إن أجهزة التحكم هي عناصر أساسية في جميع الدوائر الإلكترونية تقريبا، وهي تعمل كمستودعات للطاقة المؤقتة التي تسهل إمدادات الطاقة، وضوضاء التصفية، وأجهزة التكتم، وتعتمد أداؤها وموثوقيتها اعتمادا كبيرا على سلوك المواد الغذائية التي تُدوّن بين أجهزة الاتصال الكهربائية، ومن أهم البارامترات التي تؤدي إلى فقدان أجهزة الترددات الرقمية، ولا سيما مع وجود تأثيرات في أجهزة التسلق اللاسلكية.

فهم الخسائر في الديليكتري

فقدان الديكل، الذي كثيرا ما يُعبر عنه كعامل تفريق أو سمسار الخسائر (الدبابات) يُربّى الطاقة التي تُنثر في داخل مادة ديليكتريّة عندما تكون تحت تأثير مُعدّل كهربائي، وتنشأ هذه الخسارة في الطاقة لأن عمليات الاستقطاب الديّيّة ليست فورية تماماً، وتُحدث الفارق بين الجيل الحالي والمثال الأعلى.

ويعرف سمسار الخسارة على أنه نسبة الجزء المتخيل إلى الجزء الحقيقي من الرخصة المعقدة: الدبابنة = اليوران/الثانية، وهو يوفر مقياسا مباشرا لحجم الطاقة التي تضيع في كل دورة، ويشير انخفاض درجة الدبابرة إلى عدم كفاءة الديكل، وعلى سبيل المثال، فإن الكبسولات السماوية العالية الجودة المستخدمة في تطبيقات الترددات قد تكون لها قيماً أقل من 0.001.

فيزياء فقدان الديليكتري: الاستقطاب والاسترخاء

ولفهم سبب ارتفاع الخسائر الغذائية بالتواتر، يجب على المرء أن يدرس آليات الاستقطاب الميكروسكوبي في مادة الديليكتري، وعندما يُطبق ميدان كهربائي، تُحمَّل رسوماً في إطار الديكلتري تتحول قليلاً عن مواقعها المتوازنة، مما يخلق لحظات من الاضطرابات، فالاستقطاب الكلي هو مجموع محرك هذه الأقطاب المستحثة، وتشمل الآليات الرئيسية ما يلي:

  • Electronic polarization - the displacement of electron clouds relative to nuclear nuclei, which is extremely fast (response time on the order of 10−15 seconds) and contributes little to loss even at very high frequencies.
  • Ionic polarization] — the displacement of ions in an ionic polyttice, with response times around 10 - 13 seconds, still fast but can exhibit absorption in the infrared range.
  • Orientation (dipolar) polarization] — the reorientation of permanent molecular dipoles, such as in polar polymers (e.g., PET, PVC). This mechanism has relatively longation times (microseconds to milliseconds) and is the primary source of dielectric loss in many polymers.
  • Interfacial (space-charge) polarization] - تكديس ناقلات الشحنات الحرة في واجهات داخل المواد (مثل حدود الحبوب، والوصلات البينية الكهروائية - القلاقلية) - تهيمن هذه الآلية على ترددات منخفضة (أقل من 1 كيلوهرتز) وتؤدي إلى خسائر كبيرة عند وجودها.

وقت الاسترخاء والتبعية في حالات التردد

و لا يوجد هناك الكثير من الوقت و الاتساعات و الديبول و التكلفات للعودة الى التوازن بعد إزالة الحقل

آليات فقدان الموظفين

الاسترخاء الديليكتري

وكما هو موضح أعلاه، فإن التخفيف من الديكلتري هو الآلية الرئيسية للخسارة في المواد التي تدوم فيها فترات الاضطرابات، وفي الممارسة العملية، يظهر العديد من المقاييس الهندسية توزيعا واسعا لمدد الاسترخاء بدلا من أن يكون ثابتا مرة واحدة، بسبب التباينات في البيئات المحلية، مما يؤدي إلى ارتفاع في قيمة الديوكسينات ينتشر على مجموعة من الترددات، وعلى سبيل المثال، في كبسولة الارترات الاسترخاء.

الاستيعاب

وفي حالات التواتر المرتفعة جدا (النمو وما بعده)، يمكن لآليات الاستقطاب الأيونية والإلكترونية أن تظهر الامتصاص في الترددات، وفي البلورات الأيونية، فإن الاختلالات (الزباب) التي تستخدم في الحقل الكهربائي في الترددات الخافضة، تنتج ذروة استيعاب قوية.

الخسائر في الأرواح

وتساهم هذه القدرة على السلوك في زيادة الترددات، حيث ترتفع معدلات التسرب، وتزداد نسبة التسرب في الميدان، وتزداد هذه القدرة على الدوام، وتزداد نسبة التسرب في الطول المطبق، وتتسبب في فقدان القدرة على السلوك في الرش، وتعاني من نقصان كبير في عدد الخسائر في المصانع.

الاعتبارات المادية للمكثفات العالية التردد

وتظهر مختلف المواد الغذائية بيانات مختلفة اختلافا كبيرا عن التواتر، إذ إن اختيار المواد المناسبة لمدى تردد معين أمر حاسم للحفاظ على كفاءة المكثفات.

Ceramic Capacitors

(أ) تستند المقاييس الحرارية للفئة 1 (مثلاً، C0G/NP0) إلى مواد مثل التيتانات ذات التركيبات الخاضعة للمراقبة الصارمة، وهي ذات مستويات منخفضة جداً من أنواع الخسائر (0.001 أو أقل) وتوافر قدرة ثابتة على الوصول إلى نطاق واسع يصل إلى عدة أنواع من المواد الكيميائية، وتسود في التخصيب الاستيعابية والالكترونية، مع الحد الأدنى من التوجهات أو الاستقطابات بين الظواهر.

الأفلام

ويستخدم المكثفات البوليمرات الديليكتريات مثل البوليستر، وبوليبروبيلين (PP)، وبوليفينيلين سلفيد (PPS)، وثنائي فلورو إيثيلين (PTFE)، ويُمنح المكثفات من الأفلام ذات النطاق المنخفض جداً من حيث المقاييس.

الكابات الكهربائية

ويعتمد المكثفات الكهرومغناطيسية للألومنيوم والتنتالوم على طبقة أكسيد الكهرموز على أنها مادة ديليكتري، ولكن بناءها ينطوي على كهرول كهربائي موصل يُحدث مقاومة كبيرة وآثار استقطاب منخفضة التردد، ولا يزال لدى المصابين بالصدمات الكهربائية العالية في حالات الفقد (0.1 إلى 0.3)، ويقتصرون على الترددات التي تقل عن 100 كيلوهرتز.

الأثر على كفاءة القبطان وأداء الدائرة

انقطاع الطاقة وتسخينها

إن فقدان الديكل يُظهر كسخان في القبعة، مما يقلل من الكفاءة العامة للدائرة ويمكن أن يسبب ارتفاعاً في الحرارة، وتُنثر الطاقة في مخزن للديك نتيجة لفقدان الديكل، ويُعطي عامل التحول في التحلل الحراري، حيث يُحدث ارتفاعاً في معدل الديوكسينات، ويُحدث ارتفاعاً في طول العمر، ويُعزى إلى ارتفاع في معدل الدان.

عامل الجودة (Q) و ESR

وكثيرا ما يتصف أداء المكثفات في الترددات العالية بعامل الجودة (Q = 1/tanc) وبمقاومة السلسلة المعادلة (ESR) وتشمل مساهمات من فقدان الديكلتري، ومقاومة الكهرومغناطيسية، ومقاومة الرصاص، وعادة ما يكون فقدان القدرة الديوية هو العنصر الغالب في أجهزة الاستيعاب العالية الجودة؛ وبالنسبة للكهرباء، فإن مقاومة الكهرومغناطيسية قد تؤدي إلى خسائر في الحجم.

الاستراتيجيات الرامية إلى التقليل إلى أدنى حد من الخسائر في الديليكتري

اختيار المواد

أما الطريقة الأكثر فعالية للحد من فقدان الديكل في الترددات العالية فهي اختيار مادة الديكليات ذات السمعة المنخفضة في إطار الترددات التشغيلية، حيث أن الترددات التي تصل إلى عدة مئات من الهايرتز، والمكثفات من أشرطة البوليبرولين هي متغيرات ممتازة بالنسبة للترددات فوق 1 جيهرتز، وثاني أكسيد الكربون/الخامس

التصميم والتقدير الجغرافي

ويؤثر قياس درجة الكوابيس في التوزيع الميداني للكهرباء، وبالتالي الإجهاد التغذوي الفعال، ويقلل الحد من سماكة الديليكتري من الضغط على الفولط، مما يمكن أن يقلل من الخسائر إذا كان للمواد استجابة غير سلسة (مثلاً في السيراميات الخصبية) ويقلل استخدام طبقات متعددة في موازية (كما هو الحال في البلدان المتوسطة الدخل) من الكثافة الحالية لكل طبقة، ويمكن أن يقلل من إجمالي عوامل الإنتاج.

الإدارة الحرارية

ونظراً لأن فقدان الديكل يولد حرارة، فإن الإدارة الحرارية الفعالة ضرورية للحفاظ على الأداء، وينبغي إبعاد المكثفات عن المكونات الساخنة، وقد يتطلب الأمر الهواء القسري أو التبريد السائل في أجهزة كمبلورة عالية القوة، وبعض تصميمات المكثفات العالية التردد تتضمن مصارف حرارة معدنية أو تستخدم مبانٍ فرعية ذات تأثير حراري، كما أن التحلل هو استراتيجية مشتركة:

خاتمة

إن تأثير التواتر على فقدان الديكل هو جانب أساسي من تكنولوجيا الخزانات يؤثر تأثيرا مباشرا على كفاءة وموثوقية الدوائر الإلكترونية، إذ أن فهم الفيزياء التي تنطوي على الاستقطاب، والإرخاء، والخسائر في السلوك، يمكن للمهندسين اتخاذ قرارات مستنيرة بشأن المواد الغذائية وأنواع الخزف بالنسبة لمداولات الترددات المحددة، وتضع مفاتيح تقليل الخسائر في الرادارات في المواد ذات التأثيرات الميكانيكية المنخفضة.

For further reading on dielectric restation theory, refer to Dielectric restation] on Wikipedia. A comprehensive guide to capacitor selection for high-frequency applications can be found in ]Kemizationet' white paper.