ตัวเก็บประจุ

|แบบทดสอบ| | ออกจากบทเรียน| |จุดประสงค์|


ตัวเก็บประจุ เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่รู้จักทั่วไปว่าสามารถเก็บประจุได้ บางทีเรียกว่า คาปาซิเตอร์ ใช้สัญลักษณ์ย่อว่า C มีหน่วยเป็น ฟารัด (F)

โครงสร้างของตัวเก็บประจุ


ชนิดของตัวเก็บประจุ


1. ตัวเก็บประจุชนิดค่าคงที่ จะไม่สามารถเปลี่ยนแปลงค่าการเก็บประจุได้ แบ่งได้ 5 ชนิด
ตัวเก็บประจุชนิดกระดาษ เป็นตัวเก็บประจุที่ใช้กระดาษชุบไข หรือน้ำมัน (Oil) เป็นฉนวนไดอิเล็กตริก โครงสร้างของตัวเก็บประจุชนิดนี้จะประกอบด้วยแผ่นเพลต 2 แผ่น ที่เป็นแผ่นดีบุกรีดจนบางคั่นกลางด้วยกระดาษชุบไขแล้วนำมาม้วนเข้าเป็นท่อนกลม จากแผ่นเพลตทั้งสอง แต่ละข้างจะถูกต่อขาที่เป็นลวดตัวนำออกมาใช้งาน ตัวเก็บประจุจะถูกหุ้มห่อด้วยฉนวนไฟฟ้าชนิดต่างๆ แล้วแต่บริษัทผู้ผลิต อย่างเช่น ปลอกกระดาษแข็ง กระเบื้องเคลือบ กระดาษอาบน้ำผึ้ง เป็นต้น เพื่อป้องกันความชื้นและฝุ่นละออง ดังแสดงในรูป

                       

     (ก) โครงสร้างของตัวเก็บประจ ุ      (ข) สัญลักษณ์ของตัวเก็บประจุชนิดค่าคงที่ที่ไม่มีขั้วในการต่อใช้งาน


      ตัวเก็บประจุชนิดกระดาษจะมีค่าความจะไม่สูงมากนัก ซึ่งจะเขียนบอกไว้ที่ข้างๆ ตัวเก็บประจุ คืออยู่ในพิสัยจาก 10 pF ถึง 10mF อัตราทนไฟสูงประมาณ 150 โวลต์ จนถึงหลายพันโวลต์ โดยมากนิยมใช้ในวงจรจ่ายกำลังไฟสูง

      ตัวเก็บประจุชนิดไมก้า เป็นตัวเก็บประจุที่ใช้แผ่นไมก้าเป็นฉนวนไดอิเล็กตริก ส่วนมากตัวเก็บประจุชนิดนี้จะถูกทำเป็นรูปสี่เหลี่ยมเพราะแผ่นไมก้าจะมีคุณสมบัติที่แข็งกรอบ โครงสร้างของมันจะประกอบด้วยแผ่นเพลตโลหะบางๆ อาจใช้หลายๆ แผ่นวางสลับซ้อนกัน แต่จะต้องคั่นด้วยฉนวนไมก้า ดังแสดงในรูป ซึ่งตัวเก็บประจุจะถูกหุ้มห่อด้วยฉนวนจำนวนเมกาไลท์ เพื่อป้องกันการชำรุดสึกหรอ

      ตัวเก็บประจุชนิดไมก้าจะมีค่าความจุอยู่ในพิสัยจาก 1.5 pF ถึง 0.1 mF มีอัตราทนแรงไฟได้สูงมากประมาณ 350 โวลต์ จนถึงหลายพันโวลต์ โดยบริษัทผู้ผลิตจะพิมพ์บอกค่าความจุอัตราทนแรงไฟและค่าความคลาดเคลื่อนไว้บนตัวของมัน หรือบางทีก็ใช้สีแต้มบอกเป็นโค้ดที่ตัวเก็บประจุนี้ ซึ่งจะได้กล่าวถึงต่อไป ส่วนการใช้งานของตัวเก็บประจุชนิดไมก้า นิยมใช้งานในวงจรความถี่วิทยุ (RF) และวงจรที่มีแรงดันไฟสูงมากๆ

ตัวเก็บประจุชนิดเซรามิค เป็นตัวเก็บประจุที่ใช้ไดอิเล็กตริกที่ทำมาจากฉนวนจำพวกกระเบื้อง หรือที่เรียกว่า "เซรามิค" ซึ่งมีโครงสร้างของตัวเก็บประจุ

     ตัวเก็บประจุชนิดเซรามิคจะมีรูปร่างแบบแผ่นกลม (Disc) และแบบรูปทรงกระบอก (Tubular) ซึ่งจะมีค่าความจุอยู่ในพิสัยจาก 1.5 pF ถึง 0.1 mF อัตราทนแรงไฟประมาณ 500 โวลต์

ตัวเก็บประจุชนิดพลาสติก แต่จะใช้ไดอิเล็กตริกที่เป็นแผ่นฟิล์มที่ทำมาจากโพลีเอสเตอร (Polyester) ไมลาร์ (Mylar) โพลีสไตรีน (Polystyrene) และอื่นๆ โดยนำมาคั่นระหว่างแผ่นเพลตทั้งสองแผ่นแล้วม้วนพับให้มีลักษณะเป็นรูปทรงกระบอก ดังจะแสดงในรูป

ตัวเก็บประจุชนิดพลาสติกจะมีค่าความจุอยู่ในพิสัยตั้งแต่ 2 mF ขึ้นไปและอัตราทนกำลังไฟตั้งแต่ 200 ถึง 600 โวลต์

ตัวเก็บประจุชนิดอิเล็กโทรลิติก เป็นตัวเก็บประจุที่ใช้น้ำยาอิเล็กโทรไลท์เป็นแผ่นข้างหนึ่งแทนโลหะ และอีกแผ่นหนึ่งเป็นแผ่นโลหะมีเยื่อบางๆ ที่เรียกว่า "ฟิล์ม" (Film) หุ้มอยู่ เยื่อบางๆ นี้คือ ไดอิเล็กตริก หรือแผ่นกั้น

 

       จะแสดงลักษณะรูปร่างของตัวเก็บประจุชนิดอิเล็กโทรลิติก ซึ่งส่วนมากจะบรรจุในกระป๋องอะลูมิเนียมทรงกลมยาว และจะมีขั้วบอกไว้อย่างชัดเจน ว่าขั้วใดเป็นขั้วบวกและขั้วลบ สัญลักษณ์ของตัวเก็บประจุชนิดอิเล็กโทรลิติก การต่อขั้วของตัวเก็บประจุชนิดอิเล็กโทรลิติกในการใช้งานเราจะต้องมีความระมัดระวังให้มากที่สุด ถ้าหากว่าเราต่อขั้วผิดจะมีผลทำให้กระแสไฟเข้าไปทำลายเยื่อที่เป็นไดอิเล็กตริกชำรุดเสียหายได้
ตัวเก็บประจุชนิดอิเล็กโทรลิติกจะสามารถทำให้มีค่าความจุได้สูงนับเป็นร้อยๆ ไมโครฟารัด โดยที่ตัวเก็บประจุจะมีขนาดเล็ก ค่าความจุที่ใช้งานจะอยู่ในพิสัยสองสามไมโครฟารัดจนถึงมากกว่า 100 mF และอัตราทนกำลังไฟตั้งแต่ 5 โวลต์จนถึง 700 โวลต์ ซึ่งนิยมนำไปใช้ในวงจร ดี.ซี.
        ตัวเก็บประจุชนิดอิเล็กโทรลิติกจะมีข้อเสียอันเนื่องมาจากค่าสูญเสียจากสารไดอิเล็กตริกที่มีค่ามาก แต่จะมีตัวเก็บประจุอีกชนิดหนึ่งที่ใช้หลักการเดียวกับตัวเก็บประจุชนิดอิเล็กโทรลิติก คือตัวเก็บประจุแบบแทนทาลัม (Tantalum Electrolytic Capacitor)

2. ตัวเก็บประจุชนิดปรับค่าได้

       เป็นตัวเก็บประจุซึ่งการเก็บประจุจะเปลี่ยนแปลงไปตามการเคลื่อนที่ของแกนหมุน ตัวเก็บประจุชนิดนี้ปกติแล้วจะประกอบด้วยอุปกรณ์ภายใน 2 ส่วน ได้แก่ แผ่นเพลตที่เคลื่อนที่ได้และแผ่นเพลตที่ติดตั้งอยู่กับที่โดยแผ่นเพลตทั้งสองจะเชื่อมต่อกันทางไฟฟ้ากับวงจรภายนอก การแบ่งประเภทของตัวเก็บประจุชนิดปรับค่าได้นี้ จะแบ่งตามไดอิเล็กตริกที่ใช้ โดยแบ่งออกเป็น 4 ชนิด ได้แก่ อากาศ ไมก้า เซรามิค และพลาสติก

หน่วยของการเก็บประจุ


         ค่าการเก็บประจุ แสดงถึงความสามารถในการเก็บประจุไฟฟ้าของตัวเก็บประจุ โดยมีหน่วยเป็น ฟารัด (Farad, F) ตัวเก็บประจุที่มีค่าการเก็บประจุ 1 ฟารัด (F) หมายถึง ความสามารถที่ะเก็บประจุไฟฟ้าจำนวน 1 คูลอมป์ (6.24 ด 1018 อิเล็กตรอน) โดยให้แรงดันไฟฟ้า 1 โวลต์ ระหว่างแผ่นเพลตทั้งสอง ดังแสดงในรูป

        ค่าการเก็บประจุ 1 ฟารัด (F) เป็นค่าที่มีปริมาณมาก และไม่ค่อยพบในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั่วไป แต่ที่ใช้กันมากจะมีค่าระหว่าง

ไมโครฟารัด และพิโกฟารัด จากความสัมพันธ์ของค่าการเก็บประจุ ประจุไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้า จึงเขียนเป็นสูตรความสัมพันธ์ได้ดังนี้

โดยที่ C = ค่าการเก็บประจุ มีหน่วยเป็น ฟารัด (F)
Q = ประจุไฟฟ้า มีหน่วยเป็น คูลอมป์ (C)
V = แรงดันไฟฟ้า มีหน่วยเป็น โวลต์ (V)

ตัวอย่าง
ถ้าตัวเก็บประจุตัวหนึ่งสามารถประจุไฟฟ้าได้ 36 C (36 x6.24 x10กำลัง18= 2.25 x10กำลัง20 อิเล็กตรอน) เมื่อจ่ายแรงดันไฟฟ้าขนาด 12 V คร่อมระหว่างแผ่นเพลต จงคำนวณหาค่าการเก็บประจุ

ปัจจัยที่มีผลต่อค่าการเก็บประจุ


ค่าการเก็บประจุจะมีปริมาณมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับปัจจัย 3 ประการ ดังนี้
1. พื้นที่ของแผ่นเพลต
2. ระยะห่างระหว่างแผ่นเพลต
3. ชนิดของไดอิเล็กตริก

พื้นที่ของแผ่นเพลต (A)


        ค่าการเก็บประจุเป็นสัดส่วนโดยตรงกับพื้นที่ของแผ่นเพลต โดยพื้นที่สามารถคำนวณได้จากการนำเอาความกว้างคูณเข้ากับความยาวของแผ่นเพลต ดังแสดงในรูป จากตัวอย่างจะเห็นว่า แผ่นเพลตในรูป (ข) มีพื้นที่เป็นสองเท่าของแผ่นเพลตในรูป (ก) และด้วยค่าการเก็บประจุเป็นสัดส่วนโดยตรงกับพื้นที่ (C ต A) ดังนั้น แผ่นเพลตในรูป (ข) จึงมีค่าการเก็บประจุเป็นสองเท่าของแผ่นเพลตในรูป (ก)

ระยะห่างระหว่างแผ่นเพลต (d)


     ระยะห่างระหว่างแผ่นเพลตจะขึ้นอยู่กับความหนาของไดอิเล็กตริกที่ใช้ ดังนั้น ค่าการเก็บประจุเป็นสัดส่วนผกผันกับระยะห่างระหว่างแผ่นเพลต ดังแสดงในรูป นั่นคือ ถ้าระยะห่างเพิ่มขึ้น (d ญ) จะทำให้ค่าการเก็บประจุลดลง (C ฏ) จากรูป (ก) ระยะห่างระหว่างแผ่นเพลตทำให้ค่าการเก็บประจุน้อย ในขณะที่รูป (ข) ความหนาของไดอิเล็กตริกเป็นครึ่งหนึ่งของตัวเก็บประจุในรูป (ก) ดังนั้น ถ้าต้องการเพิ่มหรือลดระยะห่างระหว่างแผ่นเพลตนี้เป็นการทำให้สนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นระหว่างแผ่นเพลตเปลี่ยนแปลง เพื่อให้ง่ายต่อความเข้าใจให้เส้นแรงแม่เหล็ก Z ที่ปรากฏในรูป (ก) จะถูกแบ่งออกเป็นเส้นแรงแม่เหล็ก X และ Y ที่ระยะห่างระหว่างแผ่นเพลต ลดลงครึ่งหนึ่ง

ชนิดของไดอิเล็กตริก (K)


        สารไดอิเล็กตริกมีคุณสมบัติเป็นฉนวน และมีผลต่อเส้นแรงแม่เหล็กที่เกิดขึ้นระหว่างแผ่นเพลต ดังนั้น ชนิดของวัสดุที่นำมาใช้เป็นไดอิเล็กตริกจึงมีผลต่อค่าการเก็บประจุ ค่าคงที่ไดอิเล็กตริก (Dielectic Constant, K) เป็นค่าที่ใช้แสดงถึงความสามารถในการที่จะทำให้เกิดเส้นแรงแม่เหล็กขึ้นเมื่อนำวัสดุต่างชนิดกันมาทำเป็นฉนวนคั่นระหว่างแผ่นเพลต สุญญากาศเป็นไดอิเล็กตริกที่มีประสิทธิภาพน้อยที่สุดเมื่อเทียบกับวัสดุชนิดอื่น นั่นคือ มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกเท่ากับ 1 สำหรับไดอิเล็กตริก ชนิดอื่นนั้นจะใช้สุญญากาศเป็นตัวอ้างอิงในการแสดงค่า ตัวอย่างเช่น ไมก้า มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกเท่ากับ 50 หมายความว่า ไมก้าสามารถทำให้เส้นแรงแม่เหล็ก สามารถก่อตัวได้ง่ายกว่าสุญญากาศถึง 5 เท่า และด้วยค่าการเก็บประจุเป็นสัดส่วนโดยตรงกับค่าคงที่ไดอิเล็กตริก (C ต K) ดังนั้น ตัวเก็บประจุแบบไมก้าจึงมีค่าการเก็บประจุมากกว่าตัวเก็บประจุที่ใช้สุญญากาศเป็นไดอิเล็กตริกถึง 5 เท่า ส่วนไดอิเล็กตริกของวัสดุชนิดอื่นๆ แสดงในตาราง

วัสดุ
ค่าคงที่ไดอิเล็กตรอน (K)
สุญญากาศ
อากาศ
เทฟลอน
ขี้ผึ้ง
กระดาษ
อำพัน
ยาง
น้ำมัน
ไมก้า
เซรามิก
แบคคาไลต์
แก้ว
น้ำ
1.0
1.0006
2.0
2.25
2.5
2.65
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
7.5
78.0

สูตรการคำนวณหาค่าการเก็บประจุ


ด้วยปัจจัยที่กำหนดค่าการเก็บประจุ ได้แก่ พื้นที่ของแผ่นเพลต ระยะห่างระหว่างแผ่นเพลต และชนิดของไดอิเล็กตริก ดังนั้นสามารถเขียนสมการความสัมพันธ์ได้ ดังนี้

โดยที่ C = ค่าการเก็บประจุ มีหน่วยเป็น ฟารัด (F)
8.85 x10กำลัง -12 = ค่าความเพอร์มิตติวิตี (Permittivity) มีหน่วยเป็น ฟารัด/เมตร (F/m)
K = ค่าคงที่ไดอิเล็กตริก
A = พื้นที่ของแผ่นเพลต มีหน่วยเป็น ตารางเมตร (m2)
d = ระยะห่างระหว่างแผ่นเพลต มีหน่วยเป็น เมตร (m)
จากสมการจะเห็นว่า ค่าการเก็บประจุเป็นสัดส่วนโดยตรงกับค่าคงที่ไดอิเล็กตริก (K) และพื้นที่ของแผ่นเพลต (A) และเป็นสัดส่วนผกผันกับระยะห่างระหว่างเผ่นเพลต (d)


ตัวอย่าง


จงหาค่าการเก็บประจุของตัวเก็บประจุแบบเซรามิกที่มีพื้นที่ของแผ่นเพลตเท่ากับ 0.3 m2 และมีระยะระหว่างแผ่นเพลต 0.0003 m

การต่อตัวเก็บประจุ


การต่อตัวเก็บประจุแบบอันดับหรืออนุกรม
     จากรูป (ก) แสดงการต่อตัวเก็บประจุค่า 2 mF และ 4 mF แบบอันดับ โดยต่อด้านล่างแผ่นเพลตของตัวเก็บประจุ A เข้ากับด้านบนแผ่นเพลตของตัวเก็บประจุ B ดังแสดงในรูป (ข)

      จากการที่ด้านบนแผ่นเพลตของตัวเก็บประจุ A และด้านล่างแผ่นเพลตของตัวเก็บประจุ B ถูกต่อเข้ากับวงจรจึงทำให้แผ่นเพลตที่อยู่บริเวณตรงกลางทั้งสองแผ่นไม่มีผลใดๆ ดังแสดงในรูป (ค) แต่สิ่งที่ได้จากการต่อแบบอันดับนี้ คือ ความหนาของไดอิเล็กตริกที่เพิ่มขึ้น (d ญ) และทำให้ระยะห่างระหว่างแผ่นเพลตเพิ่มมากขึ้น นอกจากนั้นเส้นแรงแม่เหล็กจะเกิดขึ้นเฉพาะบริเวณที่มีแผ่นเพลตรองรับในทิศทางตรงกันข้ามเท่านั้น ซึ่งในที่นี้จะขึ้นอยู่กับแผ่นเพลตที่มีพื้นที่น้อย นั่นคือ แผ่นเพลตของตัวเก็บประจุ A
สรุปได้ว่า เมื่อทำการต่อตัวเก็บประจุแบบอันดับจะทำให้พื้นที่รวมของแผ่นเพลตลดลง (A ฏ) และความหนาของไดอิเล็กตริกเพิ่มขึ้น (d ญ) ส่งผลให้ค่าการเก็บประจุรวมลดลง
การคำนวณหาค่าการเก็บประจุรวมของตัวเก็บประจุที่ต่อกันแบบอันดับ หาได้จากสูตร ดังนี้


สำหรับตัวเก็บประจุ 2 ตัว จะใช้สูตรคำนวณดังนี้

ตัวอย่าง
จงคำนวณหาค่าการเก็บประจุรวม ของวงจรในรูป

ตัวอย่างการต่อตัวเก็บประจุแบบอันดับ

การต่อตัวเก็บประจุแบบขนาน
          รูป (ก) แสดงการต่อตัวเก็บประจุ 2 ตัว A และ B ค่า 2 mF และ 4 mF แบบขนาน ส่วนรูป (ข) แสดงการต่อตัวเก็บประจุ A และ B ซึ่งมีค่าคงที่ไดอิเล็กตริก และระยะห่างระหว่างแผ่นเพลตเท่ากันเข้าด้วยกันแบบขนานจะเห็นว่า ทั้งด้านบนและด้านล่างแผ่นเพลตของตัวเก็บประจุทั้งสองถูกต่อเข้าด้วยกัน จึงเสมือนว่าแผ่นเพลตทั้งสองเป็นแผ่นเดียวกัน สรุปได้ว่า ถ้าต่อตัวเก็บประจุแบบขนานจะทำให้พื้นที่ของแผ่นเพลตเพิ่มขึ้น และเนื่องด้วยค่าการเก็บประจุเป็นสัดส่วนโดยตรงกับพื้นที่ของแผ่นเพลต ดังนั้น จึงส่งผลให้ค่าการเก็บประจุเพิ่มขึ้นด้วย

ค่าการเก็บประจุรวม คำนวณจากการรวมพื้นที่ของแผ่นเพลตทุกแผ่นรวมกัน ดังนั้นค่าการเก็บประจุรวมของตัวเก็บประจุที่ต่อกันแบบขนานจึงเท่ากับผลรวมของค่าการเก็บประจุของตัวเก็บประจุทุกตัว

ตัวอย่าง
จงหาค่าการเก็บประจุรวมของวงจรในรูป (ก) และ (ข)

ก                                     ข

รูปแสดงตัวอย่างการต่อตัวเก็บประจุแบบขนาน


ศึกษาเพิ่มเติมที่นี่