خازن چیست؟ (معرفی و کاربرد و تست انواع خازن) مهندسی برق _الکترونیک

پژوهشگر و نویسنده:  دکتر ( افشین رشید)

قطعه ای است که برای ذخیره انرژی الکتریکی (ولتاژ) توسط میدان الکترواستاتیکی (بار الکتریکی)، در مدار استفاده می شود و با توجه به اینکه بار الکتریکی در خازن ذخیره می شود می توان از آن برای ایجاد میدان الکتریکی یکنواخت و پایدار استفاده کرد. از خازن ها به عنوان فیلتر نیز استفاده می کنند زیرا سیگنال های متناوب یا AC را به راحتی عبور می دهند ولی مانع عبور سیگنال های مستقیم  یا DC می شوند.
خازن یا کاپاسیتور که ابتدای کلمه  capacitor  است با حرف C نمایش می‌دهند. واحد ظرفیت خازن فاراد است و ظرفیت خازن طبق فرمول زیر بدست می آید.

C=kε0  A/d

فاراد برای خازن واحد بزرگی است که برای معرفی ظرفیت خازن از واحد های کوچکتر استفاده میکنند.

میلی فاراد :3-10 F    میکرو فاراد: 6-10 F
نانو فاراد: 9-10 F   پیکو فاراد: 12-10 F

ساختمان خازن :
خازن از دو صفحه فلزی موازی (رسانا از جنس روی، آلومنیوم، نقره) تشکیل شده است که در بین صفحات هوا یا عایق (دی الکتریک مانند کاغذ، میکا، پلاستیک، سرامیک، اکسید آلومنیوم، اکسید تانتالیوم) وجود دارد. شکل را ملاحظه نمایید.

انواع خازن

  • عدسی
  • سرامیکی
  • الکترولیتی(آلومینیومی، تانتالیوم)
  • خازن ورقه ای(کاغذی و پلاستیکی)
  • میکا
  • روغنی و گازی
  • خازن های متغیر

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.

خازن عدسی

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.

خازن سرامیکی

خازن الکترولیتی
خازن های الکترولیتی یا شیمیایی بر خلاف خازن های عدسی دارای قطب مثبت منفی میباشند و  معمولا در رنج میکرو فاراد می باشند. ظرفیت خازن و ولتاژ قابل تحمل خازن بر روی آن نوشته شده است و  هنگام استفاده در مدار باید به جهت خازن توجه ویژه ای داشت. 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.

بر روی بدنه خازن نواری با رنگ مخالف و حاوی علامت "منفی" برای مشخص شدن پایه منفی میباشد. بر روی بردها نیم دایره مشکی رنگی را برای مشخص شدن پایه منفی طراحی میکند که زمان لحیم کاری اشتباهی رخ ندهد.

اندازه گیری ولتاژ خازن با مولتی 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.

خازن ورقه ای(کاغذی و پلاستیکی)

خازنهای کاغذی به علت کوچک بودن ثابت دی الکتریک، دارای ابعاد فیزیکی بزرگ هستند، اما از مزایای این خازنها استفاده  در ولتاژها و جریانهای بالا میباشد.

خازنهای پلاستیکی  نسبت به تغییرات دما حساسیت زیادی ندارند. لذا کاربرد آنها در مداراتی استفاده می‌کنند که احتیاج به خازنی با ظرفیت ثابت در مقابل حرارت باشد. یکی از معروفترین دی الکتریکهایی که در این خازنها به کار می‌رود پلی استیرن (Polystyrene) است، به همین دلیل به این خازنها "خازن پلی استر" نیز گفته می‌شود. عکس زیر :

خازن میکا :
ظرفیت این نوع خازن ها تقریباً بین 01/0 تا 1 میکرو فاراد است. یکی از مهمترین ویژگی این 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 الکتریکی برای راه اندازی و یا اصلاح ضریب 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.

خازن های متغیر :
با سه فاکتور میتوان ظرفیت خازن را تغیر داد :

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

نحوه عملکرد خازن متغیر بر مبنای تغییر سطح مشترک صفحات خازن یا تغییر ضخامت دی الکتریک است، ظرفیت یک خازن نسبت مستقیم با سطح مشترک دو صفحه خازن دارد (فرمولی که در اول مقاله اشاره شد). خازن های متغیر معموماً ازنوع عایق هوا یا پلاستیک هستند. خازنی که ظرفیتش به وسیله دسته متحرک (محور) تغییر میکند "واریابل" می نامند و در نوع دیگر به وسیله پیچ گوشتی انجام میشود که به آن "تریمر" می گویند.بازه تغییر ظرفیت خازنهای واریابل 10 تا 400 پیکو فاراد و در خازنهای تریمر از 5 تا 30 پیکو فاراد است. عمده کاربرد این خازنها در گیرنده‌های رادیویی برای تنظیم فرکانس ایستگاه رادیویی میباشد.

پژوهشگر و نویسنده:  دکتر ( افشین رشید)