خازن سرامیکی چیست؟

“خازن سرامیکی چیست” سوالی است که در این مقاله به دنبال آن هستیم. برای پاسخ به این سوال سری به چند منبع معتبر انگلیسی زدیم و خصوصیات این خازن، تاریخچه، انواع، ویژگی ها و کاربردهای آنها را مورد بررسب قرار دادیم. حاصل این تلاش مقاله ای است که در زیر برای شما جمع آوری شده تا با جزئیات ساختاری و عملکردی این نوع از خازن ها بیشتر آشنا شوید.
اما خازن سرامیکی چیست ، خازن سرامیکی یک خازن با ظرفیت ثابت است. مواد سرامیکی در این نوع خازن مانند دی الکتریک عمل می کنند. خازن سرامیکی از دو یا چند لایه سرامیکی و یک لایه فلزی که به عنوان الکترود عمل می کند ساخته شده است. ترکیب مواد سرامیکی، تعیین کننده رفتار الکتریکی خازن و نوع کاربرد آن می باشند.
خازن های سرامیکی ، به خصوص خازن های سرامیکی چند لایه (MLCCs) رایج ترین خازن ها در تجهیزات الکترونیکی هستند که تقریبا در هر سال یک ترلیون (1012) از آنها تولید می شود. همچنین خازن های سرامیکی با اشکال و استایل های خاص به عنوان RFI/EMI استفاده می شوند.
تاریخچه خازن سرامیکی
قبل از پرداختن به سوال “خازن سرامیکی چیست؟” بهتر است کمی در مورد تاریخچه ساخت این خازن ها بدانیم. از آغاز مطالعه الکتریسیته مواد غیر رسانا مانند شیشه، چینی، کاغذ و میکا به عنوان عایق استفاده می شده است. این مواد در دهه های بعد به عنوان مواد مناسبی برای دی الکتریک خازن های اولیه استفاده می شدند. حتی در سال های اولیه دستگاه انتقال دهنده بی سیم، از خازن های چینی برای تهیه ولتاژ و فرکانس بالا در این انتقال دهنده ها (transmitters) استفاده میشده است. در رسیورها از خازن های میکا کوچک تر برای مدارهای رزونانسی استفاده می شد. خازن های دی الکتریک میکا در سال 1909 بوسیله ویلیام دابلیر اختراع شد. پیش از جنگ جهانی دوم، میکا رایج ترین دی الکتریک مورد استفاده در خازن ها در آمریکا بود.
میکا یک ماده طبیعی است و مقدار آن محدود است؛ بنابرین در اواسط دهه 1920 کمبود میکا در آلمان و تجربه خوب مواد چینی باعث شروع به استفاده از سرامیک به عنوان دی الکتریک شد. در سال 1926 این خازن های سرامیکی در حجم پایین تولید شد و تا سال 1940 تولید آنها به مقدار انبوهی افزایش یافت. در سال 1930 با افزایش استفاده از رادیو باعث شد به تدریج تا سال 1940 تقاضا برای این خازن ها افزایش یابد.
بعد از این به طور مرتب و در طول زمان تکنولوژی ساخت این خازن ها نیز بهبود پیدا کرد. بعدها حتی از تکنولوژی تیوپ خلا نیز در این خازن ها برای بهره گیری در رسیورهای رادیویی استفاده شد. هم اکنون، گذردهی (permittivity) خازن های سرامیکی با روش های گوناگون ده ها برابر افزایش پیدا کرده است.
با افزایش گذردهی الکتریکی ظرفیت این خازن ها نیز افزایش چشمگیری داشته است اما این تغییر باعث شد این نوع خازن ها پایداری خود را از دست بدهند و فقط در مواردی کاربردی باشند که پایداری از اهمیت خیلی بالایی برخوردار نیست. به همین جهت این نوع خازن ها به جای خازن های معمول میکا استفاده می شدند. اما مزیت هایی نسبت به خازن های میکا رایج داشتند که میتوان از سایز کوچک تر، هزینه ساخت کمتر و عدم نیاز به ماده طبیعی و محدود میکا نام برد.
ویژگی های خازن سرامیکی

خازن های سرامیکی بدون در نظر گرفتن انواع و نوع ساخت و سرامیک بکار رفته و ترکیب بندی لایه های سرامیکی داخلی، دارای ویژگی های مشترک و خاص خود هستند که این خازن ها را از دیگر انواع خازن مجزا می کند. برای بررسی کامل تر پاسخ سوال ” خازن سرامیکی چیست ؟ “ به بررسی خصوصیات این خازن ها می پردازیم:
دقت و تحمل خازن سرامیکی
همانطور که گفته شد دو کلاس متفاوت از خازن های وجود دارد، کلاس 1 و کلاس 2. خازن های سرامیکی کلاس1 جایی استفاده می شوند که پایداری بالا و تلفات پایین نیاز است. این نوع خازن ها خیلی دقیق هستند و مقدار ظرفیت آنها با در نظر گرفتن ولتاژ اعمال شده، دما و فرکانس ثابت است. سری np0 خازن ها در دمای بین منفی 55 و مثبت 125 درجه سانتیگراد، یک ظرفیت گرمایی پایدار معادل 0.54% را داراست. مقدار تحمل ظرفیت اسمی می تواند مقدار کمی حتی در حد 1% باشد.
خازن های کلاس 2 ظرفیت بالایی نسبت به حجمشان دارند و برای کاربردهایی استفاده می شوند که حساسیت کمتری دارند. پایداری گرمایی آنها در دمای معمولی حدود 15% می باشد. مقدار تحمل اسمی آنها نیز حدود 20 درصد است.
ابعاد و سایز خازن سرامیکی
هنگامی که مانند برد مدارات پرینت (PCBs) احتیاج داریم تا اجزای زیادی را در حجم خیلی پایین از برد طراحی کنیم، خازن های سرامیکی نسبت به سایر مدارها از مزیت برجسته ای برخوردار هستند. برای نشان دادن این نکته، پکیج خازن سرامیکی چند لایه 0402 حدود 0.4×0.2 میلیمتر حجم دارد. در این پکیج بیش از 500 ورقه فلزی و سرامیکی وجود دارد. کمترین ضخامت سرامیک تا کنون 2018 حدود 0.5 میکرومتر است.
ولتاژ و قدرت بالا خازن سرامیکی
خازن های سرامیکی که از لحاظ ابعاد بزرگتر هستند می توانند ولتاژهای بسیار بالاتری را تحمل کنند و خازن های سرامیک قدرت نام دارند. این خازن ها از لحاظ اندازه تا حد زیادی از خازن هایی که روی PCBs نصب می شوند بزرگتر هستند و ترمینال هایی روی آنها تعبیه شده که بتوانند ارتباط مطمئنی را با منابع ولتاژ بالا برقرار کند. خازن های سرامیکی قدرت می توانند جوری طراحی شوند که قادر باشند ولتاژهایی در بازه 2 کیلوولت تا 100 کیلو ولت را تحمل کنند. این در حالی است که خازن های کوچک که در بردهای PCB نصب می شوند ولتاژی در بازه چند ولت تا چند صد ولت را تحمل می کنند.
ویژگی های ساختاری خازن سرامیکی
خازن سرامیکی چیست ؟ برای پاسخ به این سوال به بررسی دقیق ساختار این خازن ها می پردازیم. خازن های سرامیکی در دو نوع ساختاری دیسکی و چندلایه ساخته می شوند. در زیر ساختار این دو نوع را مورد بررسی قرار داده ایم.
خازن سرامیکی دیسکی
خازن های سرامیکی دیسکی بوسیله لایه نشانی یک دیسک سرامیکی با رابط های نقره ای در هر دو سمت تولید می شوند. برای دستیابی به ظرفیت های بالاتر، این خازن ها می توانند از چند لایه مختلف تشکیل شوند. خازن های سرامیکی دیسکی معمولا اجزای بین روزنه ای (through-hole) هستند و بخاطر ابعادشان استفاده از آنها بسیار کم شده است. بجای این خازن ها از خازن های چند لایه (MLCCs) استفاده می شود. بازه ظرفیت خازن های سرامیکی دیسکی بین 10 پیکوفاراد تا 100 میکروفاراد و یک بازه ولتاژ بین 16 ولت تا 15 کیلو ولت دارند.
خازن های سرامیکی از لحاظ کاربرد به دو کلاس متفاوت تقسیم می شوند:
- کلاس 1: این خازن ها پایداری بالا و تلفات کمی برای مدارهای رزونانسی دارند.
- کلاس2: این خازن ها بازدهی حجمی بالایی برای کاربردهای بافر، بای پس و زوج شونده دارند.
خازن های چند لایه سرامیکی (MLCC)

خازن های چند لایه سرامیکی بوسیله ترکیب دقیق دانه های کاملا ریز شده مواد پارا الکتریک و فروالکتریک و لایه بندی این ترکیب با رابط های فلزی ساخته می شوند. بعد از اینکه لایه سازی کامل شد، سیستم در یک دمای بالا قرار داده می شود تا ترکیب ذوب شود و مواد سرامیکی با ویژگی های مطلوب ما بدست آید. خازن بدست آمده اساسا شامل تعداد زیادی خازن کوچکتر است که بصورت موازی به هم متصل شده اند تا ظرفیت خازن را افزایش دهند. خازن های سرامیکی چند لایه شامل بیش از 500 لایه با ضاخمت 0.5 میکرومتر هستند. با پیشرفت تکنولوژی این ضخامت می تواند کمتر شود و برای خازنی با همان ابعاد ظرفیت های بیشتری قابل دسترس خواهد بود.
جدول زیر به شما کمک می کند ضرایب دمایی خازن های MLCC کلاس 2 را رمز گشایی کنید.
کد حرفی (معرف تغییر دما در بازه دمایی) | کد عددی (معرف دمای بالاتر) | کد حرفی (معرف دمای پایین) |
P= +/-10 % | 4=+65 °C | X= – 55°C |
R=+/-15 % | 5=+85 °C | Y= – 30°C |
S=+/-22 % | 6=+105 °C | Z= +10°C |
T=+22/-33 % | 7=+125 °C | |
U=+22/-56 % | 8=+150 °C | |
V=+22/-82 % | 9=+200 °C |
کاربردهای خازن سرامیکی
با در نظر گرفتن این موضوع که MMCCs بیشترین تعداد تولید را در صنعت الکترونیک دارند ، این مسئله واضح است که موارد استفاده مختلفی برای این خازن ها وجود دارد. خازن های با قدرت بالای کلاس 2 در منبع برق لیزرهای با ولتاژ بالا، سوییچ های قطع جریان قدرت و تنورهای القایی استفاده می شوند. خازن های SMD کوچک اغلب در بردهای مداری پرینت شده یا دستگاه هایی استفاده می شود که خازن های آنها به اندازه یک دانه شن است. آنها همچنین در مبدل های DC-DC که نیاز به اجزا با فرکانس بالا است استفاده می شود. خازن های سرامیکی می توانند همچنین به عنوان خازن هایی با اهداف معمول استفاده شوند زیرا پلاریزه نیستند و در ابعاد و ظرفیت ها و ولتاژهای مختلف قابل دسترسی هستند.
انواع خازن سرامیکی بر اساس نوع سرامیک بکار رفته
نام خازن سرامیکی برگرفته از مواد سرامیکی به کار رفته در آن به عنوان دی الکتریک است. در خانواده خازن های سرامیکی انواع مختلفی از دی الکتریک سرامیکی وجود دارد که رایج ترین آنها عبارتند از: C0G، NP0 X7R، Y5V، Z5U و خیلی از انواع دیگر. این سرامیک ها ویژگی های متفاوتی را برای دی الکتریک ایجاد می کنند که با توجه به کاربرد خازن می توانند انتخاب شوند.
ظرفیت خازن
ظرفیت خازن به این شکل محاسبه می گردد که اگر مثلا روی خازن نوشته عدد 104، دو رقم اول را می نویسید و به تعداد رقم سوم صفر می گذارید، البته این مقدار بر حسب پیکو فاراد بدست میاد که برای عدد 104 100000 پیکوفاراد یا 100 نانو فاراد است و باید این موضوع را در هنگام خرید خازن مدنظر قرار داد.
تست عملکرد خازن سرامیکی چطور انجام می شود؟
جمع بندی
پاسخ به سوال ” خازن سرامیکی چیست ” و صدها سوال دیگر در مورد انواع قطعات مدارات و بردهای الکترونیکی را می توانید در کلاس های حضوری آموزش تعمیر برد الکترونیکی و همچنین طراحی برد الکترونیکی در آموزشگاه فنی پویان بیابید. در این کلاس ها طراحی و تعمیر برد به صورت کاملا عملی و در کارگاه های مجهز به شما آموزش داده می شود. شما در این کلاس ها با ابزارها و نرم افزارهای روز تعمیر و طراحی بردهای الکترونیکی آشنا می شوید. اساتید این دوره ها در بازار کار طراحی و تعمیرات برد مشغول به کار هستند و تجربه زیادی در بازار کار این رشته ها دارند. همچنین از مزایای مجتمع فنی پویان پشتیبانی مادام العمر بعد از دوره و اعطای مدرک معتبر از سازمان فنی حرفه ای است.