انواع خازن کیست؟ توضیح بده.
خازن‌ها به اشکال مختلف، سبک، طول، ابعاد و از بسیاری از مواد تولید می‌شوند. همه آنها حداقل دارای دو رسانای الکتریکی به نام «صفحات» هستند که توسط یک لایه نارسانا به نام دی‌الکتریک از هم جدا شده‌اند. خازن‌ها به عنوان بخشی از مدارهای الکتریکی در بسیاری از وسایل برقی رایج مورد استفاده قرار می‌گیرند.نکات کلی.نظریه ساختار مرسوم.خازن C با مساحت صفحات A و با گذردهی ε از ماده دی‌الکتریک افزایش می‌یابد و با فاصله جداسازی صفحات d کاهش می‌یابد.تقریباً تمام خازن‌های صنعتی مرسوم به جز برخی از انواع خاص مانند «خازن‌های توگذر»، حتی اگر الکترودهای آن‌ها و دی‌الکتریک بین آن‌ها پیچیده یا لوله شده باشد، به‌صورت «خازن صفحه‌ای» ساخته‌شده‌اند. فرمول خازن برای خازن‌های صفحه‌ای:خازن C با مساحت A صفحات و با گذردهی ε از ماده دی الکتریک افزایش می‌یابد و با فاصله جداسازی صفحه d کاهش می‌یابد.خازن‌های متداول و نام آن‌ها.متداول‌ترین انواع خازن‌ها عبارتند از:علاوه بر انواع خازن نشان داده شده در بالا، که نام خود را از توسعه تاریخی گرفته‌اند، خازن‌های منفرد بسیاری وجود دارند که بر اساس کاربرد آنها نامگذاری شده‌اند. آنها عبارتند از:اغلب، بیش از یک خانواده خازن برای این کاربردها استفاده می‌شود، به عنوان مثال سرکوبش تداخل می‌تواند از خازن‌های سرامیکی یا خازن‌های فیلم استفاده کند.دی‌الکتریک‌ها.متداول‌ترین دی‌الکتریک‌ها عبارتند از:همه آنها بار الکتریکی خود را بصورت ایستا درون یک میدان الکتریکی بین دو الکترود (موازی) ذخیره می‌کنند.مهم‌ترین پارامترهای ماده دی‌الکتریک‌های مختلف استفاده‌شده و ضخامت لایه-هلمولتز در جدول زیر آورده شده‌است.پارامترهای کلیدییک نگاه کوتاه به عددهای جدول بالا توضیحاتی در مورد برخی حقیقت‌های ساده ارائه می‌دهد:محدودهٔ ظرفیت و ولتاژ.ظرفیت از پیکوفراد تا بیش از صدها فاراد متغیر است. نرخ‌بندی ولتاژ می‌تواند به ۱۰۰ کیلوولت می‌رسد. به‌طور کلی، ظرفیت و ولتاژ با اندازه و هزینه فیزیکی در ارتباط است.کوچک‌سازی.همان‌طور که در سایر زمینه‌های الکترونیک، بازدهی حجمی کارایی عملکرد الکترونیکی در واحد حجم را اندازه‌گیری می‌کند. برای خازنها، بازدهی حجمی با "ضرب CV" اندازه‌گیری می‌شود، که با ضرب ظرفیت (C) با حداکثر نرخ ولتاژ (V)، تقسیم بر حجم محاسبه می‌شود. از ۱۹۷۰ تا ۲۰۰۵، بازده حجمی به طرز چشمگیری بهبود یافته‌است. محدوده همپوشانی کاربردها.این خازن‌های منحصر به فرد می‌توانند مستقل از وابستگی خود به نوع خازن نشان داده شده در بالا، کارکرد خود را انجام دهند، به طوری که گستره وسیعی از کاربردهای بین انواع مختلف خازن وجود دارد.انواع و سبک‌ها.خازن‌های سرامیکی.خازن سرامیکی یک خازن ثابت غیرقطبیده است که از دو یا چند لایه متناوب از سرامیک و فلز ساخته شده‌است و در آن مواد سرامیکی به عنوان دی‌الکتریک و فلز به عنوان الکترود عمل می‌کند. مواد سرامیکی مخلوطی از دانه‌های ریز خردشده از مواد پاراالکتریک یا فروالکتریک، اصلاح‌شده با مخلوط اکسیدها است که لازم برای رسیدن به مشخصات مورد نظر خازن است. رفتار الکتریکی مواد سرامیکی به دو کلاس پایداری تقسیم می‌شود:از آنجا که ضخامت لایه دی الکتریک سرامیکی به راحتی توسط ولتاژ مورد نظر قابل کنترل و تولید است، خازن‌های سرامیکی با ولتاژهای نامی تا محدوده ۳۰ کیلوولت در دسترس هستند.برخی از خازن‌های سرامیکی با اشکال و سبک‌های خاص به‌عنوان خازن برای کاربردهای خاص استفاده می‌شوند، از جمله خازن‌های سرکوبش RFI/EMI برای اتصال به شبکه تغذیه، که به عنوان خازن‌های ایمنی نیز شناخته می‌شوند، X2Y® و خازن‌های سه پایانه برای کاربردهای کنارگذری و واتزویج‌سازی , خازن‌های تغذیه برای سرکوبش نویز توسط فیلترهای پایین‌گذر و خازن‌های قدرت سرامیکی برای فرستنده‌ها و کاربردهای HF.خازن‌های پوسته‌ای یا فیلمی.خازن‌های پوسته‌ای یا خازن‌های فیلم پلاستیکی خازن‌های غیرقطبیده هستند که دارای یک فیلم پلاستیکی عایق به عنوان دی الکتریک هستند. فیلم‌های دی الکتریک به یک لایه نازک کشیده می‌شوند، همراه با الکترودهای فلزی و به یک پیچهٔ استوانه ای پیچیده می‌شوند. الکترودهای خازن‌های فیلم ممکن است آلومینیومی یا روی متالیزه‌شده باشد، در یک یا دو طرف فیلم پلاستیکی اعمال شوند، درنتیجه خازن‌های فیلم متالیزه شده یا یک ورق فلزی جداگانه ای که روی فیلم قرار دارد، خازن‌های فیلم‌/ فویل نامیده می‌شود.یک مزیت اساسی در ساخت داخلی هر خازن پوسته‌ای، تماس مستقیم با الکترودهای دوسَر پیچه است. این تماس تمام مسیرهای جریان را بسیار کوتاه نگه می‌دارد. این طرح مانند تعداد زیادی خازن منفرد متصل‌شده به‌طور موازی رفتار می‌کند، بنابراین باعث کاهش تلفات اهمی داخلی (ئی‌اس‌آر) و ئی‌اس‌ال می‌شود. هندسه ذاتی ساختار خازن فیلم منجر به تلفات اهمی کم و سلف مزاحم کم می‌شود، که آنها را برای کاربردهای با جریان ضربه‌ای زیاد (اسنابر) و برای کاربردهای برق AC یا برای کاربردهای با فرکانس بالاتر مناسب می‌کند.پوسته‌های پلاستیکی مورد استفاده به عنوان دی‌الکتریک برای خازن‌های پوسته‌ای عبارتند از: پلی‌پروپیلن (PP)، پلی‌استر (PET)، پلی فنیلن سولفید (PPS)، پلی‌اتیلن نفتالات (PEN) و پلی‌تترافلورواتیلن یا تفلون (PTFE). مواد فیلم پلی پروپیلن با سهم بازاری در حدود ۵۰٪ و فیلم پلی‌استر با چیزی در حدود ۴۰٪ از پرکاربردترین مواد پوسته هستند. بقیه چیزی حدود ۱۰٪ توسط همه مواد دیگر از جمله PPS و کاغذ با تقریباً ۳٪ هر کدام استفاده خواهد شد.خازن‌های الکترولیتی.خازن‌های الکترولیتی دارای یک آند فلزی هستند که با یک لایه اکسیده شده و به عنوان دی‌الکتریک استفاده می‌شود. الکترود دوم یک الکترولیت غیر جامد (مرطوب) یا جامد است. خازن‌های الکترولیتی قطبیده هستند. سه خانواده در دسترس هستند که طبق دی‌الکتریک‌شان طبقه‌بندی می‌شوند.میزان مجاز پنت‌اکسید تانتال تقریباً سه برابر بیشتر از اکسید آلومینیوم است و اجزای قابل توجهی کوچکتر تولید می‌کند. با این حال، مجاز بودن فقط ابعاد را تعیین می‌کند. پارامترهای الکتریکی، به ویژه رسانایی، توسط مواد و ترکیب الکترولیت ایجاد می‌شوند. از سه نوع الکترولیت کلی استفاده می‌شود:خازن‌های الکترولیتی آلومینیومی دوقطبی (خازن‌های غیرقطبیده) نیز نامیده می‌شوند: حاوی دو ورق آلومینیوم آندشی هستند که مانند دو خازن متصل به یکدیگر رفتار می‌کنند.خازن‌های الکترولیتیک برای کاربردهای خاص شامل خازن‌های استارت موتور، خازن‌های چراغ‌فلش و خازن‌های فرکانس صوتی است.ابرخازن‌ها.ابرخازن‌ها (SC) , خانواده ای از خازن‌های الکتروشیمیایی را تشکیل می‌دهند. ابرخازن‌، که گاهی فراخازن نامیده می‌شود یک اصطلاح عمومی برای خازن‌های دو لایه الکتریکی (EDLC)، شبه‌خازن و خازن‌های هیبریدی است. آنها دی‌الکتریک معمولی جامد ندارند. ظرفیت خازن الکتروشیمیایی توسط دو اصل ذخیره‌سازی تعیین می‌شود، که هر دو به ظرفیت کل خازن کمک می‌کنند:ابرخازن‌ها طیف گسترده‌ای از کاربردها را برای نیازهای قدرت و انرژی پشتیبانی می‌کنند، ازجمله:بسیاری از مقررات ایمنی الزام می‌کنند که خازن‌های کلاس X یا کلاس Y را باید هر زمان که "خرابی اتصال-کوتاه" می‌تواند انسان را در معرض خطر قرار دهد، استفاده کرد تا حتی در هنگام خرابی خازن، انزوای گالوانیک را تضمین کند.به‌طور خاص، مقررات ایمنی ترتیب خاصی از خازن‌های فیلترسازی شبکه اصلی کلاس X و کلاس Y را الزامی می‌کند.خازن‌های متفرقه.خازن‌های ویژه.خازن‌هایی که از چرخاندن ۲ تکه سیم عایق به یکدیگر ساخته می‌شوند، خازن‌های گیمیک نامیده می‌شوند. خازن‌های گیمیگ در گیرنده‌های رادیویی تجاری و آماتور استفاده می‌شد.خازن‌های متغیر.خازن‌های متغیر ممکن است با حرکت مکانیکی ظرفیت خود را تغییر دهند. به‌طور کلی دو نسخه از خازن‌های متغیر باید از هم متمایز شوندخصوصیات الکتریکی.مدار معادل سری.خازن‌های گسسته از خازن ایده‌آل متفاوت می‌شوند. یک خازن ایده‌آل فقط انرژی الکتریکی را بدون اتلاف ذخیره و آزاد می‌کند. اجزای خازن دارای تلفات و قطعات القایی مزاحم هستند. این عیوب در مواد و ساختار می‌تواند پیامدهای مثبتی مانند فرکانس خطی و رفتار دما در خازن‌های سرامیکی کلاس ۱ داشته باشد. برعکس، پیامدهای منفی شامل خازن غیرخطی و وابسته به ولتاژ در خازن‌های سرامیکی کلاس ۲ یا عایق‌بندی ناکافی دی الکتریک خازن‌ها است که منجر به جریان‌های نشتی می‌شود.تمام خواص را می‌توان توسط یک مدار معادل سری متشکل از یک خازن ایده‌آل و اجزای الکتریکی اضافی که تمام تلفات و پارامترهای القایی یک خازن را مدل می‌کند، تعریف و مشخص کرد. در این مدار معادل سری، مشخصه‌های الکتریکی به صورت زیر تعریف می‌شوند:مقادیر خازنی و تلرانس استاندارد.ظرفیت نامی C R یا ظرفیت اسمی C N مقداری است که خازن برای آن طراحی شده‌است. ظرفیت واقعی به فرکانس اندازه‌گیری‌شده و دمای محیط بستگی دارد. شرایط استاندارد اندازه‌گیری یک روش اندازه‌گیری ولتاژ پایین AC در دمای ۲۰ °C است با فرکانس‌هایتلرانس خازن‌ها و کد حروف آنهاوابستگی به دما.ظرفیت خازنی معمولاً با دما تغییر می‌کند. دی الکتریک‌های مختلف تفاوت‌های زیادی را در حساسیت دمایی بیان می‌کنند. ضریب دما برای خازن‌های سرامیکی کلاس ۱ برحسب قسمت در میلیون (ppm) در هر درجه سانتیگراد یا ٪ بیش از محدوده دمای کل برای بقیه.وابستگی به فرکانس.اکثر انواع خازن‌های گسسته با افزایش فرکانس تغییرات کم و بیش ظرفیت خازنی دارند. استقامت دی‌الکتریک فیلم سرامیکی و پلاستیکی کلاس ۲ با افزایش فرکانس کاهش می‌یابد؛ بنابراین مقدار ظرفیت خازنی آنها با افزایش فرکانس کاهش می‌یابد. این پدیده برای دی الکتریک‌های کلاس ۲ سرامیکی و پوسته پلاستیکی مربوط به واهُلش دی‌الکتریک است که در آن ثابت زمانی دوقطبی‌های الکتریکی دلیل وابستگی فرکانس گذردهی است. نمودارهای زیر رفتار فرکانس معمولی خازن را برای خازن‌های سرامیکی و فیلمی نشان می‌دهد.وابستگی به ولتاژ.ظرفیت خازنی نیز ممکن است با ولتاژ اعمال شده تغییر کند. این اثر در خازن‌های سرامیکی کلاس ۲ بیشتر است. گذردهی مواد فروالکتریک کلاس ۲ به ولتاژ اعمال شده بستگی دارد. ولتاژ اعمال شده بالاتر گذردهی را کاهش می‌دهد. تغییر ظرفیت خازنی می‌تواند تا ۸۰ درصد مقدار اندازه‌گیری شده با ولتاژ اندازه‌گیری استاندارد ۰٫۵ یا ۱٫۰ ولت کاهش یابد. این رفتار منبع کوچکی از غیرخطسانی در فیلترهای کم-اعوجاج و سایر کاربردهای آنالوگ است. در کاربردهای صوتی، این می‌تواند باعث اعوجاج شود (با استفاده از THD اندازه‌گیری می‌شود).تلفات اهمی، ESR، ضریب اتلاف و ضریب کیفیت.تلفات مجموع در خازنهای گسسته تلفات اهمی AC است. تلفات DC به عنوان " جریان نشت " یا "مقاومت عایق‌ساز" مشخص شده و برای مشخصات AC قابل چشم پوشی است. تلفات AC غیرخطی است، احتمالاً به فرکانس، دما، طول‌عمر یا رطوبت بستگی دارد. تلفات ناشی از دو شرط فیزیکی است:اگر اندوکتانس formula_2 کوچک باشد، ضریب اتلاف را می‌توان به صورت تقریبی تخمین زد:خازن‌های با تلفات بسیار کم، مانند خازن‌های سرامیکی کلاس ۱ و ۲، تلفات مقاومتی را با ضریب کیفیت (Q) مشخص می‌کنند. خازن‌های سرامیکی کلاس ۱ مخصوصاً برای مدارهای تشدید ال سی با فرکانس تا محدوده گیگاهرتز و فیلترهای بالا و پایین گذر دقیق مناسب هستند. برای یک سیستم تشدیدی الکتریکی، Q نشان دهنده اثر مقاومت الکتریکی است و پهنای‌باند تشدیدگر را مشخص می‌کند. formula_4 نسبت به مرکز یا فرکانس تشدید آن formula_5 . Q به عنوان مقدار متقابل ضریب اتلاف تعریف می‌شود.مقدار Q بالا برای مدارهای تشدید نشان دهنده کیفیت تشدید است.محدودکردن جریان بارها.یک خازن می‌تواند به عنوان یک مقاومت AC عمل کند، ولتاژ AC و جریان AC را بین دو نقطه اتصال دهد. هر جریان جاری متناوب از طریق خازن باعث تولید گرما در داخل بدنه خازن می‌شود. این اتلاف توان پراکنش formula_7 بوسیله formula_8 و مقدار مربع جریان مؤثرformula_9 (RMS) استبا ضریب اتلاف می‌توان همین افت توان را نوشت formula_11 مانندجریان تموج.یک «جریان تموج» مقدار RMS یک جریان متناوب AC با هر فرکانس و هر شکل موجی از منحنی جریان برای عملکرد مداوم در دمای مشخص است. این عمدتاً در منابع تغذیه (از جمله منابع تغذیه با حالت سوئیچ‌شونده) پس از اصلاح ولتاژ AC ایجاد می‌شود و به‌عنوان جریان شارژ و تخلیه از طریق خازن واتزویج یا صافی جریان می‌یابد. «جریان تموج نامی» نباید از افزایش دما ۳، ۵ یا ۱۰ درجه سانتیگراد تجاوزکند، بسته به نوع خازن، در حداکثر دمای محیط تعیین شده.جریان پالس.بار پالس نامی برای یک خازن خاص توسط ولتاژ نامی، فرکانس تکرارش پالس، محدوده دما و زمان افزایش پالس محدود می‌شود. «زمان فراز پالس» formula_13 ، نشان دهنده تندترین گرادیان ولتاژ پالس (زمان فراز یا فرود) است و برحسب ولت بر میکروثانیه (V/μs) بیان می‌شود.که: formula_15 در آمپر است. formula_16 در میکروفاراد؛ formula_13 در V/µsمقاومت عایق‌بندی و ثابت خود تخلیه.مقاومت دی الکتریک محدود است، که منجر به سطحی از "جریان نشتی" DC می‌شود که باعث می‌شود خازن شارژشده به مرور زمان شارژ خود را از دست بدهد. برای خازن‌های سرامیکی و فیلمی، این مقاومت "مقاومت عایق‌بندی Rins " نامیده می‌شود. این مقاومت با مقاومت Rins به موازات خازن در مدار معادل سری خازن‌ها نشان داده می‌شود. مقاومت عایق را نباید با عایق‌بندی بیرونی قطعه نسبت به محیط اشتباه گرفت.با ولتاژ DC ذخیره شده formula_18 و ثابت خودتخلیهبنابراین، پس از formula_20 ولتاژ formula_18 به ۳۷ درصد از مقدار اولیه کاهش می‌یابد.جریان نشتی.برای خازن‌های الکترولیتی مقاومت عایق‌بندی دی الکتریک «جریان نشتی» نامیده می‌شود. این جریان DC با مقاومت Rleak به موازات خازن در مدار معادل سری خازن‌های الکترولیتی نشان داده می‌شود. این مقاومت بین پایانه‌های یک خازن نیز محدود است. Rleak برای الکترولیتی‌ها نسبت به خازن‌های سرامیکی یا فیلمی کمتر است.میکروفونی.همه مواد فروالکتریک پیزوالکتریک اثر پیزوالکتریک را نشان می‌دهند. از آنجایی که خازن‌های سرامیکی کلاس ۲ از دی الکتریک سرامیک فروالکتریک استفاده می‌کنند، این نوع خازن‌ها ممکن است اثرات الکتریکی به نام میکروفونی داشته باشند. میکروفونی (میکروفونیک) توضیح می‌دهد که چگونه اجزای الکترونیکی ارتعاشات مکانیکی را به یک سیگنال الکتریکی نامطلوب (نویز) تبدیل می‌کنند.جذبش دی‌الکتریک (خیساندن).جذبش دی الکتریک زمانی اتفاق می‌افتد که یک خازن که برای مدت طولانی شارژ باقی مانده‌است، تنها درصورت تخلیه کوتاه مدت، به‌طور ناقص تخلیه می‌شود. اگرچه یک خازن ایده‌آل پس از تخلیه به صفر ولت می‌رسد، خازن‌های واقعی ولتاژ کمی را از تخلیه دوقطبی با تأخیر زمانی ایجاد می‌کنند، پدیده‌ای که به آن واهلش دی الکتریک، «خیساندن» یا «کنش باتری» نیز می‌گویند.تراکم انرژی.مقدار خازن به ماده دی الکتریک (ε)، سطح الکترودها (A) و فاصله (d) جداسازی الکترودها بستگی دارد و با فرمول یک خازن صفحه ای به دست می‌آید:جداسازی الکترودها و مقاومی ولتاژ ماده دی الکتریک، ولتاژ شکست خازن را مشخص می‌کند. ولتاژ شکست متناسب با ضخامت دی الکتریک است.از آنجایی که چگالی انرژی ذخیره شده در خازن به صورت زیر بدست می‌آید:بنابراین، یک خازن با ضخامت دی الکتریک به نصف خازن دیگر، ۴ برابر ظرفیت خازنی بالاتری دارد اما ½ ولتاژ مقاوم است، که حداکثر چگالی انرژی را به دست می‌دهد.رفتار طولانی مدت، فرسوده‌سازی.پارامترهای الکتریکی خازن‌ها ممکن است در طول زمان در طول ذخیره‌سازی و استفاده تغییرکنند. دلایل تغییر پارامترها متفاوت است، ممکن است ویژگی دی الکتریک، تأثیرات محیطی، فرآیندهای شیمیایی یا اثرات خشک‌شدن مواد غیرجامد باشد.فرسوده‌سازی.در خازن‌های سرامیکی کلاس ۲ فروالکتریک، ظرفیت خازن با گذشت زمان کاهش می‌یابد. به این رفتار «فرسوده‌سازی» می‌گویند. این فرسایش در دی‌الکتریک‌های فروالکتریک اتفاق می‌افتد، جایی که حوزه‌های قطبش در دی‌الکتریک به قطبش کل کمک می‌کنند. تخریب حوزه‌های قطبیده در دی‌الکتریک باعث کاهش گذردهی و بنابراین ظرفیت خازنی در طول زمان می‌شود.طول عمر.خازن‌های الکترولیتی با سن الکترولیت غیرجامد به‌صورت تبخیر الکترولیت. این تبخیر به دما و بار جریانی که خازن‌ها تجربه می‌کنند بستگی دارد. فرار الکترولیت بر ظرفیت خازنی و ESR تأثیر می‌گذارد. ظرفیت ظرفیت کاهش می‌یابد و ESR با گذشت زمان افزایش می‌یابد. برخلاف خازن‌های سرامیکی، فیلم و الکترولیتی با الکترولیت‌های جامد، خازن‌های الکترولیتی «مرطوب» به «پایان عمر» مشخصی می‌رسند و به حداکثر تغییر ظرفیت خازنی یا ESR می‌رسند. پایان عمر، «عمر بار» یا «طول‌عمر» را می‌توان با فرمول یا نمودار یا تقریباً با یک به اصطلاح قانون-درجه-۱۰ تخمین زد. یک مشخصات معمولی برای یک خازن الکترولیتی، طول عمر ۲۰۰۰ ساعت در ۸۵ درجه سانتیگراد، را بیان می‌کند. به ازای هر ۱۰ درجه دمای پایین‌تر، دو برابر می‌شود و در دمای اتاق به طول عمر تقریباً ۱۵ سال می‌رسد.نرخ خرابی.خازن‌ها اجزای قابل اعتماد با نرخ خرابی پایین هستند که در شرایط عادی به طول عمر چندین دهه می‌رسند. اکثر خازن‌ها در پایان تولید آزمایشی مشابه «سوزاندن آزمایشی» را پشت سر می‌گذارند، به طوری که خرابی‌های اولیه در حین تولید پیدا می‌شود و تعداد خرابی‌های پس از حمل و نقل کاهش می‌یابد.