خازن‌های قطبی چیست؟

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز، خازن‌های قطبی آن‌هایی هستند که دو قطب مثبت و منفی دارند و زمانی که در مدار قرار می‌گیرند حتما باید دقت داشته باشیم که در جهت صحیح قطب‌ها وصل شوند. این خازن‌ها خود دارای زیرمجموعه‌هایی هستند که در نمودار زیر آن‌ها را می‌بینیم.


خازن‌های الکترولیت

در این خازن‌ها همان طور که از اسمشان پیداست، از مقداری الکترولیت استفاده شده است؛ بنابراین دارای قطب مثبت (آند) و قطب منفی (کاتد) هستند که هرکدام قطبیت مشخصی دارد.

فلزی که یک لایه‌ی اکسید عایق توسط فرآیند آنادایز (روشی شیمیایی یا الکتروشیمیایی برای ایجاد لایه اکسید فلزی بر روی فلز) بر روی آن تشکیل می‌شود، آند نام می‌گیرد. یک الکترولیت جامد یا غیر جامد که سطح لایه اکسید را می‌پوشاند نیز به عنوان کاتد عمل می‌کند. خازن‌های الکترولیتی، CV (فاکتور ظرفیت-ولتاژ) بزرگ‌تری نسبت به سایر خازن‌ها دارند، به دلیل آند بزرگ‌ترشان و لایه‌ی نازک اکسید که به عنوان دی‌الکتریک عمل می‌کند.

خازن‌های الکترولیتی آلومینیومی

متداول‌ترین نوع خازن‌های الکترولیت هستند. یک فویل خالص آلومینیومی در آن‌ها نقش آند را بازی می‌کند. هم‌چنین یک لایه نازک فلزی که ضخامتی در حدود چند میکرومتر دارد و سطح آن ماشین‌کاری صنعتی شده است در آن‌ها استفاده می‌شود تا با قرار گرفتن بین آند و کاتد آن‌ها را به صورت الکتریکی از هم جدا کند و مانع نفوذ الکترون‌ها میان آن دو شود. به این ترتیب نوعی دی‌الکتریک نیز محسوب می‌شود. ماده الکترولیت هم همان‌طور که گفته شد به عنوان کاتد محسوب می‌شود و سطح لایه‌ی اکسید را می‌پوشاند.

در تصویر زیر، خازن‌های الکترولیتی آلومینیومی را در ابعاد مختلفی که وجود دارند می‌بینید.



براساس ماده‌ی الکترولیتی که استفاده می‌شود، می‌توانیم سه نوع خازن الکترولیت آلومینیومی داشته باشیم؛

دسته اول خازن‌های آلومینیومی الکترولیت مایع
دسته دوم خازن‌های آلومینیومی با الکترولیت جامد منگنز دی اکسید
دسته سوم خازن‌های آلومینیومی با الکترولیت جامد پلیمری

مزیت این خازن‌ها این است که حتی در فرکانس‌های اصلی مدار هم مقدار امپدانس کمی دارند و هم‌چنین این‌که نسبت به بقیه ارزان قیمت‌تر هستند. معمولا در مدار‌های منابع تغذیه، SMPS‌ها و مبدل‌های DC به DC استفاده می‌شوند.

خازن‌های الکترولیت تانتالیوم

دسته دیگری از خازن‌های الکترولیت هستند که آند آن‌ها از تانتالیوم ساخته شده است که یک لایه‌ی بسیار نازک و نارسانای اکسید بر سطح آن ایجاد شده است. این لایه نقش دی‌الکتریک را بر عهده دارد و ماده الکترولیت هم که سطح لایه‌ی اکسید را می‌پوشاند، کاتد محسوب می‌شود.

در تصویر زیر شکل ظاهری این خازن‌ها را می‌بینید.



خاصیت تانتالیوم این است که باعث می‌شود لایه‌ی اکسید ایجاد شده که دی‌الکتریک تلقی می‌شود، ضریب گذر‌دهی بالایی داشته باشد؛ بنابراین این خازن‌ها مقدار ظرفیت بر حجم بالا و وزن سبک‌تری دارند. البته به همین نسبت از خازن‌های آلومینیومی گران‌تر هم هستند چرا که تانتالیوم معمولا ماده‌ای کمیاب است.

خازن‌های الکترولیتی نیوبیوم

دسته سوم از خازن‌های الکترولیتی که در آن‌ها از نیوبیوم مونو‌اکسید یا فلز غیرفعال شده‌ی نیوبیوم به عنوان آند استفاده می‌شود. سپس یک لایه‌ی عایق از نیوبیوم پنتواکساید به عنوان دی‌الکتریک بر سطح آن اضافه می‌شود و یک الکترولیت جامد نیز پس از لایه‌ی اکسید و بر روی آن قرار می‌گیرد که همان کاتد خواهد بود. این خازن‌ها به شکل زیر هستند.



خازن‌های نیوبیومی معمولا به فرم SMD موجود هستند که به آسانی بر سطح برد‌ها و تراشه‌ها نصب می‌شوند فقط تنها نکته‌ای که باید در نصب آن‌ها مورد توجه باشد قطبی بودن آن‌هاست که باید پایه‌ها حتما در جهت صحیح قرار گیرند در غیر این صورت و یا در صورت ریپل داشتن جریان مدار، بیش از حد قابل تحمل برای خازن که از قبل مشخص است، دی‌الکتریک و در نتیجه کل خازن مسلما دچار آسیب خواهد شد.

ابرخازن‌ها

خازن‌های ظرفیت بالای الکترومکانیکی که مقدار ظرفیت آن‌ها بسیار بیشتر از سایر انواع خازن‌ها است، ابر خازن نام دارند. این خازن‌ها را می‌توان دسته‌ای بین باتری‌های قابل شارژ و خازن‌های الکترولیتی قرار داد. به آن‌ها اولترا خازن نیز گفته می‌شود.

این خازن‌ها مزایای متعددی دارند، از جمله:

ظرفیت بالاتری دارند.
سرعت دخیره و تحویل بار در آن‌ها بیشتر است.
قادر هستند سیکل‌های شارژ و دشارژ بیشتری داشته باشند.

از جمله برخی کاربرد‌هایشان نیز می‌توان موارد زیر را نام برد:

استفاده در ماشین‌ها، اتوبوس‌ها، قطارها، جرثقیل‌ها، آسانسور‌ها
استفاده در ترمز‌های احیاکننده
استفاده برای بک‌آپ گرفتن از حافظه‌ها

انواع مختلف ابرخازن‌ها، خازن‌های دو لایه، شبه‌خازن‌ها و خازن‌های هیبرید هستند.

خازن‌های دولایه

خازن‌های دو لایه، نوعی خازن الکترواستاتیک محسوب می‌شوند که ذخیره بار در آن‌ها براساس اصل “لایه الکتریکی مضاعف” اتفاق می‌افتد:

تمام مواد جامد روی سطح خود در محل رسیدن به مایع بار الکتریکی منفی دارند
این موضوع به دلیل ضریب دی‌الکتریکی بالای مایع است
بنابراین تمام یون‌های مثبت نزدیک سطح ماده جامد قرار می‌گیرند تا یک پوسته ایجاد شود
این تجمع و ذخیره شدن بار‌های مثبت با افزایش فاصله از سطح جامد کاهش می‌یابد.
این تجمع بار‌های منفی و مثبت در آن محل، باعث ایجاد نوعی ظرفیت خازنی می‌شود


پدیده‌ی لایه‌ی الکتریکی مضاعف گاهی اصل لایه مضاعف Helmholtz نیز گفته می‌شود. دو تصویر زیر تا حدودی پروسه این فرآیند را در حین شارژ یا دشارژ شدن، با اندکی ساده سازی نشان می‌دهند.


در این خازن‌ها که هم‌چنین خازن‌های دولایه‌ی الکتریکی (به اختصار: EDLC) نیز خوانده می‌شوند، برای ایجاد جدایی بار بین سطح الکترود رسانا و ماده الکترولیت، از الکترود کربنی استفاده می‌شود. الکترود کربنی به عنوان دی‌الکتریک و دو فلز دیگر به عنوان آند و کاتد عمل می‌کنند.

شبه خازن‌ها

این خازن‌ها از یک پروسه الکتروشیمیایی برای ذخیره بار استفاده می‌کنند که نام آن مکانیزم فاراده‌ای است. براساس این مکانیزم، زمانی که یک ماده شیمیایی در یک الکترود دچار کاهش یا اکسایش می‌شود، در اثر این اتفاق مقداری جریان تولید می‌شود. در طی این فرآیند، بار الکتریکی از طریق جابه‌جایی بار بین الکترود و الکترولیت، ذخیره می‌شوند؛ بنابراین عملکرد خازنی شبه خازن‌ها بر چنین مبنایی است.


آن‌ها بسیار سریع‌تر شارژ می‌شوند و درست به اندازه یک باتری بار ذخیره می‌کنند. به همین دلیل یکی از کاربرد‌های آن‌ها استفاده به صورت یکی در میان با باتری‌ها ست تا عمر مفید باتری افزایش یابد. آن‌ها هم‌چنین در شبکه‌های برقی نیز کاربرد دارند تا نوسانات برق را مدیریت کنند.

خازن‌های هیبرید

یک خازن هیبرید ترکیبی از EDLC و شبه خازن است. در آن‌ها از کربن فعال شده به عنوان کاتد استفاده می‌شود و آندشان نیز کربنی است که از قبل نوعی ناخالصی به آن تزریق شده است. خازن‌های لیتیوم-یون یکی از انواع متداول این دسته از خازن‌ها هستند. در تصویر زیر انواع مختلفی از آن‌ها را می‌بینید. 


خازن‌های هیبرید در یک محدوده‌ی دمایی بسیار متنوع تلرانس بالایی از خود نشان می‌دهند. این محدوده از حدود C. °۵۵ – تا C°۲۰۰ است! یکی از کاربرد‌های آن‌ها در وسایل هواپیمایی است چرا که هرچند قیمت بالایی دارند، اما بسیار قابل اعتماد هستند. این خازن‌ها بسیار محکم هستند و می‌توانند شوک، لرزش یا فشار‌های شدید محیطی را تحمل کنند. هم‌چنین توان مخصوص (نسبت توان به وزن) و تراکم انرژی (میزان ذخیره انرژی) بالاتری نسبت به هر خازن‌های الکترولیتی دیگری دارند.

منبع: melec