خازنها یکی از مهمترین اجزای اساسی در الکترونیک مدرن هستند. از تلفنهای هوشمند و لپتاپها گرفته تا سیستمهای اتوماسیون صنعتی و تجهیزات انرژی تجدیدپذیر، تقریباً همیشه میتوانید خازنها را در هسته طراحی پیدا کنید. برای استفاده کارآمد از مدارهای الکترونیکی، درک انواع مختلف خازنها و نقش آنها در کاربردهای مختلف ضروری است.
انواع مختلف خازنها، کاربردهای آنها را بسیار متنوع میکند. انواع مختلف خازنها را میتوان بر اساس ماده دیالکتریک، قطبیت، ساختار و کاربرد طبقهبندی کرد. هر یک از این انواع خازن مزایا و معایب خاص خود را دارند که تعیین میکند در چه مدارهایی برای استفاده مناسب هستند.
این مقاله به طور سیستماتیک انواع مختلف خازنها - از جمله ساختارها، ویژگیها، کاربردها و فرآیندهای تولید آنها - را معرفی میکند. پس از خواندن این مقاله، درک واضحتری از روشهای طبقهبندی و رویکردهای انتخاب انواع مختلف خازنها خواهید داشت و میتوانید انواع خازن مناسب را در طراحی الکترونیکی بهتر انتخاب کنید.
خازن چیست؟
خازن یکی از مهمترین اجزای غیرفعال در الکترونیک است. اساساً، خازن یک وسیله الکترونیکی است که قادر به ذخیره و آزادسازی انرژی در یک میدان الکتریکی است. این وسیله از دو صفحه رسانا ساخته شده است که یک ماده عایق به نام دی الکتریک در بین آنها قرار دارد. هنگامی که ولتاژ به دو صفحه اعمال میشود، بارهای مثبت و منفی به ترتیب جمع میشوند و خازن را قادر میسازند تا به طور موقت انرژی را ذخیره کند. این اصل اساسی در همه انواع خازنها یکسان است.
فرمول تعریف ظرفیت خازنی (C) به صورت زیر است:
جایی که:
• Q = بار الکتریکی (بر حسب کولن)
• V = ولتاژ اعمال شده (برحسب ولت)
• C = ظرفیت خازن (برحسب فاراد)
مقدار واقعی ظرفیت خازنی به نوع خازن بستگی دارد - به طور خاص مربوط به مساحت صفحات، فاصله بین صفحات و ثابت دی الکتریک ماده. به همین دلیل است که انواع مختلف خازنها ویژگیهای عملکردی متفاوتی از خود نشان میدهند.
نماد استاندارد خازن به این صورت نمایش داده میشود: دو خط موازی نشان دهنده خازنهای غیرقطبی هستند، در حالی که یک خط مستقیم به علاوه یک خط منحنی نشان دهنده خازنهای قطبی هستند. توانایی شناسایی نماد خازنها و تشخیص انواع مختلف خازنها، یک مهارت اساسی برای مهندسان، تکنسینها و علاقهمندان به الکترونیک است.
چگونه خازنها طبقهبندی میشوند
خازنها ممکن است در ظاهر شبیه به هم به نظر برسند، اما در واقع، آنها یکسان نیستند. برای درک بهتر انواع مختلف خازنها، مهندسان و طراحان معمولاً آنها را بر اساس چندین معیار مهم طبقهبندی میکنند: قطبیت، قابلیت تنظیم و ماده دیالکتریک. به این ترتیب، میتوانیم راحتتر انواع مختلف خازنها را با هم مقایسه کنیم و انواع خازن مناسب را در مدار انتخاب کنیم.
جدول طبقه بندی خازن
|
طبقه بندی
|
زیرشاخه
|
توضیحات:
|
مثالها/کاربردهای رایج
|
|
توسط قطبیت
|
خازن های قطبی
|
دارای ترمینالهای مثبت و منفی هستند، باید در جهت صحیح متصل شوند، عمدتاً برای مدارهای DC
|
خازنهای الکترولیتی، خازنهای تانتالیومی، خازنهای پلیمری
|
|
خازنهای غیر قطبی
|
بدون محدودیت قطبیت، قابل استفاده در مدارهای AC، به طور گسترده برای فیلتر کردن، کوپلینگ و دکوپلینگ استفاده میشود.
|
خازنهای سرامیکی، خازنهای فیلم، خازنهای میکا، خازنهای شیشهای
|
|
بر اساس قابلیت تنظیم
|
خازن های ثابت
|
رایجترین انواع خازن، ظرفیت ثابت، قابل اعتماد و آسان برای استفاده را فراهم میکنند
|
تمام خازنهای ثابت استاندارد در مدارهای الکترونیکی
|
|
خازن های متغیر
|
امکان تنظیم دستی یا الکترونیکی ظرفیت خازنی، برای تنظیم و کالیبراسیون دقیق
|
خازنهای تنظیم (رادیو، RF)، خازنهای تریمر (کالیبراسیون مدار)
|
|
توسط ماده دی الکتریک
|
خازن سرامیکی
|
جمع و جور، کم هزینه، عالی برای فرکانس بالا
|
مدارهای فرکانس بالا، فیلتر کردن، جداسازی
|
|
خازن های فیلم
|
پایدار، طول عمر بالا، ویژگیهای دمایی خوب
|
مدارهای صوتی، زمانبندی، اصلاح ضریب توان
|
|
خازن های الکترولیتی
|
ظرفیت خازنی بسیار بالا، مورد استفاده در منابع تغذیه
|
فیلتر منبع تغذیه، ذخیره انرژی
|
|
خازن های تانتالیوم
|
اندازه کوچک، چگالی خازنی بالا، قابلیت اطمینان بالا
|
تجهیزات پزشکی، لوازم الکترونیکی قابل حمل
|
|
خازن های پلیمری
|
ESR پایین، قابلیت جریان ریپل بالا
|
مادربردها، مخابرات، محاسبات
|
|
خازن های میکا
|
بسیار پایدار، بسیار دقیق
|
مدارهای RF، تنظیم دقیق
|
|
خازنهای کاغذی
|
فناوری قدیمیتر، حساس به رطوبت
|
تجهیزات قدیمی، مدارهای قدیمی
|
|
خازنهای شیشهای
|
پایداری بالا، مقاوم در برابر حرارت، بادوام
|
نظامی، هوافضا، محیطهای خشن
|
|
خازنهای هوایی
|
ساختار عمدتاً متغیر و ساده
|
تنظیم رادیو، تطبیق آنتن
|
|
ابرخازنها (اولترا خازنها)
|
ظرفیت خازنی بسیار بالا، پلی بین خازنها و باتریها
|
توان پشتیبان، بازیابی انرژی، ترمز احیاکننده
|
انواع اصلی خازنها و ویژگیهای آنها
انواع مختلفی از خازنها وجود دارد و انواع مختلف خازنها از نظر ساختار، عملکرد و کاربرد با هم متفاوت هستند. برای مقایسه و درک شهودیتر، جدول زیر ویژگیهای کلیدی و کاربردهای معمول انواع اصلی خازن را خلاصه میکند و به مهندسان و علاقهمندان به الکترونیک کمک میکند تا به سرعت اجزای مناسب را انتخاب کنند.
|
نوع خازن
|
قطبش
|
محدوده ظرفیت
|
ویژگی های کلیدی
|
هزینه / اندازه
|
برنامه های کاربردی معمولی
|
|
خازن سرامیکی
|
غیر قطبی
|
۱ پیکوفاراد ~ چندین میکروفاراد
|
عملکرد عالی در فرکانس بالا، ESR پایین؛ کلاس ۱ (پایدار، تلفات کم)، کلاس ۲ (تراکم بالاتر، دقت کمتر)
|
بسیار کوچک، کم هزینه
|
جداسازی PCB، مدارهای RF، حذف نویز موتور، فیلتر منبع تغذیه
|
|
خازن های فیلم
|
غیر قطبی
|
nF ~ صدها میکروفاراد
|
پایداری و دقت بالا، طول عمر طولانی، خود ترمیم شوندگی
|
بزرگتر از سرامیک، گرانتر
|
حذف تداخل الکترومغناطیسی، صدای های-فای، اصلاح ضریب توان، فیلترینگ ولتاژ بالا
|
|
خازن های الکترولیتی
|
قطبی شده
|
میکروفاراد ~ هزاران میکروفاراد
|
ظرفیت خازنی بسیار بالا، ESR بالاتر، طول عمر محدود (تبخیر الکترولیت)
|
سایز متوسط، قیمت پایین
|
هموارسازی منبع تغذیه، مسدود کردن/کوپلینگ DC، تقویتکنندههای صوتی، فیلترینگ ریپل
|
|
خازن های تانتالیوم
|
قطبی شده
|
میکروفاراد ~ صدها میکروفاراد
|
چگالی خازنی بالا، پایدار و قابل اعتماد، خطر اتصال کوتاه
|
خیلی کوچک، گران
|
دستگاههای تلفن همراه، لپتاپها، الکترونیک پزشکی، مدارهای زمانبندی
|
|
خازن های پلیمری
|
قطبی شده
|
میکروفاراد ~ صدها میکروفاراد
|
ESR بسیار پایین، قابلیت جریان ریپل بالا، طول عمر بالا
|
هزینه بالاتر، ولتاژ محدود
|
مادربردها، کارتهای گرافیک، SSDها، مخابرات، مبدلهای DC/DC با کارایی بالا
|
|
ابرخازنها (اولترا خازنها)
|
قطبی شده
|
میلیفاراد ~ هزاران فارنهایت
|
ظرفیت خازنی بسیار بالا، شارژ/دشارژ سریع، جریان نشتی بالا
|
اندازه بزرگ، ولتاژ نامی پایین
|
برق پشتیبان، ترمز احیا کننده، ذخیره انرژی تجدیدپذیر، سیستمهای تعبیه شده
|
|
خازن های میکا
|
غیر قطبی
|
پیکوفاراد ~ صدها پیکوفاراد
|
بسیار دقیق، بسیار پایدار، تلفات دی الکتریک بسیار کم
|
سایز بزرگ، گران
|
مدارهای RF، تشدیدگرها، نوسانگرها، زمانبندی دقیق
|
|
خازنهای کاغذی
|
غیر قطبی
|
nF ~ µF
|
فناوری قدیمی، حساس به رطوبت
|
کمهزینه، عمدتاً منسوخشده
|
صدای قدیمی، مدارهای ولتاژ بالای قدیمی
|
|
خازنهای شیشهای
|
غیر قطبی
|
پیکوفاراد ~ انافآی
|
بسیار پایدار، مقاوم در برابر حرارت، بسیار قابل اعتماد
|
خیلی بزرگ، خیلی گران
|
هوافضا، تقویتکنندههای RF، مدارهای مایکروویو
|
|
خازنهای هوایی
|
غیر قطبی
|
پیکوفاراد ~ صدها پیکوفاراد
|
ساختار ساده، عمدتاً متغیر
|
ظرفیت خازنی کوچک، حجیم
|
تنظیم رادیو، تطبیق آنتن، نوسانگرهای RF
|
|
خازن های متغیر
|
غیر قطبی
|
پیکوفاراد ~ صدها پیکوفاراد
|
ظرفیت خازنی قابل تنظیم (انواع کوک و تریمر)
|
به طور کلی بزرگتر
|
تنظیم، کالیبراسیون و تنظیم دقت رادیو
|
فرآیندهای تولید خازن
روش تولید خازنها تأثیر مستقیمی بر عملکرد، قابلیت اطمینان و هزینه آنها دارد. انواع مختلف خازنها فرآیندهای تولید متفاوتی را اتخاذ میکنند، بنابراین ویژگیها و سناریوهای کاربرد آنها نیز میتواند بسیار متفاوت باشد.
خازن الکترولیتی
معمولاً ابتدا فویل آلومینیومی برای افزایش سطح آن حکاکی میشود و سپس از طریق اکسیداسیون آندی، یک لایه نازک اکسید روی سطح فویل آلومینیومی تشکیل میشود. این لایه اکسید، دیالکتریک خازن است.
سپس، فویل آلومینیومی را با کاغذ جداکننده به هم بپیچید و سپس الکترولیت را تزریق کنید.
پس از آن، اجزای زخم برای کپسوله شدن در یک قوطی فلزی قرار میگیرند و تحت عملیات کهنهسازی قرار میگیرند. این کار میتواند نقصهای جزئی را ترمیم کرده و عملکرد الکتریکی را تثبیت کند.
خازن های سرامیکی
در طول تولید، پودر سرامیک (مانند تیتانات باریم) ابتدا با یک چسب مخلوط میشود تا یک دوغاب سرامیکی تشکیل شود و سپس یک لایه الکترود فلزی روی سطح آن چاپ یا قرار میگیرد.
سپس، این لایهها بارها و بارها روی هم چیده شده و به صورت ورقهایی فشرده میشوند، به قطعات کوچک برش داده میشوند و سپس تحت عملیات پخت (پخت) و پخت در دمای بالا قرار میگیرند تا سرامیک و فلز به طور محکم به هم متصل شوند.
در نهایت، آبکاری در هر دو انتهای خازن انجام میشود تا ترمینالهای خروجی تشکیل شوند و در نتیجه خازن سرامیکی چند لایه (MLCC) که معمولاً میبینیم، به دست میآید.
خازن های فیلم
با استفاده از فیلمهای پلاستیکی (مانند پلیاستر یا پلیپروپیلن) به عنوان دیالکتریک، ابتدا عملیات متالیزاسیون روی فیلمها انجام میشود یا آنها با فویلهای فلزی لمینت میشوند و سپس به شکل مورد نظر پیچیده میشوند.
اجزای پیچشی فشرده، گرم و تنظیم میشوند و سپس با رزین روی لایه بیرونی محصور میشوند. این کار نه تنها تأثیر محیط خارجی را ایزوله میکند، بلکه طول عمر و قابلیت اطمینان خازن را نیز به میزان قابل توجهی افزایش میدهد.
درباره PCBasic
زمان در پروژههای شما حکم پول را دارد – و PCBasic آن را دریافت می کند. PCاساسی هست یک شرکت مونتاژ PCB که هر بار نتایج سریع و بینقصی ارائه میدهد. خدمات جامع ما خدمات مونتاژ PCB شامل پشتیبانی مهندسی متخصص در هر مرحله، تضمین کیفیت برتر در هر تخته. به عنوان یک پیشرو سازنده مونتاژ PCB, ما یک راهکار جامع ارائه میدهیم که زنجیره تأمین شما را ساده میکند. با تیم پیشرفته ما همکاری کنید کارخانه نمونه اولیه PCB برای تحویل سریع و نتایج عالی که میتوانید به آنها اعتماد کنید.
انتخاب خازن مناسب
هنگام انتخاب از بین انواع مختلف خازنها، موارد زیر را در نظر بگیرید:
• مقدار ظرفیت خازنی (پیکوفاراد، انافآر، میکروفاراد، فلور)
• ولتاژ نامی (باید از ولتاژ عملیاتی بیشتر باشد)
• ESR و پاسخ فرکانسی
• تحمل (الزامات دقت)
• اندازه و هزینه
• کاربرد (فیلتر کردن، زمانبندی، جداسازی، ذخیرهسازی انرژی)
نتیجه
خازنها تقریباً در تمام دستگاههای الکترونیکی وجود دارند، چه کوچکترین تراشه خازن سرامیکی باشد و چه ماژول ابرخازن بزرگ؛ انواع مختلف خازنها همگی در دستیابی به ذخیره انرژی، تنظیم سیگنال و پایداری مدار نقش دارند.
با درک ویژگیها، فرآیندهای تولید و کاربردهای انواع مختلف خازنها، میتوانیم انتخابهای مناسبتری داشته باشیم و از این طریق عملکرد و قابلیت اطمینان مدار را تضمین کنیم.
با توسعه نانومواد و دیالکتریکهای بهبود یافته، انواع خازنهای آینده همچنان گسترش خواهند یافت و نوآوریهای جدیدی را در زمینههایی مانند الکترونیک، خودرو و انرژی به ارمغان خواهند آورد.
سوالات متداول در مورد خازن ها
سوال ۱: کدام نوع خازن بیشترین ظرفیت را دارد؟
خازنها و ابرخازنهای الکترولیتی بالاترین مقادیر ظرفیت خازنی را ارائه میدهند. ابرخازنها میتوانند به هزاران فاراد برسند اما ولتاژ نامی پایینی دارند.
سوال ۲: کدام خازنها بیشترین طول عمر را دارند؟
خازن های فیلم خازنهای سرامیکی (MLCC) به دلیل دیالکتریک پایدار و جریان نشتی کم، عموماً طولانیترین طول عمر را دارند. خازنهای سرامیکی (MLCC) نیز در اکثر کاربردها، عمر مفید طولانی ارائه میدهند.
سوال ۳: آیا میتوانم یک خازن الکترولیتی را با یک خازن سرامیکی جایگزین کنم؟
نه همیشه. خازنهای الکترولیتی به دلیل ظرفیت بالایشان انتخاب میشوند، در حالی که خازنهای سرامیکی معمولاً ظرفیت کمتری دارند. جایگزینی آنها به الزامات مدار بستگی دارد.
سوال ۴: ابرخازنها برای چه مواردی استفاده میشوند؟
ابرخازنها در مواردی که شارژ/دشارژ سریع و ذخیرهسازی انرژی پشتیبان مورد نیاز است، مانند حفاظت از حافظه، ترمز احیاکننده و سیستمهای انرژی تجدیدپذیر، مورد استفاده قرار میگیرند.
سوال ۵: چرا خازنها قطبی هستند؟
خازنهای قطبی (مانند الکترولیتی و تانتالیوم) برای مدیریت ولتاژهای DC با جهتگیری خاص طراحی شدهاند. قطبیت نادرست میتواند لایه دیالکتریک را از بین ببرد و به خازن آسیب برساند.
سوال ۶: عیب اصلی خازنها در مقایسه با باتریها چیست؟
خازنها انرژی کمتری نسبت به باتریها ذخیره میکنند و نرخ دشارژ خودکار بالاتری دارند. با این حال، میتوانند انرژی را بسیار سریعتر تحویل دهند و میلیونها چرخه را تحمل کنند.
