خازن قطعه‌ای است که توانایی و یا «ظرفیت» ذخیره انرژی در قالب بار الکتریکی را دارد که اختلاف پتانسیل (ولتاژ استاتیک) را در صفحه‌های آن ایجاد می‌کند، دقیقاً مانند یک باتری قابل شارژ.
انواع مختلفی از خازن‌ها وجود دارد؛ از مهره‌های خازنی بسیار کوچک مورد استفاده در مدارهای رزونانس گرفته تا خازن‌های تصحیح ضریب توان بزرگ، اما همه آنها یک کار را انجام می‌دهند؛ آنها بار الکتریکی را ذخیره می‌کنند. در این مقاله با ساختار کلی یک خازن، انواع خازن‌ها و کاربردهای مختلف آنها آشنا می‌شویم. لطفاً با ما همراه باشید!
ساختار خازن
در شکل اصلی آن، یک خازن از دو یا چند صفحه رسانا (فلزی) موازی تشکیل شده است که به یکدیگر متصل نیستند و یا با یکدیگر تماس ندارند، اما به صورت الکتریکی یا با هوا و یا با مواد عایق خوب مانند کاغذ موم شده، میکا، جدا می‌شوند. سرامیک، پلاستیک یا نوعی ژل مایع که در خازن‌های الکترولیتی استفاده می‌شود. لایه عایق بین صفحات خازن معمولاً دی الکتریک نامیده می‌شود.
با توجه به این لایه عایق، جریان DC نمی‌تواند از طریق خازن عبور کند زیرا دی‌الکتریک آن را مسدود می‌کند و به جای آن می‌توان ولتاژ را به صورت یک بار الکتریکی در سراسر صفحات قرار داد.
صفحات فلزی رسانا یک خازن می‌تواند به صورت مربع، دایره‌ای یا مستطیل باشد، یا بسته به کاربرد و درجه ولتاژ آنها می‌تواند از نوع استوانه‌ای یا کروی با فرم عمومی، اندازه و ساخت خازن صفحه موازی باشد.
هنگامی‌که در یک مدار از جریان مستقیم DC استفاده می‌شود، یک خازن تا ولتاژ منبع تغذیه، خود را شارژ می‌کند اما جریان را از طریق خود مسدود می‌کند زیرا دی‌الکتریک یک خازن نارسانا است و اساساً عایق است. با این حال، هنگامی‌که یک خازن به یک جریان متناوب یا AC متصل است، به نظر می‌رسد جریان مستقیماً از خازن با مقاومت کمی یا بدون مقاومت عبور می‌کند.
دو نوع بار الکتریکی وجود دارد. یک بار مثبت به شکل پروتون و یک بار منفی به شکل الکترون‌ها. هنگامی‌که یک ولتاژ DC دو سر یک خازن قرار می‌گیرد، بار مثبت به سرعت در یک صفحه جمع می‌شود در حالی که یک بار منفی (مخالف) و متضاد در صفحه دیگر جمع می‌شود. برای هر ذره‌ای از بار (+) که به یک صفحه می‌رسد، یک شارژ همان علامت از صفحه (-)خارج می‌شود.
ظرفیت خازن
ظرفیت خازنی، خاصیت الکتریکی یک خازن است و اندازه‌گیری توانایی خازن برای ذخیره بار الکتریکی بر روی دو صفحه آن با واحد فاراد (به اختصار F) است که به نام مایکل فارادی (فیزیکدان انگلیسی) نامگذاری شده است.
ظرفیت این‌گونه تعریف می‌شود که یک خازن از ظرفیت یک فاراد در هنگام بارگیری یک کولن در صفحات با ولتاژ یک ولت ذخیره می‌شود. توجه داشته باشید که ظرفیت خازنی، C همیشه از نظر ارزش مثبت است و هیچ واحد منفی ندارد. با این حال، فاراد یک واحد اندازه‌گیری بسیار بزرگ است، به طور مثال از تکثیرهای فاراد معمولاً مانند میکرو فارادها، نانو فارادها و پیکو فارادها استفاده می‌شود.
واحدهای استاندارد ظرفیت خازنی
Microfarad (μF) 1μF = 1 / 1،000،000 = 0.000001 = 10-6 F
Nanofarad (nF) 1nF = 1 / 1،000،000،000 = 0.000000001 = 10-9 F
Picofarad (pF) 1pF = 1 / 1،000،000،000،000 = 0.000000000001 = 10-12 F
انواع خازن
قطبی و غیر قطبی
یکی از اصلی‌ترین تفاوت‌های بین انواع خازن این است که آیا آنها قطبی هستند؟
اساساً یک در خازن قطبی باید با ولتاژ موجود در آن، در جهت خاصی اجرا شود.
از محبوب‌ترین نوع خازن‌های قطبی، آلومینیوم الکترولیتی و تانتالیوم آلومینیوم است. این‌ها برای نشان دادن ترمینال مثبت یا منفی مشخص شده‌اند و فقط باید با جهت‌گیری ولتاژ در جهت آن عمل شوند – ولتاژ معکوس باعث آسیب دیدن یا از بین رفتن آنها می‌شود. از آنجا که خازن‌ها کارهای بسیاری مانند اتصال و جدا شدن را انجام می‌دهند، یک ولتاژ DC دائمی در بین آنها وجود خواهد داشت و آنها فقط از قسمت AC را از خود عبور می‌دهند.
شکل دیگر خازن یک خازن غیر قطبی است. این نوع خازن هیچ نیازی به جهت خاص ندارد و می‌توان آن را به هر طریق در مدار متصل کرد. سرامیک، فیلم پلاستیکی، میکا نقره ازجمله خازن‌های غیر قطبی هستند.
خازن‌های پایه‌دار و SMD
خازن‌ها در انواع پایه‌دار و خازن‌های SMD در دسترس هستند. تقریباً انواع خازن‌ها به صورت نسخه‌های پایه‌دار وجود دارند: الکترولیت، سرامیک، ابررساناها، فیلم پلاستیکی، میکا نقره، شیشه و سایر انواع تخصصی.
خازن‌های SMD کمی محدودتر هستند. خازن‌های SMD باید قادر به تحمل دمای مورد استفاده در فرآیند لحیم‌کاری باشند. از آنجا که خازن هیچ‌گونه پایه‌ای ندارد و همچنین در نتیجه فرآیندهای لحیم‌کاری مورد استفاده قرار می‌گیرد، قطعات SMD ازجمله خازن‌ها در معرض افزایش دمای لحیم خود قرار دارند. در نتیجه، تمام انواع مختلف به عنوان خازن SMD در دسترس نیست.
خازن‌های متغیر و ثابت
تمایز نوع دیگری برای خازن‌ها این است که آیا آنها ثابت یا متغیر هستند.
بیشترین تعداد خازن‌ها تاکنون خازن‌های ثابت هستند، یعنی هیچ تنظیماتی ندارند؛ اما در برخی موارد ممکن است وجود یک خازن قابل تنظیم یا متغیر در جایی که ممکن است مقدار خازن متغیر باشد ضروری باشد. به طور معمول این خازن‌ها دارای ظرفیت‌های نسبتاً کم هستند، گاهی اوقات حداکثر مقادیر تا pF 1000 دارند.
انواع خازن ثابت
خازن الکترولیتی
به‌طور کلی، در صورت نیاز به مقادیر بزرگ خازن، از خازن‌های الکترولیت استفاده می‌شود. از لایه فیلم نازک فلزی برای یک الکترود و برای الکترود دوم (کاتد) از محلول الکترولیت نیمه مایع که ژله یا خمیر است استفاده می‌شود. صفحه دی‌الکتریک یک لایه نازک از اکسید است و در تولید با ضخامت فیلم به صورت الکتروشیمیایی تولید می‌شود و از ده میکرون کمتر است.
این لایه عایق بسیار نازک است، می‌توان خازنی‌هایی با مقدار زیادی از ظرفیت را در اندازه‌ای کوچک ساخت و فاصله بین دو صفحه نیز بسیار اندک است. اکثر خازن‌های الکترولیتی قطبی هستند. هنگامی‌که ولتاژ DC بر روی ترمینال خازن اعمال می‌شود و آنها باید در جهت صحیح باشند.
استفاده از خازن‌های الکترولیتی به طور کلی در مدار منبع تغذیه DC است؛ زیرا دارای ظرفیت خازنی زیاد و دارای نوسان ولتاژ کوچک هستند. کاربرد خازن‌های الکترولیتی کوپلاژ و دکوپلاژ هستند. نقطه ضعف خازن‌های الکترولیتی این است که به دلیل قطبی بودن رتبه‌بندی ولتاژ آنها نسبتاً کم است.
خازن‌های میکا
این خازن گروهی از مواد معدنی طبیعی است و خازن‌های میکا نقره از این دی‌الکتریک استفاده می‌کنند. دو نوع خازن میکا وجود دارد که خازن بست شده و خازن میکا نقره هستند. خازن‌های میکای بست شده به دلیل خصوصیات پایین‌تر منسوخ شده‌اند. خازن‌های میکا نقره با استفاده از ورق میکا ساندویچ شده با روکش فلز در دو طرف تهیه شده و سپس این مونتاژ به منظور محافظت از محیط در اپوکسی محافظت می‌شود. از خازن‌های میکا در طراحی‌هایی استفاده می‌شود که به خازن پایدار و قابل اطمینان نسبتاً کوچک نیاز باشد.
خازن‌های میکا خازن کم اتلاف هستند و در فرکانس‌های بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند و این خازن از نظر شیمیایی، الکتریکی و مکانیکی بسیار پایدار است؛ دلیل آن، اتصال خاص کریستالی متصل شده به آن و یک سازه معمولاً لایه باز است. متداول‌ترین آنها میکا مسکویت و فلوگوپیت هستند. میکا موسکویت در خواص الکتریکی بهتر است و دیگری میکا از مقاومت بالایی برخوردار است.
خازن‌های فیلم
خازن‌های فیلم نیز نوعی خازن هستند و از پلاستیک نازک به عنوان دی‌الکتریک استفاده می‌کنند. خازن فیلم با استفاده از فرایند پیشرفته ترسیم فیلم بسیار نازک آماده شده است. اگر این فیلم ساخته شود، ممکن است فلزی شود که این مورد به خواص خازن بستگی دارد. برای محافظت از عامل محیطی، الکترودها اضافه شده و مونتاژ می‌شوند.
انواع مختلفی از خازن‌های فیلم مانند فیلم پلی‌استر، فیلم متالیزه، فیلم پلی‌پروپیلن، فیلم PTE و فیلم پلی استایرن در دسترس هستند. تفاوت اصلی بین این نوع خازن‌ها در ماده‌ای است که به عنوان دی‌الکتریک مورد استفاده قرار می‌گیرد و دی‌الکتریک باید مطابق با خواص آنها به درستی انتخاب شود. کاربردهای خازن‌های فیلم از پایداری، اندوکتانس پایین و هزینه کم است.
خازن فیلم PTE یک مقاومت در برابر حرارت است و از آن در هوافضا و فناوری نظامی استفاده می‌شود. خازن فیلم پلی‌استر فلزی شده در کاربردهایی مورد استفاده قرار می‌گیرند که به پایداری طولانی نیاز باشد.
خازن سرامیکی
خازن‌های سرامیکی خازن‌هایی هستند که از مواد سرامیکی به عنوان دی‌الکتریک استفاده می‌کنند. سرامیک یکی از اولین موادی است که در تولید خازن‌ها به عنوان عایق مورد استفاده قرار می‌گیرد.
در خازن‌های سرامیکی از هندسه‌های زیادی استفاده شده است و بعضی از آنها خازن لوله‌ای سرامیکی هستند، خازن‌های لایه سد به دلیل اندازه، اثرات انگلی یا خصوصیات الکتریکی منسوخ شده‌اند. دو نوع خازن سرامیکی معمول خازن سرامیکی چند لایه (MLCC) و خازن دیسک سرامیکی هستند.
خازن‌های سرامیکی چند لایه با استفاده از تکنولوژی SMD تهیه می‌شوند و از نظر اندازه کوچک‌تر هستند؛ بنابراین از آن بسیار استفاده می‌شود. مقادیر خازن‌های سرامیکی به طور معمول بین nF 1 تا μF 1 قرار دارند و مقادیر آنها تا μF 100 ممکن است برسد.
خازن‌های دیسک سرامیکی با پوشاندن دیسک سرامیکی با کنتاکت های نقره‌ای از دو طرف تولید می‌شوند و برای دستیابی به ظرفیت بیشتر، این قطعه‌ها از لایه‌های مختلف ساخته می‌شوند. خازن‌های سرامیکی به دلیل اثرات انگلی مانند مقاومت و القاء، دارای واکنش‌های فرکانس بالا خواهند بود.
کاربردهای خازن
خازن‌ها برای ذخیره انرژی
خازن‌ها از اواخر قرن 18 میلادی برای ذخیره انرژی الکتریکی استفاده شده‌اند. بنیامین فرانکلین اولین کسی بود که عبارت «باتری» را برای مجموعه‌ای از خازن‌ها در یک کاربرد ذخیره انرژی اختراع کرد. خازن‌های تک به طور کلی انرژی زیادی را در خود جای نمی‌دهند و تنها برای استفاده از وسایل الکترونیکی انرژی کافی را در هنگام قطع برق موقت یا در صورت نیاز به انرژی اضافی، تأمین می‌کنند. به عنوان مثال، خازن‌های بزرگ در سیستم‌های صوتی اتومبیل تعبیه شده‌اند تا در صورت لزوم نیروی اضافی را به تقویت‌کننده‌ها وارد کنند.
خازن برای جداسازی سیگنال‌ها
یکی از کاربردهای مهم خازن‌ها جداسازی سیگنال‌های منبع تغذیه است. خازن‌ها اجازه عبور سیگنال‌های AC را می‌دهند اما سیگنال‌های DC را مسدود می‌کنند. آنها می‌توانند به طور مؤثر این دو نوع سیگنال را جدا کرده و منبع تغذیه را تمیز کنند. این اثر برای جدا کردن قسمت‌های مختلف مدارهای الکتریکی برای کاهش نویز مورد استفاده قرار گرفته است که می‌تواند منجر به کاهش کارایی شود. همچنین خازن‌ها در پست‌های آب و برق برای مقابله با بار القایی وارد شده توسط خطوط انتقال استفاده می‌شوند.
خازن‌ها به عنوان سنسور
خازن‌ها به عنوان سنسور برای اندازه‌گیری موارد مختلف از جمله رطوبت هوا، سطح سوخت و فشار مکانیکی استفاده می‌شوند. ظرفیت یک خازن به ساختار آن بستگی دارد. تغییرات در ساختار را می‌توان به عنوان از دست دادن یا افزایش ظرفیت اندازه‌گیری کرد. در کاربردهای سنجشی از دو جنبه خازن استفاده می‌شود: فاصله بین صفحات موازی و مواد بین آنها. اولی برای تشخیص تغییرات مکانیکی مانند شتاب و فشار استفاده می‌شود. حتی تغییرات جزئی در مواد بین صفحات نیز می‌تواند برای تغییر ظرفیت دستگاه کافی باشد، تأثیری که هنگام تشخیص رطوبت هوا مورد استفاده قرار می‌گیرد.
خازن‌ها برای پردازش سیگنال
خازن‌ها به طور فزاینده‌ای در کاربردهای پیشرفته فناوری اطلاعات استفاده می‌شوند. دستگاه‌های حافظه دسترسی تصادفی پویا (DRAM) از خازن‌ها برای نمایش اطلاعات باینری به عنوان بیت استفاده می‌کنند. دستگاه هنگام شارژ خازن یک مقدار و هنگام تخلیه مقدار دیگری را می‌خواند. Charge Coupled Devices (CCD) از خازن‌ها به صورت آنالوگ استفاده می‌کنند. همچنین از خازن‌ها به همراه سلف ها برای تنظیم مدارها به فرکانس‌های خاص استفاده می‌شود؛ این یک اثر است که توسط گیرنده‌های رادیویی، بلندگوها و اکولایزرهای آنالوگ مورد استفاده قرار می‌گیرد.
