התנהגות קבלים בתדר

אולם, בקבל אמיתי התנהגות זו מתקיימת רק עד תדר מסויים (שיפורט בהמשך). מעבר לתדר זה, הקבל משנה את אופן פעולתו ומפסיק להתנהג כקבל. תדר זה-הנקרא תדר תהודה העצמית -     Self Resonant Frequency הוא מהפרמטרים החשובים ביותר בבחירת קבל לסינון, משום שבו מתקבל האימפדנס הנמוך ביותר של הקבל.

מכאן, המודל השקול (המעגל שווה ערך) של קבל אמיתי כולל קבל אידיאלי בטור עם התנגדות והשראות מיוצג:

מודל זה מדמה את התנהגות האמיתית של הקבל בתדרים שונים, ומסביר מדוע קיים תדר מסויים שבו הקבל מגיע למינימום אימפדנס, ומעבר לו - מתחילה התנהגות של סליל. 

מכאן ניתן להסיק את אימפדנס האמיתי של הקבל:

כאשר:

• ערך הקבל - C

• התנגדות הבידוד בין לוחות הקבל - Rp

• הפסדי המתח על הקבל - Rs

• השראות רגלי הקבל - ESL- Equivalent Series Inductance

השפעתם של המרכיבים הפרזיטיים על תפקוד הקבל מוצגת בתרשים למעלה. ניתן לראות בו את ההתנהגות של קבל אידיאלי (מוצגת בקו מקווקו) לעומת זו של קבל אמיתי. ככל שהתדר עולה, השפעת ההשראות הנובעת ממוליכי הקבל — וכן ממוליכי המעגל המודפס (PCB) — נעשית דומיננטית יותר, עד להגעה לתדר הקרוי Fr (תדר התהודה העצמית- Self Resonant Frequency ). ההשראות הזו מוגדרת כ ־ ESL (‏Equivalent Series Inductance) וניתן למצוא את ערכה בדפי הנתונים (Datasheet) של כל קבל.

בנקודת תדר זו (Fr), המרכיבים הקיבוליים וההשראותיים של הקבל נכנסים למצב של תהודה, והאימפדנס של הקבל הופך להתנגדות טהורה. ערך ההתנגדות בנקודה זו שווה לסכום ההתנגדויות הפנימיות - Rp + Rs, כאשר התנגדות זו מכונה ESR - Equivalent Series Resistance. 

כפי שצוין קודם לכן, תדר התהודה העצמית של הקבל הוא הפרמטר החשוב ביותר בבחירת קבל לסינון. תדר זה תלוי גם בסוג הקבל וגם בערך הקיבול שלו, וניתן לחשב אותו באמצעות הנוסחה:

סוגי קבלים:

קיימים סוגים שונים של קבלים, וההבדלים ביניהם נובעים ממבנה הקבל, אשר משפיע באופן ישיר על תכונותיו החשמליות. בהתאם לתכונות אלו, על מהנדס הכרטיס לבחור את סוג הקבל שיספק את ביצועי הסינון הטובים ביותר עבור היישום הספציפי. 

קבלים בחיבור מקבילי:

בתרשים מעלה מוצג גרף המתאר את האימפדנס ביחס לתדר של שלושה קבלים קרמיים ושלושה קבלים אלקטרוליטיים, בעלי ערכי קיבול שונים, המחוברים במקביל. ניתוח הגרף מאפשר להסיק מספר מסקנות חשובות. 

מסקנות מהגרף:

• כל קבל תורם בתחום תדר שונה: לכל אחד מהקבלים יש תדר תהודה עצמי שונה, בהתאם לערך הקיבול וה־ESL שלו. ניתן לראות שבכל תחום תדר, קיים לפחות קבל אחד שתורם להורדת האימפדנס הכולל – כלומר, לסינון הרעש.

• שילוב קבלים מסוגים שונים יעיל במיוחד: שילוב של קבלים קרמיים (לסינון תדרים גבוהים) עם קבלים אלקטרוליטיים (לסינון תדרים נמוכים) מביא לתוצאה של אימפדנס נמוך לאורך תחום תדרים רחב – החל מה-kHz ועד ה-MHz ואף מעבר לכך.

• מעבר לתדר התהודה – התנהגות אינדוקטיבית: לאחר תדר התהודה העצמית, כל קבל מתחיל להתנהג כאילו היה סליל – האימפדנס שלו עולה עם התדר.

• החיבור המקביל משפר את התנהגות הסינון הכוללת: כאשר מחברים כמה קבלים בערכים ובטכנולוגיות שונות במקביל, מתקבל פרופיל סינון שטוח ויעיל יותר, המנצל את היתרונות היחסיים של כל קבל.

סיכום:

לאחר קריאת המאמר, אנו יודעים שישנם סוגים שונים של קבלים ולמדנו אילו יתרונות והחסרונות יש בכל סוג. בעת בחירת קבל לשימוש כסינון רעשים, יש לשקול את מאפיין התדר מתוך הבנה שמה שמחובר במעגל אינו רק קיבול טהור אלא מעגל תהודה LC בעל התנגדות טורית R אשר משנה את התנהגותו עם עליית התדר. 

מנקודת מבט של סינון רעשיים בתחום ה- EMC הקבל הינו רכיב מרכזי. אנו נלמד במאמרים הבאים, איך תכונת של אימפדנס נמוך מאוד בנקודת התהודה העצמית של הקבל היא קריטית בסינון רעשיים.

לסיום, רוצה לשתף אתכם בסרטון יוטיוב מעולה המסביר היטב את כל מה שלמדנו במאמר זה. לבחור קוראים דייב יונס והוא מטפח ערוץ יוטיוב ללימוד אלקטרוניקה, הוא מלמד על נושאים רבים, ממליץ בחום להירשם לערוץ שלו.

כמובן שכל זכויות היוצרים של הסרטון שייכות למר דייב יונס ( Mr. Dave Jones ) .

ערוץ היוטיוב:  https://www.youtube.com/@EEVblog

אתר: https://www.eevblog.com