همه چیز در مورد خازن ها
اگر به شناخت قطعات الکترونیکی علاقه دارید و در مورد خازن کنجکاو هستید، با دنبال کردن این مقاله پاسخ پرسش هایی نظیر خازن چیست؟ تفاوت انواع خازن؟ و … رامییابید.
خازن یک قطعه در اصطلاح غیرفعال و ساده است که می‌تواند در صورت اتصال به ولتاژ الکتریکی، بار الکتریکی را در خود ذخیره کند. به عبارتی خازن قطعه‌ای است که ظرفیت خازنی داشته و می تواند شارژ شود.
ساختمان خازن
خازن ساده از دو صفحه فلزی جدا از هم تشکیل شده که تماس مستقیمی با یکدیگر ندارند؛ در نظر داشته باشید که اگر دو صفحه تماس مستقیم داشتند، عملاً الکتریسیته به سادگی از یکی به دیگری منتقل می شد و قطعه با یک سیم هیچ تفاوتی نداشت. این دو صفحه به دو پایه خازن ارتباط یافته و در عمل پس از قرارگیری قطعه در مدار، یک اختلاف پتانسیل نسبت به یکدیگر دارند؛ یکی دارای بار مثبت شده و دیگری دارای بار منفی.
فضای بین این دو صفحه را ماده‌ای تحت عنوان دی‌الکتریک پر می‌کند. دی‌الکتریک ماده‌ای عایق (نارسانا) است که عبور جریان الکتریکی از درون آن بسیار سخت است. صرف قرارگیری دو صفحه فلزی روبروی یکدیگر، به شرط وجود فاصله و عدم تماس آن‌ها، تشکیل خازن می‌دهد؛ اما ظرفیت چنین خازنی بسیار کم است. با اضافه شدن دی‌الکتریک به فضای بین دو صفحه، عملاً ظرفیت خازن افزایش خواهد یافت.
در حالتی که چیزی بین دو صفحه نباشد دی‌الکتریک خازن هواست؛ اما در صورتی که بخواهیم دی‌الکتریک را افزایش دهیم، از مواد نارساناتری مانند کاغذ، پلاستیک، سرامیک، میکا و اکسید تانتالیوم استفاده می‌کنیم. هر قدر ماده قرار گرفته بین دو صفحه فلزی نارساناتر باشد، در اصطلاح ثابت دی‌الکتریک آن بیشتر بوده و این به افزایش ظرفیت خازن کمک می‌کند.
ظرفیت خازن
ظرفیت خازنی، عبارت است از توانایی نگهداری و شارژ بار الکتریکی.
قانون و فرمول فیزیکی ظرفیت خازنی مطابق زیر است:
C = Q/V
این فرمول بیان می‌کند که در صورت اتصال یک اختلاف پتانسیل (ولتاژ) به قدر V به دو سر یک خازن با ظرفیت C، یک بار الکتریکی به قدر Q در آن ذخیره می‌شود. ظرفیت خازن در اصل معیاری است برای سنجش میزان توانایی قطعه، در ذخیره ساختن انرژی الکتریکی. در فرمول درج‌شده ، ظرفیت خازن با نماد (C) مشخص شده است.
هر قدر ظرفیت یک خازن بالاتر باشد، می‌توان گفت انرژی الکتریکی را بیشتر نگهداری می‌کند.
واحد خازن
واحد سنجش ظرفیت خازن در سیستم SI، فاراد می باشد. فاراد یک معیار و واحد بزرگ است؛ به همین دلیل از واحدهای کوچکتری مانند نانوفاراد، میکروفاراد و پیکوفاراد نیز برای اندازه گیری واحد خازن ها استفاده می شود.
انواع خازن و کاربرد آن:
مهم ترین کابرد خازن در مدارهای الکترونیکی، جلوگیری از جریان مستقیم و در عین حال عبور یک جریان متناوب است. به عنوان مثال: خازن ها در شبکه های فیلتر آنالوگ باعث صاف شدن خروجی منابع تغذیه و در مدارهای تشدید کننده رادیوها را با فرکانس های خاص تنظیم میکنند. همچنین باعث تثبیت جریان برق و ولتاژ در سیستم های انتقال قدرت الکتریکی میشوند. خازن ها به طور کلی در دو گروه ثابت و متغیر قرار میگیرند. خازن های ثابت دارای ظرفیت ثابت و غیر قابل تغییری هستند. در حالی که ظرفیت خازن های متغیر قابل تغییر است.
خازن ثابت
همان‌طور که از نامشان پیداست، دارای ظرفیت ذخیره انرژی ثابتی هستند و بر اساس نوع ماده دی‌الکتریک به کار رفته در ساختارشان نام‌گذاری میشوند. از این نوع خازن‌ها می‌توان به خازن‌های الکترولیتی، سرامیکی، پلی‌استر و تانتالیوم اشاره کرد.
۱-خازن الکترولیتی: خازن‌های الکترولیتی معمولاً استوانه‌ای شکل هستند و حجم کمی دارند. اما برخلاف حجم کم آن‌ها، ظرفیت بالایی در ذخیره انرژی دارند. بر روی بدنه این نوع خازن‌ها حداکثر ولتاژ قابل تحمل دی‌الکتریک درج شده و دارای دو پایه مثبت و منفی هستند. قطب منفی خازن الکترولیتی با نوار سفید رنگ مشخص شده است.
از این نوع خازن به منظور صاف کردن، حذف نویز‌هایی با فرکانس پایین و حذف ریپل ولتاژ در بخش تغذیه مدار‌ها استفاده می‌شود.
۲-خازن سرامیکی: دی‌الکتریک به کار رفته در ساختار این نوع خازن از جنس سرامیک است. بالا بودن ثابت دی‌الکتریک سرامیک باعث شده تا امکان ساخت خازن‌هایی با ظرفیت بسیار بالا و در اندازه‌های کوچک فراهم شود. از این رو خازن‌های سرامیکی را خازن‌های عدسی نیز می‌گویند. زیرا اندازه آن‌ها در حد یک عدس کوچک است. با این حال ولتاژ کاری بسیار بالایی دارند. اما برخلاف خازن‌های الکترولیتی دارای قطب مثبت و منفی نیستند و ظرفیت آن‌ها به دمای محیط بستگی دارد. این وابستگی به دمای محیط را می‌توان بزرگترین عیب این نوع خازن معرفی کرد.
از کاربرد مهم خازن سرامیکی می‌توان به حذف نویز موجود در تغذیه مدار‌ها اشاره کرد. از طرفی با توجه به حساس بودن بیش از حد مدارات دیجیتالی به نوسانات ولتاژ تغذیه، این نوع خازن به منظور بهبود تغذیه در نزدیکترین نقطه به آیسی قرار می‌گیرد.
۳-خازن پلی استر: خازن‌های پلی‌استری به دلیل دارا بودن مشخصات خوب در مدارات، کاربرد بسیار زیادی دارند. در این نوع قطعات از ورقه‌های نازک پلاستیک به عنوان دی‌الکتریک استفاده شده که همراه با ورقه‌های نازک آلومینیومی درون یک قاب از جنس پلاستیک قرار داده میشوند.
خازن‌های پلی‌استری حساسیت زیادی نسبت به تغییرات دما ندارند. به همنی دلیل از آن‌ها در مواردی که نیاز به خازنی با ظرفیت ثابت نسبت به حرارت است، استفاده می‌شود. نام این نوع خازن نیز به دلیل یکی از مواد دی‌الکتریکی است که در آن به کار رفته، این ماده پلی‌استایرن نام دارد. این نوع قطعات نیز همانند نوع سرامیکی فاقد قطب مثبت و منفی است.
۴-خازن تانتالیوم: خازن تانتالیوم نوعی خازن الکترولیتی است که در آن به جای آلومینیوم از فلز تانتالیوم استفاده شده است. تانتالیوم ثابت دی‌الکتریک بسیار بالاتری نسبت به آلومینیوم دارد. همین موضوع باعث شده تا این نوع خازن نسبت به نوع آلومینیومی آن در یک حجم مساوی، ظرفیت بسیار بالاتری داشته باشد. همچنین قیمت آن نسبت به دیگر خازن‌ها بیشتر است.
این نوع خازن در دو مدل تولید و عرضه می‌شود. در نوع DIP قطب مثبت خازن در کنار پایه آن نوشته شده و در مدل SMD با یک خط علامت‌گذاری شده است. ظرفیت بالای خازن‌های تانتالیوم باعث شده تا بتوان آن‌ها در ابعاد کوچکتر تولید کرد.
همچنین جریان نشتی بسیار کم و طول عمر بیشتری نیز نسبت به دیگر انواع خازن دارد. با این حال توانایی تحمل در مقابل جریان‌ها شارژ و دشارژ در ان‌ها کم و ظرفیت محدودی معمولاً تا ۳۳۰ میکروفاراد دارند.
خازن متغییر
خازن‌های متغیر میزان ظرفیتشان از نظر مکانیکی و الکتریکی قابل تغییر است و معمولاً در مدارات مخابراتی مورد استفاده قرار میگیرند. از این رو ظرفیت مشخصی ندارند. ولی می‌توانند محدوده‌ای از مقادیر را فراهم کنند. در واقع ظرفیت خازن‌های متغیر نسبت مستقیمی با سطح مشترک دو صفحه خازن با هم دارد. این خازن‌ها با توجه به نحوه تغییر ظرفیتشان در دو نوع تولید میشوند.
۱-واریابل: این نوع خازن‌ها از انواع محبوب خازن‌های متغیر هستند. آن‌ها از یک روتور، یک استاتور ، یک بدنه برای نگهداری استاتور و یک خازن میکا تشکیل شده‌اند. جزییات ساختاری یک خازن واریابل را در تصویر زیر می‌توانید ببینید.
استاتور قسمت ثابت و روتور قسمت متحرک است که به دنبال چرخش یک اهرم متحرک، به دوران درمی‌آید. زمانی که صفحات روتور در شکاف‌های استاتور حرکت میکنند، حالتی شبیه به صفحات یک خازن ایجاد میکنند و هرگاه این صفحات به طور کامل در شکاف‌ها جاگیر میشوند، خازن ایجاد شده در بیشترین حالت ممکن خواهد بود و در وضعیت مخالف، در کمترین حالت ممکن.
۲- تریمر: خازن‌های تریمر با کمک پیچ‌گوشتی تغییر میکنند و معمولا در محل‌هایی از مدار نصب میشوند که پس از تنظیم اولیه مقدارشان دیگر نیازی به تنظیم و تغییر نخواهند داشت. خازن تریمر دارای سه پایه است. یکی به صفحه‌ی ثابت متصل است، دیگری به صفحه‌ی دوار و آخرین پایه نیز مشترک است. صفحه‌ی دوار، یک صفحه به شکل نیم‌دایره است. دو صفحه‌ی موازی و رسانا و یک دی‌الکتریک در بین آن‌ها وجود دارد. براساس نوع این دی‌الکتریک مورد استفاده، خازن‌های تریمر انواعی دارند؛ هوایی یا سرامیکی. یکی از این نوع خازن‌ها را در تصویر زیر می‌بینیم.
چنانچه در حوزه کاری خود به مشکلی برخورد کرده‌اید و در جستجوی فرد و یا شرکت‌های توانمند برای حل مشکلتان هستید می توانید با عضویت در سامانه گلوپ و ثبت مشکل خود با این افراد و شرکت ها ارتباط برقرار کنید.
برای مشاهده مطالب بیشتر به گلوپ پلاس مراجعه فرمایید.