خازن چیست؟ آشنایی با انواع خازن

خازن یکی از قطعات مهم الکتریکی است که در مدارها و بردهای الکتریکی مورد استفاده می گیرد. انواع خازن متفاوت بوده و با توجه به ویژگی های آنها در مدارهای متفاوتی کاربرد دارد. اگر می خواهید به پاسخ این سوال برسید که خازن چیست و انواع خازن کدام هستند و همچنین پاسخ این سوال که خازن چه کاربردی دارد را به خوبی درک کنید توصیه می کنیم تا انتها این مطلب با ما همراه باشید. همچنین برای آگاهی بیشتر درباره این قطعه، اجزای تشکیل دهنده خازن آن و نحوه کار کرد آن، در دوره آموزش تعمیرات برد الکترونیکی شرکت کنید.

خازن چیست؟

خازن یکی از قطعات الکترونیکی پرکاربرد است که برای ذخیره کردن انرژی و بار الکتریکی به وسیله میدان الکترواستاتیکی در مدارات متنوع و انواع برد الکترونیکی مورد استفاده قرار می گیرد. از این وسیله به عنوان فیلتر استفاده می ‌کنند، چرا که سیگنال های متنوع را در کمترین زمان و به راحتی از درون خود عبور می دهد و همچنین مانع عبور سیگنال ‌هایی که مستقیم هستند می شود.

خازن به وسیله دو صفحه فلزی که موازی هستند طراحی می گردد. در بین هر یک از صفحات عایق های متنوعی قرار گرفته می شود. پلاستیک، اکسید، آلومینیوم، سرامیک، کاغذ و غیره به عنوان عایق در این قطعه کاربرد دارد.

توجه داشته باشید که مهم ترین قسمت یک خازن، ظرفیت خازن است که با علامت اختصاری c نشان داده می شود. نکته دیگر اینکه واحد اندازه گیری خلزن، فاراد می باشد. چون فاراد یک واحد بزرگ می باشد از اینرو برای اندازه گیری واحد خازن از میکروفاراد، مگافاراد و … استفاده می شود.

انواع خازن و ویژگی های آنها

خازن ها انواع متنوعی دارند و هر یک از آنها دارای کاربرد خاص و منحصر به فردی می باشند. برخی از مهم ترین و اصلی ترین انواع خازن و ویژگی های آنها را در قسمت زیر به شما عزیزان معرفی می کنیم. در ابتدا اجازه دهید تا انواع خازن را بر حسب خازن متغیر و خازن ثابت طبقه بندی کرده و سپس، به توضیح هریک از انواع خازن به طور جداگانه بپردازیم:

خازن ثابت

همان طور که نام این خازن ها پیداست خازن های ثابت دارای ظرفیت ذخیره انرژی ثابتی هستند و طبقه بندی آنها بر اساس نوع ماده دی الکتریک به کار رفته در آنها صورت می گیرد. در قسمت زیر برخی از انواع خازن های ثابت را به شما عزیزان معرفی می کنیم:

خازن های سرامیکی

یکی دیگر از انواع خازن که کاربرد زیادی در صنایع دارد نمونه سرامیکی می باشد. این نمونه بدون قطب است که جنس آن از دی الکتریک می ‌باشد. چون خاصیت دی الکتریکی دارند به آنها خازن سرامیکی می گویند.

خازن های سرامیکی عایق بسیار عالی و مناسبی دارد. به همین دلیل برای ظرفیت ‌های بالا که در حد میکرو فاراد هستند و در ابعاد کوچک به این قطعه نیاز دارند می‌توانید آن را به کار بگیرید. ولتاژ کاری این قطعه بسیار بالا می باشد.

یکی دیگر از ویژگی های خازن های سرامیکی این است که می توانند بیشترین بار را ذخیره کنند. در ضمن این نوع خازن ها برای کاهش نویز RF بسیار مناسب هستند. خازن های سرامیکی شامل دو گروه زیر با ویژگی های متمایز هستند:

از خازن های سرامیکی برای کاربردهای زیر استفاده می شود:

• استفاده از خازن های سرامیکی در بردهای چاپی
• کاربرد در چگالی های بالا
• استفاده از خازن های سرامیکی در موتورهای DC
• قابل استفاده در ایستگاه های فرستنده ای که از در آنها از مدارهای تشدید استفاده می شود

خازن های الکترولیتی یکی دیگر از انواع خازن ها

نمونه های شیمیایی یا الکترولیتی برخلاف بسیاری از مدل های عدسی دارای قطب منفی و مثبت هستند. به طور معمول در رنج میکرو فاراد این نمونه ‌ها را طراحی می‌ کنند و ظرفیت این قطعه و ولتاژ قابل تحمل آن به صورت اعداد روی آن نوشته شده است. طبقه بندی خازن های الکترولیتی بر اساس ویژگی دی الکتریکی آنها صورت می گیرد. چرا که این نوع قطعات، با یک لایه اکسید شده به نام دی الکتریک پوشش داده می شوند. خازن های الکترولیتی دارای دو نوع الکترولیت مایع و جامد هستند.

زمان استفاده کردن از خازن های الکترولیتی درون مدار باید به جهت آن توجه زیادی داشته باشید. انواع قطعات آلومینیومی الکترولیتی و تانتالیومی را شما می توانید خریداری کنید و در صنایع متنوع به کار بگیرید.

روی بدنه این قطعه نواری با رنگ های متنوع که دارای علامت منفی می باشد جهت مشخص کردن پایه به کار گرفته شده است. بر روی هر یک از برندها نیم دایره مشکی رنگ را جهت مشخص کردن پایه منفی طراحی می نمایند. در این صورت زمان لحیم‌کاری اشتباهی درون قطعه به وجود نمی ‌آید.

کاربردهای خازن های الکترولیتی

• استفاده از خازن های الکترولیتی در مدارهای یکسو کننده به عنوان کوپلینگ و فیلتر جهت کاهش ولتاژ ریپل
• استفاده از خازن های الکترولیتی در تقویت کننده های صوتی برای کاهش نویز الکتریکی
• برای صاف کردن سیگنال های ورودی و خروجی در سیگنال DC که دارای یک جزء AC ضعیف است

خازن پلی استر

خازن های پلی استر یا خازن های مایلار از انواع دیگر خازن های ثابت هستند که کاربرد اصلی آنها در مدارات است که از پوشش دی الکتریکی پلی استری برای آنها استفاده می شود. در این نوع خازن ها از ورقه های نازک پلاستیکی که به عنوان یک دی الکتریک عمل می کنند استفاده می شود. این ورقه ها همراه با ورقه های نازک آلومینیومی درون یک قاب پلاستیکی قرار می گیرند. این نوع خازن ها نیز همانند خازن های سرامیکی فاقد پلاریته مثبت و منفی هستند. جدول زیر نگاهی به ویژگی ها و کاربرد خازن های پلی استر می اندازد:

خازن تانتالیوم از سایر انواع خازن

یکی دیگر از انواع خازن های ثابت، خازن تانتالیوم می باشد. در این نوع قطعات به جای ورقه های آلومینیومی از ورقه های تانتالیوم استفاده می شود. در این نوع قطعات از یک لایه اکسید که همچون دی الکتریک کار می کند استفاده شده است. ویژگی ها و کاربردهای خازن تانتالیوم را در این قسمت به تصویر می کشیم:

خازن های متغیر

سه فاکتور کلیدی در اینجا مطرح می شوند که می توانند ظرفیت خازن های متغیر را تحت تاثیر قرار دهند: نوع دی الکتریک، فاصله بین صفحات هادی و تغییر مساحت بین صفحات از جمله فاکتورهای مهم جهت تغییر ظرفیت خازن می باشد.

نحوه عملکرد خازن های متغیر بر اساس تغییر سطح مشترک خواهد بود. ظرفیت یک قطعه با مدار مشترک بین دو صفحه نسبت مستقیم دارد. نمونه های متغیر به طور معمول از نوع عایق پلاستیک و هوا می باشند. آن دسته از قطعاتی که ظرفیت شان توسط دسته متحرک تغییر پیدا می ‌کند واریابل نام دارد. نمونه دیگر به وسیله پیچ گوشتی انجام می‌ گردد که به آن تریمر می ‌گویند.

بازه تغییر دادن ظرفیت انواع قطعات واریابل بین ۱۰ تا ۴۰۰ پیکوفاراد می‌ باشد. در نمونه ‌های تریمر از بین ۵۰ تا ۳۰ پیکوفاراد ظرفیت تغییر خواهد کرد. عمده کاربرد این نمونه قطعات برای گیرنده های رادیویی می باشد.

جهت تنظیم کردن فرکانس انواع ایستگاه‌ های رادیویی این قطعه را مورد استفاده قرار می‌ دهند. برای تست کردن هر یک از انواع خازن ها و همچنین اندازه گیری کردن ظرفیت آنها به وسیله خاصی نیاز خواهید داشت.

برخی از مدل‌ های مولتی مترها دارای آپشن اندازه گیری هستند که شما می توانید آنها را جهت بررسی ظرفیت قطعه مورد استفاده قرار دهید.

انواع خازن های متغیر را در قسمت زیر مطالعه کنید:

خازن های میکا

ظرفیت خازن های میکا حدود یک دهم تا یک میکرو فاراد می باشد. یکی از اصلی ترین ویژگی های خازن های میکا این است که طول عمر زیادی دارد و ولتاژ کاری آن بالا می باشد. کاربرد این قطعه بیشتر در مداراتی است که فرکانس بالا دارند. در بسیاری از مدارات با فرکانس بالا این قطعه را نصب می ‌کنند و کاربرد بی ‌نظیری از آن دریافت می نمایند. خازن های میکا از تلفات کمی برخوردارند و به عنوان یک خازن پایدار و قابل اعتماد مورد توجه می باشند. خازن های میکا دارای ویژگی ها و کاربردهای زیر است که به برخی از آنها اشاره می کنیم:

• دارای دقت بالا
• دارای ولتاژ بالا حداکثر تا ۱ کیلووات
• دارای کیفیت بالای ESR/ESL
• قابلیت استفاده در نوسانگرهای RF به خاطر داشتن ویژگی تلفات کم
• استفاده از خازن های میکا در فرستنده های RF با توان بالا

خازن های ورقه ای پلاستیکی و کاغذی

در این قسمت قصد داریم تا خازن های ورقه ای پلاستیکی و خازن های کاغذی را با هم مقایسه کنیم:

سایر انواع خازن ها

خازن عدسی یا دیسکی از انواع خازن ها

خازن های عدسی دارای ابعاد کوچکی هستند که شبیه به عدس می باشند. این نوع خازن ها در دسته خازن های سرامیکی قرار می گیرند. و از نوع خازن های dip می باشند.

خازن عدسی یا پلی استر بدون پلاریته منفی و مثبت می باشد. محدوده نانو فاراد و پیکو فاراد درون این قطعه وجود دارد. هر چه میزان قدرت این قطعه بالاتر برود سایش آن بزرگ‌ تر می‌ شود.

بر روی خازن عدسی اعدادی ملاحظه می ‌کنید که از روی آنها می توانید ظرفیت قطعه را به دست بیاورید. به عنوان مثال اگر روی یکی از آنها عدد ۴۷۳ را مشاهده کردید باید دو رقم اول را بردارید یعنی رقم ۴۷ بماند. به اندازه رقم سوم جلوی عدد اول صفر بگذارید که می شود ۴۷۰۰۰ این مقدار ظرفیت قطعه را نشان می‌ دهد. در صورت مشاهده نکردن عدد روی قطعه ظرفیت آن را باید به وسیله دستگاه مناسبی تست نمایید.

کاربرد خازن های عدسی یا دیسکی این است که در مدارهایی که فرکانس بالا دارند مورد استفاده قرار می گیرند. چرا که جلوی عبور سیگنال DC یا جریان مستقیم را می گیرند و همانند یک فیلتر عمل می کنند.

خازن های روغنی و گازی

یکی دیگر از خازن هایی که در صنایع برق کاربرد زیادی دارند خازن های روغنی و گازی می باشند. از خازن های روغنی و گازی در موارد زیر استفاده می شود:

• راه اندازی مدارهای الکتریکی
• اصلاح ضریب قدرت خازن ها
• طراحی شده با عایق گازی
• اصلاح ضریب توان خازن های سه فاز

به طور کلی می توان بیان کرد که به مجموعه قطعات به کار رفته در خازن که جهت حذف توان راکتیو در صنایع مورد استفاده قرار می گیرد بانک خازنی گفته می شود.

ابر خازن ها نوعی متمایز از انواع خازن ها

تنها قسمت قابل تسخیری در بسیاری از سیستم‌های الکترونیکی فعلی، که نیاز به توان ذخیره شده در آن دارند ابرخازن است. ظرفیت این خازن‌ها از چند میلی‌فاراد تا چند کیلو‌فاراد متغیر است. در زیر با توضیحاتی درباره ابر خازن آشنا می‌شویم.

اصول کار ابرخازن

ابرخازن‌ها، انرژی الکتریکی را در دو لایه جدا از هم ذخیره می‌کنند. لایه‌ها شامل یک لایه میانی الکترولیتی و دو لایه‌ی الکترود است. ابرخازن ها این قابلیت را دارند تا در چگالی توان بالا که امکان تامین جریان بسیار بالا را فراهم می‌کند مورد استفاده قرار گیرند.

انواع ابرخازن‌ها

ابرخازن‌ها می‌توانند در ابعاد و ظرفیت‌های مختلفی وجود داشته باشند. برخی از نمونه‌های معروف عبارتند از:

• ابرخازن‌های سوپرکاپاسیتور
• ابرخازن‌های قرنطینه‌ای
• ابر کاپا کیتور ها

کاربردهای ابرخازن

ابرخازن‌ها در صنایع مختلفی مانند خودروسازی، الکترونیک صنعتی، انرژی تجدیدپذیر و تجهیزات پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین از ابرخازن ها برای ذخیره انرژی یا استفاده‌هایی مانند پشتیبان‌گیری از حافظه مانند RAM و یا GPS استفاده می شود.

کاربردهای خازن

خازن ها در جاهای مختلفی مورد استفاده قرار می گیرند. کاربرد خازن را در این قسمت مطالعه کنید.

• یکی از کاربرد خازن ها، استفاده در مدارها و انواع سیستم ها می باشد تا بتوان به ذخیره انرژی پرداخت.
• کاربرد دیگر خازن، استفاده در طراحی و تولید تجهیزات الکترونیکی است
• برای ساخت انواع موتورهای الکتریکی از خازن استفاده می شود
• از کاربردهای دیگر خازن می توان به تهویه دستگاه های الکتریکی، اتصال یا قطع سیگنال های الکتریکی اشاره کرد
• از خازن می توان در بسیاری از دستگاه های الکترونیکی و الکتریکی از جمله تلفن‌ های همراه، تلویزیون‌ ها، کامپیوتر ها، و دستگاه‌ های بسیار دیگر به عنوان منبع تغذیه فراگیر بهره جست
• استفاده در در مدار های فیلترینگ جهت کاهش نویز و تداخل الکتریکی از کاربردهای دیگر خازن است
• خازن ها نقش بسیار مهمی را در مدارهای تقویت کننده و مدارهای زمان بندی ایفا می کنند
• کمک به تقویت سیگنال، تنظیم چگونگی انتقال سیگنال الکتریکی، ذخیره انرژی الکتریکی در زمان مورد نیاز از سایر کاربردهای خازم می باشند.

ویژگی و مشخصات خازن

خازن‌ها از جمله قطعات حیاتی در سیستم‌های الکتریکی هستند و برای جبران انرژی الکتریکی و صفر کردن تغییرات جریان الکتریکی در یک مدار استفاده می‌شوند. در زیر، قصد داریم به بررسی مشخصات خازن بپردازیم و نقش و اهمیت آنها را بررسی کنیم.

بار خازن

بار، میزان انرژی الکتریکی است که درون یک خازن ذخیره می‌شود. خازن، یک دستگاه الکترونیکی است که قادر است این انرژی را در حالت الکتریکی نگه دارد. بدین ترتیب، در زمان استفاده از انرژی ذخیره شده در خازن، بار آن به مدار الکترونیکی انتقال داده می‌شود و توان مورد نیاز تامین می‌شود. استفاده از بار خازن در مدارات الکترونیکی به تعداد زیادی مزیت می‌رساند. یکی از مهمترین و کاربردی ترین مزیت ها، استفاده از بار این قطعه در استیبلایزه سازی ولتاژ است. بار خازنها قادر است تغییرات ناخواسته ولتاژ را گرفتار کند و به دلیل ذخیره کردن انرژی الکتریکی، به حفظ ولتاژ ثابت کمک می‌کند.

انرژی ذخیره شده در خازن

انرژی ذخیره شده در خازن، با توجه به ویژگی های منحصر به فرد خود، اهمیت بسیاری در دنیای فناوری و صنعت دارد. انرژی ذخیره شده به مقدار نصف ضرب ولتاژ دوسیموار صفحات بر حسب ژول محاسبه می شود. این می تواند با استفاده از فرمول زیر بیان شود:

E = 1/2 * C * V^2

در این فرمول، E نشان دهنده انرژی ذخیره شده در خازن است، C نشان دهنده ظرفیت و V نشان دهنده ولتاژ آن است.

ظرفیت نامی (C)

ظرفیت نامی یک واحد اندازه گیری مهم در تعیین توان یا جریان مجاز یک سیستم برقی است. این مفهوم معمولا به منظور جلوگیری از اتلاف انرژی، خرابی تجهیزات یا اتصالات و همچنین حفظ سلامت کارکرد سیستم به کار می رود. ظرفیت نامی با هماهنگی منابع تامین برق و نیازهای بار مورد استفاده قرار می گیرد. بدون رعایت ظرفیت نامی، سیستم برقی با خطر مواجه می شود.

ولتاژ خازن

خازن ها دارای ولتاژی هستند که درون آنها ذخیره می شود. هر خازنی دارای ولتاژ تعیین شده ای است که بر روی آن نوشته شده است. البته در برخی از خازن ها، مقدار مشخصی روی آنها نوشته نشده است، در این صورت مقدار ولتاژ خازن را ۵۰v در نظر بگیرید. این نکته را مدنظر داشته باشید که اگر بیش از مقدار تعیین شده، ولتاژ خازن ها بالا برود، ویژگی دی الکتریک آنها پلاریزه شده و عایق آنها از بین خواهد رفت.

ولتاژ کاری (WV)

بدون ولتاژ کاری مناسب، هیچ سیستم الکتریکی یا الکترونیکی نمی تواند به درستی عمل کند. ولتاژ کاری به میزان حداکثر ولتاژی اشاره دارد که یک رابطه یا قطعه الکتریکی می تواند در آن به درستی عمل کند. با در نظر گرفتن این ولتاژ کاری، امکان شکستن رابطه یا قطعه به روشنی کاهش می یابد و عملکرد سیستم بهبود می یابد.

قدرت تحمل (±%)

قدرت تحمل یک خازن معیاری است که نشان‌دهنده میزان برقی بودن آن است. در واقع، این عدد نشان‌دهنده حداکثر ولتاژی است که یک خازن می‌تواند تحمل کند بدون اینکه خراب شود. عموماً، قدرت تحمل به دو صورت مثبت و منفی به اندازه‌های کنونی ولتاژ تعریف می‌شود. به عبارت دیگر، اگر قدرت تحمل ±۱۰% باشد، خازن می‌تواند ولتاژ بین ۱۰% بیشتر و ۱۰% کمتر از مقدار تعریف شده تحمل کند.

جریان نشتی خازن

جریان نشتی خازن زمانی اتفاق می‌افتد که جریان بار الکتریکی از میان خازن عبور نمی‌کند و در عوض از نقاط مرزی خازن نشت می‌کند. این مسئله ممکن است منجر به افت ولتاژ خازن، افزایش مصرف توان و در نهایت خرابی دستگاه یا سیستم الکترونیکی شود.

دمای کاری (T)خازن

دمای کاری، دمای محیطی است که در آن خازن باید به طور پایدار عمل کند و عملکرد بهینه را داشته باشد. در واقع، دمای کاری خازن تاثیر مستقیم و بسیار مهمی بر عمر و کارایی آن دارد. از طریق بررسی دمای کاری می‌توانیم از خازنها در محدوده یازدهمین قانون کران استفاده کنیم و جلوی افزایش دمای غیرمجاز و خطراتی که با آن همراه است را بگیریم.

ضریب دما (TC)خازن

ضریب دما خازن (TC) به عنوان یکی از ویژگی های آن ها در نظر گرفته می شود و نشان دهنده تغییر مقدار خازن بر اثر تغییر دما است. یعنی با تغییر دما، اندازه آن نیز تغییر می کند و این تغییر در بازه دماهای مشخص به صورت خطی رخ می دهد. ضریب دما به واحد ppm/°C (پارت بر میلیون درجه سانتیگراد) اندازه گیری می شود.

قطبیت خازن

قطبیت خازن به وجود آمدن یک جریان الکتریکی در مقابل یک تغییر ولتاژ متصل شده به آن را اشاره دارد. به طور ساده، خازن‌هایی که قطبیت دارند، قادر به ذخیره شارژ مثبت یا منفی هستند، در حالی که انواع غیر قطبی، فقط قادر به ذخیره شارژ مثبت یا موازنه‌ای هستند.

مقاومت سری معادل (ESR)خازن

مقاومت سری معادل خازن یا ESR، در واقع میزان مقاومتی است که این قطعه در داخل خود دارد. این مقاومت از ناحیه‌ای ریزتر و بسته‌تر از مناطق قسمت‌های ساختار خازن تشکیل شده است و می‌تواند به طور مستقل باعث تولید حرارت شود. این امر باعث افزایش کارایی و عمر مفید دستگاه‌ها می‌شود.

جمع بندی کلام آخر فنون برق

در این مقاله، مشخصات خازن، نقش و اهمیت آن آن و اهمیتش در سیستم‌های الکتریکی را بررسی کردیم. مشخصات هر خازن از اهمیت بالایی برخوردار هستند، زیرا میزان کارایی آن در سیستم الکتریکی به طور مستقیم به همین مشخصات وابسته است. به همین دلیل، در طراحی و بهینه‌سازی سیستم‌های الکتریکی، آگاهی از مشخصات خازن به مدیریت اثربخش آن کمک می‌کند. منتها، برای استفاده حرفه‌ای از آنها، بهتر است به سرویس‌دهی و نحوه استفاده از آن‌ها نیز توجه کنیم، زیرا این موارد نقش مهمی در برقراری عملکرد بهینه این عناصر در سیستم‌های الکتریکی ایفا می‌کنند.

در نهایت می توان نتیجه گرفت که خازن های میکا از سری خازن های معمول محسوب نمی شوند و دارای مقاومت و پایداری بالا هستند. ابرخازن ها بیشتر سبیه به قطعاتی هستند که کار ذخیره باطری را انجام می دهند و دارای ویژگی هایی همچون ظرفیت بالا، ویژگی شارژ سریع و چگالی انرژی بالا می باشند و بیشتر برای صنعت خودروسازی مورد استفاده قرار خواهند گرفت. خازن های تانتانیوم نیز دارای ظرفیت بالا در حجم کوچک و مقاومت بالا در مقابل دما هستند.

آموزشگاه فنون برق یکی از بهترین آموزشگاه های برگزار کننده دوره های آموزشی تعمیرات برد الکترونیکی در تهران است که به صورت عملی و در کارگاه مجهز همچنین زیر نظر فنی حرفه ای این دوره را برگزار و صفر تا صد عیب یابی و تعمیر انواع برد الکترونیکی را به شما آموزش می دهد.