راهنمای خازن - فصل ۲
نویسنده: کوروش ارفع شهیدی
ایمیل: kourosh.a.shahidi@gmail.com
مقدمه‌ای بر خازن‌های سرامیکی
خازن‌های سرامیکی از اجزای ضروری در سیستم‌های الکترونیکی مدرن هستند که به دلیل تطبیق‌پذیری و کارایی بالا به رسمیت شناخته شده‌اند. این خازن‌ها از مواد سرامیکی به عنوان دی‌الکتریک استفاده می‌کنند که توانایی آنها در ذخیره و تنظیم بار الکتریکی را تعیین می‌کند. ویژگی‌های دی‌الکتریک به طور قابل توجهی بر عواملی مانند ظرفیت خازنی، پایداری و پاسخ فرکانسی تأثیر می‌گذارند و این خازن‌ها را برای طیف وسیعی از کاربردها، از مدارهای ساده تا سیستم‌های پیشرفته با فرکانس بالا مناسب می‌سازند. با ترکیب طراحی فشرده و عملکرد قابل اعتماد، خازن‌های سرامیکی نقش محوری در شکل‌دهی به الکترونیک معاصر ایفا می‌کنند.
انواع خازن‌های سرامیکی
مقدار K از انتخاب مواد و از آرایش هندسی اجزای منفرد ناشی می‌شود.
خازن‌های سرامیکی تک صفحه‌ای
یک نوع سرامیک وجود دارد که تقریباً دقیقاً شبیه مدل کلاسیک یک خازن صفحه موازی است. یک دی‌الکتریک سرامیکی به شکل مربع یا دایره آماده شده و با هادی‌ها در هر سطح تخت پوشش داده می‌شود همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است.
ظرفیت خازنی
اگر مقدار K برای دی‌الکتریک مشخص باشد، مساحت هادی‌ها، ضخامت دی‌الکتریک را اندازه‌گیری کرده و مستقیماً ظرفیت خازنی را محاسبه کنید.
$C = \frac{k\epsilon A}{d}$
فرآیند تولید
در عمل تجاری، دی‌الکتریک از مواد پودری ریز ساخته می‌شود که مهمترین آن تیتانات باریم (K = 1000 تا 3000) است. عناصر دیسکی در قالب‌ها پرس شده و سپس در دمای بالا پخت می‌شوند تا ساختاری بسیار متراکم تولید شود. الکترودهای هر دو دیسک و صفحات تکی از ترکیبی حاوی پودر نقره، پودر شیشه و یک چسب آلی تشکیل می‌شوند. این ماده روی دیسک‌ها یا روی ورق‌هایی که صفحات تکی از آن بریده خواهند شد، چاپ می‌شود.
سطح بیرونی به راحتی قابل لحیم‌کاری است و سیم‌ها معمولاً در پیکربندی شعاعی وصل می‌شوند. سیم‌های به شکل سنجاق مو shown در شکل زیر به اندازه کافی فنری هستند تا عناصر سرامیکی را در حالی که مجموعه در لحیم فرو برده می‌شود، نگه دارند. انتهای پایینی سنجاق مو بعداً بریده می‌شود. این فرآیند به راحتی قابل مکانیزه شدن است و دیسک‌های فرو برده شده در میان ارزان‌ترین خازن‌های موجود هستند.
نقطه ضعف
خطر پل زدن در خازن‌های سرامیکی به خطری اشاره دارد که در آن ماده رسانای الکترودها ممکن است تا لبه‌های دی‌الکتریک گسترش یابد و باعث اتصال کوتاه بین الکترودهای مثبت و منفی شود. این مشکل عمدتاً در خازن‌های تک صفحه‌ای رخ می‌دهد، جایی که الکترودها به عنوان لایه‌های رسانا روی سطح دی‌الکتریک اعمال می‌شوند. اگر ماده رسانا به دقت محدود نشده یا نزدیک به لبه‌ها گسترش یابد، احتمال پل زدن افزایش می‌یابد. سایر عوامل مؤثر شامل خطاهای تولید، تنش مکانیکی و تجمع رطوبت است که می‌تواند مهاجرت یون را تسهیل کند. این خطر معمولاً با حذف ماده رسانا از لبه‌ها یا استفاده از طراحی‌های پیشرفته مانند خازن‌های سرامیکی چندلایه (MLCC) کاهش می‌یابد.
خازن‌های سرامیکی چندلایه (MLCC)
ساختار
یک طراحی بسیار پیچیده‌تر به نام خازن سرامیکی “مونولیتیک” نامیده می‌شود و ظرفیت خازنی بسیار بالاتری در واحد حجم ارائه می‌دهد. این خازن‌ها دارای ساختار چندلایه‌ای هستند که در آن لایه‌های نازک دی‌الکتریک سرامیکی با الکترودهای رسانا، معمولاً از جنس نقره یا آلیاژهای فلزی، به طور متناوب چیده شده‌اند. این لایه‌ها به دقت روی هم چیده شده و تحت فرآیند فشرده‌سازی و زینتر قرار می‌گیرند تا یک ساختار یکپارچه واحد به نام طراحی مونولیتیک تشکیل دهند.
مواد سرامیکی هم به عنوان دی‌الکتریک و هم به عنوان پوشش دهنده عنصر پایه عمل می‌کنند. الکترودها در داخل سرامیک دفن شده و فقط در انتها خارج می‌شوند. انتها با نوعی ترکیب پودر شیشه-نقره احاطه شده‌اند. شکل زیر تنها دو الکترود را نشان می‌دهد، اما 20 یا 30 الکترود در عمل تجاری بسیار رایج هستند و 60 یا 80 الکترود ممکن است برای بدست آوردن مقادیر ظرفیت بالاتر استفاده شوند.
ظرفیت خازنی
شکل زیر استفاده از سه الکترود را نشان می‌دهد. افزودن الکترود سوم مقدار ظرفیت خازنی را دو برابر کرده است زیرا دو لایه دی‌الکتریک وجود دارد. معادله ظرفیت خازنی ممکن است با افزودن عبارت N برای نشان دادن تعداد لایه‌های دی‌الکتریک در استفاده، اصلاح شود. ضخامت لایه نشان‌دهنده فاصله صفحات، D، در معادله است، در حالی که مساحت، A، مساحت دی‌الکتریکی است که بین الکترودهای مخالف ظاهر می‌شود. بعد L نشان داده شده در شکل زیر نمایانگر این مساحت است؛ بقیه طول الکترود با الکترودهای با قطبیت مخالف روبرو نمی‌شود و این بخش‌های الکترودها فقط به عنوان هادی به دنیای خارج عمل می‌کنند.
$C = \epsilon \times K \times \frac{A}{D} \times N$
فرآیند تولید
فرآیند تولید برای خازن‌های سرامیکی مونولیتیک بسیار پیچیده‌تر و پیشرفته‌تر از فرآیند مورد نیاز برای دیسک‌ها یا صفحات تکی است. مواد سرامیکی پودری با یک چسب مخلوط شده و روی نوارهای متحرک به صورت ورق‌های نازک انعطاف‌پذیر ریخته می‌شوند که روی قرقره‌ها پیچیده شده و ذخیره می‌شوند. ورق‌ها سپس با الگوهای الکترود چاپ می‌شوند. “مرکب” مورد استفاده در این چاپ با فلزات گرانبهای finely divided رنگ‌آمیزی شده است، که معمولاً از among پلاتین، پالادیم و طلا انتخاب می‌شوند. فلزات گرانبها ضروری هستند زیرا الکترودها باید همراه با سرامیک از through کوره پخت (بالاتر از +1000°C) عبور کنند و یک atmosphere اکسیدکننده باید در کوره حفظ شود تا ویژگی‌های سرامیکی مورد نظر توسعه یابد. استفاده از الکترودهای فلز گرانبها represents a major cost element در ساخت خازن‌های سرامیکی مونولیتیک است.
پس از خشک شدن مرکب، تکه‌هایی از ورق روی هم چیده می‌شوند، که هر تکه represents one dielectric layer. شکل زیر نشان می‌دهد الگوهای الکترود so printed شده‌اند که الکترودهای متناوب از انتهای مخالف خارج می‌شوند. در نهایت، لایه‌های پوششی که حاوی الکترود نیستند در بالا و پایین قرار می‌گیرند. کل مجموعه فشرده شده و سپس پخت می‌شود. در during پخت، سرامیک به یک ساختار همگن one homogeneous structure sintered together می‌شود که از آن نام “مونولیتیک” را می‌گیریم.
بازده حجمی سرامیک‌ها از مقادیر بالای K که possible هستند ناشی می‌شود. این نتیجه در contrast با دی‌الکتریک‌های تانتالیوم و other electrolytics است که primarily از فاصله بسیار نزدیک الکترودها gain efficiency می‌کنند. برای example، یک دی‌الکتریک سرامیکی 50 ولتی about 60 times ضخیم‌تر از یک دی‌الکتریک اکسید تانتالیوم 50 ولتی خواهد بود.
کلاس‌های دی‌الکتریک
اساس خازن سرامیکی، ویژگی‌های مواد دی‌الکتریک هستند. فرمولاسیون‌های دی‌الکتریک بسیاری در use هستند تا ویژگی‌های خاص خازن‌های finished به دست آیند. به طور کلی، پایداری ظرفیت خازنی با respect به دما و ولتاژ when large values of K sought شده قربانی می‌شوند. در حالی که many special formulations فروخته می‌شوند، صنعت بر روی three temperature compensating areas متمرکز شده است: پایدار (NPO یا COG)، نیمه پایدار (X7R) و همه‌کاره (Z5U).
خازن‌های NPO/COG بسیار پایدار هستند، minimal changes در ظرفیت خازنی across تغییرات دما، ولتاژ و فرکانس نشان می‌دهند و آنها را برای کاربردهای دقیق و با قابلیت اطمینان بالا ideal می‌سازند. خازن‌های X7R نیمه پایدار هستند، balance خوبی بین ظرفیت خازنی و پایداری متوسط ارائه می‌دهند، با انحرافات کوچک در ظرفیت خازنی under دماهای متغیر، که آنها را برای الکترونیک عمومی suitable می‌سازند. خازن‌های Z5U، از طرف دیگر، اجزای همه‌کاره با ظرفیت خازنی بالا اما تغییرات significant در ظرفیت خازنی due to تغییرات دما و ولتاژ هستند، که آنها را برای محیط‌های پایدار non-critical بهتر suited می‌سازند.
خازن‌های سرامیکی چندلایه در طیف گسترده‌ای از ویژگی‌های عملیاتی available هستند. Electronic Industries Association (EIA) و military categories ای established کرده‌اند تا به تقسیم ویژگی‌های پایه به کلاس‌های easily specified کمک کنند. specification پایه صنعت برای خازن‌های سرامیکی، specification EIA RS-198 است و همانطور که در بخش عمومی noted شده است، خازن‌های جبران دمایی را به عنوان خازن‌های کلاس 1 مشخص می‌کند. اینها توسط military under specification MIL-C-20 مشخص شده‌اند. خازن‌های all-purpose با ضرایب دمایی non-linear به عنوان خازن‌های کلاس 2 توسط EIA نامیده می‌شوند و توسط military under MIL-C-11015 و MIL-C-39014 مشخص شده‌اند. specification military با قابلیت اطمینان بالا، MIL-C-123 هر دو دی‌الکتریک کلاس 1 و کلاس 2 را پوشش می‌دهد.
کلاس ۱
خازن‌های جبران دمایی، خازن‌های کلاس ۱ نامیده می‌شوند. آنها highest performance از نظر پایداری و تلفات ارائه می‌دهند. آنها می‌توانند خازن‌های accurate با تلرانس بالا با ضرایب ولتاژ و دمایی پایدار provide کنند. آنها همچنین low losses ارائه می‌دهند و therefore برای استفاده در نوسان‌سازها، فیلترها و موارد مشابه suitable هستند.
آنها usually از مخلوط‌های تیتانات ساخته می‌شوند where تیتانات باریم normally بخش عمده‌ای از مخلوط نیست. آنها یک ضریب دمایی (TC) predictable دارند، و به طور کلی، یک characteristic aging ندارند. Thus، آنها پایدارترین خازن از نظر دما available هستند. TCهای خازن‌های جبران دمایی کلاس ۱ usually NPO (منفی-مثبت 0 ppm/°C) هستند. سایر خازن‌های جبران دمایی extended کلاس ۱ also در TCهای from P100 through N2200 manufactured می‌شوند.
کدهای خازن کلاس ۱
برای تعریف performance یک دی‌الکتریک خازن سرامیکی، یک کد سه کاراکتری استفاده می‌شود که specific به دی‌الکتریک‌های خازن سرامیکی کلاس ۱ است.
- اولین کاراکتر یک حرف است که significant figure تغییر ظرفیت خازنی بر روی دما را در ppm/°C می‌دهد.
- دومین کاراکتر numeric است و multiplier را می‌دهد.
- سومین کاراکتر یک حرف است و maximum error را در ppm/°C می‌دهد.
کلاس ۲
خازن‌های سرامیکی all-purpose به عنوان خازن‌های کلاس ۲ known شده‌اند و because of مقادیر ظرفیت خازنی بالا available در اندازه بسیار کوچک extremely popular شده‌اند. خازن‌های کلاس ۲ “فرروالکتریک” هستند و در مقدار ظرفیت خازنی under the influence شرایط محیطی و عملیاتی الکتریکی vary می‌کنند. خازن‌های کلاس ۲ under تأثیر دما، ولتاژ (هر دو AC و DC)، فرکانس و زمان affected می‌شوند.
اثرات دما
اثرات دما برای خازن‌های سرامیکی کلاس ۲ به عنوان changes غیرخطی ظرفیت خازنی با دما exhibited می‌شوند. در specifying تغییر ظرفیت خازنی با دما برای مواد کلاس ۲، EIA تغییر ظرفیت خازنی over یک محدوده دمایی عملیاتی را توسط یک کد ۳ نمادی express می‌کند.
- اولین نماد represents انتهای سرد محدوده دما است.
- دومین represents حد بالایی محدوده دمایی عملیاتی است.
- سومین نماد represents تغییر ظرفیت خازنی allowed over محدوده دمایی عملیاتی است.
توضیح detailed سیستم EIA در شکل زیر provided شده است:
دمای کوری
خازن‌های سرامیکی دارای یک ساختار کریستالی و دوقطبی‌هایی هستند که مواد را با ثابت دی‌الکتریک منحصر به فرد εr خود می‌دهند. But above یک certain دمای transition شکننده، به اصطلاح دمای کوری، سرامیک ویژگی‌های دی‌الکتریک خود را از دست می‌دهد. دمای کوری برای سرامیک‌های کلاس ۲ usually بین 125 تا 150 درجه سانتی‌گراد situated است. تأثیرات در any exact switch temperature occur نمی‌کنند but gradually discernible در vicinity دمای کوری می‌شوند. Thus، ما rather باید از محدوده کوری صحبت کنیم.
اثرات ولتاژ
تیتانات باریم یک material widely used در خازن‌های سرامیکی کلاس ۲ است. It possesses ویژگی‌های دی‌الکتریک بالا و effectively به سطوح ولتاژ مختلف responds می‌کند.
ساختار کریستالی تیتانات باریم از دوقطبی‌های الکتریکی consists می‌کند. این دوقطبی‌ها under the influence یک میدان الکتریکی خارجی polarize می‌کنند، behavior دی‌الکتریک خازن را determining می‌کنند.
-
When ولتاژ از صفر به یک مقدار limit افزایش می‌یابد و سپس decreases می‌شود، منحنی شارش another branch را follows می‌کند که در ولتاژ V = 0 یک بار باقیمانده + ΔQ leaves می‌کند. یک ولتاژ متناوب با همان magnitude منحنی شارش را along outlines حلقه هیسترزیس بزرگ در شکل force می‌کند.
-
If ولتاژ متناوب small باشد و ولتاژ DC = 0 باشد، حلقه هیسترزیس small oval در مرکز شکل را follow خواهد کرد. تغییرات ولتاژ کوچک correspond به تغییرات بار large می‌کنند، i.e. به یک ظرفیت خازنی بالا. But if ما یک ولتاژ متناوب کوچک روی یک ولتاژ DC considerable superimpose کنیم می‌بینیم how ΔV1 correspond به تغییرات بار fainter ΔQ1 می‌کند. ظرفیت خازنی dropped شده است.
پدیده هیسترزیس دی‌الکتریک: هیسترزیس دی‌الکتریک شبیه هیسترزیس مغناطیسی است. When یک میدان الکتریکی applied شده و سپس removed می‌شود، دوقطبی‌ها immediately به حالت original خود return نمی‌کنند، leaving یک بار باقیمانده (ΔQ). این behavior، known به عنوان هیسترزیس دی‌الکتریک، stability یا locking بارها در مواد فرروالکتریک را reflects می‌کند.
اثرات فرکانس
فرکانس بر ظرفیت‌های خازنی و ضریب تلفات affect می‌کند. تغییر impedance با فرکانس یک consideration بسیار مهم برای کاربردهای خازن decoupling است. طول lead، پیکربندی lead و اندازه body همه بر سطح impedance over more than تغییرات فرمولاسیون سرامیکی affect می‌کنند.
ظرفیت خازنی (ΔC/C):
- در فرکانس‌های پایین: ظرفیت خازنی relatively stable باقی می‌ماند و slightly below مقدار nominal آن است. This means خازن در این محدوده well عمل می‌کند و effectively انرژی ذخیره می‌کند.
- با افزایش فرکانس (بالاتر از 10 کیلوهرتز): ظرفیت خازنی decreases می‌یابد. در فرکانس‌های بسیار بالا (1 مگاهرتز و beyond)، به یک minimum drops می‌شود. This happens because ماده دی‌الکتریک inside خازن cannot efficiently به تغییرات rapid در میدان الکتریکی respond کند.
تلفات انرژی (tanδ):
- در فرکانس‌های پایین (10 هرتز تا چند کیلوهرتز): تلفات انرژی very low هستند، meaning خازن minimal انرژی را به عنوان heat dissipates می‌کند و با بازده بالا operates می‌کند.
- با افزایش فرکانس (فراتر از چند کیلوهرتز): تلفات انرژی significantly افزایش می‌یابد. در فرکانس‌های بسیار بالا، خازن large amount انرژی را به عنوان heat dissipates می‌کند، بازده آن reducing می‌کند.
اثرات زمان
خازن‌های سرامیکی کلاس ۲ تغییر ظرفیت خازنی و ضریب تلفات با زمان as well as دما، فرکانس و ولتاژ تغییر می‌دهند. این تغییر با زمان known به عنوان aging است.
پیرشدن (Aging): این اصطلاح به کاهش نمایی ظرفیت خازنی و ضریب تلفات over time اشاره دارد، caused by gradual re-alignment ساختار کریستالی ماده سرامیکی.
در diagram ظرفیت خازنی سرامیک Z5U با approximately 6% در هر decade زمان decreases می‌یابد و سرامیک X7R با approximately 1.3%.
ثابت‌های aging معمول usually هستند:
- BX/X7R/2C1: 1 تا 2%
- Z5U/2F4: 3 تا 6%
بازجوان‌سازی (De-aging): به فرآیند معکوس کردن aging طبیعی یک خازن سرامیکی کلاس ۲ اشاره دارد. بازجوان‌سازی occurs when خازن above نقطه کوری آن heated می‌شود، which دمایی است که در آن ساختار کریستالی ماده سرامیکی temporarily reset می‌شود.
If یک خازن سرامیکی برای یک period از زمان unused باقی بماند، ظرفیت خازنی و ضریب تلفات آن naturally due to فرآیند known به عنوان aging کاهش می‌یابد. However، if خازن above نقطه کوری آن heated شود (e.g.، 125°C برای 4 ساعت یا 150°C برای نیم ساعت)، این فرآیند aging معکوس می‌شود، یک پدیده referred به عنوان بازجوان‌سازی. پس از undergoing بازجوان‌سازی، خازن به مقادیر اولیه ظرفیت خازنی و ضریب تلفات خود return می‌کند.
بلافاصله following بازجوان‌سازی، ظرفیت خازنی rapidly تغییر می‌کند. برای measurements دقیق، manufacturers typically برای یک period تثبیت، commonly 24 ساعت، after درمان “last heat” صبر می‌کنند. عوامل مختلف، such as اعمال ولتاژهای بالا یا تنش‌های محیطی، می‌توانند performance خازن را influence کنند و منحنی aging آن را alter کنند. این effects در specifications نظامی (استانداردهای MIL) anticipated شده‌اند، which allow برای تغییرات در ظرفیت خازنی after tests مانند چرخه دما یا مقاومت رطوبت. re-measurements پس از یک بازه زمانی defined برای accounting این تغییرات conducted می‌شوند.
اثرات تنش مکانیکی
خازن‌های سرامیکی با K دی‌الکتریک بالا some reactions piezoelectric سطح پایین under تنش مکانیکی exhibit می‌کنند. به عنوان یک statement کلی، خروجی piezoelectric بالاتر است، higher ثابت دی‌الکتریک سرامیک. It is desirable این effect را before استفاده از دی‌الکتریک‌های با K بالا به عنوان خازن‌های coupling در کاربردهای extremely low level بررسی کنید.
کاربردها
خازن‌های سرامیکی primarily برای استفاده‌هایی designed شده‌اند where یک اندازه فیزیکی کوچک با ظرفیت الکتریکی comparatively بزرگ و مقاومت عایقی بالا required است. خازن‌های سرامیکی substantially کوچکتر از واحدهای کاغذی یا میکایی با همان ظرفیت خازنی و رتبه ولتاژ هستند.
خازن‌های سرامیکی all-purpose برای کاربردهای دقیق intended نیستند but برای استفاده به عنوان عناصر bypass، filter و coupling غیرحساس در مدارهای با فرکانس بالا suitable هستند where تغییرات appreciable در ظرفیت خازنی، caused by تغییرات دما، can تحمل شود.
خازن‌های جبران دمایی
خازن‌های سرامیکی جبران دمایی ideally برای کاربردهایی suited هستند که demand تغییر کنترل شده ظرفیت خازنی با تغییر دما، such as کاربردهای مدار resonant. ظرفیت خازنی بالا در بسته‌های کوچکتر با قابلیت اطمینان بالا بازده حجمی provides می‌کند و برای مونتاژ خودکار (نوار و قرقره) well-suited است.
این خازن‌ها راه‌حل‌های suitable برای کاربردهای requiring هستند:
- Q بالا و پایداری فرکانس با ویژگی‌های retrace عالی
- ضرایب دمایی بسیار predictable
- خازن‌های unaffected توسط ولتاژ، فرکانس یا زمان
- یک ماده دی‌الکتریک که فرروالکتریک نیست
- پایدارترین نوع خازن available
خازن‌های جبران دمایی برای استفاده در مدارهای تعیین فرکانس recommended می‌شوند. کاربردهای typical شامل مدارهای نوسان‌ساز، رادیو فرکانس (RF) و فرکانس متوسط (IF) می‌شوند. drift فرکانس due to اثرات دما can به صورت individually در هر circuit جبران شود.
- در مراحل IF where تغییر فرکانس uniform است، operation رضایت‌بخش can با designing خازن جبران دمایی into مدار نوسان‌ساز obtained شود.
- در مدارهای RF tuned توسط یک خازن متغیر، یک خازن جبران دمایی shunt با مقدار کم و ویژگی‌های جبرانی بالا may استفاده شود.
نتیجه‌گیری
خازن‌های سرامیکی، due to ویژگی‌های منحصر به فرد خود such as ظرفیت خازنی بالا در اندازه‌های فشرده، پایداری حرارتی و فرکانسی، و cost تولید پایین، به اجزای ضروری در طراحی مدار الکترونیکی شده‌اند. ساختار آنها، whether تک صفحه‌ای یا چندلایه، نقش significant در enhancing performance و increasing ظرفیت خازنی ایفا می‌کند. مطالعه خازن‌های کلاس ۱ و کلاس ۲ reveals که دی‌الکتریک‌های used، particularly مواد با K بالا، impact مستقیمی بر behavior آنها دارند. عوامل محیطی such as دما، فرکانس و ولتاژ significantly بر ظرفیت خازنی و ضریب تلفات آنها influence می‌کنند. Additionally، پدیده‌های خاص like aging و ویژگی‌های piezoelectric در دی‌الکتریک‌های خاص بر performance آنها در کاربردهای حساس affect می‌کنند. این research تأکید می‌کند که یک درک عمیق از ساختار، دی‌الکتریک‌ها و عوامل خارجی vital برای انتخاب مناسب و طراحی خازن‌های سرامیکی در مدارهای مختلف است.