آشنایی با انواع خازن ها و کاربرد آنها

در این مقاله از کیان باتری، قصد داریم شما را بیشتر با انواع خازن ها و کاربرد هرکدام و تفاوت انواع خازن های مختلف با یکدیگر بپردازیم. خازن ها یکی از پر استفاده ترین المان های مدارهای الکترونیکی هستند و هر کدام از آنها کاربردهای مختلف دارند.

برای استفاده بهتر از آن لازم است بدانیم که از چه ساختاری تشکیل شده، چطور کار میکند و انواع آن کدامند؟ به کمک مطالب و ویدئو ها و تصاویر موجود در این مقاله می توانید درک خوبی از انواع خازن ها و کاربرد هر کدام پیدا کنید.

خازن چیست و چگونه کار میکند؟

خازن، قطعه ای الکترونیکی است که انرژی الکتریکی را در خود ذخیره میکند. این قطعه از دو صفحه فلزی تشکیل شده که در کنار یکدیگر به صورت موازی قرار گرفته اند. بین این دو صفحه فلزی، یک صفحه عایق قرار می گیرد که به آن دی الکتریک می گویند.

اگر یک باتری به این دو صفحه متصل شود، بار الکتریکی باتری خودرو، درون این دو صفحه قرار میگیرد. همین امر باعث میشود که انرژی باتری، درون این دو صفحه ذخیره شود. در حقیقت، خازن ها مانند یک باتری عمل میکنند. اما نکته اینجاست که خازنها نمیتوانند مانند باتری، الکترون ها را به مدت طولانی در خود ذخیره کنند و بعد از مدتی، الکترون ها از بین میروند.

ویدئوی فارسی زیر شما را با خازن ها و نحوه کار آن ها آشنا می کند، تماشای آن را از دست ندهید!

ظرفیت خازن ها چیست؟

هر خازن، مقدار مشخصی از انرژی را در خود ذخیره میکند که به آن ظرفیت خازن می گویند. مساحت هر صفحه، ذخامت و جنس هر صفحه، تاثیر زیادی در میزان ظرفیت خازنها دارد.  میزان ذخیره انرژی در خازن را با واحد فاراد اندازه گیری میکنند. خازنهای موجود در مدارهای الکترونیکی، در رنج های پیکوفاراد، نانوفاراد و میکروفاراد عرضه شده اند.

خازنها، بسته به نوع ماده دی الکتریک و صفحات فلزی آن خصوصیات مختلفی دارند. معمولا آنها را با ساختار به کار رفته در دی الکتریکشان نامگذاری می کنند. مانند: الکترولیت، سرامیک، میکا، آلومینیوم، پلی استر و … تنها شرط ماده دی الکتریک این است که نارسانا باشد.

مقاله پیشنهادی: شباهت و تفاوت خازن و باتری

اندازه گيري ولتاژ خازن با مولتي متر

برای اندازه گیری ولتاژ دو سر خازن، باید خازن با بارهای الکتریکی پر شود بنابراین مدار باید روشن باشد و ولتاژ به خازن برسد.  سپس سلکتور مولتی متر 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 عدد مولتیمتر را بخوانید.

نکته : برای دشارژ کردن خازن که تازه از مدار خارج شده، پایه های مثبت و منفی را به هم اتصال دهید.
خازن تانتانیوم نیز از انواع خازن الکترولیتی میباشد که به دلیل سایز کوچک و ظرفیت بالا، قیمت بالاتری دارند. در نوع جدید این نوع خازن ها ولتاژ و ظرفیت بر روی بدنه نوشته شده اما مدل های قدیمی از کدگذاری رنگی استفاده می شده است.

کاربرد انواع خازن ها

انواع خازنهای مختلف دارای کاربردهای زیادی هستند که از مهمترین آن ها میتوان به موارد زیر اشاره کرد.

1- نویزگیری در مدار

2- تقویت کنندگی در مدار

3- تغییر فرکانس در مدارات فیلترینگ

4- کمک به افزایش راندمان در موتور های الکتریکی

5- تفکیک دو بخش AC و DC مدارات الکترونیکی (خازن کوپلاژ)

6- کمک به نوسان ساز های الکترونیکی و …

مقاله پیشنهادی: خازن خودرو چیست و چه کاربردی دارد؟

خازن خودرو چیست و چه کاربردی دارد؟

انواع خازنها و کاربرد آنها

• عدسي
• سراميکي
• الکتروليتي(آلومینیومی، تانتالیوم)
• خازن ورقه ای(کاغذی و پلاستیکی)
• میکا
• روغنی و گازی
• خازن های متغیر

فیلم زیر می تواند شما را با انواع خازن ها و کاربرد هرکدام بیشتر آشنا کند، حتما آن را تماشا کنید!

خازنها به صورت کلی به دو دسته ی متغیر و ثابت تقسیم میشوند.

1- خازن های متغیر

کاربرد این نوع خازنها، بیشتر از هر چیز در مدارات مخابراتی استفاده میشود. چنین نوع از خازن هایی که ظرفیت آن ها می تواند از نظر مکانیکی یا از نظر الکتریکی تغییر کند با عنوان خازن های متغیر شناخته می شوند. آن ها مقدار ظرفیت ثابتی ندارند، در عوض، آن ها محدوده ای از مقادیر را فراهم می کنند. آن ها در تنظیم مدارهای LC برای گیرنده رادیو، تطابق امپدانس در آنتن ها مورد استفاده قرار می گیرند.

نحوه عملکرد خازن متغير بر مبنای تغيير سطح مشترک صفحات خازن يا تغيير ضخامت دی الکتريک است، ظرفيت يک خازن نسبت مستقيم با سطح مشترک دو صفحه خازن دارد.

خازن های متغير معموماً ازنوع عايق هوا يا پلاستيک هستند. خازنی که ظرفیتش به وسيله دسته متحرک (محور) تغییر میکند “واريابل” می نامند و در نوع ديگر به وسيله پيچ گوشتی انجام میشود که به آن “تريمر” می گويند.

بازه تغییر ظرفيت خازنهای واريابل 10 تا 400 پيکو فاراد و در خازنهای تريمر از 5 تا 30 پيکو فاراد است. عمده کاربرد اين خازنها در گيرنده‌های راديويی برای تنظيم فرکانس ايستگاه راديويی میباشد.

انواع خازن های متغیر

با سه فاکتور میتوان ظرفیت خازن را تغیر داد :

• فاصله بین صفحات هادی
• تغییر مساحت صفحات
• نوع دی الکتریک

• خازن هوا
  

دي الكتريك این نوع از خازن ها هواست( دی الکتریک خازن متغير شکل صفحه ی قبل هوا است ) واكثرا برای انتخاب فركانس مناسب در گيرنده ها با يك سلف به طور موازي بسته مي شود. اين گونه خازن ها از چندين صفحه فلزي تشكيل شده كه تعدادي ثابت و تغدادي متحركند.

صفحات به صورت يك در ميان به فاصله منظم از يكديگر قرار داردند. با چرخش محور كه به صفحات متحرك متصل است ٬ صفحات متحرك بين صفحات ثابت حركت مي كنند. بنابراين سطح موثر صفحات تغيير مي كند و در نتيجه ظرفيت خازن نيز متناسب با گردش محور تغيير مي كند.

• خازن تريمر
  

اين خازن ها بسيار كوچكند و درمدارها به كمك پيچ گوشتي مي توان آن ها را تنظيم كرد. با تغيير دادن فاصله بين صفحات، ظرفيت خازن تغيير مي كند. ماده عايق اين خازن ها معمولا ميكا يا سراميك مي باشد. از خازنهاي تريمر در فركانسهاي بالا استفاده مي شود.

2- خازن های ثابت یا خشک

همانطور که از نام این خازنها پیداست، میتوان حدس زد که ظرفیت آن ها هرگز تغییر نمیکند. اين خازنها دارای ظرفيت معينی هستند که در وضعيت معمولی تغيير پيدا نمی کنند.

خازنهای ثابت بر اساس نوع ماده دی الکتريک به کار رفته در آنها تقسيم بندی و نام گذاری می کنند و از آنها در مصارف مختلف استفاده می شود. از جمله اين خازنها می توان انواع سراميکی ٬ ورقه ای (کاغذی و پلاستيکی)را نام برد.

  ميکا ٬ الکتروليتی ٬ روغنی ٬ گازی و نوع خاص فيلم (Film)  اگر ماده دی الکتريک طی يک فعاليت شيميايی تشکيل شده باشد آن را خازن الکتروليتی و در غير اين صورت آن را خازن خشک گويند. خازنهای ثابت نیز، به دو دسته ی کلی تقسیم بندی میشوند.

• خازن های قطبی : خازنهای دارای پلاریته یا قطب
• خازن های غیر قطبی : خازنهای فاقد پلاریته یا قطب

انواع خازن های قطبی

خازن های قطبی نوعی خازن هستند که پایانه های آن ها ( الکترودها) دارای قطبیت(polarity) هستند; مثبت و منفی. پایانه یا ترمینال های مثبت باید به مثبت منبع و منفی به منفی وصل شود. وارونه کردن قطبیت، خازن را خراب خواهد کرد.

خازنهایی که دارای پلاریته (قطبی) هستند، معمولا ظرفیتی بسیار بیشتر نسبت به خازنهای فاقد پلاریته دارند. این نوع از خازن ها، فقط در کاربردهای DC مورد استفاده قرار می گیرند.

خازن های قطبی به دو نوع خازنهای الکتروایتی و ابرخازن ها بیشتر طبقه بندی می شوند:

خازنهای الکترولیتی یا شیمیایی

انواع خازن های الکترولیتی، آلومینیومی و تانتالیومی می باشد. از مهمترین کاربردهای این خازن در مدار یکسو کننده دیودی بعنوان فیلتر و کوپلینگ در مدار بایاس ترانزیستور ها میباشد. در ميان انواع خازن ها بيش ترین ظرفيت را خازن های الکتروليتی دارند. این ظرفيت زیاد ناشی از به  کار بردن یک لایه ی دی الکتریک نازک با ضخامت تقریبی یک نانومتر است. در عمل چنين لایه ای را به وسيله ی اکسيداسيون آندی یک فلز مناسب تهيه می کنند.

باید توجه داشت که در حين کار، دو قطب آن ها جابه جا نشوند. در صورت اشتباه متصل کردن دو قطب خازن الکتروليتی، واکنش های شيميایی درون خازن روی می دهد و خازن معيوب می شود. معمولا منفجر میشوند یا حداقل در صورت وجود ولتاژ نسبتا زیاد، باد میکنند.

پایه ی کوتاه تر این خازن، نشان دهنده ی قطب منفی است البته اگر با دقت نگاه کنید، متوجه میشوید که همین پایه، خطی طلایی رنگ بر روی خود دارد که نشان دهنده ی قطب منفی خازن است. اين نوع خازنها معمو لاً در رنج ميکرو فاراد هستند.

نام ديگر اين خازنها، خازن شيميايی است. علت ناميدن آنها به اين نام اين است که دی الکتريک اين خازنها را به نوعی مواد شيميايی آغشته می کنند که در عمل، حالت يک کاتاليزور را دارا می باشند و باعث بالا رفتن ظرفيت خازن میشوند. مقدار واقعی ظرفيت و ولتاژ قابل تحمل آنها نيز روی بدنه درج شده است.

• خازنهای آلومینیومی

اين نوع خازن هها از دو ورقه ی آلومينيومی تشکيل شده است. يکی از اين ورقه ها که لايه اکسيد روی آن ايجاد میشود “آند” ناميده می شود و ورقه آلومينيومی ديگر نقش کاتد را دارد. کاربرد خازن های آلمینیومی در مدارات پیشرفته و گران قیمت اتفاده می شود.

ساختمان داخلی آن بدين صورت است که دو ورقه آلومينيومی به همراه دو لايه کاغذ متخلخل که در بين آنها قرار دارند هم زمان پيچيده شده و سيمهای اتصال نيز به انتهای ورقه های آلومينيومیمتصل میشوند.

پس از پيچيدن ورقه ها آن را درون يک الکتروليت مناسب که شکل گيری لايه اکسيد را سرعت می بخشد غوطه ور می سازند تا دو لايه کاغذ متخلخل از الکتروليت پر شوند. سپس کل مجموعه را درون يک قاب فلزی قرار داده و با يک پولک پلا ستيکی که سيمهای خازن از آن می گذرد محکم بسته میشود.

• خازن های تانتالیوم

خازنهای تانتالیوم نیز، دسته ای دیگر از خازنها هستند که بیشتر در مدارات الکترونیکی پیشرفته مانند موبایل قرار میگیرند. این خازنها از نظر جنس دی الکتریک با سایر خازنها تفاوت دارند و در تصویر بالا نمونه ی SMD خازنهای تانتالیوم قابل مشاهده است.

در اين نوع خازن به جای آلومينيوم از فلز تانتاليوم استفاده می شود زياد بودن ثابت دی الکتريک اکسيد تانتاليوم نسبت به اکسيد آلومينيوم ( حدودا ۳ برابر) سبب می شود خازنهای تانتاليومی نسبت به نوع آلومينيومی درحجم مساوی دارای ظرفيت بيشتری باشند.

مزایای خازن تانتاليومی:

نسبت به نوع آلومينيومی بدين قرار است :

1. ابعاد کوچکتر
2. جريان نشتی کمتر
3. عمر کارکرد طولانی

معایب خازن تانتالیومی:

از جمله معايب اين نوع خازن در مقايسه با خازنهای آلومينيومی عبارتند از :

1. خازنهای تانتاليوم گرانتر هستند.
2. نسبت به افزايش ولتاژ اعمال شده در مقابل ولتاژ مجاز آن ٬ همچنين معکوس شدن پلاريته حساس ترند.
3. قابليت تحمل جريانهای شارژ و دشارژ زياد را ندارند.
4. خازنهای تانتاليوم دارای محدوديت ظرفيت هستند حد اکثر تا ۳۳۰ ميکرو فاراد ساخته می شوند.

در تصویر زیر، چند نماد خازنهای دارای پلاریته را مشاهده میکنید.

انواع خازن های غیر قطبی

خازن های فاقد پلاریته، از نظر ظرفیت، ظرفیتی کمتر نسبت به خازن های دارای پلاریته دارند. بیشتر خازنهای فاقد پلاریته، ظرفیتی در محدوده ی نانو فاراد دارند اما همیشه اینگونه نیست. این خازنها نیز به چند بخش تقسیم بندی میشوند.

• خازن عدسی

خازن عدسی دارای ابعاد کوچک همانند عدس ! بدون پلاریته مثبت و منفی(خازن های بدون قطب) هستند که دارای محدوده پیکو فاراد و نانو فاراد هستند. و هرچه میزان خازن بالاتر رود سایزش نیز بزرگتر میشود.

این خازنها، بیشتر در مدارات مخابراتی کاربرد دارند. شاید بتوان گفت، مهمترین استفاده از این خازن های در مدارات، برای نویز گیری است. اما استفاده های دیگری نیز دارند.

بر روی خازن عدسی اعدادی نوشته شده که از روی آن میتوان ظرفیت آن را بدست آورد.

بطور مثال اگر بر روی خازن 473 نوشته شده باشد دو رقم اول را برداشته(47) و به اندازه رقم سوم صفر جلوی دو عدد اول بگذارید میشود 47000 این مقدار ظرفیت خازن برحسب پیکو فاراد است یعنی 47000pF بعبارت دیگر 47 نانو فاراد یا 47nF.
در صورت مشخص نبودن عدد بر روی خازن ظرفیت آن را توسط خازن سنج یا مولتیمتر خازن سنج و یا LCR متر تست کنید.

• خازن سرامیکی

از دیگر نوع خازن های بدون قطب (خازن خشک)، خازن های سرامیکی میباشند که جنس دی الکتریک آن سرامیک است و چون ثابت دی الکتریک سرامیک بالاست، این نوع خازن عایق بسیار خوبی است و میتوان ظرفیت های بالا در حد میکرو فاراد در ابعاد کوچک فراهم کرد. همچنین ولتاژ کاری این نوع خازن بالاست.

برای مثال، از این خازنها بیشتر برای بردهای یخچال یا دستگاه های الکترونیکی که مستقیما به 220 ولت متصل میشوند، مورد استفاده قرار میگیرند. (منظور این است که هیچ ترانسفورماتوری در مدار وجود نداشته باشد)

هرچند خازن های جهت دار، از نظر ظرفیت، به پای خازن های دارای پلاریته نمیرسند اما از نظر توان قابل تحمل، به خصوص در ولتاژ های بالا، قطعا عملکرد بهتری نسبت به خازنهای جهت دار(قطبی)، از خود نشان میدهند.

• خازنهای ولتاژ بالا یا Can capacitor

از این خازنها، بیشتر برای افزایش راندمان موتورهای الکتریکی استفاده میکنند. موارد کاربرد آن ها بیشتر در موتورهای یخچال، کولر های اسپیلیت و یا بعضی دیگر از کولر ها می باشد.

• خازن کاغذی

دی الکتريک اين نوع خازن ها از يک صفحه نازک کاغذ متخلخل تشکيل شده که يک دی الکتريک مناسب درون آن تزريق می گردد تا مانع از جذب رطوبت گردد. برای جلوگيری از تبخير دی الکتريک درون کاغذ ٬ خازن را درون يک قاب محکم و نفوذ ناپذير قرار میدهند.

خازنهای کاغذی به علت کوچک بودن ضريب دی الکتريک عايق آنها دارای ابعاد فيزيکی بزرگ هستند ٬ اما از مزايای اين خازنها آن است که در ولتاژها و جريانهای زياد میتوان از آنها استفاده کرد.

• خازنهای پلاستیکی

  نسبت به تغييرات دما حساسيت زيادی ندارند. لذا کاربرد آنها در مداراتی استفاده می‌کنند که احتياج به خازنی با ظرفيت ثابت در مقابل حرارت باشد. يکی از معروفترین دی الکتريکهايی که در اين خازنها به کار می‌رود پلی استيرن (Polystyrene) است، به همین دلیل به اين خازنها “خازن پلی استر” نیز گفته می‌شود. عکس زیر :

ماکزيمم فرکانس کار خازنهای پلاستيکی حدود يک مگاهرتز است.

• خازن میکا

ظرفيت این نوع خازن ها تقريباً بين 01/0 تا 1 ميکرو فاراد است. یکی از مهمترین ویژگی اين خازنها، داشتن ولتاژ کار بالا، عمر طولانی و کاربرد در مدارات فرکانس بالا می باشد. شکل زیر

• روغنی و گازی

خازنهای روغنی و گازی بیشترین کاربرد را در صنعت برق در مدارهای الکتريکی برای راه اندازی و يا اصلاح ضريب قدرت دارند.

   خازن گازی خازن روغنی

بطور مثال یک نوع خازن گازی سیلندری با عایق گازی ازت N2 جهت اصلاح ضریب توان در شبکه برق سه فاز 400 ولت با فرکانس 50 هرتز و ظرفیت 2. 5  کیلو وار مورد استفاده قرار می گیرد. اصطلاحا به مجموعه خازن به کار رفته برای حذف توان راکتیو، بانک خازنی میگویند. در شکل زیر یک نمونه بانک خازنی آورده شده است.

 در ادامه به معرفی مختصر انواع خازن  صنعتی پرداخته می‌شود. مشاهده فیلم زیر می تواند شما را در درک ادامه مطلب کمک کند:

انواع خازن‌های صنعتی

امروزه خازن ها نقش ویژه ای در صنعت برق به ویژه در کارخانجات ایفا می کنند که مهمترین آن اصلاح ضریب قدرت می باشد. در یک خط تولید کارخانه تعداد زیادی موتور القایی وجود دارد که با توجه به ویژگی های موتور القایی سبب افزایش توان راکتیو مصرفی کارخانه می شوند.

توان راکتیو در واقع توانی است که مصرف می شود اما کار مفیدی را انجام نمی دهد و با توجه به اینکه امروزه از کنتورهای هوشمند که توانایی اندازه گیری هر دو توان راکتیو و اکتیو را دارد، برای مصارف صنعتی و حتی خانگی استفاده می شود، مصرف کننده ملزم به پرداخت بهای مصرفی هر دو توان اکتیو و راکتیو می باشد.

اصلی ترین راه در کاهش توان راکتیو کارخانه ها و در بعضی از مواقع مصارف خانگی، استفاده از خازن به عنوان اصلاح کننده ضریب قدرت می باشد. با توجه به ویژگی های خازن، بکار بردن آن در مدارات به مقدار خیلی زیادی باعث اصلاح ضریب توان و در نتیجه کاهش توان راکتیو مصرفی می شود. محاسبه مقدار خازن نیازمند محاسبات فنی و دقیق دارد که توسط فرد متخصص صورت می گیرد.

مقاله پیشنهادی: یو پی اس صنعتی چیست؟ آشنایی با UPS صنعتی

یو پی اس صنعتی چیست؟ آشنایی با UPS صنعتی

بر اساس شکل زیر، خازن صنعتی به دو دسته تقسیم می‌شود:

• خازن‌های فشار ضعیف

تفاوت انواع خازنهای دائم کار و استارت

انواع خازن ها در صنعت به انواع خازن های استارت و دائم کار تقسیم می شوند. خازن های استارت که اغلب تکفاز هستند برای راه اندازی انواع الکتروموتور استفاده می شوند. ما مجاز نیستیم از این خازن ها برای جبران سازی توان راکتیو و در مدت زمان طولانی استفاده کنیم.

خازن های دائم کار که جهت جبران توان راکتیو استفاده می شوند به صورت سه فاز و در ظرفیت های مختلف تولید می شوند. این گروه از خازن ها با عنوان دی الکتریک مثل خازن خشک، روغنی و گازی شناخته شده و در مدل های سیلندری و مکعبی در بازار وجود دارند.

نکات مهم در استفاده از انواع خازن ها

• در مدارهای حساس مانند مدارهای نوسانگر بهتر است از خازن با کیفیت خوب مانند خازن تانتالیوم استفاده کنید.
• اگر خازن در مدار AC استفاده می شود، باید ولتاژ کار 400 ولت باشد.
• ولتاژ کار خازن الکترولیتی بر روی بدنه آن چاپ می شود. یک خازن با ولتاژ کاری سه برابر بیشتر از ولتاژ منبع تغذیه انتخاب کنید. به عنوان مثال، اگر منبع تغذیه 12 ولت باشد، از خازن 25 ولت یا 40 ولت استفاده کنید.
• برای مقاصد یکسو سازی، بهتر است یک خازن با ظرفیت بالا مانند 1000 uF استفاده کنید.
• در تامین برق مدار های صوتی، بهتر است از یک خازن 2200 uF یا 4700 uF استفاده کنید.
• جریان نشتی یکی دیگر از مشکلات استفاده از خازن های پرکاربرد است. بعضی از شارژرها حتی بعد از اینکه خازن به طور کامل شارژ شد بدون استفاده نیز نشتی خواهند داشت. این مساله بیشتر در مدارهای تایمر که زمان چرخه بستگی به زمان شارژ و دشارژ دارد. خازن های تانتالوم با داشتن جریان نشتی کم تر برای استفاده در این تایمرها مناسب تر هستند.