בחירת טכנולוגיית הקבלים המתאימה עבור‏ יישום

בחירת הקבל המתאים עבור יישום יכולה ליצור הבדל משמעותי בביצועים, אמינות ויעילות של מוצרים כגון ספקי-כוח עבור צבא וביטחון, תעופה וחלל, טכנולוגיה רפואית, תשתיות אנרגיה קריטיות או מטעני EV מהירים.

קבלים הם רכיבים חיוניים במעגלים אלקטרוניים רבים כיוון שהם מאחסנים ומשחררים אנרגיה חשמלית, מסננים אותות לא-רצויים ומבצעים פונקציות אחרות. עם זאת, לא כל הקבלים נוצרו שווים, וסוגים שונים של‏ קבלים הם בעלי מאפיינים, יתרונות ומגבלות שונים.

בחירת סוג הקבל הנכון היא קריטית בתכנון מוצר. שלוש אפשרויות נפוצות—קבלים קרמיים רב-שכבתיים (קבלי MLCC‏), פילם או אלומיניום אלקטרוליט—מציעות יתרונות וחסרונות, ויש אינספור וריאציות בתוך כל קטגוריה. בחירת הסוג הנכון מבטיחה שלמוצר הסופי יש מספיק יכולת אחסון אנרגיה, מתאים למקום הפנוי ומתפקד באופן אמין בשימושו המיועד.

הטיעונים לטובת קבלי MLCC‏‏

קבלי MLCC‏ מורכבים משכבות מתחלפות של חומר דיאלקטרי קרמי ואלקטרודות מתכת מגובבות ומדובקקות (Sintered) ביחד כדי ליצור חבילה‏ קומפקטית. קבלי MLCC, המשמשים באופן נרחב בהתקנים אלקטרוניים רבים, ‏מספקים ערכי קיבוליות גבוהים בגדלים פיזיים קטנים, התנגדות טורית אקוויוולנטית (ESR‏) נמוכה, זרם זליגה נמוך, הענות תדר גבוה ויציבות טמפרטורה טובה.

קבלי MLCC‏ מתאימים עבור יישומים הדורשים צפיפות הספק גבוהה, נצילות גבוהה, רעש נמוך ואמינות גבוהה. עם זאת, יש ואריאציות בקרב קטגוריה זו היכולות לעשות את ההבדל בפיתוח מוצרים מוצלחים:

• קבלי MLCC‏ אמינות גבוהה: מציעים אמינות גבוהה, שיעור כשל נמוך, חיי רכיב ארוכים וביצועים עיליים תחת תנאים קשים. מאפיינים אלה הם חשובים לעמידה בדרישות מחמירות של‏ תעשיות כגון תעופה-וחלל והגנה וביטחון, כולל מפרטים תחת MIL-PRF-55681,‏ MIL-PRF-123,‏ MIL-PRF-49470 ו-MIL-PRF-39014, כמו גם יישומים רפואיים.
• קבלי MLCC מתח גבוה‏: עובדים במתחים מעל ‎500 V‏ ועד 12‎ kV‏. הם מתוכננים עבור יישומים הדורשים בידוד מתח גבוה, כגון ספקי-כוח, מחוללי דפקים וציוד רנטגן. הם בעלי קיבוליות גבוהה, ESR נמוך, גורם פיזור נמוך ומתח פריצה גבוה.
• קבלי MLCC‏ טמפרטורה גבוהה: עובדים בטמפרטורות מעל ‎125°C+, עד ‎250°C+. הם מתוכננים עבור יישומים הדורשים יציבות טמפרטורה גבוהה, כגון קידוח במורד החור, רכב ותעשייה. הם מספקים קיבוליות גבוהה, ESR נמוך, מקדם טמפרטורה נמוך וחסינות גבוהה להלם תרמי.

יתרונות של קבלי פילם

קבלי פילם מתאימים עבור יישומים הדורשים הספק גבוה, זרם גבוה, מתח גבוה ותדרים גבוהים, כגון המרת כוח, סינון, Snubbing וצימוד. קבלים אלה מורכבים משכבה דקה של‏ חומר דיאלקטרי—כגון פוליאסטר, פוליפרופילן, פוליקרבונט או פוליפנילן גופרתי—הנתונה בין שתי אלקטרודות מתכת, מלופפות לצורת גליל‏ או מגובבות לצורה‏ שטוחה.

קבלי פילם הם לעתים קרובות גדולים ויקרים יותר מקבלי MLCC‏, אך הם מספקים ערכי קיבוליות גבוהים, דירוגי מתח גבוה, ESR נמוך, גורם פיזור נמוך, הענות תדר גבוה וחיי רכיב ארוכים. היתרונות של‏ טכנולוגיה זו כוללים דירוגי מתח גבוהים יותר, שינוי קיבוליות לינארי עם מתח וטמפרטורה, העדר רעש פייזואלקטרי, יכולת ריפוי-עצמי וחיי רכיב ארוכים.

ישנן מספר קטגוריות של‏ קבלי פילם היכולות להשפיע על הקבל המתאים ליישום:

• קבלי פילם פוליאסטר ממותך משתמשים בשכבה דקה של‏ מתכת, כגון אלומיניום או אבץ, משוקעת על שכבת הפוליאסטר ומשמשת כאלקטרודה. הם מציעים קיבוליות גבוהה, ESR נמוך, עלות נמוכה ותכונות ריפוי-עצמי טובות. הם עונים על הצרכים של יישומים למטרות כלליות כגון מעקף, צימוד והפרדה (Decoupling).
• קבלי פילם פוליפרופילן ממותך משתמשים בשכבת פוליפרופילן כאלקטרודות עם שכבה דקה של מתכת, כגון אלומיניום או אבץ. הם מאופיינים בקיבול גבוה, ESR נמוך, גורם פיזור נמוך, הענות תדר גבוה ויציבות גבוהה. הם מתאימים עבור יישומי ביצועים עיליים, כגון תיקון גורם הספק, סינון ו-Snubbing.
• קבלי פילם פוליקרבונט משתמשים בשכבת‏ פוליקרבונט כחומר הדיאלקטרי. הם מציעים קיבוליות גבוהה, דרוג מתח גבוה, מקדם טמפרטורה נמוך ואמינות גבוהה. הם מתאימים ליישומים הדורשים יציבות טמפרטורה גבוהה, כגון תזמון, חישה ומעגלים מדויקים.
• קבלי פילם פוליפנילן גופרתי משתמשים בפוליפנילן גופרתי כחומר הדיאלקטרי. הם מציעים קיבוליות גבוהה, דרוג טמפרטורה גבוהה, ESR נמוך, גורם פיזור נמוך והענות תדר גבוה. יישומים מתאימים כוללים את אלה הדורשים ביצועי טמפרטורה גבוהה, כגון רכב, תעשייה וטלקום.
• קבלי פילם נייר ממותך מסתמכים על שכבת נייר ממותכת כחומר הדיאלקטרי. הם מציעים קיבוליות גבוהה, דרוג מתח גבוה, ESR נמוך, גורם פיזור נמוך ותכונות ריפוי-עצמי גבוהות. הם מתאימים עבור יישומים הדורשים בידוד מתח גבוה, כגון ספקי-כוח, מחוללי דפקים וציוד רנטגן.

קבלי אלומיניום אלקטרוליטיים

קבלי אלומיניום אלקטרוליטיים מתאימים עבור יישומים הדורשים קיבוליות גבוהה, מתח גבוה ותדר נמוך, כגון החלקה, סינון ואחסון אנרגיה.

עם היכולת לאחסן כמויות גדולות של אנרגיה חשמלית יחסית לגודלו, קבל אלומיניום אלקטרוליטי ישים להחלקת ספקי-כוח בהתקנים אלקטרוניים. הם עלולים להיות בעלי תוחלת חיים קצרה יותר מחלופות MLCC ופילם, ובשל היותם מקוטבים עם הדק חיובי והדק שלילי, עלולים להינזק אם מותקנים הפוך. הם גם עלולים לזלוג ברציפות כמות קטנה של זרם ואינם יציבים בתדרים גבוהים בהשוואה לחלופות.

קבלי אלומיניום אלקטרוליטיים זמינים עם סוגים שונים של אלקטרוליט, כמו נוזל, מוצק או היברידי, שיש להם מאפייני ביצועים, יציבות ואמינות שונים:

• קבלי אלומיניום אלקטרוליט נוזל משתמשים בתמיסת אלקטרוליט‏ נוזלית כקתודה. הם מציעים קיבוליות גבוהה, דרוג מתח גבוה ועלות נמוכה. עם זאת, הם גם בעלי ESR גבוה‏, זרם זליגה גבוה, גורם פיזור גבוה, ואורך חיים מוגבל. הם מתאימים עבור יישומי שימוש כללי, כגון החלקה, סינון ואחסון אנרגיה.
• קבלי אלומיניום אלקטרוליט מוצק הם בעלי ‏חומר אלקטרוליט מוצק — כגון מנגן דו-חמצני או פולימר מוליך — עבור הקתודה. הם מציעים ESR נמוך, זרם זליגה נמוך, גורם פיזור נמוך וחיי רכיב ארוכים. עם זאת, הם גם בעלי קיבוליות נמוכה יותר, דרוג מתח נמוך יותר ועלות גבוהה יותר מקבלי אלקטרוליט נוזל. הם מתאימים עבור יישומי ביצועים עיליים, כגון ספקי כוח ממותגים, דוחפי LED ומגברי אודיו.
• קבלי אלומיניום אלקטרוליט היברידי משתמשים בשילוב של אלקטרוליט נוזל ומוצק כקתודה. הם מציעים ‏איזון של‏ קיבוליות, דרוג מתח, ESR‏, זרם זליגה, גורם פיזור ואורך חיים. הם מתאימים עבור יישומים הדורשים צפיפות הספק גבוהה, אמינות גבוהה וביצועי טמפרטורה גבוהה, כגון רכב, תעשייה וטלקום.

רכישה של ספקים מרחיבה את פורטפוליו הקבלים

Knowles ו-Cornell Dubilier Electronics‏ (CDE) הם שני יצרנים מובילים של קבלים המציעים מגוון רחב של טכנולוגיות ומוצרי קבל. Knowles‏ רכשה את CDE בשנת 2023, שילבה חוזקות משלימות של שתי החברות, כולל קבלי פילם וקבלי אלומיניום אלקטרוליטיים של CDE, וקבלי פילם וקבלי MLCC של Knowles Precision Devices.

חברת Knowles‏ מציעה‏ סל מוצרים מקיף של‏ קבלי MLCC‏ במארזים סטנדרטיים להרכבה משטחית ומארזים עם הדקי סרט או רדיאליים, בערכים החל מפחות מפיקו-פאראד עד מאות מיקרו-פאראד, עם דירוגים מ-6.3‎ V עד ‎12 kV. קבלי Knowles MLCC‏ זמינים במגוון חומרים דיאלקטריים עם מקדמי טמפרטורה, קבועים דיאלקטריים ושיעורי התיישנות שונים.

גישת הייצור ™FlexiCap של Knowles‏ משתמשת בחומר סיום פולימר אפוקסי גמיש קנייני המיושם מתחת לגימור מחסום הניקל הרגיל ומתאים למידה רבה יותר של כיפוף לוח מאשר קבלים רגילים. מנעד ה-™StackiCap של החברה מספק הפחתה משמעותית בנדל"ן PCB עבור קיבוליות שוות ערך במקרים בהם שטח הלוח הוא בפרמיה; לדוגמה, שבב סטנדרטי של 150 ננו-פאראד (nF) בגודל מארז 8060 זמין במארז 3640 הרבה יותר קטן.

ה-Knowles Syfer 2220Y5000564KXT (איור 1‏) הוא MLCC‏ Flexicap ‏להרכבה משטחית‏ היכול לאחסן ‏0.56‏ מיקרו-פאראד (µF‏) של מטען‏ חשמלי—עם טולרנס של‏ 10%‏±—ומתוכנן לטפל בעד 500‎ V‏. הוא חלק אחד ממשפחת מוצרים של קבלי MLCC מדורגי DC בתחום מ-0.2 פיקו-פאראד (pF) עד ‎22 µF ‏ובמארזים מ-0402 עד 8060.

איור 1: ייצוג של ה-Knowles Syfer 2220Y5000564KXT. (מקור תמונה: Knowles‏)

ה-Knowles Syfer 2220Y6300105KETWS2 (איור 2) הוא StackiCap MLCC היכול לאחסן 1‎ µF של מטען חשמלי, עם טולרנס של ±10% ומדורג ל-‎630 V.

איור 2: אילוסטרציה של מארז StackiCap‏ עבור Knowles Sifer 2220Y6300105KETWS2‏ וקבלי MLCC דומים. (מקור תמונה: Knowles‏)

Knowles CDE מציעה מבחר רחב של קבלי הדק-בורג, ‏snap-in והרכבה בלוח סטנדרטיים ומותאמים-במיוחד עבור שימוש ביישומים קריטיים, הנעים מדפיברילטורים ודימות רפואי, עד מערכות מכ"ם וגיבוי אספקת כוח UPS עבור מערכות נתונים גדולות.

ה-477XMPL002MG19R של CDE הוא חלק מסדרת קבלי השבב פולימר XMPL עבור יישומים הדורשים מתח גבוה יותר ו/או קיבוליות גבוהה יותר. עם דירוגי ESR נמוך וזרם אדווה איתן, הם עולים בביצועיהם על אלקטרוליטים להרכבה משטחית בגודל גדול יותר ומספקים חיי רכיב ארוכים יותר, יציבות גדולה יותר בשינויי טמפרטורה ו-ESR נמוך יותר בתדרים גבוהים יותר. ערכי קיבוליות סטנדרטיים של הסדרה נעים כעת מ-‎6.8 µF‏ עד ‎470 µF‏, עם מתח עבודה‏ מקסימלי של 35‎ V_DC במארז‏ יצוק במידות 7.3 מ"מ x‏ 4.3‏ מ"מ x‏ 1.9 מ"מ.

בין מגוון רחב של קבלי פילם, קבלי פילם אקריליים מסוג FCA של CDE, כמו ה-FCA0805C104M-J2 מציעים ערכי קיבוליות גבוהים בגדלים סטנדרטיים של מארזים להרכבה משטחית. סדרה זו מציעה מנעד קיבוליות של ‎0.10 µF עד 1.0‎ µF. כקבלי צימוד במעגלי אודיו, הם יכולים להניב צליל ללא עיוותים וסינון תדר גבוה.

סיכום

קבלים הם רכיבים אלקטרוניים חיוניים, ובחירת הקבל הנכון היא קריטית בתכנון מוצרים. למרבה המזל, Knowles‏ ו-Cornell Dubilier Electronics מספקות גישה למבחר עצום של סוגים נפוצים עם וריאציות מרובות, כמו גם לסוגים מיוחדים המתוכננים עבור יישומים ספציפיים.