خازن چیست ؟ طرز کار خازن و خواندن مشخصات خازنها

340

تعریف ساده خازن :

یک تعریف ساده برای خازن ، خازن قطعه ای است که برق را ذخیره می کند و سپس در موقع لزوم ،بیشتر زمانی که ولتاژ روی پایه های خازن افت میکند ، آن را به مدار پس می دهد .

باتری ها و خازنها یک کار انجام نمیدهند و با هم یکی نیستند 🙂 تفاوت بین یک باتری و یک خازن این است که برق در یک باتری از یک واکنش شیمیایی تولید می شود و در یک خازن یک بار در یک میدان الکتریکی ذخیره و نگهداری می شود. باتری می تواند انرژی بیشتری را برای یک دوره طولانی تر از خازن تولید کند. از سوی دیگر، یک خازن( حتی با ذخیره سازی بسیار کمتر )می تواند انرژی زیادی، بیشتر از یک باتری را به میزان قابل ملاحظه ای تخلیه کند.

یک خازن شامل صفحات فلزی است که توسط مواد عایق به نام دی الکتریک از هم جدا شده اند . دی الکتریک می تواند هر چیزی مانند سرامیک، پلاستیک، اکسیداسیون فلزات، شیشه و کاغذ باشد. به عنوان مثال، اگر یک خازن الکترولیتی را باز کنید، می بینید که  فقط دو صفحه فلزی است که در یک فیلم شیمیایی پوشش داده شده اند. هنگام استفاده از برق، هادی های فلزی الکترونها را در فیلم پلاریزه می کنند و میدان الکتریکی را ذخیره می کنند.

اگر به این خازن قدیمی نگاه کنید، متوجه خواهید شد که این فقط یک سری از صفحات فلزی است که بدون تماس با هم ، بین یکدیگر حرکت می کنند. در این سناریو، هوا دی الکتریک است. به نظر عجیب است که هوا را می توان برای نگه داشتن یک میدان الکتریکی استفاده کرد ؟ پس رعد و برق رو بیاد بیاورید.

بسته به اینکه چقدر همپوشانی فیزیکی بین صفحات وجود دارد، تعیین می کند که چقدر میدان الکتریکی می تواند نگه داشته شود. بالاترین ظرفیت و ذخیره سازی دز این خازن زمانی است که صفحات بیشترین همپوشانی یا تقابل را با هم دارن .

با توجه به توانایی منحصر به فرد خازنها برای ذخیره شارژ و حفظ میدان الکتریکی، خازنها در برابر تغییر ولتاژ در یک مدار مقاومت میکنند و سعی در ثابت نگه داشتن ولتاژ مدار رو دارن. به همین دلیل، خازنها اغلب بین سیم مثبت و منفی منبع تغذیه یک مدار الکترونیکی متصل می شوند تا یک تغذیه پایدار داشته باشند.

خازنها با واحد فاراد Farads اندازه گیری میشوند که با نماد F نشون داده می شن. اگر چه  در حداکثر موارد یا میشه گفت همیشه ما با مقیاس های کوچکتر از فاراد کار میکنیم چون یک فاراد ظرفیتی بسیار زیاد تر از نیاز مدارات الکترونیک است .مقادیری که بیشترین استفاده رو از اونها میکنیم ، در محدوده های پیکوفاراد pF ، میکروفاراد uF و نانو فاراد nF  هستند.

 

دو نماد یا شماتیک اصلی مرتبط با خازن ها در تصویر بالا هست. شکل سمت چپ برای خازن های غیر قطبی و نماد سمت راست برای خازن های الکترولیتی قطبی .

انواع خازن از نظر قطبیت

همونطور که گفتیم خازن ها می توانند قطبی یا غیر قطبی باشند.  یک خازن قطبی دارای یک پایه مثبت و یک پایه منفی است که مثبت باید به مثبت تغذیه و  سر منفی به زمین یا منفی متصل شود. خازن های غیر قطبی می توانند به هر طریق متصل شوند. خازن های دیسک سرامیکی و خازن های فیلم میلار غیر قطبی هستند. خازن های الکترولیتی قطبی هستند.

 

خواندن خازن های عدسی یا سرامیکی

درست مانند مقاومت ها، خازن ها هم دارای برچسب هایی هستند که نیاز به رمزگشایی دارند.

خازنهای سرامیکی دارای اعدا دو تا سه رقمی بر روی خود. دو عدد اول مقدار خازن را نشان می دهد و شماره سوم (اگر آن وجود داشته باشد) تعداد صفر یا  ضرب است. هنگامی که فقط دو عدد نوشته شده، یعنی ضریب یک است .  مقدار خازنهای سرامیکی به  پیکو فاراد picofarads خوانده میشود.

به عنوان مثال، اگر روی یک خازن عدد ۱۰ نوشته شده باشد ، یعنی  مقدار یا ظرفیتش ۱۰pF است. از سوی دیگر، عدد سوم هم که گفتیم تعدا صفر ها بعد از ۱۰ هست، یعنی اگر عدد سوم یک باشه ظرفیت خازن ۱۰۰pF میشه. یا مثلا اگر رقم سوم ۴ باشه یعنی نوشته باشه  ۱۰۴ ظرفیتش میشه  ۱۰،۰۰۰ پیکوفاراد یا ۱۰۰ نانو فاراد .

 

دیدید که ظرفیت خازنها رو می توان به picofarads (pF)، nanofarads nF و microfarads uF بیان کرد. به طور کلی وقتی تعداد صفر ها به سه تا رسید از واحد بزرگتری برای بیان ظرفیت خازن ها استفاده میکنیم .

 

خواندن خازنهای الکترولیتی

خواندن خازنهای الکترولیتی ساده  است چون ظرفیت و ولتاژ اونها به طور واضح روی خازن نوشته شده  . مقدار ولتاژ در خازنهای الکترولیتی مهم است ، چون ولتاژ منبع تغذیه آن هرگز نباید از ولتاژ نوشته شده روی خازن بیشتر باشد . اگر این اتفاق بیافتد خازن میترکد .

در خازنهای الکترولیتی مهمترین مسئله توجه دقیق به نوار خط با نشانه منفی نشان دهنده پایه منفی خازن است. برای جلوگیری از اتصال اشباه که این مورد هم باعث منفجر! شدن خازن میشود.

خازن های ولتاژ بالا در برابر سوپر خارنها ( اَبَر خازنها )

خازنها به طور معمول برای مقادیر کم ولتاژ و شارژ مورد استفاده قرار می گیرند. با این حال، دو نوع خاص خازن وجود دارد که این روند را پشت سر گذاشته است. خازنهای ولتاژ بالا  که قادر به ذخیره مقدار زیادی از ولتاژ هستند . اینها اغلب در فلش دوربین های عکاسی و بعضی از وسایل الکترونیکی  مانند تلویزیون های قدیمی و …. یافت می شوند.
هنگام مواجه شدن با این خازنها، باید مراقب باشید زیرا ممکن است پس از خاموش کردن و قطع  برق دستگاه هم به مدت زمان طولانی ولتاژ را در خود نگهدارند  و اگر شما برد را لمس کنید، دچار شوک و برق گرفتکی میشوید .
نوع دیگر اَبَرخازنها هستند که معمولا ولتاژ کاری بسیار کمی دارند ، اما مقدار زیادی شارژ را در خود ذخیره می کنند. به عنوان مثال، کوچکترین خازنی که ممکن است در کار با الکترونیک با آن مواجه شوید، ۱pF است. اگر ما این واحد را به Farads تبدیل کنیم معادل ۰٫۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۱F خواهد بود.گفتیم که  فاراد واقعا – واقعا – واحد بزرگیه. بنابراین، در ابرخازنها ما خازنهایی با ظرفیت ۱۵F داریم که  در پروژه vibrobot استفاده می کنیم
شما میتونید پایه های ابرخازنها رو بدون نگرانی و ترس از شوک الکتریکی لمس کنید، اما  پایه های آنها نباید به چیر فلزی برخورد کند ، اگر به طور تصادفی با   با فلزی برخورد کند با انرژی زیادی که دارد می تواند فلز را ذوب کند. ممکن است ابرخازن ها یا سوپرخازنها خطر شوک نداشته باشند، اما اگر بی دقت باشید، می توانید بدبخت شوید. 😉

 

انواع خازن

انواع خازنها 

خازن‌ها در انواع مختلف با مشخصه‌ها و کاربردهای گوناگون از خازن‌های ظریف حذف کننده نویز تا خازن‌های توان ولتاژ بالا برای اصلاح توان و مدارات یکسوساز وجود دارند.

مقایسه بین انواع مختلف خازن معمولا با توجه به ماده دی الکتریک استفاده شده در بین صفحات ‌هادی خازن صورت می‌گیرد. همانند مقاومت‌ها، انواع مختلف خازن‌ها وجود دارند که به ما امکان تغییر مقدار ظرفیت آنرا برای استفاده در مدارات رادیویی یا تنظیم فرکانسی می‌دهند.

خازن‌ها تجاری را با استفاده از صفحات نازک آغشته به پارافین یا مایلار مابین صفحات فویل فلزی درست می‌کنند. بعضی از خازن‌ها لوله مانند هستند، که در این نوع خازن‌ها صفحات فویل فلزی به شکل استوانه‌ای پیچانده شده اند و ماده عایق دی الکتریک در وسط آنها ساندویچ شده است.

خازن‌های کوچک معمولا از مواد سرامیکی ساخته می‌شوند و به منظور مهر و موم کردن در رزین اپوکسی غوطه ور می‌کنند. بهر حال خازن‌ها نقش مهمی‌در مدارات الکترونیک بازی می‌کنند که در ادامه به انواع مختلف متداول اشاره می‌کنیم.

خازن‌های دی الکتریک

این خازن‌ها معمولا نوع متغیر هستند که تغییر پیوسته ظرفیت خازنی برای تنظیم فرستنده‌ها، گیرنده‌ها و رادیوهای ترانزیستوری مورد نیاز است. خازن‌های دی الکتریک متغیر شامل چند لایه صفحات فلزی با فاصله هوایی هستند که تعدادی از صفحات ثابت (پره‌های استاتور) و تعداد دیگر متحرک (پره‌های روتور) بین صفحات ثابت می‌باشند.

موقعیت صفحات متحرک با توجه به صفحات ثابت مقدار کلی ظرفیت خازنی را تعیین می‌کند. در حالت کلی ظرفیت وقتی بیشینه است که دو مجموعه صفحات با هم بیشترین همپوشانی را داشته باشند. نوع ولتاژ بالای خازن‌های متغیر دارای فاصله هوایی نسبتا بزرگتر است که ولتاژ شکست آنها به چندین هزار ولت می‌رسد.

علامت‌های خازن متغیر

علامت خازن متغیر

همانند خازن‌های متغیر پیوسته، نوع دیگری خازن متغیر محدود وجود دارند که خازن‌های محدود کننده نامیده می‌شوند. آنها معمولا ادوات کوچکی هستند که به مقدار از قبل مشخصی تنظیم می‌شوند و می‌توان مقدار ظرفیت آنرا که بسیار کوچک و حدود pF 500 یا کمتر و غیرقطبی است را با استفاده از پیچ روی آن تنظیم دقیق نمود.

خازن‌های لایه ای

خازن‌های لایه‌ای متداولترین نوع تمام خازن‌ها است که شامل خانواده بزرگی از خازن‌ها با تفاوت در خواص دی الکتریک می‌باشند. آنها شامل پلی استر (مایلار)، پلی استایرن، پلی کربنات، کاغذ متالیزه، تفلون و غیره می‌شوند. خازن‌های نوع لایه‌ای در رنج‌های ظرفیت مختلف از pF5 گرفته تا uF100، بسته به نوع خازن و ولتاژ نامی‌آن وجود دارند. خازن‌های لایه‌ای با توجه به شکل و مدل محفظه آن دسته بندی می‌شوند که شامل:

  • پیچاندن و پرکردن (بیضی و گرد) – که خازن در داخل نوار پلاستیک پیچانده شده و انتهای آنها با ماده اپوکسی مهر و موم شده است.
  • محفظه اپوکسی (مستطیلی و گرد) – که خازن در داخل پوسته قالب پلاستیکی قرار داده شده و با اپوکسی پر می‌شود.
  • فلزی مهر و موم شده (مستطیل و مربع) – که خازن در داخل لوله یا قوطی فلزی قرار می‌گیرد و با اپوکسی مهر و موم می‌گردد.

 

خازن‌های لایه‌ای که از پلی استایلن، پلی کربنات یا تفلون برای دی الکتریک آنها استفاده می‌شود را خازن‌های پلاستیکی می‌نامند. ساختار خازن‌های لایه پلاستیکی مشابه خازن‌های لایه کاغذی هستند با این تفاوت که بجای کاغذ از پلاستیک استفاده شده است. مزیت اصلی خازن‌های لایه پلاستیکی در مقایسه با لایه آغشته کاغذی می‌توان به کارکرد بهتر تحت شرایط دمایی بالا، خطای تلرانس کمتر، طول عمر کارکردی بسیار بیشتر و قابلیت اطمینان بالا اشاره نمود. نمونه‌ای از خازن‌های لایه متالیزه مستطیلی و لایه استوانه‌ای فویلی در شکل زیر نشان داده شده است.

نوع پایه شعاعی

خازن

نوع پایه محوری

ساختمان خازن

 

خازن‌های نوع لایه‌ای و فویلی از نوارهای بلند نازک فویل فلزی ساندویچ شده با لایه دی الکتریک درست شده اند که بصورت سفت بر روی رول تابانده شده و با استفاده از کاغذ یا لوله‌های فلزی مهر وموم گشته اند.

این نوع لایه‌ها به دی الکتریک ضخیم تر نیاز دارند تا احتمال بروز شکاف یا سوراخ در لایه کاهش یابد، و از ‌این جهت برای مقادیر خازن کوچک و اندازه محفظه بزرگ مناسب هستند.

خازن‌های فویل متالیزه شامل لایه‌هادی متالیزه که در هر دو طرف دی الکتریک اعمال شده که به خازن خاصیت مصونیت در برابر خرابی می‌دهد و در نتیجه می‌توان از لایه‌های نازک تر دی الکتریک استفاده کرد. این خاصیت اجازه می‌دهد مقادیر بالاتر ظرفیت خازنی و محفظه کوچکتر برای کاربردهای توان بالا و دقیق استفاده نمود.

خازن‌های سرامیکی

خازن های سرامیکی یا دیسکی همانطور که از نامشان برمی آید از پوشش دو طرف دیسک چینی یا سرامیکی با نقره و قرار گرفتن بصورت پشته ای ساخته می شوند. برای مقادیر بسیار کوچک ظرفیت خازنی، از یک دیسک 3mm تا 6mm استفاده می شود. خازن های سرامیکی دارای ثابت دی الکتریک بزرگی هستند که می توان به مقادیر نسبتا بزرگ ظرفیت با اندازه فیزیکی کوچک دست یافت.

این خازن‌ها تغییرات بزرگ غیرخطی ظرفیت در برابر تغییرات دما نشان می‌دهند و از‌ اینرو بعنوان خازن De-coupling یا By-pass استفاده می‌شوند که ادوات غیرقطبی هستند. خازن‌های سرامیکی شامل مقادیر ظرفیت از چند پیکوفاراد تا یک یا دو میکروفاراد می‌شوند ولی مقادیر ولتاژ اسمی‌آنها معمولا بسیار پایین است.

خازن‌های سرامیکی معمولا کد سه رقمی‌بر روی بدنه آنها برای شناسایی مقدار ظرفیت به پیکوفاراد چاپ شده است. معمولا دو رقم اول مقدار ظرفیت را مشخص می‌کند و رقم سوم تعداد صفرها را تعیین می‌کند. برای مثال، خازن دیسکی سرامیکی با مقدار حک شده 103 نشانگر مقدار 10 و 3 صفر جلوی آن در واحد پیکوفاراد است که معادل 10,000pF یا 10nF می‌باشد.

به همین منوال، عدد 104 نشاندهنده 10 و 4 صفر در واحد پیکوفاراد که معادل 100,000pF یا 100nF می‌باشد. بنابراین خازن نشان داده شده در تصویر دارای عدد 154 می‌باشد و بیانگر 15 با 4 صفر جلوی آن در واحد پیکوفاراد است که معادل 150,000pF یا 150nF یا 0.15uF است. کدهای حرفی برای نشان دادن مقادیر خطای تلرانس استفاده می‌شوند مانند: J = 5%, K = 10%, یا M = 20%.

خازن‌های الکترولیت

خازن‌های الکترولیت معمولا وقتیکه نیاز به مقادیر خازنی بزرگ هست استفاده می‌شوند. در اینجا بجای استفاده از لایه نوار فلزی بسیار نازک برای یکی از الکترودها، از محول نیمه مایع الکترولیت به فرم ژل یا خمیر استفاده می‌کنند که بعنوان الکترود دوم (معمولا کاتد) بکار می‌رود.

دی الکتریک یک لایه بسیار نازک اکسید است که بطور الکتروشیمیایی در حین تولید با ضخامت نوار کمتر از ده میکرون رشد یافته است. لایه عایق بسیار نازک است و از این حین می‌توان خازن‌های با ظرفیت بسیار بزرگ با اندازه فیزیکی کوچک خازن بدلیل اندازه خیلی کم بین صفحات ساخت.

اکثریت خازن‌هان نوع الکترولیت، قطبیده هستند و مثبت منفی ولتاژ اعمالی DC به پایه‌های خازن بایستی با ترتیب درست باشد، یعنی ترمینال مثبت به مثبت و ترمینال منفی به منفی وصل شود و در صورت وصل کردن قطب‌های معکوس به یکدیگر، لایه اکسید عایق شکسته می‌شود و ممکن است به خازن آسیب دائمی‌برسد.

تمام خازن‌های الکترولیت قطبیده، قطب‌ها خازن را بطور آشکار با علامت منفی روی ترمینال منفی مشخص می‌کنند و بایستی حتما درست اعمال شود.

خازن‌های الکترولیت معمولا در مدارات منبع تغذیه DC بدلیل ظرفیت بزرگ و اندازه کوچک مورد استفاده قرار می‌گیرند تا ولتاژ ریپل را کاهش دهند و یا اینکه برای کاربردهای کوپلاژ و دی کوپلاژ استفاده می‌شوند. یکی از معایب خازن‌های الکترولیتی، ولتاژ اسمی‌نسبتا کم آنها بدلیل قطبیده بودن این خازن‌ها است که باعث می‌شود در منابع تغذیه AC مورد استفاده قرار نگیرند.

خازن‌های الکترولیت در دو نوع پایه وجود دارند: خازن‌های الکترولیت آلومینیومی‌و خازن‌های الکترولیت تانتالیومی.

خازن الکترولیتی

خازن الکترولیتی

  • خازن‌های الکترولیت آلومینیومی

در حالت پایه دو نوع خازن الکترولیت آلومینیومی‌وجود دارد، نوع فویل ساده و نوع فویل حک شده. ضخامت لایه نوار اکسید آلومینیوم و ولتاژ شکست بالا باعث ایجاد مقدار ظرفیت بالا نسبت به اندازه آنها می‌شود. صفحات فویل خازن‌ها با جریان DC آنودایز می‌شود. این فرایند آنودایز کردن باعث ایجاد قطب در صفحات شده و قطب مثبت و منفی صفحات خازن را مشخص می‌کند.

تفاوت نوع حک شده با نوع ساده در اینست که لایه اکسید آلومینیوم فویل‌های آند و کاتد بطور شیمیایی حک شده اند تا سطح تماس و گذردهی الکتریکی آنرا افزایش دهند. این باعث ایجاد خازن‌های کوچکتر نسبت به معادل نوع فویل ساده می‌شود ولی در عوض در مقابل جریان‌های بالای DC مانند همتای نوع فویل ساده، توان مقاومت ندارد. همچنین خطای تلرانس آنها نسبتا بالاتر است و تا محدوده 20% می‌رسد. مقادیر نوعی ظرفیت خازن الکترولیت در رنج 1uF تا 47,000uF است.

خازن‌های الکترولیت نوع حک شده معمولا در کاربردهای کوپلینگ، سد کردن DC و مدارات By-pass استفاده می‌شوند در حالیکه نوع فویل ساده بیشتر برای خازن‌های صافی در منابع تغذیه کاربرد دارند. خازن‌های الکترولیتی قطبیده هستند و در صورت اعمال معکوس ولتاژ باعث ایجاد آسیب در لایه عایق می‌شود ولی الکترولیت استفاده شده در خازن به بهبود آسیب صفحات در صورت کوچک بودن آسیب کمک می‌کند.

از آنجایی که الکترولیت خاصیت خود بهبودی صفحات آسیب دیده را داراست، همچنین قادر به دوباره آنودایز کردن صفحه فویل را نیز دارد. چون فرایند آنودایز کردن می‌تواند معکوس شود، در نتیجه الکترولیت، لایه پوشش اکسید را از فویل جدا نماید که این اتفاق با اتصال معکوس قطب‌ها ایجاد می‌شود. از آنجایی که الکترولیت، الکتریسیته را عبور می‌دهد، اگر لایه اکسید آلومینیوم از بین برود یا خراب شود، خازن جریان را از صفحات خود عبور داده و باعث نابودی آن می‌شود.

  • خازن‌های الکترولیت تانتالیوم

خازن‌های الکترولیت تانتالیوم و دانه‌های تانتالیومی، در دو فرم الکترولیت خیس (فویلی) و خشک (جامد) وجود دارند که نوع تانتالیوم خشک یا جامد بیشتر متداول می‌باشد. خازن‌های تانتالیوم جامد از دی اکسید منگنز برای ترمینال دوم استفاده می‌کنند و از نوع معادل آلومینیومی‌خود کوچکترند.

خواص دی الکتریک اکسید تانتالیوم از نوع اکسید آلومینیوم بهتر است و در نتیجه جریان نشتی کمتری دارد و مقدار ظرفیت از پایداری بیشتری برخوردار است که این ویژگی‌ها آنها را برای کاربردهای سد کردن، By-pass، دی کوپلینگ، فیلتر کردن و زمان سنجی مناسب می‌کند.

با وجود اینکه خازن‌های تانتالیوم نیز قطبیده هستند ولی به اعمال ولتاژ معکوس نسبت به نوع الکترولیت آلومینیومی‌خود مقاوم ترند با این تفاوت که ولتاژ اسمی‌آنها کوچک تر است. خازن‌های تانتالیوم جامد اغلب در مداراتی استفاده می‌شود که ولتاژ AC نسبت به ولتاژ DC مدار کوچک باشد.

هر چند بعضی از خازن‌های الکترولیت تانتالیوم شامل دو خازن در یک محفظه با وصل کردن منفی به منفی برای ایجاد خازن غیرقطبیده هستند که در مدارات ولتاژ پایین AC بعنوان خازن غیرقطبیده استفاده می‌گردند. معمولا پایه قطب مثبت خازن روی بدنه بیضی شکل آن با علامت مثبت مشخص می‌شود. مقادیر متداول ظرفیت این خازن‌ها از 47nF تا 470uF را شامل می‌شود.

خازن‌های الکترولیتی آلومینیوم و تانتالیوم

خازن‌های الکترولیتی با توجه به قیمت کم و اندازه کوچک آن بطور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد ولی سه راه ساده برای خراب کردن خازن الکترولیتی وجود دارد:

  • اعمال ولتاژ بیش از حد – ولتاژ خیلی زیاد باعث نشت جریان از دی الکتریک و ایجاد شرایط اتصال کوتاه می‌شود.
  • اعمال قطب‌های معکوس – قطب معکوس ولتاژ باعث خود تخریبی لایه اکسید و خرابی خازن را در پی دارد.
  • دمای بیش از حد – گرمای خیلی زیاد باعث خشک شدن الکترولیت شده و عمر خازن الکترولیت را کاهش می‌دهد.

 

منبع :
و
http://elektor.ir/index.php/tutorials/basic-electronics/20-cap-types

 

 

خازن چیست ؟ طرز کار خازن و خواندن مشخصات خازنها
4.2 (83.08%) 13 votes
3 نظرات
  1. ناشناس می گوید

    امتیاز بینندگان:۵ Stars

  2. ناشناس می گوید

    امتیاز بینندگان:۵ Stars

  3. هادی ندائی می گوید

    امتیاز بینندگان:۵ Stars

ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

برای امنیت، استفاده از سرویس reCAPTCHA گوگل مورد نیاز است که موضوع گوگل است Privacy Policy and Terms of Use.

من با این شرایط موافق هستم .