أخبار

تعد المكثفات أحد المكونات الأكثر استخدامًا على لوحات الدوائر. مع استمرار زيادة عدد الأجهزة الإلكترونية (من الهواتف المحمولة إلى السيارات)، يتزايد أيضًا الطلب على المكثفات. وقد أدى وباء 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 أنواع مختلفة المواد العازلة. هناك أيضًا فئات مختلفة. أما بالنسبة للبنية الفيزيائية، فهناك أنواع من المكثفات ذات طرفين وثلاثة أطراف. وهناك 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 اليوم بسهولة!
نظرًا لأن هذه المقالة تدور حول 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. لن أكرر ما يمكنك العثور عليه على الإنترنت، ولكنني سأوضح كيفية اختيار واستخدام المكثفات من خلال أمثلة عملية. سيتم أيضًا تناول بعض الجوانب الأقل شهرة لاختيار المكثفات، مثل تدهور السعة. بعد قراءة هذا المقال، 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، سنسأل المرشحين المحتملين "ما هي وظيفة التحليل الكهربائي لوصلة التيار المستمر"؟ مكثف؟"و"ما هي وظيفة المكثف الخزفي الموجود بجانب الشريحة؟"نأمل أن تكون الإجابة الصحيحة هي مكثف الناقل DC الذي يستخدم لتخزين الطاقة، وتستخدم المكثفات السيراميكية للتصفية.
إن الإجابة "الصحيحة" التي نسعى إليها تظهر في الواقع أن كل فرد في فريق التصميم ينظر إلى المكثفات من منظور دائرة بسيطة، وليس من منظور نظرية المجال. وجهة نظر نظرية الدائرة ليست خاطئة. عند الترددات المنخفضة (من بضعة كيلو هرتز) إلى بضعة ميغاهيرتز)، يمكن لنظرية الدائرة عادةً أن تشرح المشكلة جيدًا. وذلك لأنه عند الترددات المنخفضة، تكون الإشارة بشكل أساسي في الوضع التفاضلي. باستخدام نظرية الدائرة، يمكننا رؤية المكثف الموضح في الشكل 1، حيث المقاومة المتسلسلة المكافئة ( ESR) والمحاثة التسلسلية المكافئة (ESL) تجعل مقاومة المكثف تتغير مع التردد.
يشرح هذا النموذج بشكل كامل أداء الدائرة عندما يتم تبديل الدائرة ببطء. ومع ذلك، مع زيادة التردد، تصبح الأمور أكثر وأكثر تعقيدا. وفي مرحلة ما، يبدأ المكون في إظهار عدم الخطية. وعندما يزيد التردد، يظهر نموذج LCR البسيط له حدوده.
اليوم، إذا سُئلت عن نفس سؤال المقابلة، فسأرتدي نظارتي لمراقبة نظرية المجال وأقول إن كلا النوعين من المكثفات عبارة عن أجهزة لتخزين الطاقة. والفرق هو أن المكثفات الإلكتروليتية يمكنها تخزين طاقة أكثر من المكثفات الخزفية. ولكن من حيث نقل الطاقة يمكن للمكثفات الخزفية نقل الطاقة بشكل أسرع. وهذا ما يفسر ضرورة وضع المكثفات الخزفية بجوار الشريحة، لأن الشريحة لديها تردد تبديل وسرعة تبديل أعلى مقارنة بدائرة الطاقة الرئيسية.
ومن هذا المنظور، يمكننا ببساطة تحديد معيارين لأداء المكثفات. أحدهما هو مقدار الطاقة التي يمكن للمكثف تخزينها، والآخر هو مدى سرعة نقل هذه الطاقة. وكلاهما يعتمد على طريقة تصنيع المكثف، المادة العازلة، الاتصال مع مكثف، وهلم جرا.
عندما يتم إغلاق المفتاح في الدائرة (انظر الشكل 2)، فهذا يشير إلى أن الحمل يحتاج إلى طاقة من مصدر الطاقة. والسرعة التي يغلق بها هذا المفتاح تحدد مدى إلحاح الطلب على الطاقة. وبما أن الطاقة تنتقل بسرعة الضوء (نصف (سرعة الضوء في المواد FR4)، يستغرق نقل الطاقة وقتًا. بالإضافة إلى ذلك، هناك عدم تطابق في الممانعة بين المصدر وخط النقل والحمل. وهذا يعني أن الطاقة لن تنتقل أبدًا في رحلة واحدة، بل في عدة رحلات. رحلات ذهابًا وإيابًا 5، ولهذا السبب عندما يتم التبديل بسرعة، نرى 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 نقل الطاقة يستغرق وقتا وعدة رحلات ذهابا وإيابا تخبرنا أننا بحاجة إلى تحديد مصدر الطاقة في أقرب وقت ممكن من الحمل، ونحن بحاجة إلى إيجاد طريقة لنقل الطاقة بسرعة. وعادة ما يتم تحقيق الأول عن طريق تقليل الجهد الفيزيائي المسافة بين الحمل والمفتاح والمكثف. ويتم تحقيق هذا الأخير من خلال جمع مجموعة من المكثفات بأصغر مقاومة.
تشرح نظرية المجال أيضًا أسباب ضوضاء الوضع الشائع. باختصار، يتم إنشاء ضوضاء الوضع الشائع عندما لا يتم تلبية الطلب على الطاقة للحمل أثناء التبديل. وبالتالي، 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).
نحن 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 المحددة.
تستخدم المكثفات الإلكتروليتية بشكل أساسي في وصلة التيار المستمر كمصدر رئيسي للطاقة. غالبًا ما يعتمد اختيار المكثف الإلكتروليتي على:
بالنسبة لأداء التوافق الكهرومغناطيسي (EMC)، فإن أهم خصائص المكثفات هي خصائص المعاوقة والتردد. وتعتمد الانبعاثات الصادرة ذات التردد المنخفض 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. مساحة الحلقة الحرارية الأكبر تعني أن نقل الطاقة يستغرق وقتًا أطول، وبالتالي الأداء سيتأثر.
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 على PCB، تأكد من عدم وجود أسلاك طويلة، لأن هذا سيزيد من ESL المكثف. 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 و ESR 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 الوقت الإجمالي لنقل الطاقة. ومع ذلك، عند الترددات الأعلى، سوف يتقلص الفرق بين مكثفين 330 ميكروفاراد ومكثف واحد 680 ميكروفاراد. وذلك لأن الضوضاء عالية التردد تشير إلى استجابة غير كافية للطاقة. عند تحريك مكثف 330 ميكروفاراد أقرب إلى التبديل، فإننا نقوم بتقليل وقت نقل الطاقة، مما يزيد بشكل فعال من استجابة الخطوة للمكثف.
تخبرنا النتيجة بدرس مهم للغاية. إن زيادة سعة مكثف واحد لن تدعم بشكل عام الطلب التدريجي لمزيد من الطاقة. وإذا أمكن، استخدم بعض المكونات السعوية الأصغر. وهناك العديد من الأسباب الوجيهة لذلك. الأول هو التكلفة. بشكل عام التحدث، لنفس حجم العبوة، تزيد تكلفة المكثف بشكل كبير مع قيمة السعة. قد يكون استخدام مكثف واحد أكثر تكلفة من استخدام عدة مكثفات أصغر. والسبب الثاني هو الحجم. وعادة ما يكون العامل المحدد في تصميم المنتج هو الارتفاع بالنسبة للمكونات. بالنسبة للمكثفات ذات السعة الكبيرة، غالبًا ما يكون الارتفاع كبيرًا جدًا بالنسبة لتصميم المنتج. والسبب 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. غالبًا ما يُطرح علي السؤال "ما هو حجم المكثف الذي أحتاجه؟" والإجابة على هذا السؤال هي 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 المعاوقة الأصغر عند 100 ميجاهرتز سيكون اختيارًا جيدًا.
وهذا سوء فهم آخر لـ MLCC. لقد رأيت المهندسين ينفقون الكثير من الطاقة في اختيار المكثفات الخزفية ذات أدنى ESR وESL قبل توصيل المكثفات بالنقطة المرجعية للتردد الراديوي من خلال آثار طويلة. ومن الجدير بالذكر أن ESL لـ MLCC عادةً ما يكون كثيرًا أقل من محاثة التوصيل الموجودة على اللوحة. لا تزال محاثة التوصيل هي المعلمة الأكثر أهمية التي تؤثر على مقاومة التردد العالي للمكثفات الخزفية7.
يوضح الشكل 7 مثالاً سيئًا. تقدم المسارات الطويلة (بطول 0.5 بوصة) محاثة 10nH على الأقل. وتظهر نتيجة المحاكاة أن ممانعة المكثف تصبح أعلى بكثير من المتوقع عند نقطة التردد (50 ميجاهرتز).
إحدى مشكلات MLCC هي أنها تميل إلى الصدى مع البنية الاستقرائية الموجودة على اللوحة. يمكن ملاحظة ذلك في المثال الموضح في الشكل 8، حيث يؤدي استخدام MLCC 10 μF إلى تقديم رنين عند حوالي 300 كيلو هرتز.
يمكنك تقليل الرنين عن طريق اختيار مكون ذو قيمة ESR أكبر أو ببساطة وضع مقاوم ذو قيمة صغيرة (مثل 1 أوم) على التوالي مع مكثف. يستخدم هذا النوع من الطريقة مكونات مع فقدة لقمع النظام. وهناك طريقة أخرى وهي استخدام سعة أخرى قيمة لتحريك الرنين إلى نقطة رنين أقل أو أعلى.
تُستخدم مكثفات الأفلام في العديد من التطبيقات. وهي المكثفات المفضلة لمحولات DC-DC عالية الطاقة وتستخدم كمرشحات لقمع EMI عبر خطوط الطاقة (التيار المتردد والتيار المستمر) وتكوينات الترشيح ذات الوضع المشترك. نحن نأخذ مكثف X كـ مثال 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 كنت تعرف كل هذا بالفعل، ولكن هل تعلم أن قيمة السعة لمكثف X يمكن أن تنخفض بشكل كبير مع سنوات من الاستخدام؟ وهذا صحيح بشكل خاص إذا تم استخدام المكثف في بيئة رطبة. لقد رأيت قيمة السعة لـ ينخفض ​​مكثف X إلى نسبة قليلة فقط من قيمته المقدرة خلال عام أو عامين، لذلك فقد النظام المصمم في الأصل باستخدام مكثف X كل الحماية التي قد يتمتع بها المكثف الأمامي.
إذًا، ماذا حدث؟ قد يتسرب هواء الرطوبة إلى داخل المكثف، أعلى السلك، وبين الصندوق ومركب تأصيص الإيبوكسي. ويمكن بعد ذلك أكسدة معدن الألمنيوم. تعتبر الألومينا عازلًا كهربائيًا جيدًا، وبالتالي تقلل السعة. وهذه مشكلة ستواجه جميع المكثفات الفيلمية. المشكلة التي أتحدث عنها هي سمك الفيلم. تستخدم العلامات التجارية للمكثفات ذات السمعة الطيبة أفلامًا أكثر سمكًا، مما يؤدي إلى مكثفات أكبر من العلامات التجارية الأخرى. الفيلم الرقيق يجعل المكثف أقل قوة في التحميل 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 لمنتج يحتوي على مفتاح ثابت بين مصدر الطاقة والمكثف، قد يكون الحجم أكثر أهمية من الحياة، و ثم يمكنك اختيار مكثف أرق.
ومع ذلك، إذا كان المكثف متصلاً بشكل دائم بمصدر الطاقة، فيجب أن يكون موثوقًا للغاية. إن أكسدة المكثفات ليست حتمية. إذا كانت مادة إيبوكسي المكثف ذات نوعية جيدة ولم يتعرض المكثف غالبًا لدرجات حرارة شديدة، فإن الانخفاض في يجب أن تكون القيمة ضئيلة.
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 لـ EMC لشركة Mach One Design Ltd، وهي شركة هندسية مقرها المملكة المتحدة متخصصة في استشارات EMC واستكشاف الأخطاء وإصلاحها والتدريب. وقد استفادت معرفته المتعمقة في 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