13

مقدمه: از فرمول تا نحوه عملکرد خازن

خازن (Capacitor) یک مؤلفه الکترونیکی است که توانایی ذخیره انرژی الکتریکی(ولتاژ) را در میدان الکترواستاتیک(بار الکتریکی) میان صفحات خود دارد. این قطعه از دو صفحه‌ی رسانا (معمولاً از جنس آلومینیوم، روی یا نقره) تشکیل شده که توسط یک لایه دی‌الکتریک (عایق)—نظیر هوا، کاغذ روغنی، میکا، پلاستیک‌های مهندسی (پلی‌استر، پلی‌پروپیلن)، سرامیک یا اکسید فلزی—از هم جدا شده‌اند. با اعمال ولتاژ بین صفحات، بار الکتریکی روی آن‌ها تجمع می‌یابد و انرژی در میدان الکتریکی میان صفحات ذخیره می‌شود؛ این انرژی پس از برداشتن ولتاژ یا در مدار دیگر قابل آزادسازی است (Serway & Jewett, 2018)

از خازن‌ها به‌دلیل ممانعت از عبور DC و عبور آسان AC، به‌عنوان فیلتر و جداکنندهٔ سیگنال‌ها استفاده می‌شود: آن‌ها در مدارهای جریان مستقیم پس از شارژ کامل، جریان را بلوک می‌کنند و در جریان متناوب با شارژ و دشارژ پیوسته، جریان جابه‌جایی (Displacement Current) را ایجاد می‌کنند (Hambley, 2018).

واحد فرمول و ظرفیت خازن

ظرفیت خازن با نماد C و واحد فاراد ((F اندازه‌گیری می‌شود. برای خازن تخت موازی:

C=kε₀ A/d

که در آن A مساحت صفاحت، d فاصله بین صفحات، ε₀  ثابت گذردهی خلا و k ثابت نسبی دی‌الکتریک است(Nilsson & Riedel, 2015).

از آنجا که یک فاراد مقدار زیادی است، معمولا از واحدهای کوچکتر استفاده می‌شود:

• میلی‌فاراد: ^3-10 F
• میکروفاراد: ^6-10 F
• نانوفاراد: ^9-10 F
• پیکوفاراد: ^12-10 F

تاریخچه خازن

اولین خازن عملی در سال 1745 توسط ادوارد فون کلایست و در 1746 توسط پیر وان موسشنبروک کشف شد. آنها با اتصال یک ژنراتور الکترواستاتیک به جار لیدن-لیوان شیشه‌ای حاوی آب و پوشش فلزی داخلی و خارجی-توانستند بار قابل توجهی ذخیره کنند که از طریق جرقه آزاد می‌شد. این تجربه ابتدایی پایه مفاهیم خازن الکترواستاتیک را شکل داد و زمینه‌ساز پیشرفت بعدی در ساخت خازن های مدرن گردید.

ساختمان و مواد دی‌الکتریک

ساختمان معمولی یک خازن شامل:

1. دو صفحه‌ی هادی: ورقه یا فویل فلزی.
2. عایق (دی‌الکتریک): هوا یا مواد جامد/مایع (کاغذ روغنی، میکا، پلاستیک‌های مهندسی، سرامیک، اکسید آلومینیوم یا اکسید تانتالیوم).
3. پوشش خارجی: رزین یا فلز برای محافظت در برابر رطوبت و ضربه.
4. ترمینال‌ها: برای اتصال به مدار چاپی یا سیم‌بندی بیرونی (Hambley, 2018).

در خازن‌های الکترولیتی آلومینیومی، صفحه‌ی آند با آنودایز کردن آلومینیوم پوشش اکسید نازکی می‌یابد که نقش دی‌الکتریک دارد و الکترولیت مایع یا جامد کاتد را تشکیل می‌دهد. خازن‌های فیلمی—نظیر فیلم/فویل و فیلم متالیزه—با ورق‌های پلاستیکی پوشیده ‌شده با فلز ساخته می‌شوند و نوع متالیزه آن‌ها توان «خودترمیمی» در برابر شکست جزئی دی‌الکتریک را دارد (Sedra & Smith, 2018).

نحوه عملکرد خازن

شارژ و دشارژ در مدار DC

• شارژ: با اعمال ولتاژ مستقیم (DC)، الکترون‌ها از منبع به یک صفحه منتقل شده و از صفحه مقابل جدا می‌شوند تا اختلاف پتانسیل دو صفحه با ولتاژ منبع برابر شود؛ این شارژ ادامه می‌یابد تا جریان شارژ به صفر برسد و خازن به طور کامل شارژ شود (Alexander & Sadiku, 2016).
• دشارژ: با قطع منبع یا اتصال مستقیم صفحات به یکدیگر، بارهای ذخیره‌شده به سرعت از طریق مسیر تخلیه آزاد شده و جریان دشارژ جاری می‌شود.

رفتار انعکاسی در مدار AC

در جریان متناوب، خازن به ازای هر نیم‌دوره شارژ و دشارژ می‌شود و جریانی تحت عنوان جریان جابه‌جایی ایجاد می‌کند. این ویژگی باعث می‌شود خازن در مدار AC مانند یک گذرگاه برای فرکانس‌های بالا عمل کند(Nilsson & Riedel, 2015).

اختلاف فاز و کاربرد در تصحیح ضریب توان

در خازن‌های ایده‌آل، جریان AC حدود ۹۰ درجه جلوتر از ولتاژ حرکت می‌کند. این اختلاف فاز در سیستم‌های قدرت برای جبران توان راکتیو و بهبود ضریب توان به‌کار می‌رود؛ با افزودن خازن به شبکه القایی، بخش راکتیو توان خنثی شده و کارایی سیستم افزایش می‌یابد (Griffiths, 2019).

کاربرد به‌عنوان فیلتر

• خازن‌ها به‌عنوان فیلتر پایین‌گذر (Low-pass) یا فیلتر بالاگذر (High-pass) استفاده می‌شوند تا در مدارهای صوتی و RF سیگنال‌های ناخواسته حذف یا عبور کنند.
• همچنین در مدارات کوپلینگ/دی‌کوپلینگ برای انتقال سیگنال AC و بلوک DC کاربرد دارند.

انواع خازن‌ها

برای سازمان‌دهی بهتر در ادامه دسته‌بندی خازن‌ها بر اساس شکل صفحات و جنس دی‌الکتریک ارائه می‌شود. توضیحات مختصر هر نوع در بخش های بعدی آمده است.

• خازن عدسی (Disk Capacitor)
• خازن سرامیکی (Ceramic Capacitor)
• خازن الکترولیتی
• خازن ورقه‌ای (Film Capacitor)
• خازن میکا (Mica Capacitor)
• خازن روغنی و گازی (Oil & Gas Capacitor)
• خازن متغیر (Variable Capacitor)

خازن عدسی (Disk Capacitor)

خازن عدسی یکی از متداول‌ترین خازن‌های بدون پلاریته (Non-polarized) است که به‌دلیل شکل فیزیکی خود شبیه عدس نام‌گذاری شده است. این خازن‌ها معمولاً در محدوده‌ی پیکوفاراد تا نانوفاراد ساخته می‌شوند و با افزایش ظرفیت، ابعاد آن‌ها نیز بزرگ‌تر می‌گردد (Serway & Jewett, 2018).

ظرفیت خازن عدسی با یک کد سه‌رقمی روی بدنه‌ی آن مشخص می‌شود؛ دو رقم اول مقدار پایه و رقم سوم تعداد صفر‌های پس از آن را نشان می‌دهد. برای مثال، اگر روی خازن عدد «473» چاپ شده باشد، دو رقم اول «47» و یک صفر (برابر رقم سوم) اضافه می‌شود تا عدد 47000 به دست آید که معادل 47000 pF یا 47 nF است (Hambley, 2018). در صورت نامشخص بودن یا پاک شدن کد، می‌توان با ابزارهایی مانند مولتی‌متر با قابلیت اندازه‌گیری خازن یا LCR متر، ظرفیت واقعی خازن را ارزیابی کرد (Sedra & Smith, 2018).

خازن سرامیکی (Ceramic Capacitor)

خازن‌های سرامیکی از مواد سرامیکی به‌عنوان دی‌الکتریک استفاده می‌کنند و به‌دلیل ثابت دی‌الکتریک بالا می‌توانند ظرفیت‌های قابل‌توجه (از چند پیکوفاراد تا چند میکروفاراد در انواع High-K) را در ابعاد بسیار کوچک فراهم آورند. این خازن‌ها عموماً بدون پلاریته بوده و در گستره ولتاژ کاری از چند ده ولت تا چند صد ولت موجود هستند؛ از این رو در کاربردهایی مانند کوپلینگ سیگنال‌ RF، فیلترینگ نویز و دی‌کوپلینگ در منابع تغذیه بسیار متداول‌اند (Sedra & Smith, 2018).

سرامیک‌های دی‌الکتریک به دو کلاس اصلی تقسیم می‌شوند:

• کلاس I (NP0/C0G): دارای تغییرات ظرفیت بسیار کم در گستره دما و ولتاژ، مناسب کاربردهای دقیق و RF با پایداری بالا.
• کلاس II (X7R, Y5V و…) : دارای ضریب دی‌الکتریک بسیار بالا و ظرفیت حجمی زیاد، ولی تغییرات ظرفیت قابل‌توجه با دما و ولتاژ (مثلاً ±15٪ در X7R) دارند (Hambley, 2018; Alexander & Sadiku, 2016).

با توجه به کوچک‌بودن ابعاد و پاسخ فرکانسی خوب، خازن‌های سرامیکی در کنار پردازنده‌ها و ICها برای جلوگیری از ناپایداری ولتاژ و حذف نویز فرکانس بالا به‌کار می‌روند. در مدارات RF نیز با مشخصه‌های ESL و ESR پایین برای مسیرهای سیگنال و فیلترهای باند بالا ایده‌آل هستند (Nilsson & Riedel, 2015).

خازن الکترولیتی (Electrolytic Capacitor)

خازن‌های الکترولیتی برخلاف خازن‌های بدون پلاریته، دارای قطب مثبت (+) و قطب منفی (–) هستند و معمولاً در رنج میکرو‌فاراد (µF) تولید می‌شوند. روی بدنهٔ این خازن‌ها علاوه بر مقدار ظرفیت و ولتاژ قابل تحمل، برای تعیین پایهٔ منفی از نوار رنگی مخالف و علامت منفی (–) استفاده می‌شود؛ همچنین در PCBها اغلب یک نیم‌دایرهٔ سیاه برای مشخص‌کردن پایهٔ منفی دیده می‌شود تا از اشتباه لحیم‌کاری جلوگیری شود (Alexander & Sadiku, 2016).

1. خازن الکترولیتی آلومینیومی

• ساختار داخلی: آند از ورق آلومینیوم آنودایزشده با لایهٔ نازک اکسید آلومینیوم (Al₂O₃) به‌عنوان دی‌الکتریک و الکترولیت (مایع یا جامد) به‌عنوان کاتد است.
• کاربردها: صاف‌سازی ریپل خروجی یکسوکننده‌های دیودی، تثبیت ولتاژ و کوپلینگ/دی‌کوپلینگ در منابع تغذیه DC.
• مزایا: چگالی ظرفیت بالا (تا صدها میکرو‌فاراد یا چند میلی‌فاراد)، قیمت مناسب و طیف وسیع ولتاژکاری.
• معایب: عمر محدود به‌دلیل خشک‌شدن الکترولیت، ESR نسبتاً بالا و حساسیت به دما (Sedra & Smith, 2018).

2. خازن تانتالیوم (Tantalum Capacitor)

• ساختار داخلی: آند از پودر تانتالوم با پوشش اکسید تانتالیوم (Ta₂O₅) و کاتد از اکسید منگنز یا پلیمر رسانا ساخته می‌شود.
• کاربردها: مدارهای دیجیتال حساس (مثل تلفن‌های همراه)، تجهیزات پزشکی و نظامی که نیاز به پایداری و طول عمر بالا دارند.
• مزایا: پایداری حرارتی و ولتاژی عالی، ESR پایین‌تر نسبت به نوع آلومینیومی و عمر طولانی (Hambley, 2018).

• 

  
  معایب: هزینه بالاتر، محدودهٔ ظرفیت و ولتاژ کمتر و خطر خرابی ناگهانی (قابل انفجار در اثر اتصال معکوس) (Alexander & Sadiku, 2016).

خازن ورقه‌ای (Film Capacitor)

خازن‌های ورقه‌ای از دو ورق نازک دی‌الکتریک و دو ورق فلزی به‌عنوان الکترود ساخته می‌شوند که بسته به جنس دی‌الکتریک به دو دسته‌ی کاغذی و پلاستیکی تقسیم می‌شوند.

خازن کاغذی (Paper Capacitor)

• ساختار داخلی: دی‌الکتریک از ورق‌های کاغذ آغشته به روغن یا موم و الکترودها از فویل‌های فلزی (معمولاً آلومینیوم یا مس) هستند.
• کاربردها: مناسب برای ولتاژها و جریان‌های بالا (مانند فیلترهای قدرت و EMI در سیستم‌های صنعتی) به دلیل تحمل ولتاژ و جریان بالا.
• مزایا: قابلیت کار در ولتاژ بالا و جریان‌ گذرای زیاد؛ پایداری مناسب در کاربردهای قدرت.

• 

  
  معایب: حجم فیزیکی بزرگ به‌ازای ظرفیت مشخص (به‌دلیل ثابت دی‌الکتریک پایین کاغذ) و حساسیت به رطوبت و پیرشدگی روغن (Hambley, 2018).

خازن پلاستیکی (Plastic Film Capacitor)

• ساختار داخلی: دی‌الکتریک از فیلم‌های پلیمری مهندسی مانند پلی‌استر (PET) یا پلی‌پروپیلن (PP) و الکترودها از فویل‌های فلزی یا لایه‌ی متالیزه شده روی فیلم.
• کاربردها: کاربرد در مدارهای حساس به دما (مانند تجهیزات اندازه‌گیری، مدارهای صوتی)، فیلترینگ و اصلاح ضریب توان در اینورترها.
• مزایا: پایداری ظرفیت در مقابل تغییرات دما؛ تلفات دی‌الکتریک بسیار پایین؛ قابلیت خودترمیمی در انواع متالیزه؛ دامنه‌ی ولتاژ کاری وسیع (تا چند کیلوولت) (Sedra & Smith, 2018).
• معایب: هزینه بالاتر نسبت به خازن‌های الکترولیتی برای مقادیر ظرفیت بزرگ؛ حجم فیزیکی بیشتر از خازن‌های سرامیکی برای همان ظرفیت.

خازن میکا (Mica Capacitor)

خازن‌های میکا از ورق‌های نازک میکا به‌عنوان دی‌الکتریک و لایه‌های فلزی (معمولاً نقره یا برنزی) به‌عنوان الکترود تشکیل می‌شوند.

• ظرفیت: در محدوده‌ی تقریباً 0.01 تا 1 میکروفاراد (µF)، اگرچه نمونه‌های رایج در رنج پیکوفاراد نیز یافت می‌شوند (Hambley, 2018).
• ولتاژ کاری: بسیار بالا (تا چند کیلوولت)، به‌دلیل خاصیت میکا به‌عنوان دی‌الکتریک قدرتمند و مقاوم در برابر تخلیه ناخواسته (Sedra & Smith, 2018).
• ویژگی‌ها:
• پایداری و دقت بسیار بالا (ضریب تلفات بسیار کم و تغییرات اندک با دما و ولتاژ)
• عمر طولانی و قابلیت عملکرد پایدار حتی در شرایط سخت محیطی (دمای بالا و رطوبت)

• 

  
  کاربردها: مدارات فرکانس بالا و RF (اسیلاتورها، فیلترهای دقیق، پل‌های خازنی) که نیاز به خازنی با پایداری خطی و کمترین تلفات دارند(Alexander & Sadiku, 2016)

خازن روغنی و گازی (Oil & Gas Capacitor)

خازن‌های روغنی و گازی از جمله اصلی‌ترین المان‌ها در صنعت برق برای اصلاح ضریب توان و راه‌اندازی موتورها هستند. این خازن‌ها معمولاً در شبکه‌های سه‌ فاز 400 ولت، 50 هرتز نصب می‌شوند و به‌ صورت بانک خازنی (Capacitor Bank) برای حذف توان راکتیو به‌کار می‌روند (Hambley, 2018).

ساختار داخلی:

• خازن روغنی: صفحات آلومینیومی یا مسی درون مخزنی پر از روغن با قابلیت خنک‌کنندگی قرار می‌گیرند تا دی‌الکتریک روغنی علاوه بر عایق‌سازی، حرارت ایجادشده را جذب کند.
• خازن گازی: صفحات الکترود درون محفظه‌ سیلندری تحت فشار گاز خنثی (معمولاً نیتروژن N₂) قرار می‌گیرند. این گاز علاوه بر عایق، از اکسیداسیون و خوردگی صفحات جلوگیری می‌کند.

ظرفیت و توان راکتیو:

• ظرفیت خازنی هر واحد با واحد میکرو‌فاراد مشخص می‌شود، ولی در صنعت معمولاً توان راکتیو به صورت کیلووار (kVAR) بیان می‌گردد؛ برای مثال یک خازن گازی سیلندری با دی‌الکتریک نیتروژن ممکن است 2.5 kVAR در 400 V, 50 Hz ارائه دهد.

کاربردها:

• بانک‌های خازنی برای تصحیح ضریب توان در شبکه‌های توزیع و تولید نیرو
• راه‌اندازی و تغییر گشتاور موتورهای القایی در تابلوهای برق صنعتی
• فیلترینگ فرکانس پایین و تثبیت ولتاژ در سیستم‌های قدرت

مزایا:

• تحمل ولتاژ و جریان بالا
• پایداری حرارتی و عمر طولانی به‌دلیل خنک‌کنندگی مؤثر و محافظت از صفحات
• نویز الکتریکی بسیار کم و عملکرد قابل‌اطمینان در شرایط سخت محیطی (IEC 60831)

معایب:

• حجم و وزن زیاد؛ نیاز به فونداسیون و ساختار پشتیبان
• نیاز به نگهداری دوره‌ای (بررسی روغن، تست نشتی گاز)

• 

  
  هزینهٔ نصب و سرویس بالا نسبت به خازن‌های کوچک‌مقیاس

خازن متغیر (Variable & Trimmer Capacitors)

خازن‌های متغیر (Variable) و تریمر (Trimmer) نوعی از خازن‌های دی‌الکتریک هوا یا پلاستیک هستند که ظرفیتشان با تغییر مکان یا ساختار صفحات تنظیم می‌شود. سه عامل اصلی تعیین‌کننده‌ی ظرفیت در این خازن‌ها عبارت‌اند از:

• مساحت هم‌پوشانی صفحات هادی
• فاصله‌ی بین صفحات هادی
• نوع و ضخامت دی‌الکتریک

خازن واریابل (Variable Capacitor):

• ساختار: مجموعه‌ای از صفحات ثابت (استاتور) و متحرک (روتور) روی محور گردان. با چرخش محور، سطح هم‌پوشانی صفحات تغییر کرده و ظرفیت تنظیم می‌شود.
• بازه ظرفیت: تقریباً ۱۰ تا ۴۰۰ پیکوفاراد (pF)
• 
  کاربرد: تنظیم بسامد رزونانس در گیرنده‌های رادیویی (Tuning Circuits) و مدارات LC متغیر (Sedra & Smith, 2018).

خازن تریمر (Trimmer Capacitor):

• ساختار: صفحات خازن ثابت بوده و برای تغییر ظرفیت از یک پیچ‌گوشتی کوچک استفاده می‌شود که صفحه متحرک را به آرامی جابجا می‌کند.
• بازه ظرفیت: معمولاً ۵ تا ۳۰ پیکوفاراد (pF)

• 

  
  کاربرد: تنظیم دقیق پارامترهای مدار پس از ساخت؛ کالیبراسیون فیلترها و اسیلاتورها در بردهای الکترونیکی (Hambley, 2018).

ابرخازن (Supercapacitor / Ultracapacitor)

ابرخازن‌ها نوعی خازن الکتروشیمیایی با ظرفیت بسیار بالا (از حدود ۰.۱ تا چند هزار فاراد) هستند که انرژی را عمدتاً از طریق لایهٔ دوگانه هلمولتز (EDLC) و پدیدهٔ شبه‌خازنی در مواد اکسیدی ذخیره می‌کنند.

ساختار داخلی:

• الکترودها: معمولاً از کربن فعال با مساحت سطح بسیار زیاد یا مواد اکسیدی (مثل RuO₂، MnO₂).
• جداکننده (Separator): فیلم نازک نفوذپذیر به الکترولیت.
• الکترولیت: محلول آبی یا آلی با یون‌های قابل حرکت.

ظرفیت و ولتاژ کاری:

• ظرفیت: ده‌ها تا هزاران فاراد در حجم کوچک (چند سانتی‌متر مکعب)
• ولتاژ هر سلول: حدود ۲.5–3 ولت؛ برای ولتاژهای بالاتر سلول‌ها به‌صورت سری یا موازی بسته می‌شوند.

کاربردها:

• بازیابی انرژی ترمز در خودروها و قطارها (KERS)
• پشتیبانی حافظه (SRAM backup) و UPS کوتاه‌مدت
• تأمین پالس‌های جریان بالا در فلاش دوربین و الکترونیک قدرت

مزایا:

• چگالی توان بسیار بالا و قابلیت شارژ/دشارژ سریع
• عمر چرخه بسیار طولانی (صدها هزار تا میلیون‌ها سیکل) بدون افت قابل‌توجه ظرفیت
• عملکرد پایدار در گستره دمایی وسیع

معایب:

• چگالی انرژی پایین‌تر نسبت به باتری‌های شیمیایی (عملاً برای ذخیره‌سازی بلندمدت مناسب نیست)
• شارژ خودبخودی (تخلیه خودبه‌خودی تا ۱۰–۲۰٪ در روز) و نیاز به مدیریت تعادل سلولی در بسته‌های سری‌شده
• هزینه نسبتاً بالا به ازای هر واحد انرژی ذخیره

مقایسه انواع خازن ها

در جدول زیر مقایسه کلی انواع خازن ها با توجه به ساختار دی‌الکتریک، محدوده ظرفیت و ولتاژ، پلاریته، ویژگی های ESR/ESL و کاربرد های اصلی آورده شده:

منابع

Alexander, C. K., & Sadiku, M. N. O. (2016). اصول مدارات الکتریکی (Fundamentals of Electric Circuits) (چاپ ۶). مک‌گراو-هیل.

Burke, A. (2007). ابرخازن‌ها: چرا، چگونه و کجا تکنولوژی (Ultracapacitors: why, how, and where is the technology). Journal of Power Sources, 73(1), 59–69.

Conway, B. E. (1999). ابرخازن‌های الکتروشیمیایی: مبانی علمی و کاربردهای تکنولوژیک (Electrochemical Supercapacitors: Scientific Fundamentals and Technological Applications). اشپرینگر.

Hambley, A. R. (2018). مهندسی برق: اصول و کاربردها (Electrical Engineering: Principles and Applications) (چاپ ۷). پیرسون.

IEC. (2014). خازن‌های توان شنت خودترمیم برای کاربردهای جریان متناوب تا ۱۰۰۰ ولت – بخش ۱: مشخصات عمومی (IEC 60831-1: Shunt power capacitors of the self-healing type for a.c. applications up to 1000 V – Part 1: General). کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیک.

IEC. (2014). خازن‌های سرکوب تداخل الکترومغناطیسی – بخش ۱۴: خازن‌های ایمنی کلاس X و Y (IEC 60384-14: Capacitors for electromagnetic interference suppression – Part 14: Safety capacitors). کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیک.

Miller, J. R., & Simon, P. (2008). خازن‌های الکتروشیمیایی برای مدیریت انرژی (Electrochemical capacitors for energy management). Science, 321(5889), 651–652.

Montrose, M. I. (2000). EMC and the Printed Circuit Board. IEEE Press.

Nilsson, J. W., & Riedel, S. A. (2015). مدارات الکتریکی (Electric Circuits) (چاپ ۱۰). پیرسون.

Sedra, A. S., & Smith, K. C. (2018). مدارهای میکروالکترونیکی (Microelectronic Circuits) (چاپ ۷). آکسفورد یونیورسیتی پرس.

Serway, R. A., & Jewett, J. W. (2018). فیزیک برای دانشمندان و مهندسان (Physics for Scientists and Engineers) (چاپ ۱۰). سن‌گِیج.