خازن Capasitor
خازن قطعه ای پسیو و بسیار پر کاربرد در مدار است که انرژی را در خود ذخیره می سازد، این انرژی به صورت بار الکتریکی در دو صفحه که از یکدیگر فاصله دارند ذخیره می شود و از این خاصیت می توان استفاده های فراوانی نمود. خازن ها انواع مختلفی دارند که طراحی و ساخت هر کدام متفاوت می باشد ولی به طور کلی دو صفحه از هم مجزا وجود دارد که بین این دو صفحه را با یک ماده عایق به نام دی الکتریک پر می کنند ،جنس دی الکتریک و صفحه از مواد مختلفی می تواند باشد که اندازه صفحه و جنس دی الکتریک تعیین کننده ظرفیت خازن می باشد، ظرفیت خازن را با واحدی به نام فاراد می سنجند.
خواندن مقادیر خازن
خازن ها برخلاف مقاومت ها در مقادیر میلی ، میکرو ، نانو و پیکو در مدار مورد استفاده قرار می گیرند و خواندن آنها هم تقریبا شبیه مقاومت ها است فقط به دلیل کوچک بودن مقادیر اعداد نوشته شده بر روی خازن ها بر حسب پیکوفاراد می باشد، همچنین مانند مقاومت ها خازن ها نیز تلورانس دارند که با یک حرف مقدار آن ها نشان داده می شود و مورد دیگری که خازن ها اضافه تر از مقاومت ها دارند حداکثر ولتاژ کاری آن ها می باشد که آن هم توسط یک حرف و یک عدد روی آنها درج شده است.
در برخی از خازن ها که جای کافی برای نوشتن این اطلاعات داشته اند به صورت صریح و شفاف مقادیر را نوشته و کار را راحت کرده اند.
شیوه کار خازن
شیوه کار خازن بدین صورت است که دو صفحه رسانا با فاصله روبروی هم قرار گرفته اند که در صورت ایجاد اختلاف پتانسیل الکترون ها در یک صفحه جمع شده و از یک صفحه دیگر تخلیه می شوند که این عمل در اصطلاح شارژ خازن گفته می شود ،زمانی که ولتاژ اعمال شده به دو سر خازن از ولتاژ ایجاد شده در دو صفحه خازن بیشتر باشد خازن شروع به شارژ شدن می کند و در زمانی که ولتاژ اعمالی کمتر باشد خازن شروع به کاهش ولتاژ دو صفحه خود می کند و انرژی ذخیره شده در خود را با تزریق جریان تخلیه می کند تا با ولتاژ اعمالی به دو سرش هم ولتاژ بشود. نتیجه این اتفاق این است که خازن با تغییر آنی ولتاژ دو سرش (در حد توانش) مخالفت می کنه،چرا؟ چون وقتی ولتاژ اعمالی به دو سر خازن بالا یا پایین می رود باید یک زمانی صرف شود تا خازن شارژ یا دشارژ شود.
دی الکتریک یک ماده نارسانا از جنس شیشه، هوا ، کاغذ، سرامیک، پلاستیک و گاهی از مواد نیمه رسانا و غیره است که ظرفیت خازن را بیشتر می کند ،این خاصیت به دلیل قطبیدگی اتم های دی الکتریک تحت میدان ایجاد شده بین دو صفحه به وجود می آید که باعث می شود بار الکتریکی بیشتری روی صفحات قرار بگیرد.
ولتاژ شکست خازن
دی الکتریک ها همیشه مقداری جریان نشتی یا رسانایی دارند که این مقدار بسته به جنس دی الکتریک ها فرق می کند ،البته این مقدار بسیار ناچیز می باشد ولی با افزایش ولتاژ دو سر خازن رفته رفته این رسانایی بیشتر می شود و حداکثر ولتاژ کاری نوشته شده روی خازن ها بیانگر این است که از این ولتاژ بیشتر آن قدر جریان نشتی افزایش پیدا می کند که عملکرد خازن را تحت تاثیر قرار می دهد، با افزایش ولتاژ خازن بیشتر از آستانه ولتاژی آن از یک جایی جریان نشتی به حدی می رسد که باعث تغییر شیمیایی در ساختار دی الکتریک می گردد و خازن می سوزد.
انواع خازن
1-خازن های عدسی ( Ceramic Capacitor )
خازن های عدسی متداول ترین خازن های مورد استفاده هستند که ساده ترین ساختار را دارند، در کل به تمامی خازن هایی که شکل عدس هستند خازن عدسی می گویند ولی از جنس های متفاوتی ساخته شده اند ،اغلب خازن های عدسی منظور همان خازن های گرد نارنجی رنگ است مانند شکل زیر و دیگر عدسی ها را معمولا با نام ماده سازنده آن ها می شناسند.
این خازن ها از دو صفحه گرد رسانا که توسط یک دی الکتریک از هم جدا شده ساخته شده اند که از ویژگی های آنها می توان به موارد زیر اشاره نمود :
1-شارژ و دشارژ خازن سریع است و مناسب کار در فرکانس های بالا می باشد.
2-ظرفیت پایین
3-ولتاژ کاری پایین
4-قیمت ارزان
5-ظرفیت آن ها با تغییرات دما تغییر می کند
2-خازن های الکترولیتی یا شیمیایی ( Electrolytic Capacitor )
در این نوع خازن ها رسانا و دی الکتریک از صفحات بلند و قابل انعطاف و نازکی ساخته شده اند که به دلیل اشغال جای کمتر دور هم پیچیده شده اند و به شکل یک استوانه در آمده است و به همین دلیل در فضای کمتری ظرفیت بیشتری ایجاد شده است و معمولا در ظرفیت های بیشتر از یک میکرو فاراد ساخته می شوند.
دی‌الکتریک این خازنها از یک واکنش شیمیایی بین یک الکترولیت رسانا و یکی از صفحات خازن ایجاد میشود. این واکنش در اولین بار شارژ شدن خازن در کارخانه اتفاق می‌افتد. در این واکنش یکی از صفحات خازن اکسید شده و این لایه اکسید وظیفه دی الکتریک را انجام می‌دهد. الکترود دیگر و الکترولیت رسانای بین الکترودها با همدیگر الکترود دیگر خازن را تشکیل می‌دهند. نازک بودن لایه اکسید باعث بالا رفتن ظرفیت خازن میشود. این خازنها دارای قطب یا پایه مثبت و منفی می‌باشند و اگر در مدار این قطبیت رعایت نشود لایه اکسید فلز دوباره احیا شده و دو الکترود خازن اتصال کوتاه شده و خازن رسانا میشود که می‌تواند باعث گرم شدن الکترولیت و سپس تبخیر آن شده که خود باعث انفجار خازن میشود، قطبیت خازن ها با نوار سفید رنگی روی بدنه که نشانگر پایه منفی است و همچنین کوتاه تر بودن پایه منفی مشخص شده است، جنس این خازن ها معمولا آلومینیومی و یا تانتالیومی است.
در قسمت بالایی این خازن ها یک علامت بعلاوه تراش کاری شده است که باعث کاهش مقاومت بدنه این قسمت شده است ،این کار بخاطر این است که اگر خازن ترکید از بالا بترکد و به قطعات مجاورش آسیب نرساند.
برخی از ویژگی های خازن های الکترولیتی از این قرار است:
1-ظرفیت بالا، این خازن ها دارای بیشترین ظرفیت هستند
2-سرعت شارژ و دشارژ پایین ،به دلیل نوع ساخت این خازن ها و طویل بودن لایه ها این زمان نسبت به بقیه خازن ها طولانی تر است.
3-تحمل ولتاژ های نسبتا بالا
4-دارای قطب مثبت و منفی می باشند
5-عمر نسبتا پایین
3-خازن های تانتالیوم ( Tantalum Capacitor )
در این نوع خازن به جای آلومینیوم از فلز تانتالیوم استفاده میشود. زیاد بودن ثابت دی‌الکتریک اکسید تانتالیوم نسبت به اکسید آلومینیوم (حدوداً ۳ برابر) سبب میشود خازنهای تانتالیومی نسبت به نوع آلومینیومی در حجم مساوی دارای ظرفیت بیشتری باشند. محاسن خازن تانتالیومی نسبت به نوع آلومینیومی بدین قرار است:
- ابعاد کوچکتر
- جریان نشتی کمتر
- عمر کارکرد طولانی
از جمله معایب این نوع خازن در مقایسه با خازنهای آلومینیومی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- خازنهای تانتالیوم گرانتر هستند
- نسبت به افزایش ولتاژ اعمال شده در مقابل ولتاژ مجاز آن، همچنین معکوس شدن پلاریته حساس ترند
- قابلیت تحمل جریانهای شارژ و دشارژ زیاد را ندارند
- خازنهای تانتالیوم دارای محدودیت ظرفیت هستند (حد اکثر تا ۳۳۰ میکرو فاراد ساخته می‌شوند)
4-خازن های پلی استر ( Polystyrene Capacitor ) و MKT
در این نوع خازن از ورقه‌های نازک پلاستیک برای دی الکتریک استفاده میشود. ورقه‌های پلاستیکی همراه با ورقه های نازک فلزی ( آلومینیومی ) به صورت صفحه های موازی با هم و یا لوله ای ، در درون قاب پلاستیکی بسته بندی می‌شوند. امروزه این نوع خازنها به دلیل داشتن مشخصات خوب در مدارات زیاد به کار می‌روند. این خازنها نسبت به تغییرات دما حساسیت زیادی ندارند، به همین سبب از آنها در مداراتی استفاده می‌کنند که احتیاج به خازنی با ظرفیت ثابت در مقابل حرارت باشد. یکی از انواع دی‌الکتریک هایی که در این خازنها به کار می‌رود پلی استایرن است، از این رو به این خازنها «پلی استر» گفته میشود که از جمله رایج‌ترین خازنهای پلاستیکی است. ماکزیمم بسامد کار خازنهای پلاستیکی حدود یک مگاهرتز است.
خازن های ام کا تی جزو خازن های پلی استر هستند که به دلیل تلورانس پایین و پایداری دمایی بیشتر به عنوان خازن کوپلینگ و مداراتی که زمان شارژ و دشارژ پایین نیاز دارند استفاده میشود که در ظرفیت های پایین موجود هستند و اندازه نسبتا بزرگ و قیمت بالایی دارند.
تفاوت خازن پلی استر با MKT و MKP
تفاوت این خازن ها در جنس دی الکتریک آن هاست ، دی الکتریک ها از جنس پلاستیک نازک می باشدMKT زودتر از نوع پلی استر شارژ و دشارژ شود و برای حذف نویز سریع تر از پلی استر عمل می کند.خازن های MKT فرکانس بالا می باشند و در فرکانس های پایین مقاومت بالایی از خود نشان می دهند ولی در فرکانس های بالا بدون افت ظرفیت مقاومتشان پایین می آید، ویژگی دیگر این خازن ها خاصیت سلفی پایین آن هاست. خازن های MKT از پلی استر متالیزه شده ساخته می شوند و MKP ها از پلی پروپیلن متالیزه شده که در این مدل ها تلفات دی الکتریک بسیار پایین است.
5-خازن های کاغذی
نوع دی الکتریک این خازن ها از کاغذ های لایه ای تشکیل شده که یک دی الکتریک مناسب درون آن تزریق می‌گردد تا مانع از جذب رطوبت گردد. برای جلوگیری از تبخیر دی الکتریک درون کاغذ، خازن را درون یک قاب محکم و نفوذ ناپذیر قرار می‌دهند. خازنهای کاغذی به علت کوچک بودن ضریب دی الکتریک عایق آنها دارای ابعاد فیزیکی بزرگ هستند، اما از مزایای این خازنها آن است که در ولتاژها و جریانهای زیاد می‌توان از آنها استفاده کرد،این خازن ها از اولین مدل خازن های تولیدی می باشند و چون در حال حاضر استفاده چندانی ندارد از توضیح بیشتر درباره آن ها می پرهیزیم.
6-خازن های متغیر
ظرفیت این خازن ها قابل تغییر است. خازنهای متغیر عموماً از نوع عایق هوا یا پلاستیک هستند، ظرفیت خازن ها را می توان با تغییر سطح مشترک دو صفحه موازی ،تغییر دی الکتریک و یا تغییر فاصله دو صفحه تغییر داد که ساده ترین راه تغییر سطح مشترک و بعد تغییر فاصله است. محدوده تغییر ظرفیت خازن های متغیر زیاد نیست و در حد پیکو فاراد می باشد. موارد استفاده این خازن ها بیشتر در مخابرات و برای تنظیم فرکانس می باشد.
