خازن های ولتاژ بالا-

خازن ‌های ولتاژ بالا قطعات الکترونيکی غير فعالی هستند که بار و انرژی را در کاربردهای ولتاژ بالا ذخيره مي‌کنند.

آن‌ها از دو صفحه‌ی هادی ساخته شده‌اند و با ماده‌ا‌ی عايق با نام دی الکتريک از هم جدا شدند. که در صنعت کاربرد فراوانی دارند.

سیر تکامل خازن و دستیابی به خازن های ولتاژ بالا-

خازن‌های ابتدایی استفاده شده در مدارهای تلفن از صفحات درهم‌گذاشته شده‌ی کاغذ و ورقات فلزی به عنوان ماده‌ی دي‌الکتريک و موم پارافين ساخته شدند.

از آن‌ها تنها می‌توان در مدارهای ولتاژ پایين استفاده کرد.

در ولتاژهای بالا به علت يونيزه شدن حفره‌های به وجود آمده در موم، هنگام سرد شدنش مشکل ايجاد مي‌کند.

برای اصلاح اين مشکل وازلين يا ژله‌ی پاتروليوم جايگزين موم پارافين شد.

روغن معدنی جای وازلين را گرفت و لايه‌های کاغذ و ورقات فلزی در محيطی بسته ايزوله شدند.

برای غوطه ور کردن آن‌ها از روغن کلر زده شده (پنتا کلرو بي‌فنيل) با نقطه‌ی ريزش منفی 10 درجه‌ی سانتی گراد استفاده میشد. و روغن معدنی با نقطه‌ی ريزش منفی 45 درجی سانتی گراد مي‌توان استفاده کرد.

خازن ساخته شده از مواد بالا با تغيير دما قادر به بهبود خود خواهد بود.

اما در صورت دشارژ شدن در دمای زیر صفر ممکن است مايع تبدیل به نيمه جامد شود. که باعث ايجاد حفره و خرابی  مي‌شود.

برای جلوگیری از این واقعه از تثبيت‌کننده برای بهبود عمر مفيد مواد استفاده مي‌شود. ولی امروزه از آن‌ها تنها برای خازن‌های دی‌سی استفاده مي‌شود.

آزمايشات اخير نشان داده که کاغذ کرافت غوطه‌ور شده در روغن کلر زده شده عملکرد الکتريکی بهتری دارند.

تحمل روغن معدنی و بي‌فنيل کلر زده شده 13.5 ولت بر ميکرو متر rms) ) است. که امروزه تا 20 ولت بر ميکرو متر نيز استفاده مي‌شود.

کاربرد خازن های ولتاژ بالا در صنعت-

اصلی‌ترين وظيفه‌ی آن های شانت در شبکه‌ی قدرت تصحيح ضريب توان است.

از مزيت‌های تصحيح ضريب توان ميتوان به کاهش اتلاف خطوط و ترانسفورمرها بهبود پروفايل ولتاژ، کاهش ماکزيمم، ديماند و تصحيح کيفيت توان اشاره کرد.

خازن ها در سيستم توزیع بر روی تير برق، بانک های درون پست، و در بخش فشار قوی و توان‌های بالا نصب مي‌شوند.

در سيستم های صنعتی خازن‌های اصلاح ضريب توان برای بارهای گروهی يا تکی مورد استفاده هستند.

خازن های فیلم-

خازن های فيلم يا نواری خازن‌های ولتاژ بالايی از جنس پلاستيک هستند.

در خازن‌های فيلم از فيلم پلاستيکی به عنوان دی-الکتريک و از آلومينيوم يا روی برای ساخت الکترود استفاده مي‌شود.

خازن‌های فيلم با نام خازن‌های فيلم پلاستيکی و يا خازن‌های دي‌الکتريک فيلم نيز شناخته مي‌شوند.

از اين خازن‌ها به طور عمده در مدارهایی که تلفات پايین و مقاومت عايق بالا نياز داشته باشد استفاده مي‌شود.

مزيت اصلی خازن های فيلم نسبت به معمولی، جنس فيلم پلاستيکی بوده. از مواد مصنوعی ساخته مي‌شود.

در نتيجه ميتوان قطر يا مقاومت در برابر گرما را در دي‌الکتريک تغيير داد.

برخی از دي‌الکتريک‌های مورد استفاده در اين خازن ها پلي‌استر، پلي‌پروپيلن و پلی فنیلن سولفید هستند.

از ويژگی‌های کاربردی خازن‌های فيلم امکان انتخاب فيلم از جنس‌های متفاوت برای لايه‌ی دی الکتريک است که امکان دستيابی به ويژگی‌های الکتريکی دلخواه مانند پايداری، رنج بالای تحمل دما و يا تحمل ولتاژ های بالا را فراهم می‌کند.

شکل بالا یک نمونه خازن فیلم ولتاژ بالا را نشان می‌دهد.

ويژگی‌های خاص مکانيکی فيلم‌های پلاستيکی و کاغذی اين اجازه را مي‌دهد که از آن‌ها در ابعاد بزرگ استفاده شود.

که از اين خازن‌های فيلم بزرگ به عنوان خازن‌های قدرت در کارخانه‌های قدرت استفاده مي‌شود.

که توانایی تحمل قدرت بالا و ولتاژهای اعمالی بالا را دارند.

دو نوع اصلی از آن ها وجود دارند:

خازن های فيلم فويل: از يک يا چند لايه فيلم دي‌الکتريک پلاستيکی که ميانشان الکترودهای فويل فلزی قرار داده شده.

خازن های فيلم فيل از دو فيلم يا ورقه‌ی پلاستيکی ساخته شدند.

هرکدام روکشی از فويل آلومينيوم باريک دارند.

ورقه‌ی پلاستيکی و آلومينيومی به شکل يک استوانه رول مي‌شوند.

سيم به دو سوی ورقه‌ی آلومينيومی وصل مي‌شود.

انواعی از این خازن ها ولتاژ های بالا تا kv  350 را تحمل می‌کنند.

خازن های فيلم با روکش فلزی(Metallized film capacitors):

ساخته شده از يک دي‌الکتريک فيلم که روی آن الکترود فلزی با استفاده از بخار رسوب گذاری شده (Physical vapor deposition (PVD)) است.

لايه‌ ها را به شکل رل مي‌پيچند به شکلی که الکترودها روی فيلم های دي‌الکتريک باشند.

در اين خازن‌ها لايه‌ای از فلز روی لايه‌ی فيلم قرار مي‌گيرد.

که عموماً اين لايه از جنس آلومينيوم يا روی است و قطر آن بسيار کوچک مي‌باشد.

انتخاب دی الکتریک-

برای انتخاب خازن‌های ولتاژ بالا نياز به بررسی مواد دي‌الکتريک است.

خازن های الکتروليتی آلومينيومی قطعات دو قطبی هستند با چگالی حجمی بالا اما قابليت تحمل ولتاژ معکوس را ندارند.

خازن‌های سراميکی از مواد سراميک با خاصيت مقاومتی ساخته شده‌اند.

شيشه، ميکا، روغن، هوا، کاغذ با روکش مومی به عنوان دي‌الکتريک مورد استفاده قرار می‌گیرند.

پلي‌کربنات، پلی‌پروپیلن و پلی‌استایرن در فيلرها و تايمرها کاربرد دارند.

تانتال، که ماده‌ای فلزی است و برای ساخت انواع آلياژها استفاده مي‌شود.

نیوبیم ماده‌ای سخت و سراميکی است که خاصيت رسانایی بالایی دارا است.

ويژگی های شيميای آن شباهت زيادی به تانتال دارد.

ولتاژ نامی فيلم‌های متفاوت به عواملی چون قطر فيلم، جنس ماده (خلوص)، دمای محيط، فرکانس و… بستگی دارد.

ولی به تقريب فرض مي‌کنيم که ولتاژ نامی خازن فيلم تنها به قطر فيلم پلاستيکی بستگی دارد.

برای مثال در اندازه‌ی حداقل برای قطر  فيلم پلي‌استر که حدود 0.7 ميکرومتر است.

ميتوان خازنی با ولتاژ نامی 400 کيلوولت ايجاد کرد برای ولتاژهای بالاتر از فيلم پلاستيکی قطورتر استفاده مي‌شود.

ولی ولتاژ شکست دی الکتريک عموماً خطی نيست.

در فيلم‌های قطورتر از 5 ميليمتر ولتاژ شکست به طور تقريبی تنها متناسب با جذر قطر فيلم است.

از سوی ديگر ظرفيت با افزايش قطر فيلم به طور خطی کاهش مي‌يابد.

در فيلم‌های قطورتر از 5 ميلي‌متر ولتاژ شکست به طور تقريبی تنها متناسب با جذر قطر فيلم است.

از سوی ديگر ظرفيت با افزايش قطر فيلم به طور خطی کاهش مي‌يابد.

ولتاژ شکست را ميتوان با استفاده از روکش کردن بخشی از يک سوی فيلم عايق افزايش داد .

اين روش باعث يک سری خازن درونی بهم متصل شده مي‌شود.

که با هم سری شده‌اند و ولتاژ شکست کلی خازن چندين برابر شده ولی ظرفيت خازن کاهش ميابد.

با استفاده از فيلم‌های که دو سرشان روکش فلزی دارند نيز ميتوان برای افزايش ولتاژ شکست استفاده کرد.

ميتوان اين دو روش را ادغام کرد. ولتاژ شکست را ميتوان با استفاده از روکش کردن بخشی از يک سوی فيلم عايق افزايش داد.

انواع فيلم در خازن های فيلم-

پلي‌استر (Polyethylene Terephtalate, P.E.T.)-

به علت ضریب دی‌الکتريک بالای آن و عملکرد الکتريکی عالی اين فيلم مي‌توان از آن برای ساخت خازن هایی در ابعاد کوچک تر استفاده کرد.

خازن‌های پلي‌استر با روکش فلزی توانایی خود بهبودی قابل ملاحظه‌ای دارند.

پلی پروپيلن (P.P.)  –

فيلم های پلی پروپيلن تلفات دي‌الکتريک و جذب دي‌الکتريک کمی دارند.

قدرت بالای دي‌ا‌لکتریک و خاصيت عايقی بالایی هستند و وابستگی آن ها به دما، در هر دمایی خطی است.

تمام این ويژگی ها فيلم پلی پروپيلن را برای استفاده در صنعت به عنوان خازن قدرت ايده آل ساخته است.

با اين وجود دمای عملکرد آن محدود به 105 درجی سانتی گراد است.

شکل زیر یک خازن ولتاژ بالای kv 100 پلی‌پروپیلن فلزی را نشان می‌دهد.

پلی فنیلن سولفید (P.P.S.) –

اين فيلم دارای ويژگی های زير است تلفات دي‌الکتريک ناچيز وابستگی کم به دما ظرفيت با پايداری بالا مقاوم در برابر رطوبت و نقطه‌ی ذوب بالا دارند.

اين ماده برای ساخت خازن‌های smd مناسب است. و مزيت اصلی اين فيلم قابليت استفاده‌ی آن در دمای بالا و تا 150 درجه‌ی سانتی گراد است.

خازن فیلم پروپیلن-

فيلم پلی‌پروپیلن پراستفاده ترين فيلم دي‌الکتريک در ساخت خازن‌های صنعتی و  قدرت(ولتاژ بالا) است.

دليل استفاده‌ی زياد از اين ماده برای ساخت فيلم اين است که از فيلم پلي‌استر رطوبت کمتری جذب مي‌کند و در نتيجه مناسب برای طراحی‌های لخت و بدون روکش است. وابستگی پارامترهای الکتريکی در خازن‌های فيلم پلي‌پروپيلن به حرارت و فرکانس بسيار پايین است.

بزرگترين خازن های ساخته شده که خازن های قدرت هستند به طور کلی از فيلم پلی‌پروپيلن به عنوان دی الکتريک استفاده مي‌شود.

آن‌ها در مواردی چون گرمايش القایی که نيازمند ولتاژ و فرکانس بالا است کاربرد دارند. ولتاژ نامی ac اين خازن ها تا 400  kvنيز مي‌رسد.

خازن گلیکولی-

خازن ولتاژ بالا که از گليسيرين به عنوان مايه‌ی حلال، ذخيره‌ی انرژی استفاده مي‌کند.

ظرفيت بالای نزديک به يک نانو فاراد دارد و مي‌تواند ولتاژهای تا kv  100 را تحمل کند.

اين خازن اندوکتانس کمی دارد.

شکل الکترود اين خازن ساختار هم‌محور دارد که با ساختار خازن‌های سراميکی متفاوت است.

ظرفيت اين خازن در فرکانس‌های متفاوت پايدار است.

و خازن با طراحی اتيلن گليکول مي‌تواند جايگزين بلقوه‌ا‌ی برای خازن‌های سراميکی باشد.

مرجع تحقیقات مربوط به این خازن در زیر درج میشود.

Reference: M. M. Kekez, Pulsed Power Plasma Sci. 2, 1027–1030 (2001). https://doi.org/10.1109/PPPS.2001.1001718