Yuval Hernik,
Vishay Foil Resistors
המימדים הקטנים והולכים של מערכות אלקטרוניות ושל רכיבים אלקטרוניים אמנם סיפקו יתרונות רבים למשתמשים, אך גם סיבכו את תהליך התכנון האלקטרוני. עובדה זו נכונה במיוחד כאשר מדובר בניהול חום (Thermal management). בעוד שמיזעור גודל הרכיבים יכול היה להקטין את הגראדיינטים של החום על פני כל רכיב מסוים, הקרבה הפיזית שבין רכיב אחד למשנהו, והריכוז המוגבר של החום במרחב קטן יותר, עלולים לגרום לבעיות חדשות. אחת מהבעיות האלו היא תופעת הכוח האלקטרו-מניע תרמי (ThEMF= Thermal Electro Motive Force) אשר גורם לאות מתח שגוי במעגלי מתח ישר. מאמר זה מראה כיצד אפשר להקטין למינימום את ה-ThEMF, על ידי הענקת תשומת לב רבה יותר לבחירת החומרים והרכיבים, למען ניהול חום מושכל באזורים קריטיים במיוחד ויצירה נכונה של מערך הנחת הרכיבים (layout) במעגל.
היסודות של מקורות רעש במעגלי מתח ישר לאותות נמוכים
בעת תכנון מעגל מתח ישר לאותות נמוכים, חשוב לשמור ברמה מזערית את השפעתם של מקורות הרעש. המקורות החיצוניים המושרים הם הפרעות EMI והפרעות RFI. קיימים גם כמה סוגי רעש שנוצרים באופן פנימי. חלק מאלו הם רעש Johnson, רעש זרם, רעש Shot ורעש “פופקורן”. בנוסף קיים גם רעש שנוצר מכוח אלקטרו מגנטי אשר מושרה מרעידות, רעש טריבואלקטרי (triboelectric) ורעש אלקטרוסטטי.
בשנת 1821 גילה תומס סיבק (Thomas Seebeck) שכאשר מחברים שני קצוות של שני מוליכים העשויים ממתכות שונות, ומחזיקים את שני הצמתים שנוצרו באופן כזה בטמפרטורות שונות, יזרום בלולאה שנוצרה זרם (עיין באיור 1).
גודלו של הזרם הזה יחסי לשלושה גורמים:
1. הפרש הטמפרטורות בין הצמתים שבשני הקצוות
2. מקדמי Seebeck (מידות של יחסיות בהתבסס על מתכות שונות) של החומרים מהם עשויים שני תיילי המוליכים
3. התנגדות הלולאה
כמו כן ,הפרש פוטנציאלים מתפתח בין שני הצמתים: הקר והחם (איור 2)
מתח זה יהיה יחסי להפרש הטמפרטורות שבין שני קצות המוליכים ולהפרש שבין מקדמי Seebeck של המתכות, אשר מהן המוליכים עשויים. מאחר שלמודד יש באופן מעשי התנגדות כניסה אינסופית, לא יזרום כל זרם במעגל, ולכן לא ייווצר מפל מתח על המוליכים ומכאן שהתנגדות הלולאה לא תהווה גורם משפיע עוד.
זה העיקרון הבסיסי של פעולת מדי החום מסוג צמד תרמי (thermocouple). הצומת שבצד המודד נשמרת בטמפרטורת ייחוס קבועה (בדרך כלל 0 מעלות צלזיוס) באמצעות טבילה באמבט קרח או באמצעות מעגל אלקטרוני שמדמה תנאים של טמפרטורת אפס, והצומת שבקצה השני נמצאת במקור החום.
מקדם Seebeck מכונה גם “מקדם הכוח האלקטרו-מניע התרמי” או בפשטות מקדם ThEMF.
מאחר שקשה מאוד לחזות את מקדם
ה-ThEMF של סגסוגת מתוך הרכב היסודות שבה, כל הערכים השייכים למתכות ולסגסוגות שבדרך כלל משמשות, מתקבלים במדידה. המדידות מבוצעות על ידי השוואה בין המתכת או הסגסוגת הנבחרת לבין מתכת ייחוס נפוצה, כמו למשל פלטינה או נחושת. לכן, מקדם ה-ThEMF עבור כל מתכת מוגדר ביחס לאותה מתכת ייחוס.
כל מקדמי ה-ThEMF הם תלויי טמפרטורה. המספרים הנתונים הם ערכים ממוצעים בטווח הטמפרטורות שבין 0 ל-100 מעלות צלזיוס. למעט ביישומים תובעניים ביותר, השגיאה הקטנה שנוצרת כתוצאה מערכים ממוצעים אלו זניחה.
היחידות של ThEMF המתייחסות לנחושת או לפלטינה הן מיקרו-וולט למעלה צלזיוס. כאשר ידוע לנו הערך של ה-ThEMF עבור חומר אשר מיוחס לפלטינה, אפשר לחשב את הערך המיוחס לנחושת. חישוב זה נעשה על ידי חיסור הערך של ה-ThEMF של נחושת ביחס לפלטינה (7.6 מיקרו וולט למעלה צלזיוס) מהערך של ה-ThEMF של אותו החומר ביחס לפלטינה. באופן דומה, אפשר למצוא את ה-ThEMF שיש לצמד מתכות כלשהן, פשוט על ידי חיסור ערכי ה-ThEMF של כל אחד מהם, כפי שהוא מיוחס לנחושת.
שיקולי תכנון
מוליכים רבים העשויים ממתכות, מסגסוגות וממתכות מרוכבות משמשים ברכיבים אלקטרוניים. חלק מרכיבים אלו, כמו למשל נגדים ומוליכים למחצה, מפיקים חום פנימי (הידוע בשם חום עצמי או תופעת ג’אול – Joule effect). על כן קשה ביותר להימנע מיצירה של ThEMF במעגלים אלקטרוניים. עם זאת, אפשר להשיג תוצאות טובות על ידי מתן תשומת לב קפדנית לבחירת החומרים והרכיבים, ניהול חום באזורים החשובים ויצירת מערך נכון של מערך הנחת הרכיבים במעגל (layout).
דרך נוספת שבה ניתן לבחון את ה-ThEMF, היא על ידי כך שנדמיין סוללות קטנות המחוברות בטור אל כל אחד מהרכיבים. המתח של כל אחת מהסוללות יהיה שווה להפרש הטמפרטורה בין שני הצמתים, כפול מקדם ה-ThEMF המוגדר עבור המתכות של הצומת האמור.
קיימות כמה נקודות שיש לזכור בעת תכנון של מעגלים אלקטרוניים לעיבוד אותות מתח ישר נמוכים. ראשית, החום שייפלט על ידי אזורי שכבת הנחושת הדקה של המעגל המודפס יהיה בעוצמה גבוהה – כמעט פי 30 יותר – מאשר החום שייפלט על ידי לוח המעגל עצמו העשוי אפוקסי מחוזק בסיבי זכוכית (Epoxy glass). בתכנונים של מעגלים עם ThEMF נמוך, חיוני לשמור שכל הצמתים יהיו באותה הטמפרטורה. המשמעות היא תכנון של האזורים במעגל עם אותות נמוכים או רגישים, כאיים שווי טמפרטורה (איזותרמיים) שבהם הטמפרטורה נשמרת אחידה על פני האזור כולו. חשוב להקטין את החום הנכנס לתוך צומת באותה מידה שבה חשוב להקטין את החום היוצא ממנו. חום יכול לזרום אל תוך צומת או לצאת ממנו בשלושה דרכים: הראשונה, בהולכה דרך מוליכי הנחושת או דרך טרמינציות (terminations) של הרכיבים. השנייה, בקרינה מתוך רכיבים חמים הסמוכים לצומת. השלישית, באמצעות הסעת חום על ידי אוויר הזורם באופן טבעי או באופן מאולץ בתוך המארז.
יש להשתמש ככל האפשר בחומרים וברכיבים המייצרים ThEMF נמוך. כתוצאה מההתאמה הקרובה של ההתפשטות התרמית בין סגסוגת Kovar לבין זכוכית, רבים הם הרכיבים האלקטרוניים שנאטמים באמצעות תפרי זכוכית עם סיומות או חיבורי לולאה (eyelet) המובילים אל מחוץ למארז שלהם. רוב מוחלט של חיבורי המארזים האטומים עשויים מסגסוגת Kovar או מחומר דומה ביותר. לרוע המזל, מקדם ה-ThEMF של Kovar ביחס לנחושת הוא אחד הגדולים ביותר הקיימים בסגסוגות שמשמשות במערכות אלקטרוניות. (-35מיקרו-וולט למעלה צלזיוס).
במעגלי חישה אנלוגיים קיימות יציאות של חיישן עם טווחי פעולה של מיקרו-וולטים, בדרך כלל, כ-5 מיקרו-וולט. במצב רגיל, מתח כזה היה מוגבר עד לרמת מתח ישומית וגבוהה יותר, בדרך כלל עד 5 וולט בערך, באמצעות סדרה של מגברים עם מגבר הפרשי בראש. אך עם זאת, אם לרכיב במעגל החיישן יש הפרש טמפרטורות המגיע רק ל-0.02 מעלה צלזיוס עם מקדם ThEMF של 35 מיקרו-וולט, תיווצר במעגל החישה הנ”ל שגיאה של 0.7 מיקרו וולט, או של 14% בערך. ומאחר שמתח ThEMF מוטבע במתח החישה – ולא כחלק מאות הגל הנושא – אין הוא מונחת בפונקצית הדחייה CMR של מגבר ההפרש. באופן דומה, כאשר קיים ThEMF בחלק של מגבר השרת, השגיאה שיוצר ה-ThEMF מוגברת באופן דומה לאות הרצוי ושומרת על אותה שגיאה יחסית.
שיקול חשוב נוסף קובע שיש להקפיד שהמוליכים של הרכיבים בעלי הדיוק הגבוה יהיו עשויים מסגסוגות בעלות ThEMF נמוך במידה מספקת וללא השפעה. מאחר שקיימים לפחות שני חיבורים פנימיים בתוך הרכיב, כל גראדיינט טמפרטורה בתוך הרכיב עצמו יגרום ליצירה של מתח ThEMF פנימי. יש למנוע כל דבר שעלול לגרום ליצירה של גראדיינטים של טמפרטורה בתוך הרכיב. גראדיינטים של טמפרטורה עלולים להיגרם גם מתוך פיזור לא נכון כלפי חוץ של חום שנוצר באופן פנימי בתוך רכיבים. חלק מהיצרנים מספקים תכנון פנימי טוב של ThEMF. לדוגמה, המפרט של ThEMF הפנימי של נגדי יריעה
(Bulk Metal® Foil) של קבוצת VPG מוגדר להיות פחות מאשר 0.1 מיקרו-וולט לכל מעלה צלזיוס.
כמו כן, מומלץ להוסיף סיכוך על מנת להרחיק מעגלים של אותות נמוכים מאזורים של הספק גבוה. מניפת קירור יכולה לחמם אזור מסוים, בה במידה שהיא יכולה לקרר אותו, בגלל הדרך שבה זרמי ההסעה של האוויר נוצרים בתוך מארז המערכת האלקטרונית.
מגברי שרת בעלי צריכת הספק נמוכה ומחלקי מתח בעלי התנגדויות גבוהות יפעלו תמיד באופן טוב יותר בתוך מעגלים לאותות נמוכים. באופן כללי, אפשר להשיג תוצאות טובות אם ערכי ההתנגדויות יישמרו בתחום שבין 10 קילו אוהם ל-150 קילו אוהם.
חשוב להבין את המקורות של ה-ThEMFבנגדים. מאחר שמוליכי הנגדים או מוליכי הטרמינציות עשויים בדרך כלל ממתכת שהיא שונה מהחומר של ההתנגדות, ThEMF בתוך רכיבים אלו נוצר על ידי מקורות חום חיצוניים, או כתוצאה מחום שמתפתח בשעה שמחברים מתח לנגד או עקב שתי התופעות יחדיו. בנגד שמורכב משני מוליכים או מחיבורי כריכה המתחברים אל יחידת ההתנגדות, הקוטביות של ThEMF בקצה הנגד מנוגדת לקוטביות של ThEMF בקצהו השני. אם שני הקצוות נמצאים בטמפרטורות שונות נוצר מתח שגיאה פרזיטי שמשפיע על מעגלי מתח ישר.
אם שתי הנקודות שעל המעגל המודפס – אשר אליהן מחוברים מוליכי הנגד או החיבורים של הנגד בהתקנה משטחית – יימצאו בטמפרטורות שונות, אזי החום הזורם דרך הנגד ייצור גראדיינטים של טמפרטורה בתוך הנגד. כתוצאה מכך ייווצר הפרש של ThEMF. העוצמה שלו תלויה בחומרים שנמצאים בשימוש, במבנה של הנגד ובהפרש הטמפרטורות שבין המוליכים או חיבורי הקצה.
החיבורים הפנימיים של הנגד עלולים אף הם להימצא בטמפרטורות שונות כתוצאה ממקורות חיצוניים של חום, כמו למשל, מקרינה של התקנים סמוכים או מזרמי אוויר. העוצמה של ההשפעות הנ”ל מתבטאת בכמה מיקרו-וולטים לכל מעלה צלזיוס.
מקור נוסף של ThEMF הוא החום שנוצר כאשר מחברים מתח לנגד. כתוצאה מחוסר הסימטרייה של פיזור ההספק על פני המשטח של הנגד וכתוצאה מחוסר הסימטרייה של נתיבי הולכת החום, יימצאו החיבורים הפנימיים בטמפרטורות שונות, ובכך תיגרם הופעה של ThEMF. במקרה זה, העוצמה תהיה תלויה במתח שחובר והיא תתבטא במיקרו-וולטים עבור רמת הספק נתונה.
מובן שכל המקורות של ThEMF יכולים להתחבר יחדיו.
לנגדים מסוגים שונים יש תכונות שונות של ThEMF, כפי שמוצג באיור 3, אשר משווה את הביצועים של ThEMF המושגים בטכנולוגיה של יריעה
(Bulk Metal® Foil), בטכנולוגיה של שכבה עבה (Thick Film), ובטכנולוגיית רצועת מתכת (שני סוגים שונים של Metal Strips). הגרף מראה את ה-ThEMF בתלות בזמן, בשעה שאותו גראדיינט חום מושרה בעוצמה נמוכה על פני כל אחד מבין ארבעת נגדי SMD בגודל 2512 בעלי התנגדות של 0.05 אוהם.
מסקנות
צמצום שטח המעגל המודפס, גורם להופעתם של אתגרי תכנון חדשים הקשורים לניהול חום ולתוצאות הבלתי מכוונות שלו. ThEMF יוצר מתחי שגיאה בכל מקום שבו קיימים הפרשי טמפרטורה בצמתים של שתי מתכות שונות, למשל, כאשר יחידות ההתנגדות הפנימיות מתחברות לחיבורים החיצוניים של נגד, הפרשי טמפרטורות יתפתחו על פני הנגד כתוצאה מפיזור הספק פנימי שאינו אחיד, מחיבורים שמתחממים על ידי רכיבים שמקרינים חום ומנתיבי פיזור חום שעוברים לאורך המעגל המודפס, הן בנתיבי ההולכה והן בחומר של המעגל המודפס עצמו. נגד מסוג יריעה
(Bulk Metal® Foil) המיוצר בישראל אשר במקור תוכנן במיוחד בזכות תכונת TCR (מקדם הטמפרטורה של ההתנגדות) מתאפיין בנוסף גם ב-ThEMF נמוך מאוד של 0.1 מיקרו וולט למעלה צלזיוס בלבד, בתלות בתצורה.
על מנת להשיג תוצאות מיטביות בתכנונים אנלוגיים מנקודת מבט של ThEMF:
1. מקם את מעגלי המתח הישר באזור שבו הטמפרטורה קבועה.
2. השתמש ברכיבים בעלי כוח אלקטרו-מניע תרמי נמוך כגון, נגדי יריעה (Bulk Metal® Foil).
3. אפשר פיזור אחיד של החום הנוצר באופן פנימי ברכיבים, בדרך כזו שתקטין את הגראדיינטים של הטמפרטורה.
4. הימנע מהשפעות של הסעת חום וקרינת חום באזורי המתח הישר.
5. השתמש ברכיבים להספק נמוך.
ניתן למצוא באתר החברה סרטון וידאו הממחיש את תופעת ה-ThEMF בנגדים
