معرفی کامل خازن ها

[Borna66]

خازن ها انرژي الكتريكي را نگهداري مي كنند و به همراه مقاومت ها ، در مدارات تايمينگ استفاده مي شوند . همچنين از خازن ها براي صاف كردن سطح تغييرات ولتاژ مستقيم استفاده مي شود . از خازن ها در مدارات به عنوان فیلتر هم استفاده مي شود . زيرا خازن ها به راحتي سيگنالهاي غير مستقيم ac را عبور مي دهند ولي مانع عبور سيگنالهاي مستقيم dc مي شوند .

[Borna66]

ظرفيت

ظرفيت معياري براي اندازه گيري توانائي نگهداري انرژي الكتريكي است . ظرفيت زياد بدين معني است كه خازن قادر به نگهداري انرژي الكتريكي بيشتري است . واحد اندازه گيري ظرفيت فاراد است . 1 فاراد واحد بزرگي است و مشخص كننده ظرفيت بالا مي باشد . بنابراين استفاده از واحدهاي كوچكتر نيز در خازنها مرسوم است . ميكروفاراد µF ، نانوفاراد nF و پيكوفاراد pF واحدهاي كوچكتر فاراد هستند .
µ means 10-6 (millionth), so 1000000µF = 1F
n means 10-9 (thousand-millionth), so 1000nF = 1µF
p means 10-12 (million-millionth), so 1000pF = 1nF
خازن هابه دو دسته اصلی با پلاريته ( قطب دار ) و بدون پلاريته ( بدون قطب )تقسیم میشوند.همچنین انواع مختلفي از خازن ها وجود دارند مانند کروی,استوانه ای,سرامیکی ,ورقه ای و...كه مي توان از انها نام برد .

[Borna66]

ذخیره انرژی الکتریکی در خازن

خازن می تواند انرژی الکتریکی را در خود ذخیره کند(یا همان الکترون ها را)،این انرژی را در صفحات خود ذخیره می کند؛در هر دو جریان dc و ac در آن صفحه ای که به طرف قطب منفی منبع است .در هنگام برقراری جریان، از قطب منفی منبع الکترون ها به سوی قطب مثبت منبع در حرکت هستند.وقتی که می خواهیم بگوییم که خازن چقدر انرژی دارد ،می گوییم فلان مقدار ولتاژ آن است . ولتاژ یعنی اختلاف پتانسیل .اختلاف پتانسیل یعنی اختلاف بین پتانسیل دو شیء که پتانسیل دارند .پتانسیل یعنی انرژی ذخیره شده در یک شیء. خاژن دو صفحه دارد که انرژی را در آنها ذخیره می کند .هنگامی که با سیمی یک قطب باتری را به قطب دیگر وصل کنیم، الکترون های آزاد به حرکت در آمده و به سوی قطب مثبت می روند .جهت جریان قرار دادی است و در واقع الکترون ها از منفی به مثبت در حرکت هستند.اگر تعداد الکترون ها ی یک صفحه از صفحه دیگر بیشتر باشد الکترون ها به سوی آن صفحه که الکترون هایش کمتر است حرکت می کنند تا تعداد الکترون های هر دو مساوی شود، اگر دو صفحه به هم وصل شوند . با همه این نکته ها که بیان شد پی می بریم که معنی ولتاژ یک خازن ،اختلاف پتانسیل (اختلاف بین انرژی ذخیره شده)دو صفحه آن است و هنگام شارژ کردن یک باتری، الکترون ها از صفحه ای که قطب آن منفی است به سوی صفحه مثبت خازن حرکت می کنند؛ پس تعداد الکترون های صفحه منفی بیشتر از صفحه مثبت است . در هنگام شارژ خازن الکترون ها جابجا می شوند .اما در شارژ الکترون ها از صفحه مثبت به منفی در حرکتند تا تعداد الکترون های صفحه منفی بیشتر شود . دو صفحه خازن را مانند دو چاله فرض کنید که هر دو هم سطح هستند ،یعنی دریچه یک چاله از دیگری بالاتر نیست و در بالای چاله جوی باریکی هر دو را به هم وصل می کند .اگر آب در یکی از چاله ها بریزیم وقتی که چاله پر شد آب به چاله دیگر سرازیر می شود تا آن هم پر شود به اندازه چاله اولی.اما چه چیز می تواند باعث شود که از صفحه مثبت الکترون ها به صفحه منفی بروند ؟ منبع ولتاژ مانند پمپی است که الکترون ها را بر می دارد و به صفحه دیگر می برد (ادامه بعداً نوشته می شود) البته سلف هم یکی از قطعه هایی است که این کار را می کند .از دیود هم می شود به عنوان یک خازن استفاده کرد.

[Borna66]

انواع خازن

ساختار و نوع خازن ها به میزان زیادی بر روی مشخصه های الکتریکی آن ها تاثیر می گذارد. در تمام مدارها باید مشخصه های زیر را مد نظر داشته باشیم:
الف) ظرفیت: مقدار خازن را مشخص کرده و بر حسب میکروفارادا، نانوفارادا و یا پیکوفارادا بیان می شود.



ب) ولتاژ کار: معادل حداکثر اختلاف پتانسیلی است که می توان به صورت مداوم به خازن اعمال کرد. اگر ولتاژ اعمال شده از این مقدار بیشتر شود، نتایج زیانباری را به دنبال داشته و به عایق داخل خازن آسیب وارد می کند. ولتاژ کار معمولا بدون هیچ تغییزی نوشته می شود و برای حداکثر دمای کار خازن در نظر گرفته می شود. اما پیشنهاد می کنیم که خازن ها را طوری مورد استفاده قرار دهید که همواره فاصله کافی با حداکثر ولتاژ کار آن وجود داشته باشد. به این ترتیب عمر و عملکرد قابل اطمینان خازن افزایش می یابد. به عنوان یک قانون سر انگشتی، ولتاژ کار DC خازن نباید از 50 درصد حداکثر ولتاژ تعیین شده بیشتر باشد. اگر ولتاژ بر حسب AC ذکر شده بود معمولا برای سیگنال سینوسی با فرکانس 50 هرتز یا 60 هرتز می باشد. البته در محدوده سیگنال های شنوایی عملکرد خازن تغییر قابل توجهی را نشان نیم دهد. اما در فرکانس های بالاتر و یا وقتی شکل موج اعمال شده سینوسی نباشد باید خازنی با ولتاژ بالاتر را مورد استفاده قرار داد تا به این ترتیب کاهش بار الکتریکی ناشی از جریان نشتی در خازن جبران شود. زیرا در این حالت ممکن است دمای داخل خازن به میزان زیادی افزایش یابد.
پ) تولرانس: معادل حداکثر انحراف مجاز از ظرفیت اعملام شده می باشد و بر حسب درصد بیان می شود.
ت) ضریب حرارتی: به میزان تغییر خازن در اثر تغییرات دمای محیط به اندازه یک درجه سانتی گراد اطلاق می شود و معمولا بر حسب بخش بر میلیون بیان می گردد.
ث) جریان نشتی: به جریانی گفته می شود که با اعمال ولتازی در حد ولتاژ کار تعیین شده از عایق عبور می کند که معمولا با ذکر دمای مشخصی همراه می باشد.
ج) مقاومت ایزولاسیون: معادل مقاومت لایه های عاییق در حالتی می باشد که ولتاژ کار تعیین شده به خازن اعمال شده باشد. این مقاومت معمولا با ذکر دمای مشخص همراه می باشد.
چ) پایداری: به تغییرات ظرفیت خازن در شرایط خاص و محدوده زمانی معین اطلاق می شود (بر حسب درصد)


حال به بررسی نمونه های متداول خازن ها می پردازیم: (به غیر از مواردی که به آن اشاره شده باقی خازن ها از نوع بدون قطب هستند)

[Borna66]

خازن سرامیکی

خازن هاي بدون قطب معمولا خازنهاي با ظرفيت كم هستند و ميتوان آنها را از هر طرف در مدارات مورد استفاده قرار داد . اين خازنها در برابر گرما تحمل بيشتري دارند و در ولتاژهاي بالاتر مثلا 50 ولت ، 250 ولت و ... عرضه مي شوند .

خازن سرامیک


پيدا كردن ظرفيت خازن های بدون قطب كمي مشكل است چون انواع زيادي از اين نوع خازنها وجود دارد و سيستم هاي كد گذاري مختلفي براي آنها وجود دارد . در بسياري از خازن ها با ظرفيت كم ، ظرفيت بر روي خازن نوشته شده ولي هيچ واحد يا مضربي براي آن چاپ نشده و براي دانستن واحد بايد به دانش خودتان رجوع كنيد . براي مثال بر 1/0 به معني 0.1µF يا 100 نانوفاراد است . گاهي اوقات بر روي اين خازنها چنين نوشته مي شود ( 4n7 ) به معني 7/4 نانوفاراد . در خازن هاي كوچك چنانچه نوشتن بر روي آنها مشكل باشد از شماره هاي كد دار بر روي خازن ها استفاده مي شود . در اين موارد عدد اول و دوم را نوشته و سپس به تعداد عدد سوم در مقابل آن صفر قرار دهيد تا ظرفيت بر حسب پيكوفاراد بدست ايد . بطور مثال اگر بر روي خازني عدد 102 چاپ شده باشد ، ظرفيت برابر خواهد بود با 1000 پيكوفاراد يا 1 نانوفاراد .
خازن سرامیکی (Ceramic capacitor) معمول ترین خازن غیر الکترولیتی است که در آن دی الکتریک بکار رفته از جنس سرامیک است . ثابت دی الکتریک سرامیک بالا است ، از این رو امکان ساخت خازن های با ظرفیت زیاد در اندازه ی کوچک را در مقایسه با سایر خازن ها بوجود آورده ، در نتیجه ولتاژ کار آنها بالا خواهد بود . ظرفیت خازنهای سرامیکی معمولا بین 5 پیکو فاراد تا 1/0 میکرو فاراد است . این نوع خازن به صورت دیسکی ( عدسی ) و استوانه ای تولید می شود و فرکانس کار خازن های سرامیکی بالای 100 مگاهرتز است . عیب بزرگ این خازن ها وابسته بودن ظرفیت آن ها به دمای محیط است ، زیرا با تغییر دما ظرفیت خازن تغییر می کند . از این خازن در مدارهای الکترونیکی ، مانند مدارهای مخابراتی و رادیویی استفاده می شود .

[Borna66]

خازن سرامیکی مشخصه ها حجم کم و ظرفیت القایی اندک ساختار صفحه هایی از سرامیک های فلزی که با لاک سخت یا epoxy پوشانده شده اند. خازن های مزبور به صورت تک لایه و یا چند لایه ارائه شده اند ولتاژ کاری معمولا 100 ولت DC محدوده مقادیر 2.2 پیکوفارادا تا 220 پیکوفارادا (نوع مسطح)، 10 پیکو فارادا تا 1 میکروفارادا (نوع چند لایه)، 1 نانوفارادا تا 100 نانو فارادا (نوع عدسی) تولرانس معمول 10 در صد محدوده تغییرات دمای محیط معمولا از 85- درجه تا 85+ درجه سانتی گراد ضریب حرارتی 100+ p.p.m بر درجه سانتی گراد تا 4700- p.p.m بر درجه سانتی گراد مقاومت ایزولاسیون بیشتر از 10 به توان 10 اهم کاربردهای معمول دکوپلاژ فرکانس های متوسط و بالا، زمانبندی، جبران حرارتی در مدارهای نوسان ساز (نمونه های تک لایه این نوع از خازن ها به صورت SMD ارائه شده است)

نمونه های زیر به میزان زیادی به عنوان خازن های جبران حرارتی مورد استفاده قرار می گیرد.


نوع ضریب حرارتی بالاترین حلقه رنگی NP0 صفر p.p.m بر درجه سانتی گراد سیاه N030 30- p.p.m بر درجه سانتی گراد قهوه ای N080 80- p.p.m بر درجه سانتی گراد قرمز N150 150- p.p.m بر درجه سانتی گراد نارنجی N220 220- p.p.m بر درجه سانتی گراد زرد N330 330- p.p.m بر درجه سانتی گراد سبز N470 470- p.p.m بر درجه سانتی گراد آبی N7500 750- p.p.m بر درجه سانتی گراد بنفش N1500 1500- p.p.m بر درجه سانتی گراد نارنجی N2200 2200- p.p.m بر درجه سانتی گراد زرد/نارنجی N3300 3300- p.p.m بر درجه سانتی گراد سبز/نارنجی N4700 4700- p.p.m بر درجه سانتی گراد ابی/نارنجی

[Borna66]

خازن های سرامیکی خاصی برای دکوپلاژ فرکانس های خیلی بالا وجود دارند. خازن های مزبور باید به طور مستقیم به پایه ها و یا پوشش فلزی مربوطه متصل شوند. چنسن خازن هایی معمولا 1 نانوفارادا و 350 ولتی می باشند. برخی نمونه های فعلی و چند لایه ای خازن های سرامیکی با کد های سه رقمی مشخص شده اند. دو رقم اول معادل دو رقم اول ظرفیت خازن بوده و رقم شوم ضریب آن می باشد و تعداد صفر هایی که باید به دو رقم اول اضافه شود را نشان می دهد (برحسب پیکوفارادا). مثلا ظرفیت خازن هایی که با اعداد "222" و "103" مشخص شده باشند، به ترتیب 2200 پیکو فارادا (معادل 2.2 نانوفارادا) و 10000 پیکوفارادا (معادل 10 نانو فارادا) می باشند.

[Borna66]

خازن الکترولیت (قطبی)

در خازنهاي الكتروليت قطب مثبت و منفي بر روي بدنه آنها مشخص شده و بر اساس قطب ها در مدارات مورد استفاده قرار مي گيرند. دو نوع طراحي براي شكل اين خازن ها وجود دارد. يكي شكل اَكسيل كه در اين نوع پايه هاي يكي در طرف راست و ديگري در طرف چپ قرار دارد و ديگري راديال كه در اين نوع هر دو پايه خازن در يك طرف آن قرار دارد. در شكل نمونه اي از خازن اكسيل و راديال نشان داده شده است.


خازن الکترولیت


در خازن هاي الكتروليت ظرفيت آنها بصورت يك عدد بر روي بدنه شان نوشته شده است. همچنين ولتاژ تحمل خازن ها نيز بر روي بدنه آنها نوشته شده و هنگام انتخاب يك خازن بايد اين ولتاژ مد نظر قرار گيرد. اين خازن ها آسيبي نمي بينند مگر اينكه با هويه داغ شوند.

[Borna66]

خازن الکترولیت مشخصه ها ظرفیت های نسبتا بالایی دارند. این نوع خازن ها قطبی بوده و باید در مدارهایی با ولتاژ DC و قطبیت مشخص مورد استفاده قرار بگیرد ولتاژ کار 6.3 ولت تا 400 ولت محدوده مقادیر 0.1 میکروفارادا تا 68 میکروفارادا تولرانس معمول 20 درصد (نمونه هایی که در محفظه های فلزی بزرگ ارائه می شوند، تولرانس بیشتری دارند، که معمولا از 10- درصد تا 50+ درصد را شامل می شود) محدوده تغییرات دمای محیط معمولا از 40- درجه تا 85+ درجه سانیت گراد ضریب حرارتی 1000+ p.p.m بر درجه سانتی گراد جریان نشتی معمولا در حد 0.01C.V می باشد (C بیانگر ظرفیت خازن بر حسب میکروفاراد و V اختلاف پتانسیل اعمال شده بر حسب ولتاژ می باشد) کاربردهای معمول خازن ذخیره در منبع تغذیه و دکوپلاژ فرکانس های پایین.

نمونه های غیر قطبی خازن های الکترولیتی نیز برای کاربردهای خاص ارائه شده اند (به طور مثال شبکه تاثیر متقابل در بلندگو ها). از این حازن ها نمی توان به سادگی ولتاژ DC به دست آورد. ظرفیت معمول خازن های الکترولیتی غیر قطبی 1 تا 100 میکروفاراد بوده و ولتاژ کار آن ها تا 50 ولت خواهد بود (البته قیمت خازن های مذبور بیشتر از خازن های الکترولیت قطبی می باشد). هنگام انتخاب خازن ذخیره باید دقت کرد که جریان ریپل آن مناسب باشد. هنگام کار با خازن های الکترولیتی باید دقت کرد که جریان نشتی این خازن ها ممکن است به میزان زیادی بر روی نقطه بایاس تاثیر بگذارد.
خازن های الکترولیتی محدوده تولرانس بسیار وسیعی دارند به همین دلیل اگر می خواهید خازن الکترولیتی را تعویض کنید ولتاژ کار نمونه جدید باید معادل آن و یا بیشتر باشد. مثلا اگر خازنی با ظرفیت 50 میکروفاراد و ولتاژ کار 25 ولت برای مدار در نظر گرفته شده باشد خازنی با ظرفیت 47 میکروفاراد و 35 ولت به خوبی می تواند به جای آن کار کند.

[Borna66]

خازن لایه فلزی

ولتاژ کار این خازن ها برای بالاترین نقطه کار حرارتی تعیین شده است. این خازن ها که در ولتاژ های بسیار بالا کار می کنند می توانند شارژ خود را مدت زیادی حفظ کنند. به همین دلیل باید مقاومتی از نوع لایه کربنی با مقدار معمول 1 مگااهم 0.5 وات را با آن موازی کرد که به آن مقاومت تخلیه کننده می گویند.


خازن لایه فلزی مشخصه ها ظرفیت آن ها در حد متوسط بوده و برای کاربردهای ولتاژ بالا مناسب می باشند. قیمت آنها نیز بالا بوده و حجم نسبتا زیادی را اشغال می کنند. ساختار لایه های فلزی که با عایق پوشانده شده و در درون محفظه های فلزی مدور یا چهار گوش قرار می گیرند. ولتاژ کار معمولا 600 ولت DC و 250 ولت AC محدوده مقادیر مقادیر معمول آن 2 میکروفاراد، 4 میکروفاراد، 8 میکروفاراد و 16 میکروفاراد تولرانس معمول 20 درصد محدوده تغییرات دمای محیط 25- درجه تا 85+ درجه سانتی گراد ضریب حرارتی 100+ p.p.m بر درجه سانتی گراد تا 200+ p.p.m بر درجه سانتی گراد مقاومت ایزولاسیون بیشتر از 1010 اهم کاربردهای معمول خازن ذخیره در منبع تغذیه DC با ولتاژ بالا و تصحیح ضریب توان در مدارهای AC