המתכננים צריכים להבין את הסיבה וההשפעה של VCR‏ וכיצד למתן אותן

מתכננים רבים אינם מודעים לכך שלנגדים יש מקדם מתח של ההתנגדות (VCR) וכן מקדם טמפרטורה של ההתנגדות (TCR). זה מובן משום שביישומי מתח נמוך והתנגדות נמוכה, השפעות המתח הן מינוריות והן מוסתרות היטב על ידי השפעות הטמפרטורה. עם זאת, במעגלים המשתמשים בהתנגדויות גבוהות ו/או מתחים גבוהים (HV), שונות ההתנגדות עם המתח יכולה להוות בעיה גדולה. מעגלים אלה משמשים ביישומים כגון ספקי-כוח HV, מגברי טרנס-אימפדנס (TIAs), תאורת HV LED‏ ומערכות תקשורת בפולסים. מתכנני מעגלים כאלה צריכים להבין את הסיבה וההשפעה של VCR‏ וכיצד למתן אותם.

מאמר זה מעניק סקירה כללית של ה-VCR והשפעתו על תכן המעגלים. לאחר מכן הוא משתמש בדוגמאות של נגדים עם VCR נמוך שלStackpole‏ כדי להמחיש כיצד לבחור וליישם התקנים כאלה כדי למזער את השפעות ה-VCR לתמיכה בפעולה מדויקת ואמינה של מעגלים קריטיים.

מה זה VCR‏?

ניתן להגדיר את ה-VCR של נגד כשינוי בערך ההתנגדות ביחס למתח המופעל. הוא נמדד בדרך כלל ביחידות של חלקים למיליון לווולט (ppm/V‏) וניתן לחשב אותו באמצעות המשוואה:

כאשר:

R₁ הוא ערך ההתנגדות, באוהם (Ω), במתח ייחוס (V₁)

R₂ הוא ערך ההתנגדות, ב-Ω, במתח הבדיקה (V₂)

V₁ הוא מתח הייחוס

V₂ הוא מתח הבדיקה

ה-VCR‏ יכול להיות חיובי או שלילי. VCR חיובי מציין שההתנגדות תגדל עם עליית המתח על פני הנגד, בעוד ש-VCR שלילי מציין שההתנגדות תפחת.

נגדי שבב HV טיפוסיים עם VCR‏ של ppm‏ 200‏ עד ppm‏ 300‏ יציגו שינוי של 20% עד 30% בהתנגדות עבור שינוי במתח המיושם של 1,000 וולט. בחירת נגד עם VCR של ppm‏ 25‏ עד ppm‏ 50‏ מפחיתה את השינוי בהתנגדות ל-%‏2.5 עד 5% עבור אותו שינוי של 1,000 וולט.

שיטת הבדיקה הסטנדרטית למדידת ה-VCR‏ היא בהתאם לשיטה 309 של MIL-STD-202G‏. תקן זה קובע שיטות אחידות לבדיקת רכיבים אלקטרוניים, תוך ציון מתח בדיקה סטנדרטי השווה למתח העבודה המקסימלי שבמפרט, ורמת מתח ייחוס של 10% ממתח העבודה המקסימלי.

כיצד למזער את ה-VCR‏

ניתן למזער את ה-VCR‏ באמצעות תכן ובחירת חומרים מתאימים. כאן ישנה פשרה הנדסית הנדרשת בבחירת חומרים התנגדותיים מכיוון שחומרים התנגדותיים בעלי VCR נמוך יכולים לשפר את ה-VCR אך גם להגדיל את ה-TCR, תוך הפחתת יציבות הטמפרטורה. בחירת דיו עם התנגדות נמוכה יותר תשפר גם את רמת ה-VCR אך תגביל את ההתנגדות המקסימלית האפשרית. בחירה קפדנית של סוג הדיו ההתנגדותי ושיטת היישום יכולה למטב את ה-VCR‏.

חיתוך לייזר יכול גם כן להשפיע על ה-VCR‏. נגדים אשר לא יוצרו בתהליך מדויק מניבים בדרך כלל ערכי התנגדות בתחום של %‏5 עד 20% מהערך המיועד. עיבוד עם לייזר משמש להתאמת ערכי ההתנגדות עבור טולרנס קטן יותר, למשל, בתוך 1%. תהליך עיבוד עם לייזר יכול לפגוע ב-VCR‏ עקב יצירת סדקים קטנים הגורמים לשינויים מקומיים שלא במתכוון של האימפדנס, אשר מגדילים את ה -VCR‏ (איור 1).

איור 1: ההשפעות הפיזיקליות של נגדי שבב פילם-עבה בעיבוד עם לייזר עלולות לפגוע ב-VCR‏. (מקור התמונה: .Stackpole Electronics Inc)

מזעור השימוש בעיבוד עם לייזר מפחית את ההשפעות הללו, וכך גם בחירת גיאומטריית העיבוד עם לייזר וגודל המארז. ככלל, מארזים גדולים יותר מציעים VCR‏ מופחת.

יישומים עבור נגדים עם VCR נמוך

נגדי שבב בעלי התנגדות VCR נמוכה משמשים בתאורת LED, התקנים רפואיים, ציוד אודיו-ויזואלי ומערכות תקשורת הדורשות מתח גבוה ו/או ערכי התנגדות גבוהים. דוגמה טובה למעגל כזה הוא TIA (איור 2). מגבר זה מקבל כניסת זרם ומוציא מתח פרופורציונלי.

איור 2: TIA ממיר כניסת זרם ליציאת מתח שהיא פרופורציונלית לערך נגד המשוב. (מקור התמונה: Art Pini‏)

מתח היציאה של ה-TIA שווה למכפלה של זרם הכניסה ונגד המשוב, _f‏R‏.

שימוש נפוץ ב-TIA הוא לממשק עם פוטו-דיודות, מדי תאוצה, שפופרות מכפילים וחיישנים דומים שבהם תגובת הזרם של החיישן היא ליניארית יותר מתגובת המתח שלו. באופן כללי, יישומים אלה דורשים הגבר גבוה, מה שאומר בתורו נגד משוב בעל ערך גבוה. מכיוון שקצה הכניסה של הנגד מוחזק על ההארקה, הנגד רואה את התחום-המלא של היציאה. במקרים רבים, אות הכניסה עשוי להיות פולס, כמו בבדיקת הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) או זעזועים מכניים, וכתוצאה מכך יתעוררו תנודות מתח גדולות על פני הנגד.

שינוי בערך הנגד הקשור למתח על פני הנגד יגרום למודולציית הגבר המגבר. מודולציה זו מוסיף איבר בריבוע למתח היציאה. האיבר בריבוע מגדיל את האיברים ההרמוניים השניים ואברים זוגיים אחרים ביציאה, מה שגורם לבעיות ליניאריות ועיוותים הרמוניים. גודל השינוי בהתנגדות לא חייב להיות גדול כדי לייצר רמות עיוותים משמעותיות.

יישום נוסף בו נעשה שימוש בנגדים בעלי VCR נמוך הוא במחלקי מתח (איור 3), המשמשים להפחתת רמת מתח.

איור 3: נגדים עם VCR נמוך משמשים במעגלים של מחלקי מתח; אלה מפחיתים את רמת המתח של האות ומשמשים בדרך כלל להזנת מתח גבוה להתקן עם דירוג מתח כניסה נמוך יותר. (מקור התמונה: Art Pini‏)

מחלק המתח משמש עבור יישומים כגון חישת היציאה של ספק כוח HV והזנתו בחזרה לבקר הספקת-הכוח. ניתן להשתמש בו גם כמנחת כדי להפחית אות HV, כגון פולס EMI או מכת ברק, לרמה בטוחה עבור מכשיר מדידה.

כמעט בכל היישומים, לנגד העליון, _1‏R‏, ערך גבוה בהרבה מזה של הנגד התחתון, _2‏R‏, ועליו יש מתח גבוה יותר. נדרש נגד VCR נמוך עבור יישומים שבהם אות הכניסה משתנה, כמו במדידת פולסי EMI. ה-VCR‏ גורם לניחות של יציאת המחלק להשתנות עם רמת מתח הכניסה, מה שגורם לשגיאה בניחות.

בהנחה שהכניסה היא פולס EMI‏ של סינוס עם שיא משוכך של 1,000 וולט, אם R2 הוא Ω‏ 1,000‏, R1‏ הוא 1 מגה-אוהם (MΩ), והם נגדים אידיאליים, היציאה היא סינוס משוכך עם אמפליטודת שיא של 0.999 וולט. עם זאת, אם ל-R1 יש VCR של ppm‏ 200‏, אזי עם מתח כניסה של 1,000 וולט, ההתנגדות תפחת ב-200 קילו-אוהם (kΩ). הניחות של מחלק המתח יופחת, ואמפליטודת השיא של היציאה תהיה 1.25 וולט. ככל שמתח הכניסה משתנה, הניחות המשתנה יעוות את צורת הגל של היציאה.

כאשר מתמודדים עם ערכי נגדים גבוהים ומתחים גבוהים, חיוני לקחת בחשבון את ה-VCR‏.

דוגמאות לנגדי שבב HV עם VCR נמוך

סדרת RVCU‏ של Stackpole של נגדי שבב HV‏ עם VCR‏ נמוך מעניקה יציבות מתח יוצאת-דופן בתחומי מתח של 800 וולט עד 3,000 וולט, בתלות בגודל המארז. הסדרה מציעה נגדים עם טולרנסי התנגדות של 0.5% עד 5% בתחום של kΩ‏ 75‏ עד MΩ‏ 30‏. לכולם יש VCR של V‏/ppm‏ 25‏± עבור ערכי נגד מתחת ל-MΩ‏ 3‏ ו-V‏/ppm‏ 50‏ עבור ערכים הגדולים מ-MΩ‏ 3‏ עד MΩ‏ 30‏. ה-TCR זהה בכל המארזים - ppm/°C‏ 100‏ הם תואמי AEC-Q200 עבור יישומי רכב, וכמו כן נבדקו נגד גופרית לפי ASTM-B-809.

משפחת RVCU מכילה נגדים במארזי הרכבה משטחית של 1206 (3216 מטרי), 2010 (5025 מטרי) ו-2512 (6332 מטרי) (איור 4).

איור 4: מוצגות קריאות המידות המכניות של סדרת RVCU של נגדי שבב להרכבה משטחית. (מקור התמונה: .Stackpole Electronics Inc)

מספר דגם המארז מקודד את מידות האורך והרוחב. שני המספרים הראשונים מייצגים את אורך המארז, שני האחרונים מייצגים את הרוחב. המידות האמריקאיות הן במאיות האינץ' (in.), בערך השלם הקרוב ביותר. המידות המטריות הן בעשיריות המילימטר (מ"מ). לכל שלושת המארזים גובה סטנדרטי של 0.022 אינץ'. (0.55 מ"מ). מפרט מתח העבודה המקסימלי משתנה בהתאם לגודל המארז.

לדוגמה, ה-RVCU1206FT1M00‏ של Stackpole הוא נגד פילם-עבה של 0.33 וואט, 1 מגה-אוהם, 1% במארז 1206 להרכבה משטחית. יש לו מתח עבודה מקסימלי של 800 וולט עם גבול מתח עומס-יתר מקסימלי של 1,000 וולט.

עבור רמות הספק מעט גבוהות יותר, ה-RVCU2010FT1M00‏ הוא נגד פילם-עבה של 0.5 וואט ו-1 מגה-אוהם במארז להרכבה משטחית 2010. לנגד זה יש טולרנס של 1%, מתח עבודה מקסימלי של 2,000 וולט ודירוג עומס-יתר מקסימלי של 3,000 וולט.

ה-RVCU2512FT1M00 של Stackpole‏ הוא נגד שבב פילם-עבה של MΩ‏ 1‏, %‏1‏± עם דירוג הספק של W‏ 1‏.

הוא מגיע במארז 2512 להרכבה משטחית. מתח העבודה של התקן זה גבוה יותר מזה של ה-RVCU2010FT1M00 ב-3,000 וולט, עם דירוג מתח עומס-יתר של 4,000 וולט.

סיכום

מעגלים בעלי התנגדות גבוהה ו-HV זקוקים לנגדים עם VCR נמוך לצורך דיוק ויציבות. נגדי שבב סדרת RVCU של Stackpole מעניקים VCR נמוך של V‏/ppm‏ 25‏ עד V‏/ppm‏ 50‏ ומתוכננים להציע יציבות יוצאת-דופן במתחים מ-800 וולט עד 3,000 וולט.