خازن چیست؟

در این مقاله میخواهیم بدانیم خازن چیست؟ اغلب روزها به آسمان‌ نگاه می‌کنید و خازن‌ های غول‌ پیکری را بالای سرتان، شناور میبینید. خازن ها (که با اسم چگالنده (condenser) هم شناخته می‌شوند) قطعات الکترونیکی هستند که با هدف ذخیره انرژی به صورت گسترده در تلویزیون ها، رادیوها و سایر تجهیزات الکترونیکی استفاده می‌شوند. وقتی رادیو را برای شنیدن ایستگاه مشخص تنظیم می کنید؛ یا با فلش از یک سوژه عکاسی می کنید یا وقتی کانال تلویزیون خود را تغییر می دهید؛ در تمام این حالات، شما در حال استفاده صحیح از خازن ‌ها هستید.

خازن ‌هایی که در آسمان پراکنده هستند همان ابرها هستند. اگرچه بسیار غول پیکرتر از خازن هایی هستند که ما در الکترونیک از آن استفاده می کنیم اما هر دوی آن ها به یک شکل انرژی را در خود ذخیره می کنند. بیایید نگاه دقیق تری به خازن‌ها و طرز کارشان بیاندازیم.

خازن چگونه کار میکند؟!

دو صفحه ی رسانای الکتریکی (چیزی که جریان بتواند از آن عبور کند) را بوسیله یک عایق (ماده ای که مانع عبور جریان الکتریکی می شود) از هم جدا کنید؛ حالا یک خازن ساخته‌اید! وسیله ای که توان ذخیره کردن انرژی را دارد. به فرایند افزودن انرژی به خازن، شارژ شدن گفته می‌شود و به فرایند خروج انرژی از خازن، تخلیه (دشارژ) گفته می‌شود.

خازن از لحاظی به باتری شباهت دارد اما وظایفشان از هم متفاوت است. باتری از مواد شیمیایی برای ذخیره انرژی الکتریکی و خروج آهسته آن به سمت مدار، مورد استفاده قرار می‌گیرد؛ گاهی نیز ممکن است این تخلیه انرژی سال‌ها طول بکشد (مانند ساعت های کوارتزی که بی‌نیاز از تعویض باتری هستند و سال‌ها بی‌وقفه کار می‌کنند). اما یک خازن به سرعت یا بهتر است بگوییم در یک لحظه تخلیه انرژی را انجام می‌دهد. اگر برای عکاسی از فلش استفاده می‌کنید، نیاز است دوربین عکاسیتان در یک لحظه حجم عظیمی از نور را برایتان ایجاد کند.

خازن‌های فلش دوربین، از باتری‌های دوربین استفاده کرده، در طول چند ثانیه شارژ می‌شوند (معمولا فرایند شارژ شدن خازن‌ها زمان‌بر است). بعد از آنکه خازن کاملا شارژ شد، در یک لحظه تمام انرژی از طریق لامپ زنون فلش تخلیه می‌شود.

مهم ترین استفاده از خازن ها به عنوان فیلتر کننده فرکانس (مدار اجاز عبور فرکانس های مشخصی را می‌دهد) و ذخیره کننده بار های الکتریکی در مدار های الکتریکی است. برای مثال، باتری های یک دوربین با باردار کردن یک خازن، انرژی را در خازن فلاش دوربین ذخیره می کنند.

ظرفیت خازنی چیست؟

میزان انرژی الکتریکی که یک خازن در خود ذخیره می‌کند، به ظرفیت خازنی آن بستگی دارد. ظرفیت خازنی یک خازن از لحاظی به یک سطل آب بستگی دارد؛ هرچه سطل بزرگتر باشد، آب بیشتری در خود نگه می‌دارد؛ پس هرچقدر ظرفیت خازنی بیشتر باشد، میزان ذخیره انرژی الکتریکی نیز بیشتر خواهد بود.

اندازه خازن ها با واحد فاراد (F) نشان داده می‌شوند که این نام از مایکل فارادی فیزیکدان انگلیسی و پیشگام عرصه الکترونیک گرفته شده است. یک فاراد، ظرفیت خازنی بسیار بزرگی است پس در حقیقت خازن هایی که معمولا از آن ها استفاده می‌کنیم، تنها یک لحظه از یک فاراد هستند؛

انواع واحدهای فاراد را با علائم زیر نشان می دهند:

• میکروفاراد µF – یک میلیونیوم فاراد است؛
• نانوفاراد nF – صد میلونیوم فاراد است؛
• پیکوفاراد pF – یک میلیون میلیونیوم فاراد است.

اَبَرخازن ها میزان بسیار زیادی شارژ نگه می دارند که هزاران فاراد شمرده می‌شوند.

ظرفیت خازن به عواملی مانند مساحت و فاصله دو صفحه و نوع ماده میان صفحات بستگی دارد. برای مثال، خازن های سرامیکی از دو صفحه فلزی و یک لایه سرامیک تشکیل شده اند. خازن های الکترولیتی از دو صفحه فلزی و یک محلول الکترولیتی تشکیل شده اند. خازن های ابری هم از دو صفحه کربنی و یک محلول نمکی تشکیل شده اند.

در چه سیستم هایی از خازن استفاده شده است؟

خازن ها در بسیاری از سیستم های الکترونیکی و الکتریکی کاربرد دارند. مثلا :

• تلویزیون ها، رادیو ها، تلفن ها، کامپیوتر ها و دیگر دستگاه های ارتباطی که از خازن ها برای فیلتر کردن، تقویت، تنظیم و انتقال سیگنال های الکترومغناطیسی استفاده می کنند.
• دوربین ها، فلاش ها، لیزر ها و دیگر دستگاه های نوری که از خازن ها برای ذخیره و تأمین انرژی الکتریکی برای ایجاد نور پرقدرت استفاده می کنند.
• مدارات تایمینگ، اسیلاتورها، مولتی ویبراتورها و دیگر دستگاه های تولید و کنترل فرکانس که از خازن ها برای تعیین زمان و دوره سیگنال های مربعی، مثلثی، سینوسی و غیره استفاده می کنند.
• منابع تغذیه، شارژرها، اینورترها و دیگر دستگاه های تبدیل ولتاژ و جریان از خازن ها برای صاف کردن، تثبیت، تنظیم و افزایش ولتاژ و جریان خروجی استفاده می کنند.
• موتور ها، ترانسفورماتورها، رله ها و دیگر دستگاه های الکترومکانیکی از خازن ها برای تصحیح ضریب توان، کاهش جریان راه اندازی، افزایش گشتاور و کنترل سرعت استفاده می کنند.

چطور ظرفیت خازن را افزایش دهیم؟

واضح است که اگر از صفحات بزرگ‌تری استفاده کنید، می‌توانید انرژی بیشتری در خازن‌ها ذخیره کنید. بنابراین، گسترش محیط صفحات خازن نیز به افزایش ظرفیت ذخیره انرژی کمک می‌کند. نکته‌ای که کمتر کسی از آن با خبر است، این است که اگر فاصله میان صفحات را کم کنیم، ظرفیت خازن افزایش پیدا می‌کند. زیرا فاصله نزدیک میان صفحات عملکرد آن ها را بهبود می‌بخشد. آخرین چیزی که می‌تواند در افزایش ظرفیت خازنی موثر باشد عایق میان صفحات (که دی الکتریک گفته می شود) است. هوا، عایق بسیار خوبی است ولی عایق‌های بهتری هم وجود دارد.

تاثیر شیشه 5 برابر  بیشتر از هوا است، از این رو در ساخت خازن های مدرن از شیشه به عنوان دی الکتریک استفاده می‌شود. ولی شیشه سنگین است و به سختی در فضاهای کوچک جا می‌شود.

تاثیر کاغذ روغنی 4 برابر بیشتر از هوا است، کاغذ روغنی، عایقی بسیار نازک و ارزان قیمت است که هم به راحتی لوله می‌شود و هم می‌توان در ابعاد بزرگ از آن استفاده کرد.

بهترین عایق‌ها از مولکول‌های قطبی ساخته شده‌اند. آب، که از مولکول‌های قطبی بسیار کوچکی تشکیل شده  نیز عایق بسیار خوبی است، حدود به 80 برابر بهتر از هوا. ولی در خازن ها استفاده نمی‌شود زیرا ممکن است چکه کند یا تبدیل به یخ یا بخار شود، بنابراین چندان هم کارایی ندارد.

روش های اندازه گیری ظرفیت خازن‌چیست

1. استفاده از یک مولتی متر دیجیتال که دارای تنظیمات خازنی است. این روش ساده و راحت است اما دقت کمی دارد. برای این روش، باید خازن را از مدار جدا کرده و از یک مقاومت برای تخلیه شارژ خازن استفاده کرد. سپس پراب های مولتی متر را به دو سر خازن متصل کرده و مقدار ظرفیت را از صفحه نمایش مولتی متر بخوانید.
2. استفاده از یک LCR متر که یک ابزار دقیق برای اندازه گیری ظرفیت، مقاومت و اندوکتانس است. این روش سریع و دقیق است اما نیاز به ابزار گران قیمت دارد. برای این روش، باید خازن را از مدار جدا کرده و به وسیله کلیپ های LCR متر به آن متصل شوید. سپس تنظیمات مربوط به ظرفیت را انتخاب کرده و مقدار ظرفیت را از صفحه نمایش LCR متر بخوانید.
3. استفاده از یک مدار ساده با یک خازن، یک مقاومت و یک منبع تغذیه. این روش از رابطه زمان شارژ خازن برای محاسبه ظرفیت استفاده می کند.
   برای روش استفاده از مدار ، باید یک مدار از خازن، مقاومت و منبع تغذیه با ولتاژ معلوم بسازید. سپس یک ولت متر را به دو سر خازن متصل کرده و زمانی را که طول می کشد تا ولتاژ خازن به 63 درصد ولتاژ منبع تغذیه برسد را اندازه گیری کنید.

کشورهای تولید کننده خازن کدام اند؟

به طور کلی، کشورهایی که صنعت الکترونیک و الکتریکی قوی و پیشرفته دارند، می توانند خازن های باکیفیت و متنوعی را تولید کنند. برخی از این کشورها عبارتند از:

چین:اگر بپرسند بزرگترین کشور تولید کننده خازن چیست،در جواب اسم کشور چین را می‌شنوید. چین از صادرکنندگان خازن در جهان است. خازن های مختلفی را با قیمت های رقابتی و بازدهی بالا تولید می کند. برخی از برندهای معروف خازن چینی عبارتند از: Yageo, Walsin, Kemet, Murata, Rubycon, Nichicon و غیره.

ژاپن: یکی از پیشروان در زمینه تحقیق و توسعه خازن چیست؟قطعا ژاپن است. ژاپن خازن های با کیفیت و دقیقی را با استفاده از فناوری های نوین تولید می کند. برندهای معروف خازن ژاپنی عبارتند از: Nippon Chemi-Con, Panasonic, TDK, Elna, Taiyo Yuden و غیره.

آلمان: از کشورهای پیشتاز در زمینه خازن های صنعتی و فشار بالا است. آلمان خازن های با دوام و قابل اطمینانی را با استفاده از مواد و استانداردهای بالا تولید می کند. برخی از برندهای معروف خازن آلمانی عبارتند از: Siemens, WIMA, EPCOS, Vishay, Frako و غیره.

ایران: رتبه ایران در تولید کردن خازن چیست؟ ایران از کشورهای تولیدکننده خازن در منطقه است. خازن های مختلفی را با توجه به نیازهای بازار داخلی و خارجی تولید می کند. برندهای معروف خازن ایرانی عبارتند از: صبا, پرتو خازن, کاپاسیتور پارس, پارس شریم و غیره.

آیا خازن های الکترولیتی و سرامیکی فرق دارند؟

خازن های الکترولیتی و سرامیکی دو نوع مختلف از خازن ها هستند که از مواد و ساختارهای متفاوتی تشکیل شده اند و برای کاربردهای مختلفی مناسب هستند. این فرق ها عبارتند از:

در خازن های الکترولیتی از یک ورق فلزی و یک مایع یونی به عنوان دو ترمینال استفاده می شود. در خازن های سرامیکی هم از دو صفحه فلزی و یک لایه سرامیک به عنوان دی الکتریک استفاده می شود.

خازن های الکترولیتی معمولا قطبی هستند، یعنی باید به درستی به منبع تغذیه متصل شوند اما خازن های سرامیکی قطبی نیستند، یعنی می توانند به هر جهت به منبع تغذیه متصل شوند.

خازن های الکترولیتی ظرفیت خازنی بالاتری نسبت به خازن های سرامیکی دارند. اما خازن های سرامیکی دقت و پایداری بیشتری نسبت به الکترولیتی ها دارند.

خازن های الکترولیتی برخلاف سرامیکی ها حساس به دما، رطوبت و نور هستند ولی نسبت به آنها مقاومت کمتری دارند.

خازن های الکترولیتی برای کاربردهایی که نیاز به ذخیره بار و انرژی بالا دارند، مناسب هستند. برای مثال، در منابع تغذیه، شارژرها و فلاش ها استفاده می شوند. خازن های سرامیکی برای کاربردهایی که نیاز به فیلتر کردن، تنظیم و تقویت سیگنال دارند، مناسب هستند. برای مثال، در مدارات تایمینگ، اسیلاتورها و تلویزیون ها استفاده می شوند.

مراحل ساخت انواع خازن چیست

خازن ها بسته به نوع ماده دی الکتریک و ساختار خود، روش های مختلفی برای ساخت دارند. این روش ها عبارتند از:

ساخت خازن های سرامیکی:

این نوع خازن ها از دو صفحه فلزی و یک لایه سرامیک تشکیل شده اند. برای ساخت این خازن ها، ابتدا یک پودر سرامیکی را با آب و مواد افزودنی مخلوط کرده و به شکل یک تابه نازک فشرده می کنند. سپس این تابه را در یک کوره با دمای بالا پخته و سخت می کنند. بعد از آن، روی دو سطح مقابل هم از تابه، یک لایه فلزی را با استفاده از روش هایی مانند اسپری، اسکرین پرینتینگ یا الکترولیز اعمال می کنند.این لایه ها به عنوان الکترودهای خازن عمل می کنند. در نهایت، این خازن ها را با یک پوشش محافظ می پوشانند و به دو پایه فلزی متصل می کنند.

ساخت خازن های الکترولیتی:

این نوع خازن ها از یک ورق فلزی و یک محلول الکترولیتی تشکیل شده اند. برای ساخت این خازن ها، ابتدا یک ورق آلومینیوم را با یک روش شیمیایی یا الکتریکی اکسید می کنند تا یک لایه اکسید آلومینیوم روی آن تشکیل شود.
در لایه ای که اکسید آلومینیوم تشکیل میشود،به عنوان دی الکتریک خازن عمل می کند. سپس این ورق را به شکل یک حلزون یا یک رول پیچیده و درون یک قوطی فلزی قرار می دهند.

نتیجه گیری:

با توجه به اینکه خازن ها در صنایع و دستگاه های مختلف کاربرد دارند، در پیشرفت علم بشریت بسیار موثر بوده اند و انتخاب نوع خازن و شرکت تولید کننده اش مهم است که باید به آن دقت کنیم.