בחירת קבל - איך בוחרים קבל?


 

תכנון מעגלי חשמל ואלקטרוניקה - בחירת קבל - איך בוחרים קבל?

 

 

רקע כללי

 

קבלים

קבל (Capacitor) הוא הוא רכיב חשמלי שמטרתו לאגור מטען חשמלי. הקבל לרב בנוי משני משטחים מוליכים המופרדים על ידי חומר מבודד. מתח המוזן לשני המוליכים של קבל גורמים להיווצרות שדה חשמלי סטטי

 

 

 

 

 

 

 

קיבול של קבל נמדד ביחידות Farad (F) והקבל מסומן בשרטוטים חשמליים באות C. קבלים יכולים להגיע במגוון צורות ומגוון דרכים: קבלים בודדים ונפרדים וקבלים המובנים בתוך מעגלים משולבים ועוד.

 

קבלים מסווגים לשני סוגים: קבלים קבועים וקבלים משתנים

קבלים קבועים הם קבלים שערך הקיבול שלהם הוא קבוע. קבלים אלה בנויים עם שני הדקים. בחלק מהם קוטביות החיבור (כיוון החיבור) היא חשובה ובחלק אחר היא לא.

 

 

 

 

קבלים משתנים הם קבלים שניתן לשנות את ערך הקיבול שלהם. קבלים אלה בנויים עם שלושה הדקים. גם כאן קוטביות החיבור אינה חשובה אך יש לשים לב באילו הדקים משתמשים בעת חיבור הקבל המשתנה למעגל החשמלי.

 

קבל משתנה קבל משתנה

 

 

לרב, הקיבול בין שני ההדקים הקיצוניים הוא הקיבול המקסימלי של הקבל המשתנה ובאמצעות ההדק המרכזי ניתן לקבוע את ערך הקיבול הרצוי. מבנה פנימי של קבל משתנה מתואר בתמונה הבאה:

מבנה פנימי של קבל משתנה

By Wojciech Pysz (http://oldradio.pl) [GFDL, CC-BY-SA-3.0 or CC-BY-SA-2.5-2.0-1.0], via Wikimedia Commons

 

סיבוב של הרוטור גורם להגדלת/הקטנת השטח בין הלוחות של הקבל ואלה גורמים לשינוי הקיבול שלו.

 

 

הסברים מתמטיים, מאפיינים ועקרון פעולה של קבל

 

 

התנהגות קבל

 

כאשר מספקים מתח לשני המוליכים של הקבל, נוצר שדה חשמלי סטטי (קיבול). קיים קשר בין קיבולת בקבל לבין המתח והזרם שעוברים דרכו. קשר זה תלוי בזמן:

 

נוסחה לחישוב זרם על קבל כפונקציה של זמן

 

 

I - הזרם שעובר דרך הקבל בנקודת זמן כלשהי

V - המתח על הקבל בנקודת זמן כלשהי

C - הקיבול של הקבל

 

במעגלי זרם ישר DC, בהם קיים נגד וקבל בטור ניתן להגיע לקשר בין המתח לקיבול ולהתנגדות במעגל:

 

 

סכימת מעגל חשמלי עם קבל ונגד ומקור מתח

 

 

 

 

נוסחה לחישוב מתח על קבל כפונקציה של זמן

 

נוסחה לחישוב זרם על קבל כפונקציה של זמן

 

נוסחה לחישוב מתח על קבל כפונקציה של זמן

 

כאשר tau זהו קבוע הזמן והנוסחא שלו היא:

 

 

נוסחה לחישוב קבוע הזמן של קבל

 

 

 

ההסבר מאחורי הנוסחא הוא שקבל ללא מטען חשמלי שאגור בתוכו, נטען במטען החשמלי עד שהוא מגיע לנקודת שיווי משקל. זמן הטעינה מושפע מהקיבולת של הנגד וההתנגדות של הנגד שמחובר אליו. הערך tau מציין את הזמן שייקח לקבל להיטען 62.3% מהערך הסופי שלו. גרף שממחיש את זמן הטעינה של קבל מצורף באיור הבא:

 

גרף טעינת קבל כפונקציה של זמן

 

 

חיבור קבלים – חיבור מקבילי, חיבור טורי, חיבור משולב

 

חיבור מקבילי של קבלים מתאר קבלים אשר שני ההדקים שלהם מחוברים לאותה נקודה. כלומר, על כל הקבלים קיים מפל מתח שווה.

 

 

ניתן לייצג את הקיבול השקול לכל הקבלים המחוברים בצורה מקבילית באופן הבא:

 

נוסחה לחישוב קיבול אקוויולנטי בחיבור קבלים במקביל

 

או

 

נוסחה לחישוב קיבול אקוויולנטי בחיבור קבלים במקביל

 

בחיבור טורי של קבלים, מספר קבלים מחוברים אחד לשני כאשר ההדק של קבל אחד מחובר להדק של קבל שני.

 

 

ניתן לייצג את הקיבול השקול לכל הקבלים המחוברים בצורה טורית באופן הבא:

 

נוסחה לחישוב קיבול אקוויולנטי בחיבור קבלים בטור

 

 

מתח פריצה (Breakdown Voltage)

 

החומר המבודד בקבל (שנקרא גם חומר דיאלקטרי Dielectric ) הוא מבודד עד לרמת מתח מסויים. כאשר מספקים מתח גבוה מדי, החומר המבודד הופך לחומר מוליך. המתח המקסימלי שמותר להפעיל על קבל תלוי בחוזק של החומר הדיאלקטרי (Dielectric Strength). מתח זה קרוי מתח פריצה ומסומן באות Vbd.

החוזק הדיאלקטרי תלוי במרחק של שני המוליכים בקבל זה מזה ונמדד ביחידות של MV/m. לדוגמה, החוזק הדיאלקטרי של אוויר הוא 2-5Mv/m. הסיבה לכך שמתרחשים ברקים בעת סופות ברקים היא שהמתח בין העננים לכדור הארץ מגיע למתח פריצה ומתגבר על החוזק הדיאלקטרי של האוויר וכך זורם זרם של מטען חשמלי בין העננים לכדור הארץ.

 

קבלים מסומנים בערך של מתח עבודה מותר. זהו המתח המקסימלי שמותר לספק להם. מתח העבודה קטן יותר ממתח הפריצה. קבלים בעלי מתח פריצה גבוה יותר יהיו קבלים גדולים יותר. דוגמה לסימון מתח הפריצה על קבל:

 

סימון מתח פריצה על קבלים סימון מתח פריצה על קבלים סימון מתח פריצה על קבלים

 

מתח פריצה של קבל מושפע מלחץ, לחות וטמפרטורה.

 

 

 

התנגדות טורית שקולה (ESR – Equivalent Series Resistance)

 

קבל אידיאלי הוא רכיב בעל קיבול בלבד. בפועל, לכל קבל ישנה התנגדות מסויימת. כיוון שלכל חומר בטבע יש התנגדות מסויימת, גם למוליכים של הקבל יש התנגדות. את ההתנגדות הזו מסמנים ב-ESR. לרב מדובר בערכי התנגדות נמוכים מאוד אך במעגלים חשמליים רגישים נתון זה הוא חשוב מאוד.

 

התנגדות של קבל מאופיינת על פי הנוסחא הבאה:

 

 

כאשר מופעל על הקבל מתח חילופין, ככל שהתדר גדל כך גדלה השפעת ה-ESR. כמו בנגדים, גם לקבלים יש פיזור הספק (Power Dissipation) והחישוב שלו הוא:

 

 

 

 

משמעות נוספת ל-ESR הוא קצב הפריקה. ככל שהתנגדות ESR של קבל נמוכה יותר כך הוא יכול להיטען ולהיפרק במהירות רבה יותר.

 

 

זרם אדווה (Ripple Current)

 

זרם אדווה הוא רכיב AC שקיים בעת הזנת מתח לקבל. מדובר בזרמים מאוד קטנים בעלי תדר משתנה או קבוע. קיימים סוגים של קבלים שרגישים מאוד לזרמים אלה (כגון קבלי Tantalum). עבור קבלים אלה מוגדר זרם אדווה מקסימלי שניתן לספק להם לפני שייגרם להם נזק כלשהו. בקבלים אלה, הזרם גורם להתחממות של הקבל ושינוי המאפיינים החשמליים שלו. זרם האדווה המקסימלי המותר על קבל תלוי בהתנגדות שלו (ESR). קבלים בעלי ערך ESR גבוה (כגון קבלי Tantalum) יהיו רגישים לזרמי אדווה בעוד קבלים בעלי ערך ESR נמוך (כגון קבלים קרמיים) לא יהיו רגישים לזרמי אדווה.

 

 

רמת דיוק של קבל

 

לכל קבל מוגדרת רמת הדיוק שלו. נתון זה מתאר את החריגה האפשרית מהערך המוצהר של הקבל. נתון זה מסומן באחוזים. לדוגמה, קבל בעל קיבול של 100μF עם אחוז דיוק של 10% יספק ערכי קיבול שינועו בין 90μF לבין 110μF.

רמת הדיוק של הקבלים מושפעת מאיכות הייצור שלהם. ככל שרמת הדיוק של קבל תהיה גבוהה יותר, כך מחיר הקבל יהיה יקר יותר.

 

רמות דיוק מקובלות בקבלים הם: ±0.5%, ±1%, ±2%, ±5%, ±10%, ±20%,

 

 

 

ערכי הקיבול נפוצים של קבלים

 

קבלים מיוצרים לרב על פי תקן סטנדרטי (IEC60063) שקובע מראש את ערכי הקיבול שלהם. ערכי הקבלים נקבעים על פי קבוצות שייכות כאשר לכל קבוצה מוגדרת רמת הדיוק של אותם קבלים.

 

  • E3 - 20%
  • E6 - 10%
  • E12 - 5%
  • E48 - 2%
  • E96 - 1%
  • E192 - 0.5%

 

למטה מופיעה טבלה המפרטת את ערכי הקיבול הנפוצים בקבלים קבועים עבור כל קבוצה לפי התקן:

 

E Series Capacitance Value
E6 (20%) 10      15     22      33     47      68
E12 (10%) 10 12 15 18 22 27 33 39 47 56 68 82
E24 (5%)

10 12 15 18 22 27 33 39 47 56 68 82

11 13 16 20 24 30 36 43 51 62 75 91

E48 (2%)

100 121 147 178 215 261 316 383 464 562 681 825

105 127 154 187 226 274 332 402 487 590 715 866

110 133 162 196 237 287 348 422 511 619 750 909

115 140 169 205 249 301 365 442 536 649 787 953

E96 (1%)

100 121 147 178 215 261 316 383 464 562 681 825

102 124 150 182 221 267 324 392 475 576 698 845

105 127 154 187 226 274 332 402 487 590 715 866

107 130 158 191 232 280 340 412 499 604 732 887

110 133 162 196 237 287 348 422 511 619 750 909

113 137 165 200 243 294 357 432 523 634 768 931

115 140 169 205 249 301 365 442 536 649 787 953

118 143 174 210 255 309 374 453 549 665 806 976

E192 (0.5%)

100 121 147 178 215 261 316 383 464 562 681 825

101 123 149 180 218 264 320 388 470 569 690 835

102 124 150 182 221 267 324 392 475 576 698 845

104 126 152 184 223 271 328 397 481 583 706 856

105 127 154 187 226 274 332 402 487 590 715 866

106 129 156 189 229 277 336 407 493 597 723 876

107 130 158 191 232 280 340 412 499 604 732 887

109 132 160 193 234 284 344 417 505 612 741 898

110 133 162 196 237 287 348 422 511 619 750 909

111 135 164 198 240 291 352 427 517 626 759 920

113 137 165 200 243 294 357 432 523 634 768 931

114 138 167 203 246 298 361 437 530 642 777 942

115 140 169 205 249 301 365 442 536 649 787 953

117 142 172 208 252 305 370 448 542 657 796 965

118 143 174 210 255 309 374 453 549 665 806 976

120 145 176 213 258 312 379 459 556 673 816 988

 

לקבלת ערכים נמוכים או גבוהים יותר ניתן להכפיל או לחלק ב-10 ולקבל את ערכי הקבלים הרצויים.

 

ערכי הקיבול לרב מופיעים ביחידות pF (pico-Farad) או μF (micro-Farad). אלה הערכים הנפוצים במעגלים חשמליים לוגיים. עבור מעגלי הספק שתפקידם לספק זרמים ומתחים גבוהים ניתן למצוא קבלים בעלי ערכי Farad שלמים.

 

 

 

סימון ערכים על הקבלים

 

קבלים מסומנים לרב בארבעה פרמטרים: ערך הקיבול (בפאראדים), מתח עבודה מותר (בוולטים), ערך הדיוק (באחוזים או באותיות) וקוטביות (בסוג קבלים בהם הקוטביות חשובה).

 

מספר דוגמאות לסימון על גבי קבלים:

 

 

 

 

סימון ערכי הקבל

ערכי הקיבול בקבל מסומנים באמצעות סימון ישיר של ערך הקיבול. למשל: 220μF, 0.1μF, 10F או באמצעות סימון של 3 ספרות XYZ. שתי הספרות הראשונות (XY) מייצגות ערך מספרי ו-Z מייצג את המכפלה של הערך. לדוגמה:

 

  • סימון 100 משמעו: 10*10^0 = 10pF.
  • סימון 104 משמעו: 10*10^4 = 100,000pF
  • סימון 223 משמעו: 22*10^3 = 22,000pF

 

יחידות הערכים בשיטת סימון זו הם (pF: pico-Farad).

 

בחלק מהקבלים מסמנים את ערך הקיבול שלהם על ידי קודים צבעוניים (כמו בנגדים). הסימון תלוי בסוג הקבלים. לדוגמה:

 

 

שתי הרצועות הראשונות מייצגות את הספרות המשמעותיות של ערך הקבל, הרצועה השלישית מייצגת את המכפיל (הערך שכופל את הערך של שתי הרצועות הראשונות), הרצועה הרביעית מייצגת את אחוז הדיוק של הקבל והרצועה החמישית מייצגת את מתח העבודה המקסימלי של הקבל.

 

למטה מופיעה טבלה המפרטת את סימני הצבעים עבור כל רצועה והמשמעות שלהן:

 

Color 1st Band 2nd Band

3rd Band
(Multiplier)

4th Band
(Tolerance)

5th Band
(DC Working Voltage)
Black 0 0 ×100 ±20% -
Brown 1 1 ×101 ±1% 100V
Red 2 2 ×102 ±2% -
Orange 3 3 ×103 - 300V
Yellow 4 4 ×104 - -
Green 5 5 - ±5% 500V
Blue 6 6 - - -
Violet 7 7 - - -
Gray 8 8 - - -
White 9 9 - - -
Gold - - - ±0.5% 1000V
Silver - - - ±10% -

 

 

סימון ערך הדיוק

קבלים בעלי רמת דיוק של 20% מסומנים באות M

קבלים בעלי רמת דיוק של 10% מסומנים באות K

קבלים בעלי רמת דיוק של 5% מסומנים באות J

 

 

סימון מתח עבודה

ברב הנגדים מתח העבודה יופיע בצורות הבאות: 100V, 63V, 25V וכו'.

בנגדי SMD סימון מתח העבודה נעשה על ידי אותיות:

 

Letter Voltage
E 2.5
G 4
J 6.3
A 10
C 16
D 20
5 25
V 35
H 50

 

 

סימון קוטביות

קיימים קבלים מסוימים שאופן החיבור שלהם למעגל החשמלי חשוב. בקבלים אלה ניתן לזהות את הקוטביות על ידי כמה שיטות:

 

  • פס קוטביות – על גוף הקבל מודפס פס שמתלכד עם המוליך (הקוטב השלילי) של הקבל. מוליך זה מחברים למתח הנמוך ואת המוליך השני מחברים למתח גבוה יותר. בקבלי SMT, יופיע פס קוטביות צמוד לקוטב השלילי של הקבל. קיימים קבלים (Tantalum) בהם פס הקוטביות מציין דווקא את הקוטב החיובי של הקבל. במקרה זה יופיע הסימון "+" בצמוד לפס.

 

 

  • מוליך (רגל) קצר – אחד מהמוליכים (רגליים) של הקבל קצר יותר. מוליך זה מציין את הקוטב השלילי של הקבל ואותו מחברים למתח הנמוך יותר.

 

 

  • שורת "+++++" – סימון של פלוסים "++++" בצמוד לאחד המוליכים של הקבל מייצגת את הקוטב החיובי שלו. את המוליך הזה יש לחבר למתח הגבוה.

 

 

 

 

הסימון של הקבלים הקוטביים במעגל חשמלי נראה כך:

 

 

לעומת קבלים לא קוטביים:

 

 

 

 

 

 

יישומים ובחירה של קבלים

 

לפני שניגשים לבחירת קבל חשוב להבין את התפקידים שלו ביישומים שונים. התכונות של הקבל לטעון ולפרוק מטען בפרק זמן כלשהו מספקים כלי חשוב בעת תכנון מעגלים חשמליים וקיימת חשיבות רבה לתהליך בחירת קבל.

קיימים יישומים שמתאים להם סוג מסוים של קבלים ויישומים אחרים שמתאים להם סוג אחר – בחירת סוג הקבל הוא שיקול נוסף בעת בחירת קבל למעגל החשמלי.

 

אך העיקרון הוא שלפני שניגשים לתהליך בחירת קבל חשוב להבין מהו תפקיד המעגל החשמלי אליו הקבל יתחבר.

 

 

אגירת אנרגיה ומטען חשמלי (Energy Storage)

 

קבל יכול לאגור אנרגיה חשמלית ולשמש כמעין "בטרייה" זמנית. במכשירים חשמליים הכוללים ספקי כוח, נהוג להשתמש בקבלים לשם אספקת אנרגיה זמנית למעגל בעת החלפה של בטריות. בצורה כזו, המכשיר לא נכבה ובמידה ומדובר במכשיר עם "זיכרון" – המידע לא הולך לאיבוד בעקבות כיבוי של המכשיר.

 

 

ייצוב כוח (Power Conditioning)

 

בייצוב כוח משתמשים בקבלים (נקראים גם קבלי מאגר – Reservoir Capacitors) בעיקר בספקי כוח היכן שיש לייצב ו"להחליק" את מתח ה-AC. משתמשים בקבלים אלה גם במעגלי Charge Pump (מעגל להגברת/הקטנת מתחים המתבסס על קבלים).

ביישום זה, הקבלים מחוברים במקביל לספק הכוח ומטרתם לפצות ו"להחליק" רעשים ושינויים שמגיעים מספק המתח. יישום נפוץ הוא במעגלי Audio. במעגלים אלה נעשה שימוש במספר קבלים שמורידים את רעש הזמזום (Hum) לפני שהוא עובר למעגל החשמלי עצמו.

 

 

 

 

צימוד אות (Signal Coupling)

 

כיוון שקבלים הם רכיב שאוגר מטען חשמלי לאורך זמן, באופן טבעי זהו רכיב שמעביר AC וחוסם מעבר של DC (לאחר שהוא נטען לחלוטין). נעשה שימוש בתכונה הזו של הקבלים לצורך הפרדת רכיבי AC ו-DC מאותות חשמליים. בקבל צימוד (Coupling Capacitor) משתמשים בערכי קיבול גבוהים ללא צורך בדיוק גבוה בערך הקבל אך התגובה שלו לתדר היא קטנה. את קבל הצימוד ממקמים לרב בטור לסיגנל. בצורה זו בעצם מיישמים מסנן תדרים נמוכים (High Pass Filter).

 

 

השאיפה במעגלי צימוד היא להעביר את הסיגנלים כמות שהם ללא עיוות. לצורך כך יש ליצור מצב בו קבוע הזמן (tau=RC) יהיה גדול מהתדר הנמוך ביותר הרצוי במעגל (במעגלי AUDIO מדובר לרב בתדר של 20Hz או T=50msec).

 

 

כאשר קבוע הזמן גדול מתדר הסיגנל המועבר אל המעגל השני אין לקבל מספיק זמן להיטען או להיפרק והסיגנל מועבר כמעט ללא עיוותים.

כאשר קבוע הזמן שווה לתדר הסיגנל, הקבל מספיק להיטען ולהיפרק חלקית ונוצרים עיוותים בינוניים בסיגנל המועבר.

כאשר קבוע הזמן קטן מתדר הסיגנל, הקבל מספיק להיטען ולהיפרק במלואו. תופעה זו גורמת לכך שהמעגל השני "רואה" מתחי פריצה רגעיים (Spikes). ניתן לנצל תופעה זו עבור מעגלים שתפקידם לגלות שינוי באות האנלוגי.

 

 

מעקף (Decoupling / Bypass)

 

קבלי מעקף (Decoupling Capacitor / Bypass Capacitor) תפקידם להפריד בין שני חלקים במעגל חשמלי. המטרה היא למנוע רעשים חשמליים הנגרמים במעגל אחד שיכולים לעבור למעגל השני. קבלי מעקף ממוקמים בין פין הכוח לפין הארקה של רכיבי IC ובמרחק המינימלי ביותר מרכיב ה-IC עצמו.

ביישום של מעקף ניתן להשתמש במספר סוגים של קבלים (סוג מסוים של קבלים יכול להיות בעל תגובת תדר טובה אך קיבול קטן מאוד וסוג אחר של קבלים יכול להיות בעל תגובת תדר גרועה אך עם ערכי קיבול גבוהים). נהוג להשתמש בקבלים קרמיים בערכים הקרובים ל-100nF וחיבור של קבל אלקטרוליטי (אלומיניום או טנטאלום) נוסף בעל ערכי קיבול של כמה מאות μF.

 

© Clemson Vehicular Electronics Laboratory

 

 

 

 

©williamson-labs.com

 

 

ספיגת קשתות (Snubbering)

 

במעגלים חשמליים בהם מחובר ממסר או SCR שמעבירים זרמי השראה גבוהים בצורה מהירה נוצרות קשתות חשמליות שעלולות לגרום לחמצון של המגעים ולהרס של הרכיבים. על מנת לפצות על מקרים כאלה מחברים רשת קבל-נגד שנקראת Snubber שמטרתה לספוג את הזרמים הגבוהים בצורה רגעית, להגביל את המתחים הגבוהים הרגעיים (Transient High Voltage / Voltage Spikes) ולמנוע נזקים לרכיבים האלקטרוניים.

 

 

 

 

סינון אות (Signal Filtering)

 

מסננים (Filters) הם מעגל חשמלי בפני עצמו שמטרתו לסנן תדרים מסויימים בסיגנלים אנלוגיים. קיימים מסננים שמעבירים רק תדרים גבוהים של הסיגנל (High Pass Filter) וחוסמים את התדרים הנמוכים ומסננים שמבצעים פעילות הפוכה או מסננים שמסננים תדר מסויים באותות האנלוגיים.

קבלי סינון הם קבלים המחוברים במעגל סינון והם חלק בלתי נפרד מהם. התגובה שלהם לתדר היא שמשפיעה על יכולת הסינון.

 

התוצאה המתקבלת משימוש בקבלי סינון מופיעה באיורים הבא:

 

© SWHarden.com

©williamson-labs.com

 

 

בתמונה הבאה מופיעות מספר דוגמאות למעגלי סינון שמשלבים קבל:

 

 

 

 

 

סוגי קבלים קבועים וקבלים משתנים

 

קיימים מגוון רחב של סוגי קבלים. ההבדלים בין סוגי הקבלים השונים הוא במבנה שלהם ובחומר ממנו הם עשויים.

 

 

קבלים קרמיים (Ceramic Capacitors)

 

קבלים קרמיים עשויים מדיסק קרמי מבודד מצופה בשכבת כסף משתי קצותיו. עבור ערכי קיבול נמוכים הגדול של הקבל יכול להגיע ל-3-6 מ"מ.

הקבלים הקרמיים מאופיינים ביציבות טובה אך מצד שני, הם רגישים לטמפרטורות ולכן משתמשים בהם בתור קבלי צימוד או קבלי סינון.

קבלים קרמיים הם לא מקוטבים (אין חשיבות לאופן החיבור).

 

ערכי הקיבול בקבלים קרמיים יכולים לנוע ממספר בודד של פיקופאראדים (Picofarads) ועד ל1-2 מיקרופאראדים (microfarads). מתח העבודה שלהם הוא נמוך בדר"כ.

 

קיימים שלושה תת-סוגים של קבלים קרמיים שמושפעים מהחומר הקרמי עצמו:

 

  • Class 1 – לרב משמשים לערכי קיבול נמוכים. בעלי קבוע דיאלקטרי נמוך אך מאפשרים יציבות גבוהה. סוג נפוץ של Class 1 הוא קבלי C0G.
  • Class 2 – מיועדים לערכי קיבול גבוהים יותר. בעלי קבוע דיאלקטרי גבוה יותר אך יציבות נמוכה יותר. סוג נפוץ של Class 2 הוא קבלי X7R.
  • Class 3 – בעל ערכי הקיבול הגבוהים ביותר אך היציבות הנמוכה ביותר יחסית לשני הסוגים האחרים. סוג נפוץ של Class 3 הוא קבלי Z5U.

 

בטבלה הבאה מצוינים הסימונים ופירושם של Class 1:

 

First Character (Letter)

Significant Figures

Second Character (Digit)

Mulitplier

Third Character (Letter)

Tolerance

C 0.0 0 -1 G ±30
B 0.3 1 -10 H ±60
L 0.8 2 -100 J ±120
A 0.9 3 -1000 K ±250
M 1.0 4 +1 L ±500
P 1.5 6 +10 M ±1000
R 2.2 7 +100 N ±2500
S 3.3 8 +1000
T 4.7
V 5.6
U 7.5

 

 

בטבלה הבאה מצוינים הסימונים ופירושם של Class 2 ו-Class 3:

 

First Character (Letter)

Low Tamperature

Second Character (Digit)

High Temperature

Third Character (Letter)

Change

X -55C (-67F) 2 +45C (+113F) D ±3.3%
Y -30C (-22F) 4 +65C (+149F) E ±4.7%
Z +10C (+50F) 5 +85C (+185F) F ±7.5%
6 +105C (+221F) P ±10%
7 +125C (+257F) R ±15%
S ±22%
T +22%/-33%
U +22%/-56%
V +22%/-82%

 

 

קבלים קרמיים מאופיינים בערכי ESR נמוכים והם הבחירה הטובה ביותר לסינון תדרים גבוהים במעגלי רדיו או AUDIO ובתור קבלי צימוד. חשוב מאוד למקם את הקבלים הללו קרוב ככל הניתן לרכיב המסונן (בגלל בעיות השראות של הקבל והמעגל החשמלי). אם מחברים קבלים קרמיים בעלי ערכי קיבול שונים בחיבור מקבילי, ניתן לסנן מספר רב יותר של תדרים מאשר חיבור של קבל יחיד.

 

קבלים קרמיים הם קבלים אמינים וזולים. יציבותם ורמת הדיוק שלהם היא החיסרון הבולט. קבלים אלה מיוצרים גם בתור רכיבים עם מוליכים "רגליים" (Leaded) וגם בתור רכיבים להשמה משטחית (SMT)

 


©tedss.com

 

 

 

קבלים בהשמה משטחית לרב מגיעים בגדלים הבאים:

 

Package Designation Size (mm) Size (Inch)
1812 4.6 x 3.0 0.18 x 0.12
1206 3.0 x 1.5 0.12 x 0.06
0805 2.0 x 1.3 0.08 x 0.05
0603 1.5 x 0.8 0.06 x 0.03
0402 1.0 x 0.5 0.04 x 0.02
0201 0.6 x 0.3 0.02 x 0.01

 

 

 


קבלי טנטלום אלקטרוליטיים (Tantalum Electrolytic Capacitors)

 

קבלי טנטלום (Tantalum Electrolytic Capacitors / Tantalum Beads) עשויים מהחומר הדיאלקטרי Manganese Dioxide ו-Tantalum וקטנים בגודלם יחסית לקבלי אלומיניום. הקבלים מאופיינים גם בזרמי זליגה נמוכים יותר וערכי קיבול גבוהים יותר מקבלי האלומיניום מה שמגדיר אותם כמתאימים ליישומי סינון, Coupling ותזמון. למרות זאת, יש עדיפות להימנע מלהשתמש בהם בתור קבלי סינון בגלל ערך התנגדות טורית גבוה (ESR).

 

קבלי טנטלום הם קבלים מקוטבים (אופן החיבור למעגל החשמלי חשוב) ולא מאפשרים חיבור הפוך (Reverse Voltage). מומלץ ביותר לא להעמיס את הקבלים במתח הפוך או במתחים גבוהים מדי כיוון שקבלים אלה עלולים להתפוצץ. הקוטב החיובי של הקבל לרב מסומן בסימן קוטביות. בנוסף הם מאופיינים במתחי עבודה נמוכים (מקסימום של 35V) יותר מקבלי אלומיניום.

 

מתח העבודה של קבלים אלקטרוליטיים לרב מסומן באמצעות אותיות כפי שמופיע בטבלה הבאה:

 

Letter Voltage
E 2.5
G 4
J 6.3
A 10
C 16
D 20
E 25
V 35
H 50

 

 

נהוג להשתמש בדרך כלל בקבלי טנטלום במעגלים חשמליים בהם קיים מתח AC שהוא נמוך יחסית למתח ה-DC.

 

ערכי קיבול נפוצים של קבלי טנטלום נעים בין 47nF לבין 470μF.

 

במעגלים חשמליים בהם יש חשיבות לגודל המעגל, מומלץ להשתמש בנגדי טנטלום שהם קטנים יחסית בגודלם בהשוואה לקבלי אלומיניום..

 

קבלי טנטלום הם הקבלים האמינים ביותר בהשוואה לשאר סוגי הקבלים. במידה והם פועלים בתנאי העומס המותרים עליהם, הם יכולים להגיע לאורך חיים כמעט אינסופי. כמו כן, הם יכולים לעבוד בתחום טמפרטורות רחב במיוחד (-55°C - +125°C).

 

קבלי טנטלום לרב יקרים בהשוואה לשאר סוגי הקבלים (מהסיבה שטנטלום הוא חומר נדיר) ויש לקחת זאת בחשבון כאשר מתכננים מעגלים חשמליים לייצור המוני.

 

©tedss.com

 

 

 

קבלי אלומיניום אלקטרוליטיים (Electrolytic Aluminum Capacitor)

 

קבלי אולמיניום הם קבלים אלקטרוליטיים מקוטבים הנפוצים מאוד בתחום האלקטרוניקה. הם עשויים משתי שכבות אלומיניום שביניהן כלוא נוזל אלקטרוליטי. הם מספקים תחום רחב מאוד של ערכי קיבול ומתחי עבודה. לרב הם משמשים כקבלי סינון במעגלי הספק ובכניסות מתח וקבלים אוגרים. קבלי אלומיניום אלקטרוליטיים לא מתאימים למעגלי סינון של תדרים גבוהים ומשתמשים בהם רק עבור תדרים שמתחת ל-50-100kHz.

 

החיסרון הגדול בקבלי אלומיניום הוא שהם מאופיינים בטולרנס גבוה מאוד (±10%, ±20%).

ערכי קיבול נפוצים עבור קבלי אלומיניום נעים בתחום שבין 1μF ועד 47,000μF (0.047F).

 

כמו כל קבל אלקטרוליטי, גם קבלי אלומיניום יכולים להיהרס ואף להתפוצץ כאשר מופעל עליהם מתח הפוך או מתח יתר. הקטבים לרב מסומנים באמצעות פס (עבור קוטב שלילי) ורגל אחת ארוכה יותר או מגרעת בגוף הקבל (עבור קוטב חיובי).

החומר האלקטרוליטי בקבל אלומיניום יכול להפוך למוליך כאשר הקבל נהרס וזה גורם לקצר (בהשוואה לנתק בשאר סוגי הקבלים) – כלומר, כאשר הקבל נהרס, זרם ממשיך לזרום דרך הקבל ההרוס ויש לשים לב לכך בעת תכנון המעגל החשמלי.

 

מתח העבודה של קבלים אלקטרוליטיים לרב מסומן באמצעות אותיות כפי שמופיע בטבלה הבאה:

 

Letter Voltage
E 2.5
G 4
J 6.3
A 10
C 16
D 20
5 25
V 35
H 50

 

 

©tedss.com

 

 

 

קבלי סרט (Film Capacitors)

 

קבלי סרט (Film Capacitors) הם סוג הקבלים הנפוץ ביותר. סוג זה מכיל מגוון רחב מאוד של תת-סוגים של קבלים אשר מובדלים באמצעות החומר הדיאלקטרי שלהם (פוליאסטר, פוליסטירן, פוליפרופילן, פוליקרבונט, טפלון, נייר, מיקה ועוד). קבלי סרט עשויים מפסי מתכת וביניהם חומר דיאלקטרי בצורת שכבות כאשר כל השכבות מגולגלות אל תוך מיכל כיסוי. בכדי למנוע נזקים מיקרו-מכניים לחומרים, החומר הדיאלקטרי הוא עבה יחסית לשאר סוגי הקבלים. מבנה זה מאפשר ערכי קיבול קטנים וגודל פיזי גדול יחסית לשאר סוגי הקבלים.

 

ערכי קיבול נפוצים של קבלי סרט נעים בתחום שבין 5pF ועד 100μF.

 

קבלי סרט שעשויים מחומר דיאלקטרי פלסטי מאופיינים בטווח טמפרטורות מותר גדול יותר מאשר קבלי סרט שעשויים מחומר דיאלקטרי מבוסס נייר. כמו כן, יש להם טולרנס נמוך, אמינות גבוהה, אורך חיים גבוה, דיוק והם מתאימים יותר עבור יישומים בהם קיימת לחות. קבלי סרט הם לרב קבלים יקרים יותר, מאופיינים בהתנגדות ESR נמוכה יחסית ועמידים יותר לשינויי טמפרטורה.

 

למטה מופיע פירוט על סוגי קבלי סרט על פי החומר הדיאלקטרי בהם:

 

 

קבלי סרט פוליסטירן (Polystyrene Film Capacitors)

קבלי סרט פוליסטירן הם סוג זול של קבלים פלסטיים. הם בעלי צורה גלילית והחומר הדיאלקטרי והפלטות המוליכות מגולגלים לתוך מיכל כיסוי.

קבלי הפוליסטירן מיועדים למעגלי תדר נמוך (עד למספר מאות של kHz). מאופיינים בטולרנס טוב יחסית וניתן להשתמש בהם גם במעגלי סינון.

קבלים אלה זמינים רק במבנה של מוליכים ולא בהשמה משטחית SMT. בנוסף הם רגישים מאוד לטמפרטורה גבוהה.

 

 

©tedss.com

 

 

קבלי סרט פוליאסטר (Polyester Film Capacitors)

בקבלי סרט פוליאסטר נעשה שימוש היכן שעלות המעגל החשמלי חשובה. הם מאופיינים בטולרנס סביר (5%,10%). גם הם זמינים רק במבנה עם מוליכים ולא בהשמה משטחית SMT.

 

By Mataresephotos [GFDL or CC-BY-3.0], via Wikimedia Commons

©tedss.com

 

 

קבלי סרט פוליאסטר מתכתי (Metallised Polyester Film Capacitor)

קבלי סרט פולאיסטר מתכתי הם דגם מוקטן של קבלי פוליאסטר רגילים בגלל טכנולוגיית ייצור שמשלבת מתכת בפלסטיקה. כתוצאה מכך, האלקטרודות יותר קטנות והגודל הפיזי של הקבל קטן.

 

 

קבלי סרט פוליקרבונט (Polycarbonate Film Capacitors)

קבלי סרט פוליקרבונט הם קבלי פלסטיק אמינים ביותר. סרט הפוליקרבונט הוא יציב מאוד ומאפשר דיוק רב אשר נשמר לאורך זמן רב גם בטווח טמפרטורות רחב (-55°C-+125°C).

נגדים אלה הוצאו מפס הייצור וכיום יצרנים מעטים מייצרים אותם.

 

 

קבלי פוליפרופילן (Polypropylene Capacitos)

קבלי פוליפרופילן מביאים דיוק רב יותר מקבלי פוליאסטר. יתרון נוסף הוא ששינוי הקיבול שלהם לאורך זמן הוא קטן מאוד. משתמשים בקבלים אלה במעגלי תדר נמוך (עד לגבול של 100kHz).

 

©tedss.com

 

 

 

קבלי מיקה (Silver Mica Capacitors)

קבלי מיקה הם קבלים אשר בנויים משתי אלקטרודות כסף הצמודות לסרט דיאלקטרי מיקה. את ערכי הקיבול השונים מקבלים על ידי שימוש במספר שכבות.

ערכים נפוצים עבור קבלי מיקה הם ממספר קטן של pF ועד 3000pF. כמו כן, הם מאופיינים בדיוק ויציבות הטובים ביותר אך בהתאם גם המחיר שלהם. לרב משתמשים בהם במעגלי תדר (Oscillators) או במסננים.

 

קבלי מיקה הם קבלים יקרים ביותר ולרב לא משתמשים בהם בגלל המחיר היקר שלהם.

 

©tedss.com

By Mataresephotos [CC-BY-3.0], via Wikimedia Commons

 

 

 

קבלי זכוכית (Glass Capacitors)

 

קבלי זכוכית הם הקבלים המתאימים ביותר עבור מעגלי RF ותדרים גבוהים. קבלי זכוכית מציגים ביצועים טובים מאוד. הם מאופיינים בערכי קיבול נמוכים (0.01pF-3000pF) ובעלי סיבולת גבוהה ועמידות בטמפרטורה,

 

קבלי זכוכית הם קבלים יקרים ביותר ולא מיושמים לרב במערכות רובוטיות או מכונות תעשייתיות ולכן לא יפורטו כאן בהרחבה.

 

 

 

 

קבל משתנה Variable Capacitor

 

קבל משתנה הוא קבל שניתן לשנות את ערך הקיבול שלו. בקבלים משתנים נעשה שימוש בעיקר במעגלי כיול של RF ולעיתים נקראים גם קבלי כיול ((Tuning Capacitors. קבלים אלה מאופיינים לרב בערכי קיבול נמוכים (100pF-500pF). הם לא מיועדים לתזמון של סיגנלים חשמליים בגלל ערכי קיבול נמוכים (במקום משתמשים בקבל קבוע ונגד משתנה לשם שינוי התדר במעגלים מסוג זה).

 

 

קבלים משתנים דורשים ביצוע פעולות באמצעות מכשור מיוחד. סיבוב של הידית של קבל משתנה באמצעות מברג רגיל עלולה להשפיע על הקיבול שלו (בגלל המברג). לצורך זה יש להשתמש בציוד שמיועד לכיוון קבלים משתנים.

 

 

השוואה בין סוגי קבלים

 

הטבלה הבאה מציגה סיכום של סוגי הקבלים, היישומים שלהם ויתרונות וחסרונות של כל אחד:

 

Capacitor Type Dielectric Used Features / Application Disadvantages
Paper Capacitors Paper or oil-impregnated paper Impregnated paper was extensively used for older capacitors, using wax, oil, or epoxy as an impregnant. Oil-Kraft paper capacitors are still used in certain high voltage applications. Has mostly been replaced by plastic film capacitors. Large size. Also, paper is highly hygroscopic, absorbing moisture from the atmosphere despite plastic enclosures and impregnates. Absorbed moisture degrades performance by increasing dielectric losses (power factor) and decreasing insulation resistance.
Metalized Paper Capacitors Paper

Comparatively smaller in size than paper-foil capacitors

Suitable only for lower current applications. Has been largely superseded by metalized film capacitors
PET film Capacitor Polyester film Smaller in size when compared to paper or polypropylene capacitors of comparable specifications. May use plates of foil, metalized film, or a combination. PET film capacitors have almost completely replaced paper capacitors for most DC electronic applications. Operating voltages up to 60,000 V DC and operating temperatures up to 125 °C. Low moisture absorption. Temperature stability is poorer than paper capacitors. Usable at low (AC power) frequencies, but inappropriate for RF applications due to excessive dielectric heating.
Kapton Capacitor Kapton polyimide film Similar to PET film, but significantly higher operating temperature (up to 250 °C). Higher cost than PET. Temperature stability is poorer than paper capacitors. Usable at low (AC power) frequencies, but inappropriate for RF applications due to excessive dielectric heating.
Polystyrene Capacitor Polystyrene Excellent general purpose plastic film capacitor. Excellent stability, low moisture pick-up and a slightly negative temperature coefficient that can be used to match the positive temperature co-efficient of other components. Ideal for low power RF and precision analog applications Maximum operating temperature is limited to about +85 °C. Comparatively bigger in size.
Polycarbonate Plastic Film Capacitor Polycarbonate Superior insulation resistance, dissipation factor, and dielectric absorption versus polystyrene capacitors. Moisture pick-up is less, with about ±80 ppm temperature coefficient. Can use full operating voltage across entire temperature range (−55 °C to 125 °C) Maximum operating temperature limited to about 125 °C.
Polypropylene Plastic Film Capacitors Polypropylene Extremely low dissipation factor, higher dielectric strength than polycarbonate and polyester films, low moisture absorption, and high insulation resistance. May use plates of foil, metalized film, or a combination. Film is compatible with self-healing technology to improve reliability. Usable in high frequency applications and high frequency high power applications such as induction heating (often combined with water-cooling) due to very low dielectric losses. Larger value and higher voltage types from 1 to 100 μF at up to 440 V AC are used as run capacitors in some types of single phase electric motors. More susceptible to damage from transient over-voltages or voltage reversals than oil-impregnated Kraft paper for pulsed power energy discharge applications.
Polysulphone Plastic Film Capacitors Polysulfone Similar to polycarbonate. Can withstand full voltage at comparatively higher temperatures. Moisture pick-up is typically 0.2%, limiting its stability. Very limited availability and higher cost
PTFE Fluorocarbon (TEFLON) Film Capacitors Polytetra- fluoroethylene Lowest loss solid dielectric. Operating temperatures up to 250 °C, extremely high insulation resistance, and good stability. Used in stringent, mission-critical applications Large size (due to low dielectric constant), and higher cost than other film capacitors.
Polyamide Plastic Film Capacitors Polyamide Operating temperatures of up to 200 °C. High insulation resistance, good stability and low dissipation factor. Large size and high cost.
Metalized Plastic Film Capacitors Polyester or Polycarbonate Reliable and significantly smaller in size. Thin metalization can be used to advantage by making capacitors "self healing". Thin plates limit maximum current carrying capability.
Stacked Plate Mica Capacitors Mica Advantages of mica capacitors arise from the fact that the dielectric material (mica) is inert. It does not change physically or chemically with age and it has good temperature stability. Very resistant to corona damage Unless properly sealed, susceptible to moisture pick-up which will increase the power factor and decrease insulation resistance. Higher cost due to scarcity of high grade dielectric material and manually-intensive assembly.
Metalized Mica or Silver Mica Capacitors Mica Silver mica capacitors have the above mentioned advantages. In addition, they have much reduced moisture infiltration. Higher cost
Glass Capacitors Glass Similar to Mica Capacitors. Stability and frequency characteristics are better than silver mica capacitors. Ultra-reliable, ultra-stable, and resistant to nuclear radiation. High cost.
Class-I Temperature Compensating Type Ceramic Capacitors Mixture of complex Titanate compounds Low cost and small size, excellent high frequency characteristics and good reliability. Predictable linear capacitance change with operating temperature. Available in voltages up to 15,000 volts Capacitance changes with change in applied voltage, with frequency and with aging effects.
Class-II High dielectric strength Type Ceramic Capacitors Barium titanate based dielectrics Smaller than Class-I type due to higher dielectric strength of ceramics used. Available in voltages up to 50,000 volts. Not as stable as Class-I type with respect to temperature and capacitance changes significantly with applied voltage.
Aluminum Electrolytic Capacitors

 

Aluminum oxide Very large capacitance to volume ratio, inexpensive, polarized. Primary applications are as smoothing and reservoir capacitors in power supplies. Dielectric leakage is high, large internal resistance and inductance limits high frequency performance, poor low temperature stability and loose tolerances. May vent or burst open when overloaded and/or overheated. Limited to about 500 volts.
Lithium Ion Capacitors

 

Lithium ion The lithium ion capacitors have a higher power density as compared to batteries and LIC’s are safer in use than LIB’s in which thermal runaway reactions may occur. Compared to electric double layer capacitor (EDLC), the LIC has a higher output voltage. They both have similar power densities, but energy density of an LIC is much higher. New technology.
Tantalum Electrolytic Capacitors

 

Tantalum oxide Large capacitance to volume ratio, smaller size, good stability, wide operating temperature range, long reliable operating life. Extensively used in miniaturized equipment and computers. Available in both polarized and unpolarized varieties. Solid tantalum capacitors have much better characteristics than their wet counterparts. Higher cost than aluminum electrolytic capacitors. Voltage limited to about 50 volts. Explodes quite violently when voltage rating, current rating, or slew rates are exceeded, or when a polarized version is subjected to reverse voltage.
Electrolytic double-layer capacitors (EDLC) Supercapacitors Thin Electrolyte layer and Activated Carbon Extremely large capacitance to volume ratio, small size, low ESR. Available in hundreds, or thousands, of farads. A relatively new capacitor technology. Often used to temporarily provide power to equipment during battery replacement. Can rapidly absorb and deliver larger currents than batteries during charging and discharging, making them valuable for hybrid vehicles. Polarized, low operating voltage (volts per capacitor cell). Groups of cells are stacked to provide higher overall operating voltage. Relatively high cost.
Alternating current oil-filled Capacitors Oil-impregnated paper Usually PET or polypropylene film dielectric. Primarily designed to provide very large capacitance for industrial AC applications to withstand large currents and high peak voltages at power line frequencies. The applications include AC motor starting and running, phase splitting, power factor correction, voltage regulation, control equipment, etc.. Limited to low frequency applications due to high dielectric losses at higher frequencies.
Direct current oil-filled capacitors Paper or Paper-polyester film combination Primarily designed for DC applications such as filtering, bypassing, coupling, arc suppression, voltage doubling, etc... Operating voltage rating must be derated as per the curve supplied by the manufacturer if the DC contains ripple. Physically larger than polymer dielectric counterparts.
Energy Storage Capacitors Kraft capacitor paper impregnated with electrical grade castor oil or similar high dielectric constant fluid, with extended foil plates Designed specifically for intermittent duty, high current discharge applications. More tolerant of voltage reversal than many polymer dielectrics. Typical applications include pulsed power, electromagnetic forming, pulsed lasers, Marx generators, and pulsed welders. Physically large and heavy. Significantly lower energy density than polymer dielectric systems. Not self-healing. Device may fail catastrophically due to high stored energy.
Vacuum Capacitors Vacuum capacitors use highly evacuated glass or ceramic chamber with concentric cylindrical electrodes. Extremely low loss. Used for high voltage high power RF applications, such as transmitters and induction heating where even a small amount of dielectric loss would cause excessive heating. Can be self-healing if arc-over current is limited. Very high cost, fragile, physically large, and relatively low capacitance.

 

 

הטבלה הבאה מציגה השוואה בין קבלים אלקטרוסטאטיים לאלקטרוליטיים במספר מאפיינים:

 

Type Electrolytic Capacitor Electrostatic Capacitor
Tantalum Aluminum Ceramics Film
Size Small Medium Small Large
ESR Low Good Very Low Ultra Low
Thermal Stability Good Poor Poor for K Dielectrics Excellent
Capacitance Polarity Characteristics High Polar High Polar Low non-Polar Moderate non-Polar
Rated Voltage (DC) 2.5V - 50V 6.3V - 450V 6.3V - 5000V 16V - 2000V
Operating Temperature 125°C-150°C 85°C-120°C >150°C 105°C
Cost Higher Lower Lower Higher
Good for Power Filtering Yes Yes Some Yes
Good for Bulk Energy Storage Yes Yes No Some
Good for Tuning and Timing No No Yes Yes

 

 

 

 


 

נכתב ע"י ערן צנציפר (מנהל אתר Robot-and-Machines-Design)