آشنایی با خازنها

مقدمه 
خازن وسيله‌ای الکتريکی است که در مدارهای الکتريکی اثر خازنی ايجاد می‌کند. اثر خازنی خاصيتی است که سبب می‌شود مقداری انرژی الکتريکی در يک ميدان الکترواستاتيک ذخيره شود و بعد از مدتی آزاد گردد. به تعبير ديگر ، خازنها المانهايی هستند که می‌توانند مقداری الکتريسيته را به صورت يک ميدان الکترواستاتيک در خود ذخيره کنند. همانگونه که يک مخزن آب برای ذخيره کردن مقداری آب مورد استفاده قرار می‌گيرد. خازنها به اشکال گوناگون ساخته می‌شوند و متداولترين آنها خازنهای مسطح هستند. 
مقدمه 
خازن وسيله‌ای الکتريکی است که در مدارهای الکتريکی اثر خازنی ايجاد می‌کند. اثر خازنی خاصيتی است که سبب می‌شود مقداری انرژی الکتريکی در يک ميدان الکترواستاتيک ذخيره شود و بعد از مدتی آزاد گردد. به تعبير ديگر ، خازنها المانهايی هستند که می‌توانند مقداری الکتريسيته را به صورت يک ميدان الکترواستاتيک در خود ذخيره کنند. همانگونه که يک مخزن آب برای ذخيره کردن مقداری آب مورد استفاده قرار می‌گيرد. خازنها به اشکال گوناگون ساخته می‌شوند و متداولترين آنها خازنهای مسطح هستند. 
اين نوع خازنها از دو صفحه هادی که بين آنها عايق يا دی الکتريک قرار دارد. صفحات هادی نسبتا بزرگ هستند و در فاصله‌ای بسيار نزديک به هم قرار می‌گيرند. دی الکتريک انواع مختلفی دارد و با ضريب مخصوصی که نسبت به هوا سنجيده می‌شود، معرفی می‌گردد. اين ضريب را ضريب دی الکتريک می‌نامند. خازنها به دو دسته کلی ثابت و متغير تقسيم بندی می‌شوند. خازنها انواع مختلفی دارند و از لحاظ شکل و اندازه با يک ديگر متفاوت‌اند. بعضی از خازنها از روغن پر شده و بسيار حجيم‌اند. برخی ديگر بسيار کوچک و به اندازه يک دانه عدس می‌باشند. خازنها بر حسب ثابت يا متغير بودن ظرفيت به دو گروه تقسيم می‌شوند: خازنهای ثابت و خازنهای متغير. 
خازنهای ثابت 
اين خازنها دارای ظرفيت معينی هستند که در وضعيت معمولی تغيير پيدا نمی‌کنند. خازنهای ثابت را بر اساس نوع ماده دی الکتريک به کار رفته در آنها تقسيم بندی و نام گذاری می‌کنند و از آنها در مصارف مختلف استفاده می‌شود. از جمله اين خازنها می‌توان انواع سراميکی ، ميکا ، ورقه‌ای ( کاغذی و پلاستيکی ) ،الکتروليتی ، روغنی ، گازی و نوع خاص فيلم (Film) را نام برد. 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 روغنی و گازی در صنعت برق بيشتر در مدارهای الکتريکی برای راه اندازی و يا اصلاح ضريب قدرت به کار می‌روند. بقيه خازنهای ثابت دارای ويژگيهای خاصی هستند. 
خازنهای متغير 
به طور کلی با تغيير سه عامل می‌توان ظرفيت خازن را تغيير داد: "فاصله صفحات" ، "سطح صفحات" و "نوع دی الکتريک". 
اساس کار 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. خازنهای متغير عموما ازنوع عايق هوا يا پلاستيک هستند. نوعی که به وسيله دسته متحرک (محور) عمل تغيير ظرفيت انجام می‌شود "واريابل" نامند و در نوع ديگر اين عمل به وسيله پيچ گوشتی صورت می‌گيرد که به آن "تريمر" گويند. محدوده ظرفيت خازنهای واريابل 10 تا 400 پيکو فاراد و در خازنهای تريمر از 5 تا 30 پيکو فاراد است. از اين خازنها در گيرنده‌های راديويی برای تنظيم فرکانس ايستگاه راديويی استفاده می‌شود. 

خازنهای سراميکی 
خازن سراميکی (Ceramic capacitor) معمولترين خازن غير الکتروليتی است که در آن دی الکتريک بکار رفته از جنس سراميک است. ثابت دی الکتريک سراميک بالا است، از اين رو امکان ساخت خازنهای با ظرفيت زياد در اندازه کوچک را در مقايسه با ساير خازنها بوجود آورده ، در نتيجه ولتاژ کار آنها بالا خواهد بود. ظرفيت خازنهای سراميکی معمولا بين 5 پيکو فاراد تا 1/0 ميکرو فاراد است. اين نوع خازن به صورت ديسکی (عدسی) و استوانه‌ای توليد می‌شود و فرکانس کار خازنهای سراميکی بالای 100 مگاهرتز است. عيب بزرگ اين خازنها وابسته بودن ظرفيت آنها به دمای محيط است، زيرا با تغيير دما ظرفيت خازن تغيير می‌کند. از اين خازن در مدارهای الکترونيکی ، مانند مدارهای مخابراتی و راديويی استفاده می‌شود. 
خازنهای ورقه‌ای 
در خازنهای ورقه‌ای از کاغذ و مواد پلاستيکی به سبب انعطاف پذيری آنها ، برای دی الکتريک استفاده می‌شود. اين گروه از خازنها خود به دو صورت ساخته می‌شوند: 
خازنهای کاغذی 
دی الکتريک اين نوع خازن از يک صفحه نازک کاغذ متخلخل تشکيل شده که يک دی الکتريک مناسب درون آن تزريق می‌گردد 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 پلاستيکی 
در اين نوع خازن از ورقه‌های نازک پلاستيک برای دی الکتريک استفاده می‌شود. ورقه‌های پلاستيکی همراه با ورقه‌های نازک فلزی (آلومينيومی) به صورت لوله ، در درون قاب پلاستيکی بسته بندی می‌شوند. امروزه اين نوع خازنها به دليل داشتن مشخصات خوب در مدارات زياد به کار می‌روند. اين خازنها نسبت به تغييرات دما حساسيت زيادی ندارند، به همين سبب از آنها در مداراتی استفاده می‌کنند که احتياج به خازنی با ظرفيت ثابت در مقابل حرارت باشد. يکی از انواع دی الکتريکهايی که در اين خازنها به کار می‌رود پلی استايرن (Polystyrene) است، از اين رو به اين خازنها "پلی استر" گفته می‌شود که از جمله رايج‌ترين خازنهای پلاستيکی است. ماکزيمم فرکانس کار خازنهای پلاستيکی حدود يک مگا هرتز است. 
خازنهای ميکا 
در اين نوع خازن از ورقه‌های نازک ميکا در بين صفحات خازن (ورقه‌های فلزی – آلومينيوم) استفاده می‌شود و در پايان ، مجموعه در يک محفظه قرار داده می‌شوند تا از اثر رطوبت جلوگيری شود. ظرفيت خازنهای ميکا تقريبا بين 01/0 تا 1 ميکرو فاراد است. از ويژگيهای اصلی و مهم اين خازنها می‌توان داشتن ولتاژ کار بالا ، عمر طولانی و کاربرد در مدارات فرکانس بالا را نام برد. 
خازنهای الکتروليتی 
اين نوع خازنها معمولاً در رنج ميکرو فاراد هستند. خازنهای الکتروليتی همان خازنهای ثابت هستند، اما اندازه و ظرفيتشان از خازنهای ثابت بزرگتر است. نام ديگر اين خازنها، شيميايی است. علت ناميدن آنها به اين نام اين است که دی ‌الکتريک اين خازنها را به نوعی مواد شيميايی آغشته می‌کنند که در عمل ، حالت يک کاتاليزور را دارا می‌باشند و باعث بالا رفتن ظرفيت خازن می‌شوند. برخلاف خازنهای عدسی ، اين خازنها دارای قطب يا پايه مثبت و منفی می‌باشند. روی بدنه خازن کنار پايه منفی ، علامت - نوشته شده است. مقدار واقعی ظرفيت و ولتاژ قابل تحمل آنها نيز روی بدنه درج شده است .خازنهای الکتروليتی در دو نوع آلومينيومی و تانتاليومی ساخته می‌شوند. 
خازن آلومينيومی 
اين خازن همانند خازنهای ورقه‌ای از دو ورقه آلومينيومی تشکيل شده است. يکی از اين ورقه‌ها که لايه اکسيد روی آن ايجاد می‌شود "آند" ناميده می‌شود و ورقه آلومينيومی ديگر نقش کاتد را دارد. 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 ورقه‌های آلومينيومی متصل می‌شوند. پس از پيچيدن ورقه‌ها آن را درون يک الکتروليت مناسب که شکل گيری لايه اکسيد را سرعت می‌بخشد غوطه‌ور می‌سازند تا دو لايه کاغذ متخلخل از الکتروليت پر شوند. سپس کل مجموعه را درون يک قاب فلزی قرار داده و با يک پولک پلاستيکی که سيمهای خازن از آن می‌گذرد محکم بسته می‌شود. 
خازن تانتاليوم 
در اين نوع خازن به جای آلومينيوم از فلز تانتاليوم استفاده می‌شود زياد بودن ثابت دی الکتريک اکسيد تانتاليوم نسبت به اکسيد آلومينيوم (حدودا 3 برابر) سبب می‌شود خازنهای تانتاليومی نسبت به نوع آلومينيومی درحجم مساوی دارای ظرفيت بيشتری باشند. محاسن خازن تانتاليومی نسبت به نوع آلومينيومی بدين قرار است: 
1. ابعاد کوچکتر 
2. جريان نشتی کمتر 
3. عمر کارکرد طولانی 
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 330 ميکرو فاراد ساخته می شوند).