ตัวเก็บประจุคืออะไร ใช้ที่ไหนและทำไมจึงจำเป็น

ตัวเก็บประจุไฟฟ้าเป็นหนึ่งในองค์ประกอบของวงจรไฟฟ้าของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ใด ๆ หน้าที่หลักคือเก็บพลังงานแล้วส่งกลับคืนสู่วงจร อุตสาหกรรมนำเสนอตัวเก็บประจุที่หลากหลาย ซึ่งแตกต่างกันไปตามประเภท ความจุ ขนาด การใช้งาน

หลักการทำงานและลักษณะของตัวเก็บประจุ

อุปกรณ์ของตัวเก็บประจุประกอบด้วยแผ่นโลหะสองแผ่นคั่นด้วยชั้นอิเล็กทริกบาง ๆ อัตราส่วนของขนาดและการจัดเรียงของเพลตและลักษณะของวัสดุอิเล็กทริกเป็นตัวกำหนดดัชนีความจุ

การพัฒนาการออกแบบตัวเก็บประจุชนิดต่างๆ มีวัตถุประสงค์เพื่อให้ได้ความจุสูงสุดตามขนาดต่ำสุดเพื่อประหยัดพื้นที่บนแผงวงจรพิมพ์ของอุปกรณ์ รูปแบบที่ได้รับความนิยมมากที่สุดรูปแบบหนึ่งอยู่ในรูปของถังซึ่งภายในแผ่นโลหะถูกบิดด้วยอิเล็กทริกระหว่างกันตัวเก็บประจุตัวแรกที่ประดิษฐ์ขึ้นในเมือง Leiden (เนเธอร์แลนด์) ในปี ค.ศ. 1745 ถูกเรียกว่า "ขวดไลเดน"

หลักการทำงานของส่วนประกอบคือความสามารถในการชาร์จและคายประจุ การชาร์จสามารถทำได้เนื่องจากการมีอยู่ของแผ่นเปลือกโลกที่ระยะห่างจากกันเล็กน้อย ประจุที่อยู่ใกล้เคียงซึ่งคั่นด้วยไดอิเล็กตริกจะถูกดึงดูดเข้าหากันและยังคงอยู่บนเพลต และตัวเก็บประจุเองก็เก็บพลังงานไว้ หลังจากตัดการเชื่อมต่อแหล่งพลังงานแล้ว ส่วนประกอบก็พร้อมสำหรับการส่งคืนพลังงานในวงจร การคายประจุ

พารามิเตอร์และคุณสมบัติที่กำหนดประสิทธิภาพ คุณภาพ และความทนทานของงาน:

• ความจุไฟฟ้า
• ความจุเฉพาะ
• ค่าเบี่ยงเบนที่อนุญาต;
• ความแข็งแรงทางไฟฟ้า
• ความเหนี่ยวนำของตัวเอง;
• การดูดซึมอิเล็กทริก
• การสูญเสีย;
• ความมั่นคง
• ความน่าเชื่อถือ

ความสามารถในการเก็บประจุเป็นตัวกำหนดความจุของตัวเก็บประจุ เมื่อคำนวณความจุ คุณจำเป็นต้องรู้:

• ครอบคลุมพื้นที่;
• ระยะห่างระหว่างแผ่นเปลือกโลก
• ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของวัสดุไดอิเล็กตริก

เพื่อเพิ่มความจุจำเป็นต้องเพิ่มพื้นที่ของเพลต ลดระยะห่างระหว่างพวกมัน และใช้ไดอิเล็กตริกซึ่งวัสดุมีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสูง

Farad (F) ใช้เพื่อแสดงถึงความจุ - หน่วยการวัดที่ได้รับชื่อเพื่อเป็นเกียรติแก่ Michael Faraday นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ อย่างไรก็ตาม 1 Farad นั้นใหญ่เกินไป ตัวอย่างเช่น ความจุของโลกเราน้อยกว่า 1 ฟารัด ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์วิทยุ ใช้ค่าที่น้อยกว่า: ไมโครฟารัด (µF หนึ่งในล้านของฟารัด) และพิโกฟารัด (pF หนึ่งในล้านของไมโครฟารัด)

ความจุจำเพาะคำนวณจากอัตราส่วนของความจุต่อมวล (ปริมาตร) ของไดอิเล็กตริกตัวบ่งชี้นี้ได้รับอิทธิพลจากมิติทางเรขาคณิต และการเพิ่มความจุจำเพาะทำได้โดยการลดปริมาตรของไดอิเล็กตริก แต่สิ่งนี้จะเพิ่มความเสี่ยงของการพังทลาย

ความเบี่ยงเบนที่อนุญาตของมูลค่าหนังสือเดินทางของความจุจากค่าจริงจะเป็นตัวกำหนดระดับความแม่นยำ ตาม GOST มี 5 คลาสความแม่นยำที่กำหนดการใช้งานในอนาคต ส่วนประกอบของระดับความแม่นยำสูงสุดใช้ในวงจรที่มีความรับผิดชอบสูง

ความเป็นฉนวนกำหนดความสามารถในการเก็บประจุและรักษาคุณสมบัติการทำงาน ประจุที่เหลืออยู่บนเพลตมีแนวโน้มซึ่งกันและกัน โดยกระทำบนไดอิเล็กตริก ความแข็งแรงทางไฟฟ้าเป็นคุณสมบัติที่สำคัญของตัวเก็บประจุ ซึ่งจะกำหนดระยะเวลาในการใช้งาน ในกรณีที่มีการทำงานที่ไม่เหมาะสม ไดอิเล็กตริกจะสลายและส่วนประกอบจะล้มเหลว

การเหนี่ยวนำตนเองถูกนำมาพิจารณาในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับที่มีตัวเหนี่ยวนำ สำหรับวงจรไฟฟ้ากระแสตรงจะไม่นำมาพิจารณา

การดูดซับไดอิเล็กตริก - ลักษณะของแรงดันไฟฟ้าบนเพลตระหว่างการคายประจุอย่างรวดเร็ว ปรากฏการณ์การดูดซึมถูกนำมาพิจารณาเพื่อความปลอดภัยในการทำงานของอุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูงตั้งแต่ กรณีไฟฟ้าลัดวงจรมีอันตรายถึงชีวิต

การสูญเสียเกิดจากการส่งกระแสไฟต่ำของอิเล็กทริก เมื่อใช้งานส่วนประกอบของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในสภาวะอุณหภูมิและความชื้นต่างกัน ปัจจัยด้านคุณภาพของการสูญเสียจะมีผล นอกจากนี้ยังได้รับผลกระทบจากความถี่ในการทำงาน ที่ความถี่ต่ำ การสูญเสียในไดอิเล็กตริกส่งผลต่อ ที่ความถี่สูง - ในโลหะ

ความเสถียรคือพารามิเตอร์ของตัวเก็บประจุที่ได้รับผลกระทบจากอุณหภูมิแวดล้อมด้วยผลกระทบของมันถูกแบ่งออกเป็นแบบย้อนกลับได้ โดยมีลักษณะเป็นค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ และไม่สามารถย้อนกลับได้ โดยมีลักษณะเป็นค่าสัมประสิทธิ์ความไม่เสถียรของอุณหภูมิ

ความน่าเชื่อถือของตัวเก็บประจุขึ้นอยู่กับสภาพการทำงานเป็นหลัก การวิเคราะห์การพังทลายแสดงให้เห็นว่าใน 80% ของกรณีการพังทลายเป็นสาเหตุของความล้มเหลว

ขนาดของตัวเก็บประจุก็แตกต่างกันไปตามวัตถุประสงค์ ประเภทและขอบเขตการใช้งาน ชิ้นส่วนที่เล็กที่สุดและเล็กที่สุดซึ่งมีขนาดตั้งแต่ไม่กี่มิลลิเมตรไปจนถึงหลายเซนติเมตร ถูกนำมาใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ในขณะที่ขนาดที่ใหญ่ที่สุดนั้นใช้ในอุตสาหกรรม

วัตถุประสงค์

คุณสมบัติของการจัดเก็บและการปล่อยพลังงานได้กำหนดการใช้ตัวเก็บประจุอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ นอกจากตัวต้านทานและทรานซิสเตอร์แล้ว พวกมันยังเป็นพื้นฐานของวิศวกรรมไฟฟ้าอีกด้วย ไม่มีอุปกรณ์ที่ทันสมัยเพียงเครื่องเดียวที่จะไม่ใช้ในบางพื้นที่

ความสามารถในการชาร์จและคายประจุพร้อมกับตัวเหนี่ยวนำที่มีคุณสมบัติเหมือนกันถูกนำมาใช้อย่างแข็งขันในเทคโนโลยีวิทยุและโทรทัศน์ วงจรออสซิลเลเตอร์ของตัวเก็บประจุและการเหนี่ยวนำเป็นพื้นฐานสำหรับการส่งและรับสัญญาณ การเปลี่ยนความจุของตัวเก็บประจุทำให้คุณสามารถเปลี่ยนความถี่ของวงจรออสซิลเลเตอร์ได้ ตัวอย่างเช่น สถานีวิทยุสามารถส่งด้วยความถี่ของตัวเอง และวิทยุสามารถเชื่อมต่อกับความถี่เหล่านั้นได้

หน้าที่ที่สำคัญคือการทำให้คลื่นไฟฟ้ากระแสสลับเรียบ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ใดๆ ที่ขับเคลื่อนด้วยไฟ AC จำเป็นต้องกรองตัวเก็บประจุไฟฟ้าเพื่อผลิต DC คุณภาพดี

กลไกการชาร์จและการคายประจุถูกใช้อย่างแข็งขันในอุปกรณ์ถ่ายภาพกล้องที่ทันสมัยทั้งหมดใช้แฟลชในการถ่ายภาพ ซึ่งเกิดขึ้นได้จากคุณสมบัติการคายประจุที่รวดเร็ว ในบริเวณนี้ การใช้แบตเตอรี่ที่สามารถเก็บพลังงานได้ดีนั้นไม่มีประโยชน์ แต่ค่อยๆ ปล่อยออก ในทางกลับกันตัวเก็บประจุจะปล่อยพลังงานที่เก็บไว้ทั้งหมดทันทีซึ่งเพียงพอสำหรับแสงแฟลช

ความสามารถในการสร้างพัลส์กำลังสูงโดยตัวเก็บประจุใช้ในเรดาร์และการสร้างเลเซอร์

ตัวเก็บประจุทำหน้าที่เป็นหน้าสัมผัสดับประกายไฟในโทรเลขและโทรศัพท์ ตลอดจนระบบกลไกทางไกลและระบบอัตโนมัติ ซึ่งจำเป็นต้องมีการสลับรีเลย์ที่รับภาระสูง

การควบคุมแรงดันไฟฟ้าของสายไฟยาวนั้นดำเนินการโดยใช้ถังชดเชย

ตัวเก็บประจุสมัยใหม่เนื่องจากความสามารถไม่เพียงใช้ในด้านอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์วิทยุเท่านั้น ใช้ในอุตสาหกรรมโลหะ เหมืองแร่ ถ่านหิน

พันธุ์หลัก

เนื่องจากความหลากหลายของการใช้งานและสภาพการทำงานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ มีส่วนประกอบหลากหลายประเภทและลักษณะที่แตกต่างกัน แผนกหลักแบ่งตามชั้นเรียนและตามประเภทของอิเล็กทริกที่ใช้

ประเภทของตัวเก็บประจุแบ่งตามคลาส:

• ด้วยความจุคงที่
• ด้วยความจุตัวแปร
• การปรับจูน

ส่วนประกอบที่มีความจุคงที่ถูกใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทุกชนิด

ในการเปลี่ยนความจุและพารามิเตอร์ของวงจร เช่น ความถี่ในวงจรออสซิลเลเตอร์ ตัวเก็บประจุที่มีความจุแปรผันถูกนำมาใช้ในอุปกรณ์ของพวกเขา พวกเขามีแผ่นโลหะที่เคลื่อนย้ายได้หลายส่วน ซึ่งช่วยให้มั่นใจถึงความทนทานของงาน

ตัวเก็บประจุแบบทริมเมอร์ใช้สำหรับการปรับอุปกรณ์แบบครั้งเดียว มีจำหน่ายในพิกัดความจุต่างๆ (ตั้งแต่สองสาม picofarads ถึงหลายร้อย picofarads) และได้รับการจัดอันดับสำหรับแรงดันไฟฟ้าสูงถึง 60 โวลต์ หากไม่มีการใช้งาน จะไม่สามารถปรับแต่งอุปกรณ์ได้

ประเภทของตัวเก็บประจุแบ่งตามประเภทของอิเล็กทริก:

• ด้วยอิเล็กทริกเซรามิก
• ด้วยฟิล์มอิเล็กทริก
• อิเล็กโทรไลต์;
• ไอออนิสเตอร์

เซรามิกส์ทำในรูปแบบของวัสดุเซรามิกแผ่นเล็ก ๆ ซึ่งพ่นตะกั่วโลหะ ตัวเก็บประจุดังกล่าวมีคุณสมบัติที่แตกต่างกันและใช้สำหรับวงจรไฟฟ้าแรงสูงและแรงดันต่ำ

สำหรับวงจรไฟฟ้าแรงต่ำ มักใช้ส่วนประกอบขนาดเล็กหลายชั้นในอีพอกซีเรซินหรือกล่องพลาสติกที่มีความจุตั้งแต่สิบ picofarads ไปจนถึงหน่วยของ microfarads ใช้ในวงจรความถี่สูงของอุปกรณ์วิทยุอิเล็กทรอนิกส์และสามารถทำงานได้ในสภาพอากาศที่รุนแรง

สำหรับวงจรไฟฟ้าแรงสูง ตัวเก็บประจุแบบเซรามิกขนาดใหญ่ขึ้นมีความจุตั้งแต่สิบ picofarads ถึงหลายพัน picofarads ใช้ในวงจรอิมพัลส์และอุปกรณ์แปลงแรงดันไฟฟ้า

ฟิล์มอิเล็กทริกมีหลายประเภท ที่พบมากที่สุดคือ lavsan ซึ่งมีความแข็งแรงสูง โพลีโพรพีลีนไดอิเล็กทริกที่พบได้น้อยซึ่งมีการสูญเสียน้อยกว่าและใช้ในวงจรไฟฟ้าแรงสูง เช่น วงจรขยายเสียงและวงจรความถี่กลาง

ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มแยกประเภทเริ่มทำงาน ซึ่งใช้ในขณะที่สตาร์ทเครื่องยนต์ และเนื่องจากความจุสูงและวัสดุอิเล็กทริกพิเศษ จึงช่วยลดภาระของมอเตอร์ไฟฟ้าได้ มีลักษณะเป็นแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานสูงและกำลังไฟฟ้ารีแอกทีฟ

ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าได้รับการออกแบบในสไตล์คลาสสิก ตัวเครื่องทำจากอลูมิเนียม ด้านในเป็นแผ่นเหล็กม้วน โลหะออกไซด์ถูกฝากทางเคมีไว้บนจานเดียว และอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของเหลวหรือของแข็งจะถูกสะสมบนแผ่นที่สอง ก่อตัวเป็นไดอิเล็กตริก ต้องขอบคุณอุปกรณ์ดังกล่าว ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าจึงมีความจุสูง แต่ลักษณะเฉพาะของการใช้งานเมื่อเวลาผ่านไปคือการเปลี่ยนแปลง

ตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์มีขั้วต่างจากเซรามิกและตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม ในทางกลับกันพวกเขาถูกแบ่งออกเป็นไม่มีขั้วไม่มีข้อเสียเปรียบนี้รัศมีขนาดเล็กแนวแกน ขอบเขตของการใช้งานคือคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมและเทคโนโลยีไมโครคอมพิวเตอร์ที่ทันสมัย

ชนิดพิเศษที่ปรากฏค่อนข้างเร็วคืออิออน ในการออกแบบจะคล้ายกับตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า แต่มีความจุสูง (ขึ้นอยู่กับหน่วยของ Farad) อย่างไรก็ตาม การใช้งานถูกจำกัดไว้ที่แรงดันไฟฟ้าสูงสุดเล็กน้อยเพียงไม่กี่โวลต์ ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ใช้สำหรับจัดเก็บหน่วยความจำ: หากแบตเตอรี่ในโทรศัพท์มือถือหรือคอมพิวเตอร์ขนาดเล็กหมด ข้อมูลที่เก็บไว้จะไม่สูญหายอย่างแก้ไขไม่ได้

นอกเหนือจากส่วนประกอบในเวอร์ชันเอาต์พุตซึ่งปรากฏเมื่อนานมาแล้วและถูกใช้ตามธรรมเนียมแล้ว ส่วนประกอบที่ทันสมัยยังผลิตในเวอร์ชัน SMD หรือที่เรียกว่าสำหรับการติดตั้งบนพื้นผิว ตัวอย่างเช่น เซรามิกสามารถผลิตได้ในขนาดต่างๆ ตั้งแต่ขนาดเล็กที่สุด (1 มม. คูณ 0.5 มม.) ไปจนถึงขนาดใหญ่ที่สุด (5.7 มม. คูณ 5 มม.) และด้วยแรงดันไฟฟ้าที่สอดคล้องกันตั้งแต่สิบโวลต์ถึงหลายร้อย

ตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์สามารถผลิตได้ในแพ็คเกจแบบติดตั้งบนพื้นผิว สิ่งเหล่านี้อาจเป็นตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรไลต์มาตรฐานหรืออาจเป็นตัวเก็บประจุแทนทาลัมซึ่งดูเหมือนเซรามิกเล็กน้อย แต่แตกต่างจากที่มีความจุสูงและการสูญเสียต่ำ สามารถเป็นได้ทั้ง SMD แบบตรึงและไม่ตรึง

คุณสมบัติของตัวเก็บประจุแทนทาลัมคืออายุการใช้งานยาวนานและการสูญเสียน้อยที่สุดโดยมีขีด จำกัด ความจุต่ำกว่าเล็กน้อย แต่ในขณะเดียวกันก็มีราคาสูง ใช้ในวงจรความรับผิดชอบสูงที่ต้องการความจุสูง

บทความที่คล้ายกัน: