MKT

خازن MKT چیست؟

تعریف و عملکرد

خازن MKT نوعی از خازن‌های پلاستیکی است که از فیلم پلی‌استر به‌عنوان دی‌الکتریک استفاده می‌کند. نام MKT در واقع مخفف واژه‌ی آلمانی Metallisierte Kunststofffolie Terephthalat  به معنی «فیلم پلی‌استر متالیزه‌شده» است. این خازن به خاطر پایداری خوب، ابعاد کوچک و قیمت مناسب، بسیار در مدارهای الکترونیکی استفاده می‌شود.

گاهی اوقات به خازن‌های پلی‌استر، مایلار (Mylar) نیز گفته می‌شود. عبارت PET  مخفف Poly Ethylene Terephthalate (پلی‌اتیلن ترفتالات) است که به‌صورت PETP هم نوشته می‌شود.

در استانداردهای اروپایی که در این کتاب به آن‌ها استناد شده است، اختصارات KT  برای طراحی نوع فیلم/فویل        (Film/Foil)  وMKT  برای طراحی فیلم متالیزه (Metallized Film) به کار می‌روند.
در مواقع دیگر، معمولاً از واژه‌ی کامل Polyester یا PET استفاده می‌شود.

همچنین نوع دیگری از پلی‌استر با نام Poly Ethylene Naphthalate (PEN)  نیز در بازار عرضه می‌شود که در ادامه (در ادامه به‌صورت جداگانه به آن پرداخته خواهد شد.

تفاوت با سایر خازن‌های پلاستیکی

فیلم پلی‌استر یکی از مطمئن‌ترین و پرکاربردترین فیلم‌های پلاستیکی است و همراه با پلی‌پروپیلن (PP) بیشترین استفاده را در ساخت خازن‌ها دارد.
این فیلم را می‌توان در ضخامت‌هایی تا حدود 0.7 میکرومتر (0.03 میل) تولید کرد.
پایداری کششی (Tensional Stability) آن بالا بوده و ضریب دی‌الکتریک نسبی (εr) آن حدود 3.2 است.

و اما خازن‌های پلاستیکی به‌طور کلی از مواد مختلفی مانند پلی‌استر (MKT)، پلی‌پروپیلن (MKP)، پلی‌استایرن (MKS) و پلی‌کربنات (MKC) ساخته می‌شوند. تفاوت اصلی بین این خازن‌ها در نوع دی‌الکتریک است.

منحنی امپدانس خازن‌های پلی‌استر متالیزه (MKT)، پلی‌کربنات متالیزه (MKC) و پلی‌پروپیلن متالیزه (MKP) نمایش داده می‌شود.

در مقایسه‌ی تفاوت خازن MKT و MKP، باید گفت که خازن‌های MKT دارای ظرفیت حجمی بالاتر و اندازه‌ی کوچک‌تری نسبت به MKP هستند، اما پایداری دمایی و ضریب تلفات انرژی آن‌ها اندکی پایین‌تر است. از سوی دیگر، خازن MKP که از پلی‌پروپیلن ساخته شده، عملکرد بهتری در فرکانس‌های بالا و دماهای زیاد دارد و معمولاً در مدارهای دقیق‌تر استفاده می‌شود.

یک نمونه طراحی خازن MKT معمولاً برای اهداف فیلترینگ و کاهش تداخل الکترومغناطیسی استفاده می‌شود

ساختار و ویژگی‌های خازن MKT

ساختار داخلی

در داخل خازن‌های MKT چند لایه فیلم پلی‌استر متالیزه به صورت رول فشرده پیچیده شده است که سطح فیلم با فلز آلومینیوم متالیزه می‌شود تا رسانایی الکتریکی ایجاد کند. این رول سپس درون یک بدنه‌ی پلاستیکی یا اپوکسی محصور و با رزین پر می‌شود تا در برابر رطوبت و ارتعاش مقاوم گردد.

پایه‌های فلزی، که معمولاً از قلع یا مس آبکاری شده‌اند، اتصال الکترودها را برقرار می‌کنند. این طراحی باعث می‌شود خازن MKT  استحکام مکانیکی بالا و طول عمر زیادی داشته باشد.

مزایا و معایب

مزایای PET

• فیلم نازک با کیفیت بالا

معایب PET

• وابستگی دمایی زیاد و غیرخطی
• ضریب تلفات (Dissipation Factor) نسبتاً زیاد، حدود ٪0.5 در فرکانس 1 کیلوهرتز
• در کاربردهای حساس مانند سیستم‌های صوتی آنالوگ (Hi-Fi) ممکن است باعث اعوجاج محسوس در سیگنال شود.

پلی‌اتیلن نفتالات (PEN) نوعی ماده‌ی مشابه پلی‌استر است، اما مقاومت حرارتی بالاتری دارد.
خازن‌هایی که از این دی‌الکتریک استفاده می‌کنند معمولاً تحت عنوان خازن‌های پلی‌استر معرفی می‌شوند.
این ماده به‌ویژه برای طراحی‌های SMD مورد توجه است.

این خازن‌ها با تکنولوژی پشته‌ای (Stack Technology) ساخته می‌شوند و ضخامت فیلم در آن‌ها تا حدود 1.5 میکرومتر (0.06 میل) کاهش می‌یابد.

بر اساس برخی منابع، این نوع چیپ‌ها قادر به تحمل هر دو نوع لحیم‌کاری موجی (Wave Soldering) و مادون‌قرمز (IR Soldering) هستند، اما توصیه می‌شود تنها لحیم‌کاری مادون‌قرمز و بخار (Vapor Phase) برای آن‌ها استفاده شود.

با این حال، پیشرفت‌های اخیر در تولید فیلم‌های جدید نشان‌دهنده‌ی افزایش قابل‌توجه در محدوده‌ی دمایی مجاز است.
با کاهش ولتاژ کاری در دماهای بالاتر از 125+ درجه سانتی‌گراد، امکان کارکرد در دمای تا 150+ درجه سانتی‌گراد وجود دارد.

البته این ماده هنوز بیش از حد گران‌قیمت است و به همین دلیل در مقیاس انبوه استفاده نمی‌شود.

به دلیل این ویژگی‌ها، می‌توان خازن‌های کوچک و با تراکم بالا تولید کرد.

کاربردهای خازن MKT

یکی از کاربردهای متداول خازن‌های پلی‌استر، دکوپلینگ (Decoupling) در مدارهاست.

در برخی کاربردها مانند منابع تغذیه سوئیچینگ (SMPS)، برای فیلترینگ و دکوپلینگ، نیاز به ظرفیت بالا و تلفات نسبتاً کم وجود دارد؛ همین ویژگی باعث شده است که خازن‌های MKT جایگزینی مناسب برای خازن‌های سرامیکی گران‌قیمت نوع X7R باشند.

نکات مهم در انتخاب خازن MKT

ظرفیت و ولتاژ مناسب

در هنگام انتخاب خازن، ظرفیت و ولتاژ کاری از مهم‌ترین فاکتورها هستند. انتخاب ظرفیت پایین‌تر یا بالاتر از مقدار لازم می‌تواند منجر به عملکرد ناپایدار مدار شود. برای مدارهای تغذیه AC، استفاده از خازن‌هایی با ولتاژ نامی حداقل 275V پیشنهاد می‌شود.
به عنوان مثال، 1µF 275V گزینه‌ای متداول در فیلتر ورودی تغذیه است.

تلورانس و نوع دی‌الکتریک

تلورانس (Tolerance) بیانگر درصد خطای ظرفیت واقعی نسبت به مقدار اسمی است. در خازن‌های MKT معمولاً تلورانس بین ٪5± تا ٪10± متغیر است.
نوع دی‌الکتریک نیز اهمیت زیادی دارد، زیرا پلی‌استر مورد استفاده در MKT دارای ضریب تلفات بیشتر ولی اندازه‌ی کوچک‌تر از پلی‌پروپیلن است. اگر مدار در دما یا فرکانس بالا کار می‌کند، ممکن است خازن MKP گزینه‌ی بهتری باشد.

علاوه بر این، خازن‌های MKT قادر به تحمل دمایی تا 125+ درجه سانتی‌گراد هستند.
به همین دلیل، برخی تولیدکنندگان تلاش کرده‌اند این نوع خازن را در قالب SMD (چیپ) نیز تولید کنند.

اما پدیده‌ی انقباض حرارتی (Shrinkage) در خازن‌های PET به‌طور ویژه مشاهده می‌شود و همین موضوع باعث بروز مشکلاتی در تولید خازن‌های نوع SMD شده است.

در حال حاضر، برای جلوگیری از افزایش بیش از حد دما هنگام لحیم‌کاری (که منجر به انقباض مضر می‌شود)، دو روش اصلی به‌کار می‌رود:

1. قطعات به گونه‌ای طراحی و پوشش‌دهی (Encapsulation) می‌شوند که نفوذ حرارت به داخل خازن کاهش یابد.
2. در فرآیند ساخت، با استفاده از گرما و فشار کنترل‌شده، حافظه‌ی مولکولی موقعیت اولیه (قبل از کشش فیلم) حذف می‌شود.

روش دوم، خطر انقباض را به میزان زیادی کاهش می‌دهد، اما تنها برای طراحی‌های پشته‌ای (Stacked Design) قابل استفاده است.
با این روش، ابعاد خازن حفظ می‌شوند، اما نفوذ حرارت بیشتر شده و ممکن است فیلم دی‌الکتریک در دمای 230 درجه سانتی‌گراد آسیب ببیند.

به عبارتی دیگر، با این روش، مشکل انقباض رفع می‌شود اما خطر آسیب حرارتی به مواد افزایش می‌یابد.
بنابراین، روش و دمای لحیم‌کاری باید با دقت انتخاب و کنترل شود تا نوع خازن انتخاب‌شده بتواند این فرآیند را تحمل کند.

در حال حاضر، فیلم‌های بازتاب‌دهنده‌ی مادون‌قرمز (IR Reflecting Film) و لحیم‌کاری مادون‌قرمز (IR Soldering ) تنها روش‌های قابل اطمینان محسوب می‌شوند، تا زمانی که از فیلم‌های PET سنتی استفاده می‌شود.

فیلم‌های جدیدتر اما، مقاومت حرارتی بیشتری دارند و برای دمای 125+ درجه سانتی‌گراد مشخص شده‌اند.
این فیلم‌ها می‌توانند دمای لحظه‌ای تا 235 درجه سانتی‌گراد در لحیم‌کاری ریفلو (Reflow) را نیز تحمل کنند.

سازندگان فیلم با تغییر ویژگی‌های ترمو-مکانیکی، میزان انقباض را در هنگام استفاده به‌عنوان دی‌الکتریک در خازن‌های SMD کاهش داده‌اند.

برای کنترل انقباض، مقاومت سری معادل (ESR) قبل و بعد از لحیم‌کاری اندازه‌گیری می‌شود.

وابستگی دما و فرکانس

خازن‌های پلی‌استر (PET) رفتار نسبتاً پایداری در برابر تغییرات دما دارند، اما همچنان وابستگی مشخصی بین ظرفیت خازن و دما وجود دارد.
ظرفیت خازن با افزایش دما کمی کاهش می‌یابد و سپس در دماهای بالاتر، به آرامی افزایش پیدا می‌کند.

این تغییر معمولاً در محدوده‌ی 220+ تا ppm/°C±10 قرار دارد، و از این نظر، خازن‌های پلی‌استر پایداری نسبتاً خوبی را نسبت به بسیاری از خازن‌های آلی دیگر ارائه می‌دهند.
در عین حال، در فرکانس‌های بالا، اثرات پلاریزاسیون مولکولی باعث افزایش محسوس ضریب تلفات (tan δ) می‌شود.

در فرکانس 1 کیلوهرتز، مقدار tan δ معمولاً حدود ٪0.5 است، اما با افزایش فرکانس، این مقدار ممکن است به ٪2 تا ٪3 نیز برسد.
این مسئله به‌ویژه در کاربردهای سیگنال متناوب یا فیلترینگ صوتی اهمیت دارد، زیرا افزایش تلفات می‌تواند موجب اعوجاج و افت کیفیت سیگنال شود.

نکته‌ی قابل توجه این است که با افزایش فرکانس، ظرفیت مؤثر (Effective Capacitance) نیز اندکی کاهش پیدا می‌کند.
این کاهش در نتیجه‌ی تأخیر پاسخ پلاریزاسیون دی‌الکتریک (Dielectric Relaxation) در پلی‌استر ایجاد می‌شود، یعنی مولکول‌ها نمی‌توانند به‌سرعت کافی با میدان الکتریکی متغیر تطبیق پیدا کنند.

در نتیجه، در کاربردهایی که در محدوده‌ی چند ده تا چند صد کیلوهرتز کار می‌کنند، باید اثر افت ظرفیت و افزایش تلفات در نظر گرفته شود.

به‌طور کلی، ویژگی‌های وابسته به دما و فرکانس در PET را می‌توان این‌گونه خلاصه کرد:

وابستگی ولتاژ

خازن‌های پلی‌استر، در مقایسه با پلی‌پروپیلن (PP)، تغییر ظرفیت بیشتری در اثر تغییر ولتاژ DC اعمالی نشان می‌دهند.
این اثر به‌ویژه در ولتاژهای بالا و دماهای زیاد محسوس است.

به بیان ساده‌تر، با افزایش ولتاژ بایاس DC، ظرفیت خازن کمی کاهش می‌یابد.
اگرچه این مقدار معمولاً از چند درصد تجاوز نمی‌کند، اما در مدارهای دقیق اندازه‌گیری یا تایمینگ RC باید لحاظ شود.

پایداری درازمدت

پایداری بلندمدت خازن‌های MKT معمولاً بسیار خوب است.
با گذشت زمان، ممکن است به دلیل نفوذ رطوبت یا فرآیندهای شیمیایی آهسته در ماده‌ی متالیزه، ظرفیت به میزان کمتر از ٪1 در سال کاهش یابد.

اگر خازن در محیط‌های با دمای بالا یا رطوبت زیاد استفاده شود، این تغییر ممکن است به حدود ٪2 در سال برسد.
برای خازن‌هایی که به‌خوبی درپوش‌گذاری (Encapsulated) شده‌اند، این مقدار معمولاً ناچیز است.

اثرات مکانیکی

فیلم‌های پلی‌استر، همان‌طور که در بخش قبل اشاره شد، خاصیت انقباض حرارتی (Shrinkage) دارند.
در اثر تغییرات سریع دما، یا در حین فرآیند لحیم‌کاری، این انقباض می‌تواند موجب کاهش فیزیکی در اندازه خازن یا تغییرات جزئی در ظرفیت شود.

به همین دلیل، هنگام طراحی مدارهای SMD با خازن‌های MKT، باید اطمینان حاصل شود که فرآیند لحیم‌کاری از دمای مجاز بالاتر از 230 تا 235 درجه سانتی‌گراد تجاوز نکند.

به‌طور خلاصه، خازن‌های پلی‌استر (PET) از نظر وابستگی به دما و فرکانس،
در دسته‌ی دی‌الکتریک‌های با پایداری متوسط قرار می‌گیرند.
در کاربردهای عمومی و فیلترینگ تغذیه، عملکرد بسیار خوبی دارند،
اما برای کاربردهای دقیق، سیگنال‌های فرکانس بالا یا صوتی حساس، بهتر است از نوع پلی‌پروپیلن (PP) استفاده شود.

مشخصات معمول برای خرید خازن‌های MKT

• ظرفیت: از 1 نانوفاراد تا 10 میکروفاراد
• تلرانس: ٪5± و ٪10±
• محدوده دمای کاری: 55- تا 125+ درجه سانتی‌گراد (تا 150+ درجه سانتی‌گراد)
• ولتاژ نامی: 16 تا 400 ولت DC
• ضریب تلفات (Tanδ) در 1kHz و 20°C: حدود ٪0.4 تا ٪0.5 (حداکثر ٪0.8)
• مقاومت عایقی (IR) در 20°C: مقدار معمول 30,000 ثانیه یا بیش از 1 گیگااهم
• پایداری: تغییر ظرفیت (ΔC/C) حداکثر ٪5
• ضریب دمایی (TC): حدود 220+±10 ppm/°C در کل محدوده‌ی دمایی
• ثابت دی‌الکتریک (εr): حدود 3.2
• جذب دی‌الکتریک: حدود ٪0.15
• نسبت کاهش ولتاژ پیشنهادی (Derating): 

ثابت دی‌الکتریک (εr) خازن‌های PET در مقابل دمای کاری و فرکانس نمایش داده می‌شود.

ضریب تلفات (Tanδ) خازن‌های PET در مقابل دمای کاری و فرکانس نمایش داده می‌شود.

سوالات متداول درباره خازن MKT

1. خازن MKT چیست و چه کاربردی دارد؟
   خازن MKT نوعی خازن فیلم پلی‌استر متالیزه است که برای فیلتر، نویزگیری و ذخیره انرژی در مدارهای AC و DC استفاده می‌شود.
2. چطور می‌توان خازن MKT را تست کرد؟
   برای تست خازن MKT از مولتی‌متر با قابلیت اندازه‌گیری ظرفیت استفاده می‌شود. اگر مقدار اندازه‌گیری‌شده اختلاف زیادی با مقدار اسمی داشت یا خازن اتصال کوتاه نشان داد، باید تعویض شود.
3. نحوه خواندن خازن MKT چگونه است؟
   روش خواندن خازن MKT معمولاً از روی بدنه انجام می‌شود؛ مقادیر ظرفیت (مثلاً 1µF یا 2.2µF)، ولتاژ کاری (مثلاً 275V) و کلاس ایمنی روی بدنه چاپ شده‌اند.
4. آیا خازن MKT 1µF در مدارهای AC قابل استفاده است؟
   بله، خازن‌های فیلمی مانند MKT برای مدارهای AC مناسب‌اند، مخصوصاً در بخش ورودی فیلتر تغذیه یا حذف نویز در خطوط برق.
5. تفاوت خازن MKT و MKP چیست؟
   خازن MKP از پلی‌پروپیلن ساخته می‌شود و در دما و فرکانس بالا عملکرد بهتری دارد، اما خازن MKT اندازه کوچک‌تر و قیمت پایین‌تری دارد.

جمع‌بندی:
خازن MKT یکی از متداول‌ترین خازن‌های فیلمی در دنیای الکترونیک است که بین قیمت مناسب، اندازه‌ی کوچک و عملکرد قابل‌اعتماد تعادل برقرار کرده است. با شناخت دقیق ساختار، مزایا و محدودیت‌های آن، می‌توان بهترین گزینه را برای مدارهای AC، DC یا فیلتر نویز انتخاب کرد.