خازن چیست؟ ساختار، نحوه عملکرد و انواع خازن

خازن (Capacitor) یکی از پرکاربردترین قطعات الکترونیکی است که مانند باتری انرژی الکتریکی را ذخیره می کند، اما به روشی کاملا متفاوت. خازن در مقایسه با باتری هم اندازه، انرژی بسیار کمتری ذخیره می کند، اما می تواند این انرژی را بسیار سریع ذخیره و آزاد کند و همین ویژگی آن را برای بسیاری از مدارها ضروری کرده است.

باتری دو پایانه دارد و واکنش های شیمیایی داخل آن، الکترون ها را در یک پایانه تولید می کنند و پایانه دیگر هنگام کامل شدن مدار آنها را جذب می کند. اما خازن ساده تر است؛ هیچ واکنش شیمیایی در آن رخ نمی دهد و الکترون جدیدی تولید نمی کند، بلکه فقط بار الکتریکی را به شکل میدان الکتریکی بین صفحاتش ذخیره می کند.

در این مقاله با تعریف خازن، ساختار، نحوه عملکرد، انواع و کاربردهای آن آشنا می شوید.

خازن چیست؟

خازن یک قطعه الکترونیکی غیرفعال (Passive) است که از دو یا چند صفحه رسانا تشکیل شده که با یک ماده عایق از هم جدا شده اند. صفحات رسانا معمولا از فلزاتی مانند آلومینیوم یا تانتالیوم ساخته می شوند.

خازن توانایی یا ظرفیت ذخیره انرژی را به شکل بار الکتریکی دارد. این بار الکتریکی باعث ایجاد اختلاف پتانسیل (ولتاژ) بین صفحات می شود.

ماده عایق بین صفحات دی الکتریک نام دارد و می تواند از جنس کاغذ آغشته به موم، میکا، سرامیک، پلاستیک یا هوا باشد. در خازن های الکترولیتی، دی الکتریک یک لایه بسیار نازک اکسید فلز است.

به دلیل وجود این لایه عایق، جریان DC پس از شارژ شدن خازن نمی تواند از آن عبور کند و خازن جلوی آن را می گیرد. در عوض، ولتاژ به شکل بار الکتریکی روی صفحات باقی می ماند.

صفحات خازن می توانند مربعی، دایره ای، مستطیلی یا استوانه ای باشند. شکل، اندازه و ساختار کلی خازن به کاربرد و ولتاژ کاری آن بستگی دارد.

ظرفیت خازن و عوامل موثر بر آن

ساده ترین نوع خازن، خازن صفحه موازی است که از دو صفحه فلزی موازی ساخته می شود. ظرفیت خازن با یکای فاراد (F) اندازه گیری می شود و از این رابطه به دست می آید:

C = εA / d

• ε: ضریب گذردهی دی الکتریک

• A: مساحت صفحات

• d: فاصله بین صفحات

بنابراین ظرفیت خازن با مساحت صفحات و گذردهی دی الکتریک نسبت مستقیم و با فاصله بین صفحات نسبت عکس دارد. تغییر هر یک از این مقادیر، ظرفیت خازن را تغییر می دهد و این اساس کار خازن های متغیر است.

مقدار باری که خازن ذخیره می کند نیز از رابطه Q = CV و انرژی ذخیره شده در آن از رابطه E = ½CV² به دست می آید.

خازن چگونه کار می کند؟

شارژ شدن خازن

هر فلز در حالت عادی تعداد برابری بار مثبت و منفی دارد و از نظر الکتریکی خنثی است. وقتی یک باتری به صفحات خازن وصل می شود، باتری از طریق مدار خارجی الکترون ها را از صفحه متصل به قطب مثبت خارج کرده و به صفحه متصل به قطب منفی می راند.

الکترون ها به دلیل وجود دی الکتریک نمی توانند از بین صفحات عبور کنند، بنابراین روی یک صفحه انباشته می شوند. به این ترتیب یک صفحه بار منفی و صفحه دیگر بار مثبت برابری پیدا می کند.

با انباشته شدن بار، ولتاژ خازن افزایش می یابد و جریان شارژ کمتر می شود. جریان شارژ در لحظه اول، وقتی خازن خالی است، بیشترین مقدار را دارد و به تدریج کم می شود. وقتی ولتاژ خازن با ولتاژ باتری برابر شد، جریان به صفر می رسد و گفته می شود خازن کاملا شارژ شده است. سرعت شارژ به مقاومت مدار و ظرفیت خازن بستگی دارد و با ثابت زمانی τ = RC مشخص می شود.

نقش دی الکتریک در خازن

دی الکتریک از مولکول هایی تشکیل شده که تحت تاثیر میدان الکتریکی قطبی می شوند و خود را در جهت میدان قرار می دهند. این قطبش، میدان الکتریکی داخل خازن را تضعیف می کند و در نتیجه خازن می تواند در همان ولتاژ، بار بیشتری ذخیره کند. به همین دلیل دی الکتریک ظرفیت خازن را افزایش می دهد.

اگر پس از شارژ کامل، باتری را جدا کنیم، خازن بار الکتریکی را برای مدتی نگه می دارد و مانند یک منبع ذخیره انرژی عمل می کند.

دشارژ شدن خازن

اگر دو سر خازن شارژ شده را با یک مسیر رسانا به هم وصل کنیم، الکترون های انباشته شده روی صفحه منفی از طریق مدار به صفحه مثبت می روند تا هر دو صفحه دوباره خنثی شوند. جریان دشارژ نیز در ابتدا بیشترین مقدار را دارد و به تدریج به صفر می رسد.

انواع خازن

خازن ها انواع مختلفی دارند و معمولا بر اساس نوع دی الکتریک دسته بندی می شوند. در ادامه رایج ترین انواع خازن را معرفی می کنیم.

خازن متغیر

بیشتر خازن ها ظرفیت ثابتی دارند، اما در خازن متغیر ظرفیت قابل تنظیم است. این خازن ها برای تنظیم فرکانس در فرستنده ها، گیرنده ها و رادیوها استفاده می شوند.

دی الکتریک خازن های متغیر معمولا هواست. این خازن ها یک مجموعه صفحه ثابت (استاتور) و یک مجموعه صفحه متحرک (روتور) دارند که بین صفحات ثابت می چرخند. میزان همپوشانی صفحات متحرک و ثابت، ظرفیت را تعیین می کند و وقتی دو مجموعه صفحه کاملا درهم قرار گیرند، ظرفیت بیشترین مقدار را دارد. خازن های متغیر ولتاژ بالا فاصله هوایی بیشتری بین صفحات دارند و ولتاژ شکست آنها به هزاران ولت می رسد.

نوع دیگری از خازن های متغیر، خازن تریمر (Trimmer) است. این خازن ها قطعات کوچکی هستند که با پیچ گوشتی روی یک مقدار مشخص تنظیم می شوند و معمولا ظرفیت های کمی در حد 500 پیکوفاراد یا کمتر دارند.

خازن فیلم

خازن های فیلم یا خازن های پلاستیکی یکی از پرکاربردترین و متنوع ترین خانواده های خازن هستند. تفاوت انواع آنها در جنس دی الکتریک است؛ مانند پلی استر (مایلار)، پلی استایرن، پلی پروپیلن، پلی کربنات، کاغذ متالیزه و تفلون.

خازن های فیلم بسته به نوع و ولتاژ کاری، در محدوده ظرفیت حدود 5 پیکوفاراد تا 100 میکروفاراد تولید می شوند و در بدنه های مختلفی عرضه می شوند:

• پیچیده و پرشده: خازن در نوار پلاستیکی پیچیده شده و دو انتهای آن با اپوکسی پر می شود.

• محفظه اپوکسی: خازن در پوسته پلاستیکی قالب گیری شده قرار گرفته و با اپوکسی پر می شود.

• فلزی آب بندی شده (هرمتیک): خازن در یک لوله یا قوطی فلزی قرار گرفته و با اپوکسی آب بندی می شود.

مزیت اصلی خازن های فیلم پلاستیکی نسبت به خازن های کاغذی، عملکرد بهتر در دمای بالا، طول عمر بیشتر و قابلیت اطمینان بالاتر است.

خازن محوری و شعاعی

خازن ها از نظر نحوه قرارگیری پایه ها دو نوع هستند:

• محوری (Axial): پایه ها از دو طرف خازن بیرون آمده اند و خازن معمولا به صورت خوابیده و موازی با برد نصب می شود.

• شعاعی (Radial): هر دو پایه از یک طرف بیرون آمده اند و خازن معمولا به صورت ایستاده روی برد نصب می شود.

خازن سرامیکی

خازن های سرامیکی یا خازن های عدسی با پوشاندن دو طرف یک دیسک کوچک سرامیکی با نقره ساخته می شوند. این خازن ها با وجود اندازه کوچک، ثابت دی الکتریک بالایی (High-K) دارند. خازن های سرامیکی کوچک برای آب بندی در رزین اپوکسی پوشانده می شوند.

نحوه خواندن کد خازن سرامیکی

روی خازن های سرامیکی معمولا یک کد سه رقمی چاپ می شود که ظرفیت را بر حسب پیکوفاراد نشان می دهد. دو رقم اول عدد اصلی و رقم سوم تعداد صفرهایی است که باید به آن اضافه شود.

برای مثال، کد 103 یعنی عدد 10 با 3 صفر، که برابر 10000 پیکوفاراد یا 10 نانوفاراد است.

خازن الکترولیتی

خازن های الکترولیتی زمانی استفاده می شوند که به ظرفیت بسیار زیاد نیاز باشد. در این خازن ها به جای یک صفحه فلزی نازک برای یکی از الکترودها، از یک الکترولیت نیمه مایع به شکل ژل یا خمیر استفاده می شود که معمولا نقش کاتد را دارد.

دی الکتریک این خازن ها یک لایه بسیار نازک اکسید است که در مرحله تولید به روش الکتروشیمیایی روی فلز ایجاد می شود. ضخامت این لایه در حد نانومتر است. چون فاصله بین صفحات (d) بسیار کم است، می توان خازن هایی با ظرفیت بسیار بالا در اندازه کوچک ساخت.

بیشتر خازن های الکترولیتی قطبی (پلاریزه) هستند؛ یعنی ولتاژ DC باید با قطبیت درست به آنها وصل شود: مثبت به پایه مثبت و منفی به پایه منفی. اتصال با قطبیت معکوس، لایه اکسید را از بین می برد و ممکن است به خازن آسیب دائمی بزند.

خازن های الکترولیتی به دلیل ظرفیت بالا و اندازه کوچک، در منابع تغذیه DC برای کاهش ریپل (صاف کردن ولتاژ) و همچنین در مدارهای کوپلینگ و دکوپلینگ استفاده می شوند. این خازن ها دو نوع اصلی دارند: آلومینیومی و تانتالیومی.

خازن الکترولیتی آلومینیومی

خازن های الکترولیتی آلومینیومی دو نوع دارند: فویل ساده و فویل اچ شده. لایه بسیار نازک اکسید آلومینیوم و ولتاژ شکست بالای آن، ظرفیت زیادی را در این خازن ها فراهم می کند. فویل ها با جریان DC آنودایز می شوند و همین فرایند قطبیت صفحات را تعیین می کند.

در نوع فویل اچ شده، سطح فویل به روش شیمیایی ناهموار شده تا مساحت موثر آن افزایش یابد. به همین دلیل این خازن ها با اندازه کوچک تر، ظرفیت برابری دارند، اما جریان های بالا را به خوبی نوع ساده تحمل نمی کنند.

• فویل اچ شده: مناسب برای مدارهای کوپلینگ، مسدودکننده DC و بای پس

• فویل ساده: مناسب برای صاف کردن ولتاژ در منابع تغذیه

خازن الکترولیتی تانتالیومی

خازن های تانتالیومی در دو نوع الکترولیت مرطوب (فویل) و خشک (جامد) تولید می شوند. خازن های تانتالیوم جامد از دی اکسید منگنز به عنوان الکترود دوم استفاده می کنند و از نظر اندازه کوچک تر از خازن های آلومینیومی هم ظرفیت هستند.

اکسید تانتالیوم خواص دی الکتریک بهتری نسبت به اکسید آلومینیوم دارد؛ جریان نشتی کمتر و پایداری ظرفیت بیشتری ایجاد می کند. به همین دلیل خازن های تانتالیومی برای مدارهای مسدودکننده DC، بای پس، دکوپلینگ، فیلتر و زمان بندی مناسب هستند. ولتاژ کاری این خازن ها معمولا پایین تر از خازن های آلومینیومی است.

خازن های تانتالیومی قطبی هستند، اما نوع غیرقطبی آنها نیز وجود دارد که از دو خازن سری با اتصال منفی به منفی ساخته شده و در مدارهای AC ولتاژ پایین استفاده می شود.

مهم ترین عوامل خرابی خازن تانتالیومی عبارت اند از:

• اضافه ولتاژ: باعث عبور جریان نشتی از دی الکتریک و اتصال کوتاه می شود.

• قطبیت معکوس: لایه اکسید را تخریب کرده و باعث خرابی خازن می شود.

• گرمای بیش از حد: عمر خازن را کوتاه می کند.

کاربردهای خازن

• صاف کردن ولتاژ در منابع تغذیه و کاهش ریپل

• کوپلینگ: عبور سیگنال AC و مسدود کردن جریان DC بین طبقات مدار

• دکوپلینگ و بای پس: حذف نویز از خطوط تغذیه مدارهای الکترونیکی

• زمان بندی: ساخت تایمرها و نوسان سازها در مدارهای RC

• تنظیم فرکانس: در رادیوها، فرستنده ها و گیرنده ها

• ذخیره انرژی: مانند فلاش دوربین که به آزاد شدن سریع انرژی نیاز دارد

• اصلاح ضریب توان در سیستم های برق صنعتی

• راه اندازی موتورهای الکتریکی تک فاز

سوالات متداول درباره خازن

یکای ظرفیت خازن چیست؟

یکای ظرفیت خازن فاراد (F) است. در عمل، ظرفیت خازن ها معمولا بر حسب میکروفاراد، نانوفاراد و پیکوفاراد بیان می شود.

تفاوت خازن و باتری چیست؟

باتری انرژی را با واکنش شیمیایی ذخیره می کند و ظرفیت بسیار بیشتری دارد، اما خازن انرژی را در میدان الکتریکی ذخیره می کند و می تواند آن را بسیار سریع تر شارژ و تخلیه کند.

کد 103 روی خازن سرامیکی یعنی چه؟

یعنی 10 با 3 صفر که برابر 10000 پیکوفاراد یا 10 نانوفاراد است.

اگر خازن الکترولیتی برعکس بسته شود چه اتفاقی می افتد؟

لایه اکسید تخریب می شود و خازن ممکن است آسیب دائمی ببیند، داغ کند یا حتی بترکد.

چرا خازن جریان DC را عبور نمی دهد؟

چون بین صفحات خازن یک لایه عایق (دی الکتریک) وجود دارد و پس از شارژ شدن خازن، جریان DC متوقف می شود.

جمع بندی

خازن قطعه ای غیرفعال است که از دو صفحه رسانا و یک دی الکتریک عایق بین آنها تشکیل شده و انرژی الکتریکی را به شکل بار الکتریکی ذخیره می کند. ظرفیت خازن به مساحت صفحات، فاصله بین آنها و جنس دی الکتریک بستگی دارد.

خازن ها بر اساس نوع دی الکتریک به انواع متغیر، فیلم، سرامیکی و الکترولیتی (آلومینیومی و تانتالیومی) تقسیم می شوند و هر کدام کاربرد خاص خود را دارند؛ از صاف کردن ولتاژ در منابع تغذیه گرفته تا تنظیم فرکانس و ساخت تایمرها.