קטגוריות: עובדות מעניינות, אלקטרוניקה מעשית
מספר צפיות: 231,928
הערות לכתבה: 9
קבלים: מטרה, מכשיר, עיקרון הפעולה
בכל מכשירי הרדיו והאלקטרוניה, למעט טרנזיסטורים ומעגלי מיקרו, משתמשים בקבלים. בחלק מהמעגלים ישנם יותר כאלה, אצל אחרים פחות, אך כמעט ואין מעגלים אלקטרוניים ללא קבלים.
במקרה זה, קבלים יכולים לבצע מגוון משימות במכשירים. ראשית כל, מדובר במכלים במסנני מיישרים ומייצבים. בעזרת קבלים מועבר אות בין שלבי המגבר, נבנים פילטרים בתדר נמוך וגבוה, נקבעים מרווחי זמן בעיכובי הזמן ונבחר תדר התנודה בגנרטורים שונים.
קבלים מובילים מ בנקים ליידןשבאמצע המאה ה -18 שימש בניסויים שלהם המדען ההולנדי פיטר ואן מושנברוק. הוא התגורר בעיר ליידן, כך שקל לנחש מדוע נקרא לבנק הזה.
למעשה, זו הייתה צנצנת זכוכית רגילה, מרופדת בפנים ובחוץ עם נייר כסף - סטניול. הוא שימש לאותה מטרות כמו אלומיניום מודרני, אך אז אלומיניום עדיין לא היה פתוח.
מקור החשמל היחיד באותם הימים היה מכונת אלקטרופור, המסוגלת לפתח מתח של עד כמה מאות קילוולט. זה ממנה הטילו צנצנת ליידן. בספרי הלימוד לפיזיקה מתואר מקרה כאשר מושנברוק שיחרר את פחיתו דרך שרשרת של עשרה שומרים שהחזיקו ידיים.
באותה תקופה איש לא ידע שהתוצאות יכולות להיות טראגיות. המכה התבררה כרגישה למדי, אך לא קטלנית. זה לא הגיע לזה, מכיוון שיכולת הצנצנת של ליידן הייתה לא משמעותית, הדחף התגלה כקצר מאוד, ולכן כוח הפריקה היה קטן.
איך הקבל
התקן של הקבל כמעט ולא שונה מצנצנת ליידן: כל אותן שתי צלחות, מופרדות על ידי דיאלקטרי. כך מתוארים קבלים על מעגלים חשמליים מודרניים. איור 1 מראה מבנה סכמטי של קבל שטוח ואת הנוסחה לחישובו.
איור 1. התקן קבלים שטוח
כאן S הוא שטח הצלחת במטר רבוע, d הוא המרחק בין הצלחות במטרים, C הוא הקיבול בפארדים, ε הוא הקבוע הדיאלקטרי של המדיום. כל הערכים הכלולים בפורמולה מצוינים במערכת SI. הנוסחה הזו תקפה עבור הקבל השטוח הפשוט ביותר: אתה יכול פשוט להציב שני לוחות מתכת לצדם, שממנו מסיקים מסקנות. אוויר יכול לשמש דיאלקטרי.
מנוסחה זו ניתן להבין כי הקבל גדול יותר, כך שטח הלוחות גדול יותר והמרחק ביניהם קטן יותר. עבור קבלים עם גיאומטריה שונה, הנוסחה עשויה להיות שונה, למשל, לקיבול של מוליך יחיד או כבל חשמלי. אך התלות של הקיבול בשטח הלוחות והמרחק ביניהם זהה לזה של קבלים שטוחים: ככל שהשטח גדול יותר וככל שהמרחק קטן יותר, כך הקיבול גדול יותר.
למעשה, לא תמיד הפלטות שטוחות. עבור קבלים רבים, למשל נייר, הלוחות הם נייר אלומיניום המגולגלים יחד עם דיאלקטרי נייר בכדור הדוק, בצורת מארז מתכת.
כדי להגדיל את הכוח החשמלי, ספוג נייר קבלים דק עם קומפוזיציות בידוד, לרוב שמן שנאי. עיצוב זה מאפשר לך לייצר קבלים עם קיבולת של עד כמה מאות מיקרו-פארדים. קבלים עם דיאלקטרים אחרים מסודרים באופן דומה.
הנוסחה אינה מכילה מגבלות על שטח הלוחות S והמרחק בין הלוחות ד.אם נניח שניתן לפזר את הלוחות רחוק מאוד, ובו בזמן להפוך את שטח הלוחות לבלתי משמעותי למדי, אזי יכולת מסוימת, אם כי קטנה, עדיין תישאר. נימוק זה מציע כי אפילו רק שני מוליכים הממוקמים בשכונה הם בעלי קיבול חשמלי.
נסיבות אלה נמצאות בשימוש נרחב בטכנולוגיה בתדירות גבוהה: במקרים מסוימים קבלים מיוצרים פשוט בצורה של פסי מעגלים מודפסים, או אפילו סתם שני חוטים מפותלים זה מזה בבידוד פוליאתילן. לאטריות תיל או כבל רגילות יש גם יכולת, ועם אורך הולך וגובר הן גדלות.
בנוסף לקיבול C, לכל כבל יש גם התנגדות R. שני התכונות הפיזיקליות הללו מופצות לאורך הכבל, וכאשר משדרים אותות פועמים הם פועלים כשרשרת RC משולבת, המוצגת באיור 2.
איור 2
באיור הכל פשוט: הנה המעגל, הנה אות הקלט, אבל הנה הוא בפלט. הדחף מעוות ללא היכר, אך הדבר נעשה בכוונה, עבורו מורכב המעגל. בינתיים אנו מדברים על השפעת קיבול הכבלים על אות הדופק. במקום דחף, "פעמון" כזה יופיע בקצה השני של הכבל, ואם הדחף קצר, יתכן שהוא בכלל לא יגיע לקצה השני של הכבל, הוא נעלם לחלוטין.
עובדה היסטורית
כאן די מתאים לזכור את סיפור האופן בו הונח הכבל הטרנס אטלנטי. הניסיון הראשון בשנת 1857 נכשל: נקודות הטלגרף - מקפים (פולסים מלבניים) עוותו כך שלא ניתן לפרק שום דבר בקצה השני של קו 4000 ק"מ.
ניסיון שני נעשה בשנת 1865. בשלב זה פיתח הפיזיקאי האנגלי וו. תומפסון את התיאוריה של העברת נתונים על תורים ארוכים. לאור תיאוריה זו ניתוב הכבלים התגלה כמוצלח יותר, הצלחנו לקבל איתותים.
לצורך הישג מדעי זה העניקה המלכה ויקטוריה למדען את האבירות ואת התואר של לורד קלווין. זה היה שמה של העיר הקטנה לחופי אירלנד, שם החלה הנחת הכבלים. אבל זו רק מילה, ועכשיו אנו חוזרים לאות האחרונה בנוסחה, כלומר לקבוע הדיאלקטרי של המדיום ε.
קצת על דיאלקטריקה
Ε זה הוא המכנה של הנוסחה, לכן העלאתה תביא להגדלת הקיבולת. עבור מרבית הדיאלקטרים המשמשים, כמו אוויר, לבסן, פוליאתילן, פלואורופלסטיק, קבוע זה כמעט זהה לזה של ואקום. אך יחד עם זאת ישנם חומרים רבים שהקבוע הדיאלקטרי שלהם גבוה בהרבה. אם הקבל האוויר מלא באצטון או באלכוהול, הקיבולת שלו תגדל כל 15 ... 20.
אבל לחומרים כאלה, בנוסף ל- ε גבוה, יש גם מוליכות גבוהה מספיק, ולכן קבל כזה לא יחזיק מטען היטב, הוא ישוחרר במהירות דרך עצמו. תופעה מזיקה זו נקראת זרם דליפה. לפיכך, מפותחים חומרים מיוחדים לדיאלקטרי שעם קיבול ספציפי גבוה של קבלים מספקים זרמי דליפה קבילים. זה מסביר את מגוון הסוגים וסוגי הקבלים, שכל אחד מהם מיועד לתנאים ספציפיים.
קבלים אלקטרוליטיים
הקיבולת הספציפית הגדולה ביותר (יחס קיבולת / נפח) קבלים אלקטרוליטיים. הקיבולת של "אלקטרוליטים" מגיעה עד 100,000 מיקרו-פארדה, ומתח ההפעלה הוא עד 600 וולט. קבלים כאלה עובדים היטב רק בתדרים נמוכים, לרוב במסנני אספקת חשמל. קבלים אלקטרוליטיים מופעלים בקוטביות.
האלקטרודות בקבלים כאלה הם סרט דק של תחמוצת מתכת, כך שלעתים קרובות קבלים אלה נקראים תחמוצת. שכבה דקה של אוויר בין אלקטרודות כאלה איננה מבודד אמין במיוחד, ולכן נוצרת שכבת אלקטרוליט בין לוחות החמצון. לרוב מדובר בתמיסות מרוכזות של חומצות או אלקליות.
איור 3 מציג את אחד הקבלים הללו.
איור 3. קבל אלקטרוליטי
כדי להעריך את גודל הקבל, צולמה לידו ארגז גפרורים פשוט. בנוסף לקיבולת גדולה מספיק בנתון, ניתן לראות גם את אחוז הסיבולת: לא פחות מ -70% מהנומינלים.
בימים ההם שהמחשבים היו גדולים וקראו מחשבים, קבלים כאלה היו בכוננים (בדיסק הקשיח המודרני). יכולת המידע של כוננים כאלה יכולה כעת לגרום רק לחיוך: 5 מגה בייט של מידע אוחסנו על שני דיסקים בקוטר של 350 מ"מ, והמכשיר עצמו שקל 54 ק"ג.
המטרה העיקרית של מנקי-העל המוצגים בתמונה הייתה נסיגת ראשים מגנטיים מאזור העבודה של הדיסק במהלך הפסקת חשמל פתאומית. קבלים כאלה יכלו לאחסן מטען במשך מספר שנים, אשר נבדק בפועל.
מעט נמוך יותר עם קבלים אלקטרוליטיים יוצע לעשות כמה ניסויים פשוטים כדי להבין מה יכול קבל.
כדי לעבוד במעגלי AC, מיוצרים קבלים אלקטרוליטיים שאינם קוטביים, זה פשוט להשיג אותם מסיבה כלשהי קשה מאוד. כדי איכשהו לעקוף את הבעיה הזו, "אלקטרוליטים" קוטביים רגילים כוללים רצף נגדי: פלוס מינוס מינוס פלוס.
אם הקבל האלקטרוליטי הקוטב כלול במעגל הזרם החלופי, אז הוא יתחמם ואז ואז ישמע פיצוץ. קבלים ביתיים ישנים הפזורים לכל הכיוונים, בעוד שלמייבאים יש מכשיר מיוחד שנמנע מצילומים רמים. לרוב זהו חריץ צולב בתחתית הקבל, או חור עם פקק גומי שנמצא באותו מקום.
הם לא אוהבים קבלים אלקטרוליטיים בעלי מתח מוגבר, גם אם הקוטביות נצפית. לכן אסור לעולם להכניס "אלקטרוליטים" למעגל בו צפוי מתח קרוב למקסימום עבור קבל נתון.
לפעמים בפורומים מסוימים, אפילו מכובדים, מתחילים שואלים את השאלה: "הקבל 470μF * 16V מצוין בתרשים, ויש לי 470μF * 50V, האם אני יכול לשים את זה?" כן, כמובן שאפשר, אבל ההחלפה ההפוכה אינה מקובלת.
קבל יכול לאגור אנרגיה
כדי להתמודד עם הצהרה זו, תרשים פשוט שמוצג באיור 4 יעזור.
איור 4. מעגל עם קבל
גיבור המעגל הזה הוא קבל אלקטרוליטי C בעל קיבולת מספיק גדולה כך שתהליכי פריקת המטען מתקדמים לאט ואפילו בצורה מאוד ברורה. זה מאפשר לראות את פעולת המעגל חזותית באמצעות אור קונבנציונאלי מפנס. נורות אלה פינו כבר מזמן ל נוריות LED מודרניות, אך נורות עבורן עדיין נמכרות. לכן, קל מאוד להרכיב מעגל ולבצע ניסויים פשוטים.
אולי מישהו יגיד: "למה? הרי הכל ברור, וגם אם קראת את התיאור ... " נראה שאין מה להתווכח כאן, אבל כל, אפילו הדבר הפשוט ביותר, נשאר בראש במשך זמן רב אם הבנתו הגיעה בידיים.
אז המעגל מורכב. איך היא עובדת?
במצב המתג SA, המוצג בתרשים, הקבל C נטען ממקור הכוח GB דרך הנגד R במעגל: + GB __ R __ SA __ C __-GB. זרם הטעינה בתרשים מוצג על ידי חץ עם האינדקס iZ. תהליך טעינת קבל מוצג באיור 5.
איור 5. תהליך טעינת קבלים
באיור נראה כי המתח על הקבל גדל לאורך עקומה, במתמטיקה המכונה המרכיב. זרם המטען משקף ישירות את מתח הטעינה. ככל שהמתח על פני הקבל עולה, זרם המטען הופך להיות פחות ופחות. ורק ברגע ההתחלתי מתאים לנוסחה המוצגת באיור.
לאחר זמן מה, הקבל יוטען מ -0 וולט למתח של מקור הכוח, במעגל שלנו ל -4 וולט. כל השאלה היא, איך הגיע הזמן לקבוע כמה זמן לחכות, מתי הקבל יטען?
קבוע זמן Tau τ = R * C
בנוסחה זו, ההתנגדות והקיבול של נגן וקבלים המחוברים לסדרה פשוט מוכפלים.אם מבלי להזניח את מערכת ה- SI, תחליף את ההתנגדות באוהם, הקיבול בפאראדס, התוצאה תהיה בשניות. זה הפעם הכרחי שהקבל יטען עד 36.8% מהמתח של מקור הכוח. בהתאם, בתשלום של כמעט 100% יידרש זמן של 5 * τ.
לעיתים קרובות, בהזנחת מערכת SI, ההתנגדות באומס מוחלפת לנוסחה, והקיבול הוא במיקרו-פארדות, אז הזמן יתגלה במיקרו-שניות. במקרה שלנו, נוח יותר להשיג את התוצאה תוך שניות, שעבורם אתה פשוט צריך להכפיל את המיקרו-שניות במיליון, או, בפשטות רבה יותר, להזיז את פסיק שש התווים שמאלה.
עבור המעגל שמוצג באיור 4, עם קבל של 2000 μF והתנגדות נגדית של 500 Ω, קבוע הזמן יהיה τ = R * C = 500 * 2000 = 1,000,000 מיקרו שניות או בדיוק שנייה. לפיכך, תצטרך להמתין כחמש שניות עד שהקבל נטען במלואו.
אם לאחר שחלף הזמן שצוין, המתג SA מופנה למצב הנכון, הקבל C ישוחרר דרך נורת ה- EL. ברגע זה תתרחש הבזק קצר, הקבל ישוחרר והאור ייכבה. כיוון הפריקה של הקבל מוצג על ידי חץ עם ה- ip האינדקס. זמן הפריקה נקבע גם על ידי קבוע הזמן τ. גרף הפריקה מוצג באיור 6.
איור 6. גרף פריקת קבלים
קבל אינו עובר זרם ישר
כדי לאמת הצהרה זו, ערכת פשוט אפילו יותר, המוצגת באיור 7, תעזור.
איור 7. מעגל עם קבל במעגל DC
אם תסגור את המתג SA, יבוא אחריו הבזק קצר של הנורה, אשר מציין כי הקבל C נטען דרך הנורה. גרף הטעינה מוצג גם כאן: ברגע שהמתג נסגר, הזרם הוא מקסימלי, כשהקבל נטען הוא יורד, ואחרי זמן מה הוא נעצר לחלוטין.
אם הקבל באיכות טובה, כלומר עם זרם דליפה קטן (פריקה עצמית), הסגירה החוזרת ונשנית של המתג לא תוביל להבזק. כדי לקבל הבזק נוסף, הקבל יצטרך לפרוק.
קבל במסנני חשמל
הקבל ממוקם לרוב לאחר המיישר. לרוב, מיישרים מיוצרים חצי גל. מעגלי המיישר הנפוצים ביותר מוצגים באיור 8.
איור 8. מעגלי מיישר
מיישרים למחצה-גל משמשים גם לעתים קרובות למדי, ככלל, במקרים בהם כוח העומס אינו חשוב. האיכות החשובה ביותר של מיישרים כאלו היא פשטות: רק דיודה אחת ומתפתל שנאי.
עבור מיישר חצי גל, ניתן לחשב את הקיבול של קבל הפילטר על ידי הנוסחה
C = 1,000,000 * Po / 2 * U * f * dU, כאשר C הוא הקבל μF, Po הוא כוח העומס W, U הוא המתח בפלט מיישר V, f הוא התדר של מתח AC Hz, dU הוא משרעת האדווה V.
מספר גדול במונה של 1,000,000 ממיר את הקיבול של הקבל מהפארדים המערכת למיקרופארדים. השניים במכנה מייצגים את מספר תקופות המחצית של המיישר: עבור חצי גל במקומו תופיע יחידה
C = 1,000,000 * Po / U * f * dU,
ועבור מיישר תלת פאזי הנוסחה תופיע בצורת C = 1,000,000 * Po / 3 * U * f * dU.
מעבד-על - יוניסטור
לאחרונה, מחלקה חדשה של קבלים אלקטרוליטיים, מה שנקרא יוניסטור. במאפייניו זה דומה לסוללה, עם זאת, עם מספר מגבלות.
האיוניסטור נטען למתח המדורג תוך זמן קצר, פשוטו כמשמעו תוך מספר דקות, ולכן רצוי להשתמש בו כמקור כוח גיבוי. למעשה, האיוניסטור הוא מכשיר לא קוטבי, הדבר היחיד שקובע את הקוטביות שלו הוא טעינה במפעל. כדי לא לבלבל את הקוטביות הזו בעתיד, זה מסומן על ידי סימן +.
תפקיד חשוב ממלא תנאי ההפעלה של היוניסטורים. בטמפרטורה של 70˚C במתח של 0.8 מהעמידות המובטחת הנומינלית של לא יותר מ- 500 שעות.אם המכשיר יפעל במתח של 0.6 מהסמל הנקוב, והטמפרטורה לא תעלה על 40 מעלות, אז אפשרי פעולה תקינה במשך 40,000 שעות ומעלה.
יישומי היוניסטור הנפוצים ביותר הם מקורות כוח לגיבוי. מדובר בעיקר בשבבי זיכרון או שעונים אלקטרוניים. במקרה זה, הפרמטר העיקרי של היוניסטור הוא זרם דליפה נמוך, הפריקה העצמית שלו.
מבטיח למדי הוא השימוש ביוניסטורים בשילוב עם פאנלים סולאריים. זה משפיע גם על חוסר קריטיות למצב המטען ועל מספר כמעט בלתי מוגבל של מחזורי פריקת מטען. מאפיין חשוב נוסף הוא שהאיוניסטור נטול תחזוקה.
עד כה התברר לספר כיצד ואיפה עוברים קבלים אלקטרוליטיים ובעיקר במעגלי DC. פעולת הקבלים במעגלי זרם חילופין תואר במאמר אחר - קבלים למתקני חשמל AC.
בוריס אלאדישקין
P.S. מקרה שימוש מעניין עבור קבלים: ריתוך קבלים
ראה גם באתר elektrohomepro.com
: