חֲדָשׁוֹת

קבלים הם אחד הרכיבים הנפוצים ביותר במעגלים. ככל שמספר המכשירים האלקטרוניים (מטלפונים ניידים ועד מכוניות) ממשיך לגדול, כך גם הביקוש לקבלים עולה. מגיפת קוביד 19 שיבשה את שרשרת האספקה ​​העולמית של רכיבים ממוליכים למחצה לרכיבים פסיביים, וקבלים היו במחסור1.
ניתן בקלות להפוך דיונים בנושא קבלים לספר או למילון. ראשית, ישנם סוגים שונים של קבלים, כגון קבלים אלקטרוליטיים, קבלים סרטים, קבלים קרמיים וכן הלאה. לאחר מכן, באותו סוג, ישנם שונים חומרים דיאלקטריים.ישנן גם מחלקות שונות.באשר למבנה הפיזי, ישנם סוגי קבלים דו-טרמינלים ושלושה-טרמינלים.יש גם קבל מסוג X2Y, שהוא בעצם זוג קבלים Y מכוסים באחד.מה לגבי קבלים-על ?העובדה היא שאם תשבו ותתחילו לקרוא מדריכים לבחירת קבלים מיצרנים גדולים, תוכלו לבלות את היום בקלות!
מכיוון שמאמר זה עוסק ביסודות, אשתמש בשיטה שונה כרגיל. כפי שצוין קודם לכן, ניתן למצוא בקלות מדריכים לבחירת קבלים באתרי הספקים 3 ו-4, ומהנדסי שטח יכולים בדרך כלל לענות על רוב השאלות בנושא קבלים. במאמר זה, אני לא אחזור על מה שאתה יכול למצוא באינטרנט, אבל אדגים כיצד לבחור ולהשתמש בקבלים באמצעות דוגמאות מעשיות. כמה היבטים פחות מוכרים של בחירת קבלים, כגון הפחתת הקיבול, יכוסו גם הם. לאחר קריאת מאמר זה, אתה צריך להבין טוב את השימוש בקבלים.
לפני שנים, כשעבדתי בחברה שייצרה ציוד אלקטרוני, הייתה לנו שאלת ראיון למהנדס אלקטרוניקת כוח. בתרשים הסכמטי של המוצר הקיים, נשאל מועמדים פוטנציאליים "מה תפקידו של אלקטרוליטי קישור DC קַבָּל?"ו"מה תפקידו של הקבל הקרמי ליד השבב?"אנו מקווים שהתשובה הנכונה היא קבל אוטובוס DC המשמש לאחסון אנרגיה, קבלים קרמיים משמשים לסינון.
התשובה ה"נכונה" שאנו מחפשים למעשה מראה שכל אחד בצוות התכנון מסתכל על קבלים מנקודת מבט של מעגלים פשוטה, לא מנקודת מבט של תורת השדות. נקודת המבט של תורת המעגלים אינה שגויה. בתדרים נמוכים (מכמה קילו-הרץ). לכמה מגה-הרץ), תורת המעגלים יכולה בדרך כלל להסביר את הבעיה היטב. הסיבה לכך היא שבתדרים נמוכים יותר, האות נמצא בעיקר במצב דיפרנציאלי. באמצעות תורת המעגלים, נוכל לראות את הקבל המוצג באיור 1, שבו ההתנגדות השווה לסדרה ( ESR) והשראת סדרה מקבילה (ESL) גורמות לעכבה של הקבל להשתנות עם התדר.
מודל זה מסביר במלואו את ביצועי המעגל כאשר המעגל עובר לאט. עם זאת, ככל שהתדר עולה, הדברים נעשים מסובכים יותר ויותר. בשלב מסוים, הרכיב מתחיל להראות חוסר ליניאריות. כאשר התדר עולה, מודל LCR הפשוט יש את המגבלות שלו.
היום, אם היו שואלים אותי אותה שאלת ראיון, הייתי מרכיב את משקפי התצפית שלי בתורת השדה ואומר ששני סוגי הקבלים הם התקני אחסון אנרגיה. ההבדל הוא שקבלים אלקטרוליטיים יכולים לאגור יותר אנרגיה מאשר קבלים קרמיים. אבל מבחינת העברת אנרגיה , קבלים קרמיים יכולים להעביר אנרגיה מהר יותר. זה מסביר מדוע קבלים קרמיים צריכים להיות ממוקמים ליד השבב, מכיוון שלשבב יש תדר מיתוג ומהירות מיתוג גבוהים יותר בהשוואה למעגל החשמל הראשי.
מנקודת מבט זו, אנו יכולים פשוט להגדיר שני תקני ביצועים עבור קבלים. האחד הוא כמה אנרגיה הקבל יכול לאחסן, והשני הוא כמה מהר ניתן להעביר את האנרגיה הזו. שניהם תלויים בשיטת הייצור של הקבל, החומר הדיאלקטרי, החיבור עם הקבל, וכן הלאה.
כאשר המתג במעגל סגור (ראה איור 2), זה מציין שהעומס זקוק לאנרגיה ממקור הכוח. המהירות שבה מתג זה נסגר קובעת את דחיפות הדרישה לאנרגיה. היות והאנרגיה נעה במהירות האור (חצי מהירות האור בחומרי FR4), לוקח זמן להעביר אנרגיה. בנוסף, יש חוסר התאמה של עכבה בין המקור לקו ההולכה והעומס. המשמעות היא שאנרגיה לעולם לא תועבר בנסיעה אחת, אלא בכמה פעמים הלוך ושוב5, וזו הסיבה שכאשר המתג עובר במהירות, אנו רואים עיכובים וצלצולים בצורת גל המיתוג.
איור 2: לוקח זמן לאנרגיה להתפשט בחלל;אי התאמה של עכבה גורמת למספר נסיעות הלוך ושוב של העברת אנרגיה.
העובדה שהעברת אנרגיה לוקחת זמן ומספר נסיעות הלוך ושוב אומרת לנו שעלינו לאתר את מקור האנרגיה קרוב ככל האפשר לעומס, ועלינו למצוא דרך להעביר אנרגיה במהירות. הראשונה מושגת בדרך כלל על ידי הפחתת האנרגיה הפיזית. מרחק בין העומס, המתג והקבלים.זה האחרון מושג על ידי איסוף קבוצת קבלים עם העכבה הקטנה ביותר.
תורת השדה מסבירה גם מה גורם לרעש מוד משותף. בקיצור, רעש מוד משותף נוצר כאשר דרישת האנרגיה של העומס אינה מתמלאת במהלך ההחלפה. לפיכך, האנרגיה האצורה ברווח שבין העומס לבין המוליכים הסמוכים תסופק לתמיכה הרווח בין העומס לבין המוליכים הסמוכים הוא מה שאנו מכנים קיבול טפילי/הדדי (ראה איור 2).
אנו משתמשים בדוגמאות הבאות כדי להדגים כיצד להשתמש בקבלים אלקטרוליטיים, קבלים קרמיים רב-שכבתיים (MLCC) וקבלי סרט. הן תורת המעגל והן השדות משמשות כדי להסביר את הביצועים של קבלים נבחרים.
קבלים אלקטרוליטיים משמשים בעיקר בקישור DC כמקור האנרגיה העיקרי. הבחירה של קבל אלקטרוליטי תלויה לרוב ב:
עבור ביצועי EMC, המאפיינים החשובים ביותר של קבלים הם מאפייני עכבה ותדר. פליטות מנוהלות בתדר נמוך תלויות תמיד בביצועים של קבל הקישור DC.
העכבה של קישור ה-DC תלויה לא רק ב-ESR וב-ESL של הקבל, אלא גם בשטח של הלולאה התרמית, כפי שמוצג באיור 3. אזור לולאה תרמית גדול יותר פירושו שהעברת האנרגיה לוקחת זמן רב יותר, ולכן הביצועים יושפע.
ממיר DC-DC שהולך למטה נבנה כדי להוכיח זאת. מערך בדיקת EMC מראש התאימות המוצג באיור 4 מבצע סריקת פליטה בין 150kHz ל-108MHz.
חשוב לוודא שהקבלים המשמשים במחקר המקרה הזה הם כולם מאותו יצרן כדי למנוע הבדלים במאפייני העכבה. בעת הלחמת הקבל על ה-PCB, ודא שאין מובילים ארוכים, שכן הדבר יגדיל את ה-ESL של הקבל. איור 5 מציג את שלוש התצורות.
תוצאות הפליטה של ​​שלוש התצורות הללו מוצגות באיור 6. ניתן לראות שבהשוואה לקבל בודד של 680 µF, שני הקבלים של 330 µF משיגים ביצועי הפחתת רעש של 6 dB בטווח תדרים רחב יותר.
מתיאוריית המעגלים, ניתן לומר שעל ידי חיבור שני קבלים במקביל, הן ESL והן ESR מצטמצמות לחצי. מנקודת המבט של תורת השדות, יש לא רק מקור אנרגיה אחד, אלא שני מקורות אנרגיה מסופקים לאותו עומס עם זאת, בתדרים גבוהים יותר, ההבדל בין שני קבלים של 330 µF וקבלים אחד של 680 µF יצטמצם. הסיבה לכך היא שרעש בתדר גבוה מצביע על תגובת אנרגיית צעד לא מספקת. בעת הזזת 330 µF קרוב לקיבול במתג, אנו מצמצמים את זמן העברת האנרגיה, מה שמגדיל למעשה את תגובת הצעד של הקבל.
התוצאה מלמדת לנו לקח חשוב מאוד. הגדלת הקיבול של קבל בודד לא תתמוך בדרך כלל בדרישת הצעדים ליותר אנרגיה. אם אפשר, השתמש בכמה רכיבים קיבוליים קטנים יותר. יש הרבה סיבות טובות לכך. הראשונה היא עלות. באופן כללי אם מדברים, עבור אותו גודל חבילה, העלות של קבל עולה באופן אקספוננציאלי עם ערך הקיבול. שימוש בקבל בודד עשוי להיות יקר יותר משימוש בכמה קבלים קטנים יותר. הסיבה השנייה היא הגודל. הגורם המגביל בעיצוב המוצר הוא בדרך כלל הגובה של הרכיבים. עבור קבלים בעלי קיבולת גדולה, הגובה הוא לרוב גדול מדי עבור עיצוב המוצר. הסיבה השלישית היא ביצועי ה-EMC שראינו במחקר המקרה.
גורם נוסף שיש לקחת בחשבון בעת ​​שימוש בקבלים אלקטרוליטי הוא שכאשר אתה מחבר שני קבלים בסדרה כדי לחלוק את המתח, תזדקק לנגד איזון 6.
כפי שהוזכר קודם לכן, קבלים קרמיים הם מכשירים מיניאטוריים שיכולים לספק במהירות אנרגיה. לעתים קרובות שואלים אותי השאלה "כמה קבלים אני צריך?" התשובה לשאלה זו היא שעבור קבלים קרמיים, ערך הקיבול לא צריך להיות כל כך חשוב. השיקול החשוב כאן הוא לקבוע באיזה תדר מהירות העברת האנרגיה מספיקה עבור היישום שלך. אם הפליטה המוליכה נכשלת ב-100 מגה-הרץ, אז הקבל עם העכבה הקטנה ביותר ב-100 מגה-הרץ יהיה בחירה טובה.
זו עוד אי הבנה של MLCC. ראיתי מהנדסים משקיעים הרבה אנרגיה בבחירת קבלים קרמיים עם ה-ESR וה-ESL הנמוכים ביותר לפני חיבור הקבלים לנקודת הייחוס של RF דרך עקבות ארוכות. ראוי להזכיר שה-ESL של MLCC הוא בדרך כלל הרבה נמוך יותר משראות החיבור בלוח. השראות החיבור היא עדיין הפרמטר החשוב ביותר המשפיע על עכבת התדר הגבוה של קבלים קרמיים7.
איור 7 מציג דוגמה גרועה. עקבות ארוכות (אורך 0.5 אינץ') מציגות השראות של לפחות 10nH. תוצאת הסימולציה מראה שהעכבה של הקבל הופכת גבוהה בהרבה מהצפוי בנקודת התדר (50 מגה-הרץ).
אחת הבעיות עם MLCCs היא שהם נוטים להדהד עם המבנה האינדוקטיבי על הלוח. ניתן לראות זאת בדוגמה המוצגת באיור 8, שם השימוש ב-MLCC של 10 µF מציג תהודה ב-300 קילו-הרץ בקירוב.
אתה יכול להפחית תהודה על ידי בחירת רכיב עם ESR גדול יותר או פשוט לשים נגד ערך קטן (כגון 1 אוהם) בסדרה עם קבל. שיטה מסוג זה משתמשת ברכיבים מאבדים כדי לדכא את המערכת. שיטה אחרת היא שימוש בקיבול אחר ערך כדי להעביר את התהודה לנקודת תהודה נמוכה או גבוהה יותר.
קבלי סרט משמשים ביישומים רבים. הם הקבלים המועדפים עבור ממירי DC-DC בעלי הספק גבוה ומשמשים כמסנני דיכוי EMI על פני קווי מתח (AC ו-DC) ותצורות סינון במצב נפוץ. אנו לוקחים קבל X בתור דוגמה להמחשת כמה מהנקודות העיקריות של שימוש בקבלי סרט.
אם מתרחש אירוע נחשול, זה עוזר להגביל את מתח שיא המתח על הקו, ולכן הוא משמש בדרך כלל עם מדכא מתח חולף (TVS) או ורייסטור תחמוצת מתכת (MOV).
אולי אתה כבר יודע את כל זה, אבל האם ידעת שניתן להפחית משמעותית את ערך הקיבול של קבל X עם שנים של שימוש? זה נכון במיוחד אם הקבל משמש בסביבה לחה. ראיתי את ערך הקיבול של קבל ה-X יורד רק לאחוזים בודדים מהערך המדורג שלו בתוך שנה או שנתיים, כך שהמערכת שתוכננה במקור עם קבל ה-X איבדה למעשה את כל ההגנה שיכולה להיות לקבל הקדמי.
אז מה קרה? אוויר לחות עלול לדלוף לתוך הקבל, במעלה החוט ובין הקופסה לתרכובת האפוקסי. לאחר מכן ניתן לחמצן את מתכת האלומיניום. אלומינה היא מבודד חשמלי טוב, ובכך מפחית את הקיבול. זוהי בעיה כל קבלי הסרט יתקלו. הנושא שעליו אני מדבר הוא עובי הסרט. מותגי קבלים בעלי מוניטין משתמשים בסרטים עבים יותר, וכתוצאה מכך קבלים גדולים יותר מאשר מותגים אחרים. הסרט הדק יותר הופך את הקבל פחות חזק לעומס יתר (מתח, זרם או טמפרטורה), וזה לא סביר שירפא את עצמו.
אם הקבל X אינו מחובר באופן קבוע לספק הכוח, אז אתה לא צריך לדאוג. לדוגמה, עבור מוצר שיש לו מתג קשיח בין ספק הכוח לבין הקבל, הגודל עשוי להיות חשוב יותר מהחיים, ו אז אתה יכול לבחור קבל דק יותר.
עם זאת, אם הקבל מחובר לצמיתות למקור החשמל, הוא חייב להיות אמין ביותר. החמצון של הקבלים אינו בלתי נמנע. אם חומר האפוקסי של הקבל הוא באיכות טובה והקבל אינו חשוף לעתים קרובות לטמפרטורות קיצוניות, הירידה ב- הערך צריך להיות מינימלי.
במאמר זה, הציג לראשונה את תפיסת תורת השדה של קבלים. דוגמאות מעשיות ותוצאות סימולציה מראים כיצד לבחור ולהשתמש בסוגי הקבלים הנפוצים ביותר. מקווה שמידע זה יכול לעזור לך להבין את תפקידם של קבלים בתכנון אלקטרוני ו-EMC בצורה מקיפה יותר.
ד"ר מין ג'אנג הוא המייסד והיועץ הראשי של EMC של Mach One Design Ltd, חברת הנדסה שבסיסה בבריטניה המתמחה בייעוץ, איתור תקלות והדרכה של EMC. הידע המעמיק שלו באלקטרוניקה כוח, אלקטרוניקה דיגיטלית, מנועים ועיצוב מוצרים הועיל. חברות ברחבי העולם.
In Compliance הוא המקור העיקרי לחדשות, מידע, חינוך והשראה עבור אנשי מקצוע בתחום הנדסת חשמל ואלקטרוניקה.
תעופה וחלל רכב תקשורת צרכנות אלקטרוניקה השכלה אנרגיה וכוח תעשיית מידע טכנולוגיה רפואית צבאית והגנה לאומית