خازن
خازن یک قطعه الکترونیکی است که برای ذخیره انرژی الکتریکی به وسیله میدان الکترواستاتیک (بار الکتریکی) در مدارهای الکتریکی استفاده میشود. خازن توانایی ذخیره بار الکتریکی را دارد و از آن برای ایجاد میدان الکتریکی یکنواخت و پایدار نیز استفاده میشود. علاوه بر این، خازنها به عنوان فیلترها نیز مورد استفاده قرار میگیرند. آنها سیگنالهای متناوب یا AC را به راحتی عبور میدهند، اما مانع عبور سیگنالهای مستقیم یا DC میشوند.
خازن یا کاپاسیتور، که با حرف C نمایش داده میشود، واحد ظرفیت خازن فاراد است. ظرفیت خازن به وسیله فرمول زیر محاسبه میشود:
C = kε₀A/d
در این فرمول: C: ظرفیت خازن k: ضریب دیالکتریک (dielectric constant) ماده عایق در خازن ε₀: پرمیتیویت خلاء (permittivity of free space) A: مساحت صفحات خازن d: فاصله بین صفحات خازن
واحد ظرفیت خازن فاراد است، اما به طور معمول از واحدهای کوچکتری مانند میلیفاراد (10^-3 F)، میکروفاراد (10^-6 F)، نانوفاراد (10^-9 F) و پیکوفاراد (10^-12 F) برای معرفی ظرفیت خازن استفاده میشود.
ساختمان خازن شامل دو صفحه فلزی موازی است که به عنوان الکترودهای خازن شناخته میشوند. بین این صفحات، یک ماده عایق (dielectric) وجود دارد، مانند کاغذ، میکا، پلاستیک، سرامیک، اکسید آلومنیوم یا اکسید تانتالیوم. این ماده عایق به ظرفیت خازن کمک میکند و میزان ظرفیت خازن به اندازه زمینهها و ماده عایق بین صفحات آن بستگی دارد.
انواع خازن
خازن عدسی: این نوع خازن دارای ابعاد کوچک مانند یک عدسی است و بدون پلاریته مثبت و منفی هستند (خازنهای بدون قطب). ظرفیت خازنهای عدسی در محدوده پیکوفاراد و نانوفاراد قرار دارد. مقدار ظرفیت این خازنها اغلب بر روی آنها نوشته شده است. برای محاسبه ظرفیت، اعداد روی خازن را خوانده و دو رقم اول را برداشته و به مقدار رقم سوم صفر اضافه کنید. به عنوان مثال، اگر بر روی خازن عدد 473 نوشته شده باشد، میتوان ظرفیت آن را برابر با 47000 پیکوفاراد (pF) یا 47 نانوفاراد (nF) در نظر گرفت.
خازن سرامیکی: این نوع خازن از مواد سرامیکی ساخته شده و در محدوده ظرفیت میکروفاراد (μF) و پیکوفاراد (pF) قرار دارد. خازنهای سرامیکی به دلیل ابعاد کوچک و عملکرد سریع خود، در بسیاری از برنامههای الکترونیکی مورد استفاده قرار میگیرند.
خازن الکترولیتی: این نوع خازنها شامل خازنهای آلومینیومی و تانتالیومی میشوند. آنها از مواد الکترولیتی برای افزایش ظرفیت استفاده میکنند. خازنهای تانتالیومی به دلیل عملکرد و پایداری بیشتر در برنامههایی که نیاز به عمر طولانی دارند، معمولاً مورد استفاده قرار میگیرند.
خازن ورقهای: این نوع خازنها از ورقههای میکا، کاغذی یا پلاستیکی تشکیل شده و معمولاً در برنامههایی با ظرفیت کمتر استفاده میشوند.
خازن روغنی و گازی: این نوع خازنها برای برنامههای خاصی مانند ترانسفورماتورها و برقآمدن موردهای برقی استفاده میشوند. آنها دارای روغن یا گاز به عنوان ماده عایق درون خود هستند.
خازنهای متغیر: این نوع خازنها قابلیت تغییر ظرفیت خود را دارند و در برنامههایی که نیاز به تنظیم ظرفیت دارند، مورد استفاده قرار میگیرند.
خازن سرامیکی
خازنهای سرامیکی، یکی از انواع خازنهای بدون قطب (خازنهای خشک) هستند. این نوع خازنها از مواد سرامیکی ساخته میشوند، و به علت دارا بودن ثابت دیالکتریک بسیار بالا در مواد سرامیکی، این نوع خازن عایقی بسیار خوب دارند. به عبارت دیگر، خازنهای سرامیکی از نظر عایقی عملکرد عالی دارند و میتوانند ظرفیتهای بالا را در ابعاد کوچک فراهم کنند. علاوه بر این، ولتاژ کاری این نوع خازنها نیز بالا است.
خازن الکتروليتي
خازنهای الکترولیتی یا شیمیایی به عنوان یکی دیگر از انواع خازنها، در مقایسه با خازنهای عدسی دارای قطب منفی و مثبت هستند. ظرفیت و ولتاژ قابل تحمل برای این نوع خازنها بر روی خود آنها نوشته شده است، و این مسائل را در هنگام استفاده در مدارهای الکتریکی باید به طور ویژه مد نظر داشت. دو نوع اصلی از خازنهای الکترولیتی عبارتند از:
1. خازنهای الکترولیتی آلومینیومی.
2. خازنهای الکترولیتی تانتالیومی.
این نوع خازنها در برنامههای مختلف الکترونیکی مورد استفاده قرار میگیرند. یکی از کاربردهای مهم این خازنها، در مدارهای یکسوکننده دیودی به عنوان عنصر فیلتر و کوپلینگ در مدارهای بایاس ترانزیستورها میباشد. این خازنها به عنوان عناصر ذخیرهسازی انرژی در مدارهای الکترونیکی نیز استفاده میشوند و اهمیت زیادی در عملکرد صحیح مدارها دارند.
برای تشخیص پایه منفی یک خازن در بدنه آن، از یک نوار با رنگ مخالف استفاده میشود که عمدتاً دارای علامت “منفی” است. در مدارهای الکتریکی و الکترونیکی، بر روی بردها نیز از نمادی معمولاً به شکل یک نیم دایره مشکی برای مشخص کردن پایه منفی استفاده میشود. این طراحی باعث میشود که در هنگام لحیمکاری یا اتصال پایهها، خطای اتصال به پایه منفی بهراحتی رخ ندهد.
اندازه گيري ولتاژ خازن با مولتي متر
برای اندازهگیری ولتاژ بر روی خازن با استفاده از مولتیمتر، ابتدا باید خازن را با بار الکتریکی شارژ کنید. بنابراین، مدار باید روشن باشد و ولتاژ به خازن تغذیه شود. سپس سلکتور مولتیمتر را روی ولتاژ DC قرار دهید و پروب قرمز را به قطب مثبت خازن و پروب مشکی را به قطب منفی خازن متصل کنید. سپس مقدار ولتاژ را از مولتیمتر خوانده و ثبت کنید.
نکته: برای دشارژ کردن خازن که تازه از مدار خارج شده، پایههای مثبت و منفی را به هم متصل کنید.
خازنهای تانتالیوم نیز به عنوان یک نوع خازنهای الکترولیتی شناخته میشوند. آنها دارای سایز کوچک و ظرفیت بالا هستند اما به دلیل عملکرد برتر، قیمت بالاتری دارند. در مدلهای جدیدتر این نوع خازنها، ولتاژ و ظرفیت بر روی بدنه نوشته شده است. اما در مدلهای قدیمیتر، از کدگذاری رنگی برای مشخص کردن مقادیر استفاده میشد.
خازن ورقه ای(کاغذی و پلاستیکی)
خازنهای کاغذی به دلیل داشتن ثابت دیالکتریک کمتر، دارای ابعاد فيزيکی بزرگ هستند. اما از مزایای این خازنها میتوان به کاربرد آنها در مدارها با ولتاژها و جریانهای بالا اشاره کرد.
خازنهای پلاستیکی حساسیت کمتری نسبت به تغییرات دما دارند. به عبارت دیگر، تاثیر دما بر ظرفیت آنها کمتر است. به همین دلیل، این خازنها در مدارهایی کاربرد دارند که به یک خازن با ظرفیت ثابت در شرایط حرارتی متفاوت نیاز دارند. یکی از دیالکتریکهای معمولی که در این خازنها استفاده میشود، پلیاستایرن (Polystyrene) است. به همین دلیل، این خازنها گاهی به عنوان “خازن پلیاستر” نیز شناخته میشوند.
خازن میکا :
خازنهای میکا ظرفیت تقریبی در محدوده 0.01 تا 1 میکروفاراد دارند. یکی از ویژگیهای بارز این نوع خازنها، ولتاژ کاری بالا، عمر طولانی و کاربرد در مدارهای با فرکانسهای بالا است.
روغنی و گازی :
خازنهای روغنی و گازی بیشترین کاربرد خود را در صنعت برق دارند و به عنوان عناصر کلیدی در مدارهای الکتریکی برای راهاندازی و بهبود ضریب قدرت (Power Factor) مورد استفاده قرار میگیرند.
خازن گازی خازن روغنی
یک نوع خازن گازی سیلندری با عایق گازی ازت (N2) به منظور بهبود ضریب توان در شبکه برق سه فاز 400 ولت با فرکانس 50 هرتز و ظرفیت 2.5 کیلو وار مورد استفاده قرار میگیرد. این مجموعه از خازنها به طور تخصصی به عنوان بانک خازنی شناخته میشود و برای کاهش توان راکتیو در شبکه برق به کار میرود.
خازن های متغیر :
خازنهای متغیر توانایی تغییر ظرفیت خود را بر اساس سه عامل دارند:
1. تغییر فاصله بین صفحات هادی
2. تغییر مساحت صفحات
3. نوع دیالکتریک
عملکرد خازن متغیر بر اساس تغییر سطح مشترک صفحات خازن یا تغییر ضخامت دیالکتریک آن است. ظرفیت یک خازن نسبت مستقیم با سطح مشترک دو صفحه خازن است (فرمولی که در ابتدای مقاله اشاره شد). خازنهای متغیر معمولاً از نوع عایق هوا یا پلاستیک هستند. در خازنهای متغیری که ظرفیت آنها توسط دسته متحرک (محور) تغییر میکند، آنها را “واریابل” مینامند.
در نوع دیگری که ظرفیت توسط پیچ گوشتی تغییر میکند، آنها را “تریمر” مینامند. بازه تغییر ظرفیت در خازنهای واریابل معمولاً از 10 تا 400 پیکوفاراد و در خازنهای تریمر معمولاً از 5 تا 30 پیکوفاراد است. کاربردهای اصلی این خازنها در گیرندههای رادیویی برای تنظیم فرکانس ایستگاههای رادیویی میباشد.