خازن از نظر ظاهری، قطعه ای شبیه باتری است، اگرچه به روش کاملاً متفاوتی کار می کند، اما هر دو انرژی الکتریکی را ذخیره می کنند. در مقایسه با یک باتری هم اندازه، انرژی بسیار کمتری ذخیره می کند، اما برای بسیاری از طرح های مدار کافی است.

اگر نحوه کار باتری ها را خوانده باشید، می دانید که باتری دارای دو پایانه است. در داخل باتری، واکنش‌ های شیمیایی الکترون‌ هایی را در یک پایانه تولید کرده و پایانه دیگر آنها را هنگام ایجاد یک مدار جذب می‌ کند.

یک خازن بسیار ساده‌ تر از باتری است، زیرا نمی‌ تواند الکترون‌ های جدیدی تولید کند و فقط آنها را ذخیره می‌ کند و به این دلیل است که ظرفیتی مشخص برای ذخیره انرژی دارد.

در این مقاله مقدماتی، دقیقاً یاد خواهیم گرفت که خازن چیست، چه کاری انجام می دهد و چگونه در سیستم های الکترونیکی استفاده می شود. با ما همراه باشید.

خازن الکتریکی چگونه قطعه ای است؟

خازن ها اجزای الکترونیکی غیرفعالی هستند که از دو یا چند صفحه تشکیل می شوند که توسط یک ماده عایق از هم جدا قرار می گیرند. صفحات رسانا هستند و معمولاً از آلومینیوم، تانتالیوم یا فلزات دیگر ساخته می شوند.

خازن توانایی یا "ظرفیت" ذخیره انرژی را به شکل یک بار الکتریکی دارد که باعث ایجاد اختلاف پتانسیل (ولتاژ استاتیک) در صفحات خود می شود (مانند یک باتری کوچک قابل شارژ).

ماده عایق بین صفحات رسانا که به آن دی الکتریک نیز می گویند، می تواند از جنس کاغذ مومی، میکا، سرامیک، پلاستیک یا نوعی ژل مایع باشد که در خازن های الکترولیتی استفاده می شود.

با توجه به این لایه عایق، جریان DC نمی تواند از خازن عبور کند زیرا آن را مسدود می کند و به جای آن اجازه می دهد ولتاژ، در سراسر صفحات به شکل بار الکتریکی وجود داشته باشد.

صفحات فلزی رسانای الکتریکی می توانند مربعی، دایره یا مستطیلی، کروی و یا استوانه ای باشند. شکل، اندازه و ساختار کلی آن بسته به نوع کاربرد و میزان ولتاژ عبوری آن است.

مشخصات فیزیکی

خازن صفحه موازی ساده ترین شکل است که می توان آن را با استفاده از دو صفحه فویل فلزی یا متالایز در فاصله موازی با یکدیگر ساخت.

ظرفیت خازن که بر حسب فاراد اندازه گیری می شود، با مساحت سطح دو صفحه و همچنین گذردهی دی الکتریک (ε) نسبت مستقیم و با فاصله بین صفحات نسبت عکس دارد. تغییر هر کدام از این مقادیر، مقدار ظرفیت آن را تغییر می دهد که این اساس عملکرد خازن های متغیر را تشکیل می دهد.

نحوه عملکرد

ابتدا باید به این نکته توجه داشته باشیم که یک فلز معمولاً دارای مقدار مساوی از ذرات باردار مثبت و منفی است، به این معنی که از نظر الکتریکی خنثی است.

اگر منبع تغذیه یا باتری را به صفحات فلزی خازن وصل کنیم، جریان الکتریکی بین دو صفحه برقرار می شود یا الکترون های صفحه متصل به سر مثبت باتری شروع به حرکت به صفحه متصل به سرب منفی باتری می کنند.

با این حال، به دلیل وجود عایق یا دی الکتریک بین صفحات، الکترون ها نمی توانند از خازن عبور کنند، بنابراین شروع به تجمع در صفحه می کنند.

پس از انباشته شدن تعداد معینی بار الکتریکی بر روی صفحات، باتری دیگر انرژی کافی برای نیرو وارد کردن به بارهای الکتریکی جدید برای ورود به صفحات را نخواهد داشت (به دلیل انباشت بارهای هم نام در یک صفحه و نیروی دافعه بین آنها).

در این مرحله، اصطلاحاً گفته می شود که خازن به طور کامل شارژ می شود. صفحه اول دارای بار منفی خالص است و صفحه دوم دارای بار مثبت برابری است.

عملکرد دی الکتریک بین صفحات

دی الکتریک حاوی مولکول هایی قطبی است، به این معنی که می توانند جهت گیری خود را بر اساس بارهای روی دو صفحه تغییر دهند.

بنابراین مولکول‌ ها به‌گونه‌ ای خود را با میدان الکتریکی همسو می‌ کنند تا الکترون‌ های بیشتری به صفحه منفی جذب شوند، در حالی که الکترون‌ های بیشتری را از صفحه مثبت دفع می‌ کنند.

بنابراین، پس از شارژ کامل اگر باتری را جدا کنیم، بار الکتریکی را برای مدت طولانی نگه می دارد و به عنوان ذخیره انرژی عمل می کند.

حال اگر دو سر خازن را کوتاه کنیم، جریانی از بار شروع به عبور می کند. الکترون‌ های انباشته‌ شده از صفحه اول شروع به حرکت به صفحه دوم می‌ کنند تا زمانی که هر دو صفحه دوباره از نظر الکتریکی خنثی شوند.

جریان الکترون ها بر روی صفحات به عنوان جریان بار شناخته می شود و تا زمانی که ولتاژ در هر دو صفحه برابر با ولتاژ اعمال شده Vc باشد به جریان خود ادامه می دهد.

قدرت یا نرخ این جریان بار زمانی که صفحات کاملاً تخلیه می شوند، به حداکثر مقدار خود می رسد و به آرامی مقدار آن به صفر کاهش می یابد. مقدار اختلاف پتانسیل موجود در خازن بستگی به مقدار باری که به صفحات وارد می شود و همچنین به مقدار ظرفیت خازن بستگی دارد.

انواع خازن الکتریکی

انواع مختلفی از خازن ها در بازار موجود است و هر کدام ویژگی ها و کاربردهای خاص خود را دارند و به طور کلی، مقایسه بین آنها با توجه به دی الکتریک مورد استفاده بین صفحات انجام می شود.

انواع تجاری آنها از فویل فلزی و ورقه های نازک کاغذ آغشته به پارافین یا مایلار به عنوان ماده دی الکتریک ساخته می شوند. برخی از خازن‌ها استوانه ای هستند و صفحات فویل فلزی به شکل یک سیلندر پیچیده می‌ شوند تا یک دی‌ الکتریک عایق در بین آنها قرار داده شود.

خازن های کوچک اغلب از مواد سرامیکی ساخته می شوند و سپس برای آب بندی در یک رزین اپوکسی فرو می روند. در هر صورت، این قطعات نقش مهمی در مدارهای الکترونیکی بازی می‌کنند، بنابراین در اینجا چند نوع رایج‌ تر را معرفی می کنیم.

نوع دی الکتریک

کارکرد یک خازن دی الکتریک معمولی در بالا توضیح داده شد که یک ظرفیت ثابت دارند. انواع دیگری نیز از این گروه وجود دارند که متغیر هستند و ظرفیت قابل تنظیم می باشد.

خازن های دی الکتریک متغیر معمولاً برای تنظیم فرستنده ها، گیرنده ها و رادیوهای ترانزیستوری نیاز به تغییر مداوم ظرفیت است.

معمولاً دی الکتریک خازن های متغیر، هوا است و چند صفحه ای هستند که دارای مجموعه ای از صفحات ثابت (پره های استاتور) و مجموعه ای از صفحات متحرک (پره های روتور) هستند که در بین صفحات ثابت حرکت می کنند.

موقعیت صفحات متحرک نسبت به صفحات ثابت، مقدار ظرفیت کلی را تعیین می کند. زمانی که دو مجموعه صفحه کاملاً به هم متصل شوند، ظرفیت حداکثر است. خازن های تنظیم کننده ولتاژ بالا دارای فواصل یا شکاف های هوای نسبتاً بزرگی بین صفحات هستند که ولتاژهای شکست به هزاران ولت می رسد.

علاوه بر انواع متغیر پیوسته، خازن های متغیر از پیش تعیین شده ای نیز به نام Trimmer در دسترس هستند. اینها معمولاً قطعات کوچکی هستند که می‌ توان آنها را با یک پیچ گوشتی کوچک روی یک مقدار ظرفیت خازنی مشخصی تنظیم کرد و در ظرفیت‌ های بسیار کوچک 500 pF یا کمتر موجود هستند.

خازن‌ های فیلم

این انواع که متداول‌ ترین هستند و خانواده نسبتاً بزرگی را تشکیل می دهند که تفاوت آن‌ ها در خواص دی الکتریک است (پلی استر (Mylar)، پلی استایرن، پلی پروپیلن، پلی کربنات، کاغذ متالیزه، تفلون و غیره) که  گاهی اوقات "خازن های پلاستیکی" نیز نامیده می شوند.

انواع مختلفی از این نوع، بسته به نوع خازن واقعی و درجه ولتاژ آن در محدوده ظرفیت 5pF تا 100uF موجود است. خازن های فیلم نیز در انواع شکل ها و سبک های بدنه موجود می باشند که عبارتند از:

1. بسته ای و پر شده (بیضی و گرد): خازن در یک نوار پلاستیکی محکم پیچیده شده است و انتهای آن با اپوکسی پر شده است تا آنها را محکم نگه دارد.
2. محفظه اپوکسی (مستطیل و گرد) - خازن در یک پوسته پلاستیکی قالب‌ گیری شده قرار می‌ گیرد و سپس با اپوکسی پر می‌ شود.
3. فلزی هرمتیکی مهر و موم شده (مستطیل و گرد) - خازن در یک لوله فلزی یا قوطی محصور شده و سپس با اپوکسی مهر و موم می گردد.

مزیت اصلی انواع فیلم پلاستیکی در مقایسه با انواع کاغذی این است که در شرایط دمای بالا به خوبی عمل می کنند، طول عمر و قابلیت اطمینان بسیار بالایی دارند.

تمام اشکال فوق، در دو حالت محوری و شعاعی موجود هستند. در نوع محوری، دو سر سیم سربی از دو طرف درپوش بیرون می آیند که به طور معمول به موازات برد نصب شده اند.

در نوع شعاعی، هر دو پین از یک سر بیرون می آیند وبه طور معمول به صورت عمودی روی برد نصب می شوند.

نوع سرامیکی

انواع سرامیکی یا به طور کلی نوع دیسکی، از پوشاندن دو طرف یک دیسک چینی یا سرامیکی کوچک با نقره ساخته می شوند و سپس روی هم چیده می شوند. این انواع علیرغم کوچک بودن، ثابت دی الکتریک بالا (High-K) دارند.

انواع سرامیکی معمولاً دارای کد 3 رقمی هستند که روی بدنه آنها چاپ می شود تا مقدار ظرفیت آنها بر حسب پیکو فاراد مشخص شود. به طور کلی دو رقم اول مقدار اصلی و رقم سوم نشان دهنده تعداد صفرهایی است که باید اضافه شوند.

به عنوان مثال، یک خازن دیسک سرامیکی با علامت 103 صفر و 10 را در پیکو فاراد نشان می دهد که معادل 10000 pF یا 10nF است.

انواع خازن الکترولیتی

انواع الکترولیتی عموماً زمانی استفاده می شوند که ظرفیت خازنی بسیار زیادی مورد نیاز باشد و به جای استفاده از یک لایه فلزی بسیار نازک برای یکی از الکترودها، از محلول الکترولیت نیمه مایع به شکل ژله یا خمیر استفاده می شود که به عنوان الکترود دوم (معمولاً کاتد) عمل می کند.

دی الکتریک نیز یک لایه بسیار نازک از اکسید است که به صورت الکتروشیمیایی در مرحله تولید رشد می کند و ضخامتی کمتر از ده میکرون دارد.

ضخامت این لایه عایق به قدری کم است که می توان خازن هایی با ظرفیت بسیار بالا و با اندازه فیزیکی کوچک ساخت، زیرا فاصله بین صفحات (d) بسیار کم است.

اکثر انواع الکترولیتی پلاریزه هستند، یعنی ولتاژ DC اعمال شده به پایانه ها باید دارای قطبیت صحیح باشد، یعنی مثبت به ترمینال مثبت و منفی به ترمینال منفی، زیرا قطبش نادرست لایه اکسید عایق را از بین می برد و ممکن است آسیب دائمی ایجاد شود.

به طور کلی، انواع الکترولیتی به دلیل ظرفیت بزرگ و اندازه کوچک آنها، در مدارهای منبع تغذیه DC و برای کمک به کاهش ولتاژ یا برای کاربردهای کوپلینگ و جداسازی استفاده می شود. این نوع خازن، به طور کلی به دو شکل اصلی وجود دارد:

نوع الکترولیتی آلومینیومی

اساسا دو نوع خازن الکترولیتی آلومینیومی وجود دارد، نوع فویل ساده و نوع فویل اچ شده (خش دار). ضخامت فیلم اکسید آلومینیوم و ولتاژ شکست بالا، ظرفیت خازنی بسیار بالایی را در این انواع فراهم می کند.

صفحات فویل با جریان DC آنودایز می شوند که قطبیت مواد صفحه را تنظیم می کند و تعیین می کند که کدام طرف صفحه مثبت و کدام طرف منفی باشد.

نوع فویل اچ شده با نوع ساده تفاوت دارد، زیرا اکسید آلومینیوم روی فویل های آند و کاتد به منظور افزایش سطح و گذردهی آن به صورت شیمیایی اچ شده است که اندازه کوچکتر، با ظرفیت معادل دارند، اما این عیب را دارد که نمی تواند جریان های DC بالا را در مقایسه با نوع ساده تحمل کند.

فویل های الکترولیتی اچ شده در مدارهای کوپلینگ، مسدودکننده DC و مدارهای بای پس استفاده می شوند، در حالی که انواع فویل های ساده به عنوان صاف کننده در منابع تغذیه مناسب تر هستند.

نوع الکترولیتی تانتالیومی

خازن الکترولیتی تانتالیوم در دو نوع الکترولیت مرطوب (فویل) و خشک (جامد) رایج‌ هستند. خازن های تانتالیوم جامد از دی اکسید منگنز به عنوان پایانه دوم خود استفاده می کنند و از نظر فیزیکی کوچکتر از انواع آلومینیومی معادل هستند.

خواص دی الکتریک اکسید تانتالیوم نیز بسیار بهتر از اکسید آلومینیوم است زیرا جریان های نشتی کمتر و پایداری خازنی بهتری را ایجاد می کند و بنابراین، آنها را برای استفاده در برنامه های مسدود کردن، دور زدن، جداسازی، فیلتر کردن و زمان بندی مناسب می کند.

همچنین انواع تانتالیومی اگرچه قطبی هستند، اتصال به ولتاژ معکوس را بسیار راحت‌ تر از انواع آلومینیومی می‌ توانند تحمل کنند، اما در ولتاژهای کاری بسیار پایین‌ تر رتبه‌ بندی می‌ شوند.

با این حال، برخی از انواع تانتالیومی حاوی دو خازن در یک عدد هستند که به صورت منفی به منفی متصل می‌ شوند تا یک نوع "غیر قطبی" را برای استفاده در مدارهای AC ولتاژ پایین تشکیل دهند.

خازن های تانتالیومی به دلیل هزینه کم و اندازه کوچک، بسیار پرکاربرد هستند، اما سه راه آسان برای از بین بردن آنها وجود دارد:

1. اضافه ولتاژ که باعث نشت جریان از دی الکتریک و در نتیجه شرایط اتصال کوتاه می شود.
2. قطبیت معکوس که باعث خود تخریبی لایه اکسید و خرابی می شود.
3. گرمای بیش از حد که الکترولیت را خشک و عمر آن را کوتاه می کند.

سخن پایانی

در این مقاله سعی بر این شد که تعریف کلی و دقیقی از قطعات پرکاربرد، یعنی خازن ها ارائه شود. ساختار کلی آن بررسی و انواع آنها و کاربردهایشان بیان گردید. امیدواریم که مفید بوده باشد.

منابع

Wikipedia