ILS | USD

היסודות: הבנת סוגי ומאפייני קבלים כדי להשתמש בהם באופן נכון ובטוח

By Art Pini

Contributed By Digi-Key's North American Editors

קבלים הם התקני אחסון אנרגיה החיוניים למעגלים אלקטרוניים אנלוגיים ודיגיטליים כאחד. הם משמשים בתזמון, עבור יצירת ועיצוב צורות גל, חסימת זרם ישר, צימוד אותות זרם חילופין, סינון והחלקה, וכמובן, אחסון אנרגיה. בשל מגוון השימושים הרחב, התפתח שפע של סוגי קבלים תוך שימוש במגוון של חומרי לוחיות, דיאלקטריים מבודדים וצורות פיזיות. כל אחד מסוגי קבלים אלו מיועד עבור מגוון ספציפי של יישומים. המגוון הרחב של האפשרויות פירושו שלוקח זמן למיין את כולן כדי למצוא את הבחירה האופטימלית עבור התכן מבחינת מאפייני הביצועים, האמינות, אורך החיים, היציבות והעלות.

נדרש ידע על המאפיינים של כל סוג קבלים על מנת להתאים כראוי את הקבל ליישום המעגל המיועד. ידע זה חייב לכסות את המאפיינים החשמליים, הפיזיים והכלכליים של קבלים.

מאמר זה יתאר את סוגי הקבלים השונים, מאפייניהם והקריטריונים העיקריים לבחירתם. דוגמאות מ- Murata Electronics‏, KEMET‏, Cornell Dubilier Electronics‏, Panasonic Electronics Corporation‏ו- AVX Corporation‏ ישמשו לתיאור ההבדלים והתכונות העיקריים.

מה זה קבל?

קבל הוא התקן אלקטרוני המאחסן אנרגיה בשדה חשמלי פנימי. זהו רכיב אלקטרוני פסיבי בסיסי לצד נגדים ומשרנים. כל הקבלים מורכבים באותו מבנה בסיסי, שתי לוחיות מוליכות המופרדות על ידי מבדד, הנקרא דיאלקטרי, הניתן לקיטוב על ידי הפעלת שדה חשמלי (איור 1). הקיבוליות היא ביחס ישר לשטח הלוחית, A, וביחס הפוך למרחק בין הלוחיות, d.

תרשים של קבל בסיסי המורכב משתי לוחיות מוליכות המופרדות על ידי דיאלקטרי לא-מוליךאיור 1: הקבל הבסיסי מורכב משתי לוחיות מוליכות מופרדות על ידי דיאלקטרי לא-מוליך, והוא מאחסן אנרגיה כאזורים מקוטבים בשדה החשמלי שבין שתי הלוחיות. (מקור התמונה: Digi-Key Electronics)

הקבל הראשון היה צנצנת ליידן, שפותח בשנת 1745. הוא מורכב מצנצנת זכוכית עטופה בנייר כסף על המשטחים הפנימיים והחיצוניים ושימש במקור לאחסון מטענים חשמליים סטטיים. בנג'מין פרנקלין השתמש באחד כזה כדי להוכיח שברק הוא חשמל, והפך לאחד היישומים המוקדמים ביותר שנרשמו.

את הקיבוליות של קבל לוחיות מקביליות בסיסי ניתן לחשב באמצעות משוואה 1:

משוואה 1משוואה 1

כאשר:

C היא הקיבוליות בפאראד (Farad)

A הוא שטח כל לוחית במטר מרובע

d‏ הוא המרחק בין הלוחיות במטרים

ε הוא הפרמיטיביות של החומר הדיאלקטרי

ε שווה לפרמיטיביות היחסית של הדיאלקטרי, r‏ε‏, המוכפלת בפרמיטיביות של ואקום, 0‏ε‏. הפרמיטיביות היחסית, r‏ε‏, נקראת לעתים הקבוע הדיאלקטרי, k‏.

על סמך משוואה 1, הקיבוליות היא ביחס ישר לקבוע הדיאלקטרי ולשטח כל לוחית, וביחס הפוך למרחק בין הלוחיות. כדי להגדיל את הקיבוליות, ניתן להגדיל את שטח הלוחיות ולהקטין את המרחק בין הלוחיות. מאחר והפרמיטיביות היחסית של ואקום היא 1, ולכל הדיאלקטרים יש פרמיטיביות יחסית הגדולה מ -1, הכנסת דיאלקטרי גם תגדיל את הקיבוליות של הקבל. הקבלים נקראים בדרך כלל לפי סוג החומר הדיאלקטרי בו משתמשים (טבלה 1).

טבלה של התכונות של סוגי קבלים נפוציםטבלה 1: התכונות של סוגי קבלים נפוצים, מסווגות לפי חומר הדיאלקטרי. (מקור הטבלה: Digi-Key Electronics)

כמה הערות על ערכי העמודות:

  • הפרמיטיביות היחסית או הקבוע הדיאלקטרי של קבל משפיעים על הערך המקסימלי של הקיבוליות שניתן להשיג עבור שטח לוחית ועובי דיאלקטרי נתונים.
  • חוזק הדיאלקטרי הוא דירוג של התנגדות הדיאלקטרי למתח הפריצה כפונקציה של העובי שלו.
  • העובי הדיאלקטרי המינימלי שניתן להשיג משפיע על הקיבוליות המקסימלית שניתן לממש, כמו גם על מתח הפריצה של הקבל.

מבנה הקבל

הקבלים זמינים במגוון של תצורות הרכבה פיזיות, כולל הרכבה אקסיאלית, רדיאלית ומשטחית (איור 2).

תרשים של סוגי תצורות קבלים, כולל הרכבה אקסיאלית, רדיאלית ומשטחיתאיור 2: תרשים של סוגי הרכבות קבלים, כולל הרכבה אקסיאלית, רדיאלית ומשטחית. הרכבה משטחית משמשת כיום באופן נרחב ביותר. (מקור התמונה: Digi-Key Electronics)

המבנה האקסיאלי מבוסס על שכבות של רדיד מתכת ודיאלקטרי לסירוגין, או דיאלקטרי מצופה מתכת משני הצדדים המגולגל לצורה גלילית. החיבורים ללוחיות המוליכות יכולים להיות באמצעות לשונית נתחבת או כיפת קצה מוליכה עגולה.

הסוג הרדיאלי מורכב בדרך כלל משכבות מתכת ודיאלקטרי לסירוגין. שכבות המתכת מגושרות בקצוות. תצורות רדיאליות ואקסיאליות מיועדות עבור הרכבת חור-עובר.

קבלים בהרכבה משטחית משתמשים גם כן בשכבות מוליכות ודיאלקטרי לסירוגין. שכבות המתכת בכל קצה מגושרות על ידי כיפת הלחמה עבור הרכבה משטחית.

מודל מעגל קבל

מודל המעגל עבור קבל כולל את כל שלושת האלמנטים הפסיביים של מעגלים (איור 3).

תרשים של מודל המעגל הכולל אלמנטים קיבוליים, השראתיים והתנגדותייםאיור 3: מודל המעגל עבור קבל הכולל אלמנטים קיבוליים, השראתיים והתנגדותיים. (מקור התמונה: Digi-Key Electronics)

מודל המעגל של קבל מורכב מאלמנט התנגדותי טורי המייצג את ההתנגדות האוהמית של האלמנטים המוליכים לצד התנגדות הדיאלקטרי. זה נקרא התנגדות טורית אפקטיבית, או אקוויוולנטית (ESR).

השפעות הדיאלקטרי מתרחשות כאשר מפעילים אותות AC על הקבל. מתחי AC גורמים לשינוי הקוטביות של הדיאלקטרי בכל מחזור, שינוי הגורם לחימום פנימי. חימום הדיאלקטרי הוא פונקציה של החומר והוא נמדד כגורם הפיזור של הדיאלקטרי. גורם הפיזור (DF‏) הוא פונקציה של קיבוליות הקבל ושל ה- ESR, וניתן לחשב אותו באמצעות משוואה 2:

משוואה 2 משוואה 2

כאשר:

C‏X‏ הוא הראקטנס הקיבולי באום (Ω)

ESR היא ההתנגדות הטורית האקוויוולנטית (ב- Ω)

גורם הפיזור תלוי בתדר עקב הראקטנס הקיבולי והוא חסר-יחידות ומבוטא לעיתים באחוזים. גורם פיזור נמוך יותר משמעותו היא פחות חימום ולכן הפסדים נמוכים יותר.

יש גם אלמנט אינדוקטיבי טורי, הנקרא השראות טורית אפקטיבית, או אקוויוולנטית (ESL). הוא מייצג את ההשראות דרך המוליכים ומסלול ההולכה. ההשראות הטורית והקיבוליות יוצרים את התהודה הטורית. מתחת לתדר התהודה הטורית, ההתקן מציג בעיקר התנהגות קיבולית, ומעל לתדר הוא יהיה השראתי יותר. השראות טורית זו עשויה להיות בעייתית ביישומים רבים בתדר גבוה. הספקים מקטינים למינימום את ההשראות על ידי שימוש במבנה שכבתי הנראה בתצורות הרכיב הרדיאליות והמשטחיות.

ההתנגדות המקבילית מייצגת את התנגדות הבידוד של הדיאלקטרי. הערכים של רכיבי המודל השונים תלויים בתצורת הקבלים ובחומרים שנבחרו לבנייתו.

קבלים קרמיים

קבלים אלו משתמשים בדיאלקטרי קרמי. ישנן שתי קטגוריות של קבלים קרמיים, Class 1 ו- Class 2. קבלי Class 1 מבוססים על קרמיקה Para-חשמלית כגון טיטניום דו-חמצני. לקבלים קרמיים בקטגוריה זו יש רמה גבוהה של יציבות, מקדם טמפרטורה של הקיבוליות טוב והפסדים נמוכים. הודות לדיוק האינהרנטי שלהם, הם משמשים במתנדים, מסננים ויישומי RF אחרים.

הקבלים הקרמיים Class 2 משתמשים בדיאלקטרי קרמי המבוסס על חומרים Ferro-חשמליים כגון באריום טיטאנאט. עקב הקבוע הדיאלקטרי הגבוה של חומרים אלו, קבלים קרמיים Class 2 מציעים קיבוליות גבוהה יותר ליחידת נפח אך יש להם דיוק ויציבות נמוכים יותר לעומת קבלי Class 1. הם משמשים ליישומי מעקף וצימוד כאשר הערך המוחלט של הקיבוליות אינו קריטי.

ה- GCM1885C2A101JA16 מבית Murata Electronics הוא דוגמה לקבל קרמי (איור 4). לקבל 100 פיקו-פאראד (pF‏) Class 1 יש טולרנס של %‏5‏, דירוג של 100 וולט ומגיע בתצורת הרכבה משטחית. קבל זה מיועד לשימוש בכלי-רכב והוא עם דירוג טמפרטורה של C‏°‏55- עד C‏°‏125+.

תמונה של קבל קרמי להרכבה משטחית Class 1‏ pF‏ 100‏ GCM1885C2A101JA16 מבית Murataאיור 4: לקבל הקרמי להרכבה משטחית Class 1‏ pF‏ 100‏ GCM1885C2A101JA16 יש טולרנס של 5% ודירוג של 100 וולט. (מקור התמונה: Murata Electronics)

קבלי פילם

קבלי פילם משתמשים בפילם פלסטיק דק כדיאלקטרי. ניתן לממש לוחיות מוליכות או כשכבות רדיד או כשתי שכבות דקות של ציפוי מתכת, אחת על כל צד של פילם הפלסטיק. הפלסטיק המשמש עבור הדיאלקטרי קובע את תכונות הקבלים. קבלי פילם מגיעים בצורות רבות:

פוליפרופילן (PP): יש להם טולרנס ויציבות טובים במיוחד, דירוגים נמוכים של ESR ו- ESL ומתח פריצה גבוה. עקב מגבלות הטמפרטורה של הדיאלקטרי הם זמינים רק כהתקנים עם מוליכים. קבלי PP משמשים ביישומים במעגלים בהם יש צורך בהספק גבוה או במתח גבוה, כגון ספקי-כוח ממותגים, מעגלי משנק (Ballast), מעגלי פריקה בתדר גבוה, ובמערכות אודיו שבהן ה- ESR וה- ESL הנמוך שלהם נדרשים למטרות תקינות האותות.

פוליאתילן טרפטלט (PET): נקראים גם קבל פוליאסטר או מיילר, קבלים אלה הם עם הנצילות הנפחית הטובה ביותר מבין קבלי הפילם הודות לקבוע הדיאלקטרי הגבוה שלהם. כללית הם מיושמים כהתקני מוליכים רדיאליים. הם משמשים ליישומים קיבוליים למטרות כלליות.

פוליפנילן סולפיד (PPS): קבלים אלה מיוצרים רק כהתקני פילם מצופה מתכת. יש להם יציבות טמפרטורה טובה במיוחד ולכן מיושמים במעגלים הדורשים יציבות תדר טובה.

דוגמה לקבל פילם PPS הוא ה- ECH-U1H101JX5 מבית Panasonic Electronics Corporation. להתקן pF‏ 100‏ יש טולרנס של 5%, הוא בדירוג 50 וולט, ומגיע בתצורה הרכבה משטחית. יש לו תחום טמפרטורות פעולה של C‏°‏55- עד 125°C+ והוא מיועד עבור יישומי אלקטרוניקה כלליים.

פוליאתילן נפטאלאט (PEN): בדומה לקבלי PPS, הם זמינים רק בתכן פילם מצופה מתכת. יש להם טולרנס טמפרטורה גבוה והם זמינים בתצורת הרכבה משטחית. היישומים מתמקדים באלה הדורשים ביצועי טמפרטורה גבוהה ומתח גבוה.

קבלי פולי-טטרא-פלואורואתילן (PTFE) או טפלון בולטים בטולרנסי הטמפרטורה הגבוהה והמתח הגבוה שלהם. הם מיוצרים במבנה הן רדיד והן ציפוי מתכת. קבלי PTFE משמשים לרוב ביישומים הדורשים חשיפה לטמפרטורה גבוהה.

קבלים אלקטרוליטיים

קבלים אלקטרוליטיים בולטים בערכי הקיבוליות הגבוהה ובנצילות הנפחית הגבוהה שלהם. אלו מושגים הודות לשימוש באלקטרוליט נוזלי כאחת מהלוחיות שלו. קבלי אלקטרוליט אלומיניום כוללים ארבע שכבות נפרדות: קתודת רדיד אלומיניום; מפריד נייר ספוג-באלקטרוליט; אנודת אלומיניום שטופלה כימית ליצירת שכבת תחמוצת אלומיניום דקה ביותר; ולבסוף, מפריד נייר נוסף. מכלול זה מגולגל ואז מונח בפחית מתכתית אטומה.

קבלים אלקטרוליטיים הם התקנים מקוטבים לזרם ישר (DC), כשהמשמעות היא שקוטביות המתח המופעל חייבת להיות בהתאם להדקים החיוביים והשליליים המצוינים. חיבור לא-נכון של הקבל האלקטרוליטי עלול לגרום לתקלת התפוצצות, אם כי במארזים יש דיאפרגמות לשחרור לחץ כדי להכיל את התגובה ולהקטין למינימום את הפוטנציאל לנזק.

היתרונות העיקריים של קבלים אלקטרוליטיים הם ערכי קיבוליות גבוהים, גודל קטן ועלות נמוכה יחסית. לערכי הקיבוליות יש תחום טולרנסים רחב וזרמי זליגה גבוהים יחסית. היישומים הנפוצים ביותר עבור קבלים אלקטרוליטיים הם כקבלי סינון בספקי-כוח לינאריים וממותגים כאחד (איור 5).

תמונה של דוגמאות לקבלים אלקטרוליטיים של µF‏ 10‏איור 5: דוגמאות של קבלים אלקטרוליטיים; לכולם יש קיבוליות של 10 מיקרו-פאראד (µF). (מקור התמונה: Kemet ו- .AVX Corp)

בהתייחס לאיור 5, משמאל לימין, ה- ESK106M063AC3FA מבית KEMET הוא קבל אלקטרוליט אלומיניום עם מוליכים רדיאליים µF‏ 10‏, %‏20‏, 63 וולט. ניתן להפעיל אותו בטמפרטורות של עד 85°C ויש לו אורך חיי פעולה של 2,000 שעות. הוא מיועד עבור יישומים אלקטרוליטיים לשימוש כללי, כולל פעולות סינון, ביטול-צימוד ומעקפים.

חלופה לקבלי אלקטרוליט אלומיניום הם קבלי פולימר אלומיניום שבהם מחליפים את האלקטרוליט הנוזלי באלקטרוליט פולימר מוצק. לקבלי פולימר אלומיניום יש ESR נמוך יותר לעומת קבלי אלקטרוליט אלומיניום ואורך חיי פעולה ארוך יותר. כמו כל הקבלים האלקטרוליטיים, גם הם מקוטבים ומשמשים ביישומי ספקי-כוח כקבלי סינון וביטול-צימוד.

ה- A758BG106M1EDAE070 מבית KEMET הוא קבל פולימר אלומיניום µF‏ 10‏, 25 וולט עם מוליכים רדיאליים עם אורך חיים ארוך יותר ויציבות גדולה יותר בתחום רחב של טמפרטורות. הוא מיועד עבור יישומים תעשייתיים ומסחריים כגון מטענים לטלפונים ניידים ולאלקטרוניקה רפואית.

קבלי טנטלום הם צורה נוספת של קבלים אלקטרוליטיים. במקרה זה, יוצרים בתהליך כימי שכבה של תחמוצת טנטלום על רדיד טנטלום. הנצילות הנפחית שלהם טובה יותר לעומת אלקטרוליט אלומיניום אך רמות המתח המקסימלי הם בדרך כלל נמוכות יותר. לקבלי טנטלום יש ESR נמוך יותר וטולרנס טמפרטורה גבוה יותר לעומת קבלי אלקטרוליט אלומיניום, כשהמשמעות היא שהם יכולים לעמוד טוב יותר בתהליך ההלחמה.

ה- T350E106K016AT מבית KEMET הוא קבל טנטלום µF‏ 10‏, %‏10‏, 16 וולט עם מוליכים רדיאליים. הוא מציע את היתרונות של גודל קטן, זליגה נמוכה וגורם פיזור נמוך, והוא משמש עבור ישומי סינון, מעקף, צימוד AC ותזמון.

סוג הקבל האלקטרוליטי האחרון הוא אלקטרוליט תחמוצת ניוביום. פותחו בזמן של מחסור עולמי בטנטלום, בקבלי אלקטרוליט ניוביום מחליפים את הטנטלום עם ניוביום ופנטוקסיד ניוביום כאלקטרוליט. הודות לקבוע הדיאלקטרי הגבוה יותר שלו, הוא מציע גודל מארז קטן יותר ליחידת קיבוליות.

דוגמה לקבל אלקטרוליט תחמוצת ניוביום הוא ה- NOJB106M010RWJ מבית .AVX Corp. זהו קבל µF‏ 10‏, %‏20‏, 10 וולט בתצורת הרכבה משטחית. בדומה לקבלי אלקטרוליט טנטלום, הוא משמש עבור יישומי סינון, מעקפים וצימוד AC.

קבלי מיקה (Mica)

קבלי מיקה (בעיקר מיקה כסף) מתאפיינים בטולרנס קיבוליות צר (%‏1‏±), מקדם טמפרטורה של הקיבוליות נמוך (ppm/°C‏ 50‏ טיפוסי), גורם פיזור נמוך ביותר, ושינויי קיבוליות נמוכים עם המתח המיושם. הטולרנס הצר והיציבות הגבוהה הופכים אותם למתאימים עבור מעגלי RF. דיאלקטרי המיקה מצופה כסף על שני הצדדים כדי לספק משטחים מוליכים. מיקה הוא מינרל יציב שאינו מתקשר עם המזהמים האלקטרוניים הנפוצים ביותר.

ה- MC12FD101J-F מבית Cornell Dubilier Electronics הוא קבל מיקה pF‏ 100‏, %‏5‏, 500 וולט בתצורת הרכבה משטחית (איור 6). הוא משמש ביישומי RF כגון MRI, התקני רדיו ניידים, מגברי הספק ומתנדים. הם מדורגים לפעולה בטמפרטורות בתחום של C‏°‏55- עד 125°C.

תמונה של קבל מיקה להרכבה משטחית MC12FD101J-F מבית Cornell Dubilier Electronicsאיור 6: ה- MC12FD101J-F מבית Cornell Dubilier Electronics הוא קבל מיקה להרכבה משטחית המיועד עבור יישומי RF. (מקור התמונה: Cornell Dubilier Electronics)

סיכום

קבלים הם רכיבים חיוניים בתכנון אלקטרוניקה. במהלך השנים פותח מגוון רחב של סוגי התקנים עם מאפיינים שונים ההופכים כמה טכנולוגיות קבלים למתאימות במיוחד עבור יישומים ספציפיים. עבור המתכננים, רכישת ידע עבודה טוב על הסוגים, התצורות והמפרטים השונים הוא מאמץ משתלם כדי להבטיח את הבחירה האופטימלית עבור יישום נתון.

מיאון אחריות: דעות, אמונות ונקודות מבט המובעות על ידי מחברים שונים ו/או משתתפי פורום באתר אינטרנט זה לא בהכרח משקפות את הדעות, האמונות ונקודות המבט של חברת Digi-Key Electronics או את המדיניות הרשמית של חברת Digi-Key Electronics.

אודות כותב זה

Art Pini

Arthur (Art) Pini is a contributing author at Digi-Key Electronics. He has a Bachelor of Electrical Engineering degree from City College of New York and a Master of Electrical Engineering degree from the City University of New York. He has over 50 years experience in electronics and has worked in key engineering and marketing roles at Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek, and Nicolet Scientific. He has interests in measurement technology and extensive experience with oscilloscopes, spectrum analyzers, arbitrary waveform generators, digitizers, and power meters.

אודות מוציא לאור זה

Digi-Key's North American Editors