הקבל הוא רכיב פסיבי דו-מסופי, הנמצא בשימוש נרחב באלקטרוניקה. כמעט, כל מעגל שאנו מוצאים באלקטרוניקה, משתמשים בקבל אחד או יותר לשימושים שונים. קבלים הם רכיב האלקטרוניקה הנפוץ ביותר אחרי נגדים. יש להם יכולת מיוחדת לאגור אנרגיה. ישנם סוגים שונים של קבלים זמינים בשוק, אבל אחד אשר מקבל לאחרונה פופולרית ומבטיחה תחליף או חלופה של סוללות בעתיד, הם קבל או הידוע גם בשם ultracapacitors. קבלים-על אינם אלא קבלים בעלי קיבולת גבוהה עם ערכי קיבול גבוהים בהרבה מקבלים רגילים, אך מגבלות מתח נמוכות יותר. הם יכולים לאחסן אנרגיה פי 10 עד 100 ליחידת נפח או מסה מאשר קבלים אלקטרוליטיים, יכולים לקבל ולהעביר מטען הרבה יותר מהר סוללות, וסובלים יותר מחזורי פריקה לטעינה מאשר סוללות נטענות.
קבלים-על או קבלים-אולטרה-קבלים הם טכנולוגיית אחסון אנרגיה חדשה אשר מפותחת בכבדות בעת החדשה. קבלים-על מספקים יתרונות תעשייתיים וכלכליים משמעותיים
הקיבול של הקבל נמדד בפראד (F), כמו.1uF (microfarad), 1mF (millifarad). עם זאת, בעוד שקבלים בעלי ערך נמוך יותר נפוצים למדי באלקטרוניקה, קיימים גם קבלים בעלי ערך גבוה מאוד, המאחסנים אנרגיה בצפיפות גבוהה הרבה יותר וזמינים בערך קיבול גבוה מאוד.
בתמונה שלמעלה מוצגת תמונת קבלים סופר של 2.7V, 1Farad. דירוג המתח נמוך בהרבה אך הקיבול של הקבל הנ"ל גבוה למדי.
היתרונות של קבלים-על או קבלים אולטרה-קבלים
הביקוש של Supercapacitors עולה מיום ליום. הסיבה העיקרית להתפתחות ולביקוש המהירה נובעת מיתרונות רבים אחרים של Supercapacitors, אך מעטים מהם מפורטים להלן:
- זה מספק חיים טובים מאוד של כ -1 מיליון מחזורי טעינה.
- טמפרטורת ההפעלה היא -50 מעלות עד 70 מעלות כמעט, מה שהופך אותה למתאימה לשימוש ביישומי צרכנים.
- צפיפות הספק גבוהה עד 50 פעמים, המושגת באמצעות סוללות.
- חומרים מזיקים, מתכות רעילות אינם חלק מתהליך הייצור של סופר קבלים או קולי אולטרה-קבלים, מה שהופך אותו למאושר כרכיב חד פעמי.
- זה יעיל יותר מסוללות.
- אינו מצריך תחזוקה בהשוואה לסוללות.
קבלים-על מאגרים אנרגיות בשדה החשמלי שלה, אך במקרה של סוללות הם משתמשים בתרכובות כימיות כדי לאגור אנרגיות. כמו כן, בגלל יכולתו לטעון ולפרוק במהירות, הסופר קבלים נכנסים אט אט לשוק הסוללות. עמידות פנימית נמוכה עם יעילות גבוהה מאוד, ללא עלות תחזוקה, אורך חיים גבוה יותר הם הסיבה העיקרית לדרישה הגבוהה בשוק הקשור למקור חשמל.
אנרגיות בקבל
אנרגיות חנות קבלים בצורת Q = C x V. Q מייצג מטען בקולומבים, C בקיבול בפאראדס ו- V במתח בוולט. לכן, אם נגדיל את הקיבולת האנרגיה המאוחסנת Q תגדל גם היא.
יחידת הקיבול היא פאראד (F) אשר נקראת על שם מ 'פאראדיי. פאראד היא יחידת הקיבול ביחס לקולומב / וולט. אם אנו אומרים קבל עם פאראד 1, אז הוא ייצור הפרש פוטנציאלי של 1 וולט בין הלוחות שלו בהתאם לטעינה של 1 קולומב.
1 פאראד הוא קבל בעל ערך גדול מאוד לשימוש כמרכיב אלקטרוני כללי. באלקטרוניקה, בדרך כלל משתמשים בקיבול של מיקרו-פרד לפיקו פאראד. Microfarad מסומן כ uF (1 / 1,000,000 פאראד או 10 -6 F), ננו פאראד כ nF (1 / 1,000,000,000 או 10 -9 F) ופיקו פאראד כ pF (1 / 1,000,000,000,000 או 10 -12 F)
אם הערך הופך להיות הרבה יותר גבוה, כמו mF לפאראדים מעטים (בדרך כלל <10F), פירושו שהקבל יכול להחזיק הרבה יותר אנרגיות בין הלוחות שלו, הקבל הזה נקרא קבל אולטרה או סופר-קבלים.
האנרגיות המאוחסנות בקבל הוא E = ½ CV 2 ג'ול. E היא האנרגיה המאוחסנת בג'אול, C היא הקיבול בפאראד ו- V הוא ההבדל הפוטנציאלי בין הלוחות.
בנייה של
Supercapacitor הוא מכשיר אלקטרוכימי. מעניין כי אין תגובות כימיות שאחראיות לאחסן את האנרגיות החשמליות שלהן. יש להן קונסטרוקציה ייחודית, עם פלטה מוליכה גדולה או אלקטרודה, הממוקמות קרוב עם שטח פנים קטן מאוד. בנייתו זהה לקבל אלקטרוליטי עם אלקטרוליט נוזלי או רטוב בין האלקטרודות שלו. תוכלו ללמוד על סוגים שונים של קבלים כאן.
Supercapacitor משמש כמכשיר אלקטרוסטטי המאחסן את האנרגיה החשמלית שלו כשדה החשמלי בין האלקטרודות המוליכות.
האלקטרודות, אדומות וכחולות, מצופות דו צדדיות. הם עשויים בדרך כלל מפחמן גרפיט בצורת צינורות פחמן או ג'לים או סוג מיוחד של פחמנים מופעלים מוליכים.
כדי לחסום את זרימת האלקטרונים הגדולה בין האלקטרודות ולהעביר את היון החיובי, משתמשים בקרום נייר נקבובי. קרום הנייר מפריד גם בין האלקטרודות. כפי שניתן לראות בתמונה לעיל, קרום הנייר הנקבובי ממוקם באמצעו בצבע ירוק. האלקטרודות ומפריד הנייר ספוגים באלקטרוליט הנוזלי. רדיד האלומיניום משמש כקולט זרם היוצר את החיבור לחשמל.
לוח ההפרדה ואזור הלוחות אחראים על ערך הקיבול של הקבל. ניתן לסמן את היחס כ-
איפה, Ɛ הוא היתירות החומר הקיים בין לוחות
A הוא שטח הצלחת
D הוא ההפרדה בין לוחות
לכן, במקרה של קבלים-על, יש להגדיל את משטח המגע, אך יש מגבלה. איננו יכולים להגדיל את הצורה הפיזית או את גודל הקבל. כדי להתגבר על מגבלה זו משתמשים בסוג מיוחד של אלקטרוליטים להגברת המוליכות בין הלוחות ובכך להגדיל את הקיבול.
קבלים העל נקראים גם כקבלים שכבה כפולה. יש מאחוריה סיבה. הפרדה קטנה מאוד ושטח פנים גדול באמצעות אלקטרוליט מיוחד, שכבת פני השטח של היונים האלקטרוליטיות יוצרת שכבה כפולה. הוא יוצר שתי בניית קבלים, אחת בכל אלקטרודות פחמן ושמה קבל שכבה כפולה.
לבנייה זו יש חיסרון. המתח על פני הקבל הפך נמוך מאוד בגלל מתח הפירוק של האלקטרוליט. המתח תלוי מאוד בחומר האלקטרוליטים, החומר יכול להגביל את יכולת אחסון האנרגיה החשמלית של הקבל. לכן, בגלל המתח המסוף הנמוך, ניתן לחבר קבלים-על בסדרה כדי לאחסן מטען חשמלי ברמת מתח שימושית. בשל כך, קולט-העל בסדרה מייצר מתח גבוה מהרגיל ובמקביל, הקיבול נעשה גדול יותר. ניתן להבין זאת בבירור על ידי טכניקת הבנייה של Supercapacitor Array.
בניית מערך סופר-קבלים
כדי לאחסן מטען במתח נדרש שימושי, יש לחבר את קבלים-העל בסדרה. ולהגדלת הקיבול הם צריכים להיות מחוברים במקביל.
בואו נראה את בניית המערך של Supercapacitor.
בתמונה לעיל, מתח התא של תא בודד או קבלים מסומן כ- Cv ואילו הקיבול של תא בודד מסומן כ- Cc. טווח המתח של קבלים-על הוא בין 1 וולט ל -3 וולט, חיבורי הסדרה מגדילים את המתח ויותר קבלים במקביל מגדילים את הקיבול.
אם ניצור את המערך, המתח בסדרה יהיה
מתח כולל = מתח תא (Cv) x מספר שורות
והקיבול במקביל יהיה
קיבול כולל = קיבול תאים (Cc) x (מספר העמודה / מספר השורה)
דוגמא
עלינו ליצור מכשיר אחסון גיבוי, ולשם כך נדרש סופר או קבלים-על 2.5F עם דירוג 6V.
אם נצטרך ליצור את המערך באמצעות קבלים 1F עם דירוג 3V, אז מה יהיה גודל המערך וכמויות הקבלים?
מתח כולל = מתח תא x מספר שורה ואז מספר שורה = 6/3 מספר שורה = 2
פירושו ששני קבלים בסדרה יהיו בעלי הבדל פוטנציאלי של 6 וולט.
עכשיו הקיבול, קיבול כולל = קיבול תא x (מספר עמודה / מספר שורה) ואז מספר קולום = (2.5 x 2) / 1
אז, אנחנו צריכים 2 שורות ו -5 עמודות.
בואו נבנה את המערך,
סך האנרגיה המאוחסנת במערך היא
קבלים-העל טובים לאחסון אנרגיה ובמקום בו יש צורך בטעינה או פריקה מהירה. נעשה בו שימוש נרחב כהתקני גיבוי, שם יש צורך בגיבוי אספקת חשמל או פריקה מהירה. הם משמשים עוד במדפסות, מכוניות ומכשירי אלקטרוניקה שונים.