قطعه اي است که براي ذخيره انرژي الکتريکي (ولتاژ) توسط میدان الکترواستاتیکی (بار الکتریکی)، در مدار استفاده مي شود و با توجه به اینکه بار الکتریکی در خازن ذخیره می شود می توان از آن برای ایجاد میدان الکتریکی یکنواخت و پایدار استفاده کرد. از خازن ها به عنوان فیلتر نیز استفاده می کنند زیرا سیگنال های متناوب یا AC را به راحتی عبور می دهند ولی مانع عبور سیگنال های مستقیم یا DC می شوند.

خازن یا کاپاسیتور که ابتدای کلمه capacitor است با حرف C نمایش می‌دهند. واحد ظرفیت خازن فاراد است و ظرفیت خازن طبق فرمول زیر بدست می آید.

C=kε0  A/d

فاراد برای خازن واحد بزرگی است که برای معرفی ظرفیت خازن از واحد های کوچکتر استفاده میکنند.

میلی فاراد :3-10 F    میکرو فاراد: 6-10 F

نانو فاراد: 9-10 F   پیکو فاراد: 12-10 F

ساختمان خازن :

خازن از دو صفحه فلزی موازی (رسانا از جنس روی، آلومنیوم، نقره) تشکیل شده است که در بین صفحات هوا یا عایق (دی الکتریک مانند کاغذ، میکا، پلاستیک، سرامیک، اکسید آلومنیوم، اکسید تانتالیوم) وجود دارد. شکل را ملاحظه نمایید.

انواع خازن

• عدسي
• سراميکي
• الکتروليتي(آلومینیومی، تانتالیوم)
• خازن ورقه ای(کاغذی و پلاستیکی)
• میکا
• روغنی و گازی
• خازن های متغیر

خازن عدسی
خازن عدسی دارای ابعاد کوچک همانند عدس ! بدون پلاریته مثبت و منفی(خازن های بدون قطب) هستند که دارای محدوده پیکو فاراد و نانو فاراد هستند. و هرچه میزان خازن بالاتر رود سایزش نیز بزرگتر میشود.

بر روی خازن عدسی اعدادی نوشته شده که از روی آن میتوان ظرفیت آن را بدست آورد
بطور مثال اگر بر روی خازن 473 نوشته شده باشد دو رقم اول را برداشته(47) و به اندازه رقم سوم صفر جلوی دو عدد اول بگذارید میشود 47000 این مقدار ظرفیت خازن برحسب پیکو فاراد است یعنی 47000pF بعبارت دیگر 47 نانو فاراد یا 47nF .
در صورت مشخص نبودن عدد بر روی خازن ظرفیت آن را توسط خازن سنج یا مولتیمتر خازن سنج و یا LCR متر تست کنید.

خازن سرامیکی
از دیگر نوع خازن های بدون قطب (خازن خشک) ،خازن های سرامیکی میباشند که جنس دی الکتریک آن سرامیک است و چون ثابت دی الکتریک سرامیک بالاست، این نوع خازن عایق بسیار خوبی است و میتوان ظرفیت های بالا در حد میکرو فاراد در ابعاد کوچک فراهم کرد. همچنین ولتاژ کاری این نوع خازن بالاست.

خازن الکتروليتي
خازن های الکترولیتی یا شیمیایی بر خلاف خازن های عدسی دارای قطب مثبت منفی میباشند و  معمولا در رنج میکرو فاراد می باشند. ظرفیت خازن و ولتاژ قابل تحمل خازن بر روی آن نوشته شده است و  هنگام استفاده در مدار باید به جهت خازن توجه ویژه ای داشت. انواع خازن های الکترولیتی، آلومینیومی و تانتالیومی می باشد.  از مهمترین کاربردهای این خازن در مدار یکسو کننده دیودی بعنوان فیلتر و کوپلینگ در مدار بایاس ترانزیستور ها میباشد.

بر روی بدنه خازن نواری با رنگ مخالف و حاوی علامت "منفی" برای مشخص شدن پایه منفی میباشد. بر روی بردها نیم دایره مشکی رنگی را برای مشخص شدن پایه منفی طراحی میکند که زمان لحیم کاری اشتباهی رخ ندهد.

اندازه گيري ولتاژ خازن با مولتي متر

برای اندازه گیری ولتاژ دو سر خازن ، باید خازن با بارهای الکتریکی پر شود بنابراین مدار باید روشن باشد و ولتاژ به خازن برسد.  سپس سلکتور مولتی متر را روی ولتاژ DC قرار دهید و پروب قرمز را به قطب مثبت خازن و پروب مشکی را به قطب منفی خازن متصل کنید ، سپس عدد مولتیمتر را بخوانید.
نکته : برای دشارژ کردن خازن که تازه از مدار خارج شده، پایه های مثبت و منفی را به هم اتصال دهید.
خازن تانتانیوم نیز از انواع خازن الکترولیتی میباشد که به دلیل سایز کوچک و ظرفیت بالا، قیمت بالاتری دارند. در نوع جدید این نوع خازن ها ولتاژ و ظرفیت بر روی بدنه نوشته شده اما مدل های قدیمی از کدگذاری رنگی استفاده می شده است.

خازن ورقه ای(کاغذی و پلاستیکی)

خازنهای کاغذی به علت کوچک بودن ثابت دی الکتريک، دارای ابعاد فيزيکی بزرگ هستند، اما از مزايای اين خازنها استفاده  در ولتاژها و جريانهای بالا میباشد.

خازنهای پلاستیکی  نسبت به تغييرات دما حساسيت زيادی ندارند. لذا کاربرد آنها در مداراتی استفاده می‌کنند که احتياج به خازنی با ظرفيت ثابت در مقابل حرارت باشد. يکی از معروفترین دی الکتريکهايی که در اين خازنها به کار می‌رود پلی استيرن (Polystyrene) است، به همین دلیل به اين خازنها "خازن پلی استر" نیز گفته می‌شود. عکس زیر :

خازن میکا :
ظرفيت این نوع خازن ها تقريباً بين 01/0 تا 1 ميکرو فاراد است. یکی از مهمترین ویژگی اين خازنها، داشتن ولتاژ کار بالا، عمر طولانی و کاربرد در مدارات فرکانس بالا می باشد. شکل زیر

روغنی و گازی :
خازنهای روغنی و گازی بیشترین کاربرد را در صنعت برق در مدارهای الکتريکی برای راه اندازی و يا اصلاح ضريب قدرت دارند.

خازن گازی خازن روغنی

بطور مثال یک نوع خازن گازی سیلندری با عایق گازی ازت N2 جهت اصلاح ضریب توان در شبکه برق سه فاز 400 ولت با فرکانس 50 هرتز و ظرفیت 2.5  کیلو وار مورد استفاده قرار می گیرد. اصطلاحا به مجموعه خازن به کار رفته برای حذف توان راکتیو، بانک خازنی میگویند. در شکل زیر یک نمونه بانک خازنی آورده شده است.

خازن های متغیر :
با سه فاکتور میتوان ظرفیت خازن را تغیر داد :

• فاصله بین صفحات هادی
• تغییر مساحت صفحات
• نوع دی الکتریک

نحوه عملکرد خازن متغير بر مبنای تغيير سطح مشترک صفحات خازن يا تغيير ضخامت دی الکتريک است، ظرفيت يک خازن نسبت مستقيم با سطح مشترک دو صفحه خازن دارد (فرمولی که در اول مقاله اشاره شد). خازن های متغير معموماً ازنوع عايق هوا يا پلاستيک هستند. خازنی که ظرفیتش به وسيله دسته متحرک (محور) تغییر میکند "واريابل" می نامند و در نوع ديگر به وسيله پيچ گوشتی انجام میشود که به آن "تريمر" می گويند.بازه تغییر ظرفيت خازنهای واريابل 10 تا 400 پيکو فاراد و در خازنهای تريمر از 5 تا 30 پيکو فاراد است. عمده کاربرد اين خازنها در گيرنده‌های راديويی برای تنظيم فرکانس ايستگاه راديويی میباشد.

تست خازن

خازن یکی از قطعات پر کاربرد الکتریکی و الکترونیکی است که تست خازن با مولتی متر به عنوان یک راهکار ساده برای بررسی صحت عملکرد و همچنین اندازه گیری ظرفیت مطرح میشود. در ابتدای نوشته باید این نکته را خاطر نشان کرد که مولتی متر قادر به اندازه گیری طرفیت خازنها در رنج پیکو فاراد و نانو فاراد نیست و این موضوع تنها به کمک خازن سنج های حرفه ای امکان پذیر است. در این مقاله ابتدا به بررسی انواع خازن ها میپردازیم سپس روش تست و اندازه گیری ظرفیت خازن به صورت مرحله به مرحله بیان میگردد، بنابراین پیشنهاد میشود که تا پایان نوشته همراه ما باشید.

انواع خازن ها

خازن ها انواع و اقسام مختلفی دارد که در ادامه به مهمترین و پرکاربردترین آنها اشاره میشود.

• خازن الکترولیتی( قطبی) : این خازن بسیار پر استفاده بوده و ساختار آن به این شکل است که الکترولیت این نوع خازن ها (به عایق استفاده شده بین دو صفحه خازن الکترولیت می گویند) از مواد رسانای یونیزه شده تشکیل شده است. این بدان معنی است که خازن ها الکترولیتی از نوع پلاریزه هستند و یک قطب مثبت و یک قطب منفی دارند. در این نوع خازن ها برای تست خازن با مولتی متر حتما باید به قطب های آنها در بستن مدار توجه کرد. اگر قطب ها معکوس بسته شوند و یا ولتاژ اعمال شده AC باشد خازن آسیب خواهد دید و حتی ممکن است منفجر گردد.
• خازن های غیر قطبی:  این نوع خازن های دارای الکترولیت غیر یونیزه بوده و مهمترین آنها را میتوان به خازن های میکا، خازن های سرامیکی و خازن های پوسته ای دسته بندی کرد. خازن های عدسی جزئی از این خازن ها به حساب می آید.

تست خازن

برای اطمینان از صحت عملکرد خازن چند روش پیشنهاد شده است که هرکدام را میتوان در شرایط خاصی مورد استفاده قرار داد. گفتن این نکته خالی از لطف نیست که روشهای تست معمولا سالم و خراب بودن را بررسی می کنند. برای تعیین وضعیت خازن و تشخیص صحت عملکرد آن حتما باید از دستگاه های خازن سنج استفاده نمود. توصیه اکید می شود که قبل از تست خازن را دشارژ کنید تا از بروز هر حادثه جلوگیر شود. انواع خازن ها از قبیل الکترولیتی، سرامیکی و عدسی به واسطه کاربردی که دارند شرایط تست گوناگونی برای آنها تعریف شده است. در ادامه روش تست هر کدام با مولتی متر و سایر تجهیزات الکتریکی تشریح شده است.

تست خازن الکترولیتی با مولتی متر

• در روش اول تست خازن های الکترولیتی به کمک مولتی متر و با استفاده از اندازه گیری مقاومتی صورت می گیرد. برای اینکار ابتدا خازن را تخلیه کنید و سپس رنج اندازه گیری مقاومت در مولتی متر را بر روی بیشترین مقدار قرار دهید. در خازن های الکترولیتی قطب های خازن حتما باید به پراب درست متصل شود. در خازن های الکترولیتی سر منفی با یک نوار سفید رنگ مشخص شده است که باید آن را به پراب متصل شده به درگاه COM مولتی متر متصل کرد. با اتصال سر پروب خواهید دید که مقاومت شروع به افزایش خواهد کرد. این افزایش متناسب با ظرفیت خازن است به صورتی که اگر ظرفیت خازن بالا باشد افزایش میزان مقاومت به کندی صورت خواهد گرفت. در نهایت امر اگر خازن سالم باشد و نشتی نداشته باشد عدد مقدار مقاومت O.L (بی نهایت) خواهد بود.

• در روش دوم ( روش سریع و کم دقت ) ابتدا سلکتور را بر روی تست پیوستگی ( تست دیود یا تست بیزر) قرار داده و دو سر پراب را به دو پایه خازن متصل میکنیم. اگر خازن خراب باشد و یا نشتی داشته باشد، بیزر مولتی متر به صدا در می آید.

• در روش سوم یک مقاومت به عنوان مقاومت تخلیه با خازن به صورت موازی بسته می شود و پس از شارژ خازن ، نحوه تخلیه خازن به کمک مولتی متر بررسی می گردد. برای اینکار حتما باید مقاومتی مناسب با توان بالا در نظر گرفته شود.
• روش چهارم که با استفاده از ثابت زمانی RC است. در این روش خازن را به کمک یک باتری شارژ میکنیم و زمان شارژ خازن را اندازه گیری میکنیم. این روش برای تشخیص وضعیت کارکرد خازن مورد استفاده قرار می گیرد. در قسمت تست خازن با اسیلوسکوپ این روش به صورت کامل توضیح داده شده است.

* نکته ی بسیار مهم اینست که کلیه روش های فوق را میتوان در خازن های غیر قطبی مانند خازن های عدسی ، سرامیکی و … بر حسب شرایط استفاده کرد.

تست خازن سرامیکی ( عدسی و SMD)

در خازن های سرامیکی دی الکتریک از موارد یونیزه شده تشکلیل نشده و به همین سبب غیر قطبی هستند. خازن های سرامیکی دیسکی از یک لایه سرامیک به عنوان دی الکتریک و خارن های SMD متشکل از چند لایه دی الکتریک هستند. از آنجا که ولتاژ نامی این خازن ها بالا بوده ( چند کیلو ولت) و عموما این خازن ها به دلیل اعمال پیک ولتاژ بالا خراب می شوند لذا در تست این خازن ها باید به نکات زیر توجه کرد:

• تست ظرفیت این نوع خازن ها عموما توسط مولتی متر و ال سی آر متر انجام میشود زیرا که ظرفیت این نوع خازن ها عموما در رنج نانو ، پیکو و میکرو فاراد است.
• اگر خازن سرامیکی نشتی داشته باشد با تست ظرفیت نمی توان به نشتی و یا خراب بودن خازن پی برد. بنابر این نیاز است تا ولتاژی بالا در حد ولتاژ نامی خازن (چند کیلو ولت) به آن اعمال کرد. این ولتاژ از طریق دستگاهی به نام میگر ( تستر عایق )  قابل دسترس است. روش تست به این صورت است که از آنجا که ظرفیت خازن های سرامیکی محدود بوده و به سرعت شارژ می شوند با اعمال ولتاژ نامی (مقداری کمتر برای جلوگیر از سوختن ) خازن کاملا اتصال باز خواهد بود و از این طریق می توان تست نشتی خازن سرامیکی را انجام داد.
• به کمک بازرسی چشمی هم می توان نشانه های از نشتی در خازن سرامیکی پیدا کرد. در صورت سوختن خازن ، رنگ آن سیاه شده و شکل آن تغییر خواهد کرد.

تست خازن های پلی استر

خازن های پلی استر که عموما به آن خازن پاور نیز میگویند خازن های کوچک با ظرفیت کم و ولتاژ نامی به نسبت بالایی هستند. دی الکتریک این نوع خازن ها از جنس پلاستیک بوده و لذا ظرفیت آن با تغییر دما، تغییری پیدا نمی کند. برای تست این گونه خازن ها نیز میتوان مانند خازن های سرامیکی عمل کرد. تمام روش های بالا برای انواع خازن ها جواب می دهد و توصیه می شود برای تست خازن ها عموما متناسب با نوع خازن روشها مختلف را تست کنید تا به نتیجه ای درست برسید.

تست خازن روی برد ( تست خازن در مدار)

تست خازن در مدار تنها از طریق تست پیوستگی قابل انجام است و شما می توانید به تنها در مورد سالم بودن و یا نبودن مدار به کمک این روش برسید. برای تست خازن روی برد کافی است تا دو سر پروب مولتی متر را به دو سر خازن متصل کرده و در حالت تست بیزر صدای تک بوق را بشنوید. اگر صدای بوق ممتد شنیده شود میتوان گفت که قطعا خازن خراب است و نشتی دارد. توصیه می شود برای تست خازن ها که بر روی مدار لحیم شده اند، ابتدا یک پایه آن را از مدار جدا کنید و سپس آن را تست کنید. 

اندازه گیری ظرفیت خازن با مولتی متر

بعد از تست خازن با مولتی متر و اطمینان از سلامت آن میتوانیم ظرفیت آن را اندازه گیری کنیم. اندازه گیری ظرفیت خازن توسط مولتی متر دارای رنج محدودی است و این رنج نهایتا تا میکرو فاراد خواهد بود. برای اینکار به راحتی بعد از دشارژ کردن خازن سر مثبت و منفی خازن را به ترتیب به پراب های مولتی متر متصل میکنیم و با توجه به تلورانس، ظرفیت خازنی قابل اندازه گیری است. برای اندازه گیری ظرفیت خازنی برای رنج های میکرو تا میلی فاراد توصیه میشود از دستگاه LCR متر یا همان خازن سنج استفاده گردد که هم دقت اندازه گیری بالاتری دارند و هم رنج گسترده تری را اندازه گیری میکنند.

تست خازن با اسیلوسکوپ

 تا الان ظرفیت خازن ها و تست آنها به کمک مولتی متر بررسی شد. اما به کمک یک اسیلوسکوپ و یک سیگنال ژنراتور که بتواند یک موج مربعی را با فرکانس قابل تنظیم تولید کند، میتوان ظرفیت یک خازن را به صورت دقیق اندازه گیری و بررسی نمود. در این روش ابتدا نیاز به تولید یک سیگنال ولتاژ با دامنه 0 تا 5 ولت و یک فرکانس مشخص دارم . مقاومت و خازن را به صورت سری به منبع متصل میکنیم و طبق فرمول باید در ثانیه R*C، خازن به مقدار 63.2% از ظرفیت خود شارژ شود. طبق محاسبات یک خازن باید در زمان 5*RC  به صورت کامل شارژ شود. این زمان در واقع زمان شارژ کامل خازن است و با نصف کردن و سپس معکوس نمودن عدد بدست آمده فرکانس منبع را بدست آورد. با بستن مدار و گرفتن تصویر خروجی بر روی اسیلوسکوپ میتوان عدد به دست آمده از نمودار اسیلوسکوپ را با عدد بدست آمده از محاسبات با یکدیگر مقایسه کرد و از سالم بودن خازن در عمل اطمینان حاصل کرد.