הקטינו את גודל הלוח וקצרו את זמן היציאה לשוק באמצעות קבלים אולטרה-דקים מתוצרת אמריקאית עם קיבולת גבוהה

מהנדסי תכנון חומרה מחפשים תמיד הזדמנויות להפחתת העלות, גודל ומשקל הרכיבים, תוך עמידה או עלייה על יעדי הרכיבים והמערכת עבור נצילות ואמינות. אחד הרכיבים הנפוצים והקריטיים ביותר לאופטימיזציה הם קבלים המותקנים על לוחות PCB עקב השימוש הנרחב והנפוץ שלהם. האמינות חייבת להיות שיקול גם בבחירת קבל בגלל רגישותו לזליגה וירידה בקיבולת לאורך זמן כאשר הוא נתון תחת טמפרטורה קיצונית. דגרדציה זו עלולה לגרום לתקלות לסירוגין במעגלים ולפגיעה בנצילות ובאמינות המערכת.

בעוד שספקי הקבלים ממשיכים לשפר את התכנים כדי להגדיל את צפיפות האנרגיה האמינות ולהפחית את המשקל, ייתכן שהחלק האופטימלי עבור יישום לא יהיה זמין עקב זמני אספקה ארוכים הנגרמים מבעיות בשרשרת האספקה.

מאמר זה דן בתפקידם של קבלי סינון ואחסון אנרגיה. הוא מראה כיצד קבל יחיד יכול להחליף סוגים אחרים של קבלים, כגון מערך של קבלים בהרכבה-משטחית, וכתוצאה מכך פחות רכיבי לוח וחיברורי מעגלים תוך שיפור אמינות המעגל הכוללת. לאורך המאמר יוצגו קבלים אלקטרוליטיים מאלומיניום בעלי אמינות גבוהה מבית Cornell Dubilier Electronics שלהם יש את היתרונות הכפולים של פרופיל דק וצפיפות אנרגיה גבוהה ביותר. מכיוון שהקבלים מיוצרים בארה"ב וזמינים למשלוח מהיר למתקני ייצור בצפון אמריקה, הקבלים עשויים גם להעניק אפשרות לזמני אספקה קצרים יותר.

האמינות של קבלים המורכבים על לוח

אורך החיים של קבל אלקטרוליטי נקבע על פי קצב הדגרדציה האלקטרוכימית של המבנה הפנימי שלו לאורך זמן. מכיוון שדגרדציה זו ניתנת לחיזוי בתנאי פעולה טיפוסיים, היצרן יכול לחשב בקלות את משך החיים הפונקציונלי של הקבלים. האמינות של הקבלים היא מדד למידת התאמת אורך חייהם בפועל של הקבלים לאורך חייהם החזוי לנוכח השוני במבנה או בחשיפה לתנאים קיצוניים.

בעוד שאורך החיים של קבלים גדולים וקטנים הוא בערך זהה, קבלים קטנים יותר הם אמינים יותר מכיוון שיש פחות שטח פנים בין משטחי האנודה והקתודה. ככל שהקבל גדול יותר, האמינות הגבוהה יותר היא גורם בבחירתו, כמו גם הזמינות. נכון לזמן כתיבת מאמר זה, קיימות בעיות בשרשרת האספקה של רכיבים אלקטרוניים, כולל עיכובים במשלוחים בינלאומיים רבים. מסיבה זו, זמינות וזמן האספקה הפכו לקריטריונים קריטיים לבחירת רכיבים אלקטרוניים.

קבלים אינם כפופים לאופטימיזציות הגודל המשותפות למוליכים-למחצה רבים, בכך שלא ניתן להקטין את גודלו של קבל על ידי כיווץ לגיאומטריית תהליך קטנה יותר. בשל הפיזיקה של תכן הקבלים, ככל שדירוג הקבלים בפאראד (F) גדול יותר, כך שטח הפנים בין האנודה לקתודה גדול יותר, ומכאן שגודלו הפיזי גדול יותר. קבלים בהרכבה אנכית, הנקראים גם שבבי V, הם אפשרויות מארז פופולריות לחיסכון בשטח על הלוח, כאשר הפתרון הוא פרופיל לוח גבוה יותר ופחות Clearance‏ שיכול להשפיע על אפשרויות המארז של רכיבים סמוכים.

גם מיקום ההרכבה של קבל אלקטרוליט אלומיניום גדול יכול להשפיע על האמינות. קבלים גדולים יכולים להתחמם ולדרוש זרימת אוויר או אפילו צלעות-קירור בתנאים מסוימים. מתח ה-DC המופעל, זרם האדווה וקיצוניות טמפרטורת הסביבה מקצרים את חיי הפעולה שלו עקב סחיפה פרמטרית. בדרך כלל, ההתנגדות הטורית האפקטיבית (ESR) של קבל היא הפרמטר הראשון החורג ממפרטי גיליון הנתונים. ככל שה-ESR עולה, הקבל יתחמם בהדרגה. בסופו של דבר הוא כושל כאשר הוא מתחמם עד כדי כך שהמבנה הפנימי שלו מתקלקל ומקצר למעשה את האנודה והקתודה. במקרים נדירים מאוד, החום מייבש את הקבל והוא הופך למעגל פתוח.

הדגרדציה של קבלים במערכת יכולה להופיע תחילה ככשלים אקראיים, אשר הופכים במהירות לכשל מערכת כאשר הקבל מתקצר. בעיה זו מוגברת עבור מערכים של קבלים המחוברים בטור או במקביל; אם קבל אחד כושל, המערך כולו כושל. מערכי קבלים מפחיתים את אמינות המערכת מכיוון ששיעור הכשל של המערך הוא שיעור הכשל של קבל אחד כפול מספר הקבלים במערך. מסיבה זו, מערכי קבלים אינם רצויים בתכנים עם אמינות גבוהה לטובת קבל אחד גדול.

קבלים עם אמינות גבוהה וצפיפות גבוהה

עבור יישומים מוגבלי מקום ועם אמינות גבוהה, Cornell Dubilier מספקת את קבלי אלקטרוליט אלומיניום THA ו- THAS Thinpack. מתוכננים עבור צפיפות אנרגיה גבוהה מאוד עם מארז דק בפרופיל נמוך, לקבלים יש מארז מרותך בלייזר העוטף את הקבל האלקטרוליטי כדי למנוע זליגות. ריתוך לייזר זה מבטל את הצורך באטמי קצה גדולים הנמצאים בשימוש נרחב לאיטום הקצוות של רוב הקבלים האלקטרוליטיים. שסתום במארז מאפשר הוצאת גז, תוך שחרור לחץ פנימי המפחית נפיחות. עובי קו ה- THA הוא 8.2 מילימטר (מ"מ) ועובי קו ה- THAS הוא 9 מילימטר (מ"מ). תכן הקבלים THA ו-THAS מבטיח 5,000 שעות פעולה ב-85°C ו-105°C, בהתאמה. יש להם צפיפות אנרגיה של 0.9 ג'אול לסנטימטר מעוקב (^3‏J/cm‏).

עבור יישומי סינון ובקרת מנועים רבים, המתכננים יכולים להשתמש בקבל מסדרת THAS‏ THAS131M450AD0C של 130 מיקרו-פאראד (µF‏) (איור 1). אורכו של הקבל הוא 66.5 מ"מ ורוחבו 25.4 מ"מ בלבד. כאמור, הקבלים מסדרת THAS הם בעובי של 9 מ"מ בלבד, כך שהם מאפשרים פרופיל לוח PCB נמוך ביותר. מדורגת ל-450 וולט, הסדרה מתאימה ליישומי בקרת מנועים וספקי כוח קומפקטיים. מכיוון שהסדרה היא כה דקה, היא מתאימה גם למחשבים ניידים או מוצרי אלקטרוניקה דומים בפרופיל נמוך שבהם מרווח הגובה עבור הרכיבים הוא מוגבל ביותר. ניתן להרכיב את הקבל בצורה אנכית על לוח PCB‏ כדי לחסוך במקום, בהשוואה לקבלים דומים.

איור 1: הקבל THAS131M450AD0C 130 µF מדורג ל-450 וולט ועוביו רק 9 מ"מ, ההופך אותו למתאים עבור יישומי בקרת מנועים ולוחות PCB‏ בפרופיל נמוך. (מקור התמונה: Cornell Dubilier)

עם µF‏ 130, ניתן להשתמש ב-THAS131M450AD0C כדי להחליף מערך של קבלים קטנים יותר כדי לשפר את האמינות. ה- ESR של THAS131M450AD0C ב-25°C הוא 1.12 אוהם (Ω) ב-120 הרץ (Hz‏), היורד ל-0.54 אוהם ב-20 קילו-הרץ (kHz). ה-ESR הנמוך שלו הופך אותו למתאים עבור ספקי כוח ממותגים שבהם יש להקטין למינימום את יצירת החום. זרם האדווה ב-85°C מדורג ל-1.36 אמפר (A), החשוב גם עבור ספקי כוח.

כחלק ממשפחת מוצרי Cornell Dubilier THAS, לקבל THAS131M450AD0C יש שרוול פלב"ם עבור עמידות משופרת. ההדקים שלו הם AWG‏ 20‏, המתאימים עבור מרבית יישומי הרכבת לוח PCB‏ חור-עובר.

עבור יישומים שבהם יש לאחסן מתח לפרק זמן קצר, המתכננים יכולים לפנות אל קבל סדרת THAS‏ THAS322M050AD0C‏ µF‏ 3,200‏ 50 וולט. גם הוא באורך 66.5 מ"מ ובעובי 9 מ"מ ובעל שרוול פלב"ם. ה- ESR ב-120 הרץ הוא Ω‏ 0.05, היורד מעט ל- Ω‏ 0.04 ב- kHz‏ 20‏. הוא יכול להתמודד עם זרם אדווה של A‏ 3.48 ב- kHz‏ 20‏ ו- A‏ 2.90 ב- Hz‏ 20‏. עם ESR נמוך זה ויכולת זרם גבוהה, הוא מתאים לשימוש כסופר-קבל של 50 וולט כדי לספק כוח באופן זמני למעגל קטן אם ספק הכוח הראשי אינו זמין.

כמו כל קבלי ה-THAS של Cornell Dubilier, ל-THAS322M050AD0C יש פתח אוורור בחלק העליון, הנראה בבירור באיור 2. פתח האוורור מאפשר פליטת גז מהקבלים כחלק מפעולה רגילה, למרות שפליטת הגז עשויה לעלות בטמפרטורות גבוהות. הגז הנפלט הוא תערובת של מימן וגזי פסולת.

איור 2: פתח האוורור הנראה בחלק העליון של קבל THAS322M050AD0C מאפשר לגזים פנימיים המצטברים בפעולה רגילה להיפלט בבטחה. (מקור התמונה: Cornell Dubilier)

פליטת הגזים הפנימיים היא חשובה, במיוחד בקבלים בעלי ערך גבוה. מימן וגזים אחרים יכולים להצטבר בתוך מעטפת הפלדה, וליצור לחץ שעלול להוביל לכשל. אם לקבל אין פתח אוורור, הגזים הפנימיים יכולים להצטבר עד לנקודה שבה האלקטרוליט עלול לדלוף החוצה אל לוח ה- PCB ולקצר התקנים אלקטרוניים אחרים, או במקרים מסוימים, הקבל עלול אפילו להתפוצץ. עם זאת, שימו לב שחשוב בעת פרישת לוחות PCB‏ לוודא שמול פתח האוורור של הקבל אין חסימות.

עבור קיבולת טעינה גדולה יותר, חברת Cornell Dubilier פיתחה את סדרת THA. קבלי THA Thinpack הם בעלי שרוולי אלומיניום, ובעובי של 8.2 מ"מ הם דקים מעט יותר מסדרת THAS. דוגמה מסדרת THA הוא ה- THA442M035AC0C‏ µF‏ 4,400‏ 50 וולט. אורכו 53.8 מ"מ והוא מציע צפיפות אנרגיה גבוהה ביותר בהשוואה לקבלים דומים. יש לו ESR של Ω‏ 0.07 ב- Hz‏ 120‏ ו- Ω‏ 0.06 ב- kHz‏ 20‏ ההופך אותו למתאים לשימוש כמקור כוח זמני עבור אלקטרוניקה קטנה במהלך הפסקות הספקת-כוח קצרות. קבל µF‏ 4,400 יכול גם להתחמם מאוד, ולכן חשוב לספק זרימת אוויר נאותה כדי לשמור אותו היטב בתוך תחום הפעולה המומלץ שלו, שהוא 55°C- עד 85°C+. עבור קבלים בעלי ערך גדול, חשוב עוד יותר לוודא שלפתח האוורור אין חסימות. כמו כן, מומלץ שפתח האוורור לא יפנה לשום דבר דליק, מכיוון שגז מימן הוא נפיץ.

סיכום

קבלים הם רכיבים קריטיים במערכות אלקטרוניות. על ידי שילוב של אמינות גבוהה עם צפיפות אנרגיה גבוהה ופרופיל נמוך, המתכננים יכולים להקטין את הגודל ולשפר את אורך חיי הפעולה של מערכות אלקטרוניות. קבל אלקטרוליט יחיד מתוצרת ארה"ב,עם צפיפות אנרגיה גבוהה יכול למנוע זמני אספקה ארוכים, כמו גם להחליף מערכים של קבלים כדי לחסוך מקום בלוח.

משאבים

1. מודול הדרכה על קבלי אלקטרוליט אלומיניום Thinpack‏ THA ו- THAS