خازن‌ها یکی از اجزای اصلی دستگاه‌های الکترونیکی هستند و در عملکرد آنها نقش حیاتی دارند. معمولاً به منظور دیکوپلینگ، در مدار تغذیه آیسی‌ها از خازن سرامیکی استفاده میشود، یا خازن‌های الکترولیتی آلمینیومی به خاطر داشتن ظرفیت حجمی بالا (ظرفیت در واحد حجم) در مدار یک رگولاتور ولتاژ به کارگرفته میشود. علاوه براین موارد، فیلتر و حذف نویز، کوپلینگ، ذخیره انرژی تطبیق امپدانس از جمله کاربردهای دیگری هستند که خازن‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. علاوه بر خازن‌های سرامیکی و الکترولیتی خازن‌های متنوع زیادی نیز وجود دارند. در این سری مقاله قصد داریم به معرفی انواع خازن، کاربرد و بررسی ویژگی‌های آنها بپردازیم.
شاید اینگونه به نظر برسد که در دهه‌های گذشته، خازن‌ها به عنوان یک فناوری ثابت و پایدار بوده و تغییری نداشته‌اند، ولی واقعیت این است که خازن‌های امروزی با خازن‌های ده سال پیش بسیار تفاوت دارند. امروزه با پیشرفت فناوری خازن‌ها، برای نوع خاصی از آنها کاربردهایی را می‌توان برشمرد که در گذشته هرگز تصور نمی‌شد. در مقابل، اگرچه ممکن است برخی خازن‌ها در مقایسه با انواع دیگر، منسوخ و بدون کاربرد به نظر برسند، اما همچنان در حوزه کاربردی خود نسبت به دیگر خازن‌ها برتری دارند.
همه خازن‌ها دارای یک ظرفیت مشخص هستند اما با یکدیگر برابر نیستند. برای انتخاب یک خازن تنها اطلاع از ظرفیت آن کافی نیست، زیرا هر کدام کاربرد متفاوتی دارد، بنابراین گاهی انتخاب خازن مناسب کار ساده‌ای نیست. برای انتخاب صحیح بهتر است علاوه بر ظرفیت به پارامترهای دیگری نیز توجه شود؛ از جمله ماکزیمم ولتاژ، مقاومت سری معادل (ESR)، اندوکتانس سری معادل (ESL)، طول عمر، ابعاد، قیمت، دسترس پذیری، پارامترهای متغیر با دما و پارامرهای دیگر.
برای مثال برای انتخاب یک خازن بای‌پس پارامترهای ESR و ESL دو پارامتر مهم هستند و یا هنگام انتخاب یک خازن به منظور ذخیره انرژی، نشت جریان از اهمیت بیشتری برخوردار است.
انتخاب خازن مناسب در درجه اول به کاربرد و مقدار بودجه بستگی دارد. در این مجموعه آموزش قصد داریم به معرفی انواع خازن، کاربردهای آنها و بررسی برتری آنها بر یکدیگر در شرایط یکسان بپردازیم. در این قسمت برای آشنایی با خازن‌های سرامیکی همراه ما باشید.
خازن سرامیکی
خازن‌های سرامیکی یکی از محبوب‌ترین و متداولترین نوع خازن‌ها هستند. این خازن‌ها در ابتدا دارای ظرفیت‌های پایینی بودند ولی امروزه اینگونه نیست. خازن‌های سرامیکی چند لایه (MLCC) به طور گسترده در مدارات استفاده می‌شوند و ظرفیت آنها به حدود صدها میکروفاراد می‌رسد. خازن‌های سرامیکی مدرن را می‌توان به جای نمونه‌های دیگری که در طراحی‌ها و سخت افزارهای قدیمی استفاده می‌شد از قبیل خازن‌های الکترولیتی یا تانتالیوم، به کار برد. برتری خازن‌های سرامیکی بر الکترولیتی عملکرد بهتر آنها با هزینه کمتر است.
خازن‌های سرامیکی چندلایه، بدنه دی‌الکتریک سرامیکی دارند که ترکیبی از دانه‌های ریز آسیاب شده از مواد پاراالکتریک یا فروالکتریک و مواد دیگر می‌باشد تا پارامترهای مورد نظر بدست آید. آنها شامل چند لایه الکترود هستند که ظرفیت را می‌سازند. سرامیک در دمای بالا پخته میشود تا پایه‌های الکتریکی و مکانیکی خازن شکل بگیرند.
لایه‌های سرامیکی معمولاً بسیار نازک هستند و میزان ضخامت آن به رنج ولتاژ اجزا بستگی دارد. در یک ظرفیت مشخص با افزایش ولتاژ، ضخامت و سایز خازن نیز افزایش می‌یابد. معمولاً خازن با استفاده از یک پوشش نازک در مقابل رطوبت و دیگر آلاینده‌ها محافظت میشود.
علاوه‌بر خازن‌های سرامیکی نوع DIP که مبتنی بر تکنولوژی Through hole هستند، خازن‌های سرامیکی SMD با تکنولوژی Surface mount (نصب سطحی) نیز وجود دارند. جالب اینجاست که امروزه اگر خازن‌های سرامیکی نوع DIP را بشکنید، یک خازن SMD خواهید دید که به سرب زیر پایه‌ها چسبانده شده‌است. میزان حجم تولید و صرفه‌جویی اقتصادی این حجم تولید از خازن‌های SMD، قرارگیری یک پکیج SMD در یک پکیج DIP را برای تولیدکنندگان ارزانتر ساخته‌است. خازن‌های سرامیکی SMD ، رنج ظرفیت خازنی بالایی را به ازای ابعاد کوچکشان فراهم می‌کنند.
خازن‌های سرامیکی چندلایه، کوچک‌ترین خازن‌های موجود در بازار هستند به طوری که پکیج‌های 0201 نیز از آنها موجود است. بدون وجود این خازن‌های بسیار کوچک، برد‌های با تراکم و کارایی بالا قابل پیاده‌سازی نیستند.
خازن‌های سرامیکی چندلایه نه تنها به خاطر فشرده بودن و ظرفیت نسبتاً بالایی که دارند محبوب هستند؛ بلکه به کارگیری آنها در بسیاری از مواردی که خازن‌های الکترولیتی نامناسب هستند، ضروریست. یکی از مزایایی که اغلب نادیده گرفته میشود این است که خازن‌های سرامیکی در اثر استفاده نادرست منفجر نمی‌شوند و آتش نمی‌گیرند. به این علت که این خازن‌ها پلاریته ندارند و می‌توان به آنها ولتاژهایی فراتر از محدوده ولتاژشان اعمال کرد بدون اینکه آسیب ببینند. در مقابل، در خازن‌های الکترولیتی و به ویژه خازن‌های تانتالیوم حتی اگر ولتاژ معکوس کوچکی به آنها اعمال شود یا ولتاژ اعمالی به آنها کمی از محدوده ولتاژشان فراتر رود، منفجر خواهند شد.
از دیگر مزایای خازن‌های سرامیکی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- محدوده ظرفیت و ولتاژ وسیع
- عملکرد بالا و قابلیت اطمینان
- ESR کم
- ضریب کیفیت بالا در فرکانس‌های بالا
با وجود مزایای خازن‌های سرامیکی، همه‌ی آنها با هم برابر نیستند، برخی بسیار ارزان و برخی دیگر گران هستند. پارامترهای خازن به عوامل مختلفی از جمله نوع دی‌الکتریکِ سرامیکی به کار رفته در آنها بستگی دارد. رایج‌ترین دی‌الکتریک‌های موجود عبارتند از C0G ،NP0 ،X7R ،Y5V و Z5U.
خازن‌های سرامیکی به دو کلاس اصلی تقسیم می‌شوند:
کلاس 1: دارای پایداری بالا و تلفات کم. مناسب برای استفاده در مدارهای تشدید (از جمله خازن‌های کلاس 1 عبارتند از NP0 ،P100 ،N33 ،N75).
کلاس 2: دارای بازده حجمی بالا به این معنا که ظرفیت خازن نسبت به حجم آن بالاست. مناسب برای استفاده به عنوان خازن بای‌پس و کوپلینگ (از جمله خازن‌های کلاس2 عبارتند از X7R ،X5R ،Y5V ،Z5U).
خازن‌های سرامیکی کلاس 1
خازن‌های سرامیکی کلاس 1، بیشترین پایداری و کمترین تلفات را دارند. دارای تلورانس و دقت بالایی هستند و نسبت به تغییرات ولتاژ و دما پایدارترند. به همین علت استفاده از خازن‌های سرامیکی کلاس 1 در نوسان‌سازها، فیلترها، مدارات تشدید و کاربردهای صوتی مناسب است.
در جدول زیر کدهای مربوط به تلورانس خازن‌های سرامیکی کلاس 1 آورده شده‌است:
کاراکتر اول یک حرف است که مقدار signification figure یعنی میزان تغییرات ظرفیت خازن برحسب ppm به ازای هر 1 درجه سانتی‌گراد نشان می‌دهد. کاراکتر دوم به صورت عددی است و نشان دهنده ضریبی از کاراکتر اول است. کاراکتر سوم نیز یک حرف است که تلورانس خازن یا به عبارتی ماکزیمم خطا برحسب ppm/°C را بیان می‌کند.
به عنوان مثال، سرامیک‌های C0G یکی از پایدارترین دی‌الکتریک‌های به‌کار رفته در خازن‌ها است. میزان تغییر ظرفیت خازن نسبت به هر درجه سانتی‌گراد، 30ppm+/-است، به طوری که در محدوده دمایی 55- تا 125- درجه سانتی‌گراد 0.3+/- درصد از ظرفیت نامی خازن کمتر می‌باشد. هیسترزیس خازنی برای سرامیک‌های C0G کمتر از 0.05± درصد است که نسبت به مقدار 2± درصدی در خازن‌های فیلم قابل چشم‌پوشی است.
مقدار “Q” یا ضریب کیفیت برای دی‌الکتریک سرامیکی C0G (NP0) معمولاً بیش از 1000 است و تغییرات ظرفیت خازنی یا “Q” نسبت به فرکانس در آنها ناچیز است. علاوه براین، جذب دی‌الکتریک معمولاً کمتر از 0.6 درصد است؛ در این مورد مشابه خازن‌های میکا هستند که به جذب بسیار کم معروف‌اند. به سبب این امر، خازن‌های سرامیکی برای کاربردهای RF بسیار مناسب هستند، به طوری که برخی از خازن‌های سرامیکی به طور خاص برای مدارهای RF طراحی شده‌اند.
خازن‌های سرامیکی کلاس 2
سطح گذردهی خازن‌های سرامیکی کلاس 2 نسبت به خازن‌های کلاس 1 بسیار بالاتر است، در نتیجه از سطح ظرفیت بسیار بالاتری به ازای هر واحد حجم برخوردارند ولی به دلیل چگالی بالاتر، دقت و پایداری آنها کمتر است. علاوه بر آن خازن‌های سرامیکی کلاس 2، ضریب دمایی غیر‌خطی دارند و ظرفیت آنها تا حدودی به ولتاژ اعمال شده بستگی دارد.
این خازن‌ها برای کاربردهایی مناسب‌اند که در آن دقیق بودن مقدار ظرفیت خازن خیلی مهم نیست ولی فضای اشغالی ممکن است مشکل‌ساز باشد، مثلاً برای کوپلینگ و دیکوپلینگ. همچنین برای ظرفیت حجمی در مداراتی که تغییر بار در آنها سریع است ولی به فضای کمی نیاز دارند، مانند آی‌سی‌های فرستنده-گیرندهRF، ایده‌آل هستند.
کدهای مربوط به تلورانس خازن‌های سرامیکی کلاس 2 در جدول زیر آورده شده‌است:
اولین کاراکتر یک حرف است که حد پایین محدوده دمای کاری را نشان می‌دهد. کاراکتر دوم عددی است که حد بالای محدوده دمای کاری را تعیین می‌کند. سومین کاراکتر نیز حرفی است که تغییرات ظرفیت خازن در یک محدوده دمای کاری کامل را نشان می‌دهد.
برای مثال X7R ، از رایج‌ترین و محبوب‌ترین دی‌الکتریک‌های سرامیکی کلاس 2 است که محدوده دمایی آن از 55− تا 125+ درجه سانتی‌گراد و تغییرات ظرفیت آن 15± درصد است، همچنین با وجود قیمت نسبتاً پایین، تلورانس نسبتاً خوبی دارند.
خازن‌های Y5V نیز بسیار رایج هستند، زیرا ظرفیت یا ولتاژ آنها می‌تواند به بالاترین حد مشخص شده در پکیج آنها برسد. محدوده دمای کاری این خازن‌ها از30− تا 85+ درجه سانتی‌گراد و محدوده تلورانس آنها 22+/82− درصد است و همچنان برای دیکوپلینگ یا ظرفیت‌های حجمی که فشرده و مقرون به صرفه بودن آنها مهم است، مناسب‌اند.
خازن‌های سرامیکی کلاس 3
خازن‌های سرامیکی کلاس 3 دسته‌ی دیگری از خازن‌های سرامیکی هستند که با وجود اینکه ظرفیت بالایی در واحد حجم دارند اما پایداری دمایی بالایی ندارند. به همین خاطر این دی‌الکتریک‌ها کم و بیش تولید می‌شوند و بیشتر سرامیک‌های چندلایه کلاس 2 با ظرفیت‌های مشابه یا بالاتر ، با عملکرد بهتر و در پکیج فشرده‌تر ارائه می‌شوند.
در این مقاله به معرفی خازن‌های سرامیکی و نحوه انتخاب خازن مورد نیاز یک پروژه پرداختیم، در ادامه این سری مقالات به بررسی انواع دیگری از خازن‌های موجود در بازار از جمله معرفی خازن تانتالیوم و انواع آن، خازن‌های الکترولیتی آلومینیومی، پلیمر،خازن‌های فیلم و دیگر خازن‌ها می‌پردازیم، پس در ادامه مقالات با آکادمی روبوایکیو همراه باشید.
امیدواریم از این مقاله لذت برده باشید، هرگونه سوال و نظرات خود را با ما در بخش دیدگاه در میان بگذارید.
