خازن چیست ؟ معرفی نماد+ولتاژ خازن به زبان ساده

خازن چیست؟

خازن قطعه ای است که توانایی یا ظرفیت برای ذخیره انرژی الکتریکی را دارد. انرژی به شکل بار الکتریکی در سراسر صفحات خازن قرار می گیرد و به اصطلاح شارژ می شود و بسیار شبیه به یک باطری قابل شارژ عمل می کند. خازنها تنوع بسیار زیادی دارند که بسته به نیاز و انتخاب کاربر در دسترس است اما عملکرد آن ها از نظر ذخیره انرژی یکسان است.

قطعات الکترونیک

شکل بنیادی یک خازن تشکیل شده است از دو یا چند صفحه رسانا و موازی که به هم هیچ اتصالی ندارند و توسط دی الکتریک که از نوعی مواد عایق مانند کاغذ، میکا، سرامیک،پلاستیک، نوعی ژل مایع و حتی هوا از هم جدا می شوند.

با توجه به دی الکتریک یا همان لایه عایق مابین صفحات خازن، هنگامی که یک منبع ولتاژ DC به خازن وصل شود، ولتاژ به صورت بار الکتریکی بر روی صفحات قرار می گیرد و تا اندازه ولتاژ منبع شارژ می شود سپس جریان در آن متوقف می گردد(صفحه ی متصل به قطب مثبت باطری دارای بار الکتریکی مثبت و صفحه ی متصل به قطب منفی دارای بار الکتریکی منفی می شود). این قابلیت خازن در صاف کردن ولتاژ خروجی منابع قدرت مورد استفاده قرار می گیرد.

شکل بالا ساده ترین نوع نمایش یک خازن است که می توان آن را با دو صفحه ی فلزی به صورت موازی با یک فاصله معین ساخت . خازن را با حرف C و مقدار ظرفیت آن بر حسب فاراد (F) نمایش می دهند و به معنای مقدار توانایی خازن برای ذخیره ی بار الکتریکی بروی صفحاتش است. نماد مداری خازن به صورت شکل زیر است

واحد فاراد برای اندازه گیری طرفیت خازن ها بسیار بزرگ می باشد و از مضرب های کوچکتر مانند میکرو نانو و پیکو استفاده می شود.

واحد های استاندارد خازن

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

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

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

مقدار خازن به سه عامل اندازه صفحات ،فاصله صفحات و جنس دی الکتریک به کار رفته بستگی دارد که اگر اندازه صفحات یا فاصله بین صفحات و را تغییر دهیم مقدار خازن تغییر می کند.این اساس کار خازن های متغیر نیز می باشد.

به دلیل این که ذخیره انرژی به صورت بار الکتریکی است هرچه صفحات بزرگتر و فاصله بین آنها کمتر شود مقدار ظرفیت خازن بیشتر می شود. یکی دیگر از عوامل موثر بر مقدار خازن ثابت دی الکتریک است که انواع گوناگونی با ثابت دی الکتریک متفاوت دارند. بیشترین عایق های مورد استفاده در خازنها عبارت اند از: هوا، کاغذ، پلی استر، پلی پروپیلن، مایلار، سرامیک، شیشه، روغن، می باشد.

حال می توان ظرفیت خازن را باتوجه به مساحت صفحات خازن و فاصله ی آنها از هم و ثابت دی الکتریک از فرمول زیر محاسبه کرد محاسبه کرد

گرچه خازن به این عنوان که انرژی به صورت بار الکتریکی برروی صفحات ذخیره می شود تعریف شده است ولی درست تر آن است که انرژی بین دو صفحه به صورت میدان الکترومغناطیس ذخیره می شود.

ولتاژ کاری خازن

همه ی خازن ها دارای حداکثر ولتاژ کاری هستند که بر روی بیشتر آنها نوشته شده است. به عبارت دیگر حداکثر ولتاژی که می توان به خازن اعمال کرد بدون این که به آن آسیبی وارد شود ولتاژ کاری خازن می گویند. در هنگام انتخاب خازن باید ولتاژی که در یک مدار دو سر خازن قرار می گیرد محاسبه شود تا خازنی متناسب با آن ولتاژ در مدار قرار گیرد (ولتاژ خازن انتخاب شده کمی بیشتر از ولتاژ محاسبه شده باشد). اگر ولتاژ اعمال شده به خازن از ولتاژ نامی آن بیشتر باشد دی الکتریک از بین می رود و در نتیجه اتصال کوتاه می شود. حال اگر ماده دی الکتریک آسیب دیده باشد جریان نشتی از دی الکتریک باعث تخلیه ی خازن خواهد شد .ولتاژ کاری خازن به نوع ماده دی الکتریک و ضخامت آن بستگی دارد.

انواع خازن

انواع متنوعی از خازن در بازار وجود دارد، از خازن بسیار کوچک و ظریف گرفته تا خازنهای بزرگ فلزی ولتاژ بالا که هر یک دارای ویژگی ها و کاربرد های مختص به خود می باشند.

به طور کلی نوع خازن با توجه به دی الکتریک به کار رفته در آنها شناخته می شوند و همانند مقاومت ها به دو دسته ثابت و متغیر تقسیم می شوند تقسیم می شوند.

خازنهای متغیر

از خازن متغیر معمولا در جایی که تغییرات مداوم خازن مورد نیاز است مانند تنظیم گیرنده ها و فرستنده ها و رادیوهای ترانزیستوری و …استفاده می شود.همانطور که گفته شد سه عامل مساحت صفحات ،فاصله صفحات و نوع دی الکتریک مقدار خازن را تعیین می کنند که در خازنهای متغیر این فاکتورها با چرخاندن محور متحرک تغییر می کند.خازنهای متغیر خود به دو دسته تقسیم می شوند

خازن متغیر واریابل

در خازن های متغیر واریابل با کم یا زیاد شدن فاصله صفحات مقدار خازن تغییر می کند به این ترتیب که خازن متغیر متشکل از چندین صفحه با فاصله ی هوا است (نوع دی الکتریک) که صفحات خود دارای مجموعه ای از صفحات متغیر است که در بین صفحات ثابت حرکت می کنند. به این صورت که با چرخش محور خازن فاصله ی بین صفحات تغییر می کند (تغییرفاصله هوایی) و موقعیت این صفحات نسبت به یکدیگر مقدار خازن را تعیین می کند .خازن زمانی به حداکثر مقدار خود می رسد که هردو سری از صفحات (ثابت و متغیر) در کمترین فاصله ی ممکن از هم قرارگرفته باشند.

در خازن های متغیر ولتاژ بالا، فاصله بین صفحات یا شکاف هوایی زیادی بین صفحات در نظر می گیرند که با این روش ولتاژ شکست به هزار ولت می رسد.

خازن تریمر

نوعی دیگر از خازن های متغیر تریمر ها هستند که ابعاد کوچک تری نسبت به خازنهای واریابل دارند و بیشتر برای کالیبراسیون اولیه مدارات الکترونیکی استفاده می شود و به طور مستقیم بر روی pcb نصب می شوند و با یک پیچگوشتی قابل تنظیم هستند.شایان ذکر است خازن های تریمر قطبی نیستند.

خازن های تریمر به دو نوع هوایی و سرامیکی تقسیم می شوند که این دو نوع در دی الکتریک به کار رفته در آنها متفاوت هستند و عملکردشان یکسان است.

ظرفیت تریمر ها تا حداکثر 120 پیکو فاراد است و رنج ولتاژ آنها تا 300 ولت می رسد. کاربرد خازن های تریمر در نوسان سازها ، تنظیمات زمان تاخیر و تجهیزات رادیویی می باشد.

خازن سرامیکی

یکی از پرکاربرد ترین خازن های غیر الکترولیتی هستند که به یکی از انواع خازن های سرامیکی به نام خازن عدسی مشهور می باشد . خازن سرامیکی از عایق یا دیسک سرامیکی (دی الکتریک) بین دو صفحه ی فلزی ساخته شده و دور کل آن با یک لایه ی محافظ پوشانده شده است

سرامیک دارای ثابت دی الکتریک بالایی است به طوری که خازن با ظرفیت بالا در یک اندازه کوچک به دست می آید.مقدار این نوع خازن در برابر تغییرات دما به صورت غیر خطی تغییر می کند و یکی از معایب این خازن به شمار می آید.

کاربرد

به خاطر داشته باشید که این نوع خازن در طیف وسیعی تولید می شوند بدیهی است که کاربرد های زیادی برای این نوع خازن وجود دارد و بیشتر در فیلترها، بای پاس ، کوپلینگ ،منابع قدرت، مبدل های DC-DC و موتورهای DC کاربرد دارند.

انواع خازن های سرامیکی

انواع خازنهای سرامیکی عبارتند از خازن های لوله ای خازن های دیسکی (عدسی) ، چند لایه (مولتی لایر) و SMD

خازن های سرامیکی در طیف گسترده ای از ولتاژ و ظرفیت ساخته می شوند.از نظر ظرفیت بیشتر در رنج 1 نانو تا 1 میکرو تولید می شوند گرچه ساخت آن تا 100 میکرو فاراد نیز امکان پذیر است. ولتاژ آنها تا 15 کیلو ولت تولید می شود.

دو کلاس از خازن های سرامیکی وجود دارد:

خانهای الکترولیتی کلاس 1 که درجایی که دقت و پایداری بالا و تلفات کم مورد نیاز است استفاده می شود آنها بسیار دقیق هستند و مقدار ظرفیتشان به ولتاژ و دما و فرکانس پایدار است.کلاس دو در ولتاژ و ظرفیت بالا و دقت پایین تر از کلاس 1 ساخته می شوند.

خازن الکترولیتی

خازن های الکترولیتی به طور کلی موقعی که ظرفیت بسیار بالا مورد نیاز باشد مورد استفاده قرار می گیرد.

در خازن های الکترولیتی از یک الکترولیت برای رسیدن به ظرفیت های بالا استفاده شده است.یک الکترولیت،از مایع و یا ژل حاوی تعداد زیادی یون تشکیل شده است.تقریبا تمامی خازن های الکترولیتی پلاریته دار هستند یعنی ولتاژ ترمینال مثبت همیشه باید بیشتر از ترمینال منفی باشد.درغیر این صورت لایه اکسید از بین رفته و باعث آسیب کلی به خازن می شود در این راستا بر روی خازن های الکترولیتی قطب منفی با یک نوار در کنار پایه ی آن مشخص شده است.

خازنهای الکترولیتی در بسیاری از منابع تغذیه ،مادربرد کامپیوتر ،کوپلاژ و بسیاری از لوازم الکترونیکی کاربرد دارند و از انجایی که قطبی هستند بیشتر در مدارات DC استفاده می شوند.

از معایب خازن های الکترولیتی به جریان نشتی ،تلرانس زیاد ،ولتاژ نسبتا پایین و طول عمر کم آن می توان اشاره کرد و بزرگترین مزیت آن ظرفیت بالا است .

خازن های الکترولیتی در دو نوع مرطوب و خشک یا جامد وجود دارد.آنها معمولا از جنس آلومینیوم یا تانتالیوم ساخته می شوند گرچه امکان دارد از مواد دیگر نیز استفاده شوند.ظرفیت خازن های الکترولیتی حدودا بین 1uF تا 47MF است و ولتاژ کاری آنها تا چندصد ولت DC هم می رسد.

سوپر خازنها از زیر مجموعه های خازن های الکترولیتی هستند و خازن دولایه نیز نامیده می شود و دارای ظرفیت های بسیار بالا هستند.

خازن الکترولیتی آلومینیومی

ساختار خازن الکترولیتی آلومینیومی به این صورت است که دو لایه ی نازک فلز آلومینیوم و یک لایه عایق که درمیان آنها قرار گرفته که به دور هم پیچیده شده است و درون یک بسته قرار می گیرد. عایق از یک لایه کاغذی آغشته به مواد الکترولیت می باشد و یک لایه اکسید آلومینیوم روی یکی از لایه آلومینیومی ایجاد می شود.

خازن های الکترولیتی آلومینیومی دارای دو نوع فویل ساده و فویل اچ etched هستند که لایه اکسید ایجاد شده بروی فویل نوع خازن را مشخص می کند خازن های آلومینیومی در رنج وسیعی از 1 میکرو فاراد تا 47000 میکرو فاراد تولید می شوند. شمای مداری خازن الکترولیتی به صورت نمادهای زیر نمایش می دهند.

خازن الکترولیتی بی پلار

خازنهای الکترولیتی آلومینیومی معمولی (قطبی) به دلیل خواص شیمیایی دارای قطبیت هستند و این ماهیت خازن های الکترولیتی است و یک ضعف محسوب نمی شود. با این حال در بسیاری از مدارات الکترونیکی DC مورد استفاده قرار می گیرند .اگر بخواهیم در مدارات AC باید از نوع دیگری از خازن ها استفاده کنیم که در برخی مواقع به صرفه نیست و در این حالت خازن های الکترولیتی دو قطبی مورد نیاز می شود.

خازنهای دو قطبی از یک ترفند مداری در انها استفاده شده به این صورت که دو خازن الومینیومی به اصطلاح پشت به پشت با هم سری می شوند.پایانه ی منفی هردو خازن به هم متصل و عایق بندی می شوند و دو پایه مثبت در مدارات استفاده می گردد سپس این دو خازن درون یک بسته واحد قرار گرفته و تشکیل یک خازن دو قطبی می دهند.

خازن تانتالیوم

خازن های تانتالیوم زیر مجموعه خازن های الکترولیتی هستند که در آنها از فلز تانتالیوم استفاده شده است. فلز تانتالیوم در آند خازن به کار رفته است که با یک لایه اکسید به عنوان دی الکتریک پوشانده شده و در کاتد از یک رسانا استفاده شده است

از مزایای این خازن میتوان به ظرفیت بالا در حجم کم ، مشخصات فرکانسی بالاتر نسبت به دیگر خازنها و پایداری بالا در طول زمان اشاره کرد.

کاربرد

خازنهای تانتالیوم نیز دارای پلاریته هستند و بسیار به ولتاژ معکوس حساسند به این منظور که در هنگام استفاده می بایست قطبهای مثبت و منفی صحیح به کار گرفته شود.چنان چه اگر ولتاژ معکوس به آن اعمال شود لایه اکسید سریع شکسته شده و خازن اتصال کوتاه می گردد.

این خازنها در مدارات الکترونیکی ،در لپتاپ ها ،تلفن های همراه ،در قالب smd یافت می شوند همچنین در مصارف نظامی به دلیل تلرانس کم و درجه حرارت بالا کاربرد دارد.

خازن های تانتالیوم از رنج 1n تا 72u فاراد ساخته می شوند و رنج ولتاژ آنها از 2 ولت تا 500 ولت است و از خازن های الکترولیتی آلومینیومی در ظرفیت یکسان کوچکتر هستند .

خازن های تانتالیوم بسیار پایدار هستند و مقدار آنها با گذشت زمان همواره یکسان است و اگر صحیح به کار گرفته شوند طول عمر آنها بسیار زیاد است.

باید توجه داشت که در خازن تانتالیم برعکس آلومینیومی پایه ی مثبت علامت گذاری شده است

خازن میکا

میکا یک گروه از مواد معدنی است که در این نوع خازن به عنوان دی الکتریک به کار رفته است و به همین دلیل خازن میکا نام گذاری شده است.

خازن های میکا به دو گروه کلمپ و نقره ای تقسیم شده اند  که خازنهای میکا نقره بیشتر مورد استفاده قرار میگیرند. ساختمان این نوع خازن نسبتا ساده است به طوری که لایه های نازک از میکا با صفحات نازک از نقره لایه بندی می شوند و پس از لایه بندی و رسیدن به ظرفیت مورد نظر، الکترود ها اضافه می شود و در آخر کل آن با سرامیک یا رزین اپوکسی جهت محافظت از اثرات خارجی مانند رطوبت پوشیده می شود.

خازن های میکا دارای ظرفیت پایین، حدودا در رنج پیکوفاراد هستند.ولتاژ آنها بین 100 تا 1000 ولت است گرچه به صورت ویژه برای استفاده در فرستنده های RF تا 10 کیلو ولت نیز ساخته شده است.

حداقل تلرانس خازن های میکا نقره می تواند به 1 درصد هم برسد که عملا بهتر از اکثر خازن ها می باشد به عنوان مثال نسبت به خازنهای سرامیکی که تلرانس آنها به 20 در صد هم میرسد برتر هستند.

خازن های میکا بسیار پایدار و دقیق اند و مقدار ظرفیت آنها با گذر زمان ثابت است.این خازنها در برابر دما ،ولتاژ و فرکانس بالا نیز پایدار است.

کاربرد خازن میکا در مواردی است که خازن با ظرفیت پایین و پایداری زیاد مورد نیاز باشد مانند مدارات RF که پایداری از اهمیت زیادی برخوردار است.همچنین در مدارات فرکانس بالا نظیر فیلتر ها و اسیلاتورها نیز استفاده می شوند.امروزه این خازنها به دلیل اندازه و قیمت توسط سایر خازن ها جایگذین شده است.

خازن های پلاستیکی یا فیلمی

در این نوع از خازنها از لایه ای پلاستیکی و یا مشتقات آن به عنوان دی الکتریک استفاده شده است و غیر قطبی هستند

خازن MKT

خازن های MKT از زیر مجموعه های خازن های پلاستیکی به شمار می روند.دی الکتریک خازنهای MKT از پلی استر متالایز ساخته شده است و پایه ها در یک محفظه پلاستیکی قرار گرفته و توسط رزین اپوکسی مهر و موم می شود.این خازنها مقاوم در برابر رطوبت، و بسیار پایدار هستند. خازن های MKT برای استفاده در بای پاس ،کوپلینگ آنتن ایده ال هستند و در مدارات جرقه گیر و منابع تغذیه سوییچینگ نیز کاربرد دارند.

 خازن پلی استر

نحوه خواندن ظرفیت خازن پلی استر

خازن های پلی استر زیر مجموعه ی خازن های فیلمی هستند که دی الکتریک به کار رفته درآنها از یک دسته پلیمر حاوی مواد شیمیایی ساخته شده است .نوع مورد استفاده در خازنهای پلی استر به طور معمول پلی اتیلن ترفتالات است.

خازن های پلی استر نیز مانند سایر خازن ها دارای ویژگی های مخصوص به خود هستند که به دلیل استحکام بالای دی الکتریک به کار رفته در آنها است. به این معنی که خازن های ولتاژ بالا می تواند در ابعاد کوچک ساخته شوند.همچنین قادر به کار تا دمای 125 درجه می باشند.

تلرانس خازن های پلی استر 5 یا 10 درصد است که برای بسیاری از کاربرد ها که دقت بالا اهمیت نداشته باشد  مناسب اند. ولتاژ کاری آنها نیز درنج 100 تا چند کیلو ولت می باشد

این نوع خازن در ولتاژهای بالا ،کوپلاژ ،فیلترینگ و بالاست های الکترونیکی و منابع تغذیه و … کاربرد دارند

خازن های مایلار

خازن مایلار یکی از انواع خازنهای پلی استر هستند که در جریانهای مستقیم کاربرد دارند .خازنهای مایلار دارای سطح بسیار پایین رطوبت هستند.انها در مدارات ولتاژ بالا (تا چند هزار ولت) و جریان مستقیم استفاده می شوند و جایگزین مناسبی برای خازن های پلی استر هستند.همچنین از انها می توان در مدارات جریان متناوب با فرکانس کم استفاده کرد.

دی الکتریک بکار رفته در خازنهای مایلار از پلی اتیلن ترفاتلات ساخته شده است.کاربرد این خازنها در امپلی فایرها ،رادیوها ،فلیترها و …. است.

 خازن روغنی

خازن های روغنی غیر قطبی و در ولتاژ های AC یا AC/DC استفاده می شوند و در مدارات ولتاژ و جریان بالا کاربرد دارند و دارای عمر بالایی هستند.

خازن روغنی بیشتر در ذخیره انرژی ،راه اندازی موتور ،لامپ های ولتاژ بالا ، استفاده می شود

این نوع خازن از بیشتر روغن پروپلین متالیزه ساخته می شود گرچه امکان دارد از یک نوع روغن منحصر به فرد تشکیل شده باشد . خازنهای روغنی در اشکال بیضی ،مستطیل و گرد وجود دارد و در برخی مواقع در یک بسته واحد می تواند دو خازن جدا از هم وجود داشته باشد.

تعیین مقدار خازن

خازن ها دارای طیف گسترده ای از کدها برای توصیف ویژگی هایشان هستند.این گستردگی به دلیل ابعاد و انواع مختلف خازنها است که امکان چاپ دقیق مقادیر بر روی آنها وجود ندارد.

تعیین مقدار خازن های بزرگ

خازن های بزرگ مانند الکترولیتی به خاطر ابعاد بزرگ تر نسبت به خازنهای دیگر امکان نوشتن پارامترهای مهم خازن نظیر ظرفیت ،ولتاژ کاری و حداقل و حداکثر دمای کاری برروی آن وجود دارد.

تعیین مقدار کدهای عددی خازنها

خازن های کوچک مانند خازنهای دیسکی ،پلی استر ، تانتالیوم و … به دلیل کمبود فضا برای درج کامل مشخصات خازن از کد عددی دو یا سه رقمی استفاده می کنند

تعیین کد دو رقمی

به عنوان مثال اگر برروی یک خازن عدد 47 نوشته شده باشد به معنی این است که مقدار ظرفیت خازن 47 است و واحد نوشته نشده  بر حسب pF  پیکو فاراد می باشد.

تعیین مقدار خازن سه رقمی

برای تعیین مقدار خازن با کد سه رقمی ابتدا خازن را مانند شکل زیر مقابل خود قرار می دهیم سپس دو رقم اول را نوشته و به جای عدد سوم ،صفر مقابل عدد دو عدد دیگر را قرار می دهیم و در آخر واحد را بر حسب پیکو فاراد می نویسیم.مثلا در شکل ابتدا 47 رانوشته سپس بجای عدد 3 ،سه عدد صفر یا 10قرار می دهیم و در آخر  واحد را بر حسب پیکو فاراد می نویسیم

473 =  47000 pF

حال می توانیم مقدار را بر حسب نانو نیز بنویسیم

47000 pF = 47 nF

اگر برروی خازن عدد 100 نوشته شده بود 10 پیکو فاراد خوانده می شود

100 = 10 PF

در برخی خازنها، اعشار را به صورت تصویر زیر می نویسند

اگر حروف N و U بر روی خازن نوشته شده باشد به این منظور است که مقدار خوانده شده بر حسب، (N) به معنای نانو فاراد و (U) به معنای میکرو فاراد است.

خازنهای تانتالیوم به دلیل پلاریته دار بودن علاوه بر ظرفیت و ولتاژ، پلاریته هم برروی آن مشخص می شود

تعیین تلرانس خازن

خازنها نیز مانند مقاومت ها دارای تلرانس (خطا) نسبت به مقدار نامی خود هستند که برروی آنها به شکل حروف یا عدد نوشته شده است.

تعیین ولتاژ خازن

یکی از مشخصات مهم بعد از ظرفیت، ولتاژ کاری خازن می باشد که بر روی آن مشخص می گردد . این پارامتر هم مانند تلرانس هم می تواند به صورت مستقیم برروی خازن نوشته شده باشد هم به صورت حروف وجود دارد.

مثلا در شکل زیر مقدار ولتاژ و نوع ولتاژ به صورت مستقیم بر روی آن نوشته شده است .

در مواردی نیز از کد برای نمایش ولتاژ استفاده می شود که برخی  از مهمترین  کدها در جدول زیر نوشته شده است.

جدول کامل کد ولتاژ های خازن