خازن سرامیکی چیست؟
خازن سرامیکی یک خازن با ارزش ثابت است که در آن ماده سرامیکی به عنوان دی الکتریک عمل می کند. این از دو یا چند لایه متناوب سرامیکی و یک لایه فلزی که به عنوان الکترود عمل می کند ساخته شده است. ترکیب مواد سرامیکی رفتار الکتریکی و در نتیجه کاربردها را مشخص می کند. خازن های سرامیکی به دو دسته کاربردی تقسیم می شوند:
خازن های سرامیکی کلاس 2 راندمان حجمی بالایی را برای کاربردهای بافر، بای پس و کوپلینگ ارائه می دهند.
خازن‌های سرامیکی، به‌ویژه خازن‌های سرامیکی چندلایه (MLCC)، بیشترین تولید و استفاده از خازن‌ها در تجهیزات الکترونیکی هستند که تقریباً یک تریلیون (1012) قطعه در سال را در خود جای می‌دهند.[1]
خازن های سرامیکی با اشکال و سبک های خاص به عنوان خازن برای سرکوب RFI/EMI، به عنوان خازن های ورودی و در ابعاد بزرگتر به عنوان خازن قدرت برای فرستنده ها استفاده می شود.
از ابتدای مطالعه الکتریسیته مواد نارسانا مانند شیشه، چینی، کاغذ و میکا به عنوان عایق مورد استفاده قرار گرفته اند. این مواد چند دهه بعد نیز برای استفاده بیشتر به عنوان دی الکتریک برای اولین خازن ها مناسب بودند.
حتی در سال‌های اولیه استفاده از دستگاه انتقال بی‌سیم مارکونی، انواع خازن های چینی برای کاربرد ولتاژ بالا و فرکانس بالا در فرستنده‌ها استفاده می‌شد. در سمت گیرنده، خازن های کوچکتر میکا برای مدارهای تشدید استفاده شد. خازن های دی الکتریک میکا در سال 1909 توسط ویلیام دوبیلیه اختراع شد. قبل از جنگ جهانی دوم، میکا رایج ترین دی الکتریک برای خازن ها در ایالات متحده بود.[1]
میکا یک ماده طبیعی است و به مقدار نامحدود در دسترس نیست. بنابراین در اواسط دهه 1920 کمبود میکا در آلمان و تجربه در چینی - یک کلاس خاص از سرامیک - در آلمان منجر به اولین خازن هایی شد که از سرامیک به عنوان دی الکتریک استفاده می کردند و خانواده جدیدی از خازن های سرامیکی را پایه گذاری کردند. دی اکسید تیتانیوم پارالکتریک (روتیل) به عنوان اولین دی الکتریک سرامیکی مورد استفاده قرار گرفت زیرا وابستگی خطی به دمای خازن برای جبران دمای مدارهای تشدید داشت و می تواند جایگزین خازن های میکا شود. در سال 1926 این قیمت خازن سرامیکی در مقادیر کم با افزایش مقادیر در دهه 1940 تولید شدند. سبک این سرامیک های اولیه دیسکی بود که در دو طرف آن فلزی شده بود که با سیم های قلع دار تماس داشت. این سبک مربوط به ترانزیستور است و از سال 1930 تا 1950 به طور گسترده در تجهیزات لوله خلاء (به عنوان مثال، گیرنده های رادیویی) استفاده می شد.
اما این دی الکتریک پارالکتریک دارای گذردهی نسبتاً پایینی بود به طوری که فقط مقادیر کمی ظرفیت خازنی قابل تشخیص بود. بازار در حال گسترش رادیوها در دهه‌های 1930 و 1940 تقاضا برای مقادیر ظرفیت خازنی بالاتر اما کمتر از خازن‌های الکترولیتی را برای کاربردهای جداسازی HF ایجاد کرد.افزودن Omniverse به اکوسیستم شریک باز زیمنس Xcelerator استفاده از دوقلوهای دیجیتال را تسریع می‌کند که می‌توانند بهره‌وری و بهبود فرآیند را در طول چرخه تولید و عمر محصول ارائه دهند. شرکت‌ها در هر اندازه می‌توانند از دوقلوهای دیجیتالی با داده‌های عملکرد زمان واقعی استفاده کنند. ایجاد راه حل های صنعتی نوآورانه اینترنت اشیا؛ از بینش عملی از تجزیه و تحلیل در لبه یا در ابر استفاده کنید. و با در دسترس‌تر کردن شبیه‌سازی‌های بصری غنی و فراگیر، با چالش‌های مهندسی فردا مقابله کنید. در سال 1921 کشف شد، ماده فروالکتریک سرامیک باریم تیتانات با گذردهی در محدوده 1000، حدود ده برابر بیشتر از دی اکسید تیتانیوم یا میکا، شروع به ایفای نقش بسیار بیشتری در کاربردهای الکترونیکی کرد.[1][2]
گذردهی بالاتر منجر به مقادیر ظرفیت خازنی بسیار بالاتری شد، اما این با پارامترهای الکتریکی نسبتاً ناپایدار همراه بود. بنابراین، این خازن‌های سرامیکی تنها می‌توانند جایگزین خازن‌های معمولی میکا برای کاربردهایی شوند که پایداری اهمیت کمتری دارد. ابعاد کوچکتر در مقایسه با خازن های میکا، هزینه های تولید پایین تر و استقلال از در دسترس بودن میکا، پذیرش آنها را تسریع کرد.
خازن لوله سرامیکی، سبک معمولی خازن های سرامیکی در دهه های 1950 و 1970
رشد سریع صنعت پخش پس از جنگ جهانی دوم باعث درک عمیق تر از کریستالوگرافی، انتقال فاز و بهینه سازی شیمیایی و مکانیکی مواد سرامیکی شد. از طریق مخلوط پیچیده مواد اولیه مختلف، می توان خواص الکتریکی خازن های سرامیکی را دقیقاً تنظیم کرد. برای تشخیص خواص الکتریکی قیخازن های سرامیکی، استانداردسازی چندین کلاس کاربردی مختلف (کلاس 1، کلاس 2، کلاس 3) را تعریف کرد. قابل توجه است که توسعه جداگانه در طول جنگ و زمان پس از آن در بازار ایالات متحده و اروپا منجر به تعاریف متفاوتی از این کلاس ها شده بود (EIA در مقابل IEC) و اخیراً (از سال 2010) در سراسر جهان با استاندارد IEC هماهنگ شده است. صورت گرفته.
سبک معمول خازن های سرامیکی زیر دیسک (در آن زمان خازن نامیده می شد) در کاربردهای رادیویی در زمان پس از جنگ از دهه 1950 تا 1970، یک لوله سرامیکی بود که با قلع یا نقره در سطح داخلی و خارجی پوشیده شده بود. این شامل پایانه‌های نسبتاً طولانی بود که همراه با مقاومت‌ها و سایر اجزاء، یک درهم از سیم‌کشی مدار باز را تشکیل می‌داد.
مواد سرامیکی با قالب‌گیری آسان، توسعه سبک‌های خاص و بزرگ خازن‌های سرامیکی را برای کاربردهای ولتاژ بالا، فرکانس بالا (RF) و قدرت تسهیل کرد.
MLCC ها به عنوان خازن های جداکننده در اطراف یک ریزپردازنده
با توسعه فناوری نیمه هادی در دهه 1950، خازن های لایه مانع یا خازن های کلاس IV IEC کلاس 3/EIA با استفاده از سرامیک های فروالکتریک دوپ شده توسعه یافتند. از آنجایی که این ماده دوپ شده برای تولید چند لایه مناسب نبود، چندین دهه بعد با خازن های کلاس 2 Y5V جایگزین شدند.
سبک اولیه خازن‌های دیسکی سرامیکی می‌توانست ارزان‌تر از خازن‌های لوله سرامیکی رایج در دهه‌های 1950 و 1970 تولید شود. یک شرکت آمریکایی در بحبوحه برنامه آپولو، که در سال 1961 راه اندازی شد، پیشگام چیدمان چندین دیسک برای ایجاد یک بلوک یکپارچه بود. این "خازن سرامیکی چند لایه" (MLCC) جمع و جور بود و خازن های با ظرفیت بالا ارائه می کرد.[3] تولید این خازن‌ها با استفاده از روش‌های ریخته‌گری نوار و فرآیندهای هم‌سوختن الکترود سرامیکی یک چالش بزرگ در تولید بود. MLCCها دامنه کاربردها را به مواردی که در موارد کوچکتر به مقادیر ظرفیت خازنی بزرگتر نیاز داشتند، گسترش دادند. این خازن های تراشه سرامیکی نیروی محرکه پشت آن بودند
تبدیل دستگاه‌های الکترونیکی از نصب از طریق سوراخ به فناوری نصب سطحی در دهه 1980. خازن های الکترولیتی پلاریزه را می توان با خازن های سرامیکی غیر پلاریزه جایگزین کرد و نصب را ساده تر کرد.
در سال 1993، شرکت TDK موفق شد الکترودهای حامل پالادیوم را با الکترودهای نیکل بسیار ارزان‌تر جایگزین کند، که به طور قابل توجهی هزینه‌های تولید را کاهش داد و تولید انبوه MLCC را امکان‌پذیر کرد.[4]
از سال 2012، بیش از 1012 MLCC در هر سال تولید می شود.[1] در کنار سبک خازن‌های تراشه‌های سرامیکی، خازن‌های دیسکی سرامیکی اغلب به عنوان خازن ایمنی در کاربردهای سرکوب تداخل الکترومغناطیسی استفاده می‌شوند. علاوه بر اینها، خازن های بزرگ سرامیکی برای کاربردهای فرستنده ولتاژ بالا یا فرکانس بالا نیز یافت می شود.
پیشرفت های جدیدی در مواد سرامیکی با سرامیک های ضد فروالکتریک ایجاد شده است. این ماده دارای یک تغییر فاز غیرخطی ضد فروالکتریک/ فروالکتریک است که امکان افزایش ذخیره انرژی با بازده حجمی بالاتر را فراهم می کند. آنها برای ذخیره انرژی (مثلاً در چاشنی ها) استفاده می شوند.[5]
کلاس های کاربردی، تعاریف
مواد سرامیکی مختلف مورد استفاده برای خازن های سرامیکی، سرامیک های پاراالکتریک یا فروالکتریک، بر ویژگی های الکتریکی خازن ها تأثیر می گذارد. استفاده از مخلوطی از مواد پاراالکتریک مبتنی بر دی اکسید تیتانیوم منجر به رفتار بسیار پایدار و خطی مقدار خازن در محدوده دمایی مشخص و تلفات کم در فرکانس‌های بالا می‌شود. اما این مخلوط ها دارای گذردهی نسبتاً کمی هستند به طوری که مقادیر خازنی این خازن ها نسبتاً کم است.
با استفاده از مخلوطی از مواد فروالکتریک مانند تیتانات باریم همراه با اکسیدهای خاص می توان به مقادیر ظرفیت خازنی بالاتر برای خازن های سرامیکی دست یافت. این مواد دی الکتریک دارای گذردهی بسیار بالاتری هستند، اما در عین حال مقدار ظرفیت آنها در محدوده دما کم و بیش غیرخطی است و تلفات در فرکانس های بالا بسیار بیشتر است. این ویژگی‌های الکتریکی متفاوت خازن‌های سرامیکی مستلزم گروه‌بندی آنها در «کلاس‌های کاربردی» است. تعریف کلاس های کاربردی از استانداردسازی ناشی می شود. از سال 2013، دو مجموعه استاندارد در حال استفاده بودند، یکی از کمیسیون بین المللی الکتروتکنیکی (IEC) و دیگری از اتحادیه صنایع الکترونیک که اکنون از بین رفته است (EIA).
تولیدکنندگان، به ویژه در ایالات متحده، استانداردهای اتحاد صنایع الکترونیک (EIA) را ترجیح می دهند. در بسیاری از بخش‌های بسیار شبیه به استاندارد IEC، EIA RS-198 چهار کلاس کاربردی را برای خازن‌های سرامیکی تعریف می‌کند.[6]
اعداد کلاس های مختلف در هر دو استاندارد دلیل بسیاری از سوء تفاهم ها در تفسیر توضیحات کلاس در برگه های داده بسیاری از تولید کنندگان است.[7][8] EIA در 11 فوریه 2011 فعالیت خود را متوقف کرد، اما بخش های قبلی همچنان به سازمان های استاندارد بین المللی خدمت می کنند.
در ادامه تعاریف استاندارد IEC ترجیح داده شده و در موارد مهم با تعاریف استاندارد EIA مقایسه خواهد شد.
برچسب: ،
