کارساز
کارساز
آموزش الکترونیک عمومی

خازن یا Capacitor

خازن یا Capacitor قطعه ای است که انرژی الکتریکی را در خود ذخیره می کند. واژه ی Capacitor به معنای ظرفیت دار و برق پذیر است و کلمه ی خازن نیز برگرفته شده از واژه ی مخزن و به معنای انباره و محل ذخیره است. خازن ها بعد از مقاومت ها از پرمصرف ترین قطعات الکترونیکی هستند و بطور گسترده در مدارها استفاده می شوند.

نسبت بار ذخیره شده به اختلاف ولتاژ دو صفحه ی خازن را ظرفیت یا کاپاسیتانس Capacitance می گویند و واحد سنجش آن را به نام مخترع دینام (مایکل فارادی) فاراد نام نهاده اند. فاراد واحد بسیار بزرگی است به همین دلیل برای سنجش ظرفیت خازن از ضرایب کوچکتری نظیر میلی فاراد، میکروفاراد، نانوفاراد و پیکوفاراد استفاده می شود.

ساختار داخلی خازن

بطور ساده دو ماده ی رسانا که به فاصله ی کمی ازهم قرار گرفته اند تشکیل یک خازن ساده را می دهند. و اگر به این دو رسانا یک باتری متصل شود، بارهای منفی یا همان الکترون های موجود در یکی از دو رسانا، توسط قطب مثبت باتری جذب می شوند بنابراین این رسانا دچار کمبود الکترون می شود. و از طرف دیگر الکترون های موجود در قطب منفی باتری نیز توسط بارهای مثبت موجود در رسانای دوم جذب شده و این رسانا با ازدیاد الکترون مواجه می شود.

 بنابراین کمبود الکترون (بارهای مثبت) در یک رسانا و ازدیاد الکترون (بارهای منفی) در رسانای دیگر باعث ایجاد یک میدان  الکتریکی درمیان آنها می شود. خازن قطعه ای است تقریباً به همین صورت که آن دو رسانا همان صفحات یا جوشن های خازن هستند و درمیان جوشن ها ماده ی عایق (دی الکتریک) قرار می گیرد که معمولاً جنس این ماده ی عایق است که نوع خازن را مشخص می کند مثلاً خازن میکا دارای عایق میکا است. ماده ی عایق می تواند از هوای خشک، سرامیک، میکا، کاغذ، اکسید آلومینیوم، اکسید تانتالیوم، مواد پلاستیکی و یا مواد عایق دیگر باشد.

انواع خازن ها

خازن ها در دونوع کلی ثابت و متغیر موجودند. خازن های ثابت عبارتند از: خازن های الکترولیتی (شامل آلومینیومی و تانتالیومی)، سرامیکی، میکا، ورقه ای (شامل خازن های کاغذی و پلاستیکی) . و خازن های متغیر عبارتند از: واریابل و تریمر.

خازن های الکترولیتی یا شیمیایی

 یکی از پرمصرف ترین خازن ها می باشند که درمقایسه با سایر خازن ها دارای بالاترین ظرفیت هستند اما ولتاژ قابل تحمل آنها محدود است. این خازنها قطب دار هستند و در هنگام استفاده باید به پلاریته ی آنها توجه شود وگرنه معیوب می شوند و در نوع آلومینیومی خطر ترکیدگی و انفجار را به همراه دارند.

خازن الکترولیتی
خازن الکترولیتی

نوع متداول این خازن ها (خازن الکترولیتی آلومینیومی) از صفحات آلومینیومی تشکیل می شود و ماده ی دی الکتریک آن را به مواد شیمیایی آغشته می کنند، که به آن اکسید آلومینیوم گفته می شود. این خازن ها در برابر حرارت ضعف دارند و ظرفیت شان دربرابر گرما تغییر می کند و همین مساله موجب می شود تا در مدارها ایجاد مشکل کنند خصوصاً در مدارهای مخابراتی و رادیویی و فرکانسی.

خازن جامد یا تانتالیوم
خازن جامد یا تانتالیوم

 جهت رفع معایب این نوع خازن ها، خازن های الکترولیتی تانتالیومی ساخته شدند که به آنها خازن حالت جامد هم گفته می شود، در این نوع خازن ها جنس صفحات به جای آلومینیوم از فلز تانتالیوم است و در مقایسه با خازن های آلومینیومی دارای کیفیت و راندمان بالاتری هستند ازجمله مزایای این خازن ابعاد کوچکتر، عمر طولانی تر، جریان نشتی کمتر و مقاومت دربرابر گرما می باشد و همچنین خطر انفجار در این خازن ها تقریباً منتفی شده است.

 اما ازطرف دیگر دارای محدودیت ظرفیت می باشند (کمتر از ۴۰۰ میکروفاراد) و در مقدار جریان کشی و جریان دهی نیز محدودیت دارند، در برابر اعمال ولتاژ معکوس حساس تر هستند و قیمت بالاتری نیز دارند.

نکته: تا نزدیک به دو دهه قبل در مادربورد کامپیوترها از خازن های آلومینیومی استفاده می گردید و امروزه بدلیل حساسیت و همچنین بالا بردن طول عمر از آن بصورت گسترده استفاده می شود.

خازن های سرامیکی

 یکی دیگر از پرکاربردترین خازن ها ، خازن های سرامیکی می باشند که در بازار با اسامی خازن های عدسی و شکلاتی شناخته می شوند و این نامگذاری ها به خاطر شکل ظاهری آنهاست. ظرفیت این خازن ها معمولاً کمتر از یک میکروفاراد است اما ولتاژ قابل تحمل بالایی دارند. در برخی از مدارها مانند منابع تغذیه ی سوییچینگ از انواع هزارولتی و دوهزار ولتی این خازن ها بعنوان خازن ضد ضربه یا ضد اسپایک (Anti-Surge) و نیز بعنوان خازن اسنابر از آنها استفاده می شود و همچنین در مدارهای فرکانسی و صوتی به وفور از این خازن ها بهره می برند چراکه فرکانس کاری آنها بالاست.

خازن سرامیکی
خازن سرامیکی

خازن های ورقه ای

 که در دو نوع کاغذی و پلاستیکی موجودند. در نوع کاغذی از کاغذ آغشته به پارافین بعنوان عایق استفاده می شود و صفحات رسانا نیز از جنس قلع و بصورت نوارهای صاف و طویل است که به همراه عایق لوله می شوند و درون یک قالب تقریباً استوانه ای شکل قرار می گیرند. قابلیت تحمل ولتاژ و جریان بالایی را دارند و در ابعاد کوچک موجودند. اما در خارن های ورقه ای پلاستیکی از صفحات نازک پلاستیکی بعنوان عایق استفاده می شود که بهمراه صفحات آلومینیومی درون یک قاب پلاستیکی قرار می گیرند. این خازن ها در برابر تغییرات دما مقاومند.

 

خازن کاغذی و خازن پلاستیکی
خازن کاغذی سمت راست و خازن پلاستیکی سمت چپ تصویر

 دربرخی از این خازن ها ماده ی عایق از جنس پلی استایرن است که به آن خازن پلی استرن می گویند و نمونه ای از کاربرد آن بهمراه یک جفت سلف تزویج شده بعنوان فیلتر EMI (تداخل الکترومغناطیسی) و یا فیلتر RFI (تداخل فرکانس رادیویی) در منابع تغذیه ی سوییچینگ است. حداکثر فرکانس کاری این خازنها حدود یک مگاهرتز است.

خازن پلی استر
خازن پلی استر

خازن میکا

دارای عایق میکا و صفحاتی از جنس آلومینیوم است که باهم پیچیده شده و درون قاب قرار می گیرند. ظرفیت این خازنها بین ده نانو تا یک میکروفاراد است و قابلیت کار در فرکانسهای بالا را دارند.

خازن میکا
خازن میکا

خازن های متغیر

در دونوع واریابل و تریمر موجودند. نوع واریابل بزرگتر بوده و دارای یک محور گردنده است که با چرخاندن آن می توان ظرفیت خازن را تغییر داد اما خازن تریمر کوچکتر بوده و دارای یک شکاف است که با قرار دادن پیچ گوشتی درون آن و چرخاندن این شکاف ظرفیت خازن تغییر می کند. ماده ی دی الکتریک در خازنهای واریابل معمولاً هوا و مواد پلاستیکی و در خازنهای تریمر میکا و سرامیک می باشد.

خازن تریمر و خازن واریابل
خازن تریمر سمت راست و خازن واریابل سمت چپ

بطور کل عواملی که می توانند موجب تغییر در ظرفیت خازنها شوند عبارتند از: تغییر در فاصله ی بین صفحات، تغییر در سطح مشترک صفحات رسانا و تغییر در ضخامت دی الکتریک. در خازنهای متغیر معمولاً با تغییر در فاصله ی بین صفحات و همچنین تغییر در سطح مشترک صفحات، ظرفیت خازن را تغییر می دهند. خازنهای متغیر بیشتر در مدارهای فرستنده و گیرنده ی رادیویی جهت تنظیم فرکانس بکار می روند. خازنهای واریابل در ظرفیتهای بین ۱۰ پیکو تا ۴۰۰ پیکوفاراد و خازنهای تریمر در ظرفیتهای بین ۵ پیکو تا ۳۰ پیکوفاراد موجودند.

کاربرد خازن

در بسیاری از مدارها خازن و سلف در کنار هم قرار می گیرند. این دو قطعه کارهای خارق العاده ای را به کمک هم انجام می دهند. بسیاری از ویژگی های آنها برعکس و متضاد یکدیگر است از همین رو سلف و خازن را دوگان می نامند.هردو این قطعات، انرژی الکتریکی را درخود ذخیره می کنند منتها انرژی الکتریکی در سلف بصورت میدان الکترومغناطیسی و درخازن بصورت میدان الکترواستاتیکی ذخیره می شود.

 خازن وقتی تخلیه است تمایل به جریان کشی شدیدی دارد و به همین علت جریان درخازن به اندازه ی ۹۰ درجه از ولتاژ جلوتر است (زودتر شروع می شود) اما سلف در برابر جریان، مقاومت و ایستادگی می کند و به همین دلیل جریان در سلف به اندازه ی ۹۰ درجه از ولتاژ عقب تر است (دیرتر شروع می شود). بنابراین خازن را پیش فاز و سلف را پس فاز می گویند. این ویژگی ها بهمراه خصوصیات متضاد دیگری که در سلف و خازن وجود دارد آنها را بعنوان قطعات دوگان مطرح می سازد بطوریکه می توانند اثرات یکدیگر را خنثی کنند و به همین دلیل در مدارات مخابراتی و رادیویی و فرکانس بالا و نیز در بسیاری از مدارهای دیگر سلف و خازن درکنار هم قرار می گیرند.

از جمله در طبقه ی هماهنگی یا رزونانس و در انواع فیلترها (پایین گذر، میان گذر، بالاگذر و…)، همچنین از خازن جهت ارتباط دو قسمت یا دو طبقه از مدار استفاده می شود که دراینحالت به آن خازن کوپلاژ می گویند. و نیز بعنوان یک مسیر کنارگذر برای عبور جریان از آن بهره می برند که دراینحالت به آن خازن بای پس گفته می شود. ساختار داخلی و بسیاری از خصوصیات خازنها شبیه به باتری است.

منبع
کارساز
برچسب ها

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

همچنین ببینید
بستن