خازن و سلف، انواع و کاربرد آنها

خازن چیست؟

خازن قطعه ای الکترونیکی است که بار یا انرژی الکتریکی را در خود ذخیره می کند. این قطعه در اغلب مدارهای الکتریکی به کار برده شده و از اهمیت زیادی برخوردار است. خازن را با حرف C که ابتدای کلمه Capacitor است نمایش می‌دهند. نام دیگر خارن انباره است.

ساختمان خازن

همه خارن ها دارای حداقل دو هادی یا صفحه موازی هستند که به وسیله عایق از هم جدا شده اند. این عایق ضد الکتریک یا دی الکتریک لایه‌ ای است که بین صفحات خازن قرار می‌ گیرد و ظرفیت آن را افزایش می‌ دهد. جنس این عایق می‌تواند از شیشه، آب، سرامیک، پلاستیک، میکا، کاغذ و … باشد و جنس صفحات خازن یا انباره از فلز یا الکترولیت (از جنس روی، آلومنیوم، نقره) است.

خازنها می‌توانند میدانهای الکتریکی را در حجم‌های کوچک نگه دارند. یکی از ویژگیهای خازن‌ها این است که  می توانند به راحتی سیگنال های متناوب AC را عبور دهند اما مانع از عبور سیگنالهای مستقیم DC ‌شوند و همچنین  برای صاف کردن سطح تغییرات ولتاژ مستقیم یا در مدارات به عنوان فیلتر نیز از آنها استفاده می‌شود. به افزودن انرژی الکتریکی به یک خازن، شارژ کردن و به آزاد شدن انرژی از یک خازن نیز تخلیه کردن گفته می شود.

ظرفیت خازن

ظرفیت خازن نسبت بار ذخیره شده در خازن به اختلاف پتانسیل دو سر خازن یا به عبارت دیگر معیار اندازه‌گیری توانایی نگهداری انرژی الکتریکی ظرفیت خازن می باشد. هرچه ظرفیت خازن بیشتر باشد، خازن توانایی نگهداری انرژی الکتریکی بیشتری را ارا می باشد. ظرفیت خازن‌ها یک کمیت فیزیکی‌ و تنها به ساختمان خازن بستگی دارد. واحد اندازه گیری ظرفیت خازن فاراد است و آن را با C نمایش می دهند. ۱ فاراد یکای بسیار بزرگی است و در عمل، ظرفیت اکثر خازن‌های متداول در محدودهٔ میلی فاراد (mF)، میکروفاراد (µF)، نانوفاراد (nF) و پیکوفاراد (pF) است. ظرفیت خازن طبق فرمول مقابل بدست می آید.

نماد خازن

نماد خازن دارای دو خط است که در امتداد هم هستند که در شکل نشان داده شده است.

انرژی خازن

وقتی صفحه‌های خازن دارای بار الکتریکی می‌شوند، انرژی در آن ذخیره می‌شود و این انرژی ذخیره شده توسط رابطه مقابل بدست می‌آید.

انواع خازن

خازن یا کاپاسیتورها به دو دسته ثابت و متغیر تقسیم می شوند.

انواع خازن ثابت

این نوع خازن‌ها ظرفیت ثابتی داشته که در وضعیت معمولی تغییر پیدا نمی‌کنند. خازن‌های ثابت بر اساس نوع ماده ضد ‌الکتریک به کار رفته در آن‌ها به انواع مختلفی تقسیم بندی می شوند که در زیر به چد نمونه از آنها اشاره مختصری خواهیم کرد.

این نوع خازن‌ها ظرفیت ثابتی داشته که در وضعیت معمولی تغییر پیدا نمی‌کنند. خازن‌های ثابت بر اساس نوع ماده ضد ‌الکتریک به کار رفته در آن‌ها به انواع مختلفی تقسیم بندی می شوند که در زیر به چد نمونه از آنها اشاره مختصری خواهیم کرد.

– خازن عدسی
نوعی از خازن در ابعاد کوچک و به شکل عدس وجود دارد که بدون قطب هستند یعنی بدون پلاریته مثبت و منفی که هر چقدر میزان خازن بیشتر شود اندازه آن بزرگتر خواهد بود و دارای محدوده پیکو فاراد و نانو فاراد هستند. بر روی هر خازن عدسی یک عدد نوشته شده است که ظرفیت آن را نشان می‌دهد برای محاسبه ظرفیت خازن دو عدد اول را نگه داشته و به اندازه عدد سوم صفز جلوی آن می گذاریم که عدد به دست آمده بر حسب پیکو فاراد است. اگر عددی بر روی خازن درج نشده باشد ظرفیت آن را توسط خازن سنج یا مولتیمتر استفاده می کنند.

– خازن سرامیکی
نوع دیگر خازن های ثابت خازن سرامیکی است. دلیل این نامگذاری این است که جنس دی الکتریک آن از سرامیک است. از این نوع خازن ها در ظرفیت های بالا مانند لوازم الکتریکی با فرکانس بالا در حد میکرو فاراد در ابعاد کوچک استفاده می شود. از ویژگی های خازن سرامیکی می‌توان به قیمت پایین و نصب آسان آن بر روی مدار اشاره کرد. ظرفیت این نوع خازن ها بین ۱ نانوفاراد تا ۱ میکروفاراد و تا ۱۰۰ میکروفاراد است.
– خازن الکترولیتی
خازن های الکترولیتی یا شیمیایی دارای قطب مثبت منفی میباشند. جنس این نوع خازن ها از آلومینیوم و تانتالیوم است. ظزفیت و ولتاژ این نوع خازن ها بر روی بدنه آنها درج شده است و در رنج میکرو فاراد هستند. هنگام استفاده در مدار باید به جهت انباره توجه کرد. از این خازن در مدار یکسو کننده دیودی به عنوان فیلتر و کوپلینگ در مدار بایاس ترانزیستورها استفاده می شود. بر روی بدنه خازن نواری با رنگ مخالف و حاوی علامت “منفی” برای مشخص شدن پایه منفی میباشد. بر روی بردها نیم دایره مشکی رنگی را برای مشخص شدن پایه منفی طراحی میکند که زمان لحیم کاری اشتباهی رخ ندهد.
– خازنهای ورقه‌ای
در دی الکتریک خازن‌های ورقه‌ای از کاغذ و پلاستیک به دلیل انعطاف‌پذیری آنها، استفاده می‌شود. خازن های ورقه ای به دو دسته تقسیم می شوند.
خازنهای کاغذی:
دی‌الکتریک این نوع خازن از یک صفحه نازک کاغذی متخلخل تشکیل شده و جنس آن مانع از جذب رطوبت میگردد. برای جلوگیری از تبخیر دی‌الکتریک درون کاغذ، خازن را داخل یک قاب محکم و نفوذناپذیر قرار می‌دهند. در ولتاژها و جریان‌های زیاد می‌توان از این نوع خازن استفاده کرد.
خازن پلاستیکی
در این نوع خازن از ورقه‌های نازک پلاستیک به عنوان دی‌الکتریک استفاده می‌شود. این خازن‌ها نسبت به تغییرات دما حساسیت چندانی ندارند. یکی از انواع دی‌الکتریک‌هایی که در این خازن‌ها به کار می‌رود پلی استایرن (به انگلیسی: Polystyrene) است، از این رو به این خازن‌ها «پلی استر» گفته می‌شود. ماکزیمم بسامد کار خازن‌های پلاستیکی حدود یک مگاهرتز است.

– خازن میکا
در این نوع خازن از ورقه‌های نازک میکا در بین صفحات خازن استفاده می‌شود و کل مجموعه در یک محفظه قرار داده می‌شوند تا از اثر رطوبت جلوگیری شود. ظرفیت خازن میکا تقریباً بین ۰/۰۱ تا ۱ میکروفاراد است. داشتن ولتاژ کار بالا، عمر طولانی و کاربرد در مدارات فرکانس بالا از مزایای اصلی این خازن‌ها است.
– خازن روغنی و گازی
خازن های روغنی و گازی بیشترین کاربرد را در صنعت برق در مدارهای الکتریکی برای راه اندازی و یا اصلاح ضریب قدرت دارند. به عنوان مثال یک نوع انباره گازی سیلندری با عایق گازی ازت N2 جهت اصلاح ضریب توان در شبکه برق سه فاز ۴۰۰ ولت با فرکانس ۵۰ هرتز و ظرفیت ۲.۵ کیلو وار مورد استفاده قرار می گیرد. اصطلاحا به مجموعه خازن به کار رفته برای حذف توان راکتیو، بانک خازنی می گویند.
خازن آلومینیومی
این خازن همانوطور که از نامش پیداست از دو ورقه آلومینیومی تشکیل شده‌است. یک ورقه‌ از لایه اکسید ایجاد شده و آند نامیده می شود. و ورقه دیگر کاتد نام دارد.. ساختمان داخلی آن به این شکل است که دو ورقه آلومینیومی با دو لایه کاغذ متخلخل که در بین آن‌ها قرار دارند هم‌زمان پیچیده شده و سیم‌های اتصال به انتهای ورقه‌های آلومینیومی متصل می‌شوند. پس از پیچیدن ورقه‌ها آن را درون یک الکترولیت مناسب که شکل‌گیری لایه اکسید را سرعت می‌بخشد غوطه‌ور می‌سازند تا دو لایه کاغذ متخلخل از الکترولیت پر شوند. سپس کل مجموعه را درون یک قاب فلزی قرار داده و با یک پولک پلاستیکی که سیم‌های خازن از آن می‌گذرد محکم بسته می‌شود.
– خازن تانتالیوم
این نوع خازن از فلزی به نام تانتالیوم ساخته می شود. خازن‌های تانتالیومی نسبت به آلومینیومی دارای ظرفیت بیشتری هستند و این به دلیل زیاد بودن ثابت دی‌الکتریک اکسید تانتالیوم نسبت به اکسید آلومینیوم است. از مزایای خازن تانتالیومی نسبت به نوع آلومینیومی می توان ابعاد کوچکتر، جریان نشتی کمتر و عمر کارکرد طولانی تر را نام برد.

انواع خازن متغیر

به‌طور کلی با تغییر سه فاکتور می‌توان ظرفیت خازن را تغییر داد: «فاصله صفحات»، «سطح صفحات» و «نوع دی‌الکتریک».
ظرفیت یک خازن نسبت مستقیم با سطح مشترک دو صفحه خازن دارد . خازن های متغیر معمولا ازنوع عایق هوا یا پلاستیک هستند. خازنی که ظرفیتش به وسیله محور تغییر میکند “واریابل” (Variable )می نامند و در نوع دیگر به وسیله پیچ گوشتی انجام میشود که به آن “تریمر” می گویند.
محدوده ظرفیت خازن‌های متغیر (Variable) ۱۰ تا ۴۰۰ پیکو فاراد و در خازن‌های تریمر از ۵ تا ۳۰ پیکو فاراد است. از این خازن‌ها در گیرنده‌های رادیویی برای تنظیم فرکانس ایستگاه رادیویی استفاده می‌شود.
– خازن تیونینگ
خازن تیونینگ یا خازن تنظیم کننده از پیکوفاراد تا ده ها پیکوفاراد ظرفیت متغیر دارند. این نوع خازن ها در گیرنده های رادیویی دارای مدارهای LC استفاده می شوند. خازن تیونینگ دارای ظرفیتی در حدود ۱۰ تا ۴۰۰ پیکوفاراد هستند.
– خازن تریمر
خازن های تریمر بسته به موادی که برای ساخت دی الکتریک آنها (صاف کننده هوا و تراش سرامیکی) استفاده می شود به دو دسته تقسیم می شوند و ظرفیت این خازن ها ۵ تا ۳۰ پیکو فارد است. خازن تریمر اندازه های کوچکی دارند که در تنظیم فرکانس های رادیویی استفاده می شوند.
میکرو خازن:
میکرو خازن ها جایگزین های مناسبی برای خازن ها هستند که توانایی تحمل تغییراتی مانند جریان، ولتاژ و … را دارند. میکروخازن ها عمر مفید بالایی دارند.از این قطعات در موتورها استفاده می شود و می توانند نقش راه اندازها را ایفا کنند و جریان های اولیه الکتروموتور را پایین بیاورند.

انواع خازن بر اساس شکل ظاهری
خازن ها بر اساس شکل ظاهری به سه دسته خازن مسطح، خازن کروی و خازن استوانه ای تقسیم می شوند.
انواع خازن‌ها بر اساس دی‌الکتریک

خازن ها را بر اساس دی الکتریک به دسته های زیر می توان تقسیم کرد:
• خازن سرامیکی.
• خازن با صفحات عایق پلاستیکی و الکترولیتی.
• خازن با لایه عایق اکسید فلز مانند اکسید آلومینیوم، تانتالیوم، نایوبیوم).
• خازن با عایق از عناصر طبیعی مانند هوا، شیشه، میکا، گاز SF6 یا سولفور هگزاکلراید، کاغذ و..

خازن های صنعتی

خازن های صنعتی نوع دیگری از خازن ها هستند و در صنعت به کار می روند. این خازن ها به دو دسته خازن های فشار ضعیف و فشار متوسط تقسیم می شوند.
خازن های فشار ضعیف: این خازن ها فشار قوی را منتقل نمی کنند. به شیوه خشک یا سیلندری تولید می شود که ولتاژ آن کمتر از ۱۰۰۰ ولت می باشد. هدف از تولید این نوع از خازن ها اصلاح ضریب قدرت است.
خازن های فشار متوسط: این خازن ها بیشتر از ۱۰۰۰ ولت ولتاژ دارند که در دو مدل تک فاز (۱۲ کیلو ولت ) و سه فاز (۲۰ کیلو ولت ) تولید می شوند و از المنت های خازنی تشکیل می شوند.

کاربرد خازن

خازن ها در الکترونیک و صنعت کاربرد بسیار وسیعی دارند که به ذکر چند مورد می پردازیم:
• مدار های صوتی
• حذف ولتاژ DC از سیگنال صوتی
• در مدارهای چشمک زن
• ذخیره انرژی در مخزن کمپرسور
• در جاهای که نیاز به ایجاد تاخیر است، مانند تایمر چراغ راه پله
• در برد های الکترونیکی برای حذف نویز به وجود آمده در مسیر های مسی
• یک منبع تغذیه می تواند، وظیفه تبدیل ولتاژ AC (متناوب) به ولتاژ DC (مستقیم) را بر عهده گیرد.
• در مدارهای دیجیتال از خازن‌ها به عنوان عنصر ذخیره‌کنندهٔ انرژی استفاده می‌کنند.

سلف چیست؟

سلف یا سیم پیچ قطعه ای است که انرژی الکتریکی را به صورت میدان مغناطیسی در خود ذخیره می کند. سلف ها با نام های کویل ، چوک و سیم پیچ نیز شناخته می شوند. سلف ها مانند هادی ها و مقاومت ها اجزای ساده ای هستند که در وسیله های الکتریکی برای انجام کارهای خاص استفاده می شوند. سلف از یک کنداکتور یا یک جسم هادی تشکیل شده که معمولا به شکل سیم پیچ پیچیده می شود. سلف ها سیم های مسی با عایق لاکی و دو سر هستند که دور یک هسته پیچیده شده اند و دارای دو پایه هستند و زمانی که جریان از آن عبور می کند در مقابل تغییر مقاومت می کنند.
از سلف ها بیشتر برای کاهش یا کنترل ولتاژ های گذاری الکتریکی استفاده می شود که انرژی را به طور موقت در یک میدان الکترومغناطیسی ذخیره می کنند و سپس آن را دوباره به مدار باز می گردانند. بسیاری از سلف ها یک هسته مغناطیسی دارند که از آهن و یا هیدرو اکسید آهن ساخته شده و داخل کویل قرار دارد و برای افزایش میدان مغناطیسی و القا به کار برده می شود.
واحد سلف S.I هنری است (H) و وقتی مدار های مغناطیسی را اندازه می گیریم معادل وبر / آمپر است. با نماد L نشان داده می شود. از آن جایی ک هنری واحد نسبتا بزرگی برای اندوکتانس است، از زیر واحدهای آن مثل میلی هنری، میکرو هنری، یا نانو هنری برای بیان اندوکتانس استفاده می شود.

انواع سلف

سلف ها نیز در دو دسته کلی SMD و DIP موجودند.
– هسته هوا
سلف هسته هوا، سیم پیچی است که هیچ هسته ای ندارد. در این نوع از سلف ها ممکن است از مواد غیر مغناطیسی مانند پلاستیک یا سرامیک برای هسته مورد استفاده قرار گیرد. این سلف ها زمانی استفاده می شوند که مقدار اندوکتانس مورد نیاز کم باشد. اغلب سلف های سرامیکی به عنوان سلف های هسته هوا شناخته می شوند.
– هسته فریت
هسته این سلف ترکیبی از اکسید آهن و فلزات دو ظرفیتی مانند سرب ، نیکل ، کوالت و فلزاتی از این دست هستند. فریت ها را می توان به دو نوع تقسیم کرد. فریت نرم و فریت سخت.
فریت نرم: موادی که قطبیت خود را بدون هیچ گونه انرژی خارجی معکوس می کنند.
فریت سخت: این ها آهن ربا دائمی هستند. این همان قطبی است که حتی با حذف میدان مغناطیسی تغییر نخواهد کرد.
سلف پودر آهن یا فرومغناطیسی
هسته این نوع سلف، از اکسید آهن تشکیل شده است. شار مغناطیسی بالا به دلیل وجود شکاف هوا می تواند در آن ذخیره شود. نفوذ پذیری هسته این نوع سلف ها بسیار کمتر است. آن ها معمولاً زیر ۱۰۰ هستند. آن ها اکثرا در تعویض منبع تغذیه استفاده می شوند.

نماد مداری سلف

سلف ها بر اساس ساختار مکانیکی

سلف ها بر اساس ساختار مکانیکی به دسته های زیر تقسیم می شود.
– سلف بوبین( Bobbin)
سلف‌های بوبین بر روی یک حباب استوانه ای قرار دارند. این نوع سلف‌ها از سرب محوری و سرب شعاعی تشکیل شده‌اند. سرب محوری یعنی خروج سرب از دو طرف هسته برای نصب افقی بر روی صفحه PC و سرب شعاعی به معنای خروج سرب از دو طرف هسته برای نصب عمودی بر روی صفحه PC است.
– سلف سرامیکی چند لایه
هسته این نوع سلف ها از فریت یا معمولاً از مواد سرامیکی مغناطیسی ساخته می‌شوند. در واقع سیم پیچ روی بدنه سرامیک قرار دارد. اکثرا از این نوع سلف‌ها برای فناوری نصب سطحی استفاده می شود. سلف‌های هسته چند لایه بیشتر در ساخت ترانسفورماتورها استفاده می‌شوند.
– سلف فیلمی
این نوع سلف ها از یک فیلم رسانا به عنوان هسته تشکیل شده اند. سپس فیلم شکل داده می‌شود تا مشخصات هادی مورد نیاز را بدست آورد. این سلف‌ها به عنوان سلف تراشه‌ای برای کاربردهای با فرکانس بالا تولید می شوند.
– سلف های هسته حلقه ای یا توریدال
در سلف‌ توریدال یا هسته حلقه ای یک کویل به دور یک تورید دایره وار پیچیده می‌شود. یا به عبارتی سیم پیچ ها به دور یک هسته حلقوی پیچیده می شوند. جنس هسته این نوع سلف اغلب فریت یا هیدروکسید آهن است که باعث افزایش نفوذپذیری هسته می‌ گردد. مزیت اصلی این نوع سلف‌ها این است که، به دلیل شکل دایره‌ای، تقارن در کل شکل سلف حاصل می‌شود، که به دلیل آن حداقل تلفات در شار مغناطیسی وجود دارد. عیب این نوع سلف این است که برای انجام کار نیاز به یک دستگاه سیم پیچ مخصوص دارد. این سلف‌ها بیشتر در مدارات AC استفاده می‌شوند.

– سلف‌های هسته چند لایه

سلف‌های هسته چند لایه به صورت ورقه ورقه روی هم چیده شده و معمولا از جنس استیل است. مزیت اصلی این سلف‌ها به حداقل رساندن اتلاف انرژی است. سلف‌های هسته چند لایه بیشتر در ساخت ترانسفورماتورها استفاده می‌شوند و اصلی ترین کاربرد آن ها رفع نویز و پارازیت در مدارها است.
– سلف متغیر
در سلف های متغیر امکان تغییر در سیم پیچ ها وجود دارد به طوری که می توان ظرفیتشان را متناسب با نیاز تغییر داد. به عبارتی در این نوع سلف ها با حرکت هسته مغناطیسی که داخل سیم پیچ قرار دارد میتوان ظرفیت سلف ها را تغییر داد.از این نوع سلف ها در مواردی مانند برنامه های رادیویی با فرکانس بالا که نیاز به تنظیم دارد استفاده می گردد. این سلف‌ها به طور معمول از ۱۰ میکروگرم تا ۱۰۰ میکرومتر متغیر هستند. و البته سلف متغیر ۱۰ نانومتر تا ۱۰۰ میلی آمپر نیز وجود دارند.
– سلف‌های کوپل
به طور کلی هر زمان که جریان AC در یک سلف جریان داشته باشد، در سلف دوم ولتاژ ایجاد می‌کند، که این کار باعث پدیده القایی متقابل می‌شود. سلف‌های کوپل فقط روی این پدیده کار می کنند. این سلف‌ها می‌توانند با انتقال امپدانس از طریق مدار، دو مدار را به صورت الکتریکی جدا کنند. ترانسفورماتور یکی از انواع سلف‌های کوپل شده است.
– سلف های قالب‌گیری شده
این نوع سلف‌ها توسط عایق‌های پلاستیکی یا سرامیکی قالب‌ریزی می شوند. سلف قالب گیری‌شده به طور معمول در شکل‌های استوانه‌ای و میله‌ای با انواع وسیعی از سیم پیچ ها موجود هستند.

اندازه گیری ظرفیت سلف با استفاده از جریان AC و مولتی متر

برای اندازه گیری ظرفیت  یا هانری سلف می توانیم از دو روش استفاده کنیم:

  • روش اول استفاده کردن از دستگاه مولتی متری است که امکان السی متر داشته باشد.
  • روش دیگر نیز استفاده از فرمول است که می توان مقاومت ظاهری یک سیم پیچ را با اندازه گیری ولتاژ دو سر سیم پیچ و همینطور جریان عبوری از آن به دست آورد که ما می توانیم مقاومت ظاهری بدست آمده را در فرمول قرار دهیم که فرمول ( ۲ پی برابر با ۶.۲۸ ) که در نتیجه مقدار هانری و یا ظرفیت یک سیم پیچ بدست می آید.

Z = 2 * pi * F * L

تاثیر گذارترین عوامل بر سلف

تعداد دور، فاصله بین دورها، تعداد لایه‌های سیم، نوع هسته، نفوذپذیری مغناطیسی، اندازه و شکل در تعیین مقدار اندوکتانس سلف ها تاثیر دارند.

کاربرد سلف

• از سلف در گستره وسیعی از کاربرد استفاده می‌شود
• در کاربردهای مربوط به rf
• منابع تغذیه و SMPS
• ترانسفورماتور
• محافظ موجی می‌تواند جریان هجومی را محدود کند
• داخل رله‌های مکانیکی و …
• همچنین در محصولات الکترونیکی و نرم افزاری مانند اسیلاتور ، آردوینو، آشکار سازهای فلزی و فرستنده رادیویی اف ام مورد استفاده قرار می گیرد.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

قبلا حساب کاربری ایجاد کرده اید؟
گذرواژه خود را فراموش کرده اید؟
Loading...