خازن‌های ثابت، به خازن‌هایی که ظرفیت آن‌ها در زمان ساخت تعیین می‌شود و پس از آن قابل تغییر نیست، خازن‌های ثابت می‌گوییم. مهم‌ترین دسته‌بندی خازن‌های ثابت دو گروه خازن‌های ثابت قطبی و خازن‌های ثابت غیرقطبی است. در این جلسه در رابطه با این دو گروه صحبت می‌کنیم.
خازن‌های ثابت غیرقطبی
خازن‌هایی هستند که از لحاظ ساختاری هیچ قطب‌بندی مشخصی ندارند، به این معنا که مهم نیست به کدام سمت‌شان در مدار نصب می‌شوند و پایه‌های چپ و راست آن‌ها با هم تفاوتی ندارد. به خازن‌های ثابت غیرقطبی، خازن‌ها غیرالکترولیت هم گفته می‌شود.
خود این دسته، به انواع مختلفی تقسیم می‌شوند که در نمودار زیر با هم می‌بینیم.
از این بین، ابتدا به سراغ دسته‌ی خازن‌های سرامیکی می‌رویم.
خازن‌های سرامیکی
متداول‌ترین نوع خازن‌های ثابت، خازن‌های سرامیکی هستند. این خازن‌های ثابت را از آن جهت سرامیکی می‌نامند که دی‌الکتریک به کار رفته در آن‌ها از جنس سرامیک است. براساس کاربرد‌هایی که دارند آن‌ها را به دو گروه کلاس 1 و کلاس 2 تقسیم می‌کنند. به عنوان مثال، خازن‌های سرامیکی کلاس 1 پایداری بالایی دارند و در مدارهای رزونانسی خیلی خوب عمل می‌کنند، در حالی‌که خازن‌های سرامیکی کلاس 2 بهره‌وری بالایی دارند و در مدارهای تزویج عملکرد بسیار خوبی دارند.
یک صفحه یا لوله توخالی از جنس مواد سرامیکی مانند تیتانیوم‌دی‌اکسید یا باریم تیتانات را در نظر بگیرید که سطح آن از دو طرف جیوه اندود می‌شود. به این ترتیب دو طرف آن مانند دو صفحه‌ی یک خازن و سرامیک به عنوان دی‌الکتریک آن خازن عمل می‌کنند. در نهایت خازن درون یک محفظه‌ی پوششی ضدرطوبت قرار داده می‌شود و پایه‌ها را نیز از دو سطح جیوه‌ای گرفته و به بیرون می‌کشند.
یکی از پرکاربردترین انواع به‌روز خازن‌های سرامیکی، خازن‌های تراشه‌ای چند لایه هستند(MLCC). این خازن‌ها با تکنولوژی SMD ساخته می‌شوند و عمده محبوبیت آن‌ها به دلیل ابعاد کوچک‌شان است. بازه‌ی ظرفیت این گروه از خازن‌ها بین 1 نانوفاراد تا 100میکروفاراد است.
خازن‌های فیلم
دسته‌ای از خازن‌ها هستند که ماده‌‌ی دی‌الکتریک‌شان موادی با ضخامت یک غشای نازک،که فیلم گفته می‌شود، است. بسته به اینکه جنس فیلم استفاده شده کاغذی است یا فلزی، این خازن‌ها به دو گروه تقسیم می‌شوند.
توجه شود که در هر دو گروه خازن فیلم، دی‌الکتریک استفاده شده کاغذی است. در نوع کاغذی از کاغذی به خصوص ( کاغذ مومی) و در نوع فلزی از ورقه‌ای کاغذی که با فلز پوشیده شده است، استفاده می‌شود.
ساختار یک خازن فیلم را در تصویر زیر می‌بینیم.
خازن‌های فیلم کاغذی
همان‌طور که گفتیم، ماده دی‌الکتریک مورد استفاده در این گروه، ورقه‌های نازک کاغذی است. دو صفحه‌ی زرورقی بسیار نازک از جنس قلع در بین صفحات کاغذی روغنی یا مومی قرار داده می‌شوند. به این ترتیب این صفحات کاغذی نقش دی‌الکتریک و دو صفحه فلزی نقش دو صفحه‌ی خازن را بازی می‌کنند. سپس مجموعه‌ی این صفحات به شکل ساندویچی پیچیده شده و درون یک محفظه‌ی سیلندر (استوانه تو خالی) شکل قرار می‌گیرند. محفظه با پوششی پلاستیکی پوشیده می‌شود و پایه‌های خازن را نیز از دو سمت محفظه بیرون می‌کشند. البته گفتنی ست که امروز ورقه‌های پلاستیکی جایگزین ورقه‌های کاغذی شده‌اند.
در تصویر زیر یک خازن فیلم کاغذی را مشاهده می‌کنید.
این خازن‌ها در محدوده‌ی ظرفیتی 0.001 میکروفاراد تا 2 میکروفاراد و ولتاژ تا حدود 2000 ولت وجود دارند. بیشترین کاربرد آن‌ها در مدارات ولتاژ بالا یا جریان بالا است.
خازن‌های فیلم فلزی
گروه دوم از خازن‌های فیلمی هستند که علاوه بر فیلم فلزی گاهی با نام فویل فلزی یا کاغذ فلزی هم از آن‌ها یاد می‌شود چرا که دی‌الکتریک مورد استفاده در آن‌ها ورقه‌ی از جنس کاغذ است که با لایه‌ی بسیار نازکی از فلز پوشانده می‌شود. یعنی برخلاف نوع فیلم کاغذی، در اینجا دی‌الکتریک مصرفی، کاغذ به تنهایی نیست بلکه کاغذی است که با فیلم آلومینیوم یا روی پوشانده شده است. یعنی در اینجا دیگر برخلاف حالت قبل دو صفحه‌ی فلزی لابه‌لای صفحات کاغذی قرار نمی‌گیرند بلکه خود صفحه کاغذی مستقیما با فلز پوشانده می‌شود که به این ترتیب حجم نهایی خازن بسیار کمتر خواهد بود.
پوشش آلومینیومی بر پوشش روی ترجیح داده می‌شود تا از فرسودگی و خوردگی خازن به دلیل واکنش‌های شیمیایی حتی‌الامکان اجتناب شود.
ورقه‌های پوشیده شده با آلومینیوم به صورت ساندویچی پیچیده می‌شوند تا به شکل یک سیلندر درآیند. کل این مجموعه نهایتا درون محفظه‌ای از جنس پلاستیک یا رزین( نوعی صمغ) فشرده قرار داده می‌شود و دو پایه نیز بیرون کشیده می‌شوند.
این خازن‌ها نیز درکاربردهای ولتاژ یا جریان بالا استفاده می‌شوند.
سایر انواع خازن‌ها
انواع متفرقه‌ای از خازن‌های ثابت نیز وجود دارند که در دسته‌بندی‌های گفته شد طبقه‌بندی نمی‌شوند. این خازن‌ها پس از تعیین شدن دی‌الکتریک خود و براساس جنس آن نام‌گذاری می‌شوند. شامل خازن‌های میکا، خازن‌های هوا، خازن‌های خلاء، خازن‌های شیشه و …
خازن‌های میکا
اگر از یک ورقه‌ی نازک میکا به عنوان دی‌الکتریک استفاده کنیم، یک خازن میکا خواهیم داشت. دقیقا مانند خازن‌های فیلم کاغذی، ورقه‌های نازک فلزی در بین ورقه‌های میکا قرار داده می‌شوند و با هم ساندویچ‌پیچ می‌شوند. دو پایه‌ی فلزی نیز به عنوان پایه‌های خازن در دو انتهای ساندویچ به ورقه‌های فلزی متصل می‌شوند و بدنه خازن درون یک کپسول( محفظه) از جنس پلاستیک بیک‌لایت (نام بازرگانی نوعی پلاستیک ساخته شده از فرمالدهید و فنول) جا می‌گیرد. محصول نهایی به شکل چیزی است که در تصویر زیر می‌بینید:
خازن‌های میکا در محدوده‌ی 50 تا 500 پیکوفاراد ساخته می‌شوند و حداکثر ولتاژ کاری‌شان 500 ولت است.
کاربرد خازن‌های میکا
غالبا در مدارهای الکترونیکی مانند فیلترهای موج‌دار، مدارهای رزونانسی، مدارهای تزویج، مدارهای توان بالا یا فرستنده‌های جریان بالای RF استفاده می‌شوند.
خازن‌های هوا
خازن‌های ثابتی که دی‌الکتریک‌شان هوا است. ساده‌ترین نوع آن‌ها که تقریبا همه با آن آشنا هستند، دو صفحه‌ی فلزی در مقابل هم است که بین آن‌ها هوا وجود دارد. این ساختار دقیقا مانند خازن‌های متغیر واریابل است.
بنابراین این خازن‌ها هم می‌توانند مقدار ثابت داشته باشند و هم متغیر اما نوع ثابت آن‌ها کمتر استفاده می‌شود چرا که انواع دیگر خازن‌های ثابت با ویژگی‌های بهتر و بالاتر وجود دارند.
خازن‌های خلاء
در این گونه خازن‌ها، به جای هوای معمولی یا هر نوع ماده دیگری از یک خلاء قوی به عنوان دی‌الکتریک استفاده می‌شود. این گروه نیز البته در هر دو نوع ثابت و متغیر وجود دارند. ساختار آن‌ها مشابه لوله‌ها‌ی خلاء است. اغلب آن‌ها به فرم یک محفظه‌ی شیشه‌ای که حاوی یک شبکه استوانه مانند از دایره‌های متحد‌المرکز متدمانند است، می‌باشند.
در تصویر زیر ساختار یک خازن خلاء متغیر را به خوبی می‌بینید:
و در این تصویر ساختار خازن خلاء ثابت را داریم:
کاربرد خازن‌های خلاء
خازن‌های خلاء متغیر در محدوده‌ی 12 تا 5000 پیکوفاراد وجود دارند و در ولتاژهای بالایی چون 5کیلوولت تا 60کیلوولت قابل استفاده‌اند. معمولا در تجهیزات‌های مهم و اصلی همچون فرستنده‌های مخابراتی توان بالا، تقویت‌کننده‌های RF و تیونر‌های آنتن‌ها استفاده می‌شوند.
خازن‌های شیشه
خازن‌های شیشه‌ای گونه‌ای بسیار منحصربه‌فرد هستند که مزایا و کاربردهای بسیاری نیز دارند. مانند تمام موارد بالا، در اینجا نیز شیشه جنس دی‌الکتریک این خازن‌هاست. در عین داشتن دی‌الکتریک شیشه‌ای، دارای الکترود‌های آلومینیومی نیز هستند. محفظه خارجی آن‌ها از جنس پلاستیک است و پایه‌ها می‌توانند از نوع محوری یا لوله‌ای باشند.
برخی از انواع مزایای خازن‌های شیشه
- ضریب دمایی پایین دارند.
- بدون نویز هستند.
- کیفیت خروجی گرفته شده از آن‌ها بسیار بالا بوده و افت اندکی دارند.
- از عهده کارکردن در نقطه‌کارهای دارای دمای بالا به خوبی برمی‌آیند.
- از عهده کار کردن در مدارهای RF گسترده به خوبی برمی‌آیند.
و برخی کاربردهای خازن‌های شیشه
- قابل استفاده در مدارهایی که محدوده دمایی عملکردشان بالاست.
- قابل استفاده در مدارهایی که به ضریب کیفیت بالا نیاز دارند.
- قابل استفاده در مدارهای توان بالایی که عملکرد سایر بخش‌های مدار به عملکرد این بخش‌ها وابسته است.
- قابل استفاده در مدارهایی که به تلرانس بالا نیاز دارند.
خیلی ممنون از اینکه این جلسه از آموزش مفاهیم پایه الکترونیک را مطالعه کردید.
منبع: میکرودیزاینرالکترونیک
