انواع خازن
انواع مختلفی از خازن‌ها وجود دارند که در تجهیزات الکترونیکی استفاده می‌شوند. هر کدام از این خازن‌ها ویژگی‌های خاص خود را دارند. در این مطلب به شما کمک می‌کنیم تا تفاوت انواع خازن را بررسی کنید و بدانید کدام یک برای کاربردهای مختلف قابل استفاده هستند.
آشنایی با انواع خازن و کابردهای آن
مقدمه
خازن‌ها تقریباً در هر مدار الکترونیکی که امروزه ساخته می‌شود استفاده می‌شوند. روزانه میلیون‌ها خازن تولید می‌شود اما چندین نوع خازن مختلف وجود دارد که همیشه در دسترس هستند. هر نوع خازن، مزایا و معایب خاص خود را دارد که میتوان از آن‌ها در کاربردهای مختلف و در انواع مختلف طراحی مدارهای الکترونیکی، طراحی RF و… استفاده کرد.
بر این اساس لازم است در مورد هر نوع خازن، اطلاعاتی داشته باشیم تا بتوانیم برای هر کاربری، کاربرد، طراحی مدار الکترونیکی و… نوع صحیح آن را انتخاب کنیم. انواع زیادی از خازن از جمله خازن ثابت یا متغیر، سربی بودن یا استفاده از تکنولوژی نصب سطحی و البته دی الکتریک، آلومینیوم الکترولیتی، تانتالیوم، سرامیک، فیلم پلاستیکی، کاغذ و… وجود دارد.
نه تنها تعیین مقدار مناسب خازن بلکه تعیین نوع خازن برای طراحی مدار خاص نیز مهم است. هر نوع خازن خواص خاص خود را دارد. برخی از آن‌ها ممکن است برای طرح‌های مدار فرکانس پایین و برخی دیگر برای منابع تغذیه و برخی برای طرح‌های RF مناسب باشند. انتخاب نوع مناسب می‌تواند بسیار مهم باشد.
خازن قطبی و غیر قطبی
یکی از تفاوت‌های اصلی بین انواع مختلف خازن‌ها، پلاریزه بودن یا نبودن آن‌ها است. اساساً یک خازن پلاریزه، خازنی است که باید با ولتاژ دو طرف آن در یک قطب معین کار کند.
نمادهای مدار برای انواع خازن پلاریزه
برخی از انواع محبوب‌تر خازن‌های پلاریزه شامل الکترولیت آلومینیومی و تانتالیوم هستند. این قطعات الکترونیکی در انواع خازن برای نشان دادن ترمینال مثبت یا منفی علامت‌گذاری شدهاند و فقط باید با بایاس ولتاژ در این جهت کار کنند. بایاس معکوس می‌تواند به آن‌ها آسیب برساند یا آن‌ها را از بین ببرد. از آن‌جایی‌که خازن‌ها وظایف زیادی مانند کوپلینگ و جداسازی را انجام می‌دهند یک ولتاژ DC دائمی در سراسر آن‌ها وجود خواهد داشت و آن‌ها فقط هر جزء AC را عبور می‌دهند.
شکل دیگر خازن، خازن غیر قطبی است. این نوع خازن نیازی به قطبیت ندارد و میتوان آن را به هر صورت در طراحی مدار متصل کرد. سرامیک، ورق‌های پلاستیکی، میکای نقره‌ای و تعدادی خازن دیگر خازن‌های غیر قطبی هستند.
انواع خازن سرب‌دار و سطحی
خازن‌ها به‌صورت انواع سربی و خازن‌های نصب سطحی موجود هستند. تقریباً همه نوع خازن‌ها به‌عنوان نسخه‌های سربی در دسترس هستند. مانند خازن‌های الکترولیتی، سرامیکی، ابرخازن‌ها، ورق‌های پلاستیکی، میکای نقره‌ای، شیشه‌ای و سایر انواع تخصصی.
خازن‌های SMD کمی محدودتر هستند. خازن‌های SMD باید بتوانند دماهای مورد استفاده در فرآیند لحیم‌کاری را تحمل کنند. خازن هیچ سریدی ندارد و همچنین در نتیجه فرآیندهای لحیم‌کاری استفاده شده، اجزای SMD از جمله خازن‌ها در معرض افزایش دمای کامل خود لحیم قرار می‌گیرند. در نتیجه همه انواع آن به‌عنوان خازن SMD در دسترس نیستند.
انواع مختلف خازن‌های نصب سطحی اصلی عبارت‌اند از خازن سرامیکی، تانتالیومی و الکترولیتی. همه این‌ها برای مقاومت در برابر دمای بسیار بالای لحیم‌کاری ساخته شدهاند.
خازن‌های متغیر و ثابت
فرق دیگر میان خازن‌ها ثابت یا متغیر بودن آن‌ها است. اکثریت خازن‌ها تا حد زیادی خازن‌های ثابت هستند. یعنی هیچ تنظیمی ندارند. با این حال در برخی موارد ممکن است نیاز به انواع خازن قابل تنظیم یا متغیر باشد که در آن مقدار خازن ممکن است نیاز به تغییر داشته باشد. معمولاً این خازن‌ها دارای ارزش نسبتاً پایینی هستند و گاهی اوقات حداکثر مقادیر تا ۱۰۰۰ pF را دارند. موارد استفاده از این‌ها در طراحی‌های RF است.
خازن‌های متغیر معمولا به‌صورت متغیر طبقه‌بندی می‌شوند و از قبل تعیین‌شده هستند. متغیرهای اصلی هم معمولا با یک دکمه که آن‌ها را کنترل می‌کند تنظیم می‌شوند و در رادیو و… مورد استفاده قرار می‌گیرند.
خازن‌های متغیر از پیش تعیین‌شده معمولاً دارای یک تنظیم پیچ هستند و برای تنظیم در حین راه‌اندازی، کالیبراسیون و آزمایش و… در نظر گرفته شدهاند. آن‌ها برای استفاده‌های معمولی تولید نشده‌اند.
انواع خازن‌های ثابت
خازن‌های با ارزش ثابت بسیار زیادی وجود دارند که میتوان آن‌ها را خریداری کرد و در طراحی مدارهای الکترونیکی استفاده کرد. این خازن‌ها به‌طور کلی توسط دی الکتریکی که در خازن استفاده می‌شود طبقه‌بندی می‌شوند زیرا این خازن‌ها بر خواص اصلی‌شان حاکم هستند. مانند خازن الکترولیتی، سرامیکی، میکای نقره‌ای، ورق پلاستیکی متالیز شده و تعدادی دیگر.
در حالی‌که لیست زیر برخی از انواع مختلف خازن‌های اصلی را نشان می‌دهد اما نمی‌توان همه آن‌ها را فهرست‌بندی و توصیف کرد و برخی از انواع کمتر استفاده شده یا کمتر رایج را میتوان مشاهده کرد. با این حال این لیست شامل بیشتر انواع مختلف خازن‌های اصلی است.
خازن سرامیکی
همان‌طور که از نام آن مشخص است این نوع خازن از دی الکتریک سرامیکی استفاده می‌کند. این مورد، ویژگی‌های بسیاری از جمله ضریب تلفات کم و سطح معقولی از پایداری را دارد اما این به انواع خازن نوع دقیق سرامیک مورد استفاده بستگی دارد. دی الکتریک‌های سرامیکی به اندازه برخی از انواع مختلف خازن‌ها ظرفیت خازنی بالایی در واحد حجم ندارند و در نتیجه خازن‌های سرامیکی معمولاً از چند پیکوفاراد تا مقادیری در حدود ۰.۱ میکروفن متغیر هستند.
انتخاب انواع خازن سرامیکی سرب‌دار
برای قطعات سربی، خازن‌های سرامیکی دیسکی به‌طور گسترده استفاده می‌شود. این نوع خازن سرامیکی برای مواردی مانند جداسازی و کوپلینگ کاربرد دارد. خازن‌های بسیار مشخص‌تر به‌ویژه در انواع مختلف خازن‌های نصب سطحی استفاده می‌شوند که اغلب دارای انواع خاصی از دی الکتریک سرامیکی هستند. انواعی که بیشتر دیده می‌شوند عبارت‌اند از:
- COG: معمولاً برای مقادیر کم‌ظرفیت استفاده می‌شود. خازن ثابت، دی الکتریک پایینی داشته اما پایداری بالایی دارد.
- X7R: برای سطوح خازنی بالاتر استفاده می‌شود زیرا خازن ثابت، دی الکتریک بسیار بالاتری نسبت به COG داشته اما پایداری کمتری دارد.
- Z5U: برای مقادیر بالاتری از خازن استفاده می‌شود اما پایداری کمتری نسبت به COG یا X7R دارد.
خازن‌های سرامیکی به‌عنوان دستگاه‌های سربی سنتی و همچنین انواع تغذیه‌ای در دسترس هستند. پرکاربردترین فرمت برای خازن‌های سرامیکی به‌عنوان خازن نصب سطحی است. فرمت یک خازن سرامیکی چند لایه است که مخفف آن MLCC است. میلیاردها از این MLCCها هر روز مورد استفاده قرار می‌گیرند زیرا پرمصرف‌ترین نوع خازن برای تولید انبوه هستند.
این قطعات الکترونیکی به‌طور گسترده از همه توزیع‌کنندگان قطعات الکترونیکی در دسترس هستند و در همه اشکال طراحی مدارهای الکترونیکی از فرکانس‌های پایین تا طرح‌های RF استفاده می‌شوند. زیرا ویژگی‌های این نوع خازن‌ها آن‌ها را به بهترین نوع برای اکثر کاربردهای RF تبدیل می‌کند.
خازن الکترولیتی
انواع خازن الکترولیتی برای مقادیر بیشتر از حدود ۱ میکروفاراد، محبوب‌ترین نوع سرب‌دار است که یکی از بالاترین سطوح خازنی را برای حجم معین دارد. این نوع خازن با استفاده از دو لایه نازک فویل آلومینیومی ساخته می‌شود که یک لایه آن با یک لایه اکسید به‌عنوان عایق پوشانده شده است. یک ورق کاغذ آغشته به الکترولیت بین آن‌ها قرار می‌گیرد و سپس دو صفحه روی یکدیگر پیچیده می‌شوند و سپس در محفظه قرار می‌گیرند.
خازن‌های الکترولیتی، قطبی هستند. یعنی فقط می‌توانند به‌صورت یک طرفه در مدار قرار گیرند. اگر آن‌ها به درستی متصل نشوند ممکن است آسیب ببینند و در برخی موارد شدید ممکن است منفجر شوند. همچنین باید مراقب بود که از ولتاژ کاری نامی تجاوز نکنید. معمولاً آن‌ها باید با ولتاژ بسیار کمتر از این مقدار کار کنند.
این نوع خازن تحمل زیادی دارد. معمولاً مقدار مؤلفه ممکن است با تلورانس -۵۰% +۱۰۰% بیان شود. با وجود این آن‌ها به‌طور گسترده در وسایل صوتی به‌عنوان خازن‌های جفت‌کننده و در وسایل هموارسازی برای منابع تغذیه استفاده می‌شوند. آن‌ها در فرکانس‌های بالا به خوبی کار نمی‌کنند و معمولاً برای فرکانس‌های بالای ۵۰ تا ۱۰۰ کیلوهرتز استفاده نمی‌شوند.
خازن‌های الکترولیتی به‌عنوان دستگاه‌های سربی سنتی در دسترس هستند. برخی حتی ترمینال‌هایی برای لحیم‌کاری یا حتی پایانه‌های پیچی دارند. البته این ترمینال‌ها معمولاً برای نسخه‌های با جریان و ظرفیت بالاتر که اغلب در منابع تغذیه استفاده می‌شوند رزرو می‌شوند.
الکترولیت‌ها به‌عنوان خازن‌های نصب سطحی نیز موجود هستند. در ابتدا این نوع خازن به‌دلیل مشکلاتی که در دمای بالا در فرآیندهای لحیم کاری انواع خازن مورد استفاده وجود داشت در قالب فناوری نصب سطحی موجود نبود. اکنون بر این موارد غلبه شده است و این قطعات الکترونیکی به‌طور گسترده به‌عنوان نسخه‌های فن‌آوری نصب سطحی در دسترس هستند.
خازن‌های ورق پلاستیکی
دو فرمت اصلی برای ساخت خازن‌های ورق پلاستیکی وجود دارد:
ورق متالیز شده
در این نوع از خازن‌های ورقی، لایه پلاستیکی دارای یک لایه بسیار نازک متالیزاسیون است که در ورق رسوب می‌کند. این متالیزاسیون به اتصال مربوطه در یک طرف خازن یا طرف دیگر متصل می‌شود.
فویل ورق
این شکل از خازن ورقی دارای دو الکترود فویل فلزی است که توسط ورق پلاستیکی از هم جدا می‌شوند. در این نوع، پایانه‌ها با استفاده از جوش یا لحیم‌کاری به انتهای الکترودها متصل می‌شوند.
خازن‌های ورق پلاستیکی می‌توانند از انواع دی الکتریک استفاده کنند. پلی کربنات، پلی استر و پلی استایرن از رایج‌ترین آن‌ها هستند. همچنین هر کدام ویژگی‌های خاص خود را دارند که به آن‌ها اجازه می‌دهد در وسایل خاص استفاده شوند. مقادیر آن‌ها ممکن است از چند پیکوفاراد تا چند میکروفاراد بسته به نوع واقعی متغیر باشد.
خازن ورق پلی استر
به‌طور معمول این نوع خازن‌ها غیر قطبی هستند. به‌طور کلی آن‌ها خازن‌های همه منظوره خوبی هستند که ممکن است برای اهداف مختلف استفاده شوند. البته عملکرد فرکانس بالای آن‌ها معمولاً به خوبی انواع سرامیکی نیست. برخی از انواع رایج‌تر آن‌ها عبارت‌اند از:
- Mylar: می‌تواند هنگام استفاده در وسایلی که در آن لرزش وجود دارد نویز ایجاد کند.
- پلی کربنات: سطح اتلاف متوسط که می‌تواند با فرکانس افزایش یابد. پلی کربنات از انواع خازن با مقاومت عایق بسیار بالا است.
- پلی استر: سطح اتلاف متوسط که می‌تواند با فرکانس افزایش یابد. مقاومت عایق بسیار بالا.
- پلی استایرن: تمایل به تلفات بسیار کم اما حجیم دارد. دارای ضریب دمایی در حدود -۱۵۰ ppm / C .
خازن‌های ورقی به‌عنوان دستگاه‌های سربی سنتی در دسترس هستند اما به‌ندرت به‌عنوان خازن‌های نصب سطحی دیده می‌شوند. دلیل این امر، دمای بالایی است که کل خازن SMT در طول فرآیندهای لحیم‌کاری مورد استفاده در ساخت نصب سطحی تجربه می‌کند.
تانتالم: خازن‌های الکترولیتی آلومینیومی معمولی برای بسیاری از مصارف، نسبتاً بزرگ هستند. در کاربردهایی که اندازه آن‌ها اهمیت دارد میتوان از خازن‌های تانتالیوم استفاده کرد. این خازن‌ها بسیار کوچکتر از الکترولیت‌های آلومینیومی هستند و به‌جای استفاده از یک لایه اکسید روی آلومینیوم از یک فیلم اکسید روی تانتالم استفاده می‌کنند. آن‌ها معمولاً ولتاژ کاری بالایی ندارند. ۳۵ ولت معمولاً میزان حداکثر آن‌ها است و برخی حتی مقادیری فقط یک ولت یا بیشتر دارند.
خازن تانتالیوم سرب دار
مانند خازن‌های الکترولیتی، تانتالیوم‌ها نیز پلاریزه هستند و نسبت به بایاس معکوس، فشار بسیار را تحمل نمی‌کنند و اغلب وقتی تحت فشار قرار می‌گیرند منفجر می‌شوند. با این حال اندازه کوچک آن‌ها در بسیاری از مواقع کاربرد دارد.
تانتالوم‌ها مدت‌ها است که در قالب خازن نصب روی سطح در دسترس بوده‌اند. قبل از این‌که SMT electrolytics در دسترس قرار گیرد این خازن‌ها پایه اصلی خازن‌های نصب سطحی با ارزش بالا را تشکیل می‌دادند. امروزه آن‌ها هنوز به‌طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند. البته خازن‌های الکترولیتی نصب روی سطح نیز در دسترس هستند.
میکای نقره‌ای
انواع خازن میکای نقره‌ای با آبکاری الکترودهای نقره مستقیماً روی دی الکتریک ورق میکا ساخته می‌شوند. برای دستیابی به ظرفیت مورد نیاز این خازن‌ها از چندین لایه استفاده می‌شود. سیم برای اتصالات اضافه می‌شود و سپس کل مجموعه کپسوله می‌شود. ارزش خازن‌های نقره میکا از چند پیکو فاراد تا دو یا سه هزار پیکو فاراد متغیر است.
این نوع خازن امروزه چندان مورد استفاده قرار نمی‌گیرد. با این حال هنوز هم میتوان آن‌ها را خریداری کرد و در جایی‌که ثبات ارزش از اهمیت بالایی برخوردار باشد و در مواردی که تلفات کم مورد نیاز باشد استفاده کرد. با توجه به این یکی از کاربردهای اصلی آن‌ها در عناصر تنظیم شده مدارها مانند نوسانگرها یا درون فیلترها است.
Supercap خازن‌های فوق‌العاده با ظرفیت خازنی یک فاراد یا بیشتر در حال حاضر رایج تر شدهاند. این ابر خازن‌ها عموماً برای کاربردهایی مانند نگهداری حافظه و موارد مشابه استفاده می‌شوند.
سوپر خازن یا سوپرکاپ
این نوع خازن‌ها برای استفاده در اکثر طرح‌های مدار بسیار بزرگ هستند اما باید به‌خاطر داشت که پاسخ فرکانسی آن‌ها محدود است اما خازن‌های نگهدارنده ایده‌آل را ایجاد می‌کنند و می‌توانند جریان و ولتاژ باقی‌مانده را برای حفظ حافظه برای دوره‌هایی که ممکن است برق قطع شود فراهم کنند.
جمع بندی کلی انواع خازن
دی الکتریک‌های مختلف، ساخت خازن و موارد مشابه به این معنی است که انواع مختلف خازن‌ها احتمالاً محدوده‌های متفاوتی دارند و انواع آن‌ها در دسترس هستند.
حتی از انتخاب رایج‌ترین انواع خازن نیز میتوان دریافت که اشکال بسیاری از آن‌ها در دسترس هستند. همچنین هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند و اگر برای هر کار مناسب در یک مدار انتخاب شوند می‌توانند عملکرد بسیار خوبی داشته باشند. به‌همین دلیل هنگام ساخت مدارها استفاده از نوع مناسب خازن مهم است. اگر از نوع خازن اشتباه استفاده شود عملکرد آن در حد استاندارد مورد نیاز مدار نخواهد بود.
