خازن چیست؟معرفی انواع خازن و کاربردهای آن

خازن چیست؟ قبل از هر چیز بهتر است که با تعریف خازن آشنا شویم. خازن (Capacitor) که با حرف C نمایش می دهند، وسیله الکتریکی برای ذخیره سازی بار و انرژی است. همه انواع خازن (در فارسی معادل انباره) حداقل دو هادی دارند که با یک دی‌الکتریک از هم جدا شده اند که به صفحات خازن معروف هستند.

جنس صفحات خازن نیز معمولا فلزی هستند. دی الکتریک هم لایه عایقی است که بین صفحات خازن برای افزایش ظرفیت آن قرار گرفته است که معمولا از جنس پلاستیک، کاغذ، میکا، شیشه، آب، سرامیک و غیره است.

 

خرید انواع خازن از فروشگاه اینترنتی لیون الکترونیک 

 

خازن چیست و چگونه کار میکند و بار الکتریکی را ذخیره می کند؟

همانطور که توضیح دادیم خازن ها عموما از دو صفحه فلزی مجزا ساخته شده اند که هیچ تماسی بین آنها نیست و به پایه خازن متصل هستند. پس از قرارگیری خازن در مدار اختلاف پتانسیل بین دو پایه شکل می گیرد و یکی از آنها بار مثبت و دیگری بار منفی می گیرد.فضای بین این دو صفحه با ماده دی الکتریک پر شده که عایق یا نارساناست و در این حالت که دو صفحه خازن روبروی هم قرار گرفته اند و فاصله ای بین آنها نیست، خازن شکل می گیرد.

اما در این حالت ظرفیت خازن خیلی کم است. با اضافه شدن دی الکتریک ظرفیت خازن به میزان قابل توجهی افزایش پیدا می کند. هر چقدر ماده ای که بین این دو صفحه را پر می کند، نارساناتر باشد یا به عبارت ثابت دی الکتریک آن بیشتر باشد، ظرفیت خازن را بیشتر خواهد کرد. بد نیست بدانید که یکی از عوامل دسته بندی خازن ها نیز براساس نوع جنس دی الکتریک است که در ادامه توضیح خواهیم داد.

اکنون که به طور کامل با خازن، ساختار و نحوه عملکرد آن آشنا شدید. در ادامه به بررسی انواع خازن می پردازیم و در نهایت کاربردهای خازن را با یکدیگر بررسی خواهیم کرد.

 

 

ظرفیت خازن چیست؟

شاید برای شما هم این سوال پیش آ»ده باشد که ظرفیت خازن و عوامل موثر بر آن چه چیزهایی می باشد؟ ظرفیت خازن به عوامل متعددی مثل سطح صفحات، فاصله صفحات از یکدیگر و جنس عایق بین صفحات خازن مرتبط است. جالب است بدانید ظرفیت خازن های الکترولیت بیشتر از دیگر خازن هاست. برای تشخیص ای ظرفیت می توان از طریق کدهای رنگی و یا ارقام نوشته شده روی بدنه آن اقدام کرد.  این کد ها بر اساس استاندارد بین المللی SI معین شده است.

انواع خازن و کاربردهای آن

تمامی خازن ها از دو صفحه هادی تشکیل شده اند که توسط یک فضای ساهته شده از آب، پلاستیک، کاغذ و... از یکدیگر جدا شده اند. با وجد ساختار ساده خازن ها، این قطعات به دسته های مختلفی تقسیم می شوند که در ادامه به آنها اشاره خواهیم کرد.  

انواع خازن

خازن ها به صورت کلی در دو دسته متغیر و ثابت قرار می گیرند که هر یک به دسته های مختلف تقسیم بندی می شوند. در ادامه بیشتر در این خصوص صحبت خواهیم کرد:

 خازن متغیر (Variable Capacitor):

خازن های متغیر عمدتا در مدارات مخابراتی استفاده می شوند. اساسا چون ظرفیت این نوع خازن ها از نظر مکانیکی یا الکتریکی ثابت نبوده و تغییر می کند به اسم خازن متغیر می شناسند. از این خازن برای تنظیم مدارهای LC در گیرنده رادیو و تطابق امپدانس در آنتن ها استفاده می کنند. عملکرد خازن های متغیر براساس نوع سطح مشترک صفحات یا ضخامت دی الکتریک تعیین می‌شود و رابطه مستقیم دارد.

عایق خازن های متغیر عموما از نوع هوا یا پلاستیکی است. خازن های متغیر بسته به اینکه ظرفیت آنها به وسیله دسته متحرک یا پیچ گوشتی تغییر کند به ترتیب به دو نوع واریابل (Variable) و تریمر (Trimmer) تقسیم بندی می شوند.

در دسته اول، ظرفیت خازن بین 1 تا 400 پیکو فاراد متغیر است و در خازن های تریمر بین 5 تا 30 پیکو فاراد خواهد بود. خازن های واریابل عمدتا در رادیوها و برای تغییر دادن فرکانس نوسان سازی داخلی استفاده می شود. در مقابل خازن های تریمر سایز کوچکی دارند و عموما در تیونرهای مدارهایی که فرکانس بالا دارند استفاده می شوند و اکثرا 3 پایه دارند.

خازن ثابت (Fixed Capacitor):

این نوع خازن ها دقیقا برعکس خازن های متغیر هستند به این معنی که ظرفیت آنها در شرایط معمولی تغییر نمی‌کند و ثابت باقی می ماند. خازن های ثابت را براساس نوع ماده دی الکتریک یا نارسانایی که بین صفحات آن به کار رفته به انواع مختلف تقسیم بندی می کنند که هر یک کاربردهای خاصی دارند. در ادامه به معرفی انواع خازن های ثابت می پردازیم:

 

·     خازن های الکترولیتی (Electrolytic Capacitor):

خازن های الکترولیتی که عموما استوانه ای شکل هستند به عنوان فیلتر در مدارهای یکسو کننده دیودی و به عنوان خازن کوپلینگ در مدارهای بایاس تزانزیستوری به کار می روند. بیشترین میزان ظرفیت در میان انواع خازن، مربوط به همین خازن‌های الکترولیتی است که بخاطر استفاده از لایه دی الکتریت با ضخامت یک نانومتر است که با اکسیداسیون آندی یک فلز تهیه می‌کنند.

این خازن ها بسیار حساس بوده و در صورتی که دو قطب آن در مدار برعکس متصل شوند منفجر شده یا باد خواهند کرد. پایه ای که خط طلایی رنگ بر روی آن قرار گرفته، قطب منفی خازن است. علاوه بر موارد گفته شده، کاربرد دیگر خازن های الکترولیتی، حذف نویز با فرکانس پایین و حذف ریپل ولتاژ (Ripple Voltage) در قسمت تغذیه مدار است.

محدوده ظرفیت خازن های الکترولیتی در حد میکرو‌فاراد تا میلی‌فارد است. به خازن های الکترولیتی، شیمیایی هم می گویند چون دی الکتریت آنها را با مواد شیمیایی آغشته می کنند تا نقش کاتالیزوری داشته باشد و ظرفیت خازن را بالا ببرد.

·      خازن آلومینیومی (Aluminum Capacitor):

خازن‌های آلومینیومی به دلیل اینکه از دو ورقه آلومینیومی ساخته شده‌اند به این اسم معروف هستند. یکی از ورقه ها که عمل اکسیداسیون روی آن انجام می شود، آندی است و دیگری در نقش کاتد است. کاربرد اصلی خازن های آلومینیومی در مدارهای پیشرفته و گران قیمت است.

خازن های آلومینیومی دارای دو ورقه آلومینیومی است که دو لایه کاغذ متخلخل هم بین آنها وجود دارد و به دور یکدیگر پیچیده شده اند و سیم های اتصال نیز به این ورقه ها وصل می شوند. سپس دو لایه کاغذ متخلخل را با الکترولیت پر می کنند. الکترولیت باید از نوعی باشد که فرایند اکسیداسیون و شکل گیری لایه اکسیدی را تسریع ببخشد.

 

·      خازن های تانتالیومی (Tantalum Capacitor):

خازن های تانتالیومی تقریبا ساختار مشابهی با ساختار خازن های آلومینیومی دارد با این تفاوت که به جای فلز آلومینیوم از تانتالیوم استفاده کرده اند. ثابت دی الکتریک اکسید تانتالیوم حدود 3 برابر اکسید آلومینیوم است و بنابراین در حجم مساوی، ظرفیت خازن های تانتالیومی بیشتر است. کاربرد اصلی این خازن چیست؟ کاربرد اصلی خازن تاننالیومی در مدارهای الکترونیکی پیشرفته مثل گوشی های موبایل است.

از جمله مزایای بزرگ خازن های تانتالیومی می توان به سایز کوچک، جریان نشتی ناچیز و عمر بالا اشاره کرد. از معایب خازن های تانتالیومی می توان به قیمت بالاتر، عدم تحمل در برابر جریان های شارژ و دشارژ متعدد، ظرفیت محدود تا 330 میکرو فاراد و حساسیت بالا نسبت به ولتاژ اعمال شده بالاتر از حد مجاز و معکوس شدن پلاریته اشاره داشت. خازن های تانتالیومی در دو نوع DIP (کنار قطب مثبت در کنار پایه مشخص شده) و SMD (با خط علامت گذاری شده) تولید می گردد.

 

مقاله پیشنهادی لیون الکترونیک : بررسی ظرفیت خازن SMD توسط لیون الکترونیک

 

·      خازن مولتی لایر یا خازن عدسی چیست (Multi-layer Capacitor):

به دلیل سایز و ابعاد کوچک آنها که در نوع دیپ آن شبیه به یک دانه عدس است به خازن عدسی مشهور شده‌اند که البته در حالت رسمی به آن مولتی لایر گفته می‌شود. خازن های عدسی در دسته خازن های بدون پلاریته یا بدون قطب قرار می گیرند. ظرفیت این خازن ها در محدود پیکو و نانو فاراد است که در سایزهای بزرگتر ظرفیت بیشتری پیدا می کنند. کاربردهای اصلی خازن عدسی در مدارات مخابراتی و همچنین نویزگیری است.

 

·      خازن سرامیکی چیست (Ceramic Capacitor):

خازن های سرامیکی هم دسته دیگری از خازن های ثابت بدون قطب یا پلاریته است. با توجه به اینکه دی‌الکتریک به کار رفته در این خازن‌ها از نوعی سرامیک است به خازن های سرامیکی معروف هستند. ثابت دی الکتریک خازن های سرامیکی بالاست و عایق بسیار خوبی است بنابراین می توان در سایزهای کوچک ظرفیت در حد میکرو فاراد ایجاد کرد.

ولتاژ کاری خازن های سرامیکی هم بالاست و فرکانس کاری آنها به بالای 100 مگاهرتز می رسد. کاربرد خازن های سرامیکی بیشتر در مدارهایی است که هیچ ترانسفورماتوری وجود ندارد، مثل بردهای یخچال یا دستگاه‌های الکترونیکی که مستقیما به ولتاژ 220 ولت وصل هستند.

همچنین برای حذف نویز در تغذیه مدارها نیز می توان از خازن‌های سرامیکی استفاده کرد. از طرفی چون مدارهای دیجیتالی نسبت به نوسان‌های ولتاژ تغذیه بسیار حساس هستند، خازن های سرامیکی در نزدیکترین فاصله ممکن نسبت به IC نصب می کنند.

باید به این نکته اشاره کرد که خازن های بدون قطب از نظر ظرفیت در درجات پایینتری نسبت به خازن های قطبی یا دارای پلاریته قرار دارند. اما وقتی صحبت از توان قابل تحمل در ولتاژهای بالا می شود عملکرد به مراتب بهتری دارند. توجه کنید که بزرگترین عیب خازن های سرامیکی این است که ظرفیت آنها بستگی به دمای محیط دارد.

·      خازن های ولتاژ بالا (High Voltage Capacitor):

خازن های ولتاژ بالا دسته دیگری از خازن های ثابت با کاربرد خاص هستند. از این خازن ها به منظور بیشتر کردن بهره‌وری کارکرد موتورهای الکتریکی استفاده می کنند که از جمله آنها می توان به موتور یخچال، موتور کولر گازی و غیره اشاره کرد.

 

·      خازن کاغذی (Paper Capacitor):

خازن های کاغذی به دلیل داشتن دی الکتریک از نوع صفحه نازک کاغذ متخلخل (کاغذ معمولی، کاغذ روغنی و مومی نازک) به این اسم معروف شده اند. ماده ای که درون این صفحه تزریق می شود از جذب رطوبت جلوگیری می کند.

همچنین برای اینکه گرمای حاصل از کارکرد خازن و سایر قطعات، دی الکتریک درون کاغذ را تبخیر نکند از یک قاب محکم و نفوذ ناپذیر، معمولا پلاستیکی، استفاده می کنند و خازن را درون آن می گذارند. این خازن ها ابعاد بزرگ و ثابت دی الکتریک پایینی دارند. مزیت اصلی خازن های کاغذی قابلیت کاربرد آنها در ولتاژ و جریان بالاست.

 

·      خازن پلاستیکی یا فیلم (Plastic or Film Capacitor):

خازن های پلاستیکی نسبت به تغییرات دمایی چندان حساس نیستند به همین دلیل در مداراتی که به خازن ثابت با مقاومت بالا نسبت به حرارت نیاز داشته باشند از خازن های پلاستیکی استفاده می‌کنند. معروف ترین و پرکاربردترین نوع خازن های پلاستیکی، پلی استیرنی (Polystyrene) است که در واقع اشاره به جنس دی‌الکتریک به کار رفته در آنها دارد. حداکثر فرکانس کاری خازن های پلاستیکی در حدود 1 مگاهرتز برآورد شده است. خازن‌های پلاستیکی مشابه با نوع سرامیکی فاقد پلاریته هستند.

از دیگر انواع خازن های پلاستیکی برحسب نوع ماده دی الکتریک به کار رفته می توان به مدل های پلی استری، فیلم فلزی، فیلم پلی پروپیلنی و فیلم PTE اشاره کرد. خازن های پلاستیکی از نوع PTE مقاومت بالایی در برابر گرما دارند و کاربرد آنها در صنایع هوافضا و نظامی است.

·      خازن میکا (Mica Capacitor):

خازن های میکا به دلیل استفاده از ورقه های نازک میکا در بین صفحات خازن که از جنس ورقه های فلزی – آلومینیومی هستند به این اسم معروف شده اند. در نهایت کل ساختار درون محفظه ای که در برابر رطوبت مقاوم است نگهداری می شود که عموما از جنس اپوکسی است. این نوع خازن ها با ظرفیت بین 0.01 تا 1 میکروفاراد تولید می شوند.

ویژگی این خازن چیست؟ خازن های میکا در مدارهایی که فرکانس بالایی دارند استفاده می کنند. مهمترین ویژگی این نوع خازن ها ولتاژ کاری بالا و طول عمر مفید زیاد است. همچنین خازن های میکایی به دلیل ساختار اتصالی کریستالی و معمولا ساختار لایه ای، ثبات بالایی از لحاظ شیمیایی، الکتریکی و مکانیکی دارند.

ورقه های میکایی مورد استفاده عمدتا از جنس موسکویت (Muscovite) و فلوگوپیت (Phlogopite) هستند. خازن های میکا که از جنس موسکویت هستند خصوصیات الکتریکی بهتری دارند و مدل های فلوگوپیت مقاومت بیشتری در برابر دما دارند.

 

·      خازن های روغنی و گازی:

از این نوع خازن ها عمدتا در صنعت برق برای مدارهای الکتریکی به منظور راه اندازی یا تصحیح ضریب قدرت استفاده می کنند.

 

·      ابر خازن (Super Capacitor):

به دلیل ظرفیت بسیار بالای این نوع خازن ها که اکثرا در حد کیلو فاراد (KF) است به این اسم معروف شده اند. در ساخت ابر خازن ها از فناوری نانو استفاده کرده اند. اصلی ترین کاربرد ابر خازن ها، کمتر کردن شارژ باتری های اتومبیل های برقی است.

·      خازن های پلی کربناتی (Polycarbonate Capacitor):

خازن های پلی کربناتی مقاومت بسیار بالایی دارند و برای سیستم‌هایی که راندمان بالا و عملکرد عالی اهمیت زیادی دارد مناسب هستند. این خازن ها به گونه ای ساخته شده اند که ظرفیت خود را در طی زمان حفظ می کنند همچنین در رنج دمایی منفی 55 تا 125 درجه سانتیگراد استیبل و پایدار باقی می مانند. با این حال مشابه با خازن های میکا چندان مشهور نیستند.

بد نیست بدانید که خازن ها را براساس شکل ظاهری هم به سه دسته مسطح یا تخت، کروی و استوانه ای هم تقسیم بندی می کنند که به دلیل اهمیت بسیار کمتر به آن نپرداختیم. همچنین خازن ها براساس نوع نصب به دو نوع دیپ (DIP) و SMD تقسیم بندی می‌گردند. ضمنا همانطور که از توضیحات خازن های مختلف متوجه شدید می توان آنها را از لحاظ پلاریته نیز به دو نوع دارای پلاریته و بدون پلاریته هم تقسیم بندی نمود.

 

بیشتر بخوانید: همه چیز راجع به خازن SMD

 

بررسی کامل کاربرد خازن

با توجه به توضیحات هر خازن می توان متوجه شد که خازن‌ها قطعات الکترونیکی بسیار مهم و غیر قابل جایگزینی هستند که کاربردهای گوناگونی در صنایع مختلف دارند. به عنوان مثال می‌توان به کاربرد فیلتر کردن (Filtering)، ذخیره انرژی و غیره اشاره کرد که در ادامه به شکل موردی و مفصل تر بررسی می‌کنیم.

 

·      ذخیره انرژی:

ذخیره انرژی مهمترین کاربرد خازن پس از اتصال به مدار الکتریکی است هر چند پس از جداسازی از مدار هم می تواند به شکل باتری موقت کار کند. در بعضی دستگاه‌های برقی از خازن به عنوان یک منبع تغذیه موقت به هنگام تعویض باتری استفاده می‌گردد. همچنین در دستگاه های مختلف جلوی از دست رفتن اطلاعات در حافظه موقت را به هنگام قطع برق می گیرد.

 

·      افزایش قدرت پالس و فراهم سازی سطوح بالای جریان:

دستگاه های پالس مثل ابزارهای الکترومغناطیسی، لیزر پالسی، شتابدهنده ذرات و ژنراتورها به سطوح عظیم جریان الکتریکی نیاز دارند. برآورده سازی چنین جریان الکتریکی با خازن‌ها امکان پذیر است.

 

·      اصلاح ضریب توان:

اصلاح ضریب توان در خازن چیست؟ این اصلاح یکی از مهمترین کاربردهای خازن به شمار می‌رود. واحد این نوع خازن ها را برحسب(VAR) یا ولت آمپر راکتیو اعلام می کنند. وظیفه این خازن بیشینه کردن ضریب توان و خنثی کردن اثر بارهای سلفی در شبکه توزیع انرژی الکتریکی است.

 

·      خازن نگهدارنده:

خازن های نگهدارنده به گونه‌ای طراحی شده‌اند تا بار ذخیره شده در آن بتواند یک مدار الکتریکی را برای مدت زمان کوتاهی فعال نگه دارد. بنابراین از مهمترین کاربرد خازن‌ها می توان به فعال نگه داشتن منبع تغذیه مدار الکتریکی اشاره کرد که برخلاف باتری های کوچک قابل شارژ پیامد حافظه و محدودیت عمر ندارند. در صنایع مهم از ابر خازن ها استفاده می کنند تا بتوانند مدارها را به مدت طولانی تری فعال نگه دارند.

 

·      مسدود کنندگی جریان مستقیم DC یا فیلتر کنندگی:

یکی از کاربردهای مهم خازن‌ها مسدود کردن جریان مستقیم است، بر همین اساس در مدارات تقویت کننده ترانزیستوری برای جداسازی طبقات تقویت کننده از هم از خازن استفاده می‌شود. در این حالت طبقات تقویت کننده فقط به لحاظ AC با هم در ارتباط هستند وبه لحاظ DC از همدیگر جدا هستند.

 

·      کاربرد سنسوری:

یکی از کاربردهای جالب از خاصیت خازنی، استفاده به عنوان سنسور برای اندازه گیری پارامترهای فیزیکی مانند رطوبت، سطح مایعات در مخزن و فشار مکانیکی است. در واقع در سنسورها از تغییر در دو پارامتر خازن شامل فاصله‌ای که بین صفحات خازن وجود دارد و همچنین تغییر در ضریب دی‌الکتریک بین آنها استفاده می کنند.

در واقع از تغییر فاصله‌ای که بین صفحات خازن وجود دارد برای تشخیص تغییرات مکانیکی مثل فشار کمک می‌گیرند، همچنین از تغییرات در ماده دی‌الکتریک که به نوبه خود روی ظرفیت خازن تأثیر می‌گذارد برای سنجش رطوبت هوا استفاده می کنند.

 

جمع بندی مطالب

در این مطلب از لیون الکترونیک تلاش کردیم تا ابتدا معرفی جامع و کاملی از خازن و نحوه کارکرد آن داشته باشیم تا سوالات شما در خصوص خازن چیست پاسخ کامل دهیم. سپس انواع خازن را برحسب فاکتورهای مختلف معرفی کردیم و با ذکر کاربرد به طورکامل هر کدام بررسی شدند. با توجه به این اطلاعات و کاربرد خازن ها متوجه می شویم که این قطعات الکترونیکی نقش بسیار مهمی در صنایع مختلف دارند که کاربرد بسیار گسترده آنها را توجیه می‌کند.

 شما میتوانید با کمک مجموعه لیون الکترونیک که واردات قطعات الکترونیکی در کشورهای مختلف به خصوص چین را انجام میدهد اقدام به خرید تجهیزات الکترونیکی کنید.

منابع:

1-    https://www.watelectronics.com/different-types-of-capacitors-applications/

2-    https://www.linquip.com/blog/types-of-capacitors-all-you-need-to-know/

3-    https://www.electronics-tutorials.ws/capacitor/cap_2.html