صفر تا صد خازن

سلام به همه علاقه مندان الکترونیک، پرچم تئوری و عملی را ترکیب می کند تا الکترونیک  کاربردی شود. در این آموزش تمام تلاش خودمان را کرده ایم تا بتوانیم به بهترین نحوه و کاملترین آموزش خازن را برای شما داشته باشیم. اکثر مباحث این آموزش در اینترنت وجود ندارد. بنده مهدی صفربیرانوند هستم مخترع و پژوهشگر، تنها خواسته ای که از شما دارم این است که نظرتون رو درمورد آموزش بیان کنید. نظر دادن شما باعث ایجاد انگیزه و انرژی می شود. ممنونم.

 خازن

خازن (Capacitor) المانی است که انرژی الکتریکی را توسط یک میدان الکترواستاتیک در خود ذخیره می کند و تحت شرایطی این انرژی الکتریکی را آزاد می کند. به صفحات خازن ، جوشن های خازن می گویند که معمولا از آلومینیوم، نقره، قلع و روی ساخته می شوند. صفحات خازن در فاصله ای بسیار نزدیک به هم قرار می گیرند. عایق بین صفحات خازن معمولا از جنس هوا، کاغذ، میکا، پلاستیک، سرامیک، اکسید آلومینیوم و اکسید تانتالیوم می باشد. به عایق بین صفحات خازن دی الکتریک می گویند.

این وسیله الکترونیکی مورد توجه زیاد مهندسان و فیزیکدانها می باشد. عصر الکترونیک بدون استفاده از خازن ها نمی تواند وجود داشته باشد. در این نوشتار قصد داریم شما را با خازن و کاربردهای آن آشنا کنیم.

انواع خازن:

شکل زیر نمونه ای از چند خازن را نشان می دهد:

تاریخچه خازن:

در اواخر قرن شانزدهم، دانشمندان به وجود بار الکتريکي در اجسام پي برده بودند و دريافته بودند که بار الکتريکي دو نوع مثبت و منفي دارد. آن‌ها در حين طراحي آزمايش‌هاي خود، دريافتند که مي‌توان بار الکتريکي را «ذخيره» کرد.

 

 

گئورگ فون كلست(1748-1700) ، يک دانشمند آلماني بود که با وسايلي بسيار ساده آزمايش مي‌كرد. او يك بطري را پر از آب كرده بود و يك قطعه سيم را در آن گذاشته بود، سر بطري را به‌وسيله‌ي چوب‌پنبه كاملاً مهر و موم كرده بود و سر سيم از چوب‌پنبه بيرون بود. او هر بار كه وسيله‌اي باردار را با سيم تماس مي‌داد، مشاهده مي‌كرد كه بار آن جسم تخليه مي‌شود و هر بار كه سر سيم را لمس مي‌كرد، تكاني در دستش حس مي‌كرد كه نشان مي‌داد بارهاي الكتريكي به داخل بطري منتقل شده است.

او بارهاي الكتريكي را مانند سيالي دانست كه از جسم باردار به داخل بطري منتقل مي‌شوند.  البته كلست بعد از مدتي ديگر آزمايشاتِ خود را ادامه نداد و نتايج آنها را هم در جايي اعلام نكرد، زيرا تكان‌هايي كه از بطري به‌ دستش وارد مي‌شدند، گاهي اوقات بسيار شديد بودند و او را ترسانده بودند.

تقريباً همزمان با او، چنين آزمايشاتي را فرد ديگري به‌نام پيترون موشنبرگ (1761-1692) نيز انجام مي‌داد. او در دانشگاه شهر ليدن واقع در کشور هلند تدريس مي‌كرد. سرانجام موشنبرگ بر خلاف کلست، نتايج تحقيقاتِ خود را منتشر كرد و نام ليدن، شهر محلِ اختراعِ خازن، روي آن باقي ماند. بطري ليدن قابليت باردار شدن و ذخيره کردن الکتريسيته براي انجام آزمايش‌هاي بعدي را دارا بود. با اتصال تعدادي از آن ها به وسيله‌ي سيم، جرقه‌ي بسيار شديدي ايجاد مي‌شد.

پس از بطري‌هاي ليدن، باتري يا پيل هاي الکتريکي توسط الکساندر ولتا اختراع شدند. تفاوتي که بطري‌هاي ليدن با پيل الکتريکي داشتند اين بود که اين باتري جريان کم و بيش پايداري را ايجاد مي‌کرد. اما بطري‌هاي ليدن الکتريسيته‌ي ذخيره شده را يکجا تخليه مي‌کرد و امکان استفاده از آن به عنوان دستگاهي پايدار وجود نداشت.

ظرفیت خازن:

خازن یک از اجزای مدارهای الکترونیکی است که وقتی در مدار قرار می‌گیرد برخلاف  مقاومت، بارالکتریکی را از خود عبور نمی‌دهد، بلکه آن را در خود ذخیره می‌کند و به این دلیل کاربرد مهمی در مدار دارند. اگر خازن با صفحات موازی را در نظر بگیریم و یک گالوانومتر به آن وصل کنیم، بعد از بستن کلید برای مدت کوتاهی عبور جریانی را در مدار نشان می‌دهد.

این جریان Q بار را روی یک صفحه خازن انباشته می‌کند و از صفحه دیگر بار Q+ را دور می‌کند و باعث می‌شود بار خالص Q- در آن باقی بماند. در چنین وضعیتی خازن بار Q را در خود ذخیره کرده، هر چه اختلاف پتانسیل دو سر منبع بیشتر باشد مقدار باری که روی صفحات خازن انباشته می‌شود بیشتر خواهد بود. به طوری که نسبت Q به V برای یک خازن معین مقداری است. این مقدار ثابت را با C نمایش داده ، ظرفیت خازن می‌نامیم.

واحد ظرفیت در SI فاراد است که با F نشان داده می‌شود و آن ظرفیت خازنی است که هرگاه اختلاف پتانسیل بین صفحات آن یک ولت باشد، بار ذخیره شده روی هر یک از صفحات یک کولن شود. واحدهای دیگر ظرفیت: میکروفاراد (F 10^-6) ، نانوفاراد  (F 10^-9) ، پیکوفاراد (F 10^-12).

ظرفیت خازن به چه عواملی بستگی دارد؟

عواملی که بر اندازه ظرفیت یک خازن اثر می‌گذارد:

• ظرفیت خازن با فاصله دو صفحه از یکدیگر نسبت عکس دارد.
• ظرفیت خازن با مساحت بخشی از دو صفحه که در مقابل هم قرار دارد نسبت مستقیم دارد.
• اگر بین دو صفحه خازنی که عایق آن هواست، قطعه‌ای از یک ماده عایق قرار دهیم ظرفیت آن زیاد می‌شود. مقدار این افزایش به جنس ماده عایق بستگی دارد، ضریب این افزایش برای مواد مختلف را ثابت دی الکتریک آن ماده می‌نامند. ماده‌ای که برای پر کردن فضای بین دو صفحه خازن بکار می‌رود باید عایق خوبی باشد و برای آنکه ظرفیت خازن زیاد شود باید ثابت دی الکتریک بالایی داشته باشد. ظرفیت خازن دی الکتریک با صفحات موازی:

C = Kε₀A/d

که ε₀ = 8.85X10^-12 C²/Nm² . بنابراین، در یک خازن بالاترین ظرفیت با یک ماده دی الکتریک با قدرت بالا، سطح بزرگ صفحه و فاصله کم بین صفحات حاصل می شود. K به جنس ماده دی الکتریک بستگی دارد و برای هوا تقریبا 1 است. برخی ثابت دی الکتریک در جداول زیر آورده شده است:

 

افزایش ظرفیت خازن:

وجود ماده دی الکتریک باعث افزایش ظرفیت خازن می شود، بارهای مثبت و منفی که بر روی صفحه‌های خازن انباشته می‌شوند یک میدان الکتریکی یکنواخت در فضای بین دو صفحه برپا می‌کنند. هنگامی که یک ماده عایق در این میدان الکتریکی قرار می‌گیرد توزیع بارالکتریکی اتمهای آن به دلیل نیروهایی که در میدان الکتریکی بر بارهای الکتریکی وارد می شود اندکی تغییر می‌کند. دو سطح تیغه دی الکتریک یکی بار مثبت و دیگری بار منفی بدست می‌آورد. وجود این بارها باعث می‌شود که خازن بتواند به ازای اختلاف پتانسیل ثابتی ، بار بیشتری روی صفحه‌های خود انباشته کند، زیرا بارهای مثبت و منفی روی دو سطح دی الکتریک اکنون می‌توانند بارهای بیشتری بسوی صفحه‌های خازن بکشانند، یعنی دی الکتریک ظرفیت خازن را افزایش می‌دهد.

ظرفیت خازن معیاری برای اندازه گیری توانایی نگهداری انرژی الکتریکی است. ظرفیت زیاد بدین معنی است که خازن قادر به نگهداری انرژی الکتریکی بیشتری است. باید گفت که ظرفیت خازن‌ها یک کمیت فیزیکی هست و به ساختمان خازن وابسته است و به مدار و اختلاف پتانسیل بستگی ندارد. واحد اندازه گیری ظرفیت فاراد است. 1 فاراد واحد بزرگی است و مشخص کننده ظرفیت بالا می‌باشد. چهار واحد مرسوم میلی فاراد mF, میکروفاراد µF، نانوفاراد nF و پیکوفاراد pF واحدهای کوچک‌تر فاراد هستند

خازن با چند دی الکتریک:

اگر خازن مسطحی داشته باشیم(به مساحت A و ضخامت d) که نصف ضخامت با دی الکتریک (k1) و مابقی ضخامت را دی الکتریک  (k2) قرار گیرد. ظرفیت معادل برابر است با:

محاسبه ولتاژ خازن:

در حین شارژ شده خازن باتری کار W=QΔV را روی بار انجام می دهد. و با توجه به افزایش اختلاف پتانسیل دو صفحه در حین شارژ شدن، به ازای انتقال هر بار باید کار بیشتری انجام شود. و از آنجایی که در این فرایند ظرفیت خازن همواره ثابت می ماند و طبق رابطه:

V=Q/C

 اختلاف پتانسیل تابع خطی از بار Q است. بنابراین می توان مقدار متوسط اختلاف پتانسیل را به صورت زیر بدست آورد:

انرژی خازن:

وقتی صفحه‌های خازن دارای بار الکتریکی می‌شوند، در خازن انرژی نیز ذخیره می‌شود.برای اینکه انرژی ذخیره شده در خازن را مشاهده کنیم، کافی است دو سر یک خازن پر شده را به دو سر یک لامپ کوچک وصل کنیم. به شرط آنکه ظرفیت و اختلاف پتانسیل خازن به اندازه کافی زیاد باشد، لامپ برای مدتی روشن و سپس خاموش می شود. کار انجام شده برای باردار شدن کامل خازن برابر با حاصل ضرب کل بارهای جزئی منتقل شده (Q) در اختلاف پتانسیل متوسط است. یعنی :

این کار به صورت انرژی پتانسیل الکتریکی در میدان الکتریکی فضای بین صفحه های خازن ذخیره می شود :

که در این رابطه U بر حسب ژول (J) و Q بر حسب کولن (c) و V بر حسب ولت (V) و C بر حسب فاراد (F) است.

ساختمان خازن:

خازن عنصری است که بار الکتریکی و بنابراین انرژی الکتریکی را در خود ذخیره کند. خازن را با حرف c که ابتدای کلمه Capacitor است نمایش می دهند. ساختمان داخلی خازن از دو قسمت اصلی تشکیل می شود:

•  صفحات هادی
• عایق بین هادی(دی الکتریک)

متداول ترین خازن ها مسطح هستند که از دو صفحه هادی که بین آن ها عایقی قرار دارد، تشکیل می شوند. صفحات هادی نسبتا بزرگ هستند و در فاصله خیلی نزدیک از یکدیگر قرار دارند. 

ضریب حرارتی خازن :

بر روی بعضی از خازن ها ضریبی به نام ضریب حرارتی خازن درج شده است.  ظرفیتی که بر روی هر خازن می نویسند ، ظرفیت آن خازن در دمای اتاق یعنی 25 درجه سانتی گراد می باشد و اگر درجه حرارتی که خازن در آن کار می کند از 25 درجه سانتی گراد بیشتر و یا کمتر شود ، ظرفیت خازن تغییر خواهد کرد . بر همین اساس معمولا بر روی خازن ها ضریب حرارتی خازن را درج می کنند که این ضریب نشان دهنده این است که با تغییر درجه حرارت ، ظرفیت خازن چه تغییری می کند.

اگر ضریب حرارتی خازن مثبت باشد، افزایش درجه حرارت، سبب افزایش ظرفیت خازن می شود و کاهش درجه حرارت، سبب کاهش ظرفیت خازن می گردد . در صورتی که ضریب حرارتی خازن منفی باشد ، افزایش و کاهش درجه حرارت به ترتیب سبب کاهش و افزایش ظرفیت خازن می شود . البته به دلیل اینکه معمولا تغییرات درجه حرارت تاثیر ناچیزی بر روی ظرفیت خازن می گذارد ، در بسیاری از موارد ضریب حرارتی خازن مورد توجه قرار نمی گیرد و حتی بر روی بعضی از خازنها اصلا درج نمی شود.

ضریب حرارتی خازن بر حسب PPM بیان می شود. در مواردی که ضریب حرارتی خازن بر روی آن نوشته می شود معمولا مثبت و منفی بودن ضریب حرارتی خازن را با حروف P و N مشخص می کنند. به عنوان مثال عبارت N500 به معنای ضریب حرارتی 500PPM− و عبارت P300 به معنای ضریب حرارتی 300PPM+ و عبارت NP0 به معنای ضریب حرارتی صفر است.

ولتاژ مجاز خازن:

یکی از مهمترین مشخصه های یک خازن ، ولتاژ مجاز آن می باشد و منظور از آن حداکثر ولتاژی است که می توان به خازن اعمال نمود به طوری که دی الکتریک خازن آسیب نبیند. زمانی که یک اختلاف پتانسیل به دو سر خازن اعمال می شود یک میدان الکتریکی قوی بین هر یک از صفحات خازن و لبه های دی الکتریک و یک میدان الکتریکی ضعیف بین دو صفحه خازن ایجاد می شود و هر چه ولتاژ دو سر خازن بیشتر شود، این میدان های الکتریکی نیز قوی تر می شوند.

حال اگر ولتاژ اعمال شده به دو سر خازن از ولتاژ مجاز آن بیشتر شود، در اثر قوی شدن بیش از حد میدان الکتریکی ، مولکولهای دی الکتریک شکسته شده و بین صفحات خازن قوس الکتریکی ایجاد می گردد و این قوس الکتریکی سبب تبدیل شدن خازن به یک هادی می شود . بنابراین همیشه باید علاوه بر ظرفیت خازن به ولتاژ مجاز آن نیز توجه داشت .

در بعضی خازن‌ها حرف V با دو حرف (WV (Working Voltage وجود دارد، به معنی ولتاژ کاری خازن است. ولتاژ مجاز خازن های الکترولیتی بر روی آنها نوشته می شود . خازن های عدسی معمولا دارای ولتاژ مجاز 50 ولت با بالا هستند و ولتاژ مجاز خازن های پلی استر نیز از 50 ولت به بالاست که معمولا بر روی آنها نوشته می شود . همیشه خازنهای با ولتاژ مجاز بیشتر، گرانتر هستند. جدول زیر ولتاژ کاری بصورت عدد و حرف آورده شده است:

انواع خازن:

در حالت کلی خازن به دو نوع ثابت و متغیر با دی الکتریک های متفاوت تقسیم می شود:

1-خازن های ثابت:

 به خازن‌هایی که ظرفیت آن‌ها در زمان ساخت تعیین می‌شود و پس از آن قابل تغییر نیست، خازن‌های ثابت می‌گوییم. این خازن‌ها دارای ظرفیت معینی هستند که در وضعیت معمولی تغییر پیدا نمی‌کنند. خازن‌های ثابت را بر اساس نوع ماده دی‌الکتریک به کار رفته در آن‌ها تقسیم‌بندی می‌کنند. خازن های ثابت در حالت کلی به دو دسته قطبی و غیر قطبی تقسیم می شوند.

 

1-1-خازن های ثابت غیرقطبی:

خازن‌هایی هستند که از لحاظ ساختاری هیچ قطب‌بندی مشخصی ندارند؛ به این معنا که مهم نیست به کدام سمت‌شان در مدار نصب می‌شوند و پایه‌های چپ و راست آن‌ها با هم تفاوتی ندارد. به خازن‌های ثابت غیرقطبی یا خازن‌ها غیرالکترولیت هم گفته می‌شود. این نوع از خازن ها به سه گروه تقسیم می شوند. در شکل زیر دسته بندی این نوع از خازن ها را مشاهده می کنید.

الف- خازن های  عدسی (سرامیکی):

در این نوع خازن سرامیکی دی‌الکتریک بکار رفته از جنس سرامیک است. ثابت دی‌الکتریک سرامیک بالا است، از این رو امکان ساخت خازن‌های با ظرفیت زیاد در اندازه کوچک را در مقایسه با سایر خازن‌ها به وجود آورده، در نتیجه ولتاژ کار این خازنها از 50 ولت به بالاست. ظرفیت خازن‌های سرامیکی معمولاً بین 5 پیکوفاراد تا 1 میکروفاراد است.

این نوع خازن به صورت دیسکی (عدسی) و استوانه‌ای تولید می‌شود و بسامد کار خازن‌های سرامیکی بالای 100 مگاهرتز است. عیب بزرگ این خازن ها ضرب حرارتی بالای آنها است که این امرسبب تغییر ظرفیت خازن سرامیکی در اثر تغییر دما می شود. از این خازن در مدارهای الکترونیکی، مانند مدارهای مخابراتی و رادیویی استفاده می‌شود.

ب-خازن های ورقه ای:

در خازن‌های ورقه‌ای از کاغذ و مواد پلاستیکی به سبب انعطاف‌پذیری آنها، برای دی‌الکتریک استفاده می‌شود. با توجه به نوع دی الکتریک بکار رفته خازن های ورقه ای به دو دسته تقسیم می شود:

– خازن های کاغذی:

دی الکتریک این نوع خازن از یک صفحه نازک کاغذ متخلخل تشکیل شده که یک دی الکتریک مناسب درون آن تزریق می گردد تا مانع از جذب رطوبت گردد . برای جلوگیری از تبخیر دی الکتریک درون کاغذ ، خازن را درون یک قاب محکم و نفوذ ناپذیر قرار می دهند. خازن های کاغذی به علت کوچک بودن ضریب دی الکتریک عایق آن ها دارای ابعاد فیزیکی بزرگ هستند اما از مزایای این خازن ها آن است که در ولتاژ ها و جریانهای زیاد می توان از آنها استفاده کرد.

– خازن های پلاستیکی:

 

در این نوع از خازن ها از ورقه های نازک پلاستیک به عنوان دی الکتریک استفاده می شود . ورقه های پلاستیکی به همراه ورقه های نازک فلزی به صورت لوله شده در درون قاب پلاستیکی بسته بندی می شوند . امروزه این نوع خازن ها به دلیل داشتن مشخصات خوب ، در مدارات زیاد به کار می روند . این خازن ها نسبت به تغییرات دما حساسیت زیادی ندارند و به همین سبب از آنها در مداراتی استفاده می شود که احتیاج به خازنی با ظرفیت ثابت در مقابل حرارت وجود داشته باشد. ماکزیمم فرکانس کار خازن های پلاستیکی حدود یک مگاهرتز است. خازن های پلاستیکی جریان نشتی خیلی کمی دارند.

یکی از انواع دی الکتریک هایی که در این نوع خازنها به کار می رود پلی استایرن (Polystyrene) است و از این رو به این خازنها ، پلی استر نیز گفته می شود که از جمله رایج ترین خازن های پلاستیکی است،بروی بدنه این خازن ها  MKT نوشته شده است. که از ورقه های میکا بین لایه های خازن استفاده می کنند. جنس این نوع از خازن ها از پلی استر می باشد. نمونه ای از خازن های MKT را در شکل زیر مشاهده می کنید.

 

ظرفیت این خازن ها محدود بوده و تا حدود 10 میکروفاراد می باشد. این خازن ها در مقایسه با سایر خازن ها دارای کیفیت بالاتری بوده و در برابر حرارت و رطوبت پایداری بیشتری از خود نشان می دهند. این خازن ها برخلاف خازن های الکترولیتی بدون پلاریته بوده و می توانند در مدارهای متناوب نیز مورد استفاده قرار گیرند. مهمترین ویژگی این دسته از خازن ها داشتن محدوده های بالا در ولتاژ کاری و عمر طولانی بوده و عموما در مدارات فرکانس بالا استفاده از آنها اجتناب ناپذیر است.

یکی از انواع دی الکتریک هایی که در این نوع خازنها به کار می رود پلی پروپیلن است. بروی بدنه این نوع خازن ها MKP نوشته شده است.  خازن MKP تلفات مقاومت کمتري نسبت به MKT دارند و در نتيجه به نسبت مي توانند در جريان هاي بالاتري کار کرده البته به همان نسبت سطح خازن داغ تر هم می شود. در نتیجه این خازن ها نسبت به خازن های MKT ضریب تلفات عایقی بسیار پایینی دارند.کاربرد خازن ها MKP در تجهيزات فرکانس بالا است. شکل زیر نمونه ای از این خازن ها را مشاهده می کنید.

 

تفاوت خازن سرامیکی و پلی استر:

در مورد تفاوت این دو از خازن ها از چند منظر قابل بررسی است:

ا-  ظرفیت خازن ها: ظرفیت خازن های سرامیکی از 50 پیکوفاراد تا 1 میکروفاراد محدود است. در صورتی که ظرفیت خازن های پلی استر تا حدود 10 میکروفاراد محدود است.

2-ولتاژ مجاز : در خازن های سرامیکی ولتاژ مجاز بالای 50 ولت دارند. در حالی که در خازن های پلی استر ولتاژ مجاز محدود دارند.

3-رانش حرارتی: خازن های سرامیکی در برابر رانش حرارتی ناپایدار هستند، در حالی که خازن های پلی استر در برابر رانش حرارتی پایدار هستند.

پ- خازن های میکا:

نوعی از خازن‌ها هستند که از تعدادی ورقه نازک “میکا” به عنوان دی الکتریک و تعدادی ورقه نازک فلزی به عنوان صفحه‌هادی تشکیل می‌گردند.این ورقه ها به صورت یک در میان روی هم قرار می گیرند . ورقه های فلزی در دو دسته به یکدیگر وصل شده اند تا سطح مؤثر هر صفحه خازن را بزرگتر کنند و ظرفیت خازن بالا رود . هر چه تعداد صفحات فلزی بیشتر و اندازه آن ها بزرگتر باشد ، ظرفیت خازن افزایش می یابد . مجموعه ورقه های میکا و فلز در یک محفظه قرار می گیرند . ظرفیت خازن های میکا کم و از چند پیکوفاراد تا حداکثر 5 نانوفاراد است. از ویژگی های اصلی و مهم این خازن ها می توان داشتن ولتاژ کار بالا ، ثبات ظرفیت ، ضریب حرارتی پایین ، عمر کارکرد طولانی و کاربرد در مدارات فرکانس بالا را نام برد .

1-2-خازن های ثابت قطبی:

خازن‌های قطبی آن‌هایی هستند که دو قطب مثبت و منفی دارند و زمانی که در مدار قرار می‌گیرند، باید به قطبیت آنها توجه شود. این خازن ها بطور کلی به دو دسته: الکترولیتی و ابرخازن ها تقسیم می شوند. و هر کدام دارای زیرمجموعه ای هستند.

 

 

1-2-1-خازن های الکترولیتی :

خازن‌های الکترولیتی جز خازن‌های ثابت هستند. نام دیگر این خازن ها، خازن شیمیایی است. علت نامیدن آن‌ها به این نام این است که دی‌الکتریک این خازن‌ها از یک واکنش شیمیایی بین یک الکترولیت رسانا و یکی از صفحات خازن ایجاد می‌شود.

این واکنش در اولین بار شارژ شدن خازن در کارخانه اتفاق می‌افتد. در این واکنش یکی از صفحات خازن اکسید شده و این لایه اکسید وظیفه دی الکتریک را انجام می‌دهد. الکترود دیگر و الکترولیت رسانای بین الکترودها با همدیگر الکترود دیگر خازن را تشکیل می‌دهند.

نازک بودن لایه اکسید باعث بالا رفتن ظرفیت خازن می‌شود. این خازن‌ها دارای قطب یا پایه مثبت و منفی می‌باشند و اگر در مدار این قطبیت رعایت نشود لایه اکسید فلز دوباره احیا شده و دو الکترود خازن اتصال کوتاه شده و خازن رسانا می‌شود که می‌تواند باعث گرم شدن الکترولیت و سپس تبخیر آن شده که خود باعث انفجار خازن می‌شود.

روی بدنه خازن کنار پایه منفی، علامت – نوشته شده‌است. مقدار واقعی ظرفیت و ولتاژ قابل تحمل آن‌ها نیز روی بدنه درج شده‌است. خازن‌های الکترولیتی در سه نوع آلومینیومی، تانتالیومی و نیوبیومی ساخته می‌شوند. یکی از کاربردهای گسترده این نوع خازن استفاده در مدار یکسوساز دیودی به عنوان فیلتر DC است.

 -خازن های الکترولیت آلومینیومی:

متداول‌ترین نوع خازن‌های الکترولیت هستند. یک فویل خالص آلومینیومی در آن‌ها نقش آند را بازی می‌کند. هم‌چنین یک لایه نازک فلزی که ضخامتی در حدود چند میکرومتر دارد و سطح آن ماشین‌کاری صنعتی شده است در آن‌ها استفاده می‌شود تا با قرار گرفتن بین آند و کاتد آن‌ها را به صورت الکتریکی از هم جدا کند و مانع نفوذ الکترون‌ها میان آن دو شود. به این ترتیب نوعی دی‌الکتریک نیز محسوب می‌شود. ماده الکترولیت به عنوان کاتد محسوب می‌شود و سطح لایه‌ی اکسید را می‌پوشاند.

پس از پیچیدن ورقه‌ها آن را درون یک الکترولیت مناسب که شکل‌گیری لایه اکسید را سرعت می‌بخشد غوطه‌ور می‌سازند تا دو لایه کاغذ متخلخل از الکترولیت پر شوند. سپس کل مجموعه را درون یک قاب فلزی قرار داده و با یک پولک پلاستیکی که سیم‌های خازن از آن می‌گذرد محکم بسته می‌شود. براساس ماده‌ی الکترولیتی که استفاده می‌شود، می‌توانیم سه نوع خازن الکترولیت آلومینیومی داشته باشیم:

-دسته اول خازن‌های آلومینیومی الکترولیت مایع
-دسته دوم خازن‌های آلومینیومی با الکترولیت جامد منگنز دی اکسید
-دسته سوم خازن‌های آلومینیومی با الکترولیت جامد پلیمری

مزیت این خازن‌ها این است که حتی در فرکانس‌های اصلی مدار هم مقدار امپدانس کمی دارند و هم‌چنین این‌که نسبت به بقیه ارزان قیمت‌تر هستند. بر روی این خازن ها ، ولتاژ مجاز و مقدار ظرفیت آنها روی بدنه نوشته می شود.  معمولا در مدار‌های منابع تغذیه و مبدل‌های DC به DC استفاده می‌شوند.

 

 -خازن های الکترولیت تانتالیوم:

خازن‌های الکترولیت تانتانیوم ، در این نوع از خازن های الکترولیتی آند آن‌ها از تانتالیوم ساخته شده است که یک لایه‌ی بسیار نازک و نارسانای اکسید بر سطح آن ایجاد شده است. این لایه نقش دی‌الکتریک را بر عهده دارد و ماده الکترولیت هم که سطح لایه‌ی اکسید را می‌پوشاند، کاتد محسوب می‌شود.

 به دلیل اینکه ثابت دی الکتریک اکسید تانتالیوم نسبت به اکسید آلومینیوم بیشتر است خازن های تانتالیومی نسبت به خازن های آلومینیومی در حجم مساوی دارای ظرفیت بیشتری می باشند . خازن های تانتالیومی از خازنهای آلومینیومی گرانتر هستند. خازنهای تانتالیومی طول عمر بیشتر و جریان نشتی کمتری نسبت به خازنهای آلومینیومی دارند و از این جهات بر خازنهای آلومینیومی برتری دارند.

خازن های تانتالیومی تحمل جریان های شارژ و دشارژ زیاد را ندارند و هنگام شارژ و دشارژ آنها باید به این مسئله توجه داشت. یکی از مزیت های خازن های آلومینیومی نسبت به خازن های تانتالیومی این است که خازن های آلومینومی در ظرفیت های بالا نیز ساخته می شوند (تا چند هزار میکرو فاراد) اما خازن های تانتالیومی حداکثر تا ظرفیت 330µF ساخته می شوند.

انواع خازن تانتالیوم:

همانطور که گفته شد، خازن های تانتالیوم، از انواع خازن های الکترولیتی است. با توجه به نحوه قطبیت این نوع خازن ها  دو نوع خازن تانتالیوم وجود دارد:

الف- خازن تانتالیوم الکترولیتی ورقه ای (با فویل)

خازن تانتالیوم ورقه ای (فویلی) در حدود سال 1950 معرفی شد، که هدف از آن ایجاد یک فرم قابل اطمینان از خازن الکترولیتی بود، بدون آن که محدودیت های عمر مفید خازن های الکترولیتی آلومینیومی را داشته باشد. این نوع از خازن با استفاده از سیم ها و ورقه های تانتالیوم با خلوص بالا، ایجاد شده و توسعه یافتند.

خلوص مواد مورد استفاده، نقش عمده ای را در تعیین جریان های نشتی این نوع از خازن دارد. این خازنها ظرفیت بالاتری نسبت به الکترولیتی آلومینیومی خود دارند. آن ها معمولا می توانند در دماهای بالاتر از 120 درجه ی سانتی گراد کار کنند. بنابراین اغلب در تجهیزاتی که در شرایط دشوار کار می کند مورد استفاده قرار می گیرند.

 

ب- خازن تانتالیوم با آند متخلخل و الکترولیت مایع

این نوع از خازن تانتالیوم معمولا به عنوان خازن تانتالیوم مرطوب شناخته می شود و اولین فرمی بود که معرفی شد، که هنوز هم بهترین از نظر سایز است. (بهترین فاکتور فضایی را دارد). انواع الکترولیت ها می توانند در این نوع از خازن تانتالیوم مورد استفاده قرار گیرند. نوع خاصی که در آن از اسید سولفوریک به عنوان الکترولیت استفاده می شود، ویژگی های الکتریکی بسیار عالی دارد و حداکثر ولتاژ عملکردی که می تواند تحمل کند، بطور ماکزیمم 70 ولت می باشد.

اساسا این نوع از خازن شامل یک آند متخلخل از جنس تانتالیوم است که در نقره یا یک محفظه ی نقره اندود قرار گرفته است. آند متخلخل بوسیله ی فشرده شدن تانتالیوم با خلوص بالا در یک محفظه ی استوانه ای و سپس حرارت دیدن در خلآ با دمای حدود 2000 درجه ی سانتیگراد، ساخته می شود. خازنهای تانتالیوم مرطوب بسیار گران تر از انواع جدیدتر دیگر است و به همین دلیل زیاد مورد استفاده قرار نمی گیرد.

ج- خازن های تانتالیوم با آند متخلخل و الکترولیت جامد

این نوع از خازن های تانتالیوم به عنوان تانتالیوم جامد نیز شناخته می شوند، و نوعی است که بسیار مورد استفاده قرار می گیرد. میلیون ها قطعه از آن روزانه مصرف می شوند و در بسیار از قطعات مصرف کنندگان و تجهیزات الکترونیک تجاری یافت می شوند. این خازن توسط لابراتوار تلفن BELL با استفاده از یک آند متخلخل و جایگزین کردن الکترولیت مایع با یک نیمه هادی جامد، توسعه داده شد.

این مسئله بر مشکل نیاز به تهویه که در مورد همه ی فرمهای خازنهای الکترولیتی مشترک است، غلبه کرد. این خازن ها نسبت به خازن های الکترولیتی در بسیاری از موارد از جمله نمایش ویژگی های دمایی و فرکانسی ، برتر هستند. همچنین آن ها نسبت به  الکترولیتی-آلومینیومی خود، کوچکتر هستند. اما آنها نمی توانند سطوح بالای اسپایک های جریان و ولتاژ را تحمل کنند(سیگنالهای ضربه ای جریان و ولتاژ)، همچنین آنها با پلاریته ی معکوس فورا خراب می شوند (معمولا به سرعت منفجر می شوند).

 

-خازن‌های الکترولیت نیوبیوم:

 

دسته سوم از خازن‌های الکترولیتی که در آن‌ها از نیوبیوم مونو‌اکسید یا فلز غیرفعال شده‌ی نیوبیوم به عنوان آند استفاده می‌شود. سپس یک لایه‌ی عایق از نیوبیوم پنتواکساید به عنوان دی‌الکتریک بر سطح آن اضافه می‌شود و یک الکترولیت جامد نیز پس از لایه‌ی اکسید و بر روی آن قرار می‌گیرد که همان کاتد خواهد بود.

خازن‌های نیوبیومی معمولا به فرم SMD موجود هستند که به آسانی بر سطح برد‌ها و تراشه‌ها نصب می‌شوند.  نکته‌ای که باید در نصب آن‌ها مورد توجه باشد قطبی بودن آن‌هاست که باید پایه‌ها حتما در جهت صحیح قرار گیرند در غیر این صورت و یا در صورت ریپل داشتن جریان مدار، بیش از حد قابل تحمل برای خازن که از قبل مشخص است، دی‌الکتریک و در نتیجه کل خازن دچار آسیب خواهد شد.

 

1-2-2-ابرخازن ها:

ابرخازن‌ها نوع دیگری از خازن هستند که دارای صفحه‌های رسانای بزرگی به نام الکترود هستند. برخلاف خازن‌های معمولی که از مواد دی‌الکتریک خشک و جامد مانند  پلی‌اتیلن، کاغذ و امثال آن‌ها استفاده می‌کنند، ابرخازن‌ها از الکترولیت مایع بین الکترودها بهره می‌گیرند و بیشتر شبیه یک وسیله الکتروشیمیایی هستند که خازن الکترولیتیک نامیده می‌شود.

با این‌که ابرخازن نوعی وسیله الکتروشیمیایی است، اما برای ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی از هیچ‌گونه واکنش شیمیایی استفاده نمی‌کند. این بدین معنی است که ابرخازن به طور مؤثر یک وسیله الکترواستاتیک است که انرژی الکتریکی را به شکل میدان الکتریکی بین دو الکترود رسانای خود نگه می‌دارد.به این نوع از خازن ها هم  اولترا خازن نیز گفته می‌شود.

مزایای این خازن ها :

-ظرفیت بالاتری دارند.
-سرعت دخیره و تحویل بار در آن‌ها بیشتر است.
-قادرند سیکل‌های شارژ و دشارژ بیشتری داشته باشند.

از جمله  کاربرد‌های این خازن ها :

– ماشین‌ها، اتوبوس‌ها، قطارها، جرثقیل‌ها، آسانسور‌ها
– ترمز‌های احیاکننده
– برای بک‌آپ گرفتن از حافظه‌ها

 

انواع مختلف ابرخازن‌ها: خازن‌های دو لایه، شبه‌خازن‌ها و خازن‌های هیبرید هستند.

خازن‌های دو لایه، نوعی خازن الکترواستاتیک محسوب می‌شوند که ذخیره بار در آن‌ها براساس اصل “لایه الکتریکی مضاعف” اتفاق می‌افتد:

تمام مواد جامد روی سطح خود در محل رسیدن به مایع بار الکتریکی منفی دارند،این موضوع به دلیل ضریب دی‌الکتریکی بالای مایع است. بنابراین تمام یون‌های مثبت نزدیک سطح ماده جامد قرار می‌گیرند تا یک پوسته ایجاد شود. این تجمع و ذخیره شدن بار‌های مثبت با افزایش فاصله از سطح جامد کاهش می‌یابد. و در نتیجه باعث ایجاد نوعی ظرفیت خازنی می‌شود. پدیده‌ی لایه‌ی الکتریکی مضاعف گاهی اصل لایه مضاعف Helmholtz نیز گفته می‌شود.

در این خازن‌ها که هم‌چنین خازن‌های دولایه‌ی الکتریکی (EDLC) نیز خوانده می‌شوند، برای ایجاد جدایی بار بین سطح الکترود رسانا و ماده الکترولیت، از الکترود کربنی استفاده می‌شود. الکترود کربنی به عنوان دی‌الکتریک و دو فلز دیگر به عنوان آند و کاتد عمل می‌کنند.

شبه خازن‌ها:

این خازن‌ها از یک پروسه الکتروشیمیایی برای ذخیره بار استفاده می‌کنند که نام آن مکانیزم فاراده‌ای است. براساس این مکانیزم، زمانی که یک ماده شیمیایی در یک الکترود دچار کاهش یا اکسایش می‌شود، در اثر این اتفاق مقداری جریان تولید می‌شود. در طی این فرآیند، بار الکتریکی از طریق جابه‌جایی بار بین الکترود و الکترولیت، ذخیره می‌شوند؛ بنابراین عملکرد خازنی شبه خازن‌ها بر چنین مبنایی است.

این خازن ها بسیار سریع‌تر شارژ می‌شوند و درست به اندازه یک باتری بار ذخیره می‌کنند. به همین دلیل یکی از کاربرد‌های آن‌ها استفاده به صورت یکی در میان با باتری‌ها ست تا عمر مفید باتری افزایش یابد. آن‌ها هم‌چنین در شبکه‌های برقی نیز کاربرد دارند تا نوسانات برق را مدیریت کنند.

 

خازن‌های هیبرید:

یک خازن هیبرید ترکیبی از EDLC و شبه خازن است. در آن‌ها از کربن فعال شده به عنوان کاتد استفاده می‌شود و آندشان نیز کربنی است که از قبل نوعی ناخالصی به آن تزریق شده است. خازن‌های لیتیوم-یون یکی از انواع متداول این دسته از خازن‌ها هستند.

خازن‌های هیبرید در یک محدوده‌ی دمایی بسیار متنوع تلرانس بالایی از خود نشان می‌دهند. این محدوده از حدود  ۵۵ –  ۲۰۰  درجه سانتی گراد است. یکی از کاربرد‌های آن‌ها در وسایل هواپیمایی است چرا که هرچند قیمت بالایی دارند، اما بسیار قابل اعتماد هستند. این خازن‌ها بسیار محکم هستند و می‌توانند شوک، لرزش یا فشار‌های شدید محیطی را تحمل کنند. هم‌چنین توان مخصوص (نسبت توان به وزن) و تراکم انرژی (میزان ذخیره انرژی) بالاتری نسبت به هر خازن‌های الکترولیتی دیگری دارند.

2-خازن متغیر:

به طور کلی با سه عامل می توان ظرفیت خازن را تغییر داد:

نحوه عملکرد خازن متغیر بر مبنای تغییر سطح مشترک صفحات خازن یا تغییر ضخامت دی الکتریک است، ظرفیت یک خازن نسبت مستقیم با سطح مشترک دو صفحه خازن دارد. خازن های متغیر معموماً ازنوع عایق هوا یا پلاستیک هستند.
خازنی است که ظرفیت آن می تواند بصورت الکترونیکی یا مکانیکی تغییر کند. این دسته از خازن‌ها از دو صفحه‌ی فلزی تشکیل شده اند که یکی ثابت و دیگری متغیر است. ظرفیتی که این خازن‌ها ارائه می‌دهند بین 10 تا 500 پیکوفاراد است.

 

برای خازن‌های متغیر کاربردهای فراوانی وجود دارد. برای تنظیم مدارهای LC در گیرنده‌های رادیویی، یا برای تطبیق امپدانس در آنتن‌ها مهمترین کاربرد این خازن ها هستند.  مهم‌ترین انواع خازن‌ها متغیر، خازن‌های تریمر و خازن‌های واریابل هستند. خازنی که ظرفیتش به وسیله دسته متحرک (محور) تغییر میکند “واریابل” می نامند و در نوع دیگر به وسیله پیچ گوشتی انجام میشود که به آن “تریمر” می گویند. عمده کاربرد این خازن ها در گیرنده‌های رادیویی برای تنظیم فرکانس ایستگاه رادیویی می باشد. ولی در حالت کلی خازن های متغیر به 3 دسته تقسیم می شوند:

 

 

الف- خازن واریابل:

خازن متغیری است که برای تغییر فرکانس نوسان‌ساز داخلی بکار می رود. محدوده ظرفیت خازن های واریابل، 10 تا 500 پیکوفاراد است. واریابل های تجاری به 3 دسته تقسیم می شود:

– واریابلی 3 پایه 

– واریابلی 6 پایه 

– واریابلی 9 پایه

این خازن ها  از یک روتور، یک استاتور ، یک بدنه برای نگه‌داری استاتور و یک خازن میکا تشکیل شده‌اند. شکل زیر نمای این خازن را مشاهده می کنید:

استاتور قسمت ثابت و روتور قسمت متحرک است که به دنبال چرخش یک اهرم متحرک، به دوران درمی‌آید. زمانی که صفحات روتور در شکاف‌های استاتور حرکت می‌کنند، حالتی شبیه به صفحات یک خازن ایجاد می‌کنند و هرگاه این صفحات به طور کامل در شکاف‌ها جاگیر می‌شوند، خازن ایجاد شده در بیشترین حالت ممکن خواهد بود و در وضعیت مخالف، در کمترین حالت ممکن قرار می گیرد.  شکل زیر، یک خازن واریابل گروهی است، که از اتصال دو خازن واریابل ساخته شده است.

 

 

ب-خازن تریمر:

خازن‌های تریمر با کمک پیچ‌گوشتی تغییر می‌کنند و معمولا در محل‌هایی از مدار نصب می‌شوند که پس از تنظیم اولیه مقدارشان دیگر نیازی به تنظیم و تغییر نخواهند داشت. خازن تریمر دارای سه پایه است. یکی به صفحه‌ی ثابت متصل است، دیگری به صفحه‌ی دوار و آخرین پایه نیز مشترک است. صفحه‌ی دوار، یک صفحه به شکل نیم‌دایره است.

دو صفحه‌ی موازی و رسانا و یک دی‌الکتریک در بین آن‌ها وجود دارد. براساس نوع این دی‌الکتریک مورد استفاده، خازن‌های تریمر انواعی دارند؛ هوایی یا سرامیکی. شکل زیر ساختار داخلی این خازن را نشان می دهد:

یکی از دو صفحه متحرک و دیگری ثابت است. ماده‌ی دی‌الکتریک نیز ثابت است. زمانی که صفحه‌ی متحرک در جهت عکس فاصله‌ی میان دو صفحه حرکت داده می‌شود، مقدار ظرفیت خازن تغییر می‌کند. زمانی که دو صفحه بیشترین انطباق را بر هم پیدا کنند مقدار ظرفیت در بیشترین حالت خود است. در این حالت هر دو صفحه کاملا به عنوان دو صفحه‌ی خازنی عمل می‌کنند.

این خازن ها کوچک و با ظرفیت بسیار پایین هستند. ظرفیت این خازن‌ها از حدود ۱ تا ۱۰۰ پیکوفاراد است. خازن‌های تریمر بر روی بردهای PCB نصب می‌شوند و یکی از کاربردهای متداول آن‌ها، استفاده برای کالیبراسیون دستگاه‌های الکترونیکی است. همچنین از این خازن در فرکانس های بالا استفاده می شود.

ج-واریکپ:

این یک نوع دیود است و نه خازن، ولی چون با تغییر ولتاژ بین دو سر آن می‌توان ظرفیت خازنی آن را تغییر داد، از آن به عنوان خازن در مدارهای نوسان‌سازهای رادیویی استفاده می‌شود و به دلیل تغییر کم ظرفیت این قطعه توسط ولتاژ، بیشتر در مدارهای فرکانس بالا مورد استفاده قرار می‌گیرد و معمولاً در ظرفیت های 1 تا 60 پیکوفاراد ساخته می شود.

خازن کولر آبی:

کولر آبی نوعی کولر است که با تبخیر  آب، هوا را خنک می‌کند. کولرهای آبی با فرایند سرمایش تیخیری کار می‌کنند. سرمایش تبخیری فرایندی است که در آن از پدیدهٔ  تبخیر به عنوان یک جاذب گرمایی طبیعی استفاده می‌شود. در این فرایند، گرمای محسوس هوا جذب شده و به عنوان گرمای نهان لازم برای تبخیر آب استفاده می‌شود. مقدار گرمای محسوس جذب‌ شده به مقدار آبی که تبخیر می‌شود بستگی دارد.

خازن راه‌انداز کولر آبی با سیم‌پیچ موتور (سیم پیچ کمکی) آن به صورت سری قرار می‌گیرد. این خازن بر روی بدنه نصب شده و از نوع الکترولیتی و استوانه ای شکل با ظرفیت 20 الی 25 میکروفاراد با ولتاژ نامی 400 تا 450 ولت است. این خازن اختلاف‌فاز لازم برای راه‌اندازی موتور را فراهم می‌کند و سپس توسط کلید گریز از مرکز از مدار خارج می‌شود. موتورهای زیر ۳/۴ اسب بخار معمولاً خازن راه‌انداز ندارند و موتورهای پرقدرت‌تر معمولاً خازنی با ظرفیت ۱۳۰ تا ۱۴۰ میکروفاراد و ۱۱۰ ولت استفاده می‌کنند.

خازن سیستم صوتی:

خازن، در سیستم های صوتی برای حذف نویز موثر است،و نویز های از طرف دینام را خنثی میکند، البته خازن های سیستم صوتی،بر دیگر قسمت های خودرو نیز تاثیر می گذارند،درست است که کنار امپلی فایر قرار دارند اما در کل موازی با باطری اصلی و برق اصلی خودرو هستند.

در سیستم هایی که از تنها یک عدد امپلی فایر استفاده میکنند،حال 2 کانال یا 4 کانال،نیاز آنچنانی به هزینه کردن برای خازن نیست. اما در سیستم هایی که بیش از یک عدد امپلی فایر دارند،خصوصا امپلی فایر های مونو،که قوی هستند،وجود خازن امری ضروری است.

کاربرد خازن:

متداول‌ترین کاربرد برای خازن‌ها ذخیره انرژی است. موارد دیگر شامل استفاده در دستگاه‌های تهویه الکتریکی، اتصال یا قطع سیگنال‌های الکتریکی، فیلترهای صوتی الکترونیکی و سنجش از راه دور است. به دلیل کاربردهای متنوع، خازن‌ها در طیف وسیعی از صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرند.

الف-کاربرد خازن‌ها در ذخیره انرژی

از اواخر قرن هجدهم از خازن‌ها برای ذخیره انرژی الکتریکی استفاده می‌شود. بنجامین فرانکلین اولین کسی بود که عبارت باتری را برای تعدادی از خازن‌ها در یک دستگاه ذخیره انرژی به کار برد. خازن‌های منفرد به طور کلی انرژی زیادی را ذخیره نمی‌کنند و فقط نیروی کافی برای استفاده از دستگاه‌های الکترونیکی در هنگام قطع موقتی برق یا در صورت نیاز دستگاه‌های الکترونیکی به برق اضافی را تأمین می‌کنند. به عنوان مثال خازن‌های بزرگی در سیستم‌های صوتی اتومبیل گنجانده شده‌اند تا در صورت لزوم صدای بیشتری تولید کنند.

ب-کاربرد خازن‌ها در دستگاه‌های تهویه مطبوع

یکی از کاربردهای مهم خازن‌ها در منبع تغذیه دستگاه‌های تهویه مطبوع است. در این دستگاه‌ها در هنگام شارژ شدن خازن‌ها اجازه عبور سیگنال‌های AC را می‌دهند اما سیگنال‌های DC را مسدود می‌کنند.

این خازن‌ها می‌توانند به طور موثر این دو نوع سیگنال را تقسیم کرده و منبع تغذیه را تمیز کنند. این اثر برای جدا کردن قسمت‌های مختلف مدارهای الکتریکی برای کاهش نویز مورد استفاده قرار می‌گیرد ولی این روش می‌تواند منجر به کاهش کارایی دستگاه شود.

پ-کاربرد خازن‌ها به عنوان سنسور

خازن‌ها به عنوان سنسور برای اندازه‌گیری موارد مختلف از جمله رطوبت هوا، سطح سوخت و فشار مکانیکی استفاده می‌شوند. ظرفیت یک دستگاه به ساختار آن بستگی دارد. تغییرات در ساختار یک دستگاه را می‌توان به عنوان کاهش یا افزایش ظرفیت اندازه‌گیری کرد. در سنسورها از دو ویژگی خازن :1- فاصله بین صفحات خازن و 2-ماده دی الکتریک بین آن‌ها استفاده می شود.

از تغییر فاصله صفحات خازن برای تشخیص تغییرات مکانیکی مانند شتاب و فشار و استفاده می‌شود. همچنین تغییرات جزئی در مواد بین صفحات خازن می‌تواند منجر به تغییر ظرفیت خازن شود که از این ویژگی می‌توان برای سنجش رطوبت هوا استفاده کرد.

چ-کاربرد خازن‌ها در پردازش سیگنال

کاربرد فزاینده خازن‌ها در فن‌آوری اطلاعات بر هیچ کس پوشیده نیست. دستگاه‌های حافظه پویا (DRAM) از خازن‌ها برای نمایش اطلاعات باینری به عنوان بیت استفاده می‌کنند. این دستگاه‌ها هنگام شارژ خازن یک مقدار و هنگام تخلیه مقدار دیگری را می‌خواند.

CCD یا دستگاه جفت کننده ی بار که یک حسگر تصویربرداری است و از یک مدار یکپارچه تشکیل شده که شامل آرایه‌ای از اتصالات یا خازن‌های حساس است، از خازن به صورت آنالوگ استفاده می‌کند. همچنین از خازن‌ها به همراه سلف ها برای تنظیم مدار با  فرکانس های خاص استفاده می‌شود. این اثر در گیرنده‌های رادیویی، بلندگوها و اکولایزرهای آنالوگ مشاهده می‌شود.

کاربرد خازن در زندگی روزمره:

خازن در وسایل برقی به صورت غیر مستقیم تاثیرات زیادی در زندگی روزمره دارد. خازن ها به همراه مقاومت ها در مدارهای تایمینگ برای صاف کردن سطح تغییرات مستقیم مورد استفاده قرار می گیرند. علاوه بر این با توجه به خاصیت ذخیره سازی به عنوان فیلتر سیگنال نیز کاربرد دارد و از ورود سیگنال مستقیم می تواند، جلوگیری کند.

خازن های متغیر برای کاهش زمان شارژ اتومبیل های برقی نیز مورد استفاده است. همچنین در ایجاد یک میدان الکتریکی یکنواخت از آن استفاده می شود. به جز این موارد خازن متغیر، در تنظیم فرکانس های رادیویی کارآمد است. در مدارهای دیجیتال به عنوان ذخیره کننده ی انرژی در لحظه شارژ و دشارژ کاربرد دارند و در مدارهای آنالوگ به عنوان ایزوله گر دو جریان متناوب و مستقیم مورد استفاده قرار می گیرند.

کاربرد خازن در صنعت:

امروزه خازن‌ها نقش ویژه‌ای در صنعت برق به ویژه در کارخانجات ایفا می‌کنند که مهمترین آن اصلاح ضریب قدرت می‌باشد. در یک خط تولید کارخانه تعداد زیادی موتور القایی وجود دارد که با توجه به ویژگی‌های موتور القایی سبب افزایش توان راکتیو مصرفی کارخانه می‌شوند. توان راکتیو در واقع توانی است که مصرف می‌شود، اما کار مفیدی را انجام نمی‌دهد و با توجه به اینکه امروزه از کنتور‌های هوشمند که توانایی اندازه گیری هر دو توان راکتیو و اکتیو را دارد، برای مصارف صنعتی و حتی خانگی استفاده می‌شود.

اصلی‌ترین راه در کاهش توان راکتیو کارخانه‌ها و در بعضی از مواقع مصارف خانگی، استفاده از خازن به عنوان اصلاح کننده ضریب قدرت می‌باشد. با توجه به ویژگی‌های خازن، بکار بردن آن در مدارات به مقدار خیلی زیادی باعث اصلاح ضریب توان و در نتیجه کاهش توان راکتیو مصرفی می‌شود. محاسبه مقدار خازن نیازمند محاسبات فنی و دقیق دارد که توسط فرد متخصص صورت می‌گیرد.

کار خازن : 

خازن یه قطعه است که کارش ذخیره ولتاژ می باشد. حالا به چه صورت ولتاژ در خازن ذخیره می شود. در واقع خازن می تواند مقداری الکتریسیته را بصورت بارهای الکتریکی در خود ذخیره کند، همان گونه که یک مخزن آب برای ذخیره کردن آب مورد استفاده قرار می گیرد. برای آشنایی با نحوه ذخیره بارهای الکتریکی در خازن باید به مبحث شارژ و دشارژ خازن توجه شود.

 

شارژ و دشارژ خازن:

قبل از اینکه به صفحات خازن ولتاژی اعمال شود ، هر یک از صفحات خازن از نظر بار الکتریکی خنثی هستند یعنی در هر یک از صفحات خازن تعداد الکترون ها و پروتون ها با هم برابر است.

اما زمانی که یک منبع تغذیه DC به دو سر خازن متصل می شود الکترون ها از قطب منفی منبع تغذیه به طرف صفحه ای از خازن که به آن قطب متصل است شروع به حرکت می کنند و در نتیجه تعداد الکترون های آن صفحه افزایش می یابد و همزمان همان تعداد الکترون از صفحه دیگر خازن به طرف قطب مثبت منبع تغذیه شروع به حرکت می کنند.

و در نتیجه تعداد الکترون های آن صفحه کاهش می یابد و به این ترتیب در اثر حرکت الکترون ها ، جریانی در مدار جاری می شود و گفته می شود خازن در حال شارژ شدن است. مقدار جریان مدار با ولتاژ دو سر خازن نسبت عکس دارد یعنی هر چه خازن بیشتر شارژ می شود، جریان مدار کاهش بیشتری می یابد. این روند تا آنجا ادامه می یابد که ولتاژ دو سر خازن با ولتاژ دو سر منبع تغذیه برابر شود و پس از آن حرکت الکترون ها متوقف شده و شارژ شدن خازن پایان می پذیرد . یعنی خازن به اندازه ولتاژ منبع تغذیه DC شارژ می شود.

همانطور که شکل زیر می بینید در یک خازن شارژ شده یکی از صفحات خازن دارای بار منفی (تراکم الکترون) و صفحه دیگر دارای بار مثبت (تراکم پروتون) می شود و همانطور که می دانیم بین بارهای ناهمنام نیروی جاذبه ای وجود دارد که این نیروی جاذبه سبب ایجاد یک میدان الکتریکی بین این بارها می شود و در نتیجه بین صفحات شارژ شده یک میدان الکتریکی ایجاد می گردد که به دلیل اینکه بارهای ساکن سبب ایجاد این میدان الکتریکی شده اند به آن میدان الکترواستاتیک گفته می شود.

تحت تاثیر این میدان،  الکترون ها تمایل دارند خود را از صفحه دارای بار منفی به صفحه دارای بار مثبت رسانده و با پروتون ها ترکیب شوند، اما دی الکتریک بین صفحات خازن مانع این امر می شود و به این ترتیب یک انرژی الکتریکی توسط میدان الکترواستاتیک در خازن ذخیره می شود. البته همواره تعداد کمی از الکترون ها می توانند از دی الکتریک عبور کرده و خود را به بارهای مثبت صفحه مقابل برسانند و جریان خیلی ضعیفی را در دی الکتریک برقرار کنند که این جریان ، جریان نشتی خازن نامیده می شود.

مقدار آن بستگی به نوع دی الکتریک دارد و اگر خازن شارژ شده ای از مدار جدا گردد، در اثر همین جریان نشتی به مرور زمان دشارژ می شود و این همان اتفاقی است که برای باتری هایی که بدون استفاده شدن ، پس از مدت زمانی غیر قابل استفاده می شوند، می افتد.

حال اگر دو پایه خازن شارژ شده از منبع تغذیه جدا کنیم ، و به یکدیگر متصل شوند، الکترون ها از صفحه دارای بار منفی به سمت صفحه دارای بار مثبت حرکت کرده و سبب دشارژ شدن خازن می شوند . بنابراین هنگامی که خازن شارژ می شود ولتاژ دو سر آن افزایش می یابد و زمانی که خازن دشارژ می شود ولتاژ دو سر آن کاهش می یابد.

کاربرد شارژ و دشارژ خازن:

یادگیری تخلیه و شارژ یک خازن به صورت صحیح یکی از مهارت های مورد نیاز به جهت تعمیرات منابع تغذیه است. سرعت شارژ و دشارژ شدن خازن به فرکانس ولتاژ AC بستگی دارد . در این حالت با اینکه جریانی از داخل خازن عبور نمی کند ولی اگر آمپرمتری در مدار داشته باشیم ، آمپرمتر عبور جریانی را از مدار نشان می دهد ، درست مانند اینکه مقاومتی در مدار قرار دارد و جریان را محدود می کند .

خازن در مدارهای الکتریکی:

ساده ترین مدل خازن شامل دو صفحه رسانای موازی نازک است که هر کدام دارای مساحت A هستند و با یک شکاف یکنواخت از ضخامت d، با یک دی الکتریک ε  پرمی شوند. فرض بر این است که شکاف  d بسیار کوچکتر از ابعاد صفحات است.

این مدل درموردبسیاری ازخازن های عملی که از ورق های فلزی با لایه نازکی از دی الکتریک عایق جدا شده اند، به خوبی استفاده می شود ، زیرا تولیدکنندگان سعی می کنند ضخامت دی الکتریک را بسیار یکنواخت نگه دارند تا از لکه های نازکی که باعث خرابی خازن می شود، جلوگیری کنند.

خازن در مدارات DC: 

وقتی یک خازن به منبع ولتاژ جریان مستقیم وصل می شود، ابتداجریان نسبتا بزرگی در مدار جریان می یابد و خازن رفته رفته شارژ می شود تا ولتاژ دو سر آن به اندازه ولتاژ منبع برسد. در همین حالت، جریان مدار به تدریج کوچک می شود تا وقتی که خازن کاملا شارژ می شود و جریان مدار به صفر می رسد.

پس از این فرایند که حدود 5 ثابت زمانی طول می کشد، خازن در مدار مانند یک کلید باز عمل می کند. وقتی که 5 ثابت زمانی سپری می شود، در اصطلاح می گویند مدار به حالت پایدار یا ماندگار خود رسیده است.

خازن در مدارات متناوب:

اگر به دو سر خازن یک ولتاژ AC متصل کنیم  در این حالت خازن مرتب شارژ و دشارژ می شود . در صورتی که موج سینوسی به دوسر یک خازن بدهیم در لحظه هایی که خازن به حداکثر مقدار شارژ خود می رسد، جریان عبوری از آن صفر می شود، هم چنین در زمانی که ولتاژ دو سر خازن به صفر می رسد، مقدار جریان آن حداکثر می شود. به عبارت دیگر خازن در جریان متناوب به طور دائم شارژ و دشارژ می شود.

در نیم سیکل مثبت ولتاژ خازن رفته رفته زیاد می شود. به عبارتی ولتاژ خازن از صفر تا ماکزیمم و سپس از ماکزیمم به صفر می رسد. جریان خازن از ماکزیمم به صفر و مقدار آن منفی می شود و در نیم سیکل منفی این روند ادامه دارد ولی برعکس نیم سیکل مثبت است.

 مخالفت خازن در مقابل جاری شدن جریان را عکس العمل خازنی یا راکتانس خازنی و یا مقاومت خازنی می گویند و آن را با X_c نمایش می دهند. راکتانس خازنی به ظرفیت خازن و فرکانس ولتاژ دو سر خازن بستگی دارد . یعنی هر چه ظرفیت خازن و یا ولتاژ دو سر خازن بیشتر باشد راکتانس خازنی کمتر است و برعکس . راکتانس خازنی را می توان از رابطه زیر محاسبه نمود:

که در این رابطه X_c راکتانس خازنی بر حسب اهم ، f فرکانس ولتاژ دو سر خازن بر حسب هرتز و C ظرفیت خازن بر حسب فاراد است .

تشخیص مقدار ظرفیت خازن:

ظرفیت خازن به معنی مقدار بار الکتریکی است که برواحد سطح می نشیند. برای تعیین ظرفیت خازن چندین روش وجود دارد که می توان آنها را به 4 دسته زیر تقسیم کرد:

-از طریق کدعددی

-از طریق کد رنگی

-از طریق محاسبه

– از طزیق دستگاه مولتی متر

 

تشخیص ظرفیت خازن از روی کدعدذی:

برای تعیین ظرفیت خازن از طریق عددی، معمولا به صورت یه کد عددی روی بدنه خازن نوشته می شود.

در خازن های الکترولیتی که ظرفیت بسیار بالایی دارند، معمولا ظرفیت به صورت یک عدد مشخص با واحد مربوطه اش (pf,nf,,…) در کنار ولتاژ ذخیره سازی (حداکثر ولتاژ که در خازن ذخیره میشود) نوشته شده است.این نوع خازن ها قطبی هستند یعنی دارای سر مثبت و سر منفی هستند که معمولاً سر منفی بر روی بدنه خازن مشخص شده است.

در خازنهای عدسی(سرامیکی) و پلی استر معمولاً عدد 1، 2 یا 3 رقمی بر روی بدنه آنها درج شده است که مقدار ظرفیت این نوع خازن را مشخص می کنند. نحوه تشخیص ظرفیت خازن بدین صورت است:

اگر عدد روی خازن کوچک تر از یک باشد ، آن عدد بیانگر مقدار ظرفیت خازن بر حسب میکروفاراد خواهد بود. اما اگر عدد روی خازن بزرگ تر از یک و کمتر از 100 باشد ، آن عدد بیانگر مقدار ظرفیت خازن بر حسب پیکوفاراد خواهد بود. حال اگر عدد روی خازن سه رقمی باشد، که عدد سه رقمی به همراه یک حرف انگلیسی نوشته شده است. برای محاسبه ی ظرفیت خازن دو رقم اول را نوشته و به تعداد رقم سوم به آنها صفر اضافه می کنیم. عدد حاصل مقدار ظرفیت خازن را بر حسب پیکوفاراد نشان می دهد. حروف نیز به ترتیب بیانگر  درصد تلرانس است.

برای مثال اگر روی خازنی عدد 684k نوشته شده باشد به این معنی است که ظرفیت این خازن برابر است با : 10000×68 پیکوفاراد. یا اگر روی خازنی عدد 103 نوشته شده باشد دو عدد اولی(10) را نوشته و بر حسب عدد سوم (3) مقابلش صفر می گذاریم که عدد حاصله (10000) بیانگر ظرفیت خازن بر حسب پیکو فاراد می باشد. مقدار تلرانس هر کدام از حروف را در زیر مشاهده می کنید:

در خازن های تانتالیوم به دو صورت بسته بندی شدند. در بسته بندی  DIP  پایه بلند قطب مثبت و پایه کوتاه قطب منفی را نشان می دهد. در بسته بندی های  SMD هم روی یک طرف خازن یک خطی هستش که قطب مثبت را نشان می دهد. خازنهای تانتالیوم SMD ، تکنولوژی خازن تانتالیوم جامد است، که باعث می شود خازنهایی مقاوم و با سایزهای بسیار کوچک ساخته شوند. شکل زیر نحوه خواندن ظرفیت خازن های تانتالیوم با بسته بندی SMD را نشان می دهد.

 

 

تشخیص ظرفیت خازن از طریق کدرنگی:

در خازن‌های پلی استر برای خواندن ظرفیت خازن از کدهای رنگی بر روی بدنه آن‌ها استفاده می کنند. در این کدها سه رنگ اول ظرفیت را نشان می‌دهند و رنگ چهارم تلرانس (درصد خطا) را نشان می‌دهد. خازن‌های پلی استر امروزه به وفور در مدارات الکترونیک مورد استفاده قرار می‌گیرند.

جدول خواندن خازن عدسی و پلی استر:

ترتیب رنگی خازن‌ها به ترتیب از 0 تا 9 به صورت زیر است،عدد به دست آمده از جدول فوق بر حسب پیکوفاراد است.

 

 

جدول کد رنگی خازن برای ولتاژ:

 

اگر بر روی خازنی نوار ولتاژ نبود، معمولاً ولتاژ کاری آن‌ها زیر ۱۰۰ ولت است؛ اما برای اطمینان بیشتر به کاتالوگ محصول (Data Sheet) مراجعه کنید.

معانی کد حروف به شرح زیر است:

برای مثال، دو خازن با کد رنگی زیر را در نظر بگیرید. این نوع خازن‌ها در نوع L جای می‌گیرند و پایین‌ترین نوار رنگی (نزدیک‌ترین به پایه) ولتاژ کاری خازن را مشخص می‌کند.

 

 

در خازن های تانتالیوم جدید، ولتاژ و ظرفیت بر روی بدنه آنها نوشته شده ولی در انواع قدیمی از یك نوار رنگی استفاده می شود كه مثلا دو خط دارد ( برای دو رقم ) و یك نقطه رنگی برای تعداد صفرها وجود دارد كه ظرفیت بر حست میكروفاراد را مشخص می كنند . برای دو رقم اول كدهای استاندارد رنگی استفاده می شود. روش خواندن کدهای رنگی آن ها دقیقا مانند مقاومت هاست با این تفسیر که رنگ اول آن ها بالای خازن است (مقدار به دست آمده بر حسب پیکو فاراد است)، در این خازن ها یک خال رنگی وجود دارد که هر کدام معرف یک ولتاژ کار است:

تعیین ظرفیت خازن از طریق محاسبه:

ظرفیت هر خازن نشان دهنده توانایی خازن در ذخیره کردن بار الکتریکی است و بنا به تعریف، ظرفیت خازن برابر است با مقدار بار الکتریکی که باید روی یکی از صفحات خازن جمع شود تا پتانسیل آن نسبت به صفحه دیگر به اندازه یک ولت افزایش یابد و به عبارت دیگر، حاصل تقسیم بار الکتریکی (Q) ذخیره شده روی هر یک از صفحات خازن بر اختلاف پتانسیل (V) میان دو صفحه را ظرفیت خازن گویند.

که در این رابطه C ظرفیت خازن بر حسب فاراد (F) و Q بار یک صفحه بر حسب کولن (C) و V ولتاژ دو سر خازن بر حسب ولت (V) است. به عنوان مثال اگر به دو سر یک خازن ، یک ولتاژ DC با دامنه 30 ولت اعمال شود و در اثر این ولتاژ ، 60 کولن بار در خازن ذخیره شود ، ظرفیت خازن طبق فرمول بالا عبارت است از:

تعیین ظرفیت خازن توسط مولتی متر:

میزان ظرفیت خازن برحسب فاراد توسط خازن سنج یا مولتی مترها یا LCR متر اندازه گیری می شود. برای این منظور ابتدا دو ســر خازنی را که قرار است ظرفیت آن را اندازه بگیریم اتصال کوتاه می کنیم تا چنان چه خازن قبلا شــارژ شده باشد دشارژ شود. سپس آن را به دســتگاه LCR متر یا خازن سنج وصل می کنیم.  سلکتور مولتی متر را روی ولتاژ DC قرار دهید و پروب قرمز را به قطب مثبت خازن و پروب مشکی را به قطب منفی خازن متصل کنید ، سپس عدد مولتی متر را بخوانید.

نرم افزار خواندن خازن:

برنامه CapCalc  یک برنامه ساده برای تبدیل سریع ظرفیت خازن ها به یکدیگر است.  همانطوریکه می دانید مقادیر خازن ها در مدارهای الکترونیکی به صورت پیکوفاراد، نانوفاراد و میکروفاراد نمایش داده می شود. این برنامه در دستگاه های اندروید نصب می شود

نتیجه گیری:

در این مقاله خازن  را معرفی کردیم. خازن (Capacitor) المانی بود که انرژی الکتریکی را توسط یک میدان الکترواستاتیک در خود ذخیره می کند و تحت شرایطی این انرژی الکتریکی را آزاد می کند. خازن ها به اشکال گوناگون ساخته می شوند که پر استفاده ترین آنها در صنایع برق و الکترونیک است.

از آنجاییکه، بار الکتریکی در خازن ذخیره می‌شود، برای ایجاد میدان‌های الکتریکی یکنواخت می‌توان از خازن استفاده کرد. خازن‌ها می‌توانند میدان‌های الکتریکی را در حجم‌های کوچک نگه دارند.

 

دوره ی نقره ای :  اگر به یادگیری و شروع کار الکترونیک علاقه دارید و یک فرد آماتور و مبتدی هستین این دوره به برای شما مناسب است جهت اطلاعات بیشتر و خرید دوره ی نقره ای کلیک کنید 

دوره ی طلایی : اگر از کار الکترونیک تا حدودی سر در میارید  و میخواهید اطلاعات خود را بالاتر ببرید و به یک تعمیر کار حرفه ای تبدیل شوید این دوره برای شما مناسب است جهت خرید دوره و اطلاعات بیشتر کلیک کنید