>> ตัวเก็บประจุไฟฟ้า

ตัวเก็บประจุ Capacitor คืออะไร เบื้องต้น

ตัวเก็บประจุ หรือชื่อในภาษาอังกฤษว่า Capacitor คาปาซิเตอร์ บ้างเรียกว่า คอนเดนเซอร์ ซี แคป คือ อุปกรณ์ อิเล็กทรอนิกส์ ชนิดหนึ่ง ที่ถูกออกแบบ มาใช้ทำหน้าที่ เก็บพลังงานในรูปแบบของสนามไฟฟ้า โดยส่วนใหญ่สามารถพบได้บนแผงวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ต่างๆ ได้แทบทุกวงจร โดยเจ้าตัวเก็บประจุนี้ เป็นอุปกรณ์ ที่มีความสำคัญตัวหนึ่งเลยก็ว่าได้ครับ ดังนั้นในบทความนี้เราจะมาทำความรู้จัก ความเข้าใจกับอุปกรณ์ตัวนี้กันครับ

สัญลักษณ์ของ ตัวเก็บประจุ

ตัวเก็บประจุ ?

สำหรับใครที่สงสัยและอยากจะทำความเข้าใจเกี่ยวกับ Capacitor หรือ ตัวเก็บประจุ ว่าโครงสร้างและหลักการการทำงานของตัวเก็บประจุ เป็นอย่างไร สามารถศึกษาได้จากบทความนี้ได้เลย

Capacitor หรือ ตัวเก็บประจุ เป็นอุปกรณ์ที่สำคัญในวงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ ทำมาจาก 2 แผ่นตัวนำ(parallel conductive plates) คั้นกลางด้วย Dielectric ซึ่งเป็นวัสดุที่เป็นฉนวน ประกอบเข้าด้วยกัน เหมือนแซนวิช ดังรูป

สำหรับ ฉนวน Dielectric สามารถทำมาจากวัสดุที่ไม่นำไฟฟ้าทั้งหลายเช่น พลาสติก ยาง เซรามิค แก้ว ฉนวนแต่ละชนิดซึงเราสามารถวัดค่าความเป็นฉนวนได้ไม่เท่ากันขึ้นอยู่กับวัสดุนั้นๆ

โดย

C ขนาดของตัวเก็บประจุ หน่วยคือ Farad

A พื้นที่หน้าตัดของแผ่นตัวนำ

d ระยะห่างระหว่างแผ่นตัวนำ

εr dielectric’s relative permittivity เป็นค่าคงที่ของฉนวน ขึ้นอยู่กับชนิดของฉนวนนั้นๆเช่น เราจะเห็นได้ว่า ยิ่ง εr หรือ A มีค่ามากก็จะทำให้สามารถเพิ่มความจุของตัวเก็บประจุทำให้มีค่าความจุมากขึ้น ในทางตรงกันข้ามหาก มีระยะห่าง d ระยะห่างระหว่างแผ่นตัวนำมากก็จะทำให้ตัวเก็บประจุมีค่าน้อย

หลักการทำงานของ Capacitor หรือ ตัวเก็บประจุ

ก็คือ เมื่อนำตัวเก็บประจุไปต่อเข้ากับวงจรหรือแหล่งจ่ายไฟครบวงจร เราจะสังเกตได้ว่ากระแสไฟฟ้าไม่สามารถไหลผ่านตัวเก็บประจุได้ (มองเป็น Open Circuit) ก็เพราะว่าในตัวเก็บประจุมี ฉนวนกั้นอยู่ในขณะเดียวกันก็เกิดประจุไฟฟ้าที่ไหลข้ามฉนวนไม่ได้ก็ติดอยู่ที่แผนตัวนำ ทำให้ด้านนั้นมีประจุไฟฟ้าลบ(Electron)เยอะ ส่วนแผนตัวนำด้านตรงข้ามก็กลายเป็นประจุไฟฟ้าด้านบวกเพราะ Electron ไหลไปอีกด้านหนึ่งจำนวนมาก

การที่มีประจุติดอยู่ที่แผนตัวนำของ ตัวเก็บประจุ ได้ก็เพราะว่า แต่ละด้านมีประจุไฟฟ้าที่เป็นขั้วตรงกันข้ามกันทำให้เกิดสนามไฟฟ้า electric field ดึงดูดซึ่งกันและกัน (+ และ - ดึงดูดกัน) ซึ่งทำให้ตัวเก็บประจุสามารถเก็บพลังงานศักย์ หรือ แรงดัน (Voltage) ไว้ได้

ตัวเก็บประจุ แต่ละชนิดสามรถแบ่งออกได้เป็น 3ชนิด ดังนี้

1. ตัวเก็บประจุแบบค่าคงที่(Fixed Capacitor) คือตัวเก็บประจุที่ไม่สามารถเปลี่ยนแปลงค่าได้ โดยปกติจะมีรูปลักษณะเป็นวงกลม หรือเป็นทรงกระบอก ซึ่งมักแสดงค่าที่ตัวเก็บประจุ เช่น 5 พิโกฟารัด (pF) 10 ไมโครฟารัด (

F) แผ่นเพลทตัวนำมักใช้โลหะและมีไดอิเล็กตริกประเภท ไมก้า เซรามิค อิเล็กโตรไลติกคั่นกลาง เป็นต้น การเรียกชื่อตัวเก็บประจุแบบค่าคงที่นี้จะเรียกชื่อตามไดอิเล็กตริกที่ใช้ เช่น ตัวเก็บประจุชนิดอิเล็กโตรไลติก ชนิดเซรามิค ชนิดไมก้า เป็นต้น ตัวเก็บประจุแบบค่าคงที่มีใช้งานในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ทั่วไปมีดังนี้คือ

แสดงตัวเก็บประจุแบบค่าคงที่

ชนิดอิเล็กโตรไรต์ (Electrolyte Capacitor) เป็นที่นิยมใช้กันมากเพราะให้ค่าความจุสูง มีขั้วบวกลบ เวลาใช้งานต้องติดตั้งให้ถูกขั้ว โครงสร้างภายในคล้ายกับแบตเตอรี่ นิยมใช้กับงานความถี่ต่ำหรือใช้สำหรับไฟฟ้ากระแสตรง มีข้อเสียคือกระแสรั่วไหลและความผิดพลาดสูงมาก

รูปแสดงตัวเก็บประจุชนิดอิเล็กโตรไลต

ชนิดแทนทาลั่มอิเล็กโตรไลด์ (Tantalum Electrolyte Capacitor) ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ต้องการความผิดพลาดน้อยใช้กับไฟฟ้ากระแสตรงได้อย่างมีประสิทธิภาพ มักจะใช้ตัวเก็บประจุชนิดแทนทาลั่มอิเล็กโตรไลต์แทนชนิดอิเล็กโตรไลต์ธรรมดา เพราะให้ค่าความจุสูงเช่นกัน โครงสร้างภายในประกอบด้วยแผ่นตัวนำทำมาจากแทนทาลั่มและแทนทาลั่มเปอร์ออกไซค์อีกแผ่น นอกจากนี้ยังมีแมงกานิสไดออกไซค์ เงิน และเคลือบด้วยเรซิน ดังรูปที่ 5

รูปแสดงตัวเก็บประจุชนิดแทนทาลั่มอิเล็กโตรไลด์

ชนิดไบโพล่าร์ (Bipolar Capacitor) นิยมใช้กันมากในวงจรภาคจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงเครื่องขยายเสียง เป็นตัวเก็บประจุจำพวกเดียวกับชนิดอิเล็กโตรไลต์ แต่ไม่มีขั้วบวกลบ บางครั้งเรียกสั้น ๆ ว่า ไบแคป

รูป แสดงตัวเก็บประจุชนิดไบโพล่าร์

ชนิดเซรามิค (Ceramic Capacitor) เป็นตัวเก็บประจุที่มีค่าไม่เกิน 1 ไมโครฟารัด ( F) นิยมใช้กันทั่วไปเพราะมีราคาถูก เหมาะสำหรับวงจรประเภทคัปปลิ้งความถี่วิทยุ ข้อเสียของตัวเก็บประจุชนิดเซรามิคคือมีการสูญเสียมาก

รูปแสดงตัวเก็บประจุชนิดเซรามิค

ชนิดไมล่าร์ (Mylar Capacitor) เป็นตัวเก็บประจุที่มีค่ามากกว่า 1 ไมโครฟารัด ( F) เพราะฉะนั้นในงานบางอย่างจะใช้ไมล่าร์แทนเซรามิค เนื่องจากมีเปอร์เซ็นต์ความผิดพลาดและการรั่วไหลของกระแสน้อยกว่าชนิดเซรามิค เหมาะสำหรับวงจรกรองความถี่สูง วงจรภาคไอเอฟของวิทยุ, โทรทัศน์ ตัวเก็บประจุชนิดไมล่าร์จะมีตัวถังที่ใหญ่กว่าเซรามิคในอัตราทนแรงดันที่เท่ากัน

รูปแสดงตัวเก็บประจุชนิดไมล่าร์

ชนิดฟีดทรู (Feed-through Capacitor) ลักษณะโครงสร้างเป็นตัวถังทรงกลมมีขาใช้งานหนึ่งหรือสองขา ใช้ในการกรองความถี่รบกวนที่เกิดจากเครื่องยนต์มักใช้ในวิทยุรถยนต์

รูปแสดงตัวเก็บประจุชนิดฟีดทรู

ชนิดโพลีสไตรีน (Polystyrene Capacitor) เป็นตัวเก็บประจุที่มีค่าน้อยระดับนาโนฟารัด (nF) มีข้อดีคือให้ค่าการสูญเสียและกระแสรั่วไหลน้อยมาก นิยมใช้ในงานคัปปลิ้งความถี่วิทยุและวงจรจูนที่ต้องการความละเอียดสูง จัดเป็นตัวเก็บประจุระดับเกรด A

รูปแสดงตัวเก็บประจุชนิดโพลีสไตรีน

ชนิดซิลเวอร์ไมก้า (Silver Mica Capacitor) เป็นตัวเก็บประจุที่มีค่า 10 พิโกฟารัด (pF) ถึง 10 นาโนฟารัด (nF) เปอร์เซ็นต์ความผิดพลาดน้อย นิยมใช้กับวงจรความถี่สูง จัดเป็นตัวเก็บประจุระดับเกรด A อีกชนิดหนึ่ง

รูปแสดงตัวเก็บประจุชนิดซิลเวอร์ไมก้า

2. ตัวเก็บประจุแบบปรับค่าได้ (Variable Capacitor)

ค่าการเก็บประจุจะเปลี่ยนแปลงไปตามการเคลื่อนที่ของแกนหมุน โครงสร้างภายในประกอบด้วย แผ่นโลหะ 2 แผ่นหรือมากกว่าวางใกล้กัน แผ่นหนึ่งจะอยู่กับที่ส่วนอีกแผ่นหนึ่งจะเคลื่อนที่ได้ ไดอิเล็กตริกที่ใช้มีหลายชนิดด้วยกันคือ อากาศ ไมก้า เซรามิค และพลาสติก เป็นต้น

รูปที่ 11 แสดงโครงสร้างและสัญลักษณ์ของตัวเก็บประจุแบบปรับค่าได้

ตัวเก็บประจุแบบปรับค่าได้อีกชนิดหนึ่งที่เป็นที่รู้จักกันดีคือทริมเมอร์และแพดเดอร์ (Trimmer and Padder) โครงสร้างภายในประกอบด้วยแผ่นโลหะ 2 แผ่นวางขนานกัน ในกรณีที่ต้องการปรับค่าความจุ ให้ใช้ไขควงหมุนสลักตรงกลางค่าที่ปรับจะมีค่าอยู่ระหว่าง 1 พิโกฟารัด (pF) ถึง 20 พิโกฟารัด (pF) การเรียกชื่อตัวเก็บประจุแบบนี้ว่าทริมเมอร์หรือแพดเดอร์นั้นขึ้นอยู่กับว่าจะนำไปต่อในลักษณะใด ถ้านำไปต่อขนานกับตัวเก็บประจุตัวอื่นจะเรียกว่า ทริมเมอร์ แต่ถ้านำไปต่ออนุกรมจะเรียกว่า แพดเดอร์

3. ตัวเก็บประจุแบบเลือกค่าได้ (Select Capacitor) คือตัวเก็บประจุในตัวถังเดียว แต่มีค่าให้เลือกใช้งานมากกว่าหนึ่งค่าดังแสดงในรูป