امروزه تنوع قطعات الکترونیکی بسیار افزایش یافته است؛ به طوری که تقریباً هیچ مدارِ جدیدی را نمی‌توان یافت که صرفاً از قطعات الکترونیکی نسخهٔ قبلی خود استفاده کرده باشد. اما در میان قطعات الکترونیکی، تعدادی از آنها پایهٔ ثابت مدارها هستند؛ مثل خازن. خازن یکی از اصلی‌ترین قطعات الکترونیکی‌ست که در اکثر مدارها مورد استفاده قرار می‌گیرد. خازن به واسطهٔ محبوبیت بسیار زیاد خود، انواع مختلفی دارد که هر کدام مناسب صنعتی خاص هستند. کاربردهای خازن آن چنان زیاد است که می‌توان آن را جزو چند مورد اول از لیست مهمترین قطعات الکترونیکی دانست. در این مقاله با ما همراه باشید تا تمامی این موارد را بررسی کنیم.
خازن چیست؟
در میان قطعات الکترونیکی، خازن یکی از مهمترین موارد است که تقریباً در هر مداری حضور دارد. خازن (Capacitor) طی فرآیندهای شارژ و دشارژ، انرژی الکتریکی را به صورت یک میدان الکتریکی در خود ذخیره و تخلیه می‌کند. خازن از سه بخش کلی تشکیل شده است؛ دو صفحهٔ رسانا و یک عایق دی الکتریک در میان آنها. بار در طی فرآیند دشارژ، به صورت میدان الکتریکی میان این دو صفحهٔ رسانا ذخیره می‌شود.
تاریخچهٔ خازن
اگر بخواهیم به تاریخچهٔ خازن نگاه کنیم، باید به سال 1745 میلادی برگردیم. اوالد جورج فون کلایست یک مولد الکترواستاتیکی را به یک سیم به آب متصل کرد و دریافت که از این طریق می‌توان بار الکتریکی را ذخیره کرد. یک سال بعد، پیتر فان موشن بروک که فیزیکدانی هلندی بود، خازنی با عملکرد مشابه اختراع کرد که آن را بطری لیدن می‌نامند. بعدها بنجامین فرانکلین با بررسی اختراعات پیشین، توانست مفاهیم جدیدی مثل باتری را به جامعهٔ علمی معرفی کند.
بطری‌های شیشه‌ای و ساختار بزرگ جثهٔ خازن‌ها تا سال ۱۹۰۰ میلادی مورد استفاده قرار می‌گرفتند اما اختراع رادیو و سایر تکنولوژی‌ها منجر شد تا نیاز به خازن‌های جمع و جورتر، بیش از همیشه احساس شود. اصطلاح خازن برای اولین بار در سال ۱۷۸۲ توسط الساندرو ولتا مورد استفاده قرار گرفت. استفاده از این نام برای خازن‌ها ثابت نماند و در طول زمان به کندانسور و… تغییر یافت. در سال ۱۹۲۵ نام خازن به عنوان واژهٔ توصیه شده انتخاب شد.
انواع خازن و ساختار آنها
همانطور که گفته شد، خازن‌ها به طور کلی از سه بخش تشکیل شده‌اند. دو صفحهٔ رسانا و یک دی الکتریک. وقتی باتری را به دو سر خازن متصل می‌کنیم، بار الکتریکی بین این دو صفحهٔ رسانا ذخیره می‌شوند. خازن‌ها این قابلیت را دارند که بار را در صورت نیاز به مدار بازگردانند. از نظر عملکردی، فعالیت خازن‌ها به طور کلی به همین شکل است؛ با این حال، دسته‌بندی‌های مختلفی از آنها وجود دارد که شامل موارد زیر است:
- خازن‌ها بر اساس ظرفیت
- خازن با شکل ساختاری متفاوت
- خازن با قطبش مختلف
خازن‌ها بر اساس ظرفیت
خازن‌ها از نظر ظرفیت، به دو گروه ثابت و متغیر تقسیم‌بندی می‌شوند. در حقیقت این دسته بندی بر اساس توانایی یا عدم توانایی تغییر ظرفیت آنها به وجود آمده است. همانطور که از نام آنها پیداست، خازن‌هایی که ظرفیت ثابت دارند، هنگام تولید و در کارخانه، ظرفیت‌شان مشخص می‌شوند؛ به بیان دیگر، ظرفیت آنها تغییر نمی‌کند و ثابت است. خازن‌های ظرفیت ثابت معمولاً در مدارهای عمومی کاربرد دارند و پایداری بالایی در مقابل تغییرات دما یا ولتاژ از خود نشان می‌دهند.
انواع خازن‌های ظرفیت ثابت:
- خازن‌های سرامیکی: این خازن‌ها برای مدارهای کوچک و فرکانس‌های بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند.
- خازن‌های فیلمی: از این نوع خازن‌ها برای حفظ پایداری در فرکانس‌های پایین استفاده می‌شود.
- خازن‌های تانتالیوم: این خازن‌ها کوچک هستند و عملکردی دقیق دارند.
- خازن‌های الکترولیتی: معمولاً برای عملکردهایی که نیازمند ظرفیت بالا هستند مورد استفاده قرار می‌گیرند.
در خازن‌های ظرفیت متغیر، ظرفیت را می‌توان به طور دستی یا خودکار تغییر داد. گاهی اوقات نیاز به تنظیم دقیق ظرفیت خازن داریم؛ برای مثال مدارهای رادیویی یا مخابراتی؛ بنابراین بهترین گزینه، استفاده از خازن‌های ظرفیت متغیر خواهد بود. این خازن‌ها نسبت به نوع قبلی، پایداری نسبتاً پایین‌تری در مقابل تغییرات محیطی از خود نشان می‌دهند.
انواع خازن‌های ظرفیت متغیر:
- خازن‌های تریمر: این خازن‌ها قابلیت تنظیم در محدوده‌های کوچک و دقیق دارند.
- خازن‌های واریابل: قابلیت تنظیم در محدوده‌ای وسیع‌تر
- خازن‌های دیودی: ظرفیت این خازن‌ها می‌تواند با کم یا زیاد شدن ولتاژ تغییر کند.
خازن‌ها با شکل ساختاری متفاوت
دومین دسته بندی از انواع خازن را اشکال ساختاری مختلف آنها می‌سازد. خازن‌ها از نظر اندازه و جنس صفحات، فاصله صفحات از هم و جنس دی الکتریک با یکدیگر متفاوت‌اند. همین موضوع منجر به ایجاد انواع مختلف آنها بر اساس شکل ساختاری شده است. مهمترین انواع خازن از نظر شکل ساختاری عبارتند از:
- خازن مسطح: ساده‌ترین شکل خازن است و از دو صفحهٔ رسانا تشکیل شده که مقابل هم قرار دارند و یک دی الکتریک میان آنها قرار گرفته است. این نوع خازن در مدل‌سازی و طراحی‌های مفهومی استفاده می‌شود.
- خازن استوانه‌ای: احتمالاً این نوع خازن را بارها دیده‌اید. در مدارهای صنعتی و الکترونیکی عمومی از این نوع خازن‌ها استفاده می‌شود.
- خازن کروی: این نوع خازن‌ها از دو کره رسانا تشکیل شده‌اند که یکی در داخل دیگری قرار دارد و دی الکتریک، فاصلهٔ میان آنها را پر کرده است. طراحی این نوع خازن کمی پیچیده بوده و مناسب برای کاربردهایی‌ست که نیاز به ظرفیت ظرفیت زیاد در فضای کوچک دارند. معمولاً برای آزمایشات علمی و تجهیزات خاص از این نوع خازن استفاده می‌شود.
- خازن رول شده: همانطور که از نام آنها پیداست، صفحات رسانا و دی الکتریک به صورت مارپیچ به صورت رول شده روی هم قرار می‌گیرند. حالت فشرده و حجم کم از مشخصات اصلی این نوع خازن‌هاست. در منابع تغذیه و سیستم‌های ذخیره انرژی از این نوع خازن‌ها استفاده می‌شود.
خازن‌ها با قطبش مختلف
مفهوم قطبش به وجود پایه‌های مشخص مثبت و منفی در خازن مربوط می‌شود. خازن‌ها از نظر قطبش به دو نوع قطبی (Polarized) و غیر قطبی (Non-Polarized) تقسیم‌بندی می‌شوند. متخصصان بر اساس کاربرد مورد انتظارشان، خازن‌هایی از قطبش متفاوت را انتخاب و مورد استفاده قرار می‌دهند. اینجا توضیحاتی در رابطه با انواع خازن از نظر قطبش ارائه شده است:
- خازن قطبی: این نوع خازن‌ها را بایستی در مدار به صورت صحیح و مطابق با قطبیت کلی آن نصب کرد؛ چرا که دارای قطب‌های مشخص مثبت و منفی هستند. خازن‌های الکترولیتی، تانتالیوم و سوپرکپاسیتورها از مهمترین انواع خازن‌های قطبی هستند. این نوع خازن‌ها بیشتر برای جریان‌های DC استفاده می‌شوند و به ولتاژ معکوس نیز حساس‌اند. ظرفیت بالا و کاربرد زیاد در الکترونیک از دیگر ویژگی‌های خازن‌های قطبی‌ست.
- خازن‌های غیر قطبی: این نوع خازن‌ها می‌توانند در هر جهت از مدار نصب شوند؛ چرا که قطب‌های مثبت و منفی مشخصی ندارند. خازن‌های سرامیکی، فیلمی، کاغذی و میکا از مهمترین انواع خازن‌های غیرقطبی هستند. این نوع خازن‌ها در برابر ولتاژهای متناب (AC) مقاومت خوبی از خود نشان می‌دهند. ظرفیت آنها نسبت به نوع قطبی پایین‌تر است اما مناسب برای کاربردهایی هستند که در آنها ولتاژ و فرکانس بالا مطرح است.
کاربردهای خازن
همانطور که گفته شد، خازن‌ها در صنعت الکترونیک بسیار پرکاربرد هستند و اکثر مدارهای الکترونیکی از آنها استفاده می‌کنند. مهمترین کاربرد خازن‌ها، ذخیره و تخلیه انرژی الکتریکی‌ست. کاربردهای دیگر خازن شامل موارد زیر است:
1. فیلتر کردن سیگنال‌ها
فیلترینگ سیگنال‌ها یکی از مهمترین وظایف خازن است. سیگنال‌های ما ممکن است به دلیل تداخل با نویز یا سیگنال‌های ناخواسته، کیفیت لازم را نداشته باشند؛ بنابراین حضور یک فیلتر کننده در مدار می‌تواند اهمیت زیادی پیدا کند. خازن می‌تواند نویز را از منابع تغذیه و بردهای الکترونیکی حذف کند. همچنین توانایی جداسازی سیگنال‌های AC و DC در مدار را داراست.
در ترکیب با القاگر (سلف)، خازن‌ها می‌توانند به کنترل و تنظیم فرکانس‌ها در مدارهای الکترونیکی کمک کنند. این کاربرد به ویژه در رادیو و تلویزیون برای تنظیم ایستگاه‌های فرکانسی و در مدارهای مخابراتی برای تطبیق امپدانس خود را نشان می‌دهد.
2. تثبیت ولتاژ
گاهی ممکن است ولتاژ خروجی از منبع تغذیه DC صاف نبوده و دچار اختلالاتی شود. وجود خازن می‌تواند این مشکل را حل کرده و ولتاژ را در مدار تثبیت کند. نوسانات ولتاژ به ویژه در مدارهای حساس می‌تواند بسیار حائز اهمیت باشد.
3. زمان‌بندی
در مدارهای تایمینگ (Timing Circuits)، برای ایجاد تأخیر از ترکیب مقاومت و خازن استفاده می‌کنند. این دو عامل می‌توانند به تنظیم دوره تناوب و ایجاد تأخیر چراغ‌های چشمک‌زن، چراغ راهنما و لوازم الکترونیکی که برای عملکردشان نیاز به تأخیر و تایمر دارند، کمک کنند.
جمع‌بندی
خازن‌ها از مهمترین قطعات الکترونیکی هستند که وظیفهٔ اصلی آنها، ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی و آزادسازی آن حین نیاز است. خازن‌ها انواع مختلفی دارند که از نظر ساختار، جنس صفحات رسانا، جنس دی‌الکتریک، میزان قطبش و ظرفیت با یکدیگر متفاوت‌اند. کارشناسان الکترونیک بر اساس نیاز خاص محصولات / کسب و کار خود، از انواع مختلف خازن استفاده می‌کنند. کاربردهای خازن بسیار است؛ آنها می‌توانند به صورت مستقل یا در همکاری با دیگر قطعات الکترونیکی، کاربردهایی را در مدار داشته باشند. برای مثال در همکاری با مقاومت، امکان ایجاد مدارات تأخیر را به ما می‌دهند.