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:
כאשר
- I = הזרם שעובר דרך הקבל בנקודת זמן כלשהי
V = המתח על הקבל בנקודת זמן כלשהיא
C = הקיבול של הקבל
במעגלי זרם ישר DC, בהם קיים נגד וקבל בטור ניתן להגיע לקשר בין המתח לקיבול ולהתנגדות במעגל:
כאשר t או tau זהו קבוע הזמן והנוסחא שלו היא:
t=RC (כלומר, היכן שמופיע 't' במשוואה, אפשר להחליפו בכפולת ההתנגדות בקיבולת – ט”ס) ההסבר מאחורי הנוסחא הוא שקבל ללא מטען חשמלי שאגור בתוכו, נטען במטען החשמלי עד שהוא מגיע לנקודת שיווי משקל. זמן הטעינה מושפע מהקיבולת של הקבל וההתנגדות של הנגד שמחובר אליו. טוב, זהו, גמרנו עם המתמטיקה הזו... ההמשך הרבה יותר קל.
חיבור קבלים בטור כנגד חיבור מקבילי
ישנו הבדל גדול בין סוללות וקבלים כאשר מדובר בחיבור במקביל כנגד חיבור בטור. בעוד שבחיבור מקבילי עולה סך הקיבולת הכללית עם כל קבל שמתווסף, בחיבור טורי, קורה בדיוק ההפך. הנה ההסבר והנוסחאות:
חיבור מקבילי של קבלים מתאר קבלים אשר שני ההדקים שלהם מחוברים לאותה נקודה. כלומר, על כל הקבלים קיים מפל מתח שווה.
בפועל', חיבור מקבילי של קבלים, יכול להראות כך למשל (דוגמה למעקף - bypass - נפוץ בקרוס-אוברים משופצים של רמקולים של
JBL קבלי פוליפרופילן של Dayton נעקפים בחיבור מקבילי של קבל איכותי של AudioCap ט"ס):
ניתן לייצג את הקיבול השקול לכל הקבלים המחוברים בצורה מקבילית באופן הבא:
(כלומר סך כל הקיבולת היא סכום הקיבולת של כל הקבלים המחוברים במקביל – ט"ס)
ב
חיבור 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:
(כלומר, בניגוד לסוללות למשל, חיבור טורי של קבלים רק מוריד את סך כל הקיבולת משום שמדובר בחלוקה של אחד למספר הולך וגדל – ט"ס)
מתח פריצה (Breakdown Voltage)
החומר המבודד בקבל (שנקרא גם חומר דיאלקטרי Dielectric) מבודד רק 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 בצירוף האותיות Vbd.
החוזק הדיאלקטרי של המבודד תלוי במרחק של שני המוליכים בקבל זה מזה ונמדד ביחידות של
Mv/m (מילי-וולט למטר - ט"ס) 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 של כל קבל קטן יותר ממתח הפריצה. קבלים בעלי מתח פריצה גבוה יותר יהיו קבלים גדולים יותר. דוגמה לסימון מתח הפריצה על קבל בעל קיבולת של 470 מיקרו-פראד ומתח פריצה של 450 וולט:
מתח פריצה של קבל מושפע מלחץ, לחות וטמפרטורה (בשלב מאוחר יותר בשרשור זה אדבר על מה קורה ואיך נראה קבל שנפרץ, בהתאם לסוג הקבל - ט"ס)
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. לרוב מדובר בערכי התנגדות נמוכים מאוד אך במעגלים חשמליים רגישים נתון זה הוא חשוב מאוד. (אחסוך לכם את הנוסחא המתמטית המורכבת. מי שרוצה לראות את כל הנוסחאות יכול לעשות זאת
כאן - ט"ס)
כאשר מופעל על הקבל מתח חילופין AC, ככל שהתדר גדל כך גדלה השפעת ה-ESR. כמו בנגדים, גם לקבלים יש פיזור הספק (Power Dissipation) (גם לזה יש נוסחא מתמטית - ט"ס). 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-Tolerance
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% (המדקדקים בציוד אודיו, והמקפידים על איכות הקבלים, בוחרים דווקא בקבלים היקרים יותר, אלה של יצרני קבלי היוקרה, אשר למרות הקיבולת, היחסית גדולה שלהם, מאופיינים בערכי Tolerance נמוכים ביותר. כך למשל Mundorf, Solen, AudioCap, Dayton ורבים אחרים מתמחים בייצור קבלי אודיו מדוייקים ביותר – ט"ס)
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%
יתכן ושמתם לב שקבלים לא מגיעים בכל ערך קיבולת אפשרי. ניתן למשל למצוא בקלות קבלים בערכים של 22µF ו-47µF אך לא תוכלו למצוא קבלים בערכים של 25µF ו-50µF. מדוע זה כך? תארו לעצמכם שהחלטתם לייצר קבלי עבור כל כפולה של 10µF - כלומר ערכים של 50µF,40µF,30µF,20µF,10µF והלאה. זה נראה סביר אך מה קורה כשתגיעו ל-1000µF? יהיה זה קצת חסר טעם לייצר קבלים בקיבולת של 1030µF,1020µF,1010µF והלאה משום שההפרשים של 10µF הם כבר מאוד קטנים ביחס לקיבולת של 1000µF. למעשה, יהיה ההפרש זניח מידי בכדי לשנות משהו ברוב המעגלים והיישומים ובכל מקרה, כמעט אין זה ניתן לייצר קבלים בהפרשי קיבולת כה קטנים.
על-מנת לייצר תחום הגיוני של ערכי קבלים יש להגדיל את ההפרש או 'המדרגה' הזו, ככל שערך הקיבול עולה. ערכי הקבלים הסטנדרטיים מבוססים על רעיון זה והם מהווים סידרה שעוקבת אחר התבנית של כפולות של עשר, כפי שצוין קודם בדוגמה.
בקבוצת (סדרת) E3 ישנן שלושה ערכים עבור כל כפולה של עשר. למשל 10, 22, 47 והלאה ואז יש קפיצה משמעותית 100,220, 470, 1000, 2200, 4700, 10000 וכ"ו. שימו לב כיצד המדרגה עולה ככל שהערך מתקדם. אפשר לאמר שהערכים מכפילים את עצמם פחות או יותר.
בקבוצת (סדרת E6) ישנם שישה ערכים עבור כל כפולה של עשר. למשל 10, 15, 22, 33, 47, 68... ואז 100, 150, 220, 330, 470, 680, 1000 וכ"ו. שימו לב כיצד בסידרת E6 ישנם ערכים נוספים ברווחים שלא היו קיימים בסדרת E6.
סדרת E3 היא הסידרה שערכיה הם בשימוש הכי תדיר משום שלא ניתן לייצר רבים מסוגי הקבלים בערכים כל-כך מדוייקים.
ערכי הקיבול לרב מופיעים ביחידות פיקו-פראד (pF) או מיקרו-פראד (µF). (בקבלים קרמיים קטנים יכולות לעיתים להופיע המידות ללא יחידות בערכי נאנו-פארד nF - ט"ס) אלה הערכים הנפוצים במעגלים חשמליים לוגיים. עבור מעגלי הספק שתפקידם לספק זרמים ומתחים גבוהים ניתן למצוא קבלים בעלי ערכי Farad שלמים.