خازن چیست و چطور کار می‌کند؟ آموزش کاربردی با مثال عملی

خازن یکی از پرکاربردترین قطعات الکترونیکی در مدارهای برق صنعتی و خانگی است که نقش مهمی در ذخیره و آزادسازی انرژی الکتریکی دارد. در این مقاله از فروشگاه ساتراپ دما، به‌صورت کاملاً کاربردی و همراه با مثال عملی توضیح می‌دهیم که خازن چیست، چگونه کار می‌کند و چطور می‌توان آن را در مدارها به‌درستی استفاده کرد.

۱) خازن چیست و چگونه کار می‌کند؟

خازن (Capacitor) یک قطعه غیرفعال الکترونیکی است که توانایی ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی در قالب میدان الکترواستاتیک را بین دو صفحه‌ی رسانا دارد. این قطعه از دو صفحه هادی (الکترود) تشکیل شده است که بین آن‌ها یک لایه عایق یا دی‌الکتریک قرار دارد. دی‌الکتریک می‌تواند از جنس‌های مختلفی مانند سرامیک، پلی‌استر، میکا، آلومینیوم اکسید یا ابرخازن‌های نانوساختاری باشد.

ساختار داخلی خازن:

ساختار فیزیکی خازن متشکل از موارد زیر است:

1. صفحات رسانا (Plate/Conductor): که بار الکتریکی را نگه می‌دارند. یکی به قطب مثبت و دیگری به قطب منفی منبع ولتاژ متصل می‌شود.
   
2. لایه دی‌الکتریک: ماده عایقی که بین دو صفحه قرار دارد و میدان الکترواستاتیکی را تشکیل می‌دهد. این ماده، ظرفیت ذخیره انرژی را تعیین می‌کند.
   
3. پایه‌ها یا ترمینال‌ها: برای اتصال به مدار، که ممکن است به‌صورت پایه‌دار (Through Hole) یا نصب سطحی (SMD) باشد.
   

عملکرد خازن چگونه است؟ (مکانیزم شارژ و دشارژ)

هنگامی که خازن به منبع ولتاژ متصل می‌شود:

• در فاز شارژ: الکترون‌ها از طریق منبع به یکی از صفحات منتقل می‌شوند (بار منفی)، و از صفحه دیگر به بیرون رانده می‌شوند (بار مثبت). در این حالت، بین دو صفحه خازن میدان الکتریکی ایجاد شده و خازن انرژی را در خود ذخیره می‌کند.
  
• در فاز دشارژ: اگر مسیر بسته‌ای بین صفحات برقرار شود، خازن به‌صورت آنی انرژی ذخیره‌شده را تخلیه می‌کند. این ویژگی، خازن را به یک ذخیره‌ساز لحظه‌ای انرژی تبدیل می‌کند.
  

نکته مهم: خازن‌ها برخلاف باتری، انرژی را به‌صورت لحظه‌ای (در میلی‌ثانیه‌ها یا کمتر) ذخیره و آزاد می‌کنند.

فرمول محاسبه ظرفیت خازن:

فرمول ظرفیت یک خازن تخت با صفحات موازی به شکل زیر است:

C=ε⋅AdC = \frac{{\varepsilon \cdot A}}{d}C=dε⋅A​

که در آن:

• CCC: ظرفیت خازن بر حسب فاراد (F)
  
• ε\varepsilonε: ضریب دی‌الکتریک (ثابت دی‌الکتریک × ε₀)
  
• AAA: مساحت صفحات خازن (m²)
  
• ddd: فاصله بین صفحات (m)
  

رفتار خازن در مدار DC و AC:

• در مدار DC: خازن پس از شارژ کامل، مانند یک مدار باز (open circuit) رفتار می‌کند و دیگر جریانی از آن عبور نمی‌کند.
  
• در مدار AC: خازن به‌صورت پیوسته شارژ و دشارژ می‌شود و جریان متناوب را عبور می‌دهد؛ ولی ولتاژ را با اختلاف فاز ۹۰ درجه عقب‌تر نگه می‌دارد.
  

واحد اندازه‌گیری خازن:

ظرفیت خازن با فاراد (F) سنجیده می‌شود، اما معمولاً در مقادیر کوچک‌تری مانند:

• میکروفاراد (μF)
  
• نانوفاراد (nF)
  
• پیکوفاراد (pF)

شما می توانید با مطالعه ی این مقاله با سنسور خازنی و انواع سنسور خازنی آشنا شوید.

انواع خازن و کاربردهای آن

1. خازن سرامیکی (Ceramic Capacitor):

خازن سرامیکی، نوعی خازن غیرقطبی است که در آن ماده دی‌الکتریک از جنس سرامیک با خواص عایقی بالا استفاده می‌شود. این خازن معمولاً از صفحات نازک فلزی به‌صورت متناوب با لایه‌های سرامیکی تشکیل شده که در بسته‌بندی‌های مختلف مانند دیسکی یا MLCC (چند لایه) ارائه می‌شود.

ویژگی‌ها:

• دارای ولتاژ شکست بالا
  
• پاسخ سریع در فرکانس‌های بالا (نویز فیلترینگ)
  
• ظرفیت کم تا متوسط (pF تا چند µF)
  
• دقت پایین در کلاس‌های ارزان‌تر (کلاس 2 یا 3)
  

مزایا:

• قیمت بسیار پایین
  
• اندازه بسیار کوچک
  
• مناسب برای کاربردهای فرکانسی بالا
  

معایب:

• تغییر ظرفیت تحت حرارت یا ولتاژ
  
• دقت پایین در برخی مدل‌ها
  

کاربردها:

• دکوپلینگ تغذیه در میکروکنترلرها
  
• کوپلاژ سیگنال‌های AC
  
• فیلترهای RF و EMI در بردهای دیجیتال
  

2. خازن الکترولیتی (Electrolytic Capacitor):

خازن الکترولیتی نوعی خازن قطبی است که دی‌الکتریک آن یک لایه اکسید فلزی بسیار نازک بوده و الکترولیت مایع یا جامد، الکترود دوم را تشکیل می‌دهد. آند معمولاً از آلومینیوم یا تانتال تشکیل شده است.

ویژگی‌ها:

• ظرفیت بالا (μF تا چند هزار μF)
  
• ولتاژ کاری محدود (معمولاً تا 450V)
  
• قطبی (دارای پایه مثبت و منفی مشخص)
  
• دارای ESR بالا نسبت به سرامیکی‌ها
  

مزایا:

• امکان ساخت خازن با ظرفیت زیاد در حجم کوچک
  
• مناسب برای فیلترکردن ولتاژهای DC
  

معایب:

• عمر مفید محدود (خشک شدن الکترولیت)
  
• حساس به دمای بالا و جریان‌های پالسی
  

کاربردها:

• فیلتر و صاف‌سازی خروجی منبع تغذیه DC
  
• ذخیره‌سازی انرژی در مدارهای پشتیبان
  
• مدارهای تایمینگ RC
  
• راه‌اندازی موتورهای AC

3. خازن تانتالیوم (Tantalum Capacitor):

خازن تانتالیوم نوعی خازن الکترولیتی قطبی است که به‌جای آلومینیوم، از فلز تانتال برای آند استفاده می‌شود. دی‌الکتریک آن اکسید تانتال و الکترولیت آن جامد یا نیمه‌جامد است.

ویژگی‌ها:

• ظرفیت پایین تا متوسط (μF تا ده‌ها μF)
  
• ESR بسیار پایین (عملکرد بهتر در فرکانس بالا)
  
• ابعاد بسیار کوچک با پایداری حرارتی بالا
  

مزایا:

• پایداری و دقت بالا
  
• مناسب برای مدارهای حساس دیجیتال
  

معایب:

• قیمت بالا
  
• بسیار حساس به پلاریته (در صورت نصب اشتباه ممکن است منفجر شود)
  

کاربردها:

• تغذیه مدارهای دیجیتال حساس (FPGA، CPU)
  
• تجهیزات پزشکی و قابل‌حمل
  
• کوپلاژ دقیق در مدارهای صوتی
  

4. خازن فیلمی یا پلی‌استر (Film Capacitor / Polyester):

خازن‌های فیلمی از لایه‌های نازک فیلم پلاستیکی (مانند پلی‌استر یا پلی‌پروپیلن) به‌عنوان دی‌الکتریک استفاده می‌کنند که بین دو لایه فلزی پیچیده می‌شوند. این خازن‌ها به‌صورت غیرقطبی طراحی شده‌اند.

ویژگی‌ها:

• ولتاژ شکست بالا (حتی تا چند کیلوولت)
  
• دقت بسیار بالا در ظرفیت
  
• پایداری دمایی فوق‌العاده
  

مزایا:

• تحمل بالای جریان
  
• عمر طولانی
  
• تغییر ظرفیت بسیار کم در گذر زمان
  

معایب:

• اندازه بزرگ‌تر نسبت به سرامیکی یا تانتالیومی برای ظرفیت مشابه
  
• هزینه بالاتر در ظرفیت بالا
  

کاربردها:

• اصلاح ضریب توان در شبکه برق
  
• مدارهای AC یا فرکانسی
  
• مدارهای صوتی حرفه‌ای
  
• راه‌اندازی موتورهای تک‌فاز

5. خازن میکا (Mica Capacitor)

خازن‌های میکا با استفاده از ورقه‌های میکا طبیعی یا مصنوعی به‌عنوان دی‌الکتریک ساخته می‌شوند و از نظر دقت، پایداری و تحمل دما بسیار با کیفیت‌اند.

ویژگی‌ها:

• ظرفیت پایین (چند pF تا چند nF)
  
• دقت بالا و پایداری فوق‌العاده
  
• مقاومت داخلی بسیار پایین (ESR پایین)
  

مزایا:

• پایداری عالی در برابر دما و رطوبت
  
• قابلیت عملکرد دقیق در فرکانس بالا
  

معایب:

• قیمت بسیار بالا
  
• اندازه نسبتاً بزرگ در ظرفیت‌های بالا
  

کاربردها:

• مدارهای دقیق نوسان‌سازی (Oscillators)
  
• تجهیزات نظامی و مخابراتی
  
• رادیوهای حرفه‌ای و تجهیزات پزشکی
  

6. سوپر خازن (Super Capacitor):

سوپر خازن یا ابرخازن نوعی خازن الکتروشیمیایی است که دارای ظرفیت بسیار زیاد (تا چند هزار فاراد) بوده و بین باتری و خازن معمولی قرار می‌گیرد. در آن به‌جای دی‌الکتریک کلاسیک، از نانوساختارها، مواد کربنی و فناوری‌های خاص استفاده می‌شود.

ویژگی‌ها:

• ظرفیت بسیار بالا (F)
  
• قابلیت شارژ و دشارژ سریع
  
• ولتاژ کاری پایین (2.7V تا 5V معمولاً)
  

مزایا:

• چرخه شارژ زیاد (تا میلیون‌ها بار)
  
• توان بالا برای تخلیه آنی
  

معایب:

• توان ذخیره پایین‌تر از باتری
  
• نیاز به مدار محدودکننده ولتاژ
  

کاربردها:

• ذخیره انرژی در UPS، خودروهای هیبریدی
  
• جایگزین باتری در ماژول‌های IoT
  
• تأمین توان لحظه‌ای در بردهای میکروکنترلری
  

7. خازن متغیر (Variable Capacitor):

خازن متغیر، نوعی خازن است که ظرفیت آن توسط کاربر یا سیستم قابل تغییر است. این تغییر ظرفیت می‌تواند مکانیکی (چرخش صفحات) یا الکترونیکی (ولتاژ کنترل‌کننده) باشد.

ویژگی‌ها:

• ظرفیت کم (پیکوفاراد)
  
• مکانیزم تغییر دستی یا خودکار
  
• عملکرد دقیق در مدارهای تنظیم فرکانس
  

مزایا:

• امکان تیونینگ مدارها
  
• مناسب برای کاربردهای آزمایشگاهی
  

معایب:

• قیمت بالا
  
• کاربرد محدود در سیستم‌های مدرن
  

کاربردها:

• تیونر رادیوهای قدیمی
  
• مدارهای مخابراتی
  
• آنتن‌های قابل تطبیق
  

8. خازن SMD (Surface Mount Capacitor):

این خازن‌ها نوعی از تمام خازن‌های بالا هستند که در قالب SMD (نصب سطحی) برای استفاده در خطوط تولید اتوماتیک طراحی شده‌اند و با ماشین‌های SMT لحیم می‌شوند.

ویژگی‌ها:

• ابعاد بسیار کوچک (کدهای 0402، 0603، …)
  
• قابلیت نصب سریع بر روی بردهای چندلایه
  
• معمولاً سرامیکی یا تانتالیومی
  

مزایا:

• مناسب برای مونتاژ خودکار
  
• قابلیت عملکرد در فرکانس بالا
  

معایب:

• ظرفیت پایین به‌دلیل محدودیت فضا
  
• دشوار بودن تعویض دستی
  

کاربردها:

• بردهای دیجیتال پر تراکم
  
• گوشی‌های همراه، لپ‌تاپ، IoT
  
• تجهیزات پزشکی و نظامی مینیاتوری

خواندن این مقاله را از دست ندهید: آموزش نصب سنسور خازنی برای سیستم های اندازه گیری دقیق

مشخصات خازن

۱. ظرفیت اسمی (C_nom):

بیانگر توان ذخیرهٔ شارژ بوده و با تلورانس ±۵، ±۱۰ یا ±۲۰ ٪ مشخص می‌شود؛ ظرفیت نهایی در دیسک‌های سرامیکی کلاس II تابع ولتاژ (DC Bias Derating) و در الکترولیتی تابع دما (Temperature Derating) است.

۲. ولتاژ نامی (V_Rated):

حداکثر ولتاژی که در دمای مرجع (معمولاً 85 °C یا 105 °C) بدون ایجاد شکست دی‌الکتریک قابل تحمل است؛ افزایش دما یا فرکانس مؤثر RMS باید به derating طبق نمودار سازنده منجر شود.

3. مقاومت سری معادل (ESR):

پارامتر تعیین‌گر اتلاف و دمای خود-گرمایی، که با افزایش دما و عمر بالاتر می‌رود؛ اندازه‌گیری آن در 100 kHz با ESR-متر و مقایسهٔ نتایج با دیتاشیت، سریع‌ترین تست سلامت خازن‌های الکترولیتی بُردهای تغذیه است.

4. سلفیت معادل (ESL):

تابع طول پایه و هندسهٔ الکترود است؛ در بسته‌بندی‌ چیپ 0402 ESL ~ 0.5 nH است، در‌حالی‌که در الکترولیتی 10 mm محوری ممکن است به 15 nH برسد؛ هرچه ESL کمتر، پاسخ گذرای تغذیه سریع‌تر.

5. جریان ریپل مجاز (I_Ripple):

محدود به‌واسطهٔ ΔT=Irms2×ESR×θca\Delta T = I_{rms}^2 \times ESR \times \theta_{ca}، و نباید از مقدار قید‌شده بیشتر شود تا عمر مشخص (Endurance) معمولاً 2000–10000 h در 105 °C حفظ گردد.

6. جریان نشتی (I_Leakage):

برای الکترولیتی آلومینیومی برابر با 3C×V3 \sqrt{C} \times V [µA] (مقدار شاخص)، که روی شارژ اولیهٔ مدارهای استارت حساس تأثیر می‌گذارد.

7. ضریب اتلاف یا فاکتور تانژانت δ:

بیانگر نسبت توان تلف‌شده به توان واکنش‌پذیر؛ در کلاس I سرامیکی tanδ<0.001\text{tan}\delta<0.001 و در کلاس II ممکن است تا 0.05 افزایش یابد.

8. نمودار عمر-دما (Arrhenius):

هر 10 °C افزایش دمای هسته عمر الکترولیتی را نصف می‌کند؛ لذا استفاده از خنک‌کن فعال یا انتخاب ظرفیت بزرگ‌تر با ESR پایین‌تر، راه کاهش استرس حرارتی است.

نحوهٔ قرار گرفتن خازن در مدار

• دکوپلینگ/بای‌پس: خازن‌های 100 nF سرامیکی کلاس I مستقیماً روی پَد تغذیهٔ هر آی‌سی و در کم‌ترین فاصله از پایهٔ Vcc لحیم می‌شوند تا با حداقل ESL جهش‌های جریان سوییچینگ را کوتاه کنند؛ موازی‌کردن یک خازن 4.7 µF کلاس II یا 47 µF پلیمری، ریپل پایین فرکانس را مهار می‌سازد.
  
• صاف‌کنندهٔ DC (Bulk Filtering): در خروجی پل دیود، الکترولیتی بزرگ (مثلاً 330 µF / 400 V) بر اساس C=If⋅ΔVC = \frac{I}{f\cdot\Delta V} انتخاب و در مجاورت ترانسفورماتور نصب می‌گردد، سپس یک فیلمی پلی‌پروپیلن 1 µF برای حذف زِنگ کلیدزنی موازی می‌شود.
  
• RSnubber / RC-Snubber: در کلکسیون ترانزیستورهای قدرت، یک خازن فیلمی PP با مقاومت سری چند اهم، ولتاژ معکوس ترانزیستور را محدود و موجک EMI را میرای می‌کند.
  
• بانک جبران توان راکتیو: آرایهٔ سه‌فاز خازن روغنی – در واحدهای 5 یا 10 kVAr – بعد از کلید اتوماسیون تابلو و مجهز به مقاومت تخلیهٔ 220 kΩ نصب می‌شود تا استاندارد ایمنی IEC 60831 رعایت گردد.
  
• جهت‌گیری حرارتی و مکانیکی: خازن‌های استوانه‌ای سنگین باید حداقل 1 cm از لبهٔ برد فاصله داشته و با چسب سیلیکونی یا بست فلزی مهار شوند تا از ترک لحیم در شوک ارتعاشی جلوگیری شود؛ در خازن‌های قطبی، پایهٔ منفی به پلن گراند نزدیک باشد تا حداقل EMI را تضمین کند.

کلیک کنید: آموزش تست خازن با مولتی‌متر عقربه‌ای

کاربرد خازن

۱. ذخیره و رهاسازی انرژی لحظه‌ای:

در فلش دوربین، سوپرخازن 330 V/120 µF در 0.5 s شارژ شده و در ∼1 ms تخلیه می‌شود تا لامپ زنون 50 W جرقه بزند.

۲. اصلاح ضریب توان (PFC):

اضافه‌کردن بانک خازنی سه‌فاز 30 kVAr به شبکهٔ 400 V با بار القایی سنگین، ضریب توان را از 0.77 به 0.95 رسانده و جریان خط را 24 % کاهش می‌دهد، به‌طوری‌که تلفات کابل و جریمهٔ توان راکتیو کاهش می‌یابد.

3. فیلتراسیون و حذف ریپل:

الکترولیتی‌های 820 µF / 63 V روی خروجی منبع SMPS 24 V، ریپل 1 Vp-p را به زیر 50 mVp-p کاهش می‌دهند؛ موازی‌کردن سرامیک 10 µF کلاس II اسپایک‌های GHz را مهار می‌کند.

4. کوپلینگ و بلوک DC در صوت:

فیلمی PP 1 µF در مسیر پری‌آمپ گیتاری، ولتاژ DC بایاس را حذف کرده اما پاسخ فرکانسی 5 Hz – 20 kHz را دست‌نخورده می‌گذارد، ضمن آن‌که دیستروشن کمتری نسبت به الکترولیتی ایجاد می‌کند.

5. مدار زمان‌بندی و اسیلاتور RC:

در مدار تأخیر استارت فن، ترکیب R=470 kΩ و C=4.7 µF، ثابت زمانی τ=2.2 s ایجاد می‌کند تا تاخیر نرم قبل از شروع به کار فن فراهم شود.

6. راه‌انداز موتور تک‌فاز:

خازن روغنی 40 µF/450 VAC با لبهٔ نرمال 250 V، فاز مجازی ایجاد کرده و گشتاور راه‌انداز را سه برابر گشتاور دائم می‌سازد، سپس توسط رلهٔ گریز از مرکز از مدار خارج می‌شود.

7. کاهش نوسان ولتاژ در خطوط مترو و اتوبوس برقی:

سوپرخازن‌های 3000 F / 2.7 V به‌صورت ماژول 48 V در پشت‌بام خودرو نصب و انرژی ترمز را بازیابی کرده و در شتاب بعدی آزاد می‌کنند؛ چرخهٔ عمر > 1،000،000 بار است.

8. حفاظت گذرا (Surge Suppression):

خازن X2 275 VAC / 0.47 µF به موازات ورودی AC قرار می‌گیرد تا ولتاژ نقطه مادون 3 kV مطابق IEC 61000-4-5 را فیلتر و عمر مبدل LED را افزایش دهد.

مشاوره قبل از خرید

برای کسب اطلاعات بیشتر در رابطه با خرید محصولات می‌توانید با شماره تلفن‌های زیر تماس بگیرید: