קבלים חשמליים: מה זה? פונקציות, חשיבות ועוד

עולם האלקטרוניקה היה קרש הקפיצה שצריך להניע את הטכנולוגיה. וקרש קפיצה זה מורכב מחלקים קטנים כמו המעבה. בפוסט סקרן זה תלמד בפירוט מהו קבל חשמלי ?, הפונקציות השונות המיושמות איתו וחשיבותו הרבה בתחומים שונים.

מַעֲבֶה

כדי להתחיל את לימוד הקבל, נסביר תחילה מהו קבל. זהו רכיב חשמלי פסיבי, כלומר, הוא אינו מייצר חשמל בכוחות עצמו, המסוגל לאחסן מטען חשמלי ולשחרר אותו מאוחר יותר. אתה יכול למצוא אותו כמו קבלים או קבלים. המטען שהוא שומר בפנים הוא הפרש פוטנציאל או מתח.

סיפור ספירת התורמים עולה בשנת 1745 כאשר הגרמני אוולד גיאורג פון קלייסט הבין שאפשר לאחסן מטען חשמלי. הדבר נבע מתאונה כאשר חיבר גנרטור אלקטרוסטטי לנפח מים שהיה בתוך קנקן זכוכית או בקבוק באמצעות כבל. כשהסיר את הכבל והניח עליו את ידו.

לא חלפה שנה כשהפיזיקאי ההולנדי פיטר ואן מוסשנברוק המציא קבל בעל אותם מאפיינים. להנצחת האוניברסיטה שבה עבד כינה את המעבה הזה "בקבוק ליידן".

איך עובד קבל?

עכשיו נראה כיצד עובד קבל y למה נועד קבל. הדרך שבה היא מצליחה לאחסן את המטען החשמלי היא באמצעות שני יריעות העשויות מחומר מוליך, כגון טנטלום, המופרדות על ידי חומר דיאלקטרי כלשהו, ​​למשל אוויר.

לפני שתמשיך, חשוב לא לבלבל דיאלקטרי עם חומר מבודד לחלוטין. כלומר, כל הדיאלקטרים ​​הם מבודדים, אך זה לא בהכרח הופך את כל המבודדים לדיאלקטריים. לחומרים דיאלקטריים יש יכולת להיות מוליכים כאשר הם נתונים למטען חשמלי גדול ולשבור את החוזק הדיאלקטרי. חלק מהחומרים הללו יכולים להיות: קרמיקה, נייר, שעווה, זכוכית, שמן, בין היתר. חומרים מבודדים לחלוטין הם אלה שבלי קשר לכמה מטענים חשמליים זה לא יהיה מוליך, דוגמה היא גומי.

כעת, הלוחות שבתוך הקבל, הניזונים ממקור כוח, יטענו חשמלית בחלקים שווים אך עם סימנים שונים. המשמעות היא שמטען אחד יהיה חיובי (+ q), והמטען השני יהיה באותו גודל אך עם מטען שלילי (-q), במטענים שווים אלה אך סימנים שונים הוא מה שנקרא הבדל בפוטנציאל או במתח.

באופן כללי, בקבלים אוויר, נייר, טנטלום, אלומיניום וקרמיקה משמשים כחומר דיאלקטרי, גם בכמה קבלים משתמשים בפלסטיק מסוים.

קיבולת האחסון שיש לקבל או לקבל מחושבת ביחידת Farads. הטווח בו נמצאים רוב הקבלים החשמליים הוא מפיקו (pF) ועד מיקרו (uF) פאראדס. המשוואה לחישוב הקיבולת של הקבל היא:

C=q/V

Donde:

q = הוא המטען שכל צלחת מאחסנת. היחידה שלה היא קולומב (C)

V = הוא המתח, המתח או הפרש הפוטנציאל בין שני הסדינים או המוליכים של הקבל. היחידה שלה היא וולט (V)

יישום נוסחה זו, אם נניח את הערכים עבור עומס 1 ולמתח 1, זה ייתן לנו 1 פאראד. עם זאת, זוהי רק דוגמה, מכיוון שקבל של קיבולת זו אינו קיים מכיוון שהוא יהיה גדול להפליא. כדי לקבל מושג, זה יהיה לכסות את שטח של 1000 מ '².

כעת, אם נרצה לדעת את המתח שקבל יכול לאחסן מתוך ידיעת המטען והפאראדים של הקבל, נוכל לפתור את המתח מהמשוואה הקודמת:

V=q/C

טעינה ופריקה של קבל

אחד המאפיינים של הקבל הוא שהפריקה שלו מתקדמת ולא מיידית. לקבל יש פרק זמן פריקה. מאפיין זה מאפשר לקבלים יישומים אחרים כגון טיימרים ומסננים במעגל חשמלי.

כאשר קבלים טעונים במלואם, זה כאשר הוא מאפשר למתח לעבור. כאשר אספקת החשמל מנותקת, הקבל מתחיל לשחרר בהדרגה את המתח לעבר העומס או האלמנט הצורך את המתח.

באופן כללי, לפני הקבל תמיד קבוע הנגד מסיבות הגנה על קבלים. גם כאשר לקבל יש התנגדות פנימית קטנה, הוא זניח, ואם לא מקפידים להגן על הקבל הוא עלול להינזק ואף להתפוצץ.

טעינת קבלים

על מנת להסביר בפשטות את התנהגותו של הקבל בעת הטעינה, נשתמש בדוגמה הנפוצה ביותר להמחשתו:

הבה נבחן מעגל שבו יש מקור כוח כגון סוללה, נגד בשם R1 האחראי לבקרת מעבר הזרם שיגיע לקבל על מנת להגן עליו. כמו כן, מתג המאפשר לקבל לטעון או לפרוק, ולבסוף, נגד הנקרא R2 אשר ייצג את המכשיר הצורך את הזרם.

מלכתחילה, אנו רואים כיצד המתג מסודר כך שהקבל תואם את ספק הכוח וההתנגדות, אגב, עלינו להדגיש כי התנגדות זו נקראת עמידות בעומס.

ברגע זה הקבל נטען בצורה מבוקרת הודות לנגד הטעינה. שילוב זה של הנגד והקבל מאפשר לך להגדיר את הטיימרים שהזכרנו קודם. זה נובע מהעובדה שההתנגדות מונעת מעבר זרם באופן חופשי, ולכן לוקח לזרם זמן רב יותר לעבור במעגל, כך שאחר כך הוא עובר דרך הקבל, לוקח זמן להטעין אותו.

ניתן לחשב את הזמן שלוקח לקבל להיטען באמצעות המשוואה הבאה:

t1 = 5 x R1 x C

היכן

t1: הוא זמן הטעינה. היחידה שלה היא מילי שניות (אני)

R1: הוא עמידות בעומס. היחידה שלו היא אוהם (Ω).

C: הוא הקיבול של הקבל. היחידה שלה היא Farads (F)

משוואה זו מאפשרת לנו לאשר שככל שהתנגדות העומס גבוהה יותר ו / או קיבולו של הקבל גדול יותר, זמן הטעינה ארוך יותר. אשר ניתן לאמת בגרף הבא.

אתה עשוי לתהות מה יקרה אם לא נשים את הנגד לעומס. תיאורטית הקבל היה נטען מיד. אך כפי שהזכרנו קודם לכן, זה לא מומלץ מכיוון שקבלים יכולים לקבל זרם קטן בלבד. אם נזכור את חוק אוהם נוכל לראות ש:

I=V/R

Donde:

I: הוא הזרם. היחידה שלה היא אמפר (א)

V: הוא המתח. היחידה שלה היא וולט (V)

ת: זו התנגדות. היחידה שלו היא אוהם (Ω)

אם ההתנגדות נוטה או שווה ל 0, זה מרמז שהזרם יהיה אינסופי כמעט, או לפחות גדול מאוד. הקבל יכול לתמוך רק בהזנה מזרם נמוך יותר. בקיצור, אם לא יוצב סוג של נגד עומס, יתכן והקבל לא יוכל לעמוד בזרם הזה ויישרף.

עכשיו נניח שהקבל כבר נטען, אז מה קורה? נחזור לחוק אוהם, כשהמתח עולה, ומאחר שערך ההתנגדות נשמר, הערך הנוכחי נוטה לאפס.

כפי שאנו כבר יודעים, תפקידו של הקבל הוא לאחסן מתח או מתח. המשמעות היא שככל שהקבל נטען, יש מתח גבוה יותר בנקודה זו. מכיוון שההתנגדות לא משנה את ערכה, הזרם נוטה לאפס. בקיצור, ברגע שקבל נטען, הוא מתנהג כמו מעגל פתוח או מתג שמונע מעבר של זרם, למרות שיהיה מתח או מתח בנקודה זו.

פריקת מעבה

כעת הבה נציג את המקרה ההפוך. ברגע שהמתג משנה את המיקום והקבל ממוקם בסדרה עם הנגד R2, הקבל יתחיל להיפטר. למה? ובכן, מכיוון שההתנגדות R2 מייצגת את צריכת המעגל, והתנגדות זו תדרוש לספק אותה כאשר המעגל בו היא סגורה. אספקה ​​זו תסופק על ידי הקבל, ותפרוק את ההבדל הפוטנציאלי שהוא אחסן.

בדומה לטעינה, ההורדה אינה מיידית, אלא בהדרגה. וכמו בטעינה, המשוואה לאומדן זמן הפריקה זהה. המשמעות היא שהזמן שלוקח לפרוק את הקבל תלוי בהתנגדות של R2 ובקיבול של הקבל. באופן דומה, כאן אנו מרעננים את המשוואה שוב:

t1 = 5 x R1 x C

היכן

t2: הוא זמן הטעינה. היחידה שלה היא מילי שניות (ms)

R2: הוא עמידות בעומס. היחידה שלו היא אוהם (Ω).

C: הוא הקיבול של המעבה. היחידה שלה היא Farads (F)

מעגל מסוג זה יכול לשלוט, למשל, בזמן שהמכשיר מופעל.

המעבה כמסנן

יישום נוסף שעבורו משתמשים בקבלים לעתים קרובות הוא כמסנן. הדבר אפשרי הודות למאפיין הטעינה והפריקה בהדרגה, ותופעה זו משמשת לניקוי זיהומים מהאותות או מהגל החשמלי.

אם ניקח כדוגמה את המעגל ההתחלתי, אך במקרה זה עם אספקת חשמל של זרם חילופין. הקבל יתחיל להיטען עד שיגיע ליכולת האחסון המקסימלית שלו, ואז זרימת הזרם תיפסק והעומס יתחיל להיספק על ידי המתח הקיים בקבל. ברגע שהקבל מתחיל להיפטר, אספקת החשמל ממשיכה לטעון את הקבל מבלי לחכות שישתחרר לחלוטין.

זה יכול להיות קל יותר מבחינה ויזואלית להבין:

כפי שניתן לראות, גל אספקת החשמל המתחלף הוא סינוסי ובזכות רכושו של הקבל אפשר לתקן את הגל באספקה ​​ישירה. זה שימושי מאוד עבור ספקי כוח המשמשים למשל מחשבים. התקנים רבים אינם יכולים לעבוד עם זרם חילופין אלא עם זרם ישר וזהו כאשר ספקי הכוח נכנסים כמתווך. כמובן שלספקי כוח אלה יש רכיבים רבים נוספים להשגת מטרה זו.

 סוגי קבלים

קבלים או קבלים יכולים להיות בעלי סיווגים שונים. בשלב הבא נתחיל בסיווג קבלים לפי סוג הדיאלקטרי שלהם:

בגלל הדיאלקטרי שלה

קבלים מסווגים לפי הדיאלקטרי שיש להם. ישנם קבלים אלקטרוליטיים כביכול, הם בעלי קוטביות, כלומר יש להם מסוף חיובי או "רגל" ומסוף שלילי. אם הם מחוברים כשהקוטביות הפוכה, הקבל ייפגע.

קבלים אלקטרוליטיים אלה, בניגוד לקבלים אחרים, הם שהם משתמשים בנוזל יוני מוליך. נוזל זה הוא פתרון כימי, המורכב בדרך כלל מחומצה בורית או נתרן בוראט עם סוכרי אתילן גליקול. נוזל זה נכנס כתחליף לאחת הלוחות או הסדינים המוליכים של המעבה.

שלא כמו קבלים אלקטרוליטיים, לקבלים שהדיאלקטרי שלהם הוא אוויר, קרמיקה, נייר או אחרים, אין קוטביות מוגדרת. בנוסף, יש להם שתי צלחות בפנים וללא נוזל פנימי.

לשני סוגי הקבלים יש את היישומים שלהם, כך שלא ניתן היה להחליף את הקבלים זה בזה למרות שיש להם דיאלקטרים ​​שונים.

לסיכום, ישנם מעבים:

• אלקטרוליטי
• קֵרָמִיקָה
• מנייר
• של אוויר
• קבלים משתנים

קבוע או משתנה

בדומה לנגדים, קיימים קבלים בעלי קיבולת קבועה וגם קבלים שאפשר לשנות אותם. הדבר מושג על ידי התאמת הפער בין הלוחות בעזרת כפתור, כגון פוטנציומטר או נגד משתנה.

על פי צורתו

המעבים יכולים לשנות את העיצוב שלהם, את הדיסק הקיים, הפנינים והעיבוי הצינורי, כפי שמוצג להלן בהתאמה.

קוד קבלים

ישנם כמה קבלים המציינים את ערך הקיבולת שלהם באמצעות טבלת צבעים, הדומה מאוד לזה שמשמש את הנגדים.

קוד צבע

הצבע הראשון מציין את הערך של הראשון, השני של הדמות השנייה, השלישי הוא המעריך שמעלה ל -10, כלומר 10 יעלה למספר שהצבע השלישי מייצג. הצבע הרביעי מציין את אחוז השונות, כלומר, זה יכול להיות, למשל, 10% יותר או 10% לערך המציין את הקיבולת. לבסוף, הצבע החמישי מציין את מתח הטעינה או המתח. לכל הקבלים האלה יש פיקופרדות ליחידה.

ערך הצבעים מגיע בטבלה מסחרית שהיא הבאה:

קוד יפני

יש סוג קוד אחר לזיהוי הקיבול של הקבל הוא סוג קוד הנקרא הקוד היפני או הקוד 101. קוד זה מורכב משלושה מספרים הנראים על הקבל.

שתי הספרות הראשונות יוצרות מספר שחייבים להכפיל אותו ב- 10 ולהעלות אותו למספר השלישי, תוך שמירה על הפיקופרד כיחידה. לדוגמה:

לקבל זה יש את מספרי הקוד 104. אז הדרך לחישוב הקיבולת של הקבל הזה היא:

10 X 10⁴ = 100000 pF = 0,1 uF

קוד אלפאנומרי

ישנו קוד נוסף לזיהוי החומר והקיבולת של הקבל, שמשתמש בשילוב של אותיות ומספרים. ישנן דרכים רבות להציג קוד זה המשלב מספרים ואותיות, והן כה מגוונות עד שלא ממש כדאי ללמוד אותן, לכן מומלץ להיעזר בגיליון הנתונים של היצרן.

קבלים בסדרות ובמקביל

בדומה לנגדים, גם המיקום של הקבלים בסדרה או במקביל מייצר התנהגות בקיבול הכולל. נתחיל להסתכל על התופעה שקורה כאשר הקבלים נמצאים בסדרה.

קבלים בסדרות

כאשר הקבלים נמצאים בסדרה, הקיבולת של כל קבל פועלת כדלקמן:

המשוואה עולה:

Vt = V1 + V2

Donde:

Vt: מתח כולל

V1: מתח הקבל הראשון

V2: מתח הקבל השני

נחזור למשוואה לחישוב קיבולת הקבלים:

C=q/V

Donde:

q = הוא המטען שכל צלחת מאחסנת. היחידה שלה היא קולומב (C)

V = הוא המתח, המתח או הפרש הפוטנציאל בין שני הסדינים או המוליכים של הקבל. היחידה שלה היא וולט (V)

וכי ניתן היה לנקות את V באופן הבא:

V=q/C

כעת, אם נחליף כל V של כל קבל במעגל בביטוי הקודם, נקבל את זה;

1 / C = 1 / C1 + 1 / C2 + 1 / C3 ... 1 / Cn

קבלים מקבילים

במקרה זה, מכיוון שהקבלים נמצאים במקביל, המתח שכל קבל מקבל זהה לזה של ספק הכוח, ולכן עלינו:

Vt = V1 = V2 = V3… Vn

איפה

Vt: הוא המתח הכולל או המקור

V1: מתח הקבל הראשון

V2. מתח קבלים שני

V3: מתח הקבל השלישי

שוב, אם נחזור לביטוי המאפשר לנו לאמוד את ערך המתח בהתאם לעומס ולערך הקיבולת:

V=q/C

ואנו ממשיכים להחליף כל V של כל קבל במעגל בביטוי הקודם, אנו מקבלים את זה:

C = C1 + C2 + C3… + Cn

שימושי מעבה

הקבל הוא אחד המרכיבים הבסיסיים ביותר של האלקטרוניקה. כמעט בלתי אפשרי להזכיר היום מכשיר שאינו דורש קבלים בעיצובו. בשלב הבא נזכיר כמה מהיישומים הנפוצים ביותר בהם נמצא הקבל.

• סוללות וזיכרונות: הודות לקיבולת האחסון שלו, ניתן למקם מספר קבלים במקביל כדי להגדיל את קיבולת הטעינה.
• מסננים: הם נמצאים בשימוש נרחב ברשתות חשמל מכיוון שהם יכולים לסלק את האדוות והרעש מהרשת, או במקרה ההפוך, כך שההרמוניות שנוצרות על ידי רשתות החשמל הפנימיות מסוננות לפני החזרה לרשת. בטלקומוניקציה, יכולת הסינון שלה נמצאת בשימוש נרחב להקמת להקות תדרים וגם להפחתת או ביטול הפרעות.
• מקורות כוח: התנהגות הטעינה והפריקה ההדרגתית שלה מאפשרת תיקון גל, החיוני בספקי כוח להפוך זרמים מתחלפים לזרמים ישירים, מכיוון שרוב המכשירים האלקטרוניים עובדים פנימית עם זרם ישיר, אך שירות החשמל פועל עם זרם חילופין. לכן מקורות כוח נחוצים להפעלת הציוד, ובין המרכיבים המרכיבים אותו, הקבל ממלא תפקיד שאין לו תחליף.
• מתאמי עכבה: קבלים יכולים לפרוק ולהטעין אנרגיה בפרקי זמן זניחים כמעט, וזה מאפשר להתנגדות להדהד יחד עם רכיבים אחרים, כך שניתן לחבר או לעבוד יחד שני מעגלים בעלי עכבות שונות.

עם זאת, אלה רק כמה משימושים ספורים שאנו יכולים להזכיר. לקבלים יש יישומים בתחום האלקטרוניקה, רשתות חשמל גדולות, תקשורת ואחרים. מהמחשבים, הטלפונים הסלולריים, המקררים, השעונים הדיגיטליים, הטלוויזיות וההמצאות רבות אחרות, יש בתוכם קבלים כחלק מהותי מהסט שנוצר ונותן חיים למכשירים או ציוד.

מסקנות

היישומים שיש לאלקטרוניקה כיום כה חשובים בחיי היומיום שלנו עד שכמעט ואי אפשר לשרוד בעולם שבו הוא כבר לא קיים. ועולם עצום זה של טכנולוגיה מתקדמת מתחיל ביסודותיו הצנועים ביותר, כמו כל רכיב שהוא חלק מהאלקטרוניקה.

זהו המקרה של הקבל, רכיב העשוי מחומרים פשוטים מאוד, מה שהופך אותו לאחד המרכיבים הבסיסיים של האלקטרוניקה, אך הודות להתנהגותו אי אפשר שלא למצוא אותו בכל המכשירים האלקטרוניים הקיימים .

אין ספק, התקדמות האלקטרוניקה הייתה מניע יסודי שסלל את הדרך לקידום טכנולוגיות בתחומים שונים. ולמרות שהמעבה כשלעצמו אינו שימושי במיוחד בשילוב עם רכיבים אחרים, ציוד משוכלל כגון כרטיסי זיכרון RAM, מחשבים, רובוטים, מזל"ט, טלפונים סלולריים, שרתים ועוד.