مقارنة بين مكثفات التنتالوم والمكثفات الخزفية متعددة الطبقات

مقدمة

مكثفات التنتالوم (Ta) ومكثفات السيراميك متعدد الطبقات (MLCC) هما مكثفان يستخدمان على نطاق واسع في التطبيقات الإلكترونية. وعلى الرغم من اختلاف تقنيات البناء والمواد المستخدمة في مكثفات التنتالوم ومكثفات السيراميك متعدد الطبقات (MLCCs) اختلافًا كبيرًا، إلا أن وظائفهما الأساسية لا تزال واحدة. تعمل المكثفات كبطارية مؤقتة، حيث تحافظ المكثفات على جهد تيار مستمر ثابت من خلال توفير الشحنات. ويمكن أيضًا استخدام المكثفات في دوائر القنوات الالتفافية كمرشحات أحادية القطب. كما يمكن توصيلها مع المقاومات والمحاثات لصنع دوائر ترشيح عالية الترتيب.

على الرغم من أن مكثفات التنتالوم ومكثفات MLCCs تعملان كمكثفات، إلا أن هناك العديد من الاختلافات بينهما من التصنيع إلى معاييرها أثناء الاستخدام. قبل تقديم الاختلافات بينهما، دعونا أولاً نحصل على بعض المعلومات الأساسية عن المكثفات. بالنسبة للمكثف ذي اللوح المتوازي، يجب حساب قيمة السعة الخاصة به بالمعادلة التالية

C = εr*ε0*A/d

C = السعة (F)

A = مساحة تداخل اللوحين (م2)

εr = السمتية النسبية/ثابت العزل الكهربائي (εr تحدده المادة الموجودة بين اللوحين)

ε0 = الثابت الكهربي (8.854 * 10-12 F*m-1)

د = المسافة بين اللوحين (م)

السعة هي إحدى المعلمات المهمة عندما يفكر الناس في اختيار نوع المكثف. وبسبب صغر المسافة ومساحات الألواح الكبيرة وثابت العزل الكهربائي العالي Ta2O5، عادةً ما يكون لمكثفات التنتالوم قيم سعة/حجم كبيرة.

ستقارن هذه المقالة بين مكثفات التنتالوم ومكثفات التنتالوم ومكثفات MLCCs في هذه الجوانب: منحنى المعاوقة، والمحاثة الطفيلية (ESL)، ومقاومة السلسلة المكافئة (ESR)، وتأثيرات الاعتدال، والتأثيرات الصوتية الدقيقة. تقتصر جميع المقارنات على المكثفات ذات السعة والحجم المتشابهين.

المعلومات الأساسية عن مكثفات التنتالوم ومكثفات MLCC

ما هو مكثف التنتالوم؟

تستخدم مكثفات التنتالوم مسحوق وأ سلاك التنتالوم كمادة وسيطة. ومن خلال الضغط على مسحوق التنتالوم حول سلك التنتالوم، يتم تشكيل كريات التنتالوم. وهذه الحبيبات التنتالوم هي أنود المكثف. وبما أن الحبيبات مسامية للغاية، فإنها تسمح بتجميع الكثير من الشحنات. وهذا أحد أسباب ارتفاع سعة/حجم مكثفات التنتالوم. ومن خلال تشكيل Ta2O5 خارج الأنود، يتكون عازل كهربائي. وتتمثل الخطوة الأخيرة في تشكيل كاثود خارج العازل باستخدام Mn(NO3)2 لصنع طبقة كاثود MnO2.

الشكل 1أ هو مكثف تانتالوم تقليدي باستخدام سلك تانتالوم لتوصيل الأنود بالدائرة. الشكل 1ب هو مكثف تانتالوم صغير جديد تم طرحه في السوق في السنوات الأخيرة. وغالبًا ما يستخدم في البيئات ذات الكثافة العالية للمكونات ومساحة لوحة الغرفة المحدودة. ويتم تصنيع أنوده عن طريق ضغط رقاقة التنتالوم بمسحوق التنتالوم [2].

الشكل 1 أ و ب: مكثف تانتالوم مصبوب على شكل رقاقة (في الأعلى) ومكثف تانتالوم على شكل رقاقة (في الأسفل) [2]

ما هو مكثف السيراميك متعدد الطبقات؟

على عكس مكثفات التنتالوم، تحتوي مكثفات السيراميك على طبقة أكثر سمكًا ومساحة لوحة متداخلة أصغر، مما يعني سعة/حجم أصغر. TiO2 وBaTiO3 هما المادتان الأكثر شيوعًا المستخدمتان في مكثفات MLCCs. ويوضح لك الشكل 2 مكونات السعة المتعددة الطبقات.

الشكل 2: مكثف سيراميك متعدد الطبقات [2]

هناك مجموعتان مختلفتان من بين المكثفات الخزفية متعددة الطبقات: الفئة 1 والفئة 2. تستخدم المكثفات الخزفية من الفئة 1 مواد خزفية غير حساسة للتغيرات في درجات الحرارة. لذلك، لن تتغير سعتها بشكل كبير من درجة حرارة منخفضة إلى درجة حرارة عالية مثل من -25 درجة مئوية إلى 80 درجة مئوية. عادةً ما تكون مكثفات الفئة 1 مصنوعة من TiO2 ولها εr منخفضة نسبياً.

في المقابل، تكون مكثفات الفئة 2 حساسة لدرجة الحرارة. وهي مصنوعة من مواد كهربائية حديدية مثل BaTiO3 و Al2SiO5 و MgO:XSiO2. تتميز المكثفات من الفئة 2 بدرجة εr عالية نسبيًا ولكن دقتها وثباتها منخفضان.

تستخدم المكثفات الخزفية كود EIA لإظهار ثبات المكثفات على مدى درجة الحرارة. يوضح الشكل 3 متوسط كل رمز. على سبيل المثال، يعني X7R أن السعة تختلف ±15% من -55 ℃ إلى 125 ℃.

الشكل 3: جدول كود EIA [2]

ما هو الفرق بين مكثفات التنتالوم ومكثفات التنتالوم MLCCs؟

المعاوقة والمقاومة المتسلسلة المكافئة

يمكن للمعاوقة والمحاثة الطفيلية (ESL) والمقاومة المتسلسلة المكافئة (ESR) أن تخبرنا بالكثير من المعلومات حول مدى جودة عمل المكثف. يمكن حساب ESL و ESR بواسطة أجهزة تحليل المعاوقة. وتعني المقاومة المتسلسلة المكافئة والمقاومة المتسلسلة المكافئة الأصغر حجمًا مكثفات أفضل. ويوضح الشكل 4 المعاوقة و ESR لمكثف 4.7 µF، Y5V، 16V MLCC ومكثف التنتالوم 4. 7 µF، 16V [1].

الشكل 4: منحنيات المعاوقة و ESR لمكثفات التنتالوم 4.7 فولت ومكثفات السيراميك [1]

عند الترددات المنخفضة، تكون معاوقاتهما متماثلة، مما يعني أن قيم السعة هي نفسها. مع زيادة التردد، يكون ESR لمكثف السيراميك أقل بكثير من مكثف التنتالوم. أما بالنسبة لمنحنيات المعاوقة، فيظهر كلاهما شكل حرف "V" يتناقص أولًا ثم يزداد. يتأثر الجزء التنازلي الأول بالزيادة في القيمة السعوية. بعد ذلك، يحدث التكوين الحثي (ESL) ويحرك منحنى المعاوقة لأعلى. وبالعودة إلى الشكل 4، نجد أن ESL لمكثف السيراميك أصغر بكثير من مكثف التنتالوم بالنظر إلى نهاية منحنيات المعاوقة. وهذا ناتج بشكل أساسي عن إطارات الرصاص المستخدمة في حزمة التنتالوم [1].

تأثيرات درجة الحرارة

كما ذكرنا من قبل، مكثفات السيراميك من الفئة 1 غير حساسة لدرجة الحرارة، بينما مكثفات السيراميك من الفئة 2 حساسة لدرجة الحرارة. ويوضح الشكل 5 أن سعة مكثفات التنتالوم لها علاقة خطية مع درجة الحرارة، في حين أن سعة مكثفات السيراميك من الفئة 2 لها علاقة غير منتظمة مع درجة الحرارة.

الشكل 5: التغير في السعة مقابل درجة الحرارة لمكثفات التنتالوم وسيراميك الفئة 1 ومكثفات سيراميك الفئة 2 [2]

التأثيرات الميكروفونية

عند استخدام المكثفات في التطبيقات الصوتية، يصبح التأثير الميكروفوني أو التأثير الكهروضغطي أحد الميزات المهمة عند اختيار المكثفات [1]. يُظهر BaTiO3، الذي يُستخدم على نطاق واسع في مكثفات MLCCs، تأثيرات ميكروفونية. ومع ذلك، لا تظهر مكثفات التنتالوم أي تأثيرات ميكروفونية. وباختبار مكثفات 1µF، نحصل على الشكل 6، الذي يؤكد كذلك أن مكثفات السيراميك من الفئة 2 تعطي تأثيرات ميكروفونية.

الشكل 6: التأثير الميكروفوني لمكثفات التنتالوم ومكثفات السيراميك [1]

الخلاصة

لا توجد إجابة بسيطة لمعرفة أي المكثفات أفضل لأن كلاهما خياران جيدان. تتميز مكثفات التنتالوم بعمر افتراضي أطول، وسعة/حجم أعلى وثبات أعلى؛ بينما تتميز المكثفات الخزفية متعددة الحلقات بمحاثة أقل و ESR. يمكنك الاختيار وفقًا لتطبيقك المحدد. يسرد الجدول أدناه الاختلافات بين مكثفات التنتالوم ومكثفات السيراميك متعددة الطبقات.

توفر Stanford Advanced Materials (SAM) كلاً من مكثفات التنتالوم ومكثفات السيراميك متعددة الطبقات. إذا كنت لا تزال تواجه صعوبة في اختيار المكثف، يمكنك تقديم معلومات التطبيق الخاص بك إلى موظفينا الفنيين للحصول على المشورة.

المرجع:

كاين، ج. (بدون تاريخ). مقارنة بين المكثفات الخزفية متعددة الطبقات ومكثفات التنتالوم.

زيدنيتشيك، ت. (2022، 1 يونيو). أساسيات وفوائد التنتالوم مقابل مكثفات السيراميك. مدونة المكونات السلبية. تم الاسترجاع 11 يناير 2023، من https://passive-components.eu/the-basics-benefits-of-tantalum-ceramic-capacitors/