خازن چیست و چگونه کار می کند؟

خازن(capacitor) کمی شبیه باتری است اما کاملا متفاوت عمل می کند. باتری وسیله ای الکترونیکی است که انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند، در حالی که خازن قطعه الکترونیکی است که انرژی الکترواستاتیک را در میدان الکتریکی ذخیره می کند. همچنین خازن نمی تواند به اندازه یک باتری انرژی ذخیره کند و انرژی خود را بسیار سریعتر شارژ و آزاد می کند.

در این مقاله با جزئیات بیشتر درباره خازن، نحوه عملکرد و انواع آن صحبت کرده ایم.

خازن چیست؟

خازن یک قطعه الکترونیکی است که برای ذخیره و انتقال بار الکتریکی استفاده می‌شود. این قطعه از دو صفحه پلیمری یا فلزی تشکیل شده است که به وسیله یک لایه عایق (مانند هوا، پلیمر، سرامیک و غیره) از هم جدا می‌شوند. این صفحات به طور جداگانه اتصال داده شده و می‌توان به آن‌ها یک ولتاژ الکتریکی اعمال کرد.

هنگامی که یک ولتاژ الکتریکی به یکی از صفحات خازن اعمال می‌شود، بارهای الکتریکی در آن صفحه جمع می‌شوند. این باعث شارژ شدن صفحه می‌شود. به همین ترتیب، صفحه دیگری به بار خالی یا الکترون کمک می‌کند و در این حالت دیگر صفحه خالی نیست. به این صورت، خازن به عنوان یک مخزن بار الکتریکی عمل می‌کند.

خازن ها با نگه داشتن جفت بارهای مخالف، انرژی را ذخیره می کنند.

وقتی خازن تخلیه می‌شود، بارهای الکتریکی به صورت معکوس به خازن باز می‌گردند و انرژی الکتریکی رها می‌شود.

خازن‌ها در مدارات الکترونیکی به منظور تنظیم جریان الکتریکی، فیلترینگ و ذخیره‌سازی انرژی استفاده می‌شوند.

ساده ترین طراحی برای خازن یک صفحه موازی است که از دو صفحه فلزی با فاصله بین آنها تشکیل شده است. اما، انواع مختلفی از خازن ها در اشکال، سبک ها، طول ها، دورها و مواد مختلف تولید می شوند.

خازن چگونه کار میکند؟

هنگامی که یک منبع ولتاژ DC را از طریق خازن وصل می کنیم، یک صفحه به انتهای مثبت (صفحه I) و دیگری به انتهای منفی (صفحه II) متصل می شود. هنگامی که پتانسیل باتری در سراسر خازن اعمال می شود، صفحه I نسبت به صفحه II مثبت می شود. جریان سعی می کند از طریق خازن در حالت پایدار از صفحه مثبت به صفحه منفی آن عبور کند. اما به دلیل جدا شدن صفحات با یک ماده عایق نمی تواند جریان یابد.

کاربرد خازن

خازن‌ها در صنایع الکترونیک و برق به عنوان یکی از مهمترین قطعات مورد استفاده قرار می‌گیرند. برخی از کاربردهای مهم خازن‌ها شامل موارد زیر می‌شوند:

۱. فیلتر کردن:

خازن‌ها به عنوان یکی از قطعات اصلی فیلترکردن در قطعات الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. خازن‌های مربوط به فیلترینگ برای حذف نویزهای موجود در سیگنال‌های الکترونیکی استفاده می‌شوند.

۲. تنظیم ولتاژ:

خازن‌ها برای تنظیم ولتاژ در ادوات الکترونیکی به کار می‌روند. این خازن‌ها می‌توانند ولتاژ را تنظیم کنند و در برقراری ارتباط با سیگنال‌های الکترونیکی کمک می‌کنند.

۳. ذخیره بار الکتریکی:

خازن‌هایی که ظرفیت بالایی دارند، می‌توانند به عنوان یکی از روش‌های ذخیره‌سازی بار الکتریکی یا انرژی در دستگاه‌های الکترونیکی مورد استفاده قرار بگیرند.

۴. انتقال انرژی:

خازن‌ها به عنوان قطعاتی مهم در مدارهای الکترونیکی که باید انرژی را به دستگاه‌های دیگر منتقل کنند، به کار می‌روند.

۵. تحلیل طیفی:

خازن‌ها برای تحلیل طیفی در سیگنال‌های الکترونیکی به کار می‌روند. این خازن‌ها می‌توانند به عنوان فیلترهای پهنای باند و یا فیلترهای قابل تنظیم در مدارهای الکترونیکی استفاده شوند.

۶. قابلیت انطباق:

خازن‌ها به عنوان قطعاتی با قابل

انواع خازن

انواع خازن‌ها بسیار متنوع هستند ولی به طور کلی به دو نوع ثابت و متغیر تقسیم می شود.

انواع خازن ثابت

این نوع خازن‌ها دارای لایه‌هایی از فلزات با سطح بالا هستند که توسط یک لایه از الکترولیت از هم جدا شده‌اند.

خازنهای الکترولیتی، سرامیکی، فلزی و تانتالومی از انواع خازن های ثابت هستند که در ادامه به تعریف و کاربرد آن ها می پردازیم.

خازن الکترولیتی:

خازن الکترولیتی دارای دو الکترود (یک الکترود مثبت و یک الکترود منفی) است که بین آن‌ها یک لایه الکترولیت وجود دارد. در این خازن‌ها، یکی از صفحات معمولاً فلزی و دیگری حاوی یک الکترولیت مثل یک محلول نمکی یا یک ماده الکترولیتی آلی است که به‌عنوان الکترولیت عمل می‌کند.

خازن الکترولیتی برای ذخیره‌سازی بار الکتریکی در بین دو صفحه ناهمسان استفاده می‌شود.

خازن الکترولیتیک به دو نوع تانتالوم و آلومینیومی تقسیم می‌شود.مدل تانتالوم دارای ظرفیت بالاتر و ابعاد کوچکتر است و برای برداشت‌های الکترونیکی حساس به اندازه و هزینه می‌توان از آن استفاده کرد و آلومینیومی ارزان‌تر است و معمولاً در برداشت‌های بزرگتر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مزیت اصلی خازن الکترولیتیک نسبت به سایر انواع خازن‌ها، ظرفیت بالایی است که دارد و این امر باعث می‌شود که در برداشت‌های الکترونیکی بزرگتر استفاده شود.

خازن الکترولیتی به دلیل داشتن الکترولیت با مقدار بالایی از جرم مولی و عدم نیاز به اینکه از غشا جدا شوند تا بار الکتریکی را ذخیره کنند، دارای ظرفیت ذخیره بالاتری نسبت به خازن‌های دیگر هستند. علاوه بر این، خازن الکترولیتی به دلیل داشتن ولتاژ کاری بالا، قابلیت کار در مدارات با ولتاژ بالا را داراست.

به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد، این خازن در بسیاری از مدارات الکترونیکی، از جمله مدارات تغذیه، مدارات صوتی، مدارات رادیویی و دیگر مدارات الکترونیکی استفاده می‌شوند.

خازن سرامیکی:

این خازن‌ها بر اساس متریال سرامیکی ساخته می‌شوند و به دلیل سایز کوچک، مصرف کم انرژی و قابلیت عملکرد در بالاترین فرکانس‌ها، برای مدارهای دیجیتال و مدارهای فرکانس بالا مناسب هستند.

خازن سرامیکی یک نوع خازن الکترولیتی است که برای انباشت و ذخیره‌ی انرژی الکتریکی در مدارهای الکترونیکی به کار می‌رود. خازن‌های سرامیکی از دو لایه سرامیکی با خواص الکتریکی مختلف تشکیل شده‌اند که با یکدیگر جدا شده و به صورت چسبیده با هم قرار داده شده‌اند. این لایه‌ها به عنوان الکترودهای خازن عمل می‌کنند.

یکی از مزایای خازن‌های سرامیکی این است که دارای ظرفیت بالا و ابعاد کوچکی هستند. همچنین، آنها دارای تحمل بالا در برابر دما، ارزان قیمت و با سرعت بالایی در عملکرد هستند. برای همین، خازن‌های سرامیکی در بسیاری از مدارهای الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند، به‌ویژه در مدارهایی که نیاز به ابعاد کوچک و عملکرد سریع دارند.

خازن فلزی:

این خازن‌ها از دو لایه فلزی و یک عایق تشکیل شده‌اند. خازن‌های فلزی در انواع الکترولیتیک و نون الکترولیتیک وجود دارند. خازن‌های فلزی الکترولیتیک برای کاربردهای پر قدرت و کاربردهای صوتی و صنعتی استفاده می‌شوند.

این خازن‌ها شامل خازن‌های فلزی الکترولیتیک (Electrolytic Capacitor) و خازن‌های فلزی پلی‌پروپیلن (Polypropylene Capacitor) هستند.

خازن فلزی الکترولیتیک برای کاربردهای با ولتاژ و جریان بالا و خازن‌های فلزی پلی‌پروپیلن برای کاربردهای با ولتاژ و جریان کمتر استفاده می‌شوند.

خازن تانتالیومی (Tantalum Capacitor):

این نوع خازن‌ها دارای یک لایه تانتالیوم است و در برابر جریان‌های بالا و ولتاژهای پایین مقاومت بالایی دارند و برای کاربردهای با فرکانس بالا، جریان کمتر و مصرف کمتر انرژی مناسب هستند.

خازن پلی‌استر:

این نوع خازن‌ها دارای دو ورقه نازک کاغذ دوخته شده با پوشش فلزی هستند و برای کاربردهای موسیقیایی (Audio Capacitor) و کاربردهای دیگری که نیاز به پایداری حرارتی دارند، مناسب هستند.