در این بخش از سری مقالات نحوه انتخاب خازن، ما به معرفی و بررسی خازن های میکا، سیلیکونی و ابرخازن ها می‌پردازیم و با ویژگی‌ها و موارد استفاده هر یک آشنا می‌شویم، همانطور که می‌دانیم به دلیل طراحی‌های خاص هر خازن و ساختارداخلی و خارجی و حتی ابعاد آن، خازن‌ها می‌توانند کاربردهای متفاوتی نیز داشته باشند و لازم است برای انواع مدارات الکتریکی خازن مناسب را انتخاب کرد.
برای مثال خازن‌ها براساس ساختار داخلی خود به دو گروه ثابت و متغیر تقسیم‌بندی می‌شوند.
خازنهای متغیر که با تغییرات مکانیکی و مواد دی‌الکتریک آنها می‌توان ظرفیت آنها را تغییر داد شامل موارد زیر هستند:
- خازنهای واریابل
- خازنهای تریمر
خازنهای ثابت که مقدار ظرفیت آنها در زمان ساخت با میزان مشخصی تعیین شده و قابل تغییر نیستند شامل این خازن‌ها می‌شوند:
- خازنهای تانتالیوم
- خازنهای الکترولیتی
- انواع خازن فیلم
- خازن سرامیکی
- ابرخازن ها
- خازن های میکا
- خازن های سلیکونی
آشنایی با خازن های میکا
خازن های میکا یا میکا نقره‌ای نوعی از خازن‌ها هستند که در آنها از میکا به عنوان دی‌الکتریک استفاده شده است. میکا از نظر الکتریکی، شیمیایی و مکانیکی، ماده‌ای بسیار پایدار می‌باشد؛ همچنین در‌برابر اکثر اسیدها، آب، روغن و حلال‌ها مقاوم است. هرچند میکا دارای مشخصه‌های الکتریکی خوب و مقاومت حرارتی بالایی است، ولی هزینه مواد اولیه بالایی دارد. خازن های میکا از روی هم قرار‌گرفتن ورقه‌های نازک میکا و فلز ساخته می‌شوند. خازن های میکا نقره‌ای کمیاب هستند، ولی همچنان در مواردی که به خازنهای پایدار و قابل‌اعتماد با مقادیر بسیار پایین نیاز باشد، مورد استفاده قرارمی‌گیرند. این خازن‌ها تلفات اندکی دارند، برای فرکانس‌های بالا قابل استفاده هستند و مقادیر آنها در طول زمان به طور قابل‌توجهی ثابت و پایدار است.
ویژگی‌های اصلی خازن های میکا عبارتند از:
- دقت بالا (حداکثر تا 1% ظرفیت نامی خازن)
- پایداری زیاد (این خازن‌ها بسیار مقاومند، دارای محافظ رزین‌اپوکسی هستند و در طول زمان به ندرت تخریب می‌شوند)
- مقاوم در برابر افزایش دما و فرکانس
- تحمل ولتاژهای بالا (حداکثر تا 1 کیلو‌ولت)
- کیفیت بالا، ESR/ESL کم
- ابعاد بزرگ
- قیمت بالا
ازجمله کاربردهای خازن های میکا نقره‌ای می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- فیلترها (سطح تحمل بالا و پایداری در این خازن‌ها این امکان را ایجاد می‌کند تا فیلترها به طور دقیق محاسبه شوند و عملکرد آنها پیش‌بینی شود.)
- نوسانگرهای RF ( در این کاربردها به سبب سطح تلفات کمی که دارند، ضریب کیفیت مدار را بهبود می‌بخشد.)
- فرستنده‌های RF توان بالا
- کاربردهای ولتاژ بالا
خازن های سیلیکونی
خازن های سیلیکونی، حداقل به عنوان یک قطعه مجزا، نوع نسبتا جدیدی از خازن هستند. نکته جالب توجه در مورد این مدل خازن این است که رایج‌ترین نوع خازن در جهان از نظر ابعاد، خازن های سیلیکونی هستند که در مدارهای مجتمع مانند رم و فلش استفاده می‌شوند. ساختار آنها بر پایه دی‌الکتریک‌هایی مانند دی‌اکسید‌‌سیلیکون و نیترید‌سیلیکون است که در ساخت خازن‌هایی با چگالی بالا کاربرد دارند. در شرایطی که پایداری زیاد، قابلیت اطمینان و مقاومت در برابر افزایش دما موردنیاز است، این خازن‌ها بسیار کاربردی هستند.
از جمله مزایای خازن های سیلیکونی عبارتند از:
- پایداری زیاد در دماهای‌بالا (حداکثر تا دمای 250 درجه سانتی‌گراد)
- عدم کاهش ظرفیت خازن تحت ولتاژهای DC
- دارای ابعاد بسیار کوچک
- جریان نشتی ناچیز و ضریب تلفات کم
- ESR / ESL کم
از محدودیت‌های خازن های سیلیکونی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- ظرفیت محدود (حداکثر تا 5 میکرو‌فاراد)
- گران قیمت (5 تا 5000 برابر گران‌تر از خازنهای MLCC با مقدار و ولتاژ نامی یکسان هستند.)
به دلیل قیمت بالای خازن های سیلیکونی از آنها فقط در کاربردهای بسیار خاص استفاده شده و در دستگاه‌های حساس و گران قیمت یافت می‌شوند. همچنین در مواردی که عملکرد و قابلیت اطمینان از اولویت بالاتر و هزینه در اولویت پایین‌تری قرار دارد، به کار برده می‌شوند. بنابراین خازن های سیلیکونی در زمینه های پزشکی، نظامی، هوافضا و دستگاه‌های RF مورد استفاده قرار می‌گیرند.
لازم به ذکراست در کاربردهایی که تلرانس کم و عملکرد بسیار بالا موردنیاز می‌باشد، مناسب‌ترین گزینه؛ خازن های سیلیکونی است وهیچ نوع خازنی قابل مقایسه با آنها نمی‌باشد.
ابرخازن‌ها
ابرخازن‌ها نوع متمایزی از خازن‌ها هستند و کاربردهای متفاوتی دارند. عملکرد ابرخازن‌ها نسبت به انواع دیگر خازنهای مورد بحث، بیشتر به باتری‌ها شباهت دارد و اصلی‌ترین کاربرد این خازن‌ها ذخیره انرژی یا استفاده‌هایی مانند پشتیبان‌گیری از حافظه مانند RAM یا GPS است.
محدوده ظرفیت این خازن‌ها از چند میلی‌فاراد تا چند کیلو‌فاراد متغیر است که مقدار قابل توجهی از انرژی را شامل می‌شود. به‌طوری که ظرفیت آنها از خازنهای معمولی که در طراحی مدارات استفاده می‌شوند هزاران و یا میلیون‌ها برابر بیشتر است.
سوپرخازن ها اغلب با باتری‌های لیتیوم‌یون مقایسه می‌شوند درحالی‌که خواص آنها بسیار متفاوت است. ابرخازن‌ها را با “خازنهای لیتیومی” که در واقع یک باتری لیتیوم‌یونی یا پلیمری در بسته‌بندی خازن هستند، نباید اشتباه گرفت.
| Function | Supercapacitor | Lithium ion battery |
|---|---|---|
| Charge Time | 1-10 seconds | 10 – 60+ mins |
| Cycle Life | 1 million cycles/30,000hrs | 500+ |
| Cell Voltage | 2.3 to 2.75V | 3.6V nominal |
| Specific Energy | 5Wh/kg (typical) | 120 to 240 Wh/kg |
| Specific Power | Up to 10,000 W/kg | 1000 to 3000 W/kg |
| Cost per kWh | $10,000 (typical) | $250-1,000 in bulk |
| Service Life (industrial) | 10-15 years | 5-10 years |
| Charge Temperature | -40 to 65C (-40 to 149F) | 0 to 45C (32 to 113F) |
| Discharge Temperature | -40 to 65C (-40 to 149F) | -20 to 60C (-4 to 140F) |
مزایای ابرخازن‌ها:
- تعداد چرخه شارژ/ دشارژ بسیار بالا
- چگالی توان بالا که امکان تامین جریان بسیار بالا را فراهم می‌کند
- طول عمر زیاد
- محدوده دمای عملیاتی وسیع
با این حال، این خازن ها معایبی نیز دارند، از جمله:
- گران قیمت
- ولتاژ بسیار کم (از 1.5 ولت تا حداکثر 5 ولت)
- جریان نشتی نسبتاً زیاد که آن را برای ذخیره انرژی به مدت طولانی نامناسب می‌سازد.
- ابعاد نسبتا بزرگ
- چگالی انرژی کمتر در مقایسه با باتری‌ها
جمع بندی:
- خازن های میکا غیرمعمول ترین خازن‌هایی هستند که بررسی شدند. از ویژگی‌های آنها مقاومت، پایداری و دقت بالا را می‌توان برشمرد ولی نسبتا کمیاب و گران قیمت هستند.
- خازن های سیلیکونی پایداری حرارتی و ضریب اطمینان بالا، ولی قیمت بالا و ظرفیت پایینی دارند. ولی در مداراتی که بهترین عملکرد مد‌نظر می‌باشد خازن های سیلیکونی مناسب‌ترین گزینه هستند.
- ابرخازن‌ها بیشتر از اینکه به خازن‌ها شباهت داشته باشند شبیه به عناصر ذخیره‌انرژی هستند. ظرفیت بسیار بالای آنها ویژگی منحصر‌بفردی است، ولی به دلیل قیمت، نشتی بالا و حداکثر ولتاژ پایین، کاربرد آنها به طور چشمگیری محدود شده است. با توجه به ویژگی شارژ سریع و چگالی انرژی بالا نسبت به سایر خازن‌ها، آینده روشنی برای استفاده ازاین خازن‌ها به‌عنوان جایگزین باتری در بسیاری از دستگاه‌ها وجود دارد. به‌علاوه حمایت‌های مالی زیادی توسط شرکت‌های خودروسازی برای تحقیقات ابرخازن انجام می‌شود زیرا این فناوری در آینده می‌تواند جهان و محیط زیست را به شدت تغییر دهد.
بنابراین طبق بررسی‌های انجام شده، همه خازن‌ها جایگاه خود را دارند و انتخاب خازن به کاربرد، طراحی، بودجه و سایر نیاز‌های طراح بستگی دارد.
امیدواریم این مطالب در انتخاب خازنهای مورد‌نیازتان مفید واقع شده باشند. شما نیز می‌توانید سوالات و نظرات خود را در بخش دیدگاه با ما در‌میان بگذارید تا کارشناسان مجرب ما در روبوایکیو پاسخگوی شما عزیزان باشند.
