خازن و انواع آن

در این مقاله قصد داریم در مورد یک قطعه الکترونیکی پر کاربرد، یعنی خازن صحبت کنیم.

فهرست مطالب

• 1- مقدمه ای بر خازن
• 1-1- خازن چیست؟
• 1-2- ساختار داخلی خازن و نحوه کار آن
• 1-3- پارامترهای مهم خازن
• 1-4- اهمیت ولتاژ و دی الکتریک در عملکرد خازن
• 1-5- خلاصه مقدمه ای بر خازن‌ها
• 2- انواع خازن‌ها
• 2-1- خازن‌های ثابت
• 2-2- خازن‌های متغیر
• 2-3- خازن‌های غیر قطبی
• 2-4- خازن‌های قطبی

 

1 – مقدمه ای بر خازن‌ها

در این بخش، خواهیم دید که خازن‌ها اجزای الکترونیکی غیرفعالی هستند که از دو یا چند ماده رسانا تشکیل و توسط یک ماده عایق از هم جدا شده‌اند.

1-1- خازن چیست؟

خازن قطعه ای است که توانایی یا “ظرفیت” ذخیره انرژی را به شکل یک بار الکتریکی که باعث ایجاد اختلاف پتانسیل (ولتاژ استاتیک) در صفحات خود می‌شود، مانند یک باتری کوچک قابل شارژ، دارد.

انواع مختلفی از خازن‌ها، از خازن بسیار کوچک که در مدارهای رزونانس (تشدید) استفاده می‌شوند تا خازن‌های بزرگ تصحیح کننده ضریب توان وجود دارد، که همه آن ها به طور مشابه کار ذخیره انرژی را انجام می‌دهند.

1-2- ساختار داخلی خازن و نحوه کار آن

یک خازن در شکل اصلی خود، از دو یا چند صفحه رسانا (فلزی) موازی تشکیل شده‌است که به یکدیگر متصل نیستند و با یکدیگر تماس ندارند،اما به صورت الکتریکی یا توسط هوا یا نوعی ماده عایق خوب از هم جدا می‌شوند.

این ماده عایق می‌تواند کاغذ مومی، میکا، سرامیک، پلاستیک یا نوعی ژل مایع باشد که در خازن‌های الکترولیتی استفاده می‌شود.

به عنوان یک مقدمه خوب برای خازن‌ها، شایان ذکر است که لایه عایق بین صفحات خازن معمولاً دی الکتریک نامیده می‌شود.

با توجه به این لایه عایق، جریان DC نمی‌تواند از خازن عبور کند، چراکه آن را مسدود می‌کند؛ اما به جای آن اجازه می‌دهد که ولتاژ در سراسر صفحات به شکل بار الکتریکی وجود داشته باشد.

هنگامی که یک خازن در مدار جریان مستقیم یا DC استفاده می‌شود، تا ولتاژ تغذیه خود شارژ می‌شود و گردش جریان را از این طریق مسدود می‌کند؛ زیرا دی الکتریک خازن نارسانا و اساساً یک عایق است.

با این حال، هنگامی که یک خازن به یک جریان متناوب یا مدار AC متصل می‌شود، به نظر می رسد که گردش جریان مستقیما، با مقاومت کم یا بدون مقاومت، از خازن عبور می‌کند.

نحوه کار خازن

دو نوع بار الکتریکی وجود دارد، یک بار مثبت به شکل پروتون و یک بار منفی به شکل الکترون.

هنگامی که ولتاژ DC به یک خازن اعمال می‌شود، بار مثبت (ve+) به سرعت در یک صفحه جمع می‌شود و بار منفی متناظر و مخالف (ve-) در صفحه دیگر تجمع می یابد.

برای هر ذره بار ve+ که به یک صفحه می رسد، باری با همان علامت از صفحه ve- خارج می‌شود.سپس صفحات، خنثی می مانند و اختلاف پتانسیل ناشی از این بار، بین دو صفحه ایجاد می‌شود. هنگامی که خازن به حالت پایدار خود برسد، جریان الکتریکی به دلیل خواص عایق دی الکتریک مورد استفاده برای جداسازی صفحات، قادر به عبور از خود خازن و اطراف مدار نیست.

جریان الکترون ها بر روی صفحات، به عنوان جریان شارژ خازن شناخته می‌شود و تا زمانی که ولتاژ در هر دو صفحه (و بنابراین خازن) برابر با ولتاژ اعمال شده Vc باشد به جریان خود ادامه می‌دهد.

در این مرحله گفته می‌شود که خازن با الکترون‌ها “کاملاً باردار” شده‌است.

قدرت یا نرخ این جریان شارژ زمانی که صفحات کاملاً دشارژ می‌شوند (شرایط اولیه) به حداکثر مقدار خود می رسد و به آرامی مقدار آن به صفر کاهش می یابد، زیرا صفحات تا، اختلاف پتانسیل بین صفحات خازن برابر با ولتاژ منبع، شارژ می‌شوند.

مقدار اختلاف پتانسیل موجود در خازن به ظرفیت خازن و مقدار باری که توسط کار انجام شده توسط ولتاژ منبع در صفحات رسوب شده، بستگی دارد.

شکل زیر ساختار داخلی خازن را نشان می‌دهد.

1-3- پارامترهای مهم خازن

خازن صفحه موازی ساده ترین شکل خازن است.

این نوع خازن را می‌توان با استفاده از دو صفحه فویل فلزی یا متالایز در فاصله موازی با یکدیگر ساخت.

ظرفیت خازن بر حسب فاراد است که توسط سطح صفحات رسانا و فاصله جدایی بین آنها ثابت می‌شود.

تغییر هر یک از این مقادیر، مقدار ظرفیت خازن را تغییر می‌دهد که البته اساس عملکرد خازن‌های متغیر را نیز تشکیل می‌دهد.

همچنین، از آنجا که خازن‌ها انرژی الکترون‌ها را به شکل بار الکتریکی روی صفحات ذخیره می‌کنند، هرچه صفحات بزرگتر و/یا فاصله آنها کوچکتر باشد، باری که خازن برای هر ولتاژ معین در صفحات خود نگه می‌دارد، بیشتر خواهد بود.

به عبارت دیگر می‌توان گفت صفحات بزرگتر، فاصله کمتر، و ظرفیت بیشتر.

با اعمال ولتاژ به خازن و اندازه گیری بار روی صفحات، نسبت بار Q به ولتاژ V، ظرفیت خازن به دست می آید که به صورت زیر است:

C = Q/V

این معادله همچنین می‌تواند به شکل دیگری مرتب شود تا فرمول آشنا برای مقدار بار روی صفحات را به صورت زیر ارائه دهد:

Q = C x V

اگرچه گفتیم که بار بر روی صفحات خازن ذخیره می‌شود، اما دقیق تر است که بگوییم انرژی درون بار در یک “میدان الکترواستاتیک” بین دو صفحه ذخیره می‌شود.

هنگامی که جریان الکتریکی وارد خازن می‌شود، خازن شروع به شارژ می‌کند و از آنجاییکه انرژی بیشتری بین صفحات ذخیره می‌شود، میدان الکترواستاتیک بسیار قوی تر می‌شود.

به همین ترتیب، با خارج شدن جریان از خازن و تخلیه آن، اختلاف پتانسیل بین دو صفحه کم می‌شود و با خروج انرژی از صفحات، میدان الکترواستاتیک کاهش می‌یابد.

1) ظرفیت خازن

خاصیت خازن برای ذخیره بار برروی صفحات خود به صورت میدان الکترواستاتیکی، ظرفیت خازن نامیده‌می‌شود.

به عبارتی، ظرفیت خازن خاصیت الکتریکی یک خازن‌است و اندازه‌گیری توانایی خازن برای ذخیره بار الکتریکی بر روی دو صفحه آن را نشان می‌دهد که واحد ظرفیت آن فاراد (به اختصار F) به نام مایکل فارادی فیزیکدان بریتانیایی‌است.

زمانی که یک بار یک کولنی بر روی صفحات خازن با ولتاژ یک ولت ذخیره می‌شود، ظرفیت خازن برابر یک فاراد‌است.

توجه داشته باشید که ظرفیت خازن (C) همیشه مثبت است و واحد منفی ندارد.

با این حال، فاراد یک واحد اندازه گیری بسیار بزرگ‌است که به صورت میکرو فاراد، نانوفاراد و پیکو فاراد استفاده‌می‌شود.

واحدهای استاندارد ظرفیت خازن

میکروفاراد (μF):    1μF = 1/1,000,000 = 0.000001 = 10^-6 F

نانوفاراد(nF) :        1nF = 1/1,000,000,000 = 0.000000001 = 10^-9 F

پیکوفاراد (pF) :     1pF = 1/1,000,000,000,000 = 0.000000000001 = 10^-12 F

حال با استفاده از اطلاعات فوق می‌توانیم یک جدول ساده بسازیم تا با کمک آن به راحتی واحدهای ظرفیت خازن را، به طور مثال از پیکو فاراد (pF)، به نانو فاراد (nF)، به میکرو فاراد (μF) و به فاراد (F) تبدیل کنیم.

ظرفیت خازن صفحه موازی، با مساحت ( A بر حسب مترمربع) رابطه مستقیم و با فاصله، (d یعنی ضخامت دی الکتریک بر حسب متر) بین دو صفحه رسانا، نسبت معکوس دارد.

معادله تعمیم یافته برای ظرفیت خازن صفحه موازی به صورت زیر‌است:

C = ε(A/d)

که در آن ε نشان دهنده گذردهی مطلق ماده دی الکتریک مورد استفاده‌است.

ثابت دی الکتریک، εo به عنوان “گذردهی فضای آزاد” شناخته‌می‌شود، و دارای مقدار ثابت  12- ^10* 8.854 فاراد بر متر‌است.

برای اینکه ریاضیات کمی ساده تر شود، این ثابت دی الکتریک فضای آزاد، εo، را می‌توان به صورت زیر نوشت:

1/(4π x 9×109)،

که البته ممکن‌است واحدهای پیکوفاراد (pF) در هر متر را نیز به عنوان ثابت داشته باشد: 8.85 برای مقدار فضای آزاد.

توجه داشته باشید که مقدار ظرفیت خازنی حاصل بر حسب پیکو فاراد خواهد بود نه بر حسب فاراد.

به طور کلی، صفحات رسانای یک خازن به جای خلاء کامل، توسط نوعی ماده عایق یا ژل جدا می‌شوند.

هنگام محاسبه ظرفیت خازن، می‌توان گذردهی هوا و به‌ویژه هوای خشک را به اندازه خلاء در نظر گرفت، زیرا بسیار نزدیک هستند.

2) دی الکتریک

همانند اندازه کلی صفحات رسانا و فاصله آنها از یکدیگر، عامل دیگری که بر ظرفیت کلی خازن تأثیر می گذارد، نوع ماده دی الکتریک مورد استفاده‌است.

مواد عایق مختلف که به عنوان دی الکتریک در خازن استفاده‌می‌شوند در توانایی شان برای مسدود کردن یا عبور بار الکتریکی متفاوت هستند.

این ماده دی الکتریک را می‌توان از تعدادی مواد عایق یا ترکیبی از این مواد ساخت که متداول ترین انواع آن عبارتند از: هوا، کاغذ، پلی استر، پلی پروپیلن، مایلار، سرامیک، شیشه، روغن و یا انواع مواد دیگر.

عاملی که توسط آن ماده دی الکتریک یا عایق، ظرفیت خازن را در مقایسه با هوا افزایش می‌دهد، به عنوان ثابت دی الکتریک k شناخته‌می‌شود و ماده دی الکتریک با ثابت دی الکتریک بالا عایق بهتری نسبت به ماده دی الکتریک با ثابت دی الکتریک پایین‌تر‌است.

ثابت دی الکتریک بدلیل آن که نسبت به فضای آزاد است، یک کمیت بدون بعد‌است.

3) گذردهی پیچیده

گذردهی واقعی یا “گذردهی پیچیده” ماده دی الکتریک بین صفحات، حاصل ضرب گذردهی فضای آزاد (εo) و گذردهی نسبی (εr) ماده مورد‌استفاده به عنوان دی الکتریک‌است که به صورت زیر نشان داده‌می‌شود:

 ε  =  εo * εr   

به عبارت دیگر، اگر گذردهی فضای آزاد εo را به عنوان سطح پایه خود در نظر بگیریم و آن را برابر با یک قرار دهیم، هنگامی که خلاء فضای آزاد با نوع دیگری از مواد عایق جایگزین شود، گذردهی دی الکتریک آنها به دی الکتریک پایه فضای آزاد ارجاع داده‌می‌شود که یک پارامتر ضربی به نام “گذردهی نسبی”، εr می‌دهد.

بنابراین مقدار گذردهی مختلط ε همیشه برابر با گذردهی نسبی ضربدر یک خواهد بود.

واحدهای معمولی گذردهی دی الکتریک، ε یا ثابت دی الکتریک برای مواد رایج عبارتند از:

خلاء خالص = 1.0000، هوا = 1.0006، کاغذ = 2.5 تا 3.5، شیشه = 3 تا 10، میکا = 5 تا 7، چوب = 3 تا 8 و فلز اکساید = 6 تا 20 و غیره.

معادله نهایی ظرفیت خازن به صورت زیر‌است:

 

C = εo*εr*A/d

یکی از روش‌هایی که برای افزایش ظرفیت کلی یک خازن و در عین حال کوچک نگه‌داشتن اندازه آن استفاده‌می‌شود، این‌است که صفحات بیشتری را در بدنه خازن به هم بچسبانیم.

در واقع، به جای تنها یک مجموعه از صفحات موازی، یک خازن می‌تواند صفحات مجزای زیادی را به هم متصل کند و در نتیجه مساحت سطح صفحات را افزایش دهد.

همانطور که در بالا نشان داده‌شده‌است، یک خازن صفحه موازی استاندارد دارای دو صفحه‌است که دارای برچسب A و B هستند.

از آنجایی که تعداد صفحات خازن برابر دو‌است، می‌توان گفت n = 2، که در آن “n” نشان دهنده تعداد صفحات‌است.

سپس معادله ما در بالا برای یک خازن صفحه موازی منفرد به شکل زیر تغییر می‌کند.

C = εo*εr*(n-1) *A/d

با این حال، خازن ممکن‌است دو صفحه موازی داشته باشد اما فقط یک طرف هر صفحه با دی الکتریک (در وسط) تماس داشته باشد، زیرا طرف دیگر هر صفحه، قسمت بیرونی خازن را تشکیل می‌دهد.

اگر دو نیمه صفحات را برداریم و آنها را به هم وصل کنیم، به طور موثر فقط “یک” صفحه کامل در تماس با دی الکتریک خواهیم داشت.

در مورد یک خازن صفحه موازی تک، n – 1 = 2 – 1 و برابر با یک و به صورت  C = (εo*εr x 1 x A)/d است که دقیقاً با معادله C = (εo*εr*A)/d که معادله استاندارد‌است، برابراست.

حال فرض کنید یک خازن از 9 صفحه بهم پیوسته تشکیل شده‌است،که در این صورت 9 n =است.

خازن چند صفحه ای

اکنون پنج صفحه داریم که یکی از آن ها به سمت (A) و چهار صفحه دیگر به سمت (B) متصل شده اند.

سپس هر دو طرف چهار صفحه متصل به B با دی الکتریک در تماس هستند، در حالی که تنها یک طرف از هر یک از صفحات خارجی متصل به A با دی الکتریک در تماس‌است.

بنابراین، مساحت سطح مفید هر مجموعه از صفحات برابر هشت‌است و ظرفیت آن به صورت زیر بدست می آید:

C = εo*εr*(n-1) *A/d = C = εo*εr*(9-1) *A/d = 8* εo*εr *A/d

دسته بندی خازن‌ها

طبقه بندی خازن‌های مدرن را می‌توان با توجه به ویژگی‌ها و خواص دی الکتریک عایق آنها به صورت زیر انجام داد:

– خازن‌هایی با تلفات کم و پایداری بالا، مانند میکا، سرامیک با ثابت دی الکتریک پایین، پلی استایرن.

– خازن‌هایی با تلفات متوسط و پایداری متوسط، مانند کاغذ، فیلم پلاستیکی، سرامیک با کیفیت بالا.

– و خازن‌های پلاریزه مانند الکترولیتیک، تانتالیوم.

1-4- اهمیت ولتاژ و دی الکتریک در عملکرد خازن

همه خازن‌ها دارای حداکثر درجه ولتاژ هستند و هنگام انتخاب خازن باید به مقدار ولتاژ اعمال شده در خازن توجه شود.

حداکثر مقدار ولتاژی که می‌توان بدون آسیب به مواد دی الکتریک خازن اعمال کرد، عموماً در برگه های داده به صورت: WV، (ولتاژ کاری) یا WV DC، (ولتاژ کاری DC) آورده شده‌است.

ولتاژ کاری خازن به نوع ماده دی الکتریک مورد‌استفاده و ضخامت آن بستگی دارد.

در صورتیکه ولتاژ اعمال‌شده به خازن خیلی زیاد باشد، دی الکتریک شکسته می‌شود (معروف به خرابی الکتریکی) و بین صفحات خازن، قوس الکتریکی ایجاد می‌شود که منجر به اتصال کوتاه می‌شود.

ولتاژ کاری DC یک خازن، حداکثر ولتاژ DC و نه حداکثر ولتاژ  ACآن‌است؛ بنابراین، یک خازن با درجه ولتاژ 100 ولت DC نمی‌تواند به طور ایمن تحت ولتاژ 100 ولت AC قرار گیرد.

از آنجایی که یک ولتاژ متناوب دارای مقدار RMS‌است، مقدار پیک ولتاژ 100 ولت بیش از 141 ولت خواهد بود! (√2*100).

خازن

پس خازنی که برای کار در ولتاژ 100 ولت AC مورد نیاز‌است باید حداقل ولتاژ کاری 200 ولت داشته‌باشد.

در عمل، خازن باید طوری انتخاب شود که ولتاژ کاری DC یا AC آن حداقل 50 درصد بیشتر از بالاترین ولتاژ موثری باشد که به آن اعمال می‌شود.

عامل دیگری که بر عملکرد یک خازن تأثیر می‌گذارد، نشت دی الکتریک‌است.

نشت دی الکتریک در خازن در نتیجه یک جریان نشتی ناخواسته که از مواد دی الکتریک عبور کرده است، رخ می‌دهد.

به طور کلی، فرض بر این است که مقاومت دی الکتریک بسیار بالا است و عایق به خوبی گردش جریان DC را از طریق خازن (مانند یک خازن کامل) از یک صفحه به صفحه دیگر مسدود می‌کند.

با این حال، اگر مواد دی الکتریک به دلیل ولتاژ بیش از حد یا دمای بیش از حد آسیب ببیند، جریان نشتی از طریق دی الکتریک بسیار زیاد‌می‌شود

که منجر به از دست دادن سریع شارژ روی صفحات و گرم شدن بیش از حد خازن و در نهایت خرابی زودرس خازن‌می‌شود.

بنابراین، هرگز از خازن، در مداری با ولتاژ بالاتر از آن استفاده‌نکنید، چراکه داغ و در نهایت منفجر‌می‌شود.

1-5- خلاصه مقدمه ای بر خازن‌ها

در این بخش متوجه شدیم که وظیفه خازن، ذخیره بار الکتریکی روی صفحات خود‌است.

مقدار بار الکتریکی که یک خازن می‌تواند روی صفحات خود ذخیره کند، به عنوان مقدار ظرفیت آن شناخته می‌شود و به سه عامل اصلی بستگی دارد که عبارتند از:

مساحت سطح (A): سطح خازن عبارت‌است از دو صفحه رسانا که خازن را تشکیل می‌دهند، هر چه مساحت صفحات بزرگتر باشد، ظرفیت خازن بیشتر‌است.

فاصله (d): فاصله بین دو صفحه‌است، هر چه فاصله کمتر باشد ظرفیت خازنی بیشتر‌است.

مواد دی الکتریک: نوع ماده ای که دو صفحه را از هم جدا می‌کند “دی الکتریک” نامیده می‌شود، هرچه گذردهی دی الکتریک بالاتر باشد، ظرفیت خازنی بیشتر‌است.

دی الکتریک یک خازن می‌تواند هوا یا حتی خلاء باشد، اما به طور کلی یک ماده عایق غیر رسانا مانند کاغذ مومی، شیشه، و میکا‌ست.

دی الکتریک دارای مزایایی به شرح زیر‌است:

• – ثابت دی الکتریک، خاصیت ماده دی الکتریک‌است و از یک ماده به ماده دیگر تغییر می‌کند و ظرفیت خازن را با ضریب k افزایش می‌دهد.
• – دی الکتریک، پشتیبانی مکانیکی بین دو صفحه را فراهم می‌کند و اجازه می‌دهد صفحات بدون تماس، به یکدیگر نزدیک شوند.
• – گذردهی دی الکتریک باعث افزایش ظرفیت خازنی می‌شود.
• – دی الکتریک حداکثر ولتاژ کاری را در مقایسه با هوا افزایش می‌دهد.

خازن

خازن‌ها را می‌توان در بسیاری از کاربردها و مدارهای مختلف مانند مسدود کردن جریان DC در حین عبور سیگنال‌های صوتی، پالس‌ها یا جریان متناوب یا سایر اشکال موج‌های متغیر‌استفاده کرد.

این توانایی در مسدود کردن جریان‌های DC، خازن‌ها را قادر می‌سازد تا ولتاژهای خروجی منابع تغذیه را صاف کنند،

تا اسپک‌های ناخواسته را از سیگنال‌ها حذف کنند که در غیر این صورت باعث آسیب یا تحریک نادرست نیمه‌رساناها یا قطعات دیجیتال می‌شوند.

خازن‌ها همچنین می‌توانند برای تنظیم پاسخ فرکانس مدار صوتی یا جفت کردن مراحل جداگانه تقویت‌کننده که باید از انتقال جریان DC محافظت شوند، استفاده‌شوند.

هنگامی که خازن در منابع DC استفاده می‌شود، دارای امپدانس بی نهایت (مدار باز)‌است، درحالیکه در فرکانس های بسیار بالا دارای امپدانس صفر (اتصال کوتاه)‌است.

همه خازن‌ها دارای حداکثر ولتاژ کاری DC (WVDC) هستند، از این رو توصیه می‌شود که خازن‌ها را با مقدار ولتاژ حداقل ۵۰ درصد بیشتر از ولتاژ تغذیه انتخاب کنید.

در این بخش به بررسی خازن پرداختیم و می دانیم که خازن انواع بسیار مختلفی دارد که هر کدام مزایا، معایب و ویژگی های خاص خود را دارند.

از این رو، در ادامه به بررسی رایج ترین انواع خازن پرداخته‌می‌شود.

 

2- انواع خازن‌ها

انواع مختلفی از خازن‌ها در بازار موجود‌است که هر کدام ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند.

آن ها،  از خازن‌های ظریف بسیار کوچک که در مدارهای نوسان ساز یا رادیویی استفاده‌می‌شوند تا خازن‌های بزرگ که در مدارهای صاف‌کننده و  تصحیح‌کننده ولتاژ بالا استفاد‌ه‌می‌شوند، متغیر هستند.

انواع تجاری خازن‌ها از فویل فلزی ساخته می‌شوند که با ورقه های نازک کاغذ آغشته به پارافین یا مایلار به عنوان ماده دی الکتریک در هم آمیخته شده‌اند.

برخی از خازن‌ها شبیه لوله هستند، زیرا صفحات فویل فلزی به شکل یک سیلندر پیچیده می‌شوند تا یک بسته کوچک را که مواد دی الکتریک عایق بین آنها قرار می‌گیرد، تشکیل دهند.

خازن‌های کوچک اغلب از مواد سرامیکی ساخته‌می‌شوند و سپس برای آب بندی در یک رزین اپوکسی فرو می‌روند.

بر اساس ساختار، خازن‌ها را می‌توان به صورت زیر طبقه بندی کرد:

• – خازن‌های ثابت
• – خازن‌های متغیر

2-1- خازن‌های ثابت

اکثریت خازن‌ها تا حد زیادی، از نوع خازن‌های ثابت هستند، یعنی هیچ امکان تنظیمی برای آن ها وجود ندارد و خود براساس پلاریزاسیون به دو دسته تقسیم می‌شوند.

1) خازن پلاریزه یا قطبی

2) خازن غیرپلاریزه یا غیرقطبی

خازن پلاریزه یک جزء مهم از مدار الکترونیکی‌است و اغلب به عنوان خازن الکترولیتی شناخته‌می‌شود.

از این خازن‌ها برای دستیابی به چگالی خازنی بالا استفاده‌می‌شود.

اساساً یک خازن پلاریزه خازنی‌است که باید با ولتاژ دو طرف آن در یک قطبیت خاص کار شود.

برخی از انواع محبوب‌ خازن‌های پلاریزه شامل الکترولیت آلومینیومی و تانتالیوم هستند.

این قطعات الکترونیکی برای نشان‌دادن ترمینال مثبت یا منفی علامت‌گذاری شده‌اند و فقط باید با بایاس ولتاژ در این جهت کار کنند، چراکه بایاس معکوس می‌تواند به آنها آسیب برساند یا از بین ببرد.

از آنجایی که خازن‌ها وظایف زیادی مانند کوپلینگ و جداسازی را انجام می‌دهند، یک ولتاژ DC دائمی در سراسر آن­ها وجود دارد و آنها فقط هر جزء AC را از خود عبور می‌دهند.

شکل دیگر خازن، خازن غیرپلاریزه یا غیرقطبی‌است.

این نوع خازن نیازی به قطبیت ندارد و می‌توان آن را به هر صورت در طراحی مدار استفاده کرد.

سرامیک، فیلم پلاستیکی، میکای نقره ای و تعدادی خازن دیگر، از نوع خازن‌های غیر قطبی هستند.

معمولا خازن‌های غیرقطبی بر خازن‌های قطبی ترجیح داده‌می‌شوند؛ چراکه در اثر ولتاژ معکوس از بین نمی روند و می‌توانند در مدارهای AC خالص استفاده‌شوند.

آنها همچنین در مدارهای DC کاربردهایی پیدا می‌کنند زیرا انتهای مثبت و منفی ندارند.

فرکانس خازن غیرقطبی زیاد و جریان نشتی آن کم‌است.

2-2- خازن‌های متغیر

خازن‌های متغیر دسته دیگری ازخازن‌ها هستند که قابلیت تنظیم کردن و تغییر دادن را دارند.

همان طور که در بخش قبل بررسی شد، ظرفیت خازن را می‌توان با استفاده‌از سه پارامتر، فاصله صفحات، سطح صفحات و نوع دی‌الکتریک تغییر داد.

خازن متغیر بر مبنای تغییر سطح مشترک صفحات خازن یا تغییر ضخامت دی‌الکتریک کار می‌کند.

این خازن‌ها، معمولاً دارای مقادیر نسبتاً پایینی هستند و گاهی اوقات حداکثر مقدار آن ها حدود pF 1000‌است.

کاربرد این نوع از خازن‌ها در گیرنده‌های رادیویی برای تنظیم فرکانس ایستگاه رادیویی‌است.

خازن‌های متغیر نیز ممکن‌است براساس مکانیزم عملکردشان به دو دسته الکتریکی و مکانیکی تقسیم شوند که البته دسته مکانیکی نیز شامل:

• – خازن‌های تیونینگ یا تنظیم
• – و خازن‌های تریمر یا متغیر‌است.

خازن‌های تیونینگ، توسط یک دکمه کنترل تنظیم می‌شوند و معمولاً در مدارهای LC برای تنظیم رادیو و غیره استفاده‌شوند.

دی الکتریک مورد‌استفاده در این نوع خازن هوا یا میکا‌است.

خازن‌های تریمر یا متغیر از پیش تعیین‌شده، معمولاً دارای یک پیچ تنظیم هستند و برای تنظیم در هنگام راه اندازی، کالیبراسیون و آزمایش و غیره استفاده‌می‌شوند.

اینها عموماً دستگاه‌های کوچکی هستند که می‌توانند با کمک یک پیچ گوشتی کوچک روی یک مقدار ظرفیت خازنی تنظیم یا «پیش‌تنظیم» شوند و در ظرفیت‌های بسیار کوچک  pF 500 یا کمتر موجود می‌باشند.

از نمونه خازن‌های متغیر، می‌توان به خازن دی الکتریک اشاره کرد.

خازن‌های دی الکتریک معمولاً از نوع متغیر‌هستند که برای تغییر مداوم ظرفیت جهت تنظیم فرستنده‌ها، گیرنده‌ها و رادیوهای ترانزیستوری استفاده‌می‌شوند.

خازن‌های دی الکتریک متغیر، از نوع فاصله هوای چند صفحه‌ای هستند که دارای مجموعه‌ای از صفحات ثابت (پره های استاتور) و مجموعه‌ای از صفحات متحرکند (پره‌های روتور) که در بین صفحات ثابت حرکت می‌کنند.

موقعیت صفحات متحرک نسبت به صفحات ثابت، مقدار ظرفیت کلی خازن را تعیین‌می‌کند.

زمانی که دو مجموعه صفحه، کاملاً به هم متصل شوند، ظرفیت خازنی حداکثر‌می‌شود.

خازن‌های تنظیم‌کننده ولتاژ بالا، دارای فواصل یا شکاف‌های هوای نسبتاً بزرگی بین صفحات هستند، به شکلی که ولتاژهای شکست آن ها به هزاران ولت می‌رسد.

پس از درک طبقه بندی خازن‌ها، اجازه دهید با انواع آن ها آشنا شویم.

2-3- خازن‌های غیر قطبی

1) خازن فیلمی

خازن‌های فیلمی، متداول‌ترین نوع خازن‌ها هستند که از خانواده نسبتاً بزرگی از خازن‌ها تشکیل شده‌اند

و تفاوت آن‌ها در خواص دی الکتریک مانند پلی استر (Mylar)، پلی استایرن، پلی پروپیلن، پلی کربنات، کاغذ متالیزه، تفلون و غیره‌است.

این نوع خازن بسته به نوع واقعی خازن و درجه ولتاژ آن، در محدوده ظرفیتی از  pF 5 تا بزرگی به اندازه uF   100 موجود‌است.

خازن‌های فیلمی در انواع شکل‌ها و سبک‌های بدنه موجود می‌باشند که عبارتند از:

Wrap & Fill (بیضی و گرد): خازن در یک نوار پلاستیکی محکم پیچیده شده‌است و انتهای آن برای بسته شدن با اپوکسی پر شده‌است.

اپوکسی (مستطیل و گرد): خازن در یک پوسته پلاستیکی قالب‌گیری‌شده قرار‌می‌گیرد که سپس با اپوکسی پر‌می‌شود.

محفظه فلزی هرمس (مستطیل و گرد): خازن در یک لوله فلزی یا قوطی محصور شده و دوباره با اپوکسی مهر و موم شده‌است.

در تمام سبک های فوق، هر دو لید محوری و شعاعی موجود‌است.

خازن‌های فیلمی که از پلی استایرن، پلی کربنات یا تفلون به عنوان دی الکتریک خود استفاده‌می‌کنند، به عنوان “خازن‌های پلاستیکی” نیز شناخته‌می‌شوند.

ساخت خازن‌های فیلمی پلاستیکی مشابه خازن‌های فیلمی کاغذی‌است، با این تفاوت که از یک فیلم پلاستیکی به جای کاغذ استفاده‌می‌شود.

مزیت اصلی انواع خازن فیلمی پلاستیکی در مقایسه با انواع کاغذ آغشته‌شده این‌است

که آنها در شرایط دمای بالا به خوبی عمل می‌کنند،

تلورانس کمتر، عمر بسیار طولانی و قابلیت اطمینان بالایی دارند.

نمونه‌هایی از خازن‌های فیلمی، از قبیل فیلمی متالایز مستطیلی، و فیلمی و فویلی سیلندری (استوانه‌ای) در ادامه نشان داده‌شده‌است.

نوع شعاعی:

 

نوع محوری:

انواع خازن فیلمی و فویلی از نوارهای نازک بلندی از فویل فلزی نازک با مواد دی الکتریک در کنار هم ساخته‌می‌شوند که به صورت رول محکمی پیچیده‌شده و سپس در کاغذ یا لوله‌های فلزی مهر و موم می‌شوند.

این نوع فیلم‌ها به یک فیلم دی الکتریک ضخیم تری نیاز دارند تا خطر پارگی یا سوراخ شدن فیلم را کاهش دهند که بنابراین برای مقادیر ظرفیت خازنی کمتر و اندازه‌های بزرگتر مناسب تر هستند.

خازن‌های فویلی فلزی دارای فیلم رسانای فلزی هستند که مستقیماً روی هر طرف دی الکتریک قرار داده شده‌است و به خازن خاصیت خود ترمیمی می‌دهد که بنابراین می‌تواند از فیلم‌های دی الکتریک بسیار نازک تری استفاده کند.

این ویژگی اجازه می‌دهد تا مقادیر ظرفیت خازنی بالاتر و همچنین کوچکتر برای یک خازن معین وجود داشته‌باشد.

خازن‌های فیلمی و فویلی معمولاً برای کاربردهای با توان بالاتر و دقیق تر استفاده‌می‌شوند.

2) خازن سرامیکی

خازن‌های سرامیکی یا به طور کلی خازن‌های دیسکی، از پوشاندن دو طرف یک دیسک چینی یا سرامیکی کوچک با نقره و روی هم قرار گرفتن و چیده شدنشان، ساخته‌می‌شوند.

برای خازن‌هایی با مقادیر بسیار کم، از یک دیسک سرامیکی منفرد در حدود 6-3 میلی متر استفاده‌می‌شود.

خازن‌های سرامیکی، ثابت دی الکتریک بالایی دارند و کاملا در دسترس هستند، به طوری که می‌توان ظرفیت‌های نسبتاً بالایی از آن ها را در اندازه های فیزیکی کوچک به دست آورد.

آن­ها تغییرات غیرخطی بزرگی را در خازن در برابر دما نشان می‌دهند و به عنوان خازن‌های جداکننده یا بای پس استفاده می‌شوند، چراکه آن ها نیز در دسته خازن‌های غیر قطبی قرار دارند.

خازن‌های سرامیکی مقادیری از چند پیکوفاراد تا یک یا دو میکروفاراد (μF) دارند، اما ولتاژ آنها معمولاً بسیار پایین‌است.

انواع خازن‌های سرامیکی معمولاً دارای یک کد سه رقمی بر روی بدنه خود هستند که مقدار ظرفیت خازن آن‌ها را بر حسب پیکو فاراد مشخص می‌کند.

به طور کلی دو رقم اول مقدار خازن و رقم سوم نشان دهنده تعداد صفرهایی‌است که باید اضافه‌شود.

به عنوان مثال، یک خازن دیسک سرامیکی با علامت 103، عدد 10 و 3 صفر را در پیکو فاراد نشان می‌دهد که معادل  10000 پیکوفاراد یا 10 نانوفاراد‌است.

و به همین ترتیب، ارقام 104، عدد 10 و 4 صفر را در پیکو فاراد نشان می‌دهد که معادل 100000 پیکوفاراد   یا 10 نانوفاراد‌است.

گاهی اوقات از کدهای حروف برای نشان دادن مقدار تلرانس آنها استفاده می‌شود، مانند: J = 5٪، K = 10٪ یا M = 20٪ و غیره.

3) خازن میکا

دو نوع خازن میکا وجود دارد: خازن میکای گیره دار و خازن میکا نقره‌ای.

خازن‌های میکای گیره‌دار به دلیل ویژگی‌های پایینی که دارند اکنون منسوخ‌شده‌اند و به جای آن‌ها از خازن‌های نقره ای میکا استفاده می‌شود.

خازن‌های نقره‌ای میکا، خازن‌هایی‌هستند که از میکا (میکا گروهی از مواد معدنی طبیعی‌است) به عنوان دی الکتریک استفاده می‌کنند.

این خازن‌ها با آبکاری الکترودهای نقره مستقیماً روی دی الکتریک فیلم میکا ساخته‌می‌شوند.

در این نوع خازن برای رسیدن به ظرفیت مورد نیاز، از چندین لایه استفاده‌می‌شود.

سیم نیز برای اتصالات اضافه می‌شود و سپس کل مجموعه در محفظه نگهداری‌می‌شود.

خازن‌های میکا معمولاً زمانی استفاده‌می‌شوند که در طراحی به خازن‌های پایدار و قابل اعتماد با مقادیر نسبتاً کوچک نیاز باشد.

این نوع از خازن‌ها کم تلفات هستند و امکان استفاده‌از آن‌ها در فرکانس های بالا وجود دارد.

همچنین مقدار آنها در طول زمان تغییر چندانی نمی‌کند.

مقدار خازن‌های نقره میکا از چند پیکو فاراد تا دو یا سه هزار پیکو فاراد متغیر‌است.

کانی های میکا از نظر الکتریکی، شیمیایی و مکانیکی بسیار پایدار هستند،

و به دلیل اتصال ساختار کریستالی خاص، ساختار لایه‌ای معمولی دارند.

این امر امکان ساخت ورق‌های نازک در حد 0.025-0.125 میلی متر را فراهم می‌کند.

متداول ترین نوع آن‌ها مسکویت و فلوگوپیت هستند. (muscovite and phlogopite mica.)

اولی خواص الکتریکی بهتری دارد، در حالی که دومی مقاومت دمایی بالاتری دارد.

میکا با اکثر اسیدها، آب، روغن و حلال ها واکنش نشان نمی‌دهد.

2-4- خازن‌های قطبی

1) خازن الکترولیتی

خازن‌های الکترولیتی عموماً زمانی استفاده‌می‌شوند که مقادیر خازنی بسیار زیادی مورد نیاز‌باشد.

در این خازن‌ها به جای استفاده‌از یک لایه فلزی بسیار نازک برای یکی از الکترودها، از محلول الکترولیت نیمه مایع به شکل ژله یا خمیر استفاده‌می‌شود که به عنوان الکترود دوم (معمولا کاتد) عمل می‌کند.

دی الکتریک یک لایه بسیار نازک از اکسید‌است که به صورت الکتروشیمیایی در تولید با ضخامت لایه کمتر از ده میکرون رشد می‌کند.

این لایه عایق، به قدری نازک‌است‌که می‌توان خازن‌هایی با ظرفیت خازنی زیاد را در اندازه فیزیکی کوچک ساخت، چراکه فاصله بین صفحات (d) آن بسیار کم‌است.

اکثر انواع خازن‌های الکترولیتی، پلاریزه هستند، یعنی ولتاژ DC اعمال‌شده به پایانه‌های خازن باید دارای قطبیت صحیح (یعنی مثبت به ترمینال مثبت و منفی به ترمینال منفی)، باشد.

قطبش نادرست لایه اکسید، عایق را از بین می‌برد و ممکن‌است موجب ایجاد آسیب دائمی‌شود.

به طور کلی، خازن‌های الکترولیتی در مدارهای منبع تغذیه DC، به دلیل ظرفیت بزرگ و اندازه کوچک آنها، برای کمک به کاهش ولتاژ موج دار یا برای کاربردهای کوپلینگ و جداسازی استفاده می‌شوند.

یکی از معایب اصلی خازن‌های الکترولیتی، ولتاژ نسبتا پایین آنها‌است و به دلیل قطبی‌شدن خازن‌های الکترولیتی، نباید از آنها در منابع AC استفاده کرد.

به طور کلی، الکترولیت‌ها در دو شکل اساسی وجود دارند:

– خازن‌های الکترولیتی آلومینیومی

– و خازن‌های الکترولیتی تانتالیومی.

1-1)  خازن الکترولیتی آلومینیومی

اساسا دو نوع خازن الکترولیتی آلومینیومی وجود دارد که عبارتند از، نوع فویل ساده و نوع فویل ساخته شده با اچ (Etched foil).

این خازن‌ها به دلیل ضخامت فیلم اکسید آلومینیوم و همچنین ولتاژ شکست بالا، ظرفیت خازنی بسیار بالایی نسبت به اندازه­شان دارند.

صفحات فویل این نوع خازن با جریان DC آنادایز می‌شوند.

این فرآیند آنادایز کردن، قطبیت مواد صفحه را تنظیم می‌کند و تعیین می‌کند که کدام طرف صفحه مثبت و کدام طرف منفی‌است.

نوع فویل ساخته شده با اچ با نوع فویل ساده متفاوت‌است، زیرا اکسید آلومینیوم بر روی فویل‌های آند و کاتد، به منظور افزایش سطح و گذردهی آن به صورت شیمیایی Etched شده‌است.

خازن نوع فویل ساخته شده با اچ، می‌تواند با اندازه کوچکتر از نوع فویل ساده، مقداری معادل دهد، اما این عیب را دارد که قادر به تحمل جریان‌های DC بالا در مقایسه با نوع ساده نیست.

همچنین محدوده تلرانس آنها (تا 20 درصد) بسیار زیاد‌است.

مقادیر معمولی ظرفیت خازن برای یک خازن الکترولیتی آلومینیومی از uFت1 تا uFن47000 متغیر‌است.

فویل‌های الکترولیتی اچ‌شده به بهترین وجه در مدارهای کوپلینگ، مسدود‌کننده DC و مدارهای بای‌پس استفاده‌می‌شوند، در حالی که انواع فویل‌های ساده جهت استفاده‌به عنوان خازن‌های صاف‌کننده در منابع تغذیه مناسب‌تر‌هستند.

خازن

اما الکترولیت‌های آلومینیومی، ادوات «قطبی»‌هستند، بنابراین معکوس کردن ولتاژ باعث‌می‌شود لایه عایق داخل خازن همراه با خازن از بین برود.

با این حال، الکترولیت استفاده‌شده در خازن، در صورتی که آسیب کوچک باشد به ترمیم صفحه آسیب‌دیده، کمک می‌کند.

با توجه به اینکه الکترولیت دارای خواص خود ترمیم یک صفحه آسیب دیده‌است، پس توانایی آنادایز مجدد صفحه فویل را دارد.

از آنجایی که فرآیند آنادایز کردن می‌تواند معکوس شود، الکترولیت این توانایی را دارد که پوشش اکسیدی را از روی فویل جدا کند، همانطور که اگر خازن با قطبیت معکوس متصل شود، اتفاق می‌افتد.

از آنجایی که الکترولیت توانایی رسانایی الکتریسیته را دارد، اگر لایه اکسید آلومینیوم برداشته یا از بین برود، خازن اجازه عبور جریان از یک صفحه به صفحه دیگر را می‌دهد و در نهایت خازن را از بین می‌برد.

1-2) خازن الکترولیتی تانتالیوم

خازن‌های الکترولیتی تانتالیوم و Leadهای تانتالیوم در هر دو نوع الکترولیتی مرطوب (فرویل) و خشک (جامد) موجود هستند که تانتالیوم خشک یا جامد رایج‌ترین آنهاست.

خازن‌های تانتالیوم جامد از دی اکسید منگنز به عنوان پایانه دوم خود استفاده‌می‌کنند و از نظر فیزیکی کوچکتر از خازن‌های آلومینیومی معادل هستند.

خواص دی الکتریک اکسید تانتالیوم نیز بسیار بهتر از اکسید آلومینیوم‌است، چراکه جریان‌های نشتی کمتر و پایداری خازنی بهتری را ایجاد می‌کند و آنها را برای استفاده‌در برنامه‌های مسدود کردن، جداسازی، فیلتر کردن و زمان بندی مناسب‌می‌کند.

همچنین خازن‌های تانتالیومی اگرچه قطبی هستند، می‌توانند اتصال به ولتاژ معکوس را بسیار راحت‌تر از انواع آلومینیومی تحمل کنند، اما در ولتاژهای کاری بسیار پایین‌تر سنجیده می‌شوند.

خازن‌های تانتالیوم جامد معمولاً در مدارهایی استفاده می‌شوند که ولتاژ AC در مقایسه با ولتاژ DC کوچک تر باشد.

با این حال، برخی از انواع خازن‌های تانتالیومی حاوی دو خازن در یک خازن هستند، به طوریکه قطب منفی به منفی متصل می‌شود تا یک خازن “غیر قطبی” را برای استفاده در مدارهای AC ولتاژ پایین به عنوان یک قطعه غیرقطبی تشکیل دهند.

مقادیر معمول ظرفیت خازنی در این نوع خازن از nF 47 تا uF 470‌است.

الکترولیت ها به دلیل هزینه کم و اندازه کوچک، خازن‌های پرکاربردی هستند، اما سه راه آسان برای از بین بردن خازن الکترولیتی وجود دارد:

1) اضافه ولتاژ: ولتاژ بیش از حد باعث نشت جریان از دی الکتریک و در نتیجه شرایط اتصال کوتاه می‌شود.

2) قطبیت معکوس: ولتاژ معکوس باعث خود تخریبی لایه اکسید و خرابی‌می‌شود.

3) دمای بیش از حد: گرمای بیش از حد، الکترولیت را خشک‌می‌کند و عمر خازن الکترولیتی را کوتاه می‌کند.

2) ابرخازن

ابرخازن به عنوان Ultracapacitor نیز شناخته‌می‌شود.

از آنجایی که این خازن، ظرفیت خازنی بالاتری نسبت به سایر خازن‌های معمولی دارد، ابر خازن نامیده‌می‌شود.

خازن‌ها محدودیت ولتاژ پایینی دارند، در حالیکه ابر خازن‌ها نسبت به نوع معمولی خازن‌ها چگالی توان بالاتری دارند.

این قطعات انرژی کمتری مصرف می‌کنند و کاملاً ایمن و آسان برای کار هستند.

ابرخازن‌ها را می‌توان در سه نوع طبقه بندی کرد:

• – خازن‌های دو لایه الکترواستاتیک
• – شبه خازن‌ها
• – خازن‌های هیبریدی

2-1) خازن‌های دو لایه الکترواستاتیک

این نوع خازن‌ها شامل دو الکترود، جداکننده و الکترولیت‌هستند.

الکترولیت مخلوطی‌است که یون‌های مثبت و منفی حل‌شده در آب را تشکیل‌می‌دهد.

دو الکترود توسط یک جداکننده از هم جدا می‌شوند.

ابرخازن‌ها، از الکترودها یا مشتقات کربنی با ظرفیت دو لایه الکترواستاتیک بسیار بالا استفاده‌می‌کنند.

جداسازی بار در خازن‌های دو لایه الکترواستاتیک کمتر از خازن‌های معمولی‌است و محدوده آن از 0.3 تا 0.8 نانومتر‌است.

2-2) شبه خازن‌ها

به شبه خازن‌ها، شبه خازن‌های الکتروشیمیایی نیز گفته‌می‌شود.

این خازن‌ها از اکسید فلز یا الکترودهای پلیمری رسانا با مقدار زیادی شبه خازن الکتروشیمیایی، استفاده‌می‌کنند.

این نوع قطعات، انرژی الکتریکی را با انتقال بار الکترون بین الکترود و الکترولیت ذخیره می‌کنند.

این عمل را می‌توان با یک واکنش کاهش اکسیداسیون که معمولاً به عنوان واکنش ردوکس شناخته‌می‌شود، انجام داد.

2-3) خازن‌های هیبریدی

خازن‌های هیبریدی با استفاده‌از تکنیک‌های خازن‌های دولایه و شبه خازن‌ها ساخته‌می‌شوند.

در این قطعات از الکترودهایی با مشخصات متفاوت که شامل یک الکترود با ظرفیت خازنی الکترواستاتیک و الکترود دیگر

با ظرفیت خازنی الکتروشیمیایی‌است، استفاده‌می‌شود.

از نمونه خازن‌های هیبریدی می‌توان به خازن لیتیوم یونی اشاره کرد.

2-4) مشخصات ابرخازن

ابرخازن‌ها ظرفیت بالایی (تا kF 2 ) دارند.

این خازن‌ها مقدار زیادی انرژی ذخیره می‌کنند.

ابرخازن‌ها فاصله بین خازن‌های معمولی و باتری های قابل شارژ را پر می‌کنند.

زمان شارژ یک ابرخازن حدود  یک تا 10 ثانیه‌است.

این اجزا می‌توانند الکتریسیته را از طریق جذب/دفع بار الکترواستاتیکی ذخیره کنند.

2-5) کاربردهای ابرخازن

ابرخازن‌ها را می‌توان در موارد زیر استفاده‌کرد:

ماشین‌های برقی

توربین های بادی

چرخ فلایویل در ماشین‌ها

پخش‌کننده‌های MP3

ترمز احیا‌کننده در صنعت خودرو

حافظه‌های ثابت (SRAM)

موتورهای برق صنعتی