خازن

خازن ها قطعات الکترونیکی هستند که انرژی را به شکل میدان الکتریکی ذخیره می کنند. آنها در طیف گسترده ای از مدارهای الکترونیکی، از لوازم الکترونیکی مصرفی کوچک تا کاربردهای صنعتی بزرگ استفاده می شوند.

خازن ها از دو صفحه رسانا تشکیل شده اند که توسط یک ماده عایق به نام دی الکتریک از هم جدا شده اند. هنگامی که یک ولتاژ به خازن اعمال می شود، انرژی را به شکل میدان الکتریکی بین صفحات ذخیره می کند. سپس می توان از این انرژی ذخیره شده برای تامین جریان یک مدار استفاده کرد.

آنها در انواع، شکل ها و اندازه های مختلف وجود دارند. رایج ترین انواع خازن های الکترولیتی، سرامیکی و فیلمی هستند. هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارد. خازن های الکترولیتی معمولاً برای ولتاژهای بالاتر استفاده می شوند، در حالی که خازن های سرامیکی و فیلم برای کاربردهای ولتاژ پایین مناسب تر هستند.

علاوه بر ذخیره انرژی می توان از آنها برای فیلتر کردن سیگنال ها نیز استفاده کرد. این کار با اتصال دو خازن به صورت سری و تنظیم ظرفیت هر یک برای فیلتر کردن فرکانس های خاص انجام می شود. این یک تکنیک رایج است که در مدارهای صوتی استفاده می شود. همچنین از آنها در منابع تغذیه برای رفع نوسانات ولتاژ استفاده می شود. این کار با اتصال یک خازن به صورت موازی با منبع تغذیه انجام می شود که به کاهش ریپل در ولتاژ خروجی کمک می کند.

به طور کلی، آنها جزء ضروری در بسیاری از مدارهای الکترونیکی هستند. می توان از آنها برای ذخیره انرژی، فیلتر سیگنال ها و هموارسازی نوسانات ولتاژ استفاده کرد. آنها  با طیف وسیعی از کاربردهای خود، جزء مهم و همه کاره در بسیاری از دستگاه های الکترونیکی هستند.

تعریف کاملتر و دقیقتر

خازن وسیله ای است که انرژی الکتریکی را در یک میدان الکتریکی به واسطه انباشتن بارهای الکتریکی روی دو سطح نزدیک که از یکدیگر جدا شده اند ذخیره می کند. این یک قطعه الکترونیکی غیرفعال با دو پایانه است.

اثر خازن به عنوان ظرفیت شناخته می شود. در حالی که مقداری خازن بین هر دو رسانای الکتریکی در مجاورت یک مدار وجود دارد، خازن جزء طراحی شده برای افزودن ظرفیت به مدار است. خازن در ابتدا به عنوان خازن شناخته می شد، اصطلاحی که هنوز در چند نام ترکیبی مانند میکروفون کندانسور وجود دارد.

شکل فیزیکی و ساخت خازن های کاربردی بسیار متفاوت است و انواع مختلفی از خازن ها رایج هستند. بیشتر خازن ها حداقل دارای دو هادی الکتریکی هستند که اغلب به شکل صفحات فلزی یا سطوح جدا شده توسط یک محیط دی الکتریک هستند. یک هادی ممکن است یک فویل، لایه نازک، مهره متخلخل فلز یا یک الکترولیت باشد. دی الکتریک نارسانا برای افزایش ظرفیت شارژ خازن عمل می کند. موادی که معمولاً به عنوان دی الکتریک استفاده می شوند عبارتند از شیشه، سرامیک، فیلم پلاستیکی، کاغذ، میکا، هوا و لایه های اکسید. خازن ها به طور گسترده ای به عنوان بخشی از مدارهای الکتریکی در بسیاری از دستگاه های الکتریکی رایج استفاده می شوند. برخلاف مقاومت، یک خازن ایده‌آل انرژی را هدر نمی‌دهد، اگرچه خازن‌های واقعی مقدار کمی را تلف می‌کنند (به رفتار غیر ایده‌آل مراجعه کنید). هنگامی که یک اختلاف پتانسیل الکتریکی (ولتاژ) در پایانه های یک خازن اعمال می شود، برای مثال زمانی که یک خازن به یک باتری متصل می شود، یک میدان الکتریکی در سراسر دی الکتریک ایجاد می شود که باعث می شود یک بار مثبت خالص در یک صفحه جمع شود و خالص منفی شود. شارژ برای جمع آوری در صفحه دیگر. در واقع هیچ جریانی از دی الکتریک عبور نمی کند. با این حال، یک جریان شارژ از طریق مدار منبع وجود دارد. اگر شرایط به اندازه کافی طولانی حفظ شود، جریان عبوری از مدار منبع متوقف می شود. اگر یک ولتاژ متغییر زمان در سرنخ های خازن اعمال شود، منبع به دلیل چرخه های شارژ و دشارژ خازن، جریان مداومی را تجربه می کند.

اولین اشکال خازن ها در دهه 1740 ایجاد شد، زمانی که آزمایشگران اروپایی کشف کردند که بار الکتریکی را می توان در شیشه های شیشه ای پر از آب ذخیره کرد که به کوزه های لیدن معروف شدند. امروزه خازن ها به طور گسترده در مدارهای الکترونیکی برای مسدود کردن جریان مستقیم استفاده می شوند و در عین حال اجازه عبور جریان متناوب را می دهند. در شبکه های فیلتر آنالوگ، خروجی منابع تغذیه را صاف می کنند. در مدارهای تشدید، رادیوها را روی فرکانس‌های خاصی تنظیم می‌کنند. در سیستم های انتقال نیروی الکتریکی، ولتاژ و جریان برق را تثبیت می کنند. ویژگی ذخیره انرژی در خازن ها به عنوان حافظه پویا در رایانه های دیجیتال اولیه مورد استفاده قرار می گرفت، و هنوز در DRAM مدرن وجود دارد.

تئوری عملیات

یک خازن از دو هادی تشکیل شده است که توسط یک ناحیه غیر رسانا از هم جدا شده اند. ناحیه غیر رسانا می تواند یک ماده خلاء یا یک ماده عایق الکتریکی باشد که به عنوان دی الکتریک شناخته می شود. نمونه هایی از محیط های دی الکتریک عبارتند از شیشه، هوا، کاغذ، پلاستیک، سرامیک و حتی یک ناحیه تخلیه نیمه هادی که از نظر شیمیایی با هادی ها یکسان است. بر اساس قانون کولن، بار روی یک هادی نیرویی بر حامل های بار در هادی دیگر وارد می کند، بار قطب مخالف را جذب می کند و بارهای قطبی مشابه را دفع می کند، بنابراین بار قطبیت مخالف بر روی سطح هادی دیگر القا می شود. بنابراین رساناها بارهای مساوی و مخالف را روی سطوح روبروی خود نگه می دارند  و دی الکتریک یک میدان الکتریکی ایجاد می کند.

یک خازن ایده‌آل با ظرفیت ثابت C، بر حسب فاراد در سیستم واحدهای SI مشخص می‌شود که به عنوان نسبت بار مثبت یا منفی Q در هر رسانا به ولتاژ V بین آنها تعریف می‌شود:

ظرفیت یک فاراد (F) به این معنی است که یک کولن بار در هر هادی باعث ایجاد ولتاژ یک ولت در دستگاه می شود.[23] از آنجایی که هادی ها (یا صفحات) نزدیک به هم هستند، بارهای مخالف بر روی هادی ها به دلیل میدان الکتریکی آنها یکدیگر را جذب می کنند و به خازن اجازه می دهد تا بار بیشتری را برای یک ولتاژ معین نسبت به زمانی که هادی ها از هم جدا شده اند ذخیره کند و ظرفیت بیشتری را ایجاد کند.
در دستگاه‌های عملی، گاهی اوقات افزایش شارژ به صورت مکانیکی خازن را تحت تأثیر قرار می‌دهد و باعث می‌شود که ظرفیت خازن تغییر کند. در این مورد، ظرفیت بر حسب تغییرات افزایشی تعریف می شود:

انواع خازن

خازن های کاربردی به شکل های مختلف به صورت تجاری در دسترس هستند. نوع دی الکتریک داخلی، ساختار صفحات و بسته بندی دستگاه همگی به شدت بر ویژگی های خازن و کاربردهای آن تأثیر می گذارند.

مقادیر موجود از خیلی کم (محدوده پیکوفاراد؛ در حالی که مقادیر دلخواه پایین اصولاً امکان پذیر است، خازن سرگردان (انگلی) در هر مدار عامل محدود کننده است) تا ابرخازن های حدود 5 کیلو فارنهایت متغیر است.

خازن های الکترولیتی بیش از 1 میکروفاراد معمولاً به دلیل اندازه کوچک و قیمت پایین آنها در مقایسه با انواع دیگر استفاده می شود، مگر اینکه پایداری نسبتاً ضعیف، عمر و ماهیت قطبی آنها آنها را نامناسب کند. ابرخازن های با ظرفیت بسیار بالا از یک ماده الکترود متخلخل مبتنی بر کربن استفاده می کنند.

مواد دی الکتریک

بیشتر خازن ها دارای یک اسپیسر دی الکتریک هستند که ظرفیت آنها را در مقایسه با هوا یا خلاء افزایش می دهد. به منظور به حداکثر رساندن باری که یک خازن می تواند نگه دارد، ماده دی الکتریک باید تا حد امکان دارای گذردهی بالایی باشد، در حالی که ولتاژ شکست تا حد امکان بالا باشد. دی الکتریک همچنین باید تا حد ممکن تلفات کمتری با فرکانس داشته باشد.

با این حال، خازن های کم ارزش با خلاء بین صفحات آنها در دسترس هستند تا امکان عملکرد ولتاژ بسیار بالا و تلفات کم را فراهم کنند. خازن های متغیر با صفحات باز به اتمسفر معمولاً در مدارهای تنظیم رادیویی استفاده می شدند. طرح‌های بعدی از فویل پلیمری دی‌الکتریک بین صفحات متحرک و ثابت استفاده می‌کنند، بدون فضای هوایی قابل توجه بین صفحات.

چندین دی الکتریک جامد از جمله کاغذ، پلاستیک، شیشه، میکا و سرامیک در دسترس هستند.

خازن های الکترولیتی از صفحه آلومینیوم یا تانتالیوم با لایه دی الکتریک اکسید استفاده می کنند. الکترود دوم یک الکترولیت مایع است که توسط صفحه فویل دیگری به مدار متصل می شود. خازن های الکترولیتی ظرفیت بسیار بالایی دارند اما از تحمل ضعیف، ناپایداری بالا، از دست دادن تدریجی خازن به ویژه هنگامی که در معرض گرما قرار می گیرند، و جریان نشتی بالا رنج می برند. خازن های بی کیفیت ممکن است الکترولیت نشت کنند که برای بردهای مدار چاپی مضر است. رسانایی الکترولیت در دماهای پایین کاهش می یابد که مقاومت سری معادل را افزایش می دهد. در حالی که به طور گسترده برای تهویه منبع تغذیه استفاده می شود، ویژگی های فرکانس بالا ضعیف آنها را برای بسیاری از کاربردها نامناسب می کند. خازن‌های الکترولیتی در صورت عدم استفاده برای مدتی (حدود یک سال) دچار تخریب خود می‌شوند و در صورت استفاده از توان کامل ممکن است اتصال کوتاه شود، خازن برای همیشه آسیب ببیند و معمولاً فیوز منفجر شود یا باعث خرابی دیودهای یکسو کننده شود. به عنوان مثال، در تجهیزات قدیمی تر، این ممکن است باعث ایجاد قوس در لوله های یکسو کننده شود. آنها را می توان قبل از استفاده با اعمال تدریجی ولتاژ عملیاتی که اغلب بر روی تجهیزات لوله خلاء عتیقه در مدت 30 دقیقه با استفاده از یک ترانسفورماتور متغیر برای تامین برق AC انجام می شود، بازیابی کرد. استفاده از این تکنیک ممکن است برای برخی از تجهیزات حالت جامد کمتر رضایت بخش باشد، که ممکن است در اثر عملکرد کمتر از محدوده توان معمولی خود آسیب ببینند و نیاز است که منبع تغذیه ابتدا از مدارهای مصرف کننده جدا شود. چنین راهکارهایی ممکن است برای منابع تغذیه با فرکانس بالا مدرن قابل استفاده نباشند، زیرا این منابع ولتاژ خروجی کامل را حتی با کاهش ورودی تولید می کنند.

خازن های تانتالیوم ویژگی های فرکانس و دمای بهتری نسبت به آلومینیوم دارند، اما جذب دی الکتریک و نشتی بالاتری دارند.

خازن های پلیمری (OS-CON، OC-CON، KO، AO) از پلیمر رسانای جامد (یا نیمه هادی آلی پلیمریزه شده) به عنوان الکترولیت استفاده می کنند و عمر طولانی تر و ESR کمتری را با هزینه بالاتر نسبت به خازن های الکترولیتی استاندارد ارائه می دهند.

خازن ورودی قطعه ای است که در حالی که به عنوان کاربرد اصلی آن عمل نمی کند، دارای ظرفیت خازنی است و برای هدایت سیگنال ها از طریق یک صفحه رسانا استفاده می شود.

چندین نوع دیگر خازن برای کاربردهای تخصصی موجود است. ابرخازن ها مقادیر زیادی انرژی ذخیره می کنند. ابرخازن‌های ساخته شده از آئروژل کربن، نانولوله‌های کربنی یا مواد الکترود بسیار متخلخل، ظرفیت خازنی بسیار بالایی دارند (تا 5 کیلو فارنهایت تا سال 2010) و می‌توانند در برخی کاربردها به جای باتری‌های قابل شارژ استفاده شوند. خازن های جریان متناوب به طور خاص برای کار در مدارهای برق AC ولتاژ خط (شبکه) طراحی شده اند. آنها معمولا در مدارهای موتور الکتریکی استفاده می شوند و اغلب برای کنترل جریان های بزرگ طراحی می شوند، بنابراین از نظر فیزیکی بزرگ هستند. آنها معمولاً به طور ناهموار بسته بندی می شوند، اغلب در جعبه های فلزی که به راحتی می توان آنها را زمین / زمین کرد. آنها همچنین با ولتاژهای شکست جریان مستقیم حداقل پنج برابر حداکثر ولتاژ AC طراحی شده اند.