أخبار

تعد المكثفات أحد المكونات الأكثر استخدامًا في لوحات الدوائر. مع استمرار تزايد عدد الأجهزة الإلكترونية (من الهواتف المحمولة إلى السيارات)، يتزايد أيضًا الطلب على المكثفات. لقد أدى جائحة كوفيد 19 إلى تعطيل سلسلة توريد المكونات العالمية من أشباه الموصلات إلى المكونات السلبية، وكان هناك نقص في المكثفات1.
يمكن بسهولة تحويل المناقشات حول موضوع المكثفات إلى كتاب أو قاموس. أولاً، هناك أنواع مختلفة من المكثفات، مثل المكثفات الإلكتروليتية، ومكثفات الأفلام، والمكثفات الخزفية، وما إلى ذلك. ثم، في نفس النوع، هناك مواد عازلة مختلفة. هناك أيضا فئات مختلفة. أما بالنسبة للبنية المادية، هناك أنواع المكثفات ذات طرفين وثلاثة أطراف. يوجد أيضًا مكثف من النوع X2Y، وهو في الأساس زوج من المكثفات Y مغلفة في واحد. ماذا عن المكثفات الفائقة؟ الحقيقة هي أنه إذا جلست وبدأت في قراءة أدلة اختيار المكثفات من كبرى الشركات المصنعة، فيمكنك قضاء يومك بسهولة!
وبما أن هذه المقالة تتحدث عن الأساسيات، سأستخدم طريقة مختلفة كالمعتاد. كما ذكرنا سابقًا، يمكن العثور بسهولة على أدلة اختيار المكثفات على مواقع الموردين 3 و4، ويمكن للمهندسين الميدانيين عادةً الإجابة على معظم الأسئلة حول المكثفات. في هذه المقالة لن أكرر ما يمكنك العثور عليه على الإنترنت، ولكن سأوضح كيفية اختيار واستخدام المكثفات من خلال أمثلة عملية. سيتم أيضًا تغطية بعض الجوانب الأقل شهرة لاختيار المكثف، مثل تدهور السعة. بعد قراءة هذه المقالة، يجب أن يكون لديك فهم جيد لاستخدام المكثفات.
منذ سنوات مضت، عندما كنت أعمل في شركة تصنع معدات إلكترونية، كان لدينا سؤال في مقابلة مع مهندس إلكترونيات الطاقة. في الرسم التخطيطي للمنتج الحالي، سوف نسأل المرشحين المحتملين "ما هي وظيفة المكثف الإلكتروليتي لوصلة التيار المستمر؟" و"ما هي وظيفة المكثف الخزفي الموجود بجانب الشريحة؟" نأمل أن تكون الإجابة الصحيحة هي مكثف ناقل التيار المستمر الذي يستخدم لتخزين الطاقة، وتستخدم المكثفات الخزفية للتصفية.
إن الإجابة "الصحيحة" التي نسعى إليها تظهر في الواقع أن كل فرد في فريق التصميم ينظر إلى المكثفات من منظور الدائرة البسيطة، وليس من منظور نظرية المجال. وجهة نظر نظرية الدائرة ليست خاطئة. عند الترددات المنخفضة (من بضعة كيلو هرتز إلى بضعة ميجا هرتز)، يمكن لنظرية الدائرة عادةً أن تشرح المشكلة جيدًا. وذلك لأنه عند الترددات المنخفضة، تكون الإشارة بشكل أساسي في الوضع التفاضلي. باستخدام نظرية الدائرة، يمكننا أن نرى المكثف الموضح في الشكل 1، حيث المقاومة المتسلسلة المكافئة (ESR) والمحاثة المتسلسلة المكافئة (ESL) تجعل ممانعة المكثف تتغير مع التردد.
يشرح هذا النموذج أداء الدائرة بشكل كامل عند تبديل الدائرة ببطء. ومع ذلك، مع زيادة التردد، تصبح الأمور أكثر تعقيدا. في مرحلة ما، يبدأ المكون في إظهار عدم الخطية. عندما يزيد التردد، فإن نموذج LCR البسيط له حدوده.
اليوم، إذا سُئلت عن نفس سؤال المقابلة، فسأرتدي نظارتي الخاصة بنظرية المجال وأقول إن كلا النوعين من المكثفات عبارة عن أجهزة لتخزين الطاقة. الفرق هو أن المكثفات الإلكتروليتية يمكنها تخزين طاقة أكثر من المكثفات الخزفية. ولكن فيما يتعلق بنقل الطاقة، يمكن للمكثفات الخزفية نقل الطاقة بشكل أسرع. وهذا ما يفسر سبب ضرورة وضع المكثفات الخزفية بجوار الشريحة، لأن الشريحة لديها تردد تبديل وسرعة تبديل أعلى مقارنة بدائرة الطاقة الرئيسية.
من هذا المنظور، يمكننا ببساطة تحديد معيارين لأداء المكثفات. الأول هو مقدار الطاقة التي يمكن للمكثف تخزينها، والآخر هو مدى سرعة نقل هذه الطاقة. كلاهما يعتمد على طريقة تصنيع المكثف، والمادة العازلة، والاتصال بالمكثف، وما إلى ذلك.
عندما يكون المفتاح في الدائرة مغلقًا (انظر الشكل 2)، فهذا يشير إلى أن الحمل يحتاج إلى طاقة من مصدر الطاقة. تحدد السرعة التي يتم بها إغلاق هذا المفتاح مدى إلحاح الطلب على الطاقة. وبما أن الطاقة تنتقل بسرعة الضوء (نصف سرعة الضوء في المواد FR4)، فإن نقل الطاقة يستغرق وقتًا. بالإضافة إلى ذلك، هناك عدم تطابق في المعاوقة بين المصدر وخط النقل والحمل. وهذا يعني أن الطاقة لن يتم نقلها أبدًا في رحلة واحدة، بل في رحلات متعددة ذهابًا وإيابًا5، ولهذا السبب عندما يتم تبديل المفتاح بسرعة، سنرى تأخيرات ورنينًا في شكل موجة التبديل.
الشكل 2: يستغرق انتشار الطاقة في الفضاء وقتًا؛ يؤدي عدم تطابق المعاوقة إلى رحلات متعددة ذهابًا وإيابًا لنقل الطاقة.
حقيقة أن توصيل الطاقة يستغرق وقتًا ورحلات متعددة ذهابًا وإيابًا تخبرنا أننا بحاجة إلى نقل الطاقة إلى أقرب ما يمكن من الحمل، وعلينا إيجاد طريقة لتوصيلها بسرعة. يتم تحقيق الأول عادةً عن طريق تقليل المسافة المادية بين الحمل والمفتاح والمكثف. يتم تحقيق هذا الأخير من خلال جمع مجموعة من المكثفات بأصغر مقاومة.
تشرح نظرية المجال أيضًا أسباب ضجيج الوضع الشائع. باختصار، يتم إنشاء ضوضاء الوضع الشائع عندما لا يتم تلبية الطلب على الطاقة للحمل أثناء التبديل. ولذلك، سيتم توفير الطاقة المخزنة في الفراغ بين الحمل والموصلات القريبة لدعم الطلب الخطوة. المسافة بين الحمل والموصلات القريبة هي ما نسميه السعة الطفيلية/المتبادلة (انظر الشكل 2).
نستخدم الأمثلة التالية لتوضيح كيفية استخدام المكثفات الإلكتروليتية، والمكثفات الخزفية متعددة الطبقات (MLCC)، والمكثفات الفيلمية. يتم استخدام كل من نظرية الدائرة والمجال لشرح أداء المكثفات المختارة.
تستخدم المكثفات الإلكتروليتية بشكل أساسي في وصلة التيار المستمر كمصدر رئيسي للطاقة. غالبًا ما يعتمد اختيار المكثف الإلكتروليتي على:
بالنسبة لأداء EMC، فإن أهم خصائص المكثفات هي خصائص الممانعة والتردد. تعتمد الانبعاثات منخفضة التردد دائمًا على أداء مكثف وصلة التيار المستمر.
لا تعتمد مقاومة وصلة التيار المستمر على ESR وESL للمكثف فحسب، بل تعتمد أيضًا على مساحة الحلقة الحرارية، كما هو موضح في الشكل 3. وتعني مساحة الحلقة الحرارية الأكبر أن نقل الطاقة يستغرق وقتًا أطول، وبالتالي فإن الأداء سوف تتأثر.
تم إنشاء محول DC-DC متدرج لإثبات ذلك. يقوم إعداد اختبار التوافق الكهرومغناطيسي (EMC) الموضح في الشكل 4 بإجراء فحص للانبعاثات بين 150 كيلو هرتز و108 ميجا هرتز.
من المهم التأكد من أن المكثفات المستخدمة في دراسة الحالة هذه كلها من نفس الشركة المصنعة لتجنب الاختلافات في خصائص المعاوقة. عند لحام المكثف الموجود على لوحة PCB، تأكد من عدم وجود أسلاك طويلة، حيث سيؤدي ذلك إلى زيادة ESL للمكثف. ويبين الشكل 5 التكوينات الثلاثة.
تظهر نتائج الانبعاث التي تم إجراؤها لهذه التكوينات الثلاثة في الشكل 6. ويمكن ملاحظة أنه، بالمقارنة مع مكثف واحد 680 ميكروفاراد، يحقق المكثفان 330 ميكروفاراد أداء تقليل الضوضاء بمقدار 6 ديسيبل على نطاق تردد أوسع.
من نظرية الدائرة، يمكن القول أنه من خلال توصيل مكثفين على التوازي، ينخفض ​​كل من ESL وESR إلى النصف. من وجهة نظر نظرية المجال، لا يوجد مصدر طاقة واحد فقط، ولكن يتم توفير مصدرين للطاقة لنفس الحمل، مما يقلل بشكل فعال من إجمالي وقت نقل الطاقة. ومع ذلك، عند الترددات الأعلى، فإن الفرق بين مكثفين سعة 330 ميكروفاراد ومكثف واحد سعة 680 ميكروفاراد سوف يتقلص. وذلك لأن الضوضاء عالية التردد تشير إلى عدم كفاية استجابة طاقة الخطوة. عند تحريك مكثف سعة 330 ميكروفاراد بالقرب من المفتاح، فإننا نقوم بتقليل وقت نقل الطاقة، مما يزيد بشكل فعال من الاستجابة المرحلية للمكثف.
النتيجة تخبرنا درسا مهما للغاية. إن زيادة سعة مكثف واحد لن تدعم بشكل عام الطلب التدريجي على المزيد من الطاقة. إذا أمكن، استخدم بعض المكونات السعوية الأصغر. هناك العديد من الأسباب الوجيهة لذلك. الأول هو التكلفة. بشكل عام، بالنسبة لنفس حجم العبوة، فإن تكلفة المكثف تزداد بشكل كبير مع قيمة السعة. قد يكون استخدام مكثف واحد أكثر تكلفة من استخدام عدة مكثفات أصغر. السبب الثاني هو الحجم. عادة ما يكون العامل المحدد في تصميم المنتج هو ارتفاع المكونات. بالنسبة للمكثفات ذات السعة الكبيرة، غالبًا ما يكون الارتفاع كبيرًا جدًا، وهو غير مناسب لتصميم المنتج. السبب الثالث هو أداء EMC الذي رأيناه في دراسة الحالة.
هناك عامل آخر يجب مراعاته عند استخدام مكثف إلكتروليتي وهو أنه عند توصيل مكثفين على التوالي لتقاسم الجهد، ستحتاج إلى مقاومة موازنة 6.
كما ذكرنا سابقًا، المكثفات الخزفية عبارة عن أجهزة مصغرة يمكنها توفير الطاقة بسرعة. كثيرًا ما يُطرح علي السؤال "ما مقدار المكثف الذي أحتاجه؟" الجواب على هذا السؤال هو أنه بالنسبة للمكثفات الخزفية، لا ينبغي أن تكون قيمة السعة بهذه الأهمية. الاعتبار المهم هنا هو تحديد التردد الذي تكون فيه سرعة نقل الطاقة كافية لتطبيقك. إذا فشل الانبعاث الموصل عند 100 ميجاهرتز، فإن المكثف ذو الممانعة الأصغر عند 100 ميجاهرتز سيكون اختيارًا جيدًا.
وهذا سوء فهم آخر لـ MLCC. لقد رأيت مهندسين ينفقون الكثير من الطاقة في اختيار المكثفات الخزفية ذات أدنى مستوى من ESR وESL قبل توصيل المكثفات بالنقطة المرجعية للتردد اللاسلكي من خلال آثار طويلة. ومن الجدير بالذكر أن ESL الخاص بـ MLCC عادة ما يكون أقل بكثير من محاثة الاتصال الموجودة على اللوحة. لا تزال محاثة التوصيل هي المعلمة الأكثر أهمية التي تؤثر على مقاومة التردد العالي للمكثفات الخزفية7.
ويبين الشكل 7 مثالا سيئا. تقدم الآثار الطويلة (بطول 0.5 بوصة) محاثة 10nH على الأقل. تظهر نتيجة المحاكاة أن ممانعة المكثف تصبح أعلى بكثير من المتوقع عند نقطة التردد (50 ميجاهرتز).
إحدى المشكلات المتعلقة بمراكز MLCC هي أنها تميل إلى التوافق مع البنية الاستقرائية الموجودة على اللوحة. يمكن ملاحظة ذلك في المثال الموضح في الشكل 8، حيث يؤدي استخدام MLCC سعة 10 μF إلى ظهور رنين عند حوالي 300 كيلو هرتز.
يمكنك تقليل الرنين عن طريق اختيار مكون ذو قيمة ESR أكبر أو ببساطة وضع مقاومة ذات قيمة صغيرة (مثل 1 أوم) على التوالي مع مكثف. يستخدم هذا النوع من الأساليب المكونات المفقودة لمنع النظام. هناك طريقة أخرى تتمثل في استخدام قيمة أخرى للسعة لنقل الرنين إلى نقطة رنين أقل أو أعلى.
تستخدم المكثفات السينمائية في العديد من التطبيقات. إنها المكثفات المفضلة لمحولات DC-DC عالية الطاقة وتستخدم كمرشحات لقمع EMI عبر خطوط الطاقة (التيار المتردد والتيار المستمر) وتكوينات الترشيح ذات الوضع المشترك. نأخذ مكثف X كمثال لتوضيح بعض النقاط الرئيسية لاستخدام المكثفات الفيلمية.
في حالة حدوث زيادة مفاجئة، فإنه يساعد في الحد من ذروة جهد الجهد على الخط، لذلك يتم استخدامه عادةً مع مُثبِّت الجهد العابر (TVS) أو مكثف أكسيد المعدن (MOV).
ربما تعرف كل هذا بالفعل، لكن هل تعلم أن قيمة السعة للمكثف X يمكن أن تنخفض بشكل كبير مع سنوات من الاستخدام؟ هذا صحيح بشكل خاص إذا تم استخدام المكثف في بيئة رطبة. لقد رأيت أن قيمة السعة للمكثف X تنخفض فقط إلى نسبة قليلة من قيمته المقدرة خلال عام أو عامين، وبالتالي فإن النظام المصمم في الأصل باستخدام المكثف X فقد في الواقع كل الحماية التي قد يتمتع بها المكثف الأمامي.
إذن، ماذا حدث؟ قد يتسرب الهواء الرطب إلى المكثف وأعلى السلك وبين الصندوق ومركب تأصيص الإيبوكسي. يمكن بعد ذلك أكسدة معدنة الألومنيوم. الألومينا عازل جيد للكهرباء، وبالتالي تقلل السعة. هذه مشكلة ستواجهها جميع مكثفات الأفلام. القضية التي أتحدث عنها هي سمك الفيلم. تستخدم العلامات التجارية للمكثفات ذات السمعة الطيبة طبقات أكثر سمكًا، مما يؤدي إلى مكثفات أكبر من العلامات التجارية الأخرى. تجعل الطبقة الرقيقة المكثف أقل مقاومة للحمل الزائد (الجهد أو التيار أو درجة الحرارة)، ومن غير المرجح أن يشفي نفسه.
إذا لم يكن المكثف X متصلاً بشكل دائم بمصدر الطاقة، فلا داعي للقلق. على سبيل المثال، بالنسبة للمنتج الذي يحتوي على مفتاح ثابت بين مصدر الطاقة والمكثف، قد يكون الحجم أكثر أهمية من الحياة، ومن ثم يمكنك اختيار مكثف أرق.
ومع ذلك، إذا كان المكثف متصلاً بشكل دائم بمصدر الطاقة، فيجب أن يكون موثوقًا للغاية. أكسدة المكثفات ليست حتمية. إذا كانت مادة إيبوكسي المكثف ذات نوعية جيدة ولم يتعرض المكثف في كثير من الأحيان لدرجات حرارة شديدة، فيجب أن يكون الانخفاض في القيمة في حده الأدنى.
في هذه المقالة، قدمت لأول مرة وجهة نظر نظرية المجال للمكثفات. توضح الأمثلة العملية ونتائج المحاكاة كيفية اختيار واستخدام أنواع المكثفات الأكثر شيوعًا. نأمل أن تساعدك هذه المعلومات على فهم دور المكثفات في التصميم الإلكتروني وتصميم EMC بشكل أكثر شمولاً.
الدكتور مين تشانغ هو المؤسس والمستشار الرئيسي لشركة EMC لشركة Mach One Design Ltd، وهي شركة هندسية مقرها المملكة المتحدة متخصصة في استشارات EMC واستكشاف الأخطاء وإصلاحها والتدريب. وقد أفادت معرفته المتعمقة في مجال إلكترونيات الطاقة والإلكترونيات الرقمية والمحركات وتصميم المنتجات الشركات في جميع أنحاء العالم.
يعد In Compliance المصدر الرئيسي للأخبار والمعلومات والتعليم والإلهام لمحترفي الهندسة الكهربائية والإلكترونية.
الفضاء الجوي السيارات الاتصالات الإلكترونيات الاستهلاكية التعليم الطاقة وصناعة الطاقة تكنولوجيا المعلومات الطبية العسكرية والدفاع الوطني