המדריך המלא לבחירת קבל מתאים

יש חשיבות לבחירת ההתקן ההולם כדי להגן על הדברים החשובים והיקרים לנו. תוכנית ביטוח הולמת אינה רק בגדר של אפשרות מומלצת, במקרים רבים היא דבר הכרחי. קבלים מסוג X ומסוג Y נדרשים לתפקד באופן אמין בכל החלקים של מכשירים חשמליים המחוברים לרשת החשמל, מכיוון שהם מיועדים לספק סוג של ביטוח, ואנו מצפים מהם להגן על הדברים החשובים והיקרים לנו. קבלים מסוג X מגנים על המכשיר החשמלי עצמו, בעוד שקבלים מסוג Y מגנים על המשתמש, על ידי קליטת זרמים תועים שהם מסוכנים אפילו שאינם נראים כאלה, במקרה של תקלה.

חיסכון שעלול לגרום להתרוששות
שיקולים כלכליים שגויים עלולים לגרום לתוצאות ארוכות טווח. בדרך כלל, רכיבים אלה נדרשים להתמודד באופן אמין עם יותר מ-1,000 אירועים בשנה של קפיצת מתח ברשת. קבלים המיוצרים בתהליך זול, המכילים שכבת פלסטיק מצופה במתכת בעובי לא אחיד, פערי אבטחה בלתי הולמים או מגע לקוי של הפינים בשכבת Schoop – להזכיר רק חלק קטן מהבעיות – הם סיבה אפשרית לקיצור חד של חיי השירות של הרכיב, שלא לדבר על סיכון האבטחה החמור לפריצת שריפה במקרה של כשל. השוק מציע קבלים מסוג X ומסוג Y להגנה על מעגלים, בתצורות (SMD‏, THD) ובעיצובים שונים. מומלץ לבדוק שיש להם אישורים רשמיים לפי התקנים הרלוונטיים של VDE/TÜV ו-UL כדי להבטיח את בטיחות היישום (ראה איור 1).

התמודדות עם מאמצים ופגיעות מכניות
רוב הקבלים הקרמיים הרב-שכבתיים (להלן, קבלי MLCC) מפגינים עמידות מוגבלת ביותר למאמץ מכני. במקרה של מאמץ מכני, קבלי MLCC הם לעתים קרובות החוליה החלשה בשרשרת הרכיבים הרגישים ביישום. בנוסף, קבלים רגישים לנפילה, ולא רק כשמדובר במכשירים ניידים. אפילו בתהליך הייצור, מפרט תיכון לקוי שבו רכיבים קרמיים ממוקמים קרוב מדי לקצוות שבורים או חדים של כרטיסים אלקטרוניים או אבזרי הידוק, עלול לגרום נזק לרכיבים. העלייה במגמה של מזעור מעגלים מאלצת את המפתחים להקטין יותר ויותר את טווחי הבטיחות של מפרטי התיכון. התוצאה היא סדקים בגוף הקרמי של קבלי MLCC בנקודת ההלחמה. אם הפגמים הללו אינם מתגלים בבדיקה החשמלית הסופית (‏‏ICT), המאמצים המכניים עלולים לגרום למגע חשמלי מקוטע וכתוצאה מכך לכשלים ספוראדיים שתיקונם מצריך השקעה רבה של עבודה וכסף. מאחר שקבלים קרמיים רב-שכבתיים רגישים למאמצים מכניים, היצרנים מציעים פתרונות שונים שמסוגלים לשפר את עמידותם ולסייע למזער את הסיכון להתרחשות של קצר חשמלי ותוצאותיו (ראה איור 2). אחת מהאפשרויות הללו היא הכנסת שכבת פולימר בין הגוף הקרמי לבין מגעי החיבור של קבל ה-MLCC, שיטה שעשויה להכפיל פי כמה וכמה את עמידות הרכיב למאמצים מכניים. קבלים מסוג זה מתאפיינים במבנה מורכב יותר, ולכן מחירם גבוה מזה של קבלים רגילים, אולם במקרים רבים היתרונות הבטיחותיים שלהם מקזזים את החיסרון של היבט המחיר. פתרונות מכניים נוספים כוללים עיצובים בשיטת ‘מצב פתוח’ (Open mode) ו-‘אלקטרודה צפה’ (Floating electrode). בעוד שהפתרון שתואר לעיל נועד למנוע נזק מכני לקבל, הרי ששינויי מבנה בסוגי הקבלים הללו נועדו למנוע קצר במקרה של כשל. בקבלים מסוג Open mode, מפחיתים את השטח הפנימי הפעיל, ועל ידי כך סדק אינו יכול לגרום לקצר ישיר בין השכבות. קבלים בעלי אלקטרודות צפות מבוססים על תצורת מעגל טורית אשר מיושמת בהצלחה בקבלי פילם (Film). נתק באחת מנקודות המגע של קבל MLCC גורם לקצר מקומי באותה נקודה בלבד. רכיבים המשמשים בתהליכים שונים של שידור אותות בתדר גבוה צריכים לעמוד בדרישות מחמירות במיוחד. אחד הקריטריונים החשובים ביותר בנושא זה הוא מזעור ההשראה הטפילית של קבל ה-MLCC, אשר גורמת להעלאת תדר התהודה של הרכיב. שינוי תיכון אפקטיבי במיוחד מסוג זה מתאפשר בקבלי גיאומטריה הפוכה (reverse-geometry, ובקיצור RGC‏), כלומר קבלי MLCC שמגעי החיבור שלהם ממוקמים על הצד הארוך של הרכיב במקום על צידו הקצר. סידור זה מקצר באופן חד את נתיב העברת האות דרך הקבל ועל ידי כך מופחתת תופעת ההשראה. נוסף לקיצור מרבי של מגעי החיבור של קבל ה-MLCC בתיכון המעגל האלקטרוני, גיאומטריה זו מאפשרת להקטין את רמת ההשראה של הרכיב ביותר מ-50%.

התיישנות (Aging)
על אף כל יתרונותיהם, הטכניים והכלכליים כאחד, קבלים קרמיים מתאפיינים בחסרונות שונים. חשוב להביא עובדה זו בחשבון בעת תיכון מעגלים כדי לא להפוך את היתרונות הבסיסיים לחסרונות שיהיה קשה להתגבר עליהם. קבלי MLCC זמינים, תיאורטית, בארבעה סוגי מארזים, ורק אלה מהסוגים 1 עד 3 רלוונטיים למעשה. הסוגים הללו מתאפיינים בהבדלים טכניים בולטים. עקומת ההתיישנות היא אחד הגורמים, אם לא החשוב ביניהם, שמשפיע על שיקולי הבחירה של רכיב. קבלי MLCC מסוג 1 בעלי סימון NP0 או C0G הם היחידים שלמעשה אינם מפגינים עקומת התיישנות כלשהי. הטולרנסים הזעירים (פחות מאחוז אחד או ‎0.1 pF‏) והשמירה על קיבול יציב שאינו תלוי במתח תורמים לדיוק גבוה במיוחד במהלך כל חיי השירות של היישום. נקודה מכרעת לידיעת אנשי הפיתוח: החומרים הקרמיים המשמשים בקבלים מסוג 2, שהנפוצים ביותר בהם הם X5R ו-X7R, עלולים להפגין ירידה משמעותית בקיבול (מעל 30%) לאחר 1,000 שעות פעולה בלבד. תופעה דומה מתרחשת כאשר קבלים קרמיים מסוג 2 מופעלים במתח גבוה יותר ממחצית הערך הנקוב שלהם.

קבלי אלומיניום אלקטרוליטיים, חום ומאמץ מכני

בתהליך הייצור, קבלי אלומיניום אלקטרוליטיים מהסוג המקובל ממולאים באלקטרוליט נוזל הדרוש לצורך זרימת אלקטרונים בזמן הפעולה. עובדה זו מהווה גורם מרכזי בתהליך ההתיישנות, לכשעצמה ובביצועים בפועל של רכיבים אלה. אם לאמינות תהליך הייצור בשילוב החומרים שבהם נעשה שימוש יש השפעה נחרצת על איכות הקבל, הרי שתיכון המעגל משפיע במידה רבה על העמידות של היישום.

לעתים קרובות נדרשת פשרה בין קיצור אורך החיבור של הקבל האלקטרוליטי, במיוחד בספק כוח של מעגל, לבין החום העודף הנוצר בו, דבר שמאיץ את התיישבות הרכיב. קבלי אלומיניום אלקטרוליטיים שממוקמים קרוב מדי לגוף קירור בספק כוח או לזרם אוויר חם של מאוורר, עלולים להתיישן בקצב מואץ במיוחד יחסית לרכיבים אחרים. לא די בכך שהתאדות האלקטרוליט (והירידה הדרסטית בקיבול) גורמת בסופו של דבר לכשל, אלא שהקבל המיובש עלול להתפוצץ ובכך הוא מהווה סיכון אבטחה חמור. קבלי אלומיניום אלקטרוליטיים עשויים להגיע לגדלים גבוהים עקב מידת הקיבול הנדרשת מהם. קבלים בתצורת Snap-in (נתקע בתושבת) כוללים רגלי חיבור עמידות במיוחד. לעתים קרובות, המגעים הכפופים אינם דרושים רק כדי לעמוד ברמות הספק גבוהות, אלא חיוניים גם לצורך חיבור אמין של הקבל ללוח האלקטרוני. המסה של רכיבים אלה נעה בין גרמים בודדים ליותר מ-100 גרם. בהתאם לגרסה וליישום, ניתן להגן על קבלים מפני זעזועים ומאמצים מכניים על ידי חיבור של מגעי סרק בנוסף למגעי ההלחמה שמחברים את הקבל אל הלוח. אלה מקבעים את הרכיב ומשפרים באופן משמעותי את עמידותו לזעזועים. על אף הבטיחות המשופרת האמורה, אין לנצל את הקבל בתור משענת לרכיבים אחרים במעגל, מכיוון שכוחות המתיחה העוברים דרך פיני החיבור פועלים ישירות על רדיד האלומיניום שלו ועלולים ליצור פגמים מיקרוסקופיים שמקצרים באופן ניכר את חיי השירות שלו.

חלופה:
קבלי פולימר-אלומיניום
הדרישות מרכיבים פסיביים בתחום הנדסת המעגלים הן תובעניות כפי שלא היו אי-פעם. השיקול המרכזי המתייחס במיוחד לקבלי אלומיניום בעלי קיבול גבוה, הוא הקטנה ככל האפשר של ערכי ה-ESR (התנגדות טורית שקולה) וזרמי האדווה הנלווים (ראה איור 3). עם הופעתם של רכיבים אלה בשוק, אפשרויות הבחירה היו מצומצמות, במיוחד ברכיבים המיועדים למתחים נמוכים מ-‎25V, אך מאז חל גידול מהיר במגוון האפשרויות. מגוון האפשרויות גדל גם בזכות הופעתם של קבלים בתצורות SMD ו-THD. שיפור איכות הרכיבים הביא לערכי ESR בסדרי גודל של מיליאוהם (‎10 mΩ ומטה), וקבלים בעלי מגעי ‘רגליים’ זמינים כיום במתחים על עד ‎100V בייצור סדרתי. הפיתוח של קבל הפולימר-אלומיניום זוכה לתנופה משמעותית. בעוד שבעבר היו מקובלים יותר במוצרי צריכה, השימוש ברכיבים אלה ילך ויתרחב גם ביישומים תעשייתיים. בעתיד תגבר התחרות בין קבלי אלומיניום אלקטרוליטיים רגילים מתוגברים באלקטרוליט לח לבין קבלי פולימר-אלומיניום יבשים. הבדל עיקרי נוסף בין שני הסוגים הוא הגורם שאחראי לחיי השירות המשופרים של קבל הפולימר-אלומיניום. בעוד שהאלקטרוליט הלח ברכיב המקובל נוטה להתייבש במשך הזמן ועל ידי כך להגדיל את הסיכון לכשל, אורך החיים של קבלי פולימר-אלומיניום מוצקים יכול לגדול פי עשרה. התיכון של רכיבים אלה מקנה להם ערכי ESR נמוכים מאוד ומכאן גם יצירת חום פנימית קטנה ביותר בשילוב זרם האדווה החודר למעגל. קבלי אלומיניום אלקטרוליטיים רגילים גם עולים על קבלי פולימר. בעוד שקבלים אלקטרוליטיים למתחים של עד ‎600V אפשריים מבחינה טכנית, ניתן להשיג קבלי פולימר-אלומיניום מייצור סדרתי למתחים של עד ‎100V בלבד. קבלי אלומיניום אלקטרוליטיים גם מפגינים זרמי דלף קטנים יותר ומחיר נמוך בהשוואה לקבלי פולימר-אלומיניום, אף שהפרשי המחירים מתבטלים למעשה כשמביאים בחשבון את תוחלת חיי השירות המוגדלת של אלה האחרונים.

קבלי רדיד עמידים ללחות
קבלי שכבת פלסטיק מצופה מתכת המאחסנים את המטען החשמלי בשכבת מתכת צמודה לשכבת פלסטיק בתור רדיד כרוך או שכבה מבנית, מושפעים משמעותית משני גורמים פיזיקליים: טמפרטורה ולחות הן בעיה חמורה בקבלים בסוג זה.
קיימות שיטות שונות לקביעת איכות הבנייה והחומרים של רכיבים. אחת האפקטיביות ביותר היא הבדיקה הקרויה 85/85 שמבוססת על חשיפת רכיב במשך עד 1000 שעות לטמפרטורה של 85°C‎ וללחות יחסית של 85% (ראה איור 4). אטימה שאינה עמידה במידה מספקת לתנודות הטמפרטורה מאפשרת חדירה מהירה של לחות לתוך הקבל וזו גורמת לתגובת שרשרת המערערת את ההתנגדות החשמלית של שכבת הבידוד, קפיצת מתח שגורמת נזק לשכבת המתכת ושטף של אנרגיה שהורס את הרכיב בסופו של דבר. קבלי פילם עמידים ללחות (או Thermal Humidity Bias ובקיצור THB‏) זמינים בשוק, אך העיצוב המותאם שלהם והמחיר הגבוה של החומרים המיוחדים המרכיבים מייקרים את מחירם בהשוואה לגרסאות הסטנדרטיות. המחיר הגבוה הוא חיסרון למראית עין בלבד, מאחר שיתרונות הביצועים מכריעים בסופו של דבר את הכף לטובתם.

WE-MAPI הוא סליל ההספק הקטן ביותר בעולם שעשוי מסגסוגת מתכת. יעילותו חסרת תקדים.
תכנן ממיר DC/DC בעזרת REDEXPERT, כלי התוכנה המדויק ביותר לחישוב הפסדי AC.
ערכי זרם גבוהים ביותר
הפסדי AC הנמוכים ביותר בקטגוריה
DCR נמוך להפליא
יציבות מעולה בטמפרטורה
עיצוב חדשני
קרינת EMI נמוכה ביותר

הכתבה נמסרה באדיבות המשרד הישראלי של Wurth Elektronik Israel.
לפרטים נוספים בקרו באתר החברה.