خازن ها

خازن

خازن یکی از قطعات پرکاربرد الکترونیکی است که وظیفه آن ذخیره بار و در نتیجه انرژی الکتریکی است. خازن‌ها از نظر ظاهر و اندازه متفاوت هستند اما مکانیزم کارکرد آن‌ها یکسان است. اصول کارکرد خازن به این صورت است که دو ناحیه با بار مخالف در معرض یکدیگر قرار می‌گیرند. دو بار مخالف، میدانی الکتریکی را ایجاد می‌کنند که در خود انرژی الکتریکی را ذخیره کرده و می‌توان در صورت لزوم از آن استفاده کرد.

انواع خازن های الکتریکی

در ادامه به بررسی انواع خازن های الکتریکی از نظر نوع ساخت می‌پردازیم.

خازن‌های ثابت

«خازن‌های ثابت» (Fixed Capacitors)، معمولا توسط دی‌الکتریک آنها تعریف و شناسایی می‌شوند. دی‌الکتریک‌های پرکاربرد در خازن‌های ثابت، شامل سرامیک، پلاستیک و میکا می‌شود. در «خازن‌های الکترولیتی» (‌Electrolytic Capacitors)، از آلومینیوم و اکسید تانتال به عنوان دی‌الکتریک استفاده می‌شود. صفحات «لوله‌ای شکل» (Tubular) و «ورقه‌ورقه» (Interleaved) از انواع طراحی برای این نوع خازن‌ها هستند. طراحی ورقه‌ورقه در شکل زیر نشان داده شده است:

                                                         شکل ۱ – خازن ورقه ورقه

در این طراحی، از چندین صفحه فلزی برای افزایش سطح مقطع موثر خازن استفاده می‌شود. صفحه‌های فلزی توسط لایه‌های عایق از یکدیگر جدا می‌شوند. این صفحات، به صورت یک در میان به هم متصل هستند. در نهایت، این خازن با «اپوکسی رزین» (Epoxy Resin) یا دیگر مواد عایق پوشانده می‌شود.

طراحی خازن لوله‌ای نیز در شکل زیر نشان داده شده است:

                                                           شکل ۲ – خازن لوله‌ای

در ساخت این نوع خازن، از صفحات فویل شده فلزی استفاده می‌شود که به وسیله عایق (مثل فیلم پلاستیکی) از هم جدا شده‌اند. خازن‌های ثابت، در محفظه‌هایی از جنس پلاستیک،‌ اپوکسی رزین یا دیگر انواع عایق قرار داده می‌شوند. ظرفیت و تولرانس این نوع خازن‌ها، مشخص و ثابت است. اطلاعات متناسب با این نوع خازن‌ها، روی بدنه آنها درج می‌شود یا از کد رنگی برای محاسبه ظرفیت خازن استفاده می‌شود. مشخصات الکتریکی و ابعاد فیزیکی این نوع خازن‌ها، به دی‌الکتریک مورد استفاده بستگی دارد.

خازن سرامیکی

در ابتدا به بررسی «خازن سرامیکی» (Ceramic Capacitors) می‌پردازیم. ثابت دی‌الکتریک برای ماده‌های مختلف در جدول زیر نشان داده است:

همانطور که در شکل مشخص است، ثابت دی‌الکتریک سرامیک، محدوده بزرگی دارد.

مواد سرامیکی با ضریب دی‌الکتریک بالا، این اجازه را می‌دهند که تعداد زیادی خازن در یک فضای کوچک به صورت فشرده در کنار هم قرار گیرند. اما نقطه ضعف این نوع خازن‌ها، حساسیت بسیار زیاد آن‌ها به دما و ولتاژ کار است. برای کاربردهایی که تغییرات دمایی زیاد نیست و ابعاد کوچک و هزینه کمتر حائز اهمیت است، از خازن‌های سرامیکی با ضریب دی‌الکتریکی بزرگ استفاده می‌شود.

مشخصات پایداری مواد سرامیکی با ضریب دی‌الکتریکی کوچک، عالی است. گذر زمان، تغییرات دما و ولتاژ روی این نوع خازن‌ها اثرات ناچیزی دارد. خازن‌های سرامیکی با ثابت دی‌الکتریکی پایین نسبت به خازن‌های سرامیکی با ثابت دی‌الکتریکی بالا، ابعاد فیزیکی نسبتا بزرگتری دارند، زیرا ثابت دی‌الکتریکی آنها نسبتا کوچک و بین ۳۰ تا ۸۰ است.

بسیاری از «خازن‌های نصب سطحی» (Surface Mounted Capacitors) یا SMD از سرامیک به عنوان دی‌الکتریک استفاده می‌کنند. «خازن‌های عدسی یا دیسکی» (Disc Capacitors) نیز از این ماده در دی‌الکتریک خود استفاده می‌کنند. در شکل زیر یک نوع خازن عدسی نشان یا دیسکی داده شده است:

از این نوع خازن‌ها، در کاربردهای مختلفی مانند «بای‌پس» (Bypass)، «فیلتر کردن» (Filtering) یا «حذف سیگنال مستقیم» (DC Blocking) استفاده می‌شود.

خازن فیلم پلاستیکی

«خازن‌های فیلم پلاستیکی» (Plastic Film Capacitors)، از دو نوع اساسی فیلم – فویل یا فیلم فلزی تشکیل شده‌اند.

«خازن‌های فیلم – فویل» (Film – Foil Capacitors) طراحی لوله‌ای شکل دارند. در این نوع خازن‌ها، مانند شکل ۲، فویل‌های فلزی توسط فیلم‌های پلاستیکی از یکدیگر جدا می‌شوند.

اما در «خازن‌های فیلم فلزی» (Metallized Film Capacitors)، فویل فلزی مستقیما روی فیلم پلاستیکی قرار می‌گیرد و توسط لایه‌هایی از خلاء از یکدیگر جدا می‌شوند.

عموما خازن‌های فیلم – فویل از خازن‌های فویل فلزی بزرگتر هستند. اما پایداری خازنی بهتر و مقاومت عایقی بالاتری دارند. از مواد معمول برای فیلم عایق می‌توان پلی‌استر، میلار، پلی‌پروپلین و پلی کربنات را نام برد. شکل زیر تعدادی از خازن‌های فیلم پلاستیکی را نشان می‌دهد:

اگر در محل‌های نقصان دی‌الکتریک، اختلاف پتانسیل یا تنش ولتاژ از ولتاژ شکست دی‌الکتریک فراتر رود، یک جرقه رخ می‌دهد که باعث بخار شدن منطقه فلزی در اطراف محل عیب می‌شود، به این ترتیب محل خرابی، تبدیل به یک ماده عایق می‌شود. بنابراین، خازن‌های فیلم فلزی خاصیت «خود ترمیمی» (Self-Healing) دارند. ذکر این نکته ضروری است که خازن‌های فیلم – فویل، خاصیت خود ترمیمی ندارند.

خازن‌های میکا – نقره

خازن‌های میکا – نقره، دقت بالا، نشت کم و پایداری مناسبی را ارائه می‌کنند. ظرفیت این نوع خازن‌ها، از چند پیکوفاراد تا حدود یک دهم میکروفاراد را شامل می‌شود.

خازن‌های الکترولیتی

خازن‌های الکترولیتی، ظرفیت خازنی نسبتا بالایی دارند. با هزینه نسبتا پایین، می‌توان خازن‌هایی با ظرفیت چندین هزار میکروفاراد ساخت. در این نوع خازن‌ها، از لایه اکسید به عنوان دی‌الکتریک استفاده می‌شود. به دلیل نازک بودن این لایه، ظرفیت این نوع خازن‌ها بزرگ است. هرچند، این نوع خازن‌ها، به نسبت نشت بالا و ولتاژ شکست پایین دارند. صفحه فلزی خازن‌های الکترولیتی، عموما از نوع آلومینیوم یا تانتال است. خازن‌های نوع تانتال، از نوع آلومینیومی کوچکتر هستند و نشت کمتر و پایداری بیشتری نسبت به نوع آلومینیومی خود دارند.

خازن‌های الکترولیتی آلومینیومی

ساخت خازن الکترولیتی آلومینیومی مانند شکل ۲ است. نوارهای فویل آلومینیومی با استفاده از یک توری اشباع شده با گاز از یکدیگر جدا شده‌اند. در طول فرآیند ساخت، به دلیل فعل و انفعالات شیمیایی لایه نازکی از اکسید در خازن‌های الکترولیتی ایجاد می‌شود. این لایه مانند دی‌الکتریک عمل می‌کند و باید در حین استفاده از این نوع خازن‌ها، حفظ شود. به همین دلیل، خازن‌های الکترولیتی، قطبی هستند. به این معنی که علامت‌های مثبت و منفی دارند. پایانه مثبت در این نوع خازن‌ها، همیشه باید ولتاژی بیشتر از پایانه منفی آن داشته باشد.

خازن‌های الکترولیتی آلومینیومی، «تاریخ مصرف» (Shelf-Life) یا مدت زمان مجاز نگهداری دارند. به این معنی که اگر در مدت زمان گفته شده مورد استفاده قرار نگیرند، ممکن است دیگر نتوان از آن‌ها استفاده کرد.

در شکل زیر، انواعی از خازن‌های الکترولیتی معمول نشان داده شده است:

شکل زیر، نماد الکتریکی خازن‌های الکترولیتی در شماتیک‌های مداری را نشان می‌دهد:

از این خازن‌ها، معمولا در منابع تغذیه برای از بین بردن ریپل و ناهمواری و هموار کردن شکل موج یکسو شده استفاده می‌شود.

خازن‌های الکترولیتی تانتال

خازن‌های تانتال به دو نوع اساسی «خازن با صفحات فلزی مرطوب» (Wet Slug Capacitors) و «خازن‌های دی‌الکتریک جامد» (Solid Dielectric Capacitors) تقسیم می‌شوند. شکل زیر یک قطاع از خازن تانتال با دی‌الکتریک جامد را نشان می‌دهد:

خازن نوع مرطوب، از پودر تانتال تشکیل شده است و بسیار متخلخل است. در این خازن، مساحت سطح داخلی بسیار بزرگی ایجاد می‌شود که با یک اکسید پوشانده شده است. به این ترتیب، دی‌الکتریک شکل می‌گیرد. خازن‌های تانتال، قطب‌های مثبت و منفی دارند. به همین دلیل باید در مدار به درستی قرار گیرند.

خازن‌های نصب سطحی SMD

بسیاری از محصولات الکترونیک، از «قطعات نصب سطحی» (Surface Mount Devices) استفاده می‌کنند. این قطعات، به پایه اتصال نیازی ندارند و با استفاده از ماشین‌های مونتاژ خودکار، به طور مستقیم روی برد مدار چاپی لحیم می‌شوند.

یک خازن تراشه‌ای سرامیکی با تکنولوژی نصب سطحی یا SMD در شکل زیر نشان داده شده است:

این قطعات، بسیار کوچک هستند و قابلیت فشرده سازی بسیار بالایی به همراه قطعات دیگر دارند.

خازن‌های متغیر

امروزه، انواع مختلفی از «خازن‌های متغیر» (Variable Capacitors) وجود دارد. یک نوع از این خازن‌ها از مجموعه‌ای از صفحات ثابت و صفحات قابل حرکت تشکیل شده است که روی یک محور نصب شده‌اند. با چرخش محور، صفحات قابل حرکت، مثل دنده‌های ماشین با صفحات ثابت درگیر می‌شوند. به این ترتیب، مساحت سطح موثر و ظرفیت خازن تغییر می‌کند. رادیو از این نوع خازن برای تنظیم ایستگاه استفاده می‌کند.

انواع دیگری از خازن قابل تنظیم، «خازن نیم متغیر یا خازن تنظیم دقیق» (Trimmer Capacitor) یا «خازن تریمر سری» (Padder Capacitor) است. این نوع خازن‌ها، معمولا برای تنظیم در محدوده کوچک مورد استفاده قرار می‌گیرند.

مقادیر استاندارد ظرفیت خازنی

خازن‌ها، معمولا در ظرفیت‌های مشخصی ساخته می‌شوند. ظرفیت‌های معمول برای خازن شامل 0.1μF,0.22μF,0.47μF0.1μF,0.22μF,0.47μF و ضرایب آنها می‌شود.