خازن و انواع آن

قبل از ورود به دنیای الکترونیک باید با قطعات پسیوی مانند خازن و انواع آن آشناشوید و بدانید که مقاومت چیست و چه کاربردی دارد؟ همچنین باید با نماد انواع خازن آشنا شوید تا علاوه بر خواندن نقشه مدارات مختلف از آنها برای طراحی مدار هایتان استفاده کنید.

قطعات اکتیو و پسیو

اجزا و قطعات الکترونیکی، بر اساس کاری که در مدار انجام می‌دهند، به دو گروه اکتیو و پسیو تقسیم می‌شوند.

قطعات اکتیو (فعال)

قطعات الکترونیکی فعال یا اکتیو، قطعاتی هستند که برای کار کردن نیاز به جریان یا اعمال ولتاژ دارند. قطعاتی مانند ترانزیستورها، آیسی ها، منابع تغذیه (ژنراتور، باتری و …) می توان نام برد.

قطعات پسیو (غیر فعال)

قطعات الکترونیکی غیر فعال یا پسیو، قطعاتی هستند که برای راه اندازی جریان و ولتاژ جداگانه ای نیاز ندارند. قطعاتی مانند: خازن و انواع آن ، انواع مقاومت ، قطعات القایی ( سلف (سیم پیچ )، ترانسفورمرها ، هسته فریت، اسپیکر و میکروفن، سنسورها و … .

 

خازن چیست

خازن قطعه ای است که می‌ تواند ولتاژ را در خود ذخیره و آزاد کند. گرچه خازن و انواع آن شکل های ظاهری مختلفی دارند اما همه آن ها متشکل اند از دو صفحه هادی موازی که فاصله معینی از هم دارند و فاصله بین آنها با ماده ی عایقی بنام “دی الکتریک” پر شده است.

 

دی الکتریک ممکن است از جنس کاغذ، پلاستیک، میکا، شیشه،سرامیک یا هوا باشد.

صفحات خازن که “جوشن” هم نامیده می شوند، ممکن است به صورت پولک ها یا ورقه های نازک آمینیومی باشند. این صفحات حتی می توانند لایه نازکی از فلزی باشند که دو طرف، ماده دی الکتریک را احاطه کرده است.

در هر حال مجموعه ی “هادی- دی الکتریک-هادی” را میتوان به صورت ساندویچی (خازن استوانه ای) درآورد یا به همان صورت تخت (خازن  تخت) آن را مورد استفاده قرار داد.

 

خازن و انواع آن

 

شارژ خازن ( پرکردن خازن )

اگر مانند تصویر بالا خازن و انواع آن را به منبع تغزیه وصل کنید یا آنها را در مدار قرار دهید، آنها شارژ میشوند، یعنی بار الکتریکی به سرعت روی صفحات آنها ذخیره میشود.

اگر در اتصال سرسیم های متصل به صفحات خازن، از یک مقاومت هم استفاده کنیم،سرعت پرشدن خازن کاهش می یابد.
 

دشارژ خازن ( تخلیه خازن )

برای قطع روند شارژ شدن خازن و انواع آن، ابتدا منبع تغذیه رو از مدار جدا میکنیم و سپس صفحات خازن را به هم متصل می کنیم تا بارهای ذخیره شده روی صفحات خازن به سرعت تخلیه شوند.

اگر پس از جدا کردن منبع تغذیه رو از مدار، خازن را باید مقاومت موازی کنیم، سرعت خالی خازن کاهش می یابد.

ثابت زمانی خازن

اگر خازن را مستقیماً به یک باتری وصل کنیم، بطور آنی شارژ می شود اما اگر ولتاژ از طریق یک مقاومت به خازن تزریق گردد زمان شارژ طولانی تر می شود. علاوه بر این مدت زمانی که طول می کشد تا خازن شارژ شود برابر است با مدت زمانی که طول می کشد تا خازن دشارژ شود! به این مدت زمان ” ثابت زمانی خازن” گفته می شود.

τ = RC (s – ثانیه)

هر خازن در مدت زمانی معادل پنج ثابت زمانی شارژ ویا دشارژ می شود.

T = 5τ (s – ثانیه)

خازن و انواع آن

مثال) یک مدار سری RC، دارای مقدار مقاومتی 50 اهم و ظرفیت خازنی 160 میکروفاراد است.

اللف-ثابت زمانی تاو، این مدار چیست و چقدر طول می‌کشد؛ تا خازن کاملا شارژ شود؟

ب-محاسبه کنید با همین مقاومت اگر بخواهیم مدت زمان شارژ یا دشارژ کامل را به 1s برسانیم، باید از  چه خازنی با چه ظرفیتی استفاده کنیم؟

الف-1: ثابت زمانی تاو برابر با ᴛ=RC است؛ بنابراین:

خازن و انواع آن

الف-2 :

خازن و انواع آن

ب

خازن و انواع آن

خازن و جریان

همانطور که میدانید ما در دنیای الکترونیک دو نوع جریان داریم و رفتار خازن و انواع آن بسته به جریان عبوری از مدار متفاوت است! این جریان ها که بسته به منبع سازنده شان در  دو نوع اصلی در مدار ظاهر می شود ، عبارتند از:

 

جریان مستقیم (DC)

جریان DC در واقع ساده‌ترین نوع جریان الکتریکی است که در آن جهت و اندازه جریان با گذشت زمان تغییر نمی‌کند.

 

جریان متناوب (AC)

جریان AC در واقع همان جریان تولید شده در نیروگاه هاست که ما با زدن لوازم برقی به پریز برق خانه مان از آن استفاده میکنیم جهت و مقدار جریان AC به صورت متناوب در حال تغییر است.

شکل موج جریان های AC سینوسی است و در نیم موج مثبت جهت جریان مثبت و در نیم موج منفی معکوس آن است.

 

عملکرد خازن در جریان متناوب ( AC )

خازن در مداری که به منبع جریان متناوب متصل است، براحتی جریان را عبور می دهد و شارژ و دشارژ می شود! زیرا هنگامی که ولتاژ متناوب به خازن متصل می شود، یک صفحه خازن بار مثبت و دیگری بار منفی می شود و وقتی جهت جریان AC تغییر می کند، خازن جهت خود را تغییر می دهد و در نتیجه تخلیه می شود و این روند همواره ادامه دارد، بنابراین جریان بدون مشکل در مدار AC جاری می شود.

 

خازن و انواع آن

عملکرد خازن در جریان مستقیم ( DC )

خازن در مداری که به منبع جریان مستقیم متصل است، سریعا شارژ شده و بعد آن مانند یک سد عمل کرده و از عبور جریان جلوگیری می کند. زیرا هنگامی که ولتاژ DC به خازن متصل می شود، یک صفحه خازن دارای بار مثبت و دیگری دارای بار منفی می شود و در همین حال باقی می ماند (به عبارتی دیگر خازن اشباع شده و تخلیه نمیشود) پس خازن جریان DC را مسدود می کند و مانند یک مدار باز رفتار می کند.

اگر ولتاژ از یک حد معین بیشتر شود، خازن آسیب می بیند.

 

ظرفیت خازن

همانطور که پیش تر گفتیم ساختار خازن و انواع آن متشکل است از دو صفحه هادی موازی (با مساحت A) که فاصله معینی از هم دارند و فاصله بین آنها با ماده ی عایقی “دی الکتریک (با ضخامت d) پر شده است. بر اساس این تعریف ظرفیت با مساحت صفحات هادی رابطهٔ مستقیم، و با فاصله دو صفحه(که در اصل همان ضخامت ماده دی الکتریک است و با d  نشان داده می شود) رابطه وارون دارد و به صورت زیر محاسبه می شود:

 

خازن و انواع آن

اگر بار الکتریکی روی صفحه‌ها را با Q + و-Q  و ولتاژ میان دو صفحه را با V نشان دهیم، می توانیم ظرفیت خازن را به روش زیر محاسبه کنیم:

خازن و انواع آن
ظرفیت  به اندازه بار (Q) و به اختلاف پتانسیل دو سر خازن (V) بستگی ندارد بلکه به نسبت Q/V)) بستگی دارد.
در صورت مشخص نبودن عدد بر روی خازن ظرفیت آن را توسط خازن سنج یا مولتیمتر خازن سنج و یا LCR متر تست کنید.

 

انواع خازن

خازن های الکتریکی به 2 دسته کلی تقسیم میشوند:

 

خازن و انواع آن

 

خازن ثابت

خازن های ثابت که دارای ظرفیت معینی هستند و در وضعیت معمولی ظرفیت آنها تغییر پیدا نمی‌کند، بسته به نوع ماده دی الکتریک به کار رفته در آنها به شش دسته تقسیم می شوند:

 

خازن سرامیکی

در میان خازن و انواع آن، خازن سرامیکی معمول ترین خازن غیر الکترولیتی است که دی الکتریک بکار رفته در آن از جنس “سرامیک” است . ثابت دی الکتریک سرامیک بالا است، در نتیجه می توان از آن برای ساخت خازن هایی با ظرفیت زیاد و ولتاژ کاری بالا در اندازه های کوچک استفاده کرد!

خازن های سرامیکی که غیر قطبی هستند(+ و – ندارند)، بیشتر در مدارهای الکترونیکی ، مانند مدارهای مخابراتی و رادیویی استفاده می شوند .

 

ویژگی خازن های سرامیکی
  • ظرفیت خازن های سرامیکی معمولا بین 5 پیکو فاراد تا 9/0 میکرو فاراد است
  • فرکانس کاری خازن های سرامیکی بالای 100 مگاهرتز است .
  • بزرگترین عیب خازن های سرمیکی وابسته بودن ظرفیت آن ها به دمای محیط است ، زیرا با تغییر دما ظرفیت خازن تغییر می کند .

 

خازن عدسي

خازن عدسی یکی از پرکاربرد ترین خازن ها است که در اصل از زیر مجموعه های خازن‌های سرامیکی است، اما به دلیل کاربرد فرآوان و اهمیتی که دارد، من در اینجا آن را به عنوان یک نوع مستقل معرفی میکنم.

دلیل نام گذاری این خازن ها به این نام، ابعاد بسیار کوچک و ظاهر عدسی شکل آنها است.
به دلیل ابعاد کوچک خازن های عدسی، معمولا ظرفیت این خازن ها درمحدوده ی پیکو فاراد و نانو فاراد قرار میگیرد! و شما میتوانید برای بدست اوردن ظرفیت این خازن ها از کد عددی نوشته شده بر روی آنها کمک بگیرید!
خازن و انواع آن

خازن الکتروليتي

خازن الکتروليتي یکی از پر کاربرد ترین انواع خازن ها هستند که بر خلاف خازن های سرامیکی دارای قطب + و – هستند (هنگام استفاده در مدار باید به جهت خازن توجه ویژه ای داشت). دی الکتریک بکار رفته در این نوع خازن به نوعی ماده شیمیایی آغشته شده است و این ماده شیمیایی مانند یک کاتالیزور عمل کرده و باعث بالا رفتن ظرفیت خازن های “الکترولیتی” یا “شیمیایی” می شود! این خازن ها در مدار یکسو کننده دیودی بعنوان فیلتر و در مدار بایاس ترانزیستور ها به عنوان کوپلینگ استفاده میشوند!

ظرفیت این نوع خازنها معمولاً در رنج میکرو فاراد هستند و ظرفیت و ولتاژ قابل تحمل خازن بر روی آن نوشته شده است.

 

پلاریته خازن

در میان خازن و انواع آن، خازن هایی مانند خازن الکتروليتي وجود دارند که دارای قطب + و – هستند، به این قطب مثبت . منفی خازن ها پلاریته می گویند.

در موقع استفاده این خازن ها در مدار، حتما باید به پلاریته خازن توجه شود.

 

انواع خازن های الکترولیتی

خازن های الکترولیتی در دو نوع آلومینیومی و تانتالیومی در بازار یافت میشوند .

 

خازن آلومینیومی

این خازن همانند خازنهای ورقه‌ای از دو ورقه آلومینیومی تشکیل شده است، یکی از این ورقه‌ها که لایه اکسید روی آن ایجاد می‌شود “آند” نامیده می‌شود و ورقه آلومینیومی دیگر نقش کاتد را دارد. ساختار داخلی خازن آلومینیومی متشکل است از دو ورقه آلومینیومی به همراه دو لایه کاغذ متخلخل (این دولایه از از الکترولیت پر شده اند)، و سیم هایی که به انتهای ورقه‌های آلومینیومی متصل شده اند. کل این مجموعه نیز درون یک قاب فلزی قرار گرفته و در انتها با یک پولک پلاستیکی که سیمهای خازن از آن می‌گذرد محکم بسته شده است.

 

خازن تانتالیوم

در این نوع خازن به جای آلومینیوم از فلز تانتالیوم استفاده می‌شود و زیاد بودن ثابت دی الکتریک اکسید تانتالیوم نسبت به اکسید آلومینیوم (حدودا ۳ برابر) سبب شده است که خازنهای تانتالیومی نسبت به نوع آلومینیومی درحجم مساوی دارای ظرفیت بیشتری باشند.

 

خازن و انواع آن

 

خازن ورقه ای

مهم ترین ویژگی خازن‌های ورقه‌ای ثبات ماده ی دی الکتریک آنها در برابر تغییرات دمایی است، بنابراین برای ساخت دی‌الکتریک این خازن ها از کاغذ و مواد پلاستیک استفاده می‌شود. بنابر این این خازن ها به دو دسته کلی تقسیم میشوند :

  • خازن های کاغذی
  • خازن های پلاستیکی

 

خازنها “پلی استر”گفته می‌شود، از جمله رایج‌ترین خازن های پلاستیکی است و ماکزیمم فرکانس کار این خازن حدود یک مگا هرتز است

از آنجایی خازن های ورقه ای نسبت به تغییرات دما حساسیت زیادی ندارند، شما میتوانید در مدارهایی که احتیاج به خازنی با ظرفیت ثابت در مقابل حرارت دارند از نوع پلاستیکی آن که دی الکتریکش از ورقه‌های نازک پلاستیک ساخته شده، استفاده کنید!

همچنین می توانید در ولتاژها (بیش از 600 ولت) و جریان‌های زیاد از نوع کاغذی خازن های که دی‌الکتریک شان معمولا از یک صفحه نازک کاغذ متخلخل که یک دی‌الکتریک مناسب مانند پارفین درون آن تزریق شده است، استفاده کنید!

خازنهای کاغذی به علت کوچک بودن ثابت دی الکتريک، دارای ابعاد فيزيکی بزرگ هستند، اما از مزايای اين خازنها استفاده  در ولتاژها و جريانهای بالا میباشد.

صفحات خازن کاغذی به صورت نوارهای صاف و طویل از جنس ورقه های قلع هستند!

 

خازن و انواع آن

خازن میکا

در میان خازن و انواع آن، خازنی وجود دارد که در ساخت آن از ورقه‌های نازک میکا به عنوان دی الکتریک در بین صفحاتش که از ورقه‌های فلزی – آلومینیوم هستند، استفاده می‌شود .و در پایان ، مجموعه در یک محفظه قرار داده می‌شوند تا از اثر رطوبت جلوگیری شود.

از ویژگیهای اصلی و مهم خازن میکا می‌توان به داشتن ولتاژ کار بالا ، عمر طولانی و کاربرد در مدارات فرکانس بالا اشاره کرد!
ظرفیت خازنهای میکا تقریبا بین ۰۱/۰ تا ۱ میکرو فاراد است.

خازن و انواع آن

خازن روغنی و گازی

در میان خازن و انواع آن، خازنی وجود که اغلب برای فیلتر و ذخیره انرژی با ولتاژ زیاد، حرکت موتور، استارت موتور، نورپردازی با ولتاژ بالا و … استفاده میشود، به این ” خازنی روغنی” می گویند!

یکی از مشهور ترین وسایلی که از خازن روغنی و گازی در آن استفاده شده، کولر گازی است!
این خازن ها در سیستم های گرمایشی صنعتی، موتورهای AC، موتورهای DC، چراغ های با ولتاژ بالا (HID)، تابلوهای روشنایی ولتاژ بالا و منبع تغذیه ها نیز کاربرد دارد.

خازن و انواع آن

 

 خازن های متغیر

در میان خازن و انواع آن، خازن‌هایی وجود دارند که یکی صفحات آنها ثابت و دیگری متغیر است، در نتیجه ظرفیت آنها نیز متغییر است. این خازن ها که به خازن های متغیر مشهور اند، در دو نوع کلی در بازار یافت میشوند. این دو نوع عبارتند از:

  • خازن‌های تریمر
  • خازن‌های واریابل

شما می توانید از خازن ها برای تنظیم مدارهای LC در گیرنده‌های رادیویی، یا برای تطبیق امپدانس در آنتن‌ها و … استفاده کنید.
ظرفیت خازن های متغیر بین 10 تا 500 پیکوفاراد است.
ظرفیت خازن های متغیر میتواند به صورت الکتریکی یا مکانیکی تغییر کند.

به طور کلی با تغییر سه عامل می‌توان ظرفیت خازن های متغیر را تغیر داد:

  • فاصله صفحات
  • سطح صفحات
  • نوع دی الکتریک

 

خازن های سری و موازی

در کارهای عملی گاهی به علت در دسترس نبودن خازنی با ظرفیت مطلبوب، مجبور می شویم با سری و موازی بستن خازن های موجود، خازن دلخواه را ایجاد کنیم (به عبارت دیگر یاد میگیریم که چطور خازن هایی که با هم سری یا موازی هستن رو به یک خازن تبدیل کنیم و مقدار معادلشون رو محاسبه کنیم)، برای این کار دو راه داریم:

  • سری کردن خازن ها
  • موازی کردن خازن ها

 

خازن های سری

اگر در مدار چند خازن را به صورت پشت سرهم ببندیم (یعنی مانند شکل هر دو خازن متوالی در یک سر با هم مشترک باشند) آنگاه می گوییم آن ها را با هم سری کرده ایم.

در این حالت، مجموع معکوس ظرفیت خازن های سری شده برابر با معکوس ظرفیت معادلشان است.

 

خازن و انواع آن

 

با کمی دقت به شکل خواهیم دید که تنها یک مسیر برای عبور جریان وجود، بر همین اساس جریانعبوری از تمام خازن‌هایی که به صورت سری با یکدیگر متصل شده‌اند، نیز یکسان است.

یک نکته مهم درباره خازن‌های سری این است که ظرفیت کل هر تعداد از خازن‌های سری، همیشه کمتر از ظرفیت کوچکترین خازن سری در مدار است.

هرگاه فقط دو خازن به صورت سری به هم متصل شوند، ظرفیت معادل خازن ها از تقسیم حاصل ضرب دو ظرفیت خازن بر مجمع ظرفیت آنها بدست می آید!

 

خازن و انواع آن

 

خازن های موازی

اگر در مدار چند خازن را به شکلی ببندیم که ابتدا و انتهای همه ی آنها به همدیگر متصل باشند( مانند شکل زیر) یعنی آنها را با هم موازی کرده ایم.

 

خازن و انواع آن

در این حالت برای بدست آوردن ظرفیت معادل خازن های موازی شده، کافیست ظرفیت همه خازن ها را با هم جمع کنیم
همانطور که از شکل فوق مشخص است، ولتاژی اعمالی به دو سر خازن اول، به دو سر خازن‌های دیگر هم اعمال می‌شود. این به این معنی است که تمام خازن هایی که باهم موازی شده اند، ولتاژی برابر دارند.

مدارهای الکترونیکی متشکل از خازن و انواع آن اغلب ترکیبی از خازن های سری و موازی هستند، بنابراین باید برای به دست آوردن ظرفیت معادل، سعی کنیم مساله را به قسمت های کوچکتر تبدیل کنیم و هر قسمت را جداگانه محاسبه و با قسمت دیگر جمع کنیم.

 

مثال) ظرفیت معادل مدار  زیرا را به دست آورید.

خازن و انواع آن

در شکل فوق دو خازن 5 و 3.5 میکروفارادی به صورت سری (متوالی) و دو خازن 15 و 0.75 میکرو فارادی به صورت موازی در مدار قرار گرفته‌اند.

خازن و انواع آن خازن و انواع آنخازن و انواع آنخازن و انواع آن

 

امیدواریم که از این آموزش و مطالب گفته شده درباره ” خازن و انواع ” آن لذت برده باشید و تمرین را مجددا حل کرده باشید!

مقالات مرتبط

مقالات مرتبط

سلف

سلف

دقیقه
مطالعه

16
مشاهده

19723 

محصولات مرتبط

محصولات مرتبط

اگر می‌خواهید از آخرین و محبوب‌ترین مقالات ما در ایمیل خود مطلع شوید، همین الان ایمیل و شماره موبایل خود را در کادر زیر وارد کنید:
این فیلد برای اعتبار سنجی است و باید بدون تغییر باقی بماند .
تعداد علاقه مندانی که تاکنون عضو خبرنامه ما شده اند: 3,594 نفر

8 + 4 =