب) مثبت و منفی داشته و از ظرفیت بسیاری بالایی علی‌رغم ولتاژ پایین برخوردار هستند. معمولاً ابرخازن‌ها در ظرفیت‌هایی بین 100 فاراد تا 12000 فاراد با ولتاژ کاری پایین 2.5 تا 2.7 ولت ساخته می‌شوند. با ترکیب سری و موازی ابرخازن‌ها می‌توان به ترکیب‌های مفیدی جهت کاربرد‌هایی خاص دست پیدا کرد.

ابرخازن
نمایی از ابرخازن‌هایی با ولتاژ 2.7 ولت و ظرفیت بسیار زیاد 3000 فاراد

ابرخازن‌ها سریع‌تر از باتری‌ها شارژ و با سرعت کندتری نسبت به خازن‌های معمولی دشارژ می‌شوند. در واقع می‌توان ابرخازن‌ها را ساختاری بین باتری و خازن معمولی در نظر گرفت. از این حیث در بازار عبارت باتری ابرخازنی نیز به کار می‌رود. جهت مقایسه باتری و خازن پیشنهاد می‌کنیم تا نگاهی بر مطلب «تفاوت باتری و خازن — به زبان ساده» داشته باشید.

تفاوت خازن و ابرخازن

در جدول مقایسه‌ای زیر، سعی داریم تا تفاوت خازن و ابرخازن را به صورت محسوس‌تری بیان کنیم.

مشخصات خازن (Capacitor) ابرخازن (Supercapacitor)
ساختار در ساده‌ترین حالت متشکل از دو صفحه که میان آن‌ها ماده دی‌الکتریک قرار می‌گیرد و انرژی الکتریکی را به واسطه میدان الکترواستاتیک ذخیره می‌کند. نوعی خازن با قطب‌های مشخص (همانند باتری) که بین صفحات آن به‌ جای ماده دی‌الکتریک از ماده الکترولیت استفاده می‌شود. همچنین صفحات آن با لایه‌ای از کربن پوشانده شده است.
تعریف ساختاری است که انرژی پتانسیل الکتریکی را در قالب میدان الکترواستاتیکی ذخیره می‌کند و در مواقع لزوم در اختیار مدار قرار می‌دهد. ساختاری بین باتری و خازن معمولی دارد. ابرخازن‌ها ظرفیت بسیار بالا و ولتاژ کاری پایینی دارند.
کارکرد (فیزیک) ذخیره انرژی الکتریکی در قالب میدان الکتریکی ذخیره انرژی الکتریکی به واسطه یون‌های موجود در ماده الکترولیت و الکترودها (میدان الکترواستاتیک)
نوع

Electrolytic

Film Capacitors

Tantalum (تانتالوم)

Integrated Capacitor (مجتمع شده)

Electrostatic Double-Layer Capacitors (EDLC’s)

Electrochemical Pseudocapacitors

Hybrid Supercapacitors (هیبریدی)

ماده دی‌الکتریک آلومینیوم اکسید، فیلم‌های پلیمری، مواد سرامیکی لایه کربنی نشانده شده روی الکترود‌ها، به هنگام اعمال ولتاژ، همانند ماده دی‌الکتریک رفتار می‌کند.
زمان شارژ و دشارژ متغیر سریع‌تر از باتری‌ها شارژ شده و نسبت به خازن‌های الکترولیتی در حجم یکسان، ظرفیت بیشتری دارند.
بهره‌وری (Efficiency) شارژ و دشارژ > 0.95 0.85 ~ 0.98
دمای کاری $$-20 \sim 65^{\circ}C$$ $$-40 \sim 65^{\circ}C$$
انرژی $$<0.1\ \frac{Wh}{kg}$$ $$1\sim10\ \frac{Wh}{kg}$$
چگالی انرژی پایین بالا
توان خالص $$Upto\ 100,000\ \frac{Wh}{kg}$$ $$Upto\ 10,000\ \frac{Wh}{kg}$$
قیمت پایین بالا
مزایا مسدود سازی جریان

صاف کردن خروجی یکسوسازها

ابعاد کوچک

ظرفیت بالا و شارژ شدن سریع

عمر بالا

ذخیره انرژی بالا

اعمال جریان بالا

کاربرد استفاده در انواع فیلترها

استفاده در نوسان‌سازها

 

استفاده برای فلاش‌های LED دروبین‌های عکاسی

تثبیت کننده منبع توان در لپتاپ‌ها و سایر ادوات الکترونیکی

تامین انرژی ادوات CMOS، کلاک و میکروپروسسورها

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 1 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

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