معرفی انواع خازن و کاربرد آن‌ها + تصویر انواع خازن

خازن‌ها به‌دلیل توانایی‌شان در ذخیره‌کردن بار الکتریکی و آزادسازی آن در زمان‌های ‌‌مورد‌نیاز، در انواع مختلفی طراحی و تولید می‌شوند. به‌طور کلی، خازن‌ها به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند: خازن‌های ثابت و خازن‌های متغیر. خازن‌های ثابت، دارای ظرفیت مشخصی هستند و معمولا در مدارهای فیلترینگ و ذخیره‌سازی انرژی استفاده می‌شوند. در مقابل، خازن‌های متغیر را داریم که قابلیت تغییر ظرفیت را دارند و در کاربردهایی مانند تنظیم فرکانس در مدارهای رادیویی به کار می‌روند.

اگر علاقه‌مندید که بیشتر با انواع این قطعه الکترونیکی و انتخاب بهترین نوع برای مدارهای خود آشنا شوید، ادامه این مطلب را از دست ندهید.

معرفی انواع خازن

ما در دنیای الکترونیک ۲ نوع خازن داریم: خازن‌های ثابت و خازن‌های متغیر. هر کدام از این نوع خازن‌ها دارای زیرشاخه‌های مختلفی هستند و برای کاربرد‌های خاصی طراحی و تولید می‌شوند. در جدول زیر، مقایسه ویژگی‌های خازن ثابت و متغیر را مشاهده کنید:

• تصویر زیر دسته‌بندی انواع خازن به صورت تصویری نمایش داده شده است.

انواع خارن

مشاهده همه

• 
  خازن سیلندری 2.5 کیلووار پارس فانال PFCA-RMC41
  2,745,700 تومان
• 
  خازن سیلندری 5 کیلووار چانت مدل NWC6
  4,341,200 تومان
• 
  خازن سیلندری 7.5 کیلووار چانت مدل NWC6
  5,133,200 تومان
• 
  خازن سیلندری 5 کیلووار پارس فانال PFCA-RMC41
  3,995,200 تومان

معرفی انواع خازن‌ ثابت

همانطور که از نامش پیداست، خازن ثابت دارای مقدار ظرفیت ثابتی است و این مقدار قابل تغییر نیست.

• خازن‌های ثابت به دو نوع خازن‌های قطبی و خازن‌های غیر‌قطبی تقسیم می‌شوند.

1. معرفی انواع خازن‌ قطبی

خازن‌های قطبی یا خازن‌های قطبی‌شده، نوعی خازن ثابت هستند که الکترودهای آن‌ها دارای قطب‌های مثبت و منفی است. در این نوع خازن‌ها، الکترود مثبت خازن به الکترود مثبت منبع تغذیه و الکترود منفی خازن به الکترود منفی منبع تغذیه متصل می‌شود. ‌‌در‌صورتی که این ترتیب اتصال رعایت نشود، خازن می‌سوزد. خازن‌های قطبی فقط در مدار‌های برق DC استفاده می‌شوند.

• خازن‌های قطبی به دو دسته خازن الکترولیتی و ابر خازن تقسیم می‌شوند.

1.1. معرفی انواع خازن الکترولیتی

خازن الکترولیتی نوعی خازن قطبی است که برای حفظ ذخیره بار سنگین از یک الکترولیت ‌‌به‌عنوان یکی از الکترودهای خود استفاده می‌کند. این خازن از دو صفحه فلزی تشکیل شده که صفحه مثبت (آند) آن از طریق آندیزاسیون با یک لایه اکسید عایق پوشانده می‌شود. این لایه عایق ‌‌به‌عنوان ‌‌دی‌الکتریک عمل می‌کند و الکترولیت ‌‌به‌عنوان کاتد ترمینال دوم استفاده می‌شود. الکترولیت‌ها می‌توانند از نوع جامد، مایع یا گاز باشند. خازن‌های الکترولیتی ظرفیت خازنی بالا (از ۱ میکروفاراد تا ۴۷۰۰۰ میکروفاراد) دارند و فقط در مدارهای DC استفاده می‌شوند.

• خازن‌های الکترولیتی در ۳ گروه خازن‌های الکترولیتی آلومینیومی، خازن‌های الکترولیتی تانتالیوم و خازن‌های الکترولیتی نیوبیوم طبقه‌بندی می‌شوند.

1.1.1. معرفی انواع خازن‌ الکترولیتی آلومینیومی

در خازن الکترولیتی آلومینیومی، الکترودهای ‌‌مورد‌استفاده از آلومینیوم خالص ساخته شده‌اند. با این حال، الکترود آند (مثبت) با تشکیل یک لایه عایق از اکسید آلومینیوم (Al₂O₃) از طریق آندیزاسیون ساخته می‌شود. الکترولیت (جامد یا غیر جامد) روی سطح عایق آند قرار می‌گیرد. این الکترولیت از نظر فنی همان کاتد است. الکترود آلومینیومی دوم روی الکترولیت قرار می‌گیرد و ‌‌به‌عنوان اتصال الکتریکی آن به ترمینال منفی خازن عمل می‌کند.

• خازن‌های الکترولیتی آلومینیومی بسته به الکترولیت‌شان، به دو زیرگروه خازن‌ الکترولیتی آلومینیومی غیر‌جامد و  خازن‌ الکترولیتی آلومینیومی جامد تقسیم می‌شوند.

 معرفی انواع خازن‌ الکترولیتی آلومینیومی غیر‌جامد

خازن‌های الکترولیتی آلومینیومی غیر‌جامد از الکترولیت مایع یا ژل استفاده می‌کنند. این خازن‌ها از دو فویل آلومینیومی با یک کاغذ در بین آن‌ها ساخته شده‌اند که با یک الکترولیت مایع یا ژل‌مانند پوشانده شده است. فویل آلومینیومی آند، اکسید می‌شود تا دی‌الکتریک (AL₂O₃) تشکیل شود. فویل کاتد نیز ‌‌به‌عنوان کانتکت الکتریکی برای الکترولیت عمل می‌کند. این فویل دارای یک لایه اکسید طبیعی است که توسط هوا تشکیل ‌‌شده‌ و ظرفیت خازنی آن را افزایش می‌دهد.

الکترولیت‌های غیر‌جامدی که معمولا در ساخت این نوع خازن‌ها استفاده می‌شوند، ‌‌عبارتند‌از:

• بوراکس (اتیلن گلیکول و اسید بوریک) که حداکثر ولتاژ نامی آن‌ها ۶۰۰ ولت در حداکثر دمای ۸۵ تا ۱۰۵ درجه سانتیگراد است.
• حلال‌های آلی مانند دی متیل فرمامید (DFM)، دی متیل استامید (DMA) یا گاما بوتیرولاکتون؛ این حلال‌ها دارای درجه حرارت نامی (GBL) و جریان نشتی نسبتا بالایی هستند.
• حلال‌های حاوی آب با آب تا ۷۰٪ که به‌دلیل ESR (مقاومت سری مؤثر) پایین و هزینه کم مشهور هستند.

فویل‌های آلومینیومی با کاغذ بین‌شان به هم پیچیده می‌شوند. آن‌ها در الکترولیت آغشته شده و سپس در یک پوشش آلومینیومی پوشانده می‌شوند.

جدول مزایا و معایب خازن‌ الکترولیتی آلومینیومی غیر‌جامد

کاربرد‌های خازن‌های الکترولیتی آلومینیومی غیر‌جامد

• اصلاح ضریب توان
• خازن فلش برای دوربین
• فیلترهای ورودی/خروجی در منابع تغذیه AC
• کوپلینگ، دکوپلینگ

 معرفی انواع خازن‌ الکترولیتی آلومینیومی جامد

SAL طراحی ساختاری مشابه با خازن الکترولیتی مرطوب دارد، با این تفاوت که در ساخت آن از الکترولیت‌های جامد مانند موارد زیر استفاده می‌شود:

• دی اکسید منگنز (MnO₂)
• الکترولیت پلیمری
• الکترولیت‌های هیبریدی (پلیمر جامد با مایع)

در ساخت این نوع خازن‌ها، الکترولیت پس از آندیزاسیون فویل آند، بین دو فویل آلومینیومی قرار می‌گیرد. سپس برای حالت مرواریدی به هم تا می‌شوند یا برای حالت شعاعی پیچیده می‌شوند.

جدول مزایا و معایب خازن‌های الکترولیتی آلومینیومی جامد

کاربردهای این نوع خازن‌ها مشابه خازن الکترولیتی غیر جامد است.

1.1.2. معرفی انواع خازن‌ الکترولیتی تانتالیوم

این نوع خازن الکترولیتی از فلز تانتالیوم ‌‌به‌عنوان الکترود آند استفاده می‌کند. پالت تانتالیوم، اکسید می‌شود تا یک لایه عایق اکسید تشکیل دهد که ‌‌به‌عنوان دی‌الکتریک عمل می‌کند. سپس، این پالت در یک الکترولیت (جامد یا مایع) غوطه‌ور می‌شود. الکترولیت نیز ‌‌به‌عنوان کاتد عمل می‌کند. با این حال، برای اتصال الکتریکی کاتد، یک لایه گرافیت و نقره روی الکترولیت پوشانده می‌شود.

خازن‌های تانتالیوم به‌دلیل لایه اکسید نازک، در مقایسه با سایر خازن‌های الکترولیتی، ظرفیت خازنی بالایی در هر حجم دارند. اندازه آن‌ها نیز معمولا کوچکتر از سایر خازن‌ها است.

جدول مزایا و معایب خازن‌های الکترولیتی تانتالیوم

کاربرد خازن‌های تانتالیوم

• به‌دلیل ظرفیت بالای خازن در واحد حجم، جایی که دما به‌دلیل بسته‌بندی متراکم قطعات افزایش می‌یابد، می‌تواند جایگزین خوبی برای خازن الکترولیتی آلومینیومی باشد.
• به‌دلیل نتایج با کیفیت بالا، در تجهیزات پزشکی استفاده می‌شوند.
• به‌دلیل جریان نشتی کم، در مدارهای نمونه‌برداری و نگهداری استفاده می‌شوند.
• به‌دلیل اندازه کوچک و قابلیت اطمینان بالا، رایج‌ترین کاربردش فیلتر‌کردن در منابع تغذیه کامپیوتر است.

• خازن‌های تانتالیوم بسته به وضعیت الکترولیت‌شان، به دو زیرخانواده خازن‌ الکترولیتی تانتالیوم مرطوب یا غیر‌جامد و خازن‌ الکترولیتی تانتالیوم جامد طبقه‌بندی می‌شوند.

معرفی انواع خازن‌ الکترولیتی تانتالیوم مرطوب یا غیر‌جامد

خازن تانتالیوم مرطوب از الکترولیت مایع مانند اسید سولفوریک استفاده می‌کند؛ زیرا لایه اکسید تانتالیوم بی‌اثر و پایدار است. این خازن‌ها در ولتاژهای نسبتا بالا تا 630 ولت با کمترین جریان نشتی در مقایسه با سایر خازن‌های الکترولیتی کار می‌کنند.

معرفی انواع خازن‌ الکترولیتی تانتالیوم جامد

خازن تانتالیوم جامد از الکترولیت‌های جامد مانند دی اکسید منگنز (MnO₂) یا پلیمر استفاده می‌کند. الکترولیت‌های MnO₂ پایداری بالایی دارند، در حالی که رسانایی الکترولیت‌های پلیمری با گذشت زمان کاهش می‌یابد.

1.1.3. معرفی انواع خازن‌ الکترولیتی نیوبیوم

در خازن الکترولیتی نیوبیوم، آند از فلز نیوبیوم (مونوکسید نیوبیوم) ساخته ‌‌شده‌ است. این فلز از طریق آندیزاسیون اکسید می‌شود تا یک لایه عایق از پنتوکسید نیوبیوم تشکیل شود. این لایه ‌‌به‌عنوان دی‌الکتریک عمل می‌کند.

الکترولیت ‌‌مورد‌استفاده در خازن الکترولیتی نیوبیوم جامد است. این الکترولیت از دی‌اکسید منگنز یا الکترولیت پلیمری ساخته می‌شود و سطح آند را می‌پوشاند. الکترولیت ‌‌به‌عنوان کاتد عمل می‌کند. یک لایه گرافیت و نقره نیز برای کانتکت الکتریکی ترمینال کاتد روی الکترولیت قرار می‌گیرد.

1.2. معرفی انواع ابر خازن

یک ابرخازن که ‌‌به‌عنوان اولترا خازن یا سوپر خازن نیز شناخته می‌شود، نوعی خازن قطبی است که ظرفیت خازنی بسیار بالایی دارد، اما ولتاژ نامی آن پایین است. این نوع خازن‌ها می‌توانند بار را بسیار سریع‌تر از باتری تحویل دهند و بار بیشتری نسبت به یک خازن الکترولیتی در واحد حجم ذخیره کنند. به همین دلیل است که آن‌ها را چیزی بین یک باتری و یک خازن الکترولیتی می‌دانند. ظرفیت ابرخازن از 100 درجه فارنهایت تا 12000 درجه فارنهایت با ولتاژ پایین تقریبا 2.5 تا 2.7 ولت متغیر است.

همانطور که در تصویر بالا مشاهده می‌کنید، ساختمان ابرخازن‌ها تا حدودی شبیه خازن‌های الکترولیتی است. آن‌ها از فویل فلزی (الکترود) ساخته شده‌اند که هر کدام از این فویل‌ها با کربن فعال لایه‌بندی می‌شوند. این فویل‌ها، جداکننده را در بین خود قرار می‌دهند. جداکننده یک غشای نفوذپذیر یونی مانند گرافن (که در ابرخازن‌های مدرن استفاده می‌شود) است که عایق و تبادل یون‌های الکترولیت بین الکترودها را فراهم می‌کند.

پس از آن، این فویل‌ها تا می‌شوند تا شکل مستطیلی به خود بگیرند و یا نورد می‌شوند تا به شکل استوانه‌ای درآیند و سپس در یک پوشش آلومینیومی قرار می‌گیرند. در مرحله بعد، این پوشش با یک الکترولیت آغشته می‌شود. الکترولیت غنی از یون است و یون‌ها را بین الکترودها هدایت می‌کند. سپس، پوشش ‌‌به‌صورت محکم آب‌بندی می‌شود.

کاربرد‌های ابرخازن‌ها

• پیچ‌گوشتی شارژی‌های فست شارژ (سرعت شارژ چند دقیقه و کوتاه است)
• چراغ قوه‌های LED در دوربین‌های دیجیتال
• برای تثبیت منبع تغذیه در لپ‌تاپ‌ها و دستگاه‌های دستی و…
• منبع تغذیه بدون وقفه – UPS (باتری یو پی اس)

جدول مزایا و معایب ابر خازن‌ها

• ابرخازن، بار را با استفاده از ظرفیت دولایه الکترواستاتیکی (EDLC) یا با استفاده از شبه‌خازن الکتروشیمیایی یا هر دو که ‌‌به‌عنوان ظرفیت هیبریدی شناخته می‌شوند، ذخیره می‌کند.

1.2.3. معرفی انواع خازن‌ دولایه الکترواستاتیکی (EDLC)

این نوع ابرخازن، بار را ‌‌به‌صورت الکترواستاتیکی در دولایه ذخیره می‌کند و الکترودها از کربن فعال ساخته شده‌اند. با اعمال ولتاژ به الکترودها، دو لایه بار تشکیل می‌شود. ابتدا یک لایه روی سطح الکترودها ظاهر شده و باعث ایجاد لایه دیگری از یون‌های با قطب مخالف در الکترولیت می‌شود. این دو لایه توسط یک تک‌لایه قطبی از مولکول‌های حلال که ‌‌به‌عنوان صفحه هلمهولتز (Helmholtz) شناخته می‌شود، از هم جدا می‌شوند.

در این نوع خازن، هیچ انتقال باری بین الکترودها و الکترولیت وجود ندارد که بتواند باعث تغییر شیمیایی شود. بنابراین بار در پیوند شیمیایی (‌‌به‌صورت الکتروشیمیایی) ذخیره نمی‌شود. در عوض، یک نیروی الکترواستاتیکی بین یون‌ها وجود دارد. بنابراین، خازن EDLC بار را ‌‌به‌صورت الکترواستاتیکی ذخیره می‌کند.

1.2.2. معرفی انواع شبه‌خازن‌ الکتروشیمیایی

این نوع ابرخازن، انرژی را با انتقال بار بین الکترولیت و الکترود که ‌‌به‌عنوان انتقال بار الکترون فارادی نیز شناخته می‌شود، ذخیره می‌کند. بنابراین، بار ‌‌به‌صورت الکتروشیمیایی ذخیره می‌شود. این یک واکنش اکسایش-کاهش برگشت‌پذیر بسیار سریع است که در آن در طول شارژ، کاهش در یک الکترود و در الکترود دیگر اکسیداسیون و در طول دشارژ، عملیات برعکس رخ می‌دهد.

انتقال بار الکترون فارادی در این نوع خازن با ظرفیت دو لایه رخ می‌دهد. یون‌ها از طریق لایه داخلی هلمهولتز جریان می‌یابند تا به الکترود برسند. انتقال بار بین یون و الکترود، ظرفیت ایجاد می‌کند که ‌‌ظرفیت شبه‌خازن نام دارد و 100 برابر بیشتر از ظرفیت خازن دو لایه است.

وقتی یون‌ها بار را به الکترود منتقل می‌کنند، روی سطح الکترود ذوب (جذب) می‌شوند. در این مرحله هیچ واکنش شیمیایی بین یون‌ها و الکترون وجود ندارد؛ زیرا فقط انتقال بار رخ می‌دهد. الکترودهای شبه خازن از اکسید فلز واسطه (MnO₂، IrO₂) با دوپینگ کربن فعال و یک پلیمر رسانا ساخته شده‌اند که ساختاری متخلخل و اسفنجی ایجاد می‌کند و طراحی ساختاری آن شبیه EDLC است.

1.2.3. ابرخازن‌های هیبریدی

ابرخازن هیبریدی با استفاده از دو نوع الکترود، از فناوری EDLC و شبه خازن استفاده می‌کند. یک نوع الکترود برای ظرفیت دو لایه مانند کربن فعال (معمولا ‌‌به‌عنوان کاتد استفاده می‌شود) و الکترود دیگر برای ظرفیت شبه خازن مورد‌استفاده قرار می‌گیرد.

تصویر زیر نمونه‌ای از یک ابرخازن هیبریدی، خازن لیتیوم-یون است. ترمینال آند آن از گرافیت با دوپینگ یون‌های لیتیوم در طول تولید ساخته ‌‌شده‌ که ولتاژ خروجی آن را در مقایسه با سایر ابرخازن‌ها افزایش می‌دهد (حداکثر ولتاژ آن تا 3.8 ولت می‌رسد).

کاتد در کنار خود یک خازن دو لایه الکتریکی و آند یک شبه خازن تشکیل می‌دهد. همانطور که در تصویر مشاهده می‌کنید، یک جداکننده بین کاتد و آند برای جلوگیری از تماس الکتریکی بین آن‌ها استفاده می‌شود. خازن‌های هیبریدی چگالی انرژی و چگالی توان بالایی دارند.

2. معرفی انواع خازن‌ غیرقطبی

خازن‌های غیرقطبی، نوعی از خازن‌ها هستند که ترمینال‌های آن‌ها قطبیت ثابتی ندارند. این خازن‌ها به‌دلیل ترمینال‌های غیرقطبی، هم در مدارهای DC و هم در مدارهای AC استفاده می‌شوند. خازن‌های غیر‌قطبی ارزان‌تر از خازن قطبی هستند، اما ظرفیت خازنی کم و محدوده ولتاژ بالایی از چند ولت تا هزاران ولت دارند.

• خازن‌های غیرقطبی به سه نوع خازن سرامیکی، خازن میکا و خازن فیلمی طبقه‌بندی می‌شوند.

2.1. خازن‌های سرامیکی

خازن سرامیکی نوعی خازن غیر‌قطبی است که دی‌الکتریک ‌‌مورد‌استفاده در آن از جنس سرامیک است. این خازن از دو لایه فلز (معمولا نیکل و مس) با سرامیک (پارا الکتریک یا فروالکتریک) ‌‌به‌عنوان دی‌الکتریک ساخته ‌‌شده‌ا ست. این لایه‌های متناوب برای ایجاد ظرفیت خازنی بالا روی هم قرار می‌گیرند.

حداقل ضخامت لایه دی‌الکتریک سرامیکی حدود 0.5 میکرومتر است. ولتاژ نامی خازن به قدرت دی‌الکتریک آن بستگی دارد. علاوه بر این، ترمینال‌ها به الکترودها متصل هستند و خازن با یک لایه محافظ سرامیکی در‌برابر رطوبت پوشانده ‌‌شده‌است. خازن‌های سرامیکی در شکل‌ها و سبک‌های مختلف (MLCC و عددسی) موجود هستند:

• شکل دیسک (عدسی) سرامیکی: رایج‌ترین نوع خازن سرامیکی که دارای یک لایه دیسک سرامیکی است که بین الکترودها با ترمینال‌های سوراخ‌دار قرار گرفته‌است.
• MLCC: تراشه سرامیکی چند‌لایه به شکل مستطیلی با چندین لایه متناوب از مواد فلزی و سرامیکی با ترمینال‌های نصب سطحی است.

مزایا و معایب خازن‌های سرامیکی

• در این نوع خازن‌ها (خازن‌های سرامیکی)، ترکیبات مختلف دی‌الکتریک سرامیکی، پارامتر دسته‌بندی هستند. ازاین‌رو، خازنه‌های سرامیکی در چهار کلاس (کلاس 1، 2، 3 و 4 ) طبقه‌بندی می‌شوند.

2.1.1. خازن سرامیکی کلاس ۱

خازن سرامیکی کلاس ۱ از مواد پاراالکتریک مانند دی اکسید تیتانیوم (TiO₂) استفاده می‌کند. این خازن‌ها دقیق‌ترین و پایدارترین ولتاژ و دما و همچنین کمترین تلفات را دارند. مقدار ظرفیت خازنی این نوع خازن به ولتاژ اعمال‌شده بستگی ندارد و کهنه نمی‌شوند. خازن سرامیکی کلاس ۱ راندمان حجمی بسیار پایینی دارد (ظرفیت خازنی کم در فضای بزرگ)، در‌نتیجه، مقدار ظرفیت خازنی آن کم است. این ویژگی به‌دلیل نفوذپذیری کم مواد پاراالکتریک است. این نوع خازن‌ها در کاربردهایی مانند مدارهای رزونانس که پایداری خازنی و تلفات کم از الزامات اصلی هستند، ‌‌مورد‌استفاده قرار می‌گیرند.

2.1.2. خازن سرامیکی کلاس ۲

خازن‌های سرامیکی کلاس ۲ از یک ماده فروالکتریک با افزودنی‌های دیگر ‌‌به‌عنوان دی‌الکتریک استفاده می‌کنند. این ماده، نفوذپذیری بالایی دارد و راندمان حجمی نسبتا بالاتری نسبت به خازن سرامیکی کلاس ۱ ارائه می‌دهد. خازن‌های سرامیکی کلاس ۲ بسیار کوچکتر از خازن سرامیکی کلاس ۱ هستند. با این حال، دقت و پایداری این خازن‌ها نسبتا کم است و ظرفیت خازنی‌شان با دما ‌‌به‌صورت غیرخطی تغییر می‌کند. همچنین، مقدار ظرفیت خازنی با ولتاژ اعمالی تغییر می‌کند و به مرور زمان کهنه می‌شوند. این نوع خازن‌ها برای کاربردهای کوپلینگ، دکوپلینگ و بای‌پس که در آن‌ها پایداری ظرفیت خازنی ‌‌مورد‌نیاز نیست، استفاده می‌شوند.

2.1.3. کلاس 3 و 4

خازن سرامیکی کلاس 3 که ‌‌به‌عنوان خازن‌های سرامیکی لایه مانع نیز شناخته می‌شوند، از دی‌الکتریک با نفوذپذیری بالاتر از خازن سرامیکی کلاس 2 استفاده می‌کنند. به همین دلیل است که راندمان حجمی بهتر اما پارامترهای الکتریکی بدتری دارند. ظرفیت خازنی این نوع خازن‌ها ‌‌به‌صورت غیرخطی با دما با حاشیه بسیار بالا تغییر می‌کند. همچنین، به ولتاژ اعمالی بستگی دارد. این خازن‌ها بدترین پایداری و دقت را با تلفات بسیار بالا دارند و به مرور زمان کهنه می‌شوند. خازن‌های کلاس ۳ و ۴ در فناوری الکترونیکی مدرن منسوخ هستند. به جای این سری خازن‌ها، خازن‌های سرامیکی کلاس 2 ترجیح داده می‌شوند.

2.2. معرفی انواع خازن‌ میکا

خازن میکا، یک خازن غیر‌قطبی است که از میکا (ماده‌ای از نظر شیمیایی بی‌اثر و پایدار) ‌‌به‌عنوان دی‌الکتریک استفاده می‌کند. دو نوع خازن میکا (خازن‌ میکای گیره‌دار و خازن‌ میکای نقره‌ای) وجود دارد.

2.2.1. معرفی انواع خازن‌ میکای گیره‌دار

این نوع خازن‌ها در اوایل قرن بیستم ‌‌مورد‌استفاده قرار می‌گرفتند و از ورق‌های نازک میکا و فویل فلزی (معمولا مسی) ساخته می‌شوند. این ورق‌ها و فویل‌ها روی هم چیده و سپس در یک ماده عایق قرار می‌گیرند. تحمل و پایداری خازن میکای گیره‌دار نسبت به سایر خازن‌ها بدتر است؛ زیرا سطح میکا صاف و هموار نیست. امروزه، خازن‌های میکای گیره‌دار منسوخ شده‌ و با خازن میکای نقره‌ای جایگزین شده‌اند.

مزایا و معایب خازن‌های میکای گیره‌دار

2.2.2. معرفی انواع خازن‌ میکای نقره‌ای

خازن میکای نقره‌ای برخلاف خازن میکای گیره‌دار که در آن ورق‌های میکا با فویل‌های فلزی پیچیده می‌شوند، آن‌ها را از ورق‌های میکا که دو طرف آن با فلز (الکترود نقره‌ای) پوشانده شده، می‌سازند. در این نوع خازن‌ها برای افزایش ظرفیت خازنی، ، چندین لایه به هم اضافه و سپس، برای محافظت در‌برابر رطوبت و هوا و غیره در یک اپوکسی عایق غوطه‌ور می‌کنند.

خازن‌های میکای نقره‌ای بسیار پایدار هستند و تلفات کمی دارند. تلورانس این خازن‌ها در حدود +/- ۱٪ است و ظرفیت خازنی‌شان به ولتاژ اعمال‌شده وابستگی بسیار کمی دارد. کپسوله‌سازی در این نوع خازن‌ها، الکترودها را از خوردگی محافظت می‌کند. بنابراین، خازن‌های میکای نقره‌ای طول عمر بیشتری دارند. با اینکه این نوع خازن‌ها گران هستند و در مقایسه با خازن‌های سرامیکی حجم بیشتری دارند، اما می‌توانند با ولتاژهای سنگین از ۱۰۰ ولت تا ۱۰ کیلوولت با ظرفیت خازنی از ۴۷ پیکوفاراد تا ۳۰۰۰ پیکوفاراد کار کنند.

مزایا و معایب خازن میکای نقره‌دار

در حال حاضر، خازن‌های میکای نقره‌ای به‌دلیل قابلیت‌های بالای ولتاژ و توان در مدارهای الکترونیکی مدرن مانند فرستنده پخش RF، تقویت‌کننده‌ها، اینورترهای ولتاژ بالا و مدارهای رزونانس و… استفاده می‌شوند.

2.3. معرفی انواع خازن‌ فیلم (MKT)

خازن فیلم، که با نام خازن MKT، خازن فیلم پلیمری یا خازن فیلم پلاستیکی نیز شناخته می‌شود، نوعی خازن غیر‌قطبی است که از یک فیلم معمولا پلاستیکی و گاهی کاغذی ‌‌به‌عنوان دی‌الکتریک استفاده می‌کند.

• ساختار خازن‌های فیلم دارای دو نوع یا قالب پیکربندی است؛ خارن فیلم فلزی و خازن فیلم لایه‌ای/فویل.

2.3.1. معرفی انواع خازن‌ فیلم فلزی

خازن‌های فلزی، دسته‌ای از خازن‌هایی هستند که از یک فیلم دی‌الکتریک فلزی استفاده می‌کنند که با رسوب یک لایه فلزی روی فیلم دی‌الکتریک ساخته می‌شوند. فلز ‌‌مورد‌ استفاده می‌تواند آلومینیوم یا روی باشد. این پیکربندی خاصیت خود‌ترمیمی دارد و می‌توانند لایه را به هم پیچید تا به ظرفیت خازنی تا 100 میکروفاراد دست یافت.

جدول مزایا و معایب خازن‌های فیلم فلزی

2.3.2. معرفی انواع خازن‌ لایه‌ای/فویل

این نوع خازن‌ها با درهم پیچیدن (ساندویچ‌کردن) یک لایه دی‌الکتریک با فویل‌های فلزی ساخته می‌شوند. فلز بکار رفته در این نوع خازن معمولا آلومینیوم است که ‌‌به‌عنوان الکترود عمل می‌کند. این شکل پیکربندی، خازن را قادر می‌سازد تا جریان‌های ضربه‌ای بالا را تحمل کند.

خازن‌های لایه‌ای بر‌اساس نوع لایه دی‌الکتریک به انواع مختلفی از خازن‌ها تقسیم می‌شوند.

جدول مزایا و معایب خازن‌های لایه‌ای/فویل

2.3.3. معرفی انواع خازن‌ کاغذی

خازن کاغذی، اولین خازن لایه‌ای است که در آن از یک کاغذ آغشته به روغن ‌‌به‌عنوان دی‌الکتریک بین فویل‌های آلومینیومی استفاده شده‌ است. عیب اصلی خازن لایه‌ای/فویل کاغذی قدیمی این بود که رطوبت را جذب می‌کرد و عملکرد آن را به مرور زمان کاهش می‌یافت. این خازن‌های قدیمی نسبتا حجیم بودند. امروزه، از لایه‌های کاغذی متالیزه‌شده ‌‌به‌عنوان دی‌الکتریک با خاصیت خود‌ترمیمی استفاده می‌شود. این کاغذ با لایه پلی‌پروپیلن ترکیب می‌شود تا میزان ولتاژ آن افزایش یافته و عملکردش بهبود یابد.

جدول مزایا و معایب خازن‌های فیلم کاغذی

2.3.4. معرفی انواع خازن‌ فیلم پلی‌استر (PET) یا مایلار

خازن فیلم پلی‌استر، که با نام تجاری خازن مایلار نیز شناخته می‌شود، از دی‌الکتریک ساخته شده از پلی‌اتیلن ترفتالات (PET) استفاده می‌کند که یک پلیمر قطبی ترموپلاستیک است. این نوع خازن‌ها هم در ساختار فیلم فلزی و هم در ساختار فیلم/فویل ساخته می‌شوند.

توانایی این نوع خازن در مقاومت ‌‌در‌برابر رطوبت باعث می‌شود که بدون پوشش استفاده شود. با اینکه نفوذپذیری بالا و قدرت دی‌الکتریک آن، باعث بالا رفتن راندمان حجمی ‌‌شده‌است، اما با این حال، ضریب دمایی خازنی آن کمی بالاتر از سایر خازن‌های فیلم است. خازن فیلم پلی‌استر می‌تواند در دمای تا 125 درجه سانتیگراد کار کند. این امر همچنین به آن اجازه می‌دهد تا ‌‌به‌عنوان خازن SMD استفاده شود. از دیگر ویژگی‌های این خازن این است با حداکثر ولتاژ حدود 60 کیلوولت کار می‌کند و دارای تلرانس 5 تا 10 درصد است.

جدول مزایا و معایب این نوع خازن:

2.3.5. معرفی انواع خازن‌ فیلم پلی پروپیلن (PP)

پلی پروپیلن یک ماده پلیمری آلی غیر‌قطبی است که ‌‌به‌عنوان ‌‌دی‌الکتریک در این خازن استفاده می‌شود. خازن‌های فیلم پلی پروپیلن در هر دو پیکربندی یعنی فیلم متالیزه و فیلم/فویل تولید می‌شوند.

خازن‌های PP ‌‌در‌برابر رطوبت نسبت به خازن‌های فیلم پلی‌استر مقاوم‌تر هستند؛ بنابراین به هیچ پوشش محافظی نیاز ندارند. ظرفیت خازنی آن‌ها در مقایسه با پلی‌استر کمتر به دما و فرکانس وابسته است، اما فرکانس کاری‌شان پایین‌تر است و حداکثر به ۱۰۰ کیلوهرتز می‌رسد. حداکثر دمای کاری این نوع خازن‌ها ۱۰۵ درجه سانتیگراد است و ولتاژ کاری بالایی با حداکثر ولتاژ نامی ۴۰۰ کیلوولت دارند.

جدول مزایا و معایب خازن‌‌های فیلم پلی‌استر (PET) یا مایلار

خازن‌های فیلم پلی پروپیلن در گرمایش القایی با توان بالا و کاربردهای کم‌توان مانند نمونه‌برداری و نگهداری و VCO و… استفاده می‌شوند. همچنین ‌‌درخازن راه‌انداز موتور AC و خازن اصلاح ضریب توان نیز کاربرد دارند.

2.3.6. معرفی انواع خازن‌ فیلم پلی‌اتیلن نفتالات (PEN)

ماده دی‌الکتریک ‌‌مورد‌ استفاده در این نوع خازن‌های فیلم، پلی‌اتیلن نفتالات (PEN) (متعلق به خانواده پلی‌استر) است. این خازن‌ها فقط در ساختار دی‌الکتریک فلزی موجود هستند. مزیت اصلی خازن‌های PEN پایداری در دمای بالا در حدود ۱۷۵ درجه سانتیگراد است و به‌دلیل پایداری در دمای بالا، در بسته‌بندی SMD تولید می‌شوند.

این نوع خازن‌ها به‌دلیل نفوذپذیری و استحکام دی‌الکتریک در مقایسه با خازن‌های PET، بازده حجمی پایینی دارد. با این حال، وابستگی ظرفیت خازنی آن‌ها به دما و فرکانس مشابه خازن‌های PET است. به همین دلیل، در کاربردهایی که وابستگی دمایی لازم نیست، استفاده می‌شوند.

جدول مزایا و معایب خازن‌‌های فیلم پلی‌اتیلن نفتالات (PEN)

از خازن‌های PET برای کوپلینگ، دکوپلینگ و فیلترینگ استفاده می‌شوند.

2.3.7. معرفی انواع خازن‌ فیلم پلی‌فنیلن سولفید (PPS)

این خازن‌های فیلم فقط به شکل فیلم متالیزه موجود هستند و ظرفیت‌شان در مقایسه با سایر خازن‌های فیلم، وابستگی بسیار کمی به دما و فرکانس دارد. خازن‌های PPS برای دمای زیر ۱۰۰ درجه سانتیگراد بسیار پایدار هستند و دی‌الکتریک آن‌ها می‌تواند تا دمای ۲۷۰ درجه سانتیگراد را تحمل کند. در نتیجه، آن‌ها نیز در بسته‌بندی SMD ساخته می‌شوند. با این حال، در مقایسه با سایر خازن‌های فیلم، کمی گران‌تر هستند. خازن‌های PPS معمولا در شرایطی که دمای عملیاتی بالایی وجود دارد، استفاده می‌شوند.

جدول مزایا و معایب خازن‌‌های فیلم پلی‌فنیلن سولفید (PPS)

2.3.8. معرفی انواع خازن‌ لایه‌ای پلی تترافلوئورواتیلن (PTFE)

خازن‌های PTFE با نام تجاری تفلون شناخته می‌شوند و از پلیمر مصنوعی پلی تترافلوئورواتیلن (PTFE) ‌‌به‌عنوان دی‌الکتریک استفاده می‌کنند. این نوع خازن‌ها در هر دو نوع فلزی و لایه‌ای/فویل تولید می‌شوند. خازن‌های PTFE نسبتا حجیم و گران هستند. وابستگی دمایی برای ظرفیت آن‌ها کمی بیشتر از خازن لایه‌ای پلی پروپیلن (PP) است، اما ‌‌در‌برابر دمای حدود 200 درجه سانتیگراد با تلفات بسیار کم بسیار، مقاوم هستند.

جدول مزایا و معایب خازن‌‌های لایه‌ای پلی تترافلوئورواتیلن (PTFE)

از خازن‌های PTFE در کاربردهایی که نیاز به تجهیزات با کیفیت بالا وجود دارد، مانند تجهیزات هوافضا و نظامی استفاده می‌شود.

2.3.9. معرفی انواع خازن‌ لایه‌ای پلی استایرن (PS)

مزیت اصلی خازن‌ لایه‌ای پلی استایرن این است که زمان کار در محدوده دمایی خود، تقریبا هیچ تغییری در ظرفیت خود ایجاد نمی‌کنند. اما خازن‌های PS دارای رتبه دمایی بسیار پایینی با حداکثر حد 85 درجه سانتیگراد هستند.

این خازن‌های لایه‌ای، خازن‌های ارزان با تلفات بسیار کم و پایداری بالا هستند. آن‌ها به شکل لوله‌ای ساخته می‌شوند و در حال حاضر با خازن‌های فیلم پلی‌استر جایگزین شده‌اند. خازن‌های PS برای کاربردهای عمومی با دما و فرکانس پایین استفاده می‌شوند.

جدول مزایا و معایب خازن‌‌های لایه‌ای پلی استایرن

2.3.10. معرفی انواع خازن‌ فیلم پلی‌کربنات (PC)

این خازن‌های فیلم از دی‌الکتریک پلی‌کربنات استفاده می‌کنند که این فیلم هم ‌‌به‌صورت فلزی و هم ‌‌به‌صورت فیلم/فویل ساخته می‌شود. خازن‌های PC پایداری بسیار بالا و تلفات بسیار کمی دارند و مستقل از دما در محدوده -55 تا +125 درجه سانتیگراد هستند. فیلم پلی‌کربنات تحمل بالایی را فراهم می‌کند و قابلیت اطمینان آن را افزایش می‌دهد.

جدول مزایا و معایب خازن‌‌های فیلم پلی‌کربنات (PC)

این نوع خازن‌ها در کاربردهایی که به تلفات کم و پایداری دما نیاز است، مانند مدارهای فیلتر و زمان‌بندی در یک محیط سخت، استفاده می‌شوند.

2.3.11. معرفی انواع خازن‌ فیلم قدرت

خازن‌های فیلم قدرت، ساختار مشابهی با خازن فیلم دارند. در این نوع خازن‌ها، لایه‌ها به هم پیچیده می‌شوند تا به اندازه بزرگتری برسند و بتوانند توان بالا را تحمل کنند. آن‌ها در کاربردهای AC و DC با توان بالا استفاده می‌شوند. همچنین خازن قدرتی که از کاغذ ‌‌به‌عنوان دی‌الکتریک استفاده می‌کند، با روغن پر می‌شود تا شکاف‌های هوا را پر کند و ولتاژ شکست آن را افزایش دهد.

جدول مزایا و معایب خازن‌های فیلم قدرت

معرفی انواع خازن متغیر

ظرفیت خازن‌های متغیر ‌‌به‌صورت مکانیکی یا الکتریکی تغییر می‌کند. خازن‌های متغیر مقدار ظرفیت ثابتی ندارند، بلکه طیف وسیعی از مقادیر را شامل می‌شوند. این نوع خازن‌ها معمولا در تنظیم مدارهای LC برای گیرنده رادیویی و تطبیق امپدانس در آنتن‌ها استفاده می‌شوند.

• خازن‌های متغیر بر‌اساس مکانیسم عملکردشان به دو نوع اصلی خازن‌ متغیر با کنترل مکانیکی و خازن‌ متغیر کنترل‌شده الکتریکی تقسیم می‌شوند.

1. معرفی انواع خازن‌ متغیر با کنترل مکانیکی

مقدار ظرفیت این نوع خازن‌های متغیر را می‌توان ‌‌به‌صورت مکانیکی از طریق یک دستگیره یا پیچ‌ تغییر داد. خازن‌های متغیر با کنترل مکانیکی از صفحات فلزی نیم‌دایره‌ای با دی‌الکتریک در بین‌شان ساخته شده‌اند.

همانطور که در تصویر بالا مشاهده می‌کنید، در این خازن‌ها، یک مجموعه از صفحات که متحرک هستند ‌‌به‌عنوان روتور و مجموعه دیگر از صفحات که ثابت هستند ‌‌به‌عنوان استاتور شناخته می‌شوند. روتور به دور شفتی می‌چرخد که فاصله بین صفحات را افزایش یا کاهش می‌دهد و در نتیجه ظرفیت خازن تغییر می‌کند.

• انواع خازن‌های کنترل‌شده مکانیکی به دو نوع تنظیمی و تریمر تقسیم می‌شوند.

1.1. معرفی انواع خازن‌ تنظیمی (تیونینگ)

این نوع خازن متغیر برای تیونینگ (تنظیم) استفاده می‌شود و معمولا در مدارهای LC برای تنظیم رادیو بکار می‌رود. ظرفیت این خازن‌ها با چرخاندن یک دکمه که روتور را در سراسر استاتور با یک دی‌الکتریک بین آن‌ها می‌چرخاند، تغییر می‌کند. دی‌الکتریک ‌‌مورد‌استفاده در خازن تنظیمی، هوا یا میکا است. خازن‌های تیونینگ قوی‌ترین نوع از خازن‌های متغیر هستند و در مدارهایی استفاده می‌شوند که برای دستیابی به خروجی مطلوب، ظرفیت خازنی باید بیش از یکبار تغییر کند.

جدول مزایا و معایب خازن‌ تنظیمی (تیونینگ)

1.2. معرفی انواع خازن‌ تریمر

ظرفیت خازن‌های تریمر با استفاده از پیچ‌ تغییر می‌کند. این نوع خازن‌ها تحمل زیادی ‌‌در‌برابر تغییرات مداوم ظرفیت ندارند و فقط می‌توانند چند تنظیم را تحمل کنند. خازن تریمر طراحی ساختاری مشابه با خازن تیونینگ دارد. دی‌الکتریک ‌‌مورد‌استفاده در خازن تریمر هوا یا سرامیک است. این نوع خازن‌ها در مدارهایی استفاده می‌شوند که در آن‌ها نیازی به تغییر ظرفیت خازنی بیش از چند‌بار نیست. آن‌ها در مدارهای کالیبراسیون تجهیزات استفاده می‌شوند و اندازه کوچک آن‌ها امکان استفاده در PCB (برد مدار چاپی) را فراهم می‌کند.

جدول مزایا و معایب خازن‌‌های تریمر

2. معرفی انواع خازن‌ متغیر کنترل‌شده الکتریکی

این نوع خازن متغیر از قطعه نیمه‌هادی پیوند P-N ساخته ‌‌شده‌است و ظرفیت پیوند آن با استفاده از ولتاژ معکوس کنترل می‌شود.

در این نوع خازن‌ها، دیود واراکتور که با نام Vericap شناخته می‌شود، نوع خاصی از دیود است که از ولتاژ بایاس معکوس برای تغییر ظرفیت پیوند خود استفاده می‌کند. این دیود‌ها در PLL (حلقه قفل فاز) ‌‌به‌عنوان VCO (نوسان‌ساز کنترل‌شده با ولتاژ) و ‌‌به‌عنوان ترکیب‌کننده‌های فرکانس استفاده می‌شوند.

جدول مزایا و معایب خازن‌ متغیر کنترل‌شده الکتریکی

انواع متفرقه و منسوخ‌شده خازن‌ها

انواع متفرقه دیگری از خازن‌ها نیز وجود دارد که هر کدام برای کاربرد خاصی طراحی شده‌اند. برخی از این خازن‌ها ‌‌عبارتند‌از:

• خازن مجتمع: خازن‌های مجتمع با متالیزاسیون و ایزوله‌کردن زیرلایه در داخل یک IC ساخته می‌شوند.
• خازن خلاء: این نوع خازن‌ها برای انتقال RF با توان بالا استفاده می‌شوند.
• خازن ویژه: این نوع خازن‌ها روی یک PCB چند‌لایه (برد مدار چاپی) طراحی شده‌اند.

برخی از انواع منسوخ خازن‌ها که در حال حاضر با فناوری بسیار پیشرفته جایگزین شده‌اند نیز ‌‌عبارتند‌از:

• خازن لیدن جار
• خازن شکاف هوایی

منابع:

• www.anypcba.com
• www.electricaltechnology.org