در ادامه سری مقالات نحوه انتخاب خازن مورد نیاز به بررسی و معرفی خازن های الکترولیتی آلومینیومی و خازنهای پلیمر می‌پردازیم.
برای آشنا شدن با خازنهای سرامیکی و چگونگی انتخاب خازن مورد نیازتان، مقاله انواع خازن سرامیکی و نحوه انتخاب نوع خازن مورد نیاز را به شما پیشنهاد می‌کنیم.
خازن های الکترولیتی آلومینیومی
خازن های الکترولیتی آلومینیومی از نظر ظاهری نماد خازن هستند به طوری که با جستجوی تصاویر خازن احتمالا تصویری از یک خازن الکترولیتی آلومینیومی مشاهده خواهید کرد. در الکترونیک مدرن، خازنهای آلومینیومی به کاربردهای با ظرفیت خازنی بالا بالک اختصاص داده می‌شوند چون علاوه بر حجم زیاد، ESR بالا و نشتی جریان زیاد، ظرفیت بالایی نیز دارند. اگرچه این خازن‌ها در بسیاری از کاربردها با انواع دیگر جایگزین شده‌اند، ولی به دلیل ظرفیت زیاد، حداکثر ولتاژ نامی بالا و قیمت کم، همچنان محبوب هستند.
ساختار داخلی خازن های الکترولیتی آلومینیومی
خازن های الکترولیتی آلومینیومی با استفاده از الکترولیت مایع ساخته شده می‌شوند. الکترولیت نوعی مایع یا ژل است که حاوی غلظت بالایی از یون‌ها است. خازنهای الکترولیتی آلومینیومی، مانند خازنهای تانتالیومی که آنها نیز الکترولیتی هستند، پلاریزه هستند. بدین معنا که قطب مثبت نسبت به قطب منفی باید پتانسیل بالاتری داشته باشد. برخلاف فیلم‌های علمی تخیلی که قهرمان داستان برای اینکه دستگاهی کار کند، قطب‌ها را معکوس میکند، اگر یک خازن آلومینیومی به صورت معکوس قرار گیرد، بلافاصله از کار افتاده و می‌ترکد و حتی ممکن است آتش بگیرد.
در بسیاری از کاربردها به دلیل اشکالات زیادی که در استفاده از خازنهای آلومینیومی الکترولیتی به وجود آمد، آنها توسط خازنهای سرامیکی چند لایه ارزان‌تر، خازنهای پلیمری آلومینیومی با ESR کم، یا خازنهای تانتالیومی جایگزین شدند. خازنهای آلومینیومی مقاومت سری معادل بسیار بالایی دارند که باعث میشود با اعمال سیگنال‌های فرکانس بالا یا دامنه زیاد به خازن، توان زیادی از بین برود. به علاوه با توجه به امکان خشک شدن الکترولیت، طول عمر خازن آلومینیومی محدود است، همچنین با قرارگیری در درجه حرارت بالا، طول عمر به میزان زیادی کاهش می‌یابد. جریان نشتی در خازن آلومینیومی نسبت به سایر خازن‌ها به طور قابل توجهی بیشتر است و به همین دلیل برای کاربردهای کوپلینگ گزینه مناسبی نیستند.
مزایا و معایب خازن های الکترولیتی آلومینیومی
این خازن‌ها بخاطر معایب‌شان در بسیاری از کاربردهای مدرن غیرقابل استفاده هستند. با این حال، خازنهای آلومینیومی به دلیل برخی ویژگی‌ها همچنان مورد توجه هستند که از جمله آنها می‌توان به هزینه پایین برای ظرفیت یا ولتاژ اشاره کرد. همچنین خازنهای آلومینیومی ظرفیت‌های بالا تا چندین فاراد، و ولتاژ بسیار بالاتر نسبت به سایر انواع خازن دارند. علیرغم حجیم بودن، این خازن‌ها نسبت به ظرفیت معادل انواع دیگر خازن فوت پرینت کوچکتری دارند زیرا خازنهای آلومینیومی معمولا نسبت قطر به ارتفاع بالایی دارند. اگر ارتفاع برد محدودیتی نداشته نباشد، یک خازن آلومینیومی یک ظرفیت استثنایی برای فضای اشغالی خود خواهد داشت.
در هنگام خرابی خازنهای آلومینیومی نسبت به خازنهای تانتالیومی، آسیب کمتری به مدار وارد میکنند. زمانیکه یک خازن آلومینیومی به پایان عمر خود نزدیک میشود، ظرفیت آن به تدریج کاهش می‌یابد. اگر خازن به دلیل اضافه ولتاژ یا استفاده نادرست دیگر از کار بیفتد، بدون اینکه قسمتی از برد مدار کنده شود یا آتش بگیرد، باد میکنند یا می‌ترکند.
با اینکه نوع پلیمری خازنهای آلومینیومی دارای مزیت‌های زیادی هستند ولی خازنهای ساده آلومینیومی دارای قیمت بسیار پایین‌تر و حداکثر ولتاژ بالاتری هستند.
در بسیاری از کاربردها ممکن است خازنهای الکترولیتی آلومینیومی جایگزین شوند، زیرا نیازهای مدارهای مدرن را برآورده نمی‌کنند، ولی همچنان در کاربردهایی که در یک بودجه مشخص ظرفیت خازنی زیادی مورد نیاز است، بی رقیب هستند. در بسیاری از منابع تغذیه سوئیچینگ برای کاهش ریپل ولتاژ، فیلترهای صوتی یا سایر فیلترهای پایین‌گذر یا صاف کردن (smoothing)، از خازنهای الکترولیتی آلومینیومی استفاده میشود. اگرچه ممکن است بهترین انتخاب نباشند، ولی گاهی تنها انتخاب یا تنها راه برای دستیابی به یک مدار پایدار با بودجه مورد نظر هستند.
خازن های پلیمری یا خازن های جامد
خازنهای پلیمری فناوری نسبتا جدیدی هستند و به سرعت در حال تبدیل به نوع رایجی از خازنهای الکترولیتی هستند. این نوع خازن برای خازنهای آلومینیومی و تانتالیومی و حتی خازنهای سرامیکی چندلایه برای برخی کاربردها جایگزین خوبی هستند. در این خازن‌ها، به جای الکترولیت مایع یا ژل مورد استفاده در خازنهای الکترولیتی معمول، از پلیمرهای جامد رسانا به عنوان الکترولیت استفاده میشود به همین دلیل به آنها خازن جامد نیز گفته میشود. با توجه به اینکه خازنهای پلیمری آلومینیومی و پلیمری تانتالیومی در پکیج‌های یکسانی شبیه به نمونه الکترولیت مایع ارائه می‌شوند، در طراحی‌های موجود به سادگی می‌توان خازنهای پلیمری را جایگزین کرد و از مزایای آن بهره‌مند شد.
با استفاده از الکترولیت‌های جامد در خازنهای پلیمری مشکل خشک شدن الکترولیت مایع که باعث محدود شدن عمر خازنهای الکترولیتی معمول می‌شوند رفع میشود.
در اکثر مواقع از خازنهای پلیمری می‌توان به عنوان جایگزینی برای خازنهای الکترولیتی تانتالیوم استفاده کرد به شرط آنکه از حداکثر ولتاژ نامی تجاوز نکنند، که از خازنهای الکترولیتی معمول پایین‌تر هستند. ولتاژ نامی خازنهای پلیمری معمولاً تا35 ولت DC می‌رسد ، ولی موارد زیادی تا 63 ولت DC نیز وجود دارد. موارد محدودی از خازنهای پلیمر آلومینیوم نیز وجود دارد که دارای ولتاژ 250 ولتDC یا خازن پلیمر تانتالیوم با ولتاژ 125 ولت DC است.
دلیل دیگری که در مدارات موجود خازنهای الکترولیتی تانتالیوم یا آلومینیومی را با پلیمر جایگزین نمی‌کنند قیمت بالای آن‌هاست. همانطور که گفته شد، استفاده از خازنهای پلیمری در طراحی‌ها، به ویژه در منابع تغذیه، مزایای متعددی دارد.
مشخصه ظرفیت بر حسب به ولتاژ
رفتار ظرفیت نسبت به ولتاژ در خازنهای پلیمری مانند خازنهای الکترولیتی تانتالیوم است که قبلاً بیان کردیم. در این خازن‌ها نیز با افزایش دما، ظرفیت خازن به صورت خطی افزایش می‌یابد.
ESR بسیار پایین
نقطه ضعف قابل توجه خازنهای تانتالیوم و آلومینیوم معمول، مقاومت سری معادل بالای آنها است و هنگامی که در یک منبع تغذیه سوئیچینگ و برای فیلتر کردن استفاده شوند، کاهش ریپل ولتاژ و تداخل الکترومغناطیسی دشوار است. ESR خازنهای پلیمری مشابه خازنهای سرامیکی است که به عنوان فیلتر ایده‌آل هستند زیرا ظرفیت بالاتری نسبت به نمونه‌های سرامیکی ارائه می‌دهند. خازنهای پلیمری قیمت بالاتری نسبت به نمونه‌های مشابه الکترولیت مایع دارند، اما از تعداد معادل خازنهای سرامیکی موازی همچنان ارزان‌تر هستند. برای کاربردهای با ریپل بالای جریان که ظرفیت بالایی مورد نیاز است، خازنهای پلیمری به دلیل ESR پایین ایده‌آل هستند.
چگالی ظرفیت بالا
خازنهای پلیمری آلومینیومی عمدتاً چگالی خازنی بسیار بالایی نسبت به سطحی که اشغال میکنند دارند. خازنهای پلیمری تانتالیوم در پکیج‌های بلند شبیه خازنهای آلومینیومی ارائه نمی‌شوند. خازنهای آلومینیومی استوانه‌ای بلند این امکان را ایجاد میکنند که با استفاده از اجزایی با نسبت ابعادی بلند به ظرفیت بالایی دست یافت، البته اگر ارتفاع مجاز برد اجازه دهد.
عدم نشتی
در خازنهای آلومینیومی به دلیل خشک شدن یا نشتی الکترولیت شکست خازنی رخ می‌دهد. یک خازن دارای نشتی می‌تواند مدار را از بین ببرد پس نیاز است خازنهای آلومینیومی قبل از خراب کردن برد تعویض شوند در حالی که امکان نشتی در الکترولیت پلیمری جامد وجود ندارد.
عدم وجود اثر پیزوالکتریک
با توجه به آنچه بیان شد نمونه‌های پلیمری مانند همتایان غیر پلیمری خود، مشکلات پیزوالکتریک و میکروفونیک ندارند، و برای کاربردهای صوتی و سایر کاربردهای حساس آنالوگ سیگنال کوچک مناسبند.
پایداری فرکانس
همانطور که اشاره شد، خازنهای پلیمری در مقایسه با همتایان الکترولیت مایع خود برای کاربردهای فرکانس بالا گزینه‌های خوبی هستند. گرچه به خوبی خازنهای سرامیکی نیستند ولی بسیار به آنها نزدیکند و در مقایسه با خازنهای سرامیکی در قیمت و فضای اشغالی روی برد مشابه می‌توانند ظرفیت بالایی را ارائه دهند.
این موضوع خازنهای پلیمری را برای منابع تغذیه و کاربردهای صوتی کاربردی میکند. با این که خازنهای پلیمری گران‌تر از سایر گزینه‌ها هستند، ولی با توجه به کاهش ظرفیت خازنهای سرامیکی در برابر افزایش ولتاژ، برای دستیابی به ظرفیت مشابه نیاز است تعداد بیشتری خازن سری شود در حالی که در صورت استفاده از خازن پلیمری به تعداد کمتری نیاز است که در هزینه صرفه جویی میشود.
به عنوان مثال، یک منبع تغذیه ساده DC-DC Buck را در نظر می‌گیریم:
این موضوع خازنهای پلیمری را برای منابع تغذیه و کاربردهای صوتی کاربردی میکند. با این که خازنهای پلیمری گران‌تر از سایر گزینه‌ها هستند، ولی با توجه به کاهش ظرفیت خازنهای سرامیکی در برابر افزایش ولتاژ، برای دستیابی به ظرفیت مشابه نیاز است تعداد بیشتری خازن سری شود در حالی که در صورت استفاده از خازن پلیمری به تعداد کمتری نیاز است که در هزینه صرفه جویی میشود.
به عنوان مثال، یک منبع تغذیه ساده DC-DC Buck را در نظر می‌گیریم:
ممنون که تا انتهای مقاله با ما بودید، امیدواریم از این مقاله لذت برده باشید، شما می‌توانید سولات، نظرات و پیشنهادات خود را در بخش دیدگاه با ما در میان بگذارید.
