خازن سراميكي چيست؟
خازن سراميكي يك خازن با ارزش ثابت است كه در آن ماده سراميكي به عنوان دي الكتريك عمل مي كند. اين از دو يا چند لايه متناوب سراميكي و يك لايه فلزي كه به عنوان الكترود عمل مي كند ساخته شده است. تركيب مواد سراميكي رفتار الكتريكي و در نتيجه كاربردها را مشخص مي كند. خازن هاي سراميكي به دو دسته كاربردي تقسيم مي شوند:
خازن هاي سراميكي كلاس 2 راندمان حجمي بالايي را براي كاربردهاي بافر، باي پس و كوپلينگ ارائه مي دهند.
خازن‌هاي سراميكي، به‌ويژه خازن‌هاي سراميكي چندلايه (MLCC)، بيشترين توليد و استفاده از خازن‌ها در تجهيزات الكترونيكي هستند كه تقريباً يك تريليون (1012) قطعه در سال را در خود جاي مي‌دهند.[1]
خازن هاي سراميكي با اشكال و سبك هاي خاص به عنوان خازن براي سركوب RFI/EMI، به عنوان خازن هاي ورودي و در ابعاد بزرگتر به عنوان خازن قدرت براي فرستنده ها استفاده مي شود.
از ابتداي مطالعه الكتريسيته مواد نارسانا مانند شيشه، چيني، كاغذ و ميكا به عنوان عايق مورد استفاده قرار گرفته اند. اين مواد چند دهه بعد نيز براي استفاده بيشتر به عنوان دي الكتريك براي اولين خازن ها مناسب بودند.
حتي در سال‌هاي اوليه استفاده از دستگاه انتقال بي‌سيم ماركوني، انواع خازن هاي چيني براي كاربرد ولتاژ بالا و فركانس بالا در فرستنده‌ها استفاده مي‌شد. در سمت گيرنده، خازن هاي كوچكتر ميكا براي مدارهاي تشديد استفاده شد. خازن هاي دي الكتريك ميكا در سال 1909 توسط ويليام دوبيليه اختراع شد. قبل از جنگ جهاني دوم، ميكا رايج ترين دي الكتريك براي خازن ها در ايالات متحده بود.[1]
ميكا يك ماده طبيعي است و به مقدار نامحدود در دسترس نيست. بنابراين در اواسط دهه 1920 كمبود ميكا در آلمان و تجربه در چيني - يك كلاس خاص از سراميك - در آلمان منجر به اولين خازن هايي شد كه از سراميك به عنوان دي الكتريك استفاده مي كردند و خانواده جديدي از خازن هاي سراميكي را پايه گذاري كردند. دي اكسيد تيتانيوم پارالكتريك (روتيل) به عنوان اولين دي الكتريك سراميكي مورد استفاده قرار گرفت زيرا وابستگي خطي به دماي خازن براي جبران دماي مدارهاي تشديد داشت و مي تواند جايگزين خازن هاي ميكا شود. در سال 1926 اين قيمت خازن سراميكي در مقادير كم با افزايش مقادير در دهه 1940 توليد شدند. سبك اين سراميك هاي اوليه ديسكي بود كه در دو طرف آن فلزي شده بود كه با سيم هاي قلع دار تماس داشت. اين سبك مربوط به ترانزيستور است و از سال 1930 تا 1950 به طور گسترده در تجهيزات لوله خلاء (به عنوان مثال، گيرنده هاي راديويي) استفاده مي شد.
اما اين دي الكتريك پارالكتريك داراي گذردهي نسبتاً پاييني بود به طوري كه فقط مقادير كمي ظرفيت خازني قابل تشخيص بود. بازار در حال گسترش راديوها در دهه‌هاي 1930 و 1940 تقاضا براي مقادير ظرفيت خازني بالاتر اما كمتر از خازن‌هاي الكتروليتي را براي كاربردهاي جداسازي HF ايجاد كرد.افزودن Omniverse به اكوسيستم شريك باز زيمنس Xcelerator استفاده از دوقلوهاي ديجيتال را تسريع مي‌كند كه مي‌توانند بهره‌وري و بهبود فرآيند را در طول چرخه توليد و عمر محصول ارائه دهند. شركت‌ها در هر اندازه مي‌توانند از دوقلوهاي ديجيتالي با داده‌هاي عملكرد زمان واقعي استفاده كنند. ايجاد راه حل هاي صنعتي نوآورانه اينترنت اشيا؛ از بينش عملي از تجزيه و تحليل در لبه يا در ابر استفاده كنيد. و با در دسترس‌تر كردن شبيه‌سازي‌هاي بصري غني و فراگير، با چالش‌هاي مهندسي فردا مقابله كنيد. در سال 1921 كشف شد، ماده فروالكتريك سراميك باريم تيتانات با گذردهي در محدوده 1000، حدود ده برابر بيشتر از دي اكسيد تيتانيوم يا ميكا، شروع به ايفاي نقش بسيار بيشتري در كاربردهاي الكترونيكي كرد.[1][2]
گذردهي بالاتر منجر به مقادير ظرفيت خازني بسيار بالاتري شد، اما اين با پارامترهاي الكتريكي نسبتاً ناپايدار همراه بود. بنابراين، اين خازن‌هاي سراميكي تنها مي‌توانند جايگزين خازن‌هاي معمولي ميكا براي كاربردهايي شوند كه پايداري اهميت كمتري دارد. ابعاد كوچكتر در مقايسه با خازن هاي ميكا، هزينه هاي توليد پايين تر و استقلال از در دسترس بودن ميكا، پذيرش آنها را تسريع كرد.
خازن لوله سراميكي، سبك معمولي خازن هاي سراميكي در دهه هاي 1950 و 1970
رشد سريع صنعت پخش پس از جنگ جهاني دوم باعث درك عميق تر از كريستالوگرافي، انتقال فاز و بهينه سازي شيميايي و مكانيكي مواد سراميكي شد. از طريق مخلوط پيچيده مواد اوليه مختلف، مي توان خواص الكتريكي خازن هاي سراميكي را دقيقاً تنظيم كرد. براي تشخيص خواص الكتريكي قيخازن هاي سراميكي، استانداردسازي چندين كلاس كاربردي مختلف (كلاس 1، كلاس 2، كلاس 3) را تعريف كرد. قابل توجه است كه توسعه جداگانه در طول جنگ و زمان پس از آن در بازار ايالات متحده و اروپا منجر به تعاريف متفاوتي از اين كلاس ها شده بود (EIA در مقابل IEC) و اخيراً (از سال 2010) در سراسر جهان با استاندارد IEC هماهنگ شده است. صورت گرفته.
سبك معمول خازن هاي سراميكي زير ديسك (در آن زمان خازن ناميده مي شد) در كاربردهاي راديويي در زمان پس از جنگ از دهه 1950 تا 1970، يك لوله سراميكي بود كه با قلع يا نقره در سطح داخلي و خارجي پوشيده شده بود. اين شامل پايانه‌هاي نسبتاً طولاني بود كه همراه با مقاومت‌ها و ساير اجزاء، يك درهم از سيم‌كشي مدار باز را تشكيل مي‌داد.
مواد سراميكي با قالب‌گيري آسان، توسعه سبك‌هاي خاص و بزرگ خازن‌هاي سراميكي را براي كاربردهاي ولتاژ بالا، فركانس بالا (RF) و قدرت تسهيل كرد.
MLCC ها به عنوان خازن هاي جداكننده در اطراف يك ريزپردازنده
با توسعه فناوري نيمه هادي در دهه 1950، خازن هاي لايه مانع يا خازن هاي كلاس IV IEC كلاس 3/EIA با استفاده از سراميك هاي فروالكتريك دوپ شده توسعه يافتند. از آنجايي كه اين ماده دوپ شده براي توليد چند لايه مناسب نبود، چندين دهه بعد با خازن هاي كلاس 2 Y5V جايگزين شدند.
سبك اوليه خازن‌هاي ديسكي سراميكي مي‌توانست ارزان‌تر از خازن‌هاي لوله سراميكي رايج در دهه‌هاي 1950 و 1970 توليد شود. يك شركت آمريكايي در بحبوحه برنامه آپولو، كه در سال 1961 راه اندازي شد، پيشگام چيدمان چندين ديسك براي ايجاد يك بلوك يكپارچه بود. اين "خازن سراميكي چند لايه" (MLCC) جمع و جور بود و خازن هاي با ظرفيت بالا ارائه مي كرد.[3] توليد اين خازن‌ها با استفاده از روش‌هاي ريخته‌گري نوار و فرآيندهاي هم‌سوختن الكترود سراميكي يك چالش بزرگ در توليد بود. MLCCها دامنه كاربردها را به مواردي كه در موارد كوچكتر به مقادير ظرفيت خازني بزرگتر نياز داشتند، گسترش دادند. اين خازن هاي تراشه سراميكي نيروي محركه پشت آن بودند
تبديل دستگاه‌هاي الكترونيكي از نصب از طريق سوراخ به فناوري نصب سطحي در دهه 1980. خازن هاي الكتروليتي پلاريزه را مي توان با خازن هاي سراميكي غير پلاريزه جايگزين كرد و نصب را ساده تر كرد.
در سال 1993، شركت TDK موفق شد الكترودهاي حامل پالاديوم را با الكترودهاي نيكل بسيار ارزان‌تر جايگزين كند، كه به طور قابل توجهي هزينه‌هاي توليد را كاهش داد و توليد انبوه MLCC را امكان‌پذير كرد.[4]
از سال 2012، بيش از 1012 MLCC در هر سال توليد مي شود.[1] در كنار سبك خازن‌هاي تراشه‌هاي سراميكي، خازن‌هاي ديسكي سراميكي اغلب به عنوان خازن ايمني در كاربردهاي سركوب تداخل الكترومغناطيسي استفاده مي‌شوند. علاوه بر اينها، خازن هاي بزرگ سراميكي براي كاربردهاي فرستنده ولتاژ بالا يا فركانس بالا نيز يافت مي شود.
پيشرفت هاي جديدي در مواد سراميكي با سراميك هاي ضد فروالكتريك ايجاد شده است. اين ماده داراي يك تغيير فاز غيرخطي ضد فروالكتريك/ فروالكتريك است كه امكان افزايش ذخيره انرژي با بازده حجمي بالاتر را فراهم مي كند. آنها براي ذخيره انرژي (مثلاً در چاشني ها) استفاده مي شوند.[5]
كلاس هاي كاربردي، تعاريف
مواد سراميكي مختلف مورد استفاده براي خازن هاي سراميكي، سراميك هاي پاراالكتريك يا فروالكتريك، بر ويژگي هاي الكتريكي خازن ها تأثير مي گذارد. استفاده از مخلوطي از مواد پاراالكتريك مبتني بر دي اكسيد تيتانيوم منجر به رفتار بسيار پايدار و خطي مقدار خازن در محدوده دمايي مشخص و تلفات كم در فركانس‌هاي بالا مي‌شود. اما اين مخلوط ها داراي گذردهي نسبتاً كمي هستند به طوري كه مقادير خازني اين خازن ها نسبتاً كم است.
با استفاده از مخلوطي از مواد فروالكتريك مانند تيتانات باريم همراه با اكسيدهاي خاص مي توان به مقادير ظرفيت خازني بالاتر براي خازن هاي سراميكي دست يافت. اين مواد دي الكتريك داراي گذردهي بسيار بالاتري هستند، اما در عين حال مقدار ظرفيت آنها در محدوده دما كم و بيش غيرخطي است و تلفات در فركانس هاي بالا بسيار بيشتر است. اين ويژگي‌هاي الكتريكي متفاوت خازن‌هاي سراميكي مستلزم گروه‌بندي آنها در «كلاس‌هاي كاربردي» است. تعريف كلاس هاي كاربردي از استانداردسازي ناشي مي شود. از سال 2013، دو مجموعه استاندارد در حال استفاده بودند، يكي از كميسيون بين المللي الكتروتكنيكي (IEC) و ديگري از اتحاديه صنايع الكترونيك كه اكنون از بين رفته است (EIA).
توليدكنندگان، به ويژه در ايالات متحده، استانداردهاي اتحاد صنايع الكترونيك (EIA) را ترجيح مي دهند. در بسياري از بخش‌هاي بسيار شبيه به استاندارد IEC، EIA RS-198 چهار كلاس كاربردي را براي خازن‌هاي سراميكي تعريف مي‌كند.[6]
اعداد كلاس هاي مختلف در هر دو استاندارد دليل بسياري از سوء تفاهم ها در تفسير توضيحات كلاس در برگه هاي داده بسياري از توليد كنندگان است.[7][8] EIA در 11 فوريه 2011 فعاليت خود را متوقف كرد، اما بخش هاي قبلي همچنان به سازمان هاي استاندارد بين المللي خدمت مي كنند.
در ادامه تعاريف استاندارد IEC ترجيح داده شده و در موارد مهم با تعاريف استاندارد EIA مقايسه خواهد شد.
برچسب: ،
ادامه مطلب
