קבל קרמי

קבל קרמי הוא קבל המשתמש בחומר קרמי כתווך הדיאלקטרי. שני הסוגים הנפוצים ביותר הם קבלים קרמיים רב שכבתיים (Multi-Layer Ceramic Capacitors - MLCC) וקבלי דיסק קרמי.

קרמיקה הייתה אחד החומרים הראשונים ששימשו לייצור קבלים, שכן זה היה מבודד ידוע. גאומטריות רבות שימשו בקבלים קרמיים, שחלקם, כמו קבלים צינוריים קרמיים וקבלי שכבת מחסום, מיושנים כיום בשל גודלם או המאפיינים החשמליים שלהם. MLCC מיוצרים בטכנולוגיית השמה משטחית (SMT) ונמצאים בשימוש נרחב. קבלים קרמיים מיוצרים בדרך כלל עם ערכי קיבול קטנים מאוד, בדרך כלל בין 1nF ל-1µF, אם כי אפשריים ערכים של עד 100µF. קבלים קרמיים הם קטנים מאוד בגודלם ובעלי מתח נקוב מרבי נמוך. הם אינם מקוטבים, ולכן ניתן לחברם בבטחה למקור זרם חילופין. לקבלים קרמיים יש תגובת תדר מצוינת בגלל השפעות טפיליות נמוכות כמו התנגדות טורית אקוויוולנטית או השראות טורית אקוויוולנטית.

מבנה

קבל קרמי רב-שכבתי

חתך של קבל קרמי רב-שכבתי

קבל קרמי רב-שכבתי (ראה איור מימין של חתך בקבל כזה) בנוי ממספר שכבות של חומר קרמי מצופה מתכת. כל ציפוי כזה מהווה אלקטרודה אחת של הקבל, כשציפוי צדה השני של השכבה מהווה את האלקטרודה השנייה של הקבל. בכל זוג כזה הציפוי של אלקטרודה אחת מחובר להדק הימני בעוד השכבה הבאה מחוברת להדק השמאלי. מספר זוגות כאלה מוערמים (Stacked) זה על זה ומהווים מספר קבלים המחוברים במקביל, כשהקיבול הכללי הוא סך הקיבולים של כל הזוגות. התוצאה היא קבל לחיבור במעגל בטכנולוגיה של השמה משטחית - SMT.

קבל דיסק קרמי

קבל דיסק קרמי (ראה איור משמאל של חתך בציפוי המגן החושף את המבנה הפנימי של קבל כזה) בנוי ממשטח מתכת (בדרך כלל נחושת) אליו מודבק דיסק קרמי המצופה מתכת מצדו החיצוני. הנחושת מחד וציפוי הדיסק מאידך מהווים קבל.

מאפיינים טיפוסיים

הן הקבל הרב-שכבתי והן קבל הדיסק הקרמי הם קבלי לוח. כבכל קבל לוח, בהינתן שטח הלוח והקבוע הדיאלקטרי של התווך בין הלוחות, עובי החומר הדיאלקטרי יקבע את הקיבול של הקבל. ככל שיקטן העובי יגדל הקיבול. אולם, הקטנת העובי תגרום להקטנת המתח המקסימלי המותר לפני פריצת וקריסת (Breakdown) התווך הדיאלקטרי.

לקבלים קרמיים יציבות גדולה בטמפרטורה ובמתח העבודה.

קיבול ומתח מקסימלי

לקבלים רב-שכבתיים מסחריים "מן המדף" גודל הקיבול הוא בתחום מכ-10nF ועד כ-1μF. לקבלים בתחום הקיבול הנמוך (עובי תווך דיאלקטרי גבוה), המתח המקסימלי הוא בין 1,000 ו-2,000 וולט בזרם ישר. לקבלים בתחום הקיבול הגבוה, המתח המקסימלי הוא כ-500 וולט בזרם ישר. לקבלי דיסק קרמיים הקיבול הוא בתחום של 100pF עד 1,500pF ומתח מקסימלי של מעל 10,000 וולט בזרם ישר.

יציבות וטווח

ישנן שני סוגים של קבלים קרמיים הזמינים כיום: Class 1 ו- Class 2.

קבלים קרמיים Class 1 משמשים כאשר נדרשת יציבות גבוהה והפסדים נמוכים. הם מדויקים מאוד וערך הקיבול יציב ביחס לשינויים במתח המופעל, הטמפרטורה והתדירות. לסדרת הקבלים NP0 יש יציבות תרמית קיבולית של ±0.54% בטווח הטמפרטורות של 55- עד 125+ מעלות צלזיוס. הטולרנס (טווח) של ערך הקיבול ביחס לערך הנומינלי יכול להיות נמוך עד כדי 1%.

קבלים Class 2 הם בעלי קיבול גבוה לנפח והם משמשים ליישומים פחות רגישים. היציבות התרמית שלהם היא בדרך כלל ±15% בטווח טמפרטורת ההפעלה, והטולרנס של הקיבול ביחס לנומינלי יכול להיות בסביבות 20%.

גודל פיזי

כאשר נדרשת צפיפות גבוהה של רכיבים, כפי שקורה ברוב המעגלים המודפסים המודרניים, מציעים התקני MLCC יתרון גדול בהשוואה לקבלים אחרים. כדי להמחיש נקודה זו, הממדים של קבלים קרמיים רב-שכבתיים באריזה 0402 הם 4 מ"מ על 2 מ"מ. באריזה כזו יש 500 או יותר שכבות קרמיקה ומתכת. עובי הקרמיקה המינימלי נכון לשנת 2010 הוא בסדר גודל של 0.5 מיקרון.

שימושים טיפוסיים

קבלים קרמיים יכולים לשמש במגוון רחב של שימושים במעגלים חשמליים, מכיוון שהם אינם מקוטבים וזמינים במגוון גדול של קיבולים, רמות מתח וגדלים פיזיים. יישום אחד הדורש דיוק גבוה והספק גדול הוא מעגל תהודה במשדרים. קבלים בעלי הספק גבוה מסוג 2 משמשים בספקי כוח לייזר במתח גבוה, במפסקי חשמל, בתנורי אינדוקציה וכו'. קבלים קטנים מסוג SMT משמשים במעגלים מודפסים. קבלי דיסק משמשים גם בממירי DC-DC בהם יש עומס רב על הקבל ורמות גבוהות של רעש חשמלי. קבלי דיסק קרמיים המחוברים להדקי מנועי DC בעלי מברשות משמשים שם למזער רעשי RF.

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא קבל קרמי בוויקישיתוף

• קבל קרמי, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)