- چهارشنبه ۱۸ بهمن ۱۴۰۲
راهنمای خازن دی‌الکتریک سرامیکی و سایر انواع آن
خازن دی‌الکتریک
راهنمای خازن دی‌الکتریک سرامیکی و سایر انواع آن
چه چیزی باعث می‌شود که خازن دی‌الکتریک عملکرد ویژه خود را انجام دهد؟ پاسخ قدرت میدان الکتریکی در خازن دی‌الکتریک است که تعیین می‌کند چگونه جریان جایگزین در دستگاه ایجاد شود.
چکیده
برخی انواع خازن دی‌الکتریک مزایای دیگری علاوه‌بر ایجاد چگالی خازنی بالا دارند. آنها گاه ولتاژ شکست بسیار بالا دارند، گاه در جریان ای.سی مفید هستند زیرا به قطبیت خاصی نیاز ندارند و گاه ضریب دمای بسیار پایینی دارند که آنها را برای کاربردهای دقیق به گزینه بهتری تبدیل می‌کند.
اگر به دنبال خازن‌هایی با دی‌الکتریک الکترولیتی، پلاستیکی یا حتی پلی‌استر هستید، باید آنها را در بخش ابزارهای قطعات برد الکترونیکی یا برد مدار چاپی جستجو کنید. هنگام انتخاب خازن دی‌الکتریک باید به ظرفیت خازن و ضریب دما، تلورانس، طول عمر خازن، پارازیت‌ها و اندازه خازن توجه کنید و مطابق با موارد استفاده خود، خازن مناسب را انتخاب کنید.
خازن دی‌الکتریک
خازن‌ها بخش مهمی از مدارهای الکتریکی را تشکیل می‌دهند. اما واقعاً خازن چه کار می‌کند و چه چیزی باعث عملکرد ویژه آن می‌شود؟ خازن‌ها ابزارهای غیرفعال هستند که انرژی پتانسیل الکتریکی را به‌شکل ولتاژ بین دو هادی باردار ذخیره می‌کنند و این دو هادی به کمک یک دی‌الکتریک عایق از هم جدا شده‌اند.
ماده دی‌الکتریک عایق جریان دی.سی را محدود می‌کند و اجازه می‌دهد جریان ای.سی یک جریان جایگزین به دو صفحه القا کند و این کار را به واسطه قطبی کردن حضور یک ولتاژ فعال انجام می‌دهد. این قطعات در همه دستگاه‌ها از شبکه‌های فیلتر آنالوگ گرفته تا منابع تغذیه و قطعات دیجیتالی پرسرعت وجود دارند.
چه چیزی باعث می‌شود که خازن دی‌الکتریک عملکرد ویژه خود را انجام دهد؟ پاسخ قدرت میدان الکتریکی در خازن دی‌الکتریک است که تعیین می‌کند چگونه جریان جایگزین در دستگاه ایجاد شود. از این رو می‌توان خازن‌ها را بر اساس عایق دی‌الکتریک آنها دسته‌بندی کرد. در این مقاله به دسته‌بندی‌های خازن دی‌الکتریک و از جمله به خازن دی‌الکتریک سرامیکی می‌پردازیم.(دپارتمان برق و الکترونیک)
خازن دی‌الکتریک معمولی
انواع مختلفی از خازن دی‌الکتریک وجود دارد که هر یک در اندازه‌های مختلف یافت می‌شند. به‌طور کلی برخی مواد دارای خاصیت دی‌الکتریک ثابت بسیار بالاتری نسبت به سایر مواد هستند و می‌توان گفت آنها دارای «دانسیته یا چگالی خازنی» بالاتری هستند و معنایش این است آنها ظرفیت خازنی بیشتری را در بسته کوچک‌تری ارائه می‌دهند.
طراحانی که درون منابع تغذیه را بررسی می‌کنند، به بسته‌های خازنی شعاعی (Radial electrolytic capacitor) بزرگی بر می‌خورند که به‌شکل عمودی روی برد قرار گرفته‌اند. اینها خازن‌های الکتریکی هستند و برای فراهم کردن چنین مقادیر خازنی بالایی نیاز بوده که به این اندازه تهیه شوند.
خازن الکتریکی شعاعی
سایر خازن‌های دی‌الکتریک مزایای دیگری علاوه بر ایجاد چگالی خازنی بالا دارند. آنها گاه ولتاژ شکست بسیار بالا دارند، گاه جریان ای.سی مفید هستند زیرا به قطبیت خاصی نیاز ندارند و گاه ضریب دمای بسیار پایینی دارند که آنها را برای کاربردهای دقیق به گزینه بهتری تبدیل می‌کند.
این یکی از دلایلی است کاتالوگ‌ها و دستورالعمل‌های برنامه‌ها پیشنهاد می‌کند که خازن مورد نظر خود را براساس مواد دی‌الکتریک آن انتخاب کنید نه براساس ظرفیت آن. در این برنامه‌ها، مقدار خازن کمتر از ویژگی‌های ماده دی‌الکتریک آن اهمیت دارد. وقتی می‌خواهید به پیشنهادها در مورد خازن‌ها در برگه‌های اطلاعاتی یا دستورالعمل برنامه‌ها توجه کنید، این نکته را مد نظر داشته باشید.
انواع خازن دی‌الکتریک
در ادامه چند نمونه خازن دی‌الکتریک را بر اساس کاربردهای آنها بررسی می‌کنیم.
خازن دی‌الکتریک سرامیکی
ظرفیت خازن دی‌الکتریک سرامیکی تحت تأثیر دما و ولتاژ اعمال‌شده قرار می‌گیرد. این خازن‌ها همچنین دارای مقدار نشتی جریان دی.سی کمتر و مقاومت سری معادل (equivalent series resistance) یا ESR کمتر نیز هستند. خازن دی‌الکتریک سرامیکی به غیرقطبی بودن مایل است و از این رو می‌تواند در PCB Layout که ابزاری مهندسی طراحی برد مدار چاپی با مسیریابی هوشمند سیگنال‌های پرسرعت است، هر جهتی به خود بگیرد.
این یکی از دلایلی است که این خازن‌ها اغلب در کاربردهای ای.سی و برق با فرکانس بالا ترجیح داده می‌شوند. اما مقاومت سری معادل پایین ممکن است باعث تغییرات لحظه‌ای قوی در جریان سیستم برق شود که گاه می‌توان با استفاده از خازن‌های کنترل‌شده از این امر اجتناب کرد.
خازن‌های سرامیکی از طریق پوشاندن دو طرف یک دیسک سرامیکی کوچک با یک لایه فلز (مانند نقره) و سپس چیدن آنها در یک بسته خازنی ساخته می‌شوند. برای ایجاد ظرفیت بسیار کم خازن می‌توان از دیسک سرامیکی در حدود ۳ تا ۶ میلی‌متر استفاده کرد.
ثابت دی‌الکتریک (dielectric constant) یا Dk در خازن دی‌الکتریک سرامیکی بسیار زیاد است، در نتیجه ظرفیت خازنی بسیار بالایی را می‌توان در بسته‌های کوچک گنجاند.
دی‌الکتریک‌های الکترولیتی (مامند تانتالوم، آلومینیوم و غیره) یا دی‌الکتریک‌های اکسیدی
این خازن‌ها در مدارهایی مورد استفاده قرار می‌گیرند که ظرفیت خازنی مورد نیاز در آنها بسیار بالاست و در اینجا یک محلول الکترولیت نیمه‌مایع و به شکل ژله یا خمیر جایگزین یک لایه فیلم فلزی بسیار نازک می‌شود که به‌عنوان کاتد عمل می‌کند.
این خازن‌ها از نظر ظرفیت خازنی پایدارتر هستند و در برابر تغییرات دما و جریان مقاومت بیشتری دارند و در ولتاژ بالا پایدارتر عمل می‌کنند. آنها مقاومت سری معادل بالاتری نسبت به خازن‌های سرامیکی دارند و غیرقطبی هستند.
خازن فیلم پلاستیکی
این خازن دی‌الکتریک دارای ثابت دی‌الکتریک کمتر و درنتیجه اندازه بسیار بزرگ‌تری است، اما در مدارهای فرکانس بالا بسیار مفید است. خازن فیلم پلاستیکی رایج‌ترین و در دسترس‌ترین نوع خازن است که شامل خانواده نسبتاً وسیعی از خازن‌ها با ویژگی‌های دی‌الکتریک مختلف می‌شود. از این رو ویژگی‌ها و مشخصات مواد این خازن‌ها بسیار متنوع است.
بسترهای برد مدار چاپی
بستر برد مدار چاپی ماده‌ای است که آثار و اجزای تشکیل‌دهنده شالوده یک برد مدار چاپی را در جای خود محکم نگه می‌دارد. انتخاب ماده مناسب برای بستر برد مدار چاپی در نتیجه‌بخش بودن و موفقیت یک پروژه برد مدار چاپی بسیار مهم است. از نظر فنی برد مدار چاپی وقتی دارای لایه‌های بزرگ و مجاور هم باشد، یک خازن بزرگ است. سطوح یک برد مدار چاپی ظرفیت القای مغناطیسی معادل (equivalent series inductance) یا ESL بسیار پایینی دارند و به همین دلیل است که خازن‌های سطحی اغلب مؤثرترین نوع خازن برای برد مدار چاپی با سرعت بالا هستند.
خازن دی‌الکتریک سرامیکی و طبقه‌بندی آن
نوع و کلاس خازن دی‌الکتریک سرامیکی به قدرت دی‌الکتریک آن بستگی دارد که ولتاژ شکست را در خازن مشخص می‌کند.
· کلاس یک
خازن سرامیکی کلاس یک معمولاً از اکسید موادی مانند روی، تانتالوم، زیرکونیوم، نیوبیوم، منیزیم، کبالت و استرانسیوم ساخته می‌شود. این خازن در مدارهای ای.سی نسبتاً غیرحساس به تغییرات دما کاربرد دارد. برای نمونه مدارهای تشدیدشده مانند فیلترها یا شبکه‌های تطبیقی که در آنها یک محصول در شرایط عملیاتی دشوار باید دقت بالایی داشته باشد، از موارد کاربرد این خازن‌ها هستند.
· کلاس دو
این خازن‌های سرامیکی از ماده دی‌الکتریک تیتانات باریم ساخته می‌شوند که نسبت به دما حساس است. این خازن سرامیکی چگالی خازنی بالایی دارد و می‌تواند در حجم کم ظرفیت بالایی داشته باشد. به‌طور کلی خازن‌های سرامیکی کلاس دو برای کاربردهای هموارسازی، کوتاه کردن مسیر، اتصال و قطع اتصال مورد استفاده قرار می‌گیرند.
· کلاس سه
این گروه از خازن‌های دی‌الکتریک سرامیکی در مقایسه با مواد تشکیل‌دهنده خازن دی‌الکتریک کلاس دو ظرفیت بسیار بالاتری دارند. خازن‌های کلاس سه قدیمی محسوب می‌شوند و مورد تأیید استانداردهای کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیک یا IEC نیستند. البته خازن‌های سرامیکی چندلایه و جدید این کلاس ظرفیت بالاتر و پایداری بهتر و دقت بیشتری در بسته‌های فشرده‌تر ارائه می‌دهند.
توجه داشته باشید که تعاریف فوق طبق استاندارهای IEC/EN 60384-1 و IEC/EN 60384-8/9/21/22 ارائه شده‌اند. مرجع استاندارد دیگری که اداره اطلاعات انرژی یا EIA باشد، تعاریف خاص خود را دارد و خازن دی‌الکتریک سرامیکی را در چهار کلاس دسته‌بندی می‌کند.(آموزش برق ساختمان)
هر یک از این کلاس‌ها با اعداد رومی مشخص می‌شوند، پس اگر در کاتالوگ محصولات خازنی دیدید که به جای کلاس سه، کلاس III بود، باید بدانید که این دو کلاس با هم معادل نیستند و استاندارد تعریف‌کننده آنها با هم فرق دارد.
سیستم کدگذاری خازن
یک سیستم کدگذاری الفبایی عددی برای خازن دی‌الکتریک سرامیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد که دارای سه کاراکتر است و کدگذاری در آن به کلاس خازن بستگی دارد. علامت‌های کدگذاری روی بدنه خازن نشان‌دهنده ولتاژ نامی، تلورانس و ضریب دمای خازن هستند.
برای نمونه، خازن‌های سرامیکی کلاس دو براساس محدودیت عملکرد در دما و حساسیت خازن نسبت به تغییرات دما طبقه‌بندی می‌شوند. مقدار حساسیت در یک محدوده بین بالاترین و پایین‌ترین دما مشخص می‌شود و خازن برای عملکرد خارج از این محدوده تضمین‌شده نیست.
توجه داشته باشید که این کدگذاری‌ها به معنای نام مواد دی‌الکتریک خازن سرامیکی نیستند. ترکیبات سرامیکی ممکن است نام یک محصول یا یک ترکیب شیمیایی باشند، اما این کدها برای تطبیق محدود عملکرد با سطح مشخصی از تلورانس خازن مورد استفاده قرار می‌گیرند.
جدول زیر کدهای سه‌کاراکتری خازن‌های سرامیکی کلاس دو (مانند X5R، X7R و غیره) را نشان می‌دهد:
|
نحوه پیدا کردن خازن با ویژگی دی‌الکتریک خاص
اگر به دنبال خازن‌هایی با دی‌الکتریک الکترولیتی، پلاستیکی یا حتی پلی‌استر هستید، باید آنها را در بخش ابزارهای قطعات برد الکترونیکی یا برد مدار چاپی جستجو کنید. سرویس‌های خدماتی مانند Octopart گزینه‌های فراوانی با دی‌الکتریک خاص در اختیار شما قرار می‌دهند که اندازه بدنه، سبک نصب و موارد دیگر در آنها متنوع است. اما هنگام انتخاب دی‌الکتریک باید به این چند نکته اساسی توجه کنید:
· ظرفیت خازن و ضریب دما: هنگام جستجوی اجزای دی‌الکتریک هر دو این عوامل را مد نظر داشته باشید.
· تلورانس: تلورانس همان ضریب دما نیست. تلورانس میزان تغییر مقدار ظرفیت نامی است که در همه بخش‌های غیرفعال مدار وجود دارد.
· طول عمر: خازن‌های دی‌الکتریک دارای طول عمر محدود هستند و در طی این زمان ظرفیت خازن کم‌کم کاهش می‌یابد و در نهایت فراتر از سطح تحمل دستگاه تغییر خواهد کرد.
· پارازیت: ظرفیت القای مغناطیسی معادل یا ESL و مقاومت سری معادل ESR برای کاربردهای فرکانس بالا و در برخی کاربردها که شامل سوئیچ سریع یا یکپارچگی توان برای سیستم‌های دیجیتالی است، بسیار مهم هستند.
· اندازه: برای خازن‌های تراشه‌ای و الکترولیت‌های شعاعی – محوری، اندازه بزرگ‌تر ظرفیت بیشتری ایجاد می‌کند. ممکن است در این موارد استاندارد خاصی وجود داشته باشد، مانند کدهای کیس SMD برای خازن‌های تراشه‌ای. اندازه کوچک‌تر دارای پد کوچک‌تر و در نتیجه ظرفیت القای مغناطیسی معادل کمتر است.
برای خازن‌های سرامیکی از میان این مشخصات اولیه فقط موارد اول و دوم براساس کدگذاری سه‌کاراکتری استانداردسازی شده‌اند. اگر می‌دانید در برنامه خود به چه کدی نیاز دارید، همان کد را جستجو کنید. انواع دیگر خازن مانند خازن‌های سرامیکی کدگذاری نمی‌شوند، از این رو اگر فقط براساس حروف کد جستجو کنید ممکن است الکترولیت مورد نظر خود را پیدا نکنید.
درنهایت اینکه برای کاربردهای برق، ولتاژ شکست پارامتر مهمی است. توجه داشته باشید که خازن دی‌الکتریک براساس قدرت دی‌الکتریک آن ارزیابی می‌شود که قدرت میدان الکتریکی مورد نیاز برای شکستن دی‌الکتریک است. ولتاژ شکست برای هر دستگاه متفاوت است و در طراحی سیستم‌های قدرت مؤلفه مهمی محسوب می‌شود.
فراموش نکنید که هنگام طراحی برای یک منبع تغذیه این مؤلفه را در نظر بگیرید و حتماً رتبه‌بندی اعمال‌شده را برای ولتاژ ای.سی و دی.سی بررسی کنید. توجه نکردن به این نکته اشتباهی رایج است که اغلب باعث از کار افتادن سیستم می‌شود.
چه دستگاه شما یک منبع تغذیه باشد چه دستگاهی بی‌سیم، باید به آن خازن اضافه کنید و شاید لازم باشد خازن را براساس دی‌الکتریک آن انتخاب کنید. وقتی خازن مورد نیاز در طراحی خود را پیدا کردید، از ابزارهای طراحی برد الکترونیکی برای آماده‌سازی چیدمان برد استفاده کنید. این ابزارها ایده شما را به واقعیت نزدیک می‌کنند.
جمع‌بندی
خازن‌ها ابزارهای غیرفعال هستند که انرژی پتانسیل الکتریکی را به‌شکل ولتاژ بین دو هادی باردار ذخیره می‌کنند و این دو هادی به کمک یک دی‌الکتریک عایق از هم جدا شده‌اند. این قطعات در همه دستگاه‌ها از شبکه‌های فیلتر آنالوگ گرفته تا منابع تغذیه و قطعات دیجیتالی پرسرعت وجود دارند. قدرت میدان الکتریکی است که تعیین می‌کند خازن دی‌الکتریک چگونه جریان جایگزین در دستگاه ایجاد شود. از این رو می‌توان خازن‌ها را بر اساس دی‌الکتریک عایق آنها دسته‌بندی کرد.
خازن دی‌الکتریک براساس قدرت دی‌الکتریک آن ارزیابی می‌شود که قدرت میدان الکتریکی مورد نیاز برای شکستن دی‌الکتریک است. ولتاژ شکست برای هر دستگاه متفاوت است و در طراحی سیستم‌های قدرت مؤلفه مهمی محسوب می‌شود.
نویسنده: زاخاری پترسون (Zachariah Peterson)
مترجم: بهناز دهکردی
منبع: Altium
در دنیای کسب‌وکار امروز، تحصیلات دانشگاهی برای حفظ ارزش شما به‌عنوان نیروی کار بااستعداد و کارآمد کافی نیستند. برای اینکه مزیت رقابتی شخصی خود را حفظ کنید، باید بر آموزش مستمر و مادام‌العمر خود سرمایه‌گذاری کنید. خانواده بزرگ مجتمع فنی تهران هرساله به هزاران نفر کمک می‌کند تا در مسیر شغلی خود پیشرفت کنند.
اگر شاغل هستید و وقت ندارید در دوره‌های آموزشی حضوری شرکت کنید، مجتمع فنی تهران گزینه‌هایی عالی برای آموزش مجازی، آنلاین، آفلاین و ترکیبی ارائه می‌دهد. با شرکت در دوره‌های کوتاه‌مدت مجتمع فنی تهران و دریافت مدارک معتبر و بین‌المللی می‌توانید با اعتماد به نفس مسیر ترقی را طی کنید و در سازمان خود به مهره‌ای ارزشمند تبدیل شوید.
*برای مشاهده تقویم آموزشی اینجا را کلیک نمایید.
شماره تماس: 22060586
