انواع خازن

انواع مختلفی از خازن ها در بازار موجود هستند و هر یک از ویژگی ها و کاربردهای خاص خود را دارد.

انواع خازن های مختلفی وجود دارد. از خازن های trimmer ظریف بسیار کوچک استفاده شده در اسیلاتور یا مدارهای رادیویی گرفته تا خازن های بزرگ از نوع metal-can که در مدارهای تصحیح و ولتاژ بالا و مدارهای صاف کننده استفاده می شوند.

مقایسه بین انواع مختلف خازن به طور کلی با توجه به دی الکتریک استفاده شده بین صفحات انجام می شود. همانند مقاومت ها، انواع خازن های متغیر نیز وجود دارد که به ما اجازه می دهد مقدار ظرفیت آنها را برای استفاده در مدارهای رادیویی یا “تنظیم فرکانس” تغییر دهیم.

انواع خازن های تجاری، از فویل فلزی، که با ورق های نازک یا کاغذ آغشته به پارافین یا Mylar، به عنوان ماده دی الکتریک در هم آمیخته شده اند، ساخته می شوند. بعضی از خازن ها مانند لوله ها به نظر می رسند، دلیل این امر این است که صفحات فویل فلزی به داخل یک استوانه پیچیده می شوند و یک بسته کوچک با مواد دی الکتریک عایق بین آن ها قرار می گیرد.

خازن های کوچک اغلب از مواد سرامیکی ساخته می شوند و سپس در یک رزین اپوکسی غوطه ور می شوند تا آنها را آب بندی کند. به هر ترتیب، خازن ها در مدارهای الکترونیکی نقش مهمی دارند، بنابراین در اینجا چند نوع “معمول” خازن موجود را بررسی می‌کنیم.

خازن دی الکتریک

خازن های دی الکتریک معمولاً از نوع متغیر هستند و برای تنظیم ظرفیت فرستنده ها، گیرنده ها و رادیوهای ترانزیستوری به یک ظرفیت متغیر مداوم نیاز است. خازن های دی الکتریک متغیر، متشکل از چند صفحه هستند که فاصله بینشان هوا است، و دارای مجموعه ای از صفحات ثابت (پره های استاتور) و مجموعه ای از صفحات متحرک (پره های روتور) هستند که بین صفحات ثابت حرکت می کنند.

موقعیت صفحات متحرک نسبت به صفحات ثابت، مقدار ظرفیت کلی را تعیین می کند. وقتی دو مجموعه صفحه کاملاً با هم مش شوند، ظرفیت به طور کلی حداکثر است. خازن های تنظیم کننده نوع ولتاژ بالا دارای فاصله یا شکاف هوا نسبتاً زیادی بین صفحات هستند که ولتاژهای breakdown آنها به هزاران ولت می رسد.

نماد خازن های متغیر

علاوه بر انواع خازن های متغیر پیوسته، خازن های متغیر از پیش تعیین شده نیز وجود دارد که Trimmers نامیده می شوند. اینها معمولاً قطعات کوچکی هستند که می توانند با کمک یک پیچ گوشتی کوچک به مقدار خازنی خاص تنظیم شوند و در ظرفیت بسیار کمی از 500pF یا کمتر در دسترس بوده و غیر قطبی هستند.

نوع خازن Film

خازن های Film متداول ترین نوع خازن ها هستند که متشکل از یک خانواده خازن نسبتاً بزرگ با تفاوت در ویژگی های دی الکتریک هستند. این موارد شامل پلی استر (Mylar)، پلی استایرن، پلی پروپیلن، پلی کربنات، کاغذ فلزی شده، تفلون و غیره است. خازن های نوع Film در محدوده ظرفیت از 5pF تا 100uF بزرگ بسته به نوع واقعی خازن و میزان ولتاژ آن موجود هستند. خازن های Film همچنین دارای مجموعه ای از اشکال و سبک های بزرگ هستند که عبارتند از:

• Wrap & Fill (Oval & Round) – در این نوع، خازن در یک نوار پلاستیکی محکم پیچیده شده و انتهای آن با اپوکسی پر شده است.
• Epoxy Case (Rectangular & Round) – در این نوع، خازن در یک پوسته پلاستیکی قالب دار محصور شده و سپس با اپوکسی پر می شود.
• Metal Hermetically Sealed (Rectangular & Round) – در این نوع، خازن در یک لوله یا قوطی فلزی محصور شده و دوباره با اپوکسی مهر و موم شده است.

تمام موارد بالا در پکیج های Axial و Radial موجود هستند.

خازن های فیلم که از پلی استایرن، پلی کربنات یا تفلون به عنوان دی الکتریک استفاده می کنند، گاهی اوقات “خازن های پلاستیکی” نامیده می شوند. ساخت خازن های فیلم پلاستیکی مشابه خازن های فیلم کاغذی است اما به جای کاغذ از فیلم پلاستیکی استفاده کنید. مزیت اصلی خازن های فیلم پلاستیکی در مقایسه با انواع کاغذهای آغشته این است که آنها در شرایط دمای بالا به خوبی کار می کنند، طول عمر بسیار بالا و قابلیت اطمینان بالایی دارند. نمونه هایی از خازن های فیلم، فیلم فلزی مستطیل شکل و فیلم استوانه ای و انواع فویل است که در زیر نشان داده شده است.

نوع Radial Lead

نوع Axial Lead

انواع خازن های فیلم و فویل، از نوارهای نازک و طولانی از فویل فلزی نازک با مواد دی الکتریک که روی هم قرار گرفته اند، ساخته می شوند که به صورت رول محکم پیچیده و سپس در لوله های کاغذی یا فلزی مهر و موم می شوند.

این نوع فیلم ها برای کاهش خطر پارگی یا سوراخ شدن فیلم به یک فیلم دی الکتریک بسیار ضخیم تر نیاز دارند و بنابراین بیشتر برای مقادیر خازنی پایین و اندازه بزرگتر مناسب است.

خازن های فویل فلزی شده دارای فیلم رسانایی هستند که مستقیماً به هر طرف دی الکتریک اسپری شده اند و این باعث می شود خازن قابلیت ترمیم خود را داشته باشد و بنابراین می تواند از فیلم های دی الکتریک نازک تری استفاده کند. این امکان را برای مقادیر خازنی بالاتر و اندازه های کوچکتر برای یک ظرفیت مشخص فراهم می کند. خازن های فیلم و فویل به طور کلی برای قدرت بالاتر و کاربردهای دقیق تر استفاده می شوند.

خازن های سرامیکی

خازن های سرامیکی یا خازن های دیسکی، معمولترین خازن غیر الکترولیتی است که در آن، دی‌الکتریک بکار رفته از جنس سرامیک است. برای مقادیر خازنی بسیار کم، از یک دیسک سرامیکی منفرد در حدود 3-6 میلی متر استفاده می شود. خازن های سرامیکی دارای ثابت دی الکتریک بالا (High-K) هستند تا بتوان ظرفیت خازنی نسبتاً بالا را در اندازه فیزیکی کوچک بدست آورد.

آنها تغییرات غیر خطی زیادی را در خازن در برابر دما از خود نشان می دهند و در نتیجه به عنوان خازن های اتصال دهنده یا بای پس استفاده می شوند زیرا آنها همچنین دستگاه های غیر قطبی هستند. خازن های سرامیکی مقداری از چند پیکوفاراد تا یک یا دو میکرو فاراد (μF) دارند اما درجه ولتاژ آنها به طور کلی بسیار کم است.

انواع خازن های سرامیکی معمولاً یک کد 3 رقمی بر روی بدنه آنها چاپ می شود تا مقدار ظرفیت آنها را در پیکو فاراد شناسایی کند. به طور کلی دو رقم اول مقدار خازن ها را نشان می دهد و رقم سوم تعداد صفرهای اضافه شده را نشان می دهد. به عنوان مثال، یک خازن دیسک سرامیکی با علامت گذاری 103، 10 و 3 صفر را در پیکو فاراد نشان می دهد که معادل 10،000 pF یا 10nF است.

به همین ترتیب، ارقام 104 در 10 و 4 صفر را با واحد پیکو فاراد نشان می دهد که معادل 100,000 پیکو فاراد یا 100nF و غیره است. بنابراین در تصویر خازن سرامیکی بالای 154 عدد 15 و 4 صفر را در پیکو فاراد نشان می دهد که معادل 150,000 پیکو فاراد یا 150nF یا 0.15μF است. گاهی اوقات از کدهای حروف برای نشان دادن مقدار تلرانس آنها استفاده می شود مانند: J = 5٪ ،K = 10٪ یا M = 20٪ و …

خازن های الکترولیتی

خازن های الکترولیتی معمولاً در مواردی که به مقادیر خازنی بسیار زیادی نیاز باشد، استفاده می شوند. در اینجا به جای استفاده از یک لایه فیلم بسیار نازک فلزی برای یکی از الکترودها، از یک محلول الکترولیت نیمه مایع به شکل ژله یا خمیر استفاده می شود که به عنوان الکترود دوم (معمولاً کاتد) عمل می کند.

دی الکتریک یک لایه اکسید بسیار نازک است که در تولید به روش الکتروشیمیایی رشد می کند و ضخامت فیلم کمتر از ده میکرون است. این لایه عایق به قدری نازک است که می توان خازن هایی با مقدار خازن زیاد برای اندازه فیزیکی کوچک ایجاد کرد زیرا فاصله صفحات، d بسیار کم است.

اکثر انواع الکترولیتی خازن ها پلاریزه هستند، یعنی ولتاژ DC اعمال شده بر روی پایانه های خازن باید از قطبیت صحیح برخوردار باشد، یعنی مثبت به ترمینال مثبت و منفی ترمینال منفی باشد زیرا قطبش نادرست باعث تجزیه لایه اکسید عایق می شود و ممکن است آسیب دائمی در پی داشته باشد.

تمام خازن های الکترولیتی قطبی، دارای پلاریته هستند که به طور واضح با علامت منفی مشخص می شوند تا قطب منفی را نشان دهند و این قطبیت باید رعایت شود.

خازن های الکترولیتی به دلیل ظرفیت بزرگ و کوچک بودن اندازه آنها به طور کلی در مدارهای منبع تغذیه DC استفاده می شوند تا به کاهش ریپل ولتاژ یا برای کاربردهای کوپلینگ و دیکوپلینگ کمک کنند. یکی از معایب اصلی خازن های الکترولیتی، درجه ولتاژ نسبتاً پایین آنها است و به دلیل قطب بندی خازن های الکترولیتی، نباید از آنها در منابع AC استفاده شود. خازن های الکترولیتی به طور کلی به دو شکل اساسی وجود دارد. خازن های الکترولیتی آلومینیومی و خازن های الکترولیتی تانتالوم.

1. خازن های الکترولیتی آلومینیومی

در واقع دو نوع خازن الکترولیتی آلومینیومی وجود دارد، نوع فویل ساده و نوع فویل اچ شده. ضخامت فیلم اکسید آلومینیوم و ولتاژ breakdown بالای این خازن ها، مقادیر ظرفیت بسیار بالایی برای اندازه آنها می دهد.

صفحات فویل خازن با جریان DC آنودایز (به صورت قطب مثبت در آوردن) می شوند. این فرآیند آنودایزینگ قطبیت مواد صفحه را تنظیم می کند و تعیین می کند کدام طرف صفحه مثبت و کدام طرف منفی است.

تفاوت نوع فویل اچ شده با نوع فویل ساده در این است که اکسید آلومینیوم روی ورقه های آند و کاتد از لحاظ شیمیایی حک شده است تا سطح و میزان مجاز آن افزایش یابد. این کار یک خازن اندازه کوچکتر از یک نوع فویل ساده با مقدار معادل می دهد اما این معایب را دارد که قادر به مقاومت در برابر جریانهای DC زیاد در مقایسه با نوع ساده نیست. همچنین دامنه تحمل آن ها زیاد و حدود تا 20٪ است. مقادیر معمول ظرفیت برای یک خازن الکترولیتی آلومینیومی از 1uF تا 47,000uF است.

فویل الکترولیتی اچ دار بهتر است در مدارهای کوپلینگ، مسدود کردن DC و بای پس استفاده شود، در حالی که انواع فویل ساده به عنوان خازن های صاف کننده در منابع تغذیه مناسب ترند. اما الکترولیت آلومینیومی دارای “پلاریزه” است، بنابراین معکوس کردن ولتاژ اعمال شده بر روی آن ها منجر می شود که لایه عایق درون خازن همراه با خازن از بین برود. با این حال، الکترولیت استفاده شده در درون خازن، در صورتی که صفحه آسیب کمی دیده باشد، به بهبود آن کمک می کند. الکترولیت دارای خواص خود ترمیم کننده برای صفحه آسیب دیده است، همچنین توانایی آنودایز مجدد صفحه فویل را دارد. همانطور که فرایند آندایزینگ می تواند معکوس شود، الکترولیت توانایی حذف پوشش اکسید از فویل را دارد، مانند زمانی که اگر خازن با قطب معکوس متصل شود اتفاق می افتد. از آنجا که الکترولیت توانایی هدایت الکتریسیته را دارد، در صورت حذف یا تخریب لایه اکسید آلومینیوم، خازن اجازه عبور جریان از یک صفحه به صفحه دیگر را می دهد تا خازن را از بین ببرد! “بنابراین آگاه باشید!!”

2. خازن‌های الکترولیتی تانتالیوم

خازن های الکترولیتی تانتالیوم و مهره های تانتالیوم در دو نوع الکترولیتی مرطوب (فویل) و خشک (جامد) در دسترس هستند که رایج ترین آن ها تانتال خشک یا جامد است. خازن های جامد تانتالیوم از دی اکسید منگنز به عنوان پایانه دوم خود استفاده می کنند و از نظر فیزیکی کوچکتر از خازن های آلومینیومی معادل هستند.

خواص دی الکتریک اکسید تانتالیوم نیز بسیار بهتر از اکسید آلومینیوم است که جریان نشتی کمتر و ثبات خازنی بهتری دارد که آنها را برای استفاده در کاربردهای blocking ,by-passing ,decoupling ,filtering و timing را مناسب می‌ کند.

همچنین، خازن های تانتالیوم اگرچه قطبی هستند، اما بسیار راحت تر از انواع آلومینیوم می توانند ولتاژ معکوس را متصل کنند اما در ولتاژهای کاری بسیار پایین تر درجه بندی می شوند. خازنهای تانتال جامد معمولاً در مدارهایی استفاده می شوند که ولتاژ AC نسبت به ولتاژ DC کم باشد.

خازن الکترولیتی آلومینیوم و تانتالیوم

الکترولیتی به دلیل کم هزینه بودن و اندازه کوچک خازن ها، پرکاربرد است اما برای از بین بردن خازن الکترولیتی سه راه ساده وجود دارد:

• ولتاژ بیش از حد – ولتاژ بیش از حد باعث نشت جریان از طریق دی الکتریک و در نتیجه اتصال کوتاه می شود.
• قطب معکوس – ولتاژ معکوس باعث خود تخریب لایه اکسید و خرابی می شود.
• دما بیش از حد – گرمای بیش از حد باعث خشک شدن الکترولیتی و کاهش عمر خازن الکترولیتی می شود.

در آموزش بعدی در مورد خازن ها، برخی از ویژگی های اصلی را بررسی خواهیم کرد.

منبع