- ESR בקבלים
- מדידת ESR בקבלים
- כיצד ESR משפיע על ביצועי הקבל
- ESL בקבל
- מדידת ESL של קבלים
- כיצד ESL משפיע על תפוקת הקבלים
- חשיבות מעשית של ESR ו- ESL
רכיבי האלקטרוניקה הנפוצים ביותר בכל תכנון אלקטרוני הם נגדים (R), קבלים (C) והמשרנים (L). רובנו מכירים את היסודות של שלושת המרכיבים הפסיביים הללו וכיצד להשתמש בהם. באופן תיאורטי (בתנאים אידיאליים) קבל יכול להיחשב כקבל טהור בעל מאפיינים קיבוליים בלבד, אך בפועל לקבל יהיו גם כמה מאפיינים התנגדותיים ואינדוקטיביים המשויכים אליו, אותם אנו מכנים כעמידות הטפילית או ההשראה הטפילית. כן, ממש כמו טפיל תכונות ההתנגדות וההשראות הבלתי רצויות הללו יושבות בתוך קבלים המונעים ממנו להתנהג כמו קבלים טהורים.
מכאן שבעת תכנון מהנדסי מעגל רואים בעיקר את הצורה האידיאלית של הרכיב, במקרה זה הקיבול ואז יחד איתו גם הרכיבים הטפיליים (השראות והתנגדות) נחשבים לסדרה איתו. התנגדות טפילית זו מכונה התנגדות סדרת שווה ערך (ESR) וההשראות הטפילית נקראת השראה מסדרת שווה ערך (ESL) ערך ההשראות והתנגדות זה יהיה קטן מאוד, שניתן יהיה להזניח אותה בתכנונים פשוטים. אך ביישומים מסוימים בעלי הספק גבוה או בתדירות גבוהה ערך זה יכול להיות קריטי מאוד ואם לא נחשב בו עשוי להפחית את יעילות הרכיב או להפיק תוצאות בלתי צפויות.
במאמר זה נלמד עוד על ESR ו- ESL זה, כיצד למדוד אותם וכיצד הם יכולים להשפיע על מעגל. בדומה לכך למשרן יהיו גם כמה מאפיינים טפיליים הקשורים אליו הנקראים DCR עליהם נדון במאמר אחר בפעם אחרת.
ESR בקבלים
קבלים אידיאליים בסדרה עם התנגדות נקראים התנגדות סדרת שווה ערך של הקבל. התנגדות הסדרה המקבילה או ESR בקבל היא ההתנגדות הפנימית המופיעה בסדרה עם הקיבול של המכשיר.
בואו נראה את הסמלים שלהלן , המייצגים את ESR של הקבל. סמל הקבל מייצג את הקבל האידיאלי ואת הנגד כהתנגדות סדרתית שווה ערך. הנגד מחובר בסדרה עם הקבל.
קבל אידיאלי הוא lossless, כלומר תשלום בחנות קבלים ומספק את אותה כמות מטען כפלט. אבל בעולם האמיתי, לקבלים יש ערך קטן של התנגדות פנימית סופית. התנגדות זו מגיעה מחומר דיאלקטרי, דליפה במבודד או במפריד. בנוסף לכך, התנגדות סדרת שווה ערך או ESR יהיו בעלי ערכים שונים בסוגים שונים של קבלים על בסיס ערך הקיבול והבנייה שלו. לפיכך עלינו למדוד את ערכו של ESR זה בכדי לנתח את המאפיינים המלאים של קבלים.
מדידת ESR בקבלים
מדידת ה- ESR של הקבל היא קצת מסובכת מכיוון שההתנגדות אינה התנגדות DC טהורה. זה נובע מהרכוש של קבלים. קבלים חוסמים את DC ומעבירים את ה- AC. לכן, לא ניתן להשתמש במד אוהם סטנדרטי למדידת ה- ESR. ישנם מטרים ספציפיים של ESR הזמינים בשוק אשר יכולים להיות שימושיים למדידת ה- ESR של קבלים. מטרים אלה משתמשים בזרם חילופין, כגון גל מרובע בתדר מסוים על פני הקבל. בהתבסס על השינוי בתדירות האות ניתן לחשב את ערך ה- ESR של הקבל. יתרון בשיטה זו הוא שמכיוון ש- ESR נמדד ישירות על פני שני המסופים של הקבל, ניתן למדוד אותו מבלי להסיר את הלחמתו מהלוח.
דרך תיאורטית נוספת לחישוב ESR של הקבל היא מדידת מתח האדווה וזרם אדווה של הקבל ואז היחס בין שניהם ייתן את ערך ה- ESR בקבל. עם זאת, מודל מדידת ESR נפוץ יותר הוא החלת מקור זרם חילופין על פני הקבל עם התנגדות נוספת. מעגל גולמי למדידת ESR מוצג להלן
ה- Vs הוא מקור גלי הסינוס ו- R1 הוא ההתנגדות הפנימית. הקבל C הוא הקבל האידיאלי ואילו R2 הוא ההתנגדות הסדרתית המקבילה של הקבל האידיאלי. דבר אחד צריך לזכור כי במודל מדידת ESR זה מתעלמים מההשראות העופרת של הקבל והוא לא נחשב כחלק המעגל.
העברת פונקציה של מעגל זה יכול להיות מתואר להלן formula-
במשוואה לעיל משתקפת תכונת המעבר הגבוהה של המעגל; ניתן להעריך את הקירוב של פונקציית ההעברה כ-
H (s) ≈ R2 / (R2 + R1) ≈ R2 / R1
הקירוב הנ"ל מתאים לפעולות בתדירות גבוהה. בשלב זה המעגל מתחיל להחליש ולפעול כמחליש.
גורם ההחלשה יכול לבוא לידי ביטוי כ-
⍺ = R2 / (R2 + R1)
ניתן להשתמש בגורם הנחתה זה ובהתנגדות הפנימית R1 של מחולל גל הסינוס למדידת הקבלים ESR.
R2 = ⍺ x R1
לכן, מחולל פונקציות יכול להיות שימושי לחישוב ה- ESR של הקבלים.
בדרך כלל, ערך ה- ESR נע בין כמה מיליומטר לכמה אוהם. בקבלים אלקטרוליטיים וטנטלום מאלומיניום יש ESR גבוה בהשוואה לסוג התיבה או לקבלים קרמיים. עם זאת, ההתקדמות המודרנית בטכנולוגיית ייצור הקבלים מאפשרת לייצר קבלים ESR נמוכים במיוחד.
כיצד ESR משפיע על ביצועי הקבל
ערך ה- ESR של הקבל הוא גורם מכריע ליציאת הקבלים. קבלים ESR גבוהים מפיצים חום ביישום זרם גבוה וחיי הקבלים יורדים בסופו של דבר, מה שתורם גם לתקלה במעגלי אלקטרוניקה. באספקת חשמל, שבהם חשש לזרם גבוה, קבלים ESR נמוכים נדרשים למטרות סינון.
לא רק בפעולות הקשורות לאספקת חשמל אלא גם ערך ESR נמוך, הוא חיוני גם למעגל המהיר. בתדרי הפעלה גבוהים מאוד, בדרך כלל נעים בין מאות מגה-הרץ למספר גיגה-הרץ, ESR של הקבל ממלא תפקיד חיוני בגורמי אספקת החשמל.
ESL בקבל
כמו ESR, ESL הוא גם גורם מכריע עבור קבלים. כפי שנדון בעבר, במצב אמיתי קבלים אינם אידיאליים. ישנה התנגדות תועה וכן השראות תועה. מודל ESL טיפוסי של קבלים המוצג להלן. הקבל C הוא הקבל האידיאלי והמשרן L הוא השראות הסדרה המחוברת בסדרה עם הקבל האידיאלי.
בדרך כלל, ESL אמין מאוד בלולאה הנוכחית; עלייה בלולאה הנוכחית מגדילה גם את ה- ESL בקבלים. המרחק בין סיום העופרת לנקודת חיבור המעגל (כולל רפידות או רצועות) משפיע גם על ה- ESL בקבלים מכיוון שמרחק הסיום המוגבר מגדיל גם את הלולאה הנוכחית וכתוצאה מכך השראות סדרות שוות גבוהות.
מדידת ESL של קבלים
ניתן לבצע את המדידה של ESL בקלות על ידי התבוננות על עכבת לעומת עלילת התדרים הניתנת על ידי גליון הנתונים של יצרן הקבלים. העכבה של הקבל משתנה כאשר משתנה התדר על פני הקבל. במהלך המצב, כאשר בתדירות מסוימת התגובה הקיבולית והתגובה האינדוקטיבית שווים, זה נקרא 'נקודת הברך'.
בשלב זה, הקבל העצמי מהדהד. ה- ESR של הקבל תורם לרידוד את עלילת העכבה עד שהקבל הגיע למקום 'הברך' או בתדר המהדהד העצמי. לאחר נקודת הברך, עכבת הקבל מתחילה לעלות בגלל ה- ESL של הקבל.
התמונה לעיל היא עלילת עכבה לעומת תדר של MLCC (קבלים קרמיים רב שכבתיים). שלושה קבלים, 100nF, 1nF X7R class ו- 1nF של קבלים NP0 מוצגים. ניתן לזהות בקלות את נקודות הברך על הנקודה התחתונה של העלילה בצורת V.
לאחר זיהוי תדירות נקודת הברך, ניתן למדוד את ה- ESL לפי הנוסחה הבאה
תדר = 1 / (2π√ (ESL x C))
כיצד ESL משפיע על תפוקת הקבלים
תפוקת הקבלים מתכלה על ידי הגדלת ESL, כמו ESR. ESL מוגבר תורם לזרימת זרם לא רצויה ויוצר EMI, מה שיוצר עוד תקלות ביישומים בתדירות גבוהה. במערכת הקשורה לאספקת חשמל, השראות טפילית תורמת למתח האדווה הגבוה. מתח אדווה הוא פרופורציונלי לערך ה- ESL של הקבלים. ערך ESL גדול של קבלים יכול גם לגרום לצורות גל מצלצלות, מה שהופך את המעגל להתנהג מוזר.
חשיבות מעשית של ESR ו- ESL
התמונה שלהלן מספקת את המודל בפועל של ESR ו- ESL בקבל.
כאן, הקבל C הוא קבלים אידיאליים, הנגד R הוא התנגדות סדרת שווה ערך והמשרן L הוא השראות הסדרה המקבילה. בשילוב שלושת אלה מיוצר הקבל האמיתי.
ESR ו- ESL אינם מאפיינים כל כך נעימים של קבלים, הגורמים למגוון הפחתת ביצועים במעגלים אלקטרוניים, במיוחד ביישומים בתדירות גבוהה ובזרם גבוה. ערך ESR גבוה תורם לביצועים הירודים עקב הפסדי הספק שנגרמים על ידי ESR; ניתן לחשב את אובדן הכוח באמצעות חוק כוח I 2 R כאשר R הוא ערך ה- ESR. לא רק זאת, רעשים וירידה במתח גבוה מתרחשים גם בגלל ערך ESR גבוה לפי חוק אוהם. טכנולוגיית ייצור קבלים מודרנית מפחיתה את ערך ה- ESR וה- ESL של הקבל. ניתן לראות שיפור עצום בגרסאות ה- SMD של קבלים רב-שכביים של ימינו.
קבלים בעלי ערך ESR נמוך יותר ו- ESL עדיפים כמסנני פלט במעגלי אספקת חשמל מיתוגיים או בתכנון SMPS מכיוון שתדירות המיתוג גבוהה במקרים אלה, בדרך כלל קרובה למספר MH z שנעה בין מאות קילוהרץ. מסיבה זו, קבלים הקלט וקבלים למסנן הפלט צריכים להיות בערך ESR נמוך, כך של אדוות התדרים הנמוכים אין השפעות על הביצועים הכוללים של יחידת אספקת החשמל. גם ה- ESL של הקבלים צריך להיות נמוך, כך שעכבת הקבל לא תתקיים עם תדר מיתוג אספקת החשמל.
באספקת חשמל עם רעש נמוך, שבו צריך לדכא את הרעשים ושלבי פילטר הפלט צריכים להיות נמוכים במספרים, קבלים ESR נמוכים במיוחד וקבלים ESL נמוכים שימושיים להפקה חלקה ומסירת כוח יציבה לעומס. ביישום כזה, אלקטרוליטים פולימרים הם בחירה מתאימה ומועדפים בדרך כלל על פני קבלים אלקטרוליטיים מאלומיניום.