انواع خازن ها و کاربرد و ساختار هر یک به زبان ساده

خازن‌ها اجزای رایج و مهمی هستند که در طیف گسترده‌ای از دستگاه‌های الکترونیکی نقش اساسی ایفا می‌کنند. انواع خازن‌ الکتریکی وجود دارد که می‌توان به شیوه‌های مختلف آن‌ها را دسته‌بندی کرد. در این مطلب از مجله فرادرس به رایج‌ترین آن‌ها یعنی خازن‌ با ظرفیت ثابت و متغیر پرداخته خواهد شد. درک انواع مختلف خازن‌ها، ویژگی‌ها و کاربردهای آن‌ها برای کسی که با الکترونیک کار می‌کند ضروری است. از خازن‌های سرامیکی ساده گرفته تا خازن‌های الکترولیتی قدرتمند، هر کدام مزایا و محدودیت‌های منحصر به فرد خود را دارد، که انتخاب خازن را برای دستیابی به عملکرد بهینه در یک کاربرد خاص مهم می‌کند.

معرفی خازن

خازن‌ها در اشکال، ابعاد و با مواد گوناکون ساخته می‌شوند. همه آن‌ها حداقل از دو رسانا الکتریکی که به آن‌ها صفحه می‌گویند ساخته شده‌اند و بین ‌آن‌ها با یک لایه عایق به نام دی‌الکتریک پر شده است و کار اصلی خازن ذخیره انرژی الکتریکی و سپس تخلیه ‌آن در صورتی که نیاز باشد. خازن به طور گسترده در مدارهای الکتریکی به کار می‌رود.

فیلم آموزش فیزیک – پایه یازدهم در فرادرس

کلیک کنید

ساختار داخلی

همان‌طور که گفته شد، خازن از دو صفحه رسانا تشکیل شده است. مهم‌ترین کمیت اندازه‌گیری خازن، ظرفیت آن به شمار می‌رود که با مساحت صفحات و اندازه دی‌الکتریک رابطه مستقیم دارد و با فاصله بین صفحات رابطه معکوس دارد. رابطه ظرفیت برای خازن مسطح به صورت زیر حساب می‌شود:

$$C=\kappa \varepsilon _{0} \dfrac{A}{d}$$

که عوامل به کار رفته در آن به شرح زیر است:

• $$C$$ : ظرفیت خازن.
• $$\epsilon_0$$ : ثابت گذردهی که برابر $$8.85 \times 10^{-12}F/m$$.
• $$A$$ : مساحت یکی از صفحات خازن.
• $$d$$ : فاصله بین صفحات خازن.
• $$\kappa$$ : ثابت دی‌الکتریک.

واحد اندازه‌گیری

واحد اندازه‌گیری ظرفیت خازن به افتخار دانشمند انگلیسی «مایکل فارادی» (Michael Faraday)، فاراد نام گرفت که با حرف $$F$$ در یکای $$SI$$ معرفی می‌شود اما فاراد مقدار بزرگی در عمل برای ظرفیت خازن است درنتیجه از پیشوندهای مانند نانوفاراد، میکروفاراد و میلی‌فاراد برای آن استفاده می‌کنند.

نماد شماتیک خازن معمولی در مدار الکتریکی در شکل زیر است:

روش اندازه‌گیری ظرفیت خازن

برای اندازه‌گیری ظرفیت انواع خازن در مدار، یک مولتی‌متر با شارژ کردن خازن در جریان معین، ولتاژ خروجی را اندازه می‌گیرد و سپس می‌تواند ظرفیت خازن را محاسبه کند.

هشدار: توجه کنید که کار اصلی خازن ذخیره بار الکتریکی هست و ممکن است پس از قطع منبع تغذیه همچنان انرژی در آن وجود داشته باشد. بنابراین قبل از لمس کردن یا اندازه‌گیری آن باید موارد زیر را در نظر داشته باشید:

• منبع تغذیه را قطع کنید.
• با استفاده از مولتی‌متر مطمئن شوید که منبع قطع است.
• با اتصال یک مقاومت به دو سر خازن با احتیاط آن را تخلیه کنید.

برای تخلیه ایمن خازن بهتر است که پس از آنکه منبع تغذیه را قطع کردیم یک مقاومت ۲۰۰۰۰ اهمی ۵ وات به مدت ۵ ثانیه به دو سر خازن وصل کنیم و سپس با مولتی‌متر از تخلیه خازن مطمئن شویم.

برای اندازه‌گیری ظرفیت خازن با مولتی‌متر به ترتیب زیر عمل می‌کنیم:

1. به خازن توجه کنید که هیچ‌گونه شکستگی، نشت، برآمدگی یا هر گونه تغییر شکل غیرعادی نداشته باشد. در این صورت باید خازن را عوض کنید.
2. مولتی‌متر را در حالت اندازه‌گیری ظرفیت قرار دهید.
3. در صورت امکان حالت REL را نیز فعال کنید. این گزینه فقط در برخی از مولتی‌مترها موجود هست و باعث می‌شود که پراب‌ها اختلالی در اندازه‌گیری ایجاد نکنند. این حالت به خصوص برای خازن‌ها با ظرفیت خیلی کم با اهمیت است.
4. پراب‌های مولتی‌متر را به دو سر خازن وصل کنید. به ترمینال‌های مثبت و منفی در خازن‌های قطبی مانند الکترولیتی توجه کنید.
5. مدتی صبر کنید تا نتیجه نمایش داده شود.

انواع خازن

خازن به همراه مقاومت و القاگر جز قطعات غیرفعال (Passive) الکترونیکی محسوب می‌شود. خازن‌های کوچک در دستگاه‌های الکترونیکی برای جفت کردن سیگنال در تقویت‌کننده‌ها، فیلترهای الکتریکی، هماهنگ‌ساز در مدار و منبع تغذیه  برای یک‌سوکننده‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. خازن‌های بزرگ برای ذخیره کردن انرژی در موتورهای الکتریکی سیستم‌های توزیع برق متناوب به کار می‌روند. انواع مختلف خازن به تناسب ظرفیت مورد نیاز، ولتاژ کاری، جریان‌ و سایر ویژگی‌ها استفاده می‌شوند.

فیلم آموزش فیزیک ۲ دانشگاه در فرادرس

کلیک کنید

خازن با ظرفیت ثابت

انواع خازن‌ را می‌توان براساس ظرفیت به دو گروه ثابت و متغیر تقسیم کرد. خازن‌ها با ظرفیت ثابت متداول‌تر هستند. خازن‌های با ظرفیت ثابت را می‌توان به دو دسته تقسیم کرد که در فهرست زیر آورده شده‌اند.

• خازن قطبی:
  • ابرخازن
  • خازن‌های الکترولیتی
• خازن ناقطبی:
  • فیلم
  • سرامیکی
  • خازن با دی‌الکتریک

به جز موارد فوق که براساس نام‌گذاری تاریخی انجام شده، خازن‌هایی نیز وجود دارند که براساس کاربرد دسته‌بندی شده‌اند مانند: خازن قدرت، خازن موتور، خازن اسنابر (Snubber Capacitor) و غیره.

همان‌طور که در شکل فوق ملاحظه می‌کنید، خازن با ظرفیت ثابت به دو دسته کلی قطبی و غیرقطبی تقسیم می‌شوند. به طور ساده، خازن‌های غیرقطبی هیچ تفاوتی بین ترمینال‌های آن‌ها وجود ندارد اما پایه‌های خازن‌های قطبی را باید منطبق بر علامت ولتاژ منبع تغذیه در مدار قرار داد.

خازن با دی‌الکتریک، بار الکتریکی را به صورت استاتیک درون میدان الکتریکی بین صفحات خازن ذخیره می‌کند. رایج‌ترین دی‌الکتریک‌ها به شرح زیر است:

• سرامیک
• فیلم پلاستیکی
• لایه اکسیده شده روی فلز مثل آلومینیوم، تانتالیوم و نئوبیوم
• مواد طبیعی مثل میکا، شیشه، کاغذ، هوا، خلا و سولفور هگزافلوراید (SF₆)

خازن سرامیکی

خازن‌های سرامیکی غیرقطبی با ظرفیت ثابت یکی دیگر از انواع خازن هستند که از دو یا چند لایه متناوب سرامیک و فلز ساخته می‌شوند که در آن ماده سرامیکی به عنوان دی‌الکتریک و فلز به عنوان الکترود است. مواد سرامیکی مخلوطی از ریزدانه‌های آسیاب شده پاراالکتریک یا فروالکتریک هستند که با اکسیدهایی ترکیب شدند تا بتوانند ویژگی‌های مورد نظر را داشته باشند.

انعطاف‌پذیری بالای مواد خام سرامیکی باعث می‌شود که برای بسیاری از کاربردها مناسب باشد و تنوع زیادی را در شکل و اندازه این نوع خازن‌ها ایجاد کند. ساخت خازن‌های سرامیکی چند لایه که به طور معمول از لایه‌های متقابل تشکیل شده است، مانند تعداد زیادی تک خازن که به صورت موازی به هم متصل شده‌اند عمل می‌کند. این پیکربندی، ظرفیت را افزایش می‌دهد و تمام تلفات القایی‌ ناخواسته را کاهش می‌دهد. خازن‌های سرامیکی برای فرکانس‌های بالا و جریان بالا مناسب هستند.

به دلیل کنترل راحت ضخامت لایه دی‌الکتریک در ساخت خازن سرامیکی برای ولتاژ تا سقف ۳۰ کیلوولت نیز می‌توان از آن استفاده کرد.

خازن فیلم پلاستیکی

خازن فیلم یا خازن فیلم پلاستیکی از انواع خازن غیرقطبی به شمار می‌آید که دی‌الکتریک آن یک عایق به صورت فیلم پلاستیکی خواهد بود. فیلم‌های دی‌الکتریک در لایه‌های نازک به همراه الکترودهای فلزی به صورت استوانه پیچیده می‌شوند. الکترودهای خازن فیلم ممکن است از فلز آلومینیوم یا روی باشند که روی یک یا هر دو طرف فیلم کشیده شده باشند که منجر به خازن‌های فیلم فلزی شده یا یک ورقه فلزی جداگانه روی فیلم کشیده شده که به آن خازن‌های فیلم - ورق گفته می‌شود.

خازن‌های فیلم فلزی ویژگی خود ترمیمی دارند. سوختن دی‌الکتریک یا اتصال کوتاه بین الکترودها نمی‌تواند قطعه را نابود کند. ساختار فلزی این قابلیت را ایجاد می‌کند که خازن را بتوانیم رول کنیم تا ظرفیت بیشتر (تا سقف ۱۰۰ میکروفارد) در حجم کمتری داشته باشیم.

خازن‌های فیلم - ورق یا فویل فلزی از دو فیلم پلاستیکی به عنوان دی‌الکتریک استفاده می‌کنند. هر فیلم با یک فویل نازک فلزی، معمولا با آلومینیوم پوشیده شده است تا الکترود را تشکیل دهد. فایده این ساختار در اتصال راحت فویل‌های فلزی الکترود به همراه پالس جریان با قدرت عالی است.

مزیت اصلی ساختار درونی خازن فیلم اتصال مستقیم الکترودها از دوسر پیچه است. این اتصال مسیر تمام جریان‌ها را کوتاه‌تر می‌کند. این طراحی مانند تعداد زیادی تک خازن که به صورت موازی به هم متصل شده‌اند عمل می‌کند. بنابراین تلفات مقاومت اهمی درونی را کاهش می‌دهد معادل مقاومت متوالی (ESR) و معادل القاگر متوالی (ESL). ساختار هندسی خازن فیلم باعث کاهش تلفات مقاومت اهمی و تلفات القایی می‌شود که این نوع خازن را برای کاربردهایی نظیر افزایش شدید جریان «اسنابر» (Snubber)، منبع متناوب (AC) و فرکانس‌های بالا مناسب می‌سازد.

خازن الکترولیتی

یکی دیگر از انواع خازن‌ الکتریکی، خازن‌ الکترولیتی است که قطبی هستند. این نوع خازن یک آند فلزی با پوشش اکسید شده به عنوان دی‌الکتریک دارند. الکترود دوم غیر جامد (مایع) یا الکترولیت جامد می‌تواند باشد. خازن‌های الکترولیتی براساس دی‌الکتریک به سه گروه تقسیم می‌شوند.

• خازن الکترولیت آلومینیوم (Aluminum) با آلومینیوم اکسید (Aluminum Oxide) به عنوان دی‌الکتریک
• خازن الکترولیت تانتالوم (Tantalum) با اکسید تانتالوم پنتاکسید (Tantalum Pentoxide) به عنوان دی‌الکتریک
• خازن الکترولیت نئوبیوم (Niobium) با نئوبیوم پنتاکسید (Niobium Pentoxide) به عنوان دی‌الکتریک

در خازن الکترولیتی سطح مقطع آند را به شدت افزایش می‌دهند. این امر و ضریب گذردهی نسبتا بالای لایه اکسید این خازن‌ها نسبت به خازن های فیلم یا سرامیکی، ظرفیت بسیار بالایی در واحد حجم می‌دهد. ضریب گذردهی تانتالوم پنتاکسید تقریبا سه برابر بیشتر از آلومینیوم اکسید است که باعث می‌شود خازن با این دی‌الکتریک به طور معناداری کوچکتر باشد. به هر حال گذردهی فقط ابعاد را تعیین می‌کند. پارامترهای الکتریکی، به ویژه رسانایی الکتریکی، توسط مواد و ترکیب الکترولیت تعیین می‌شوند. سه نوع عمومی الکترولیت استفاده می‌شود:

• غیرجامد (مایع): رسانش در حدود $$10 (mS/cm)$$ و تقریبا ارزان هست.
• منگنز اکسید جامد: رسانش در حدود $$100 (mS/cm)$$ و بسیار با کیفیت و پایدار به شمار می‌آید.
• پلیمر رسانا جامد: رسانش در حدود $$100-500 (mS/cm)$$ و ESR  کمتر از ۱۰ میلی اهم است.

خازن‌های الکترولیتی با ظرفیت بالا به ازای واحد حجم، آن ها را برای مدارهای الکتریکی با جریان نسبتا بالا و فرکانس پایین بسیار با اهمبت می‌کند.

ابرخازن

از انواع خازن قطبی با ظزفیت ثابت می‌توان ابرخازن‌ها را نام برد که از خانواده خازن‌های الکتروشیمیایی محسوب می‌شوند. آن‌ها دی‌الکتریک متعارف ندارند. ظرفیت خازن الکتروشیمیایی توسط دو مکانیسم ذخیره‌سازی تعیین می‌شود که هر دو به ظرفیت کلی خازن کمک می‌کنند:

• «ظرفیت دولایه» (Double-layer capacitance): ذخیره‌سازی از طریق جداسازی بار در لایه دوتایی هلمولتز در مرز بین سطح یک رسانا و یک محلول الکترولیت حاصل می شود. فاصله جداسازی بار در یک لایه دوگانه در حدود چند آنگستروم (۰٫۳-۰٫۸ نانومتر) است. این ذخیره‌سازی منشا الکترواستاتیک دارد.
• «شبه‌ظرفیت» (Pseudo capacitance): ذخیره‌سازی به وسیله واکنش‌های اکسایش-کاهش، جذب الکتریکی یا انبساط در سطح الکترود یا توسط یون‌هایی که به طور خاص جذب شده انجام می‌گیرد که منجر به انتقال بار فارادی برگشت پذیر می‌شود. شبه‌ظرفیت منشا فارادیک دارد.

نسبت ذخیره‌سازی حاصل از هر کدام می تواند به میزان قابل توجهی بسته به طراحی الکترود و ترکیب الکترولیت تغییر کند.

ابرخازن‌ها بر اساس طراحی الکترودها به سه خانواده تقسیم می‌شوند.

• خازن‌های دولایه
• شبه‌خازن‌ها
• خازن‌های هیبریدی

ابرخازن‌ها پل بین خازن‌های متعارف و باتری‌های قابل شارژ هستند. آن‌ها بیشترین ظرفیت در واحد حجم را دارند و چرخه شارژ و دشارژ آن‌ها نسبت به باتری‌های قابل شارژ بیشتر است. همان‌طور که گفته شد ابرخازن‌ها قطبی هستند و باید درست در مدار قرار بگیرند. البته پیش‌تر در مجله فرادرس راجع به تفاوت‌های خازن و ابرخازن نیز صحبت کرده‌ایم.

خازن با ظرفیت متغیر

یکی دیگر از انواع خازن‌ الکتریکی، خازن با ظرفیت متغیر هست که غیرقطبی نیز هست می‌تواند با حرکت مکانیکی ظرفیت خود را تغییر دهد. آن‌ها دو دسته هستند:

• «خازن متغیر» (Tuning capacitor): در این نوع خازن ظرفیت آن را می‌توان به صورت مکرر تغییر داد مثل مدار رادیو.
• «خازن قابل تنظیم» (Trimmer capacitor): در این نوع خازن فقط یک بار می‌توان مدار نوسانگر را تغییر داد.

خازن با ظرفیت متغییر با ساختار مکانیکی خود می‌توانند فاصله بین صفحات یا مساحت صفحات را تغییر دهند همچنین معمولا از هوا به عنوان دی‌الکتریک استفاده می‌کنند.

نتیجه‌گیری

خازن‌ها اجزای چندمنظوره‌ای هستند که نقش اساسی را در طیف گسترده‌ای از دستگاه‌های الکترونیکی ایفا می‌کنند. خازن کاربردهای متنوعی دارد از جمله ذخیره انرژی الکتریکی و جداسازی جریان متناوب (AC) از جریان مستقیم (DC)، فیلتر کردن نویز، تنظیم مدارها و جفت کردن سیگنال‌ها که شناخت آن را ضروری می‌کند. با ویژگی‌ها و کاربردهای متنوع خود، درک انواع خازن‌ برای هر کسی که با الکترونیک کار می‌کند مهم است. در این مطلب از مجله فرادرس با انواع خازن مانند سرامیکی، الکترولیتی، ابرخازن و خازن فیلم پلاستیکی آشنا شدید و آموختید که هر کدام مزایا و محدودیت های منحصر بفردی را ارائه می‌دهند. انتخاب خازن مناسب برای دستیابی به عملکرد بهینه در یک کاربرد خاص حائز اهمیت می‌تواند باشد.