انواع مختلفی از خازن‌ها در بازار موجود است و هر یک ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارد.
خازنهای موجود، از انواع تریمرهای ظریف بسیار کوچک بکار رفته در مدارهای اسیلاتور یا رادیو گرفته، تا خازنهای بزرگ نوع قوطی فلزی که در مدارهای تصحیح ولتاژ بالا و مدارهای هموار سازی استفاده می‌شوند، متغیر است.
مقایسه بین انواع مختلف خازن، به طور کلی با توجه به دی‌الکتریک استفاده شده بین صفحات انجام می‌شود. مانند مقاومت، انواع متغیر خازن نیز وجود دارد که به ما اجازه می‌دهد مقدار ظرفیت آنها را برای استفاده در مدارهای رادیویی یا «تنظیم فرکانس» تغییر دهیم.
انواع تجاری خازن از فویل فلزی که با ورق‌های نازک کاغذ آغشته به پارافین یا مایلار در هم آمیخته شده‌اند، به عنوان ماده دی‌الکتریک استفاده می‌کنند. برخی از خازن‌ها به شکل لوله به نظر می‌رسند؛ دلیل این امر آن است که صفحات فویل فلزی به صورت استوانه پیچیده می‌شوند و یک بسته کوچک ایجاد می‌کنند که مواد دی‌الکتریک عایق بین آنها قرار گیرد.
خازنهای کوچک اغلب از مواد سرامیکی ساخته شده و سپس در رزین اپوکسی غوطه ور می‌شوند تا مهر و موم شوند. در هر صورت، خازن‌ها در مدارهای الکترونیکی نقش مهمی دارند، بنابراین در اینجا چند نوع «رایج» خازن آمده است.
خازن دی‌الکتریک
خازنهای دی‌الکتریک معمولا از نوع متغیر هستند. برای تنظیم فرستنده‌ها، گیرنده‌ها و رادیوهای ترانزیستوری به یک تغییر مداوم ظرفیت نیاز است. خازنهای دی‌الکتریک متغیر، از نوع چند صفحه با فاصله هوا هستند که دارای مجموعه‌ای از صفحات ثابت (پره‌های استاتور) و مجموعه‌ای از صفحات متحرک (پره‌های روتور) هستند که بین صفحات ثابت حرکت می‌کنند.
موقعیت صفحات متحرک نسبت به صفحات ثابت، مقدار ظرفیت کلی را تعیین می‌کند. به طور کلی، وقتی دو مجموعه صفحه کاملا در هم قرار می‌گیرند، ظرفیت حداکثر است. خازنهای تنظیم کننده از نوع ولتاژ بالا دارای فاصله یا شکاف هوایی نسبتا زیادی بین صفحات هستند که ولتاژ شکست آنها به هزاران ولت می‌رساند.
نماد خازن متغیر
علاوه بر انواع متغیر پیوسته، خازنهای متغیر از پیش تنظیم شده نیز وجود دارد که تریمر نامیده می‌شوند. اینها معمولا دستگاه‌های کوچکی هستند که می‌توانند با کمک یک پیچ گوشتی کوچک به مقدار ظرفیتی خاص «از پیش تنظیم شوند» و در ظرفیت‌های بسیار کم مانند 500pF یا کمتر در دسترس بوده و غیر قطبی هستند.
خازن نوع فیلم
خازنهای فیلم متداول‌ترین نوع خازن هستند که از یک خانواده نسبتا بزرگ تشکیل شده‌اند و تفاوت انواع مختلف آنها در خصوصیات دی‌الکتریک آنها است. این موارد شامل پلی استر (مایلار)، پلی استایرن، پلی پروپیلن، پلی کربنات، کاغذ فلزی (metalized paper)، تفلون و غیره است. خازنهای نوع فیلم در محدوده ظرفیت 5pF تا 100μF بسته به نوع خازن و ولتاژ نامی آن در دسترس هستند. خازنهای فیلم همچنین دارای مجموعه‌ای از اشکال و سبک‌های مختلف هستند که عبارتند از:
- بسته بندی و پر کردن (بیضوی و گرد) –خازن در یک نوار پلاستیکی محکم پیچیده شده و انتهای آن با اپوکسی پر شده و مهر و موم می‌شود.
- پوشش اپوکسی (مستطیلی و گرد) –خازن در یک پوسته پلاستیکی قالب ریزی شده محصور و سپس با اپوکسی پر می‌شود.
- فلز مهر و موم شده و بدون منفذ (مستطیلی و گرد) –خازن در یک لوله یا قوطی فلزی محصور شده و با اپوکسی مهر و موم می‌شود.
همه انواع بالا در دو شکل محوری و شعاعی موجود هستند.
خازنهای فیلم که از پلی استایرن، پلی کربنات یا تفلون به عنوان دی‌الکتریک استفاده می‌کنند، گاهی اوقات «خازنهای پلاستیکی» نامیده می‌شوند. ساخت خازنهای فیلم پلاستیک مشابه خازنهای فیلم کاغذی است، با این تفاوت که از فیلم پلاستیک به جای کاغذ استفاده می‌شود. مزیت اصلی خازنهای فیلم پلاستیک در مقایسه با انواع کاغذ آغشته این است که آنها در شرایط دمای بالا به خوبی کار می‌کنند، تلورانس کمتری دارند، طول عمر بسیار بالا و قابلیت اطمینان بالایی دارند. نمونه‌هایی از خازنهای فیلم، همانطور که در زیر نشان داده شده، انواع فیلم‌های فلزی مستطیل شکل و فیلم استوانه‌ای و فویل است.
نوع پایه شعاعی
نوع پایه محوری
انواع خازنهای فیلم و فویل از نوارهای نازک و طویل فویل فلزی نازک ساخته می‌شوند که مواد دی‌الکتریک بین آنها قرار می‌گیرد، سپس به شکل استوانه‌ای محکم پیچیده شده و در کاغذ یا لوله های فلزی مهر و موم می‌شوند.
این نوع خازن‌ها برای کاهش خطر پارگی یا سوراخ شدن فیلم، به دی‌الکتریک بسیار ضخیم‌تری نیاز دارند و بنابراین بیشتر برای مقادیر ظرفیت پایین و اندازه بزرگ‌تر مناسب هستند.
خازنهای فویل فلزی دارای فیلم رسانایی هستند که مستقیما به هر طرف دی‌الکتریک پاشیده می‌شود و این باعث می‌شود که خازن قابلیت ترمیم خود را داشته باشد و بنابراین می‌تواند از فیلم دی‌الکتریک نازک‌تری استفاده کند. این، مقادیر ظرفیت بالاتر و اندازه‌های کوچک‌تر برای یک ظرفیت مشخص را ممکن می‌سازد. خازنهای فیلم و فویل به طور کلی برای کاربردهای دقیق‌تر و توان‌های بالاتر استفاده می‌شوند.
خازنهای سرامیکی
خازنهای سرامیکی یا با نام رایج‌تر، خازنهای دیسکی، با پوشش دو طرف یک دیسک کوچک چینی یا سرامیک با نقره ساخته می‌شوند و سپس روی هم قرار می‌گیرند تا یک خازن را تشکیل دهند. برای مقادیر بسیار کم ظرفیت، از یک دیسک سرامیکی در حدود 3-6 میلی متر استفاده می‌شود. خازنهای سرامیکی دارای ثابت دی الکتریک (K) بالایی هستند، به طوری که می‌توان ظرفیت‌های نسبتا بالایی را در اندازه فیزیکی کوچک به دست آورد.
ظرفیت آنها با تغییر دما، تغییرات غیر خطی زیادی را از خود نشان می‌دهد و در نتیجه از آنها به عنوان خازنهای دکوپلینگ (جدا ساز) یا بای پس (کنار گذر) استفاده می‌شود زیرا آنها همچنین قطعاتی غیر قطبی هستند. خازنهای سرامیکی مقادیری از چند پیکو فاراد تا یک یا دو میکرو فاراد (μF) دارند، اما ولتاژ نامی آنها به طور کلی بسیار پایین است.
معمولا یک کد 3 رقمی روی بدنه خازنهای سرامیکی چاپ می‌شود تا مقدار ظرفیت آنها را به پیکو فاراد مشخص کند. به طور کلی، دو رقم اول مقدار ظرفیت و رقم سوم تعداد صفرهای اضافه شده را نشان می‌دهند. به عنوان مثال، یک خازن دیسک سرامیکی با علامت 103 نشان دهنده 10 و 3 صفر به پیکو فاراد است که معادل 10,000pF یا 10nF می‌باشد.
به همین ترتیب، ارقام 104 نشان دهنده 10 و 4 صفر به پیکو فاراد است که معادل 100,000pF یا 100nF می‌باشد. بنابراین در تصویر خازن سرامیکی بالا، عدد 154 مقدار 15 و 4 صفر را به پیکو فاراد نشان می‌دهد که معادل 150,000pF یا 150nF یا 0.15μF است. گاهی اوقات از حروف برای نشان دادن مقدار تلورانس آنها استفاده می‌شود مانند: J=5%، K=10% یا M=20% و غیره.
خازنهای الکترولیتی
خازنهای الکترولیتی معمولا در مواردی استفاده می‌شوند که به مقادیر ظرفیت بسیار زیادی نیاز باشد. به جای استفاده از یک لایه فیلم بسیار نازک فلزی برای یکی از الکترودها، از یک محلول الکترولیت نیمه مایع به شکل ژله یا خمیر استفاده می‌شود که به عنوان الکترود دوم (معمولا کاتد) عمل می‌کند.
دی‌الکتریک یک لایه اکسید بسیار نازک است که در حین تولید به روش الکتروشیمیایی رشد می‌کند و ضخامت آن کمتر از ده میکرون است. این لایه عایق چنان نازک است که می‌توان خازن‌هایی با مقدار ظرفیت زیاد در اندازه‌های فیزیکی کوچک ایجاد کرد، چراکه فاصله صفحات (d) بسیار کم است.
اکثر انواع الکترولیتی خازن‌ها قطبی هستند، یعنی ولتاژ DC وارد شده به پایانه‌های خازن باید به پلاریته (قطب) صحیح متصل شوند، یعنی مثبت به ترمینال مثبت و منفی ترمینال منفی، زیرا اتصال نادرست باعث تجزیه لایه اکسید عایق می‌شود و ممکن است آسیب دائمی در پی داشته باشد.
پلاریته تمام خازنهای الکترولیتی قطبی، به طور واضح مشخص شده‌اند به طوری که علامت منفی، نشان دهنده ترمینال منفی است و این پلاریته باید رعایت شود.
به طور کلی، خازنهای الکترولیتی به دلیل ظرفیت زیاد و اندازه کوچک، برای کمک به کاهش ولتاژ ریپل یا برای کاربردهای کوپلینگ و دکوپلینگ در مدارهای منبع تغذیه DC استفاده می‌شوند. یکی از معایب اصلی خازنهای الکترولیتی، ولتاژ نامی نسبتا پایین آنها است و به دلیل پلاریته خازنهای الکترولیتی، نباید از آنها در منابع AC استفاده شود. خازنهای الکترولیتی به طور کلی به دو شکل اساسی وجود دارند: خازنهای الکترولیتی آلومینیومی و خازنهای الکترولیتی تانتال.
خازن الکترولیتی
- خازنهای الکترولیتی آلومینیومی
در واقع دو نوع خازن الکترولیتی آلومینیومی وجود دارد، نوع فویل ساده و نوع فویل حکاکی شده. ضخامت فیلم اکسید آلومینیوم و ولتاژ شکست بالا، به این خازن‌ها مقادیر ظرفیت بسیار بالایی نسبت اندازه آنها می‌دهد.
صفحات فویل خازن با جریان DC آندیزه می‌شوند. این فرایند پلاریته مواد صفحه را تنظیم می‌کند و تعیین می‌کند کدام طرف صفحه مثبت و کدام طرف منفی است.
تفاوت نوع فویل حکاکی شده از نوع فویل ساده در این است که اکسید آلومینیوم روی ورقه‌های آند و کاتد به صورت شیمیایی حک شده است تا مساحت و میزان گذر دهی آن افزایش یابد. این خازن کوچک‌تری نسبت به نوع فویل ساده با مقدار معادل آن می‌دهد، اما این عیب را دارد که قادر به مقاومت در برابر جریانهای DC زیاد در مقایسه با نوع ساده نیست. همچنین دامنه تلورانس آنها زیاد و در حدود 20% است. مقادیر معمول ظرفیت برای یک خازن الکترولیتی آلومینیومی از 1μF تا 47,000μF است.
خازنهای الکترولیتی فویل حکاکی شده در مدارهای کوپلینگ، مسدود کردن DC و بای پس کاربرد بهتری دارند، در حالی که انواع فویل ساده به عنوان خازنهای تصحیح کننده در منابع تغذیه مناسب‌ترند. اما خازنهای الکترولیتی آلومینیوم قطعاتی «قطبی» هستند، بنابراین معکوس کردن ولتاژ اعمال شده روی ترمینال‌ها باعث می‌شود که لایه عایق درون خازن همراه با خازن از بین برود. با این حال، در صورت کم بودن آسیب، الکترولیت استفاده شده در داخل خازن به ترمیم صفحه آسیب دیده کمک می‌کند.
از آنجا که الکترولیت دارای خواص خود ترمیم صفحه آسیب دیده است، توانایی آندیزه مجدد صفحه فویل را نیز دارد. از آنجا که فرآیند آندیزه برگشت پذیر است، الکترولیت توانایی برداشتن پوشش اکسید از فویل را دارد، همانطور که اگر خازن به پلاریته معکوس متصل شود، اتفاق می‌افتد. از آنجا که الکترولیت توانایی هدایت الکتریسیته را دارد، در صورت حذف یا تخریب لایه اکسید آلومینیوم، خازن اجازه عبور جریان از یک صفحه به صفحه دیگر را می‌دهد و از بین می‌رود، «بنابراین آگاه باشید».
- خازنهای الکترولیتی تانتال
خازنهای الکترولیتی تانتال و مهره‌های تانتال در دو نوع الکترولیتی مرطوب (فویل) و خشک (جامد) در دسترس هستند که رایج‌ترین آنها تانتال خشک یا جامد است. خازنهای تانتال جامد از دی اکسید منگنز به عنوان ترمینال دوم خود استفاده می‌کنند و از نظر فیزیکی کوچک‌تر از خازنهای آلومینیومی معادل هستند.
خواص دی‌الکتریک اکسید تانتال نیز بسیار بهتر از اکسید آلومینیوم است. این خواص عبارتند از جریان نشتی کمتر و ثبات ظرفیتی بهتر، که آنها را برای استفاده در کاربردهای مسدود کردن، بای پس، دکوپلینگ، فیلتر کردن و زمان بندی مناسب می‌کند.
همچنین، خازنهای تانتال اگرچه قطبی هستند، اما می‌توانند خیلی راحت‌تر از انواع آلومینیوم به ولتاژ معکوس را تحمل کنند، اما در ولتاژهای کاری بسیار پایین‌تری درجه بندی می‌شوند. خازنهای تانتال جامد معمولا در مدارهایی استفاده می‌شوند که ولتاژ AC نسبت به ولتاژ DC کم باشد.
با این وجود، برخی از انواع خازنهای تانتال حاوی دو خازن در یک بدنه هستند که منفی به منفی متصل شده و یک خازن «غیر قطبی» را برای استفاده در مدارهای ولتاژ پایین AC به عنوان یک دستگاه غیر قطبی تشکیل می‌دهند. به طور کلی، پایه مثبت بر روی بدنه خازن با علامتی مشخص می‌شود، بدنه خازن مهره تانتال بیضی شکل است. مقادیر معمول ظرفیت از 47nF تا 470μF متغیر است.
خازن الکترولیتی آلومینیوم و تانتال
خازنهای الکترولیتی به دلیل کم هزینه بودن و اندازه کوچک، خازنهای پر کاربردی هستند، اما برای از بین بردن آنها سه راه آسان وجود دارد:
- ولتاژ بیش از حد – ولتاژ بیش از حد باعث نشت جریان از طریق دی‌الکتریک و در نتیجه اتصال کوتاه می‌شود.
- پلاریته معکوس – ولتاژ معکوس باعث از بین رفتن لایه اکسید و خرابی می‌شود.
- دمای بیش از حد – گرمای زیاد باعث خشک شدن الکترولیت و کاهش عمر خازن الکترولیتی می‌شود.
در مقاله بعدی در مورد خازن‌ها، برخی از ویژگی‌های اصلی را بررسی خواهیم کرد تا نشان دهیم خازن تنها ولتاژ و ظرفیت نیست.
