فهرست مطالب
-
مشخصات خازن
-
مشخصات خازن
-
1. ظرفیت نامی (C)
-
ولتاژ کاری (WV)
-
۳. تلورانس (±%)
-
۴. جریان نشتی
-
5. دمای کاری (T)
-
6. ضریب دما (TC)
-
۷. پلاریته
-
8. مقاومت سری معادل (ESR)
مشخصات یک خازن، دما، ولتاژ نامی، دامنه ظرفیت و همچنین مزیت آن را در یک کاربرد خاص تعریف می‌کند.
مجموعه‌ای گیج‌کننده از مشخصات و خصوصیات مربوط به خازن وجود دارد و گاهی اوقات خواندن و درک اطلاعات چاپ شده روی بدنه خازن دشوار است، به ویژه هنگامی که از رنگ‌ها یا کدهای عددی استفاده می‌شود.
هر خانواده یا نوع خازن مجموعه‌ای منحصر به فرد از مشخصات دارد و از سیستم شناسایی مختص خود استفاده می‌کند؛ برخی از سیستم ها به راحتی قابل فهم هستند و برخی دیگر از حروف، رنگ ها یا نمادهای گمراه کننده استفاده می‌کنند.
بهترین راه برای فهمیدن اینکه مشخصه‌های خازن به چه معناست، این است که ابتدا مشخص شود خازن به کدام خانواده، از جمله سرامیک، فیلم، پلی‌استر یا الکترولیتی، تعلق دارد؛ پس از آن، شناسایی ویژگی‌های خاص خازن آسان‌تر می‌شود.
حتی اگر دو خازن دارای ظرفیت کاملا یکسانی باشند، ممکن است ولتاژهای نامی آنها متفاوت باشد. اگر یک خازن با ولتاژ نامی کوچک‌تر به جای خازنی با ولتاژ نامی بالاتر جایگزین شود، افزایش ولتاژ ممکن است به خازن کوچک‌تر آسیب برساند.
همچنین از آموزش قبلی به یاد داریم که در استفاده از یک خازن الکترولیتی قطبی، پایه مثبت باید به اتصال مثبت و پایه منفی به اتصال منفی وصل شود، در غیر این صورت ممکن است آسیب ببیند. بنابراین همیشه بهتر است یک خازن قدیمی یا خراب را با همان نوع مشخص شده جایگزین کنید. در زیر مثالی از علامت‌های خازن آورده شده است.
مشخصات خازن
خازن، مانند سایر قطعات الکترونیکی، با یک سری خصوصیات تعریف می‌شود. این مشخصات خازن را همیشه می‌توان در دیتا‌شیت‌هایی که سازنده خازن در اختیار ما قرار داده است، یافت. بنابراین در اینجا فقط برخی از موارد مهم ذکر شده است.
1. ظرفیت نامی (C)
مقدار نامی ظرفیت (C) خازن مهمترین ویژگی آن است. این مقدار با واحدهای پیکو فاراد (pF)، نانو فاراد (nF) یا میکرو فاراد (μF) اندازه گیری و به صورت اعداد، حروف یا باندهای رنگی روی بدنه خازن علامت گذاری می‌شود.
مقدار ظرفیت خازن می‌تواند با فرکانس مدار (هرتز Hz) و با دمای محیط تغییر کند. خازن‌های سرامیکی کوچک می‌توانند مقادیر نامی کم تا یک پیکو فاراد (1pF) داشته باشند در حالی که خازن‌های الکترولیتی بزرگ، مقادیر ظرفیت نامی بالا تا یک فاراد (1F) دارند.
همه خازن‌ها دارای یک درجه تلورانس هستند که می‌تواند از -۲۰% تا بیش از +۸۰% برای الکترولیتی آلومینیوم متغیر باشد و بر مقدار واقعی آن تاثیر بگذارد. انتخاب ظرفیت توسط پیکربندی مدار تعیین می‌شود، اما ممکن است مقدار درج شده بر بدنه خازن لزوما مقدار واقعی آن نباشد.
ولتاژ کاری (WV)
ولتاژ کاری یکی دیگر از مشخصات مهم خازن است که حداکثر ولتاژ مداوم DC یا AC را تعریف می‌کند که می‌تواند در طول عمر کار خازن، بدون خرابی بر آن اعمال شود. عموما ولتاژ کاری چاپ شده در کنار بدنه خازن‌ها به ولتاژ کاری DC آن اشاره دارد (WV DC).
مقادیر ولتاژ DC و AC معمولا برای خازن یکسان نیستند، چراکه مقدار ولتاژ AC به rms اشاره دارد. مقدار و نه حداکثر یا اوج مقدار که 1.414 برابر بیشتر است. همچنین، ولتاژ کاری مشخص شده DC در یک محدوده دمای مشخص، معمولا از -30°C تا +70°C، معتبر است.
هر ولتاژ DC بیش از ولتاژ کاری یا جریان ریپل AC بیش از حد می‌تواند باعث خرابی شود. بنابراین نتیجه می‌گیریم که اگر خازن در یک محیط خنک و در محدوده ولتاژ نامی خود کار کند، عمر طولانی‌تری خواهد داشت. ولتاژهای کاری DC متداول، 10V، 16V، 25V، 35V، 50V، 63V، 100V، 160V، 250V، 400V و 1000V هستند و روی بدنه خازن چاپ می‌شوند.
۳. تلورانس (±%)
همانند مقاومت‌ها، خازن‌ها نیز دارای درجه تلورانس هستند که به عنوان یک مقدار مثبت-یا-منفی به پیکو فاراد (±pF) برای خازن‌های با ظرفیت کم معمولا کمتر از 100pF، یا به صورت درصد (±%) برای خازن‌های با ظرفیت بالاتر معمولا بیشتر از 100pF بیان می‌شوند.
مقدار تلورانس، میزانی است که ظرفیت واقعی مجاز است از مقدار نامی آن متفاوت باشد و می تواند از -20% تا +80% متغیر باشد. بنابراین یک خازن 100μF با تلورانس ±20% می‌تواند قاعدتا از 80μF تا 120μF متفاوت باشد و هنوز در حد تلورانس باقی بماند.
خازن ها با توجه به اینکه مقادیر واقعی آنها چقدر به ظرفیت نامی نزدیک است، درجه بندی می‌شوند و از نوارهای رنگی یا حروف برای نشان دادن تلورانس واقعی آنها استفاده می‌شود. رایج‌ترین تلورانس برای خازن‌ها ۵% یا ۱۰% است، اما برخی از خازن‌های پلی‌استر تلورانس‌های پایین تا ±۱% نیز دارند.
۴. جریان نشتی
دی‌الکتریک مورد استفاده در داخل خازن برای جدا کردن صفحات رسانا عایق کاملی نیست و در نتیجه جریان بسیار کمی از دی‌الکتریک جاری می‌شود یا «نشت» می‌کند. این به دلیل تاثیر میدان‌های الکتریکی قدرتمند به وجود آمده توسط بار بر روی صفحات هنگام اعمال ولتاژ تغذیه ثابت است.
به این جریان کوچک DC در محدوده نانو آمپر (nA) جریان نشتی خازن گفته می‌شود. جریان نشت، نتیجه حرکت الکترون‌ها از طریق محیط دی‌الکتریک، در اطراف لبه‌ها یا از طریق پایه‌های آن است و با گذشت زمان در صورت حذف ولتاژ تغذیه، خازن به طور کامل دشارژ (تخلیه) می‌شود.
هنگامی که نشت بسیار کم است، مانند خازن‌های نوع فیلم یا فویل، عموما به عنوان «مقاومت عایق» (Rp) شناخته می‌شود و می تواند به عنوان یک مقاومت با مقدار بسیار بالا به موازات خازن، همانطور که نشان داده شده است، بیان شود. هنگامی که جریان نشت زیاد باشد، مانند خازن‌های الکترولیتی، از آن به عنوان «جریان نشت» یاد می‌شود، چراکه که جریان الکترون مستقیما از الکترولیت عبور می‌کند.
جریان نشت خازن یک پارامتر مهم در مدارهای کوپلیگ تقویت کننده یا در مدارهای منبع تغذیه است و بهترین گزینه برای کاربردهای کوپلینگ و یا ذخیره سازی، تفلون و انواع خازن‌های پلاستیکی دیگر (پلی پروپیلن، پلی استایرن و غیره) می‌باشد، زیرا هر چه ثابت دی‌الکتریک کمتر باشد، مقاومت عایق بیشتر است.
از طرف دیگر، خازن‌های از نوع الکترولیتی (تانتال و آلومینیوم) ممکن است ظرفیت‌های بسیار بالایی داشته باشند، اما به دلیل مقاومت عایق ضعیف، جریان نشتی بسیار بالایی دارند (معمولا در حدود 5-20μA به ازای هر میکرو فاراد). بنابراین برای کاربردهای ذخیره سازی یا کوپلینگ مناسب نیستند. همچنین، جریان نشت برای خازن‌های الکترولیتی آلومینیوم با دما افزایش می‌یابد.
5. دمای کاری (T)
تغییرات دما در اطراف خازن، به دلیل تغییر در خصوصیات دی‌الکتریک، روی مقدار ظرفیت تاثیر می‌گذارد. اگر هوا یا دمای اطراف خازن خیلی گرم یا خیلی سرد شود، ممکن است مقدار ظرفیت خازن آن قدر تغییر کند که در عملکرد صحیح مدار تاثیر بگذارد. دامنه کار نرمال برای اکثر خازن ها -30°C تا +125°C است و ولتاژ نامی داده شده، مخصوصا برای انواع خازن‌های پلاستیکی، برای محدوده دمای کاری کمتر از +70°C می‌باشد.
به طور کلی در خازن‌های الکترولیتی و به خصوص خازن الکترولیتی آلومینیوم، در دمای بالا (بیش از 85°C) مایع داخل الکترولیت ممکن است به دلیل تبخیر از بین برود و بدنه خازن (به ویژه اندازه‌های کوچک) ممکن است به دلیل فشار داخلی تغییر شکل دهد و کاملا نشت کند. همچنین، از خازن‌های الکترولیتی نمی‌توان در دمای پایین، کمتر از 10°C استفاده کرد، زیرا ژل الکترولیت منجمد می‌شود.
6. ضریب دما (TC)
ضریب حرارتی یک خازن ،حداکثر تغییر ظرفیت آن در یک محدوده دمای مشخص است. ضریب حرارتی یک خازن عموما به صورت خطی و به صورت بخش در میلیون بر درجه سانتیگراد (ppm/°C)، یا به عنوان درصد تغییر در دامنه خاصی از دما بیان می‌شود. بعضی از خازن‌ها غیرخطی هستند (خازن‌های کلاس 2) و با افزایش دما مقدار خود را افزایش می‌دهند. ضریب حرارتی این خازن‌ها به صورت «P» مثبت بیان می‌شود.
ظرفیت بعضی از خازن‌ها با افزایش دما کاهش می‌یابد و ضریب حرارتی آنها به صورت «N» منفی بیان می‌شود. به عنوان مثال، «P100» یعنی +100 ppm/°C یا «N200» یعنی -200 ppm/°C و غیره. با این حال، برخی خازن‌ها مقدار خود را تغییر نمی‌دهند و در یک محدوده دمایی مشخص، ثابت می‌مانند. چنین خازن‌هایی دارای ضریب حرارتی صفر یا «NPO» هستند. از این نوع خازن‌ها، مانند میکا یا پلی استر، عموما به عنوان خازن‌های کلاس 1 یاد می‌شود.
بیشتر خازن‌ها، به خصوص خازن‌های الکترولیتی، با گرم شدن ظرفیت خود را از دست می‌دهند اما خازن‌های جبران کننده دما در محدوده P1000 تا N5000 (+1000ppm/°C تا -5000ppm/°C) در دسترس هستند. همچنین می‌توان خازنی با ضریب دمای مثبت را به صورت سری یا موازی به خازنی با ضریب دمای منفی متصل کرد که نتیجه خالص آن این است که دو اثر متضاد یکدیگر را در دامنه خاصی از دما خنثی می‌کنند. یکی دیگر از کاربردهای مفید خازن‌های ضریب دما، استفاده از آنها برای خنثی کردن تاثیر دما بر سایر اجزای داخل مدار، مانند سلف‌ها و مقاومت‌ها و غیره است.
۷. پلاریته
پلاریته خازن، به طور معمول به خازن‌های نوع الکترولیتی، به طور عمده الکترولیتی آلومینیوم، با توجه به اتصال الکتریکی آنها اشاره دارد. اکثر خازن‌های الکترولیتی از نوع قطبی هستند، یعنی ولتاژ متصل به ترمینال‌های خازن باید پلاریته صحیح داشته باشد، به عبارت دیگر، مثبت به مثبت و منفی به منفی.
همانطور که قبلا اشاره کردیم، پلاریته نادرست می‌تواند باعث از بین رفتن لایه اکسید درون خازن و در نتیجه عبور جریان‌های بسیار زیاد از قطعه و منجر به خرابی آن شود.
همانطور که نشان داده شده، در اکثر خازن‌های الکترولیتی، ترمینال منفی به طور واضح با نوار سیاه، باند، فلش یا شِورون (درجه نظامی به شکل عدد 7 یا 8 فارسی) در یک طرف بدنه مشخص شده است تا از اتصال نادرست به منبع تغذیه DC جلوگیری شود.
در برخی از خازن‌های الکترولیتی بزرگ، قوطی یا بدنه فلزی به ترمینال منفی متصل می‌شود، اما بدنه فلزی خازن‌های ولتاژ بالا عایق بندی می‌شود و الکترودهای آنها برای امنیت و جدا کردن ترمینال‌های تیغه‌ای (که به نام عامیانه فیش کولری معروف است) یا پیچی، بیرون آورده می‌شوند.
همچنین، هنگام استفاده از خازن‌های الکترولیتی آلومینیوم در مدارهای هموار کننده منبع تغذیه، باید مراقب باشید که مجموع حداکثر ولتاژ DC و ولتاژ ریپل AC به «ولتاژ معکوس» تبدیل نشود.
مقاومت سری معادل (ESR)
مقاومت سری معادل یا ESR یک خازن، امپدانس AC خازن هنگام استفاده در فرکانس‌های بالا است و شامل مقاومت مواد دی‌الکتریک، مقاومت DC پایه‌ها، مقاومت DC اتصالات به دی‌الکتریک و مقاومت صفحات خازن می‌باشد که همگی در یک فرکانس و دمای خاصی اندازه‌گیری می‌شوند.
از برخی جهات، ESR مخالف مقاومت عایق است که به عنوان یک مقاومت خالص (بدون راکتانس خازنی یا القایی) به موازات خازن نمایش داده می‌شود. یک خازن ایده‌آل فقط ظرفیت دارد اما ESR به صورت یک مقاومت خالص (کمتر از 0.1Ω) به صورت سری با خازن نمایش داده می‌شود (از این رو مقاومت سری معادل نامیده می‌شود) و به فرکانس وابسته است که آن را به یک مقدار «دینامیک (پویا)» تبدیل می‌کند.
از آنجا که ESR اتلاف انرژی مقاومت سری «معادل» خازن را تعریف می‌کند، بنابراین مشخص کننده تلفات کل حرارتی (I۲R) خازن است، به ویژه هنگامی که در مدارهای تغذیه و سوئیچینگ استفاده می‌شود.
خازن‌هایی که ESR نسبتا بالایی دارند، به دلیل ثابت زمانی (RC) شارژ و دشارژ طولانی‌تر، توانایی کمتری در انتقال جریان از صفحات خود به مدار خارجی دارند. ESR خازن‌های الکترولیتی با خشک شدن الکترولیت آنها در گذر زمان، افزایش می‌یابد. خازن‌هایی با ESR بسیار پایین در دسترس هستند و مناسب‌ترین گزینه برای استفاده به عنوان فیلتر می‌باشند.
به عنوان نکته آخر، خازن‌های با ظرفیت پایین (کمتر از 0.01μF) به طور کلی خطر زیادی برای انسان ندارند. اما هنگامی که ظرفیت آنها از 0.1μF فراتر می‌رود، لمس پایه‌های خازن می‌تواند تجربه تکان دهنده‌ای باشد.
خازن‌ها توانایی ذخیره بار الکتریکی به صورت ولتاژ دو سر خود دارند، حتی در صورت عدم وجود جریان در مدار و این امر به نوعی حافظه آنها است. خازن‌های مخزن بزرگ از نوع الکترولیتی که در تلویزیون، فلاش دوربین‌های عکاسی و بانک‌های خازنی ممکن است با الکتریکی کشنده‌ای در خود ذخیره کرده باشند.
به عنوان یک قاعده کلی، هرگز پس از حذف منبع تغذیه، پایه‌های خازن‌های بزرگ را لمس نکنید. اگر در مورد وضعیت آنها یا نحوه استفاده ایمن از این خازن‌های بزرگ مطمئن نیستید، قبل از استفاده، کمک یا مشاوره تخصصی بگیرید.
ما در اینجا تنها چند مورد از ویژگی‌های متعدد خازن را برای شناسایی و تعریف شرایط کارکرد آن ذکر کرده‌ایم و در مقاله بعدی در مورد خازن‌ها، نحوه ذخیره شدن بار در صفحات خازن را بررسی کرده و از آن برای محاسبه ظرفیت استفاده می‌کنیم.
