מדריך הקבלים: סדרה Vs.תצורות מקבילות

בהנדסת חשמל, קבלים מראים שימושים רבים, במיוחד כאשר הם מסודרים בסדרה או במקביל במעגלים.הסדרים אלה משפיעים על קיבול, אחסון אנרגיה ויעילות מערכות חשמל.מאמר זה בוחן כיצד קבלים עובדים בסדרות ובמגדרות מקבילות, תוך שימוש בדוגמאות ותיאוריה כדי להסביר את ההבדלים ביניהם.זה נועד לספק הבנה ברורה כיצד להשתמש בקבלים ביעילות בטכנולוגיות שונות, החל מאלקטרוניקה יומיומית ועד מכונות תעשייתיות מתקדמות.

קָטָלוֹג

איור 1: מעגל קבלים

קבלים במעגלים חשמליים

במעגלים חשמליים, קבלים משרתים מטרה לאחסון ומטען חשמלי כאחד.יש להם שתי צלחות מוליכות המופרדות על ידי דיאלקטרי מבודד.היכולת שלהם להחזיק תשלום נמדדת בפארדס.

איור 2: קבלים

ניתן לחבר בין קבלים בסדרה או במקביל.בסדרה, קבלים רבים יותר מפחיתים את הקיבול הכללי, שימושי להשגת קיבול נמוך יותר.במקביל, קבלים רבים יותר מגדילים את הקיבול הכולל, אידיאלי לקיבול גבוה בחללים קטנים, כמו מסנני אספקת חשמל.החומר הדיאלקטרי משפיע על ביצועי הקבל, קובע טעינה מקסימאלית, מתח פירוט ותגובת תדר המעגל.קבלים מתקדמים משתמשים בחומרים כמו קרמיקה, טנטלום או אלקטרוליטים פולימריים לקיבול גבוה יותר, יציבות טמפרטורה ודליפה נמוכה.

איור 3: קבלים

תכונות של קבלים בסדרה ובמקביל

להלן הסבר פשוט על המאפיינים שלהם וכיצד ניתן לסדר תצורות אלה כדי לקבל את הקיבול הרצוי.

קבלים בסדרה

איור 4: סדרת קיבול

כשאתה מחבר קבלים בסדרה, הקיבול הכללי הולך וקטן.זה קורה מכיוון שהחיוב צריך לנסוע בחומר רב יותר, מה שמקשה על האחסון.הקיבול הכולל (1/c_סה"כ) הוא סכום ההדדיות של כל קבלים בודדים (1/c₁ + 1/c₂ + ... + 1/C_נ).הקיבול הכולל הוא תמיד פחות מהקבל הקטן ביותר בסדרה.הנוסחה לחישוב הקיבול הכולל בסדרה היא:

על מעצבי מעצבים לקחת בחשבון תכונה זו בבחירת קבלים כדי לעמוד בדרישות קיבול ספציפיות.אילוצים מעשיים כמו צרכי שטח ויישום יכולים להגביל את מספר הקבלים בסדרה, והתפלגות מתח משתנה יכולה להוסיף מורכבות אלא אם כן הקבלים זהים.

קבלים במקביל

איור 5: קיבול מקביל

כאשר קבלים מחוברים במקביל, הקיבול הכולל עולה.הסיבה לכך היא ששטח הפנים המשולב של כל הקבלים מאפשר לאחסן מטען רב יותר באותו מתח.הקיבול הכולל (ג_סה"כ) הוא סכום הקיבולים של כל קבלים (ג₁ + ג₂ + ... + C_נ).הקיבול הכולל יהיה גדול יותר מהקבל היחיד הגדול ביותר.הנוסחה לחישוב הקיבול הכולל במקביל היא:

אם כי, ניתן לחבר מספר בלתי מוגבל של קבלים במקביל, מגבלות מעשיות כמו מרחב פיזי, מטרת מעגל ואילוצי תכנון מגבילים לעתים קרובות את המספר.קבלים באיכות גבוהה עם דירוגי מתח וסובלנות מתאימים טובים לביצועי המעגל האמינים.נוסחה זו מאפשרת שליטה מדויקת על ערכי הקיבול, ומאפשרת למעצבים לייעל את התנהגות המעגלים, יעילות אנרגיה וביצועים, מה שהופך אותה לאבן יסוד של אלקטרוניקה והנדסת חשמל.

איור 6: סדרה ומקביל

מעגל קבלים ודוגמא של סדרות

מעגל קבלים סדרה כולל קבלים המקושרים ברצף לאורך אותו נתיב, ומבטיח כי מטענים או זרמים זהים חוצים דרך כל רכיב.זה מבטיח זרימת זרם אחידה על הקבלים, היבט בסיסי להבנת התנהגותם של מעגלים כאלה.

איור 7: מעגל קבלים סדרה

בהגדרת סדרה, כל קבל חייב להתמודד עם אותו מטען.כאשר מיושם מקור מתח DC, חיבור הסדרה מכתיב כי גובה מחלק מחדש לאורך הקבלים כדי לשמור על שיווי משקל זה.לדוגמה, אם מקור מתח מחובר בין קבלים C₁, ג₂, ו₃ עם ערכים 2F, 4F ו- 6F בהתאמה, הדברים הבאים מתרחשים:

• הצד הימני של C₃ הופך לטעון חיובי בגלל משיכת האלקטרונים לקראת הטרמינל החיובי של הסוללה.

• גירעון זה של אלקטרונים ב- C₃הצלחת הימנית גורמת לגירעון דומה ב- C₂הצלחת הימנית של הימנית, ובהצלחה אותה אפקט מתרחשת ב- C1.

• תגובת שרשרת זו על הקבלים מבטיחה חלוקת מטען אחידה.

דוגמא:

בהתחשב בקיבולות C₁= 2f, c₂= 4f, c₃= 6F ומתח DC של 10 וולט, אנו יכולים לקבוע את המטען והתפלגות המתח:

איור 8: סדרת דוגמאות

חישוב CTOTAL מניב כ- 0.92F.

שימוש Q = C × V, כאשר Q הוא המטען ו- V הוא המתח:

לפיכך, כל קבל מחזיק בתשלום של 9.2C.

מתח על כל קבלים נמצא באמצעות v = cq:

סכום המתחים האישיים, v₁+V₂+V₃, צריך להיות שווה למתח המקור (10V).כאן זה מחשב בערך 8.43 וולט, מה שמצביע על שגיאת עיגול או חישוב אפשרי באומדנים או הנחות ראשוניים שלנו.

מעגל קבלים מקביל ודוגמה

מעגל קבלים מקביל הוא מערך אלקטרוני בו קבלים מחוברים זה לצד זה בין נקודות נפוצות, ומאפשר לכל אחד לפעול באופן עצמאי תחת אותו מתח.זה שונה ממעגלי סדרה, שבהם קבלים חולקים חיוב.

איור 9: מעגל קבלים מקביל

במקביל, המתח על פני כל קבלים זהה.עם זאת, המטען כל חנויות קבלים משתנה על פי קיבולו.קיבול גבוה יותר פירושו שקבל יכול לאחסן תשלום רב יותר.לדוגמה, אם יש לנו קבלים של 8 פארדים (F) ו- 4F, קבלים 8F יאחסנו טעינה רבה יותר מאשר קבלים 4F כאשר שניהם נמצאים באותו מתח.

יתרון מרכזי אחד של קבלים מקבילים הוא העלייה בקיבול הכולל.בניגוד למעגלי סדרה, כאשר הקיבול הכולל הוא פחות מכל קבלים בודדים, במקביל, הקיבול הכולל הוא סכום כל הקבלנות האישיים.זה קורה מכיוון שאזור הצלחת גדל למעשה מבלי לשנות את המרחק ביניהם, ולשפר את יכולתו של המעגל לאחסן מטען.

דוגמא:

איור 10: מדגם מקביל

קחו בחשבון מעגל עם שלושה קבלים המחוברים במקביל למקור כוח 10V DC.לקבלים יש קיבולים אלה: ג₁ = 8f, c₂ = 4F, ו- C₃ = 2f.כל קבל חווה את אותו 10 וולט, אך מאחסן מטענים שונים על סמך קיבולו:

קבלים ג₁: עם 8F, הוא מאחסן מטען של 80 קולומבים (C), המחושב כ- Q = C × V, שהוא 8F × 10V = 80C.

קבלים ג₂: עם 4F, הוא מאחסן מטען של 40C, המחושב כ- 4F × 10V = 40C.

קבלים ג₃: עם 2F, הוא מאחסן מטען של 20C, המחושב כ- 2F × 10V = 20C.

המטען הכולל במעגל הוא סכום כל החיובים: Q_T= ש₁+ש₂+ש₃= 80C+40C+20C = 140C

תוספת זו מראה כיצד מעגל קבלים מקביל משפר את אחסון הטעינה על ידי שילוב של קיבול של קבלים בודדים.מעגל קבלים מקביל מגדיל את קיבולת האחסון של קיבול ואחסון מטען מוחלט, כאשר כל קבלים חווה אותו מתח.

אנרגיה המאוחסנת בקבלים בסדרה ובמקביל

כדי להבין כיצד מאוחסנים אנרגיה בקבלים המסודרים בסדרה או במקביל, אנו מתחילים עם הנוסחה הבסיסית לאנרגיה המאוחסנת בקבל יחיד:

הנה, u_ג היא האנרגיה בג'ול, Q הוא המטען בקולומבים, ו- C הוא הקיבול בפארדס.

אנרגיה בקבלים סדרות

עבור קבלים בסדרה, קחו בחשבון שני קבלים עם קיבולות C1 ו- C2.הקשר בין מטען למתח עבור כל קבלים ניתן על ידי c = vq.בתצורת סדרה, אותו מטען Q נמצא על כל קבלים:

האנרגיה הכוללת המאוחסנת במערכת היא סכום האנרגיות האישיות:

זה מראה כי הקיבול האפקטיבי של קבלים של סדרות הוא הסכום ההדדי של הקיבולים האישיים, מה שמקטין את הקיבול הכולל ומשנה את אחסון האנרגיה בהשוואה לתצורות בודדות או מקבילות.

אנרגיה בקבלים מקבילים

עבור קבלים במקביל, לכל קבלים יש אותו מתח.ניתן לבטא את האנרגיה לכל אחד באמצעות הנוסחה מבוססת המתח:

אם שני קבלים C₁ ו₂ הם במקביל ויש להם את אותו מתח V לרוחבם, אחסון האנרגיה הכולל שלהם הוא:

חישוב זה מראה כי הקיבול הכולל של קבלים מקבילים הוא סכום הקבוצות האישיות, מה שמגדיל את סך האנרגיה המאוחסנת בהשוואה לתצורות אינדיבידואליות או סדרות.

יתרונות וחסרונות של קבלים בסדרה

השימוש בקבלים בסדרה מציע יתרונות מסוימים, כולל מתח עבודה מוגבר כולל.תצורה זו מאפשרת גם איזון מתח יעיל יותר, במיוחד כאשר נגדלים בעלי ערך גבוה (בערך 100kΩ ומעלה) ממוקמים על כל קבלים כדי להבטיח חלוקה אחידה יותר של מתח.

השימוש בקבלים בסדרה מגיע עם חסרונות, כולל סוגיית שיתוף מתח לא שוויוני.וריאציות בזרמי דליפה, במיוחד אצל קבלים אלקטרוליטיים, עלולות לגרום לכך שקבל אחד חווה מתח יתר, מה שעלול להוביל לנזק.הבדלים קלים בשיעורי הייצור או ההזדקנות תורמים גם הם לשונות בזרם הדליפה, ומשפיעים על חלוקת המתח.זרם הדליפה בקבלים אלקטרוליטיים נוטה לגדול עם הזמן, במיוחד אם לא משתמשים בהם באופן קבוע.אפילו עם איזון בין נגדים במקום, הוא צריך להשאיר מרווח במתח העבודה, במיוחד עבור קבלים אלקטרוליטיים, כדי להבטיח פעולה אמינה.

יתרונות וחסרונות של קבלים במקביל

אחסון אנרגיה מוגבר: חיבור בין קבלים במקביל לאחסן יותר אנרגיה מאשר כאשר הם נמצאים בסדרה מכיוון שהקיבול הכולל שלהם הוא סכום של כל הקבלים האישיים.

איזון מתח טוב יותר: בנקים קבלים מקבילים משיגים איזון מתח טוב יותר עם פחות נגדי איזון, הפחתת עלויות והפסדי חשמל.

יעילות עלות: פחות איזון נגדים בחיבורים מקבילים חוסכים כסף ומפשטים את המערכת.

מגבלת מתח: במעגל מקביל, כל הקבלים חולקים את אותו המתח.המתח המרבי מוגבל על ידי הקבל המדורג הנמוך ביותר.לדוגמה, אם קבלים אחד מדורג ב 200 וולט ואחרים ב 500 וולט, המערכת כולה יכולה להתמודד עם 200 וולט בלבד.

סיכוני בטיחות: קבלים מקבילים מאחסנים ומשחררים כמויות גדולות של אנרגיה במהירות, מה שעלול להיות מסוכן אם יש קצר חשמלי, מה שעלול לגרום נזק ופגיעות קשה.

סיכון לכישלון במערכת: בפריסות מורכבות, אם קבל אחד נכשל, על האחרים להתמודד עם המתח המלא, מה שמוביל לכישלון פוטנציאלי של המערכת כולה.סיכון זה נמוך יותר בקשרי סדרה שבהם כישלונו של קבלים אחד אינו משפיע על האחרים.

סיכום

מבט מפורט זה על קבלים עוזר לנו להבין את תפקידיהם ואת השיקולים החשובים לשימושם באלקטרוניקה מודרנית.הגדרות סדרות מגבירות את מתח העבודה ומנהלות את חלוקת המתח אך מפחיתות את הקיבול ומגדילות את הרגישות לווריאציות.הגדרות מקבילות מגדילות את הקיבול הכולל ואחסון האנרגיה, וזה טוב לניהול אנרגיה בחללים קטנים, אך הם יכולים להיות מסוכנים אם קבל אחד נכשל.בחירה בין סדרות לתצורות מקבילות תלויה בצרכים הנדסיים ספציפיים, באיזון שטח, עלות וביצועים.התובנות התיאורטיות והמעשיות מדגישות בחירת קבלים זהיר ועיצוב מעגלים כדי להבטיח מערכות חשמל אמינות ויעילות.

שאלות נפוצות [שאלות נפוצות]

1. מה ההשפעה של קבל סדרה?

קבלים סדרות משמשים בעיקר להפחתת עכבה של מעגל בתדרים גבוהים יותר, מה שמשפר את העברת הכוח לאורך מרחקים ארוכים ומשפר את ויסות המתח.כאשר קבלים מחוברים בסדרה, הקיבול הכולל פוחת.תצורה זו מאלצת את אותו מטען לעבור דרך כל הקבלים, וכתוצאה מכך חלוקה של המתח הכולל על כל קבלים על פי ערך הקיבול שלו.מאפיין זה שימושי במיוחד ביישומים כמו צימוד אותות וסינון, כאשר המטרה היא לחסום זרם ישיר (DC) תוך מתן אפשרות לעבור זרם לסירוגין (AC).

2. מתי להשתמש בקבלים סדרות?

קבלים סדרות מנוצלים כאשר יש צורך להתאים את העכבה של מעגל, במיוחד ביישומים בתדר גבוה.הם מועסקים גם בכדי להשיג חטיבת מתח במעגל.במערכות חשמל, קבלים סדרות משמשים להגדלת הקיבולת של קווי העברת חשמל על ידי פיצוי על תגובת אינדוקטיבית בקווי העברה ארוכים, ובכך מאפשרים ליותר זרם לזרום באותם תנאי מתח.

3. איך אתה יודע אם שני קבלים נמצאים בסדרה?

שני קבלים נמצאים בסדרה אם הם מחוברים מקצה לקצה, כאשר המסוף החיובי של אחד מחובר לטרמינל השלילי של השני, ויש רק שתי נקודות חיבור הכרוכות ברכיבי מעגל אחרים.הסדר זה מבטיח כי זרם הטעינה והפריקה הזורמים דרכם זהים.ניתן לחשב גם את הקיבול הכולל כדי לאשר זאת;עבור קבלים של סדרות, ההדדיות של הקיבול הכולל הוא סכום ההדדיות של הקיבולים האישיים.

4. מה ההשפעה של קבל מקביל?

כאשר קבלים מחוברים במקביל, הקיבול הכולל של המעגל עולה.תצורה זו מאפשרת לכל קבלים להחזיק את אותו מתח, מה שמוביל לצבירת קיבולת טעינה על הקבלים.קבלים מקבילים משמשים לרוב לייצוב המתח ולאחסון מטען רב יותר במערכות בהן יש צורך בקיבול גבוה יותר מבלי להגדיל את דירוג המתח של קבלים בודדים.

5. האם סדרות או תצורה מקבילה מגבירים את המתח?

התצורה עצמה אינה מגדילה את מתח האספקה ​​המקורי;עם זאת, חלוקת המתח במעגל משתנה.בתצורת סדרה, המתח מחולק בין הקבלים בהתאם לקיבולות האישיות שלהם.לעומת זאת, בתצורה מקבילה, המתח על פני כל קבל נשאר זהה למתח האספקה.

6. האם מתח זהה במקביל?

כן, במעגל מקביל, המתח על פני כל קבל זהה ושווה למתח הכולל המסופק למעגל.חלוקה אחידה זו של מתח הופכת את הקבלים המקבילים לאידיאליים ליישומים הזקוקים למתח עקבי על פני רכיבים מרובים.