כשאתה לומד את הפיזיקה של האלקטרוניקה, ויש לך להתמודד טוב עם היסודות - כמו המשמעות של מונחי מפתח כמומתח, נוֹכְחִיוהִתנַגְדוּת, יחד עם משוואות חשובות כמו חוק אוהם - ללמוד כיצד רכיבי מעגל שונים עובדים הוא הצעד הבא לשליטה בנושא.
אקַבָּלהוא אחד המרכיבים החשובים ביותר שיש להבין כי הם נמצאים בשימוש נרחב בכל תחומי האלקטרוניקה. מקבלים של צימוד וניתוק, ועד הקבלים שגורמים לפלאש של המצלמה לעבוד או ממלאים תפקיד מפתח ב את המיישרים הדרושים להמרות AC ל- DC, קשה מאוד למגוון היישומים של הקבלים לְהַפְרִיז. זו הסיבה שחשוב שתדעו לחשב את הקיבול ואת הקיבול הכולל של סידורים שונים של קבלים.
מהו קבלים?
קבל הוא רכיב חשמלי פשוט המורכב משני לוחות מוליכים או יותר המוחזקים במקביל זה לזה ומופרדים באמצעות אוויר או שכבת בידוד. לשתי הלוחות יש אפשרות לאחסן מטען חשמלי כאשר הן מחוברות למקור חשמל, כאשר לוח אחד מפתח מטען חיובי והשני אוסף מטען שלילי.
בעיקרו של דבר, קבל הוא כמו סוללה קטנה, המייצר הפרש פוטנציאלי (כלומר מתח) בין שתי הלוחות, המופרד על ידי מחלק הבידוד הנקראדיאלקטרי(שיכול להיות חומרים רבים, אך לעתים קרובות הוא קרמיקה, זכוכית, נייר שעווה או נציץ), המונע זרימת זרם מפלטה אחת לשנייה ובכך שומר על המטען המאוחסן.
עבור קבל מסוים, אם הוא מחובר לסוללה (או מקור מתח אחר) עם מתחו, זה יאחסן מטען חשמליש. יכולת זו מוגדרת בצורה ברורה יותר על ידי "הקיבול" של הקבל.
מהי קיבוליות?
עם זאת בחשבון, ערך הקיבול הוא מדד ליכולתו של הקבל לאגור אנרגיה בצורה של מטען. בפיזיקה ואלקטרוניקה, קיבול מקבל את הסמלג, ומוגדר כ:
C = \ frac {Q} {V}
איפהשהוא המטען המאוחסן בצלחות ווהוא ההבדל הפוטנציאלי של מקור המתח המחובר אליהם. בקיצור, קיבול הוא מדד ליחס בין מטען למתח, ולכן יחידות הקיבול הן קולומבים של מטען / וולט של הפרש פוטנציאלי. קבל בעל קיבול גבוה יותר אוגר יותר תשלום עבור כמות מתח מסוימת.
מושג הקיבול כל כך חשוב שהפיזיקאים העניקו לו יחידה ייחודית בשם "פאראד(אחרי הפיזיקאי הבריטי מייקל פאראדיי), שם 1 F = 1 C / V. קצת כמו הקולומב לטעינה, פאראד הוא כמות גדולה למדי של קיבול, כאשר רוב ערכי הקבלים נמצאים בטווח של פיקופאראד (pF = 10−12 F) ל- microfarad (μF = 10−6 ו).
קיבול שווה של קבלים מסדרה
במעגל סדרתי, כל הרכיבים מסודרים באותו נתיב סביב הלולאה, ובאותה צורה, קבלים סדרתיים מחוברים בזה אחר זה בנתיב אחד סביב המעגל. הקיבול הכולל למספר קבלים בסדרה יכול לבוא לידי ביטוי כקבל מקבל שווה ערך יחיד.
הנוסחה לכך יכולה להיות נגזרת מהביטוי העיקרי לקיבול מהסעיף הקודם, המסודר מחדש כדלקמן:
V = \ frac {Q} {C}
מכיוון שחוק המתח של קירכהוף קובע כי סכום המתח יורד סביב לולאה שלמה של מעגל חייב להיות שווה למתח מאספקת החשמל, למספר קבליםנ, המתחים חייבים להוסיף כדלקמן:
V_ {tot} = V_1 + V_2 + V_3 +... V_n
איפהוכּוֹסִית הוא המתח הכולל ממקור החשמל, וו1, ו2, ו3 וכן הלאה הם טיפות המתח על פני הקבל הראשון, הקבל השני, הקבל השלישי וכן הלאה. בשילוב עם המשוואה הקודמת, זה מוביל ל:
\ frac {Q_ {tot}} {C_ {tot}} = \ frac {Q_1} {C_1} + \ frac {Q_2} {C_2} + \ frac {Q_3} {C_3} +... \ frac {Q_n} {C_n }
כאשר למנויים יש אותה משמעות כמו בעבר. עם זאת, המטען על כל אחת מלוחות הקבלים (כלומר, ה-שערכים) מגיעים מהלוח הסמוך (כלומר, המטען החיובי בצד אחד של הלוח 1 חייב להתאים למטען השלילי בצד הקרוב ביותר של לוח 2 וכן הלאה), כך שתוכל לכתוב:
Q_ {tot} = Q_1 = Q_2 = Q_3 = Q_n
החיובים מתבטלים אפוא ומשאירים:
\ frac {1} {C_ {tot}} = \ frac {1} {C_1} + \ frac {1} {C_2} + \ frac {1} {C_3} +... \ frac {1} {C_n}
מכיוון שקיבול השילוב שווה לקיבול המקביל של קבל יחיד, ניתן לכתוב זאת:
\ frac {1} {C_ {eq}} = \ frac {1} {C_1} + \ frac {1} {C_2} + \ frac {1} {C_3} +... \ frac {1} {C_n}
עבור כל מספר הקבליםנ.
קבלים מסדרה: דוגמה מעובדת
כדי למצוא את הקיבול הכולל (או הקיבול המקביל) של שורה של קבלים מסדרה, אתה פשוט מחיל את הנוסחה לעיל. לשלושה קבלים עם ערכים של 3 μF, 8 μF ו- 4 μF (כלומר, מיקרו-פארדים), אתה מחיל את הנוסחה עםנ = 3:
\ התחל {align} \ frac {1} {C_ {eq}} & = \ frac {1} {C_1} + \ frac {1} {C_2} + \ frac {1} {C_3} \\ & = \ frac {1} {3 × 10 ^ {- 6} \ text {F}} + \ frac {1} {8 × 10 ^ {- 6} \ text {F}} + \ frac {1} {4 × 10−6 \ text {F}} \\ & = 708333.333 \ טקסט {F} ^ {- 1} \ end {align}
וכך:
\ התחל {align} C_ {eq} & = \ frac {1} {708333.333 \ text {F} ^ {- 1}} \\ & = 1.41 × 10 ^ {- 6} \ text {F} \\ & = 1.41 \ text {μF} \ end {מיושר}
קיבול שווה של קבלים מקבילים
עבור קבלים מקבילים, התוצאה האנלוגית נגזרת מ- Q = VC, העובדה שנפילת המתח בכל הקבלים המחוברים במקביל (או כל רכיב בתוך מעגל מקביל) זהה, והעובדה שהמטען על הקבל המקביל היחיד יהיה המטען הכולל של כל הקבלים הבודדים במקביל קוֹמבִּינַצִיָה. התוצאה היא ביטוי פשוט יותר לקיבול הכולל או לקיבול המקביל:
C_ {eq} = C_1 + C_2 + C_3 +... C_n
איפה שוב,נהוא המספר הכולל של הקבלים.
עבור שלושת הקבלים כמו בדוגמה הקודמת, למעט הפעם המחוברים במקביל, החישוב לקיבול המקביל הוא:
\ התחל {align} C_ {eq} & = C_1 + C_2 + C_3 +... C_n \\ & = 3 × 10 ^ {- 6} \ טקסט {F} + 8 × 10 ^ {- 6} \ טקסט {F} + 4 × 10 ^ {- 6} \ טקסט {F} \\ & = 1.5 × 10 ^ {- 5} \ טקסט {F} \\ & = 15 \ טקסט {μF} \ סוף {מיושר}
שילובים של קבלים: הבעיה הראשונה
מציאת הקיבול המקביל לשילובי קבלים המסודרים בסדרות ומסודרים במקביל כרוך ביישום שתי הנוסחאות הללו בתורן. לדוגמא, דמיין שילוב של קבלים עם שני קבלים בסדרה, עםג1 = 3 × 10−3 F ו-ג2 = 1 × 10−3 F, וקבל נוסף במקביל ל-ג3 = 8 × 10−3 פ.
ראשית, התמודד עם שני הקבלים בסדרה:
\ התחל {align} \ frac {1} {C_ {eq}} & = \ frac {1} {C_1} + \ frac {1} {C_2} \\ & = \ frac {1} {3 × 10 ^ { −3} \ text {F}} + \ frac {1} {1 × 10 ^ {- 3} \ text {F}} \\ & = 1333.33 \ text {F} ^ {- 1} \ end {align}
כך:
\ התחל {align} C_ {eq} & = \ frac {1} {1333.33 \ text {F} ^ {- 1}} \\ & = 7.5 × 10 ^ {- 4} \ text {F} \ end {מיושר }
זהו הקבל המקביל היחיד עבור חלק הסדרה, כך שתוכלו להתייחס לזה כסינגל קבלים כדי למצוא את הקיבול הכולל של המעגל, באמצעות הנוסחה עבור קבלים מקבילים ו- ערך עבורג3:
\ התחל {align} C_ {tot} & = C_ {eq} + C_3 \\ & = 7.5 × 10 ^ {- 4} \ text {F} + 8 × 10 ^ {- 3} \ text {F} \\ & = 8.75 × 10 ^ {- 3} \ טקסט {F} \ סוף {מיושר}
שילובים של קבלים: בעיה שניה
לשילוב נוסף של קבלים, שלושה עם חיבור מקביל (עם ערכים שלג1 = 3 μF,ג2 = 8 μF ו-ג3 = 12 μF) ואחד עם חיבור סדרתי (עםג4 = 20 μF):
הגישה היא בעצם זהה לזו שבדוגמה האחרונה, אלא שאתה מטפל קודם בקבלים המקבילים. כך:
\ התחל {align} C_ {eq} & = C_1 + C_2 + C_3 \\ & = 3 \ text {μF} + 8 \ text {μF} + \ text {12 μF} \\ & = 23 \ text {μF} \ end {align}
עכשיו, מתייחסים אליהם כאל קבל יחיד ומשולבים עםג4, הקיבול הכולל הוא:
\ התחל {align} \ frac {1} {C_ {tot}} & = \ frac {1} {C_ {eq}} + \ frac {1} {C_4} \\ & = \ frac {1} {23 \ טקסט {μF}} + \ frac {1} {20 \ text {μF}} \\ & = 0.09348 \ text {μF} ^ {- 1} \ end {align}
כך:
\ התחל {align} C_ {tot} & = \ frac {1} {0.09348 \ text {μF} ^ {- 1}} \\ & = 10.7 \ text {μF} \ end {align}
שים לב כי מכיוון שכל הקיבולים האישיים היו במיקרו-פארדים, כל החישוב יכול הושלם במיקרו-פאראדים מבלי להמיר - כל עוד אתה זוכר כשמצטט את הגמר שלך תשובות!