خازن سرامیکی چیست؟

مقدمه

خازن‌ها یکی از اجزای اصلی و مهم در دستگاه‌های الکترونیکی هستند. در الکترونیک مدرن، شما به طور معمول خازن‌های سرامیکی را خواهید یافت که تقریباً برای هر مدار مجتمع (IC) یا هر بلوک تنظیم کننده‌ی ولتاژ در کنار خازن‌های بزرگ آلومینیومی وجود دارند.

انواع مختلفی از خازن‌ها برای موارد زیر استفاده می‌شوند: کوپلینگ، دی کوپلینگ، فیلترها، ذخیره و تأمین انرژی، تطبیق امپدانس و بسیاری کاربردهای دیگر. در این وبلاگ از اسکایتک قصد داریم که با خازن سرامیکی و ویژگی‌های آن‌ها آشنا شویم.

انتخاب خازن

هرچند ماهیت انواع مختلفی از خازن یکسان هستند اما مشخصه‌های آن‌ها مانند ظرفیت، ولتاژ، محدوده‌ی فرکانسی و … متفاوت هستند. هر نوع خازن دارای کاربردهای خاصی است. بنابراین گاهی اوقات انتخاب درست خازن برای پروژه‌ای کار آسانی نیست.

برای انتخاب خازن، بهتر است ظرفیت، حداکثر ولتاژ، مقاومت سری معادل (ESR)، اندوکتانس سری معادل (ESL)، طول عمر، اندازه، قیمت، در دسترس بودن و سایر مشخصه‌های متغیر با دما را در نظر بگیرید.

به عنوان مثال، برای انتخاب خازن با کاربرد کوپلینگ باید مقادیر ESR و ESL را در نظر گرفت. از طرفی، به هنگام انتخاب یک خازن با کاربرد ذخیره‌ی انرژی یا تغییر بار ناگهانی، نشت جریان آن می‌تواند بحرانی‌تر باشد. در کل، انتخاب خازن در مرحله‌ی اول به نوع کاربرد و محدودیت‌های بودجه بستگی دارد. در ادامه با انواع خازن و کاربرد‌های آن‌ها با جزییات بیشتری بیان خواهیم کرد.

خازن سرامیکی

یکی از محبوب‌ترین و رایج‌ترین خازن‌ها، خازن‌های سرامیکی هستند. در گذشته، ظرفیت خازنی آن‌ها بسیار پایین بودند؛ اما امروزه چنین نیست و ظرفیت آن‌ها به صدها میکرو فاراد می‌رسند.

خازن‌های سرامیکی مدرن به دلیل عملکرد بهترشان، می‌توانند جایگزین انواع خازن قدیمی مانند الکترولیتی و تانتالیوم استفاده شوند.

خازن سرامیکی چند لایه (MLCC) دارای بدنه‌ی دی‌الکتریک از جنس سرامیک هستند. آن‌ها چندین لایه‌ی الکترود دارند که ظرفیت خازنی را تشکیل می‌دهند.

ضخامت لایه‌های سرامیکی بسیار نازک هستند. اما این ضخامت به میزان حداکثر ولتاژ قطعه بستگی دارد. هر چه ولتاژ بالاتر باشد، ضخامت و اندازه‌ی آن بیشتر می‌شود. خازن معمولاً توسط یک پوشش نازک در برابر رطوبت و سایر آلودگی‌ها محافظت می‌شود.

کوچک‌ترین اندازه‌ی خازن سرامیکی دارای ابعاد 2 در 1 اینچ (6 در3 میلی‌متر) است که در بردهای چگالی بالا (HDI) کاربرد فراوانی دارد.

مزایای خازن سرامیکی

یکی از مزایای اصلی، چگالی ظرفیت بالای آن‌ها است. به دلیل ساختار چند لایه‌ی آن‌ها، می‌توانند به مقادیر ظرفیت خازنی بسیار بالاتری نسبت به انواع دیگر خازن‌ها دست یابند، در حالی که اندازه‌ی کوچکی دارند. این موضوع آن‌ها را برای کاربردهایی که فضا محدود است، مانند دستگاه‌های موبایل ایده آل می‌کند.

مقدار ESR کم، از مزیت دیگر خازن سرامیکی است. ESR پایین‌تر نشان می‌دهد که خازن می‌تواند سریع‌تر و مؤثرتر تخلیه شود. این امر به ویژه در کاربردهای فرکانس بالا که زمان تخلیه‌ی سریع مورد نیاز است، مهم است.

انواع خازن سرامیکی

علی‌رغم مزیت‌های خازن سرامیکی، همه‌ی MLCC ها یکسان نیستند. برخی از آن‌ها بسیار ارزان و برخی دیگر پرهزینه هستند. مشخصه‌های خازن نیز به عوامل متعددی مانند نوع دی‌الکتریک، بستگی دارد. انواع رایج دی‌الکتریک آن‌ها عبارت‌اند از: X7R، X5R، Y5V، NP0، C0G و Z5U. دو دسته‌ی اصلی از خازن‌های سرامیکی وجود دارد: کلاس 1 و کلاس 2

کلاس 1

خازن‌های کلاس 1، بیشترین پایداری و کمترین تلفات را ارائه می‌دهند. آن‌ها تحمل و دقت بالایی دارند و نسبت به تغییرات ولتاژ و دما پایدارتر هستند. آن‌ها برای مدارهای نوسانگر، فیلتر و کاربردهای صوتی مناسب هستند. جدول کد تلورانس خازن‌های کلاس 1 در زیر آورده شده است:

حرف اول نشان دهنده‌ی تغییر ظرفیت خازنی نسبت به دما در ppm/°C و حرف دوم بیان‌گر ضرب کننده در حرف اول است. حرف سوم نیز نشان دهنده‌ی حداکثر خطا نسبت به دما در ppm/°C است.

برای مثال C0G یکی از پایدارترین دی‌الکتریک خازنی است. ظرفیت خازن به ازای تغییر یک درجه‌ی دما، 0.3 کاهش یا افزایش می‌یابد. توجه داشته باشید که بازه‌ی دمای خازن‌ها معمولاً از -55 تا 125 درجه سانتی‌گراد است.

مشخصه‌ی Q یا ضریب تغییر ظرفیت خازنی C0G بیش از 1000 است. جذب دی‌الکتریک آن مانند خازن میکا بسیار کم است و گزینه‌ی مناسبی برای کاربردهای RF می‌باشند.

کلاس 2

ضریب گذردهی خازن‌های کلاس 2 بسیار بالاتر از خازن‌های کلاس 1 است. این به آن‌ها سطح ظرفیت خازنی بالاتری به ازای هر واحد حجم می‌دهد. با این حال، دقت و پایداری آن‌ها پایین هستند. علاوه براین‌ها، ظرفیت خازنی وابسته به ولتاژ اعمال شده و ضریب دما غیر خطی است.

چنین خازن‌هایی به طور ایده آل برای کاربردهای کوپلینگ و دکوپلینگ مناسب هستند که در آن‌ها مقدار ظرفیت دقیق بحرانی نیست، اما در جایی که فضا محدود است، ممکن است پیشنهاد خوبی نباشد. جدول کد تلورانس خازن‌های کلاس 2 در زیر آورده شده است:

اولین و دومین حرف به ترتیب نشان دهنده‌ی کم‌ترین دمای عملیاتی و بیشترین دمای عملیاتی است. حرف سوم نیز بیان‌گر تغییر ظرفیت خازنی در محدوده‌ی دمایی است.

یکی از رایج‌ترین و محبوب‌ترین دی‌الکتریک‌های کلاس 2، X7R است که محدوده‌ی دمایی آن از -55 تا 125 درجه سانتی‌گراد و تغییر ظرفیت آن 15 درصد هست. هزینه‌ی این خازن‌ها پایین اما تحمل ولتاژ آن‌ها بالاست.

در این مقاله، به طور کامل با خازن سرامیکی و ویژگی‌های آن‌ها آشنا شدیم. در وبلاگ‌های بعدی به تدریج با انواع خازن مانند خازن‌های تانتالیوم، الکترولیت آلومینیومی، پلیمری و … آشنا خواهیم شد.

منبع

https://resources.altium.com/p/which-type-capacitor-should-you-use