เรียนฟิสิกส์กับครูชิตชัย

ถ้าคุณจะสะสมอะไรสักอย่าง คุณก็จะต้องหาที่เก็บรักษาอย่างดี เพื่อให้สิ่งของที่คุณเก็บรักษาอยู่ดี (ไม่สูญหายไปไหน) นั้นมันเป็นเรื่องของสิ่งของที่จับต้องได้ แต่ถ้าเป็นพลังงานไฟฟ้าคุณจะใช้อะไรเก็บมันล่ะ ?
บางคนสงสัยว่าทำไม ตัวอะไร สามารถเก็บพลังงานไฟฟ้าได้ บ้างอาจคิดไปไกลถึงอุปกรณ์ไฮ-เทคต่างๆ แต่ที่ผมจะกล่าวดังต่อไปนี้ เป็นอุปกรณ์ที่แสนจะธรรมดา สำหรับนักอิเล็กทรอนิกส์สมัครเล่นอย่างเราๆ หรือคุณที่สนใจสามารถเรียนรู้ได้ “ตัวเก็บประจุ” (Capacitor) ไงครับ (นายกระสวยอวกาศ : ออนไลน์)

   

โครงสร้างพื้นฐานของตัวเก็บประจุ

         พื้นฐานโครงสร้างของตัวเก็บประจุประกอบด้วย แผ่นตัวนำสองแผ่นซึ่งเรียกมันว่า “แผ่น 1 เพลต” และคั่นด้วย “แผ่นไดอิเล็กตริก” ซึ่งทำด้วยฉนวนไฟฟ้า เช่น กระดาษ , ไมก้า , เซรามิก หรือ อากาศ ดังแสดงในรูปที่1 เรามักเรียกชื่อของตัวเก็บประจุชนิดค่าคงที่ ตามสารที่ใช้ทำแผ่นไดอิเล็กตริก เช่น ตัวเก็บประจุชนิดเซรามิก ก็จะมีแผ่นไดอิเล็กตริกเป็นเซรามิกนั่นเอง

รูปที่ 1 อธิบายพื้นฐานโครงสร้างของตัวเก็บประจุ

          ตัวแปรที่ให้ค่าของตัวเก็บประจุมากหรือน้อยมีอยู่ 3 ประการ คือ
             – พื้นที่แผ่นเพลตที่วางขนานกัน ตัวเก็บประจุที่มีพื้นที่แผ่นเพลตมากก็ยิ่งมีค่าความจุมาก
             – ระยะห่างระหว่างแผ่นเพลต ยิ่งมีความห่างของแผ่นเพลตมากขึ้นค่าความจุก็ยิ่งลดลง
             – ชนิดของสารที่ใช้ทำแผ่นไดอิเล็กตริก ค่าความจุจะเปลี่ยนแปลงไปตามชนิดของสารที่ใช้ทำแผ่นไดอิเล็กตริก
          หน่วยของตัวเก็บประจุคือ “ฟารัด” (Farad) เขียนสัญลักษณ์ย่อว่า “F” ในทางปฏิบัติถือว่า หนึ่งฟารัดมีค่ามาก ..ส่วนใหญ่ค่าที่ใช้จะอยู่ในช่วง ไมโครฟารัดกับพิโกฟารัด
          หนึ่งไมโครฟารัดมีค่าเท่ากับหนึ่งในล้านของฟารัด (1 ไมโครฟารัดเท่ากับ 0.000,001 ฟารัด) ใช้สัญลักษณ์ ” mF ” (microfarad) และ หนึ่งพิโกฟารัดมีค่าเท่ากับหนึ่งในล้านของหน่วยไมโครฟารัด (1 พิโกฟารัด เท่ากับ 0.000,001 ไมโครฟารัด) ใช้สัญลักษณ์ว่า “pF” (picofarad)
                 1 mF = 1/1,000,000   F = 0.000,001 F
                 1 pF = 1/1,000,000 mF = 0.000,001 mF

หลักการทำงาน

           ถ้าเราจะเปรียบการทำงานของตัวเก็บประจุกับสปริง ขณะเรายืดสปริงออกนั้นหมายถึง เรากำลังให้พลังงานกับสปริง และถ้าปล่อยมือ สปริงก็จะหดตัวกลับที่เดิม ทำให้ก้อนหินถูกดีดออกไป ดังรูปที่ 2 เปรียบเทียบการเก็บประจุและการปล่อยมือให้สปริงหดตัวกับการคายประจุ ของตัวเก็บประจุ

รูปที่ 2 การเก็บประจุของตัวเก็บประจุนี้เปรียบได้กับการยืดสปริงเพื่อสะสมพลังงานพลังงานจลน์

การเก็บประจุ

          การเก็บประจุก็คือ การเก็บอิเล็กตรอนไว้ที่แผ่นเพลตของตัวเก็บประจุนั่นเอง  เมื่อนำแบตเตอรี่อื่นๆ ต่อกับตัวเก็บประจุ อิเล็กตรอนจากขั้วลบของแบตเตอรี่ จะเข้าไปออกันที่แผ่นเพลต ทำให้เกิดประจุลบขึ้นและยังส่งสนามไฟฟ้าไป ผลักอิเล็กตรอนของแผ่นเพลตตรงข้าม (เหมือนกับนำแผ่นแม่เหล็กที่มีขั้ว เหมือนกันมาใกล้กันมันก็จะผลักกัน) ซึ่งโดยปกติในแผ่นเพลตจะมี ประจุเป็น + และ – ปะปนกันอยู่ เมื่ออิเล็กตรอนจากแผ่น
เพลตนี้ถูก ผลักให้หลุดออกไปแล้วจึงเหลือประจุบวกมากกว่าประจุลบ ยิ่งอิเล็กตรอนถูกผลักออกไปมากเท่าไร แผ่นเพลตนั้นก็จะเป็นบวกมากขึ้นเท่านั้น (เมื่อเทียบกับอีกด้าน)

              
           ก.                                                                       ข.         

           รูปที่ 3 อธิบายการเก็บประจุของตัวเก็บประจุ

การคายประจุ

          ตัวเก็บประจุที่ถูกประจุแล้ว ถ้าเรายังไม่นำขั้วตัวเก็บประจุมาต่อกัน (ดังในรูปที่ 3 ข.) อิเล็กตรอนก็ยังคงอยู่ที่แผ่นเพลต แต่ถ้ามีการครบวงจร ระหว่างแผ่นเพลตทั้งสองเมื่อไร อิเล็กตรอนก็จะวิ่งจากแผ่นเพลตทางด้านลบ ไปครบวงจรที่แผ่นเพลตบวกทันที เราเรียกเหตุการณ์นี้ว่า “การคายประจุ”

รูปที่ 4 การคายประจุของตัวเก็บประจุ

ตัวเก็บประจุชนิดคงที่ Fixed capacitor

         Capacitor ชนิดนี้จะมีขั้วบวกและขั้วลบบอกไว้ ส่วนใหญ่จะเป็นแบบกลมดังนั้น การนำไปใช้งานจะต้องคำนึงถึงการต่อขั้วให้กับ Capacitor ด้วย จะสังเกตขั้วง่าย ๆ ขั้วไหนที่เป็นขั้วลบจะมีลูกศรชี้ไปที่ขั้วนั้น และในลูกศรจะมีเครื่องหมายลบบอกเอาไว้

• ตัวเก็บประจุแบบกระดาษ (Paper capacitor)

              ตัวเก็บประจุแบบกระดาษ นำไปใช้งานซึ่งต้องการค่าความต้านทานของฉนวนที่มี ค่าสูง และ มี เสถียรภาพต่ออุณหภูมิสูงได้ดี มีค่าความจุที่ดีใน ย่านอุณหภูมิที่กว้าง

• ตัวเก็บประจุแบบไมก้า (Mica capacitor)

               ตัวเก็บประจุแบบไมก้านี้ จะมีเสถียรภาพต่ออุณหภูมิ และ ความถี่ดี มีค่าตัวประกอบการสูญเสียต่ำ และ สามารถทำงาน ได้ดีที่ความถี่สูง จะถูกนำมาใช้ในงานหลายอย่าง เช่น ในวงจะจูนวงจรออสซิสเตอร์ วงจรกรองสัญญาณ และวงจรขยาย ความ ถี่วิทยุกำลังสูง จะไม่มีการผลิตตัวเก็บประจุแบบไมก้าค่าความจุสูงๆ ออกมา เนื่องจากไมก้ามีราคาแพง จะทำให้ค่าใช้จ่ายในการ ผลิตสูงเกินไป

• ตัวเก็บประจุแบบเซรามิก (Ceramic capacitor)

              ตัวเก็บประจุชนิดเซรามิก โดยทั่วไปตัวเก็บประจุชนิดนี้มีลักษณะกลมๆ แบนๆ บางครั้งอาจพบแบบสี่เหลี่ยมแบนๆ ส่วนใหญ่ตัวเก็บประจุชนิดนี้ มีค่าน้อยกว่า 1 ไมโครฟารัด และเป็นตัวเก็บประจุชนิดที่ไม่มีขั้ว และสามารถทนแรงดันได้ประมาณ 50-100 โวลต์ค่าความจุของตัวเก็บประจุชนิดเซรามิกที่มีใช้กันในปัจจุบันอยู่ในช่วง 1 พิโกฟารัด ถึง 0.1 ไมโครฟารัด

• ตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลติก (Electrolytic capacitor)

              ตัวเก็บประจุชนิดอิเล็กทรอไลติก ตัวเก็บประจุชนิดนี้ต้องระวังในการนำไปใช้งานด้วย เพราะมีขั้วที่แน่นอนพิมพ์ติดไว้ด้าน ข้างตัวถังอยู่แล้ว ถ้าป้อนแรงดันให้กับตัวเก็บประจุผิดขั้ว อาจเกิดความเสียหายกับตัวมันและอุปกรณ์ที่ประกอบร่วมกันได้ ขั้วของตัวเก็บประจุชนิดนี้สังเกตได้ง่ายๆ เมื่อตอนซื้อมา คือ ขาที่ยาวจะเป็นขั้วบวก และขาที่สั้นจะเป็นขั้วลบ

• ตัวเก็บประจุแบบน้ำมัน (Oil capacitor)

• ตัวเก็บประจุแบบโพลีสไตลีน (Polyethylene capacitor)

                                 (ใช้อักษรย่อ MKS) เป็นตัวเก็บประจุที่มีคุณสมบัติคล้ายคลึงกับชนิด โพลีโพรไพรีน แต่จะมีประสิทธิภาพทางปริมาตรต่ำกว่า มีค่าความจุ 47 pF ถึง 0.039m F อัตราการทนแรงไฟ 63-630 VDC มีค่าผิดพลาดต่ำเพียง ± 1 % 

• ตัวเก็บประจุ แทนทาลั่ม (Tantalum capacitor)

               ตัวเก็บประจุแบบแทนทาลั่ม จะให้ค่าความจุสูงในขณะที่ตัวถังที่บรรจุมีขนาดเล็ก และมีอายุในการเก็บรักษาดีมาก ตัวเก็บประจุแบบแทนทาลั่มนี้มีหลายชนิดให้เลือกใช้ เช่น ชนิด โซลิต ( solid t
ype ) ชนิด ซินเทอร์สลัก ( sintered slug ) ชนิดฟอลย์ธรรมดา ( plain foil ) ชนิดเอ็ชฟอยล์ ( etched foil ) ชนิดเว็ทสลัก ( wet slug ) และ ชนิดชิป ( chip ) การนำไปใช้งานต่างๆ ประกอบด้วยวงจรกรองความถี่ต่ำ วงจรส่งผ่านสัญญาณ ชนิด โซลิตนั้นไม่ไวต่ออุณหภูมิ และ มีค่าคุณ สมบัติระหว่างค่าความจุอุณหภูมิต่ำกว่า ตัวเก็บประจุ แบบอิเล็กทรอไลติกชนิดใด ๆ สำหรับงานที่ตัวเก็บประจุแบบแทนทาลั่มไม่เหมาะกับ วงจรตั้งเวลาที่ใช้ RC ระบบกระตุ้น ( triggering system ) หรือ วงจรเลื่อนเฟส ( phase – shift net work ) เนื่องจากตัวเก็บประจุแบบนี้ มีค่าคุณสมบัติของการดูดกลืนของไดอิเล็กตริก สูง ซึ่งหมายถึงเมื่อตัวเก็บประจุถูกคายประจุ สารไดอิเล็กตริกยังคงมีประจุหลงเหลืออยู่ ดังนั้นเม้ว่าตัวเก็บประจุที่มีคุณสมบัติของ การดูดกลืนของสารไดอิเล็กตริกสูงจะถูกคายประจุประจุจนเป็นศูนษ์แล้วก็ตาม จะยังคงมีประจุเหลืออยู่เป็นจำนวนมากพอ ที่ จะทำ ให้เกิดปัญหาในวงจรตั้งเวลา และ วงจรอื่นที่คล้ายกัน

• ตัวเก็บประจุแบบไมลา (Milar capacitor)

           (ใช้อักษรย่อ KT) เป็นตัวเก็บประจุที่นิยมใช้มากเพราะมีเสถียรภาพสูง กระแสรั่วต่ำ มีค่าสัมประสิทธิ์ทางอุณหภูมิสูง ส่วนมากใช้ในด้าน Coupling, Decoupling, Blocking, Bypass, Filter มีด้วยกัน 2 ชนิด ชนิดฟิล์มฟอยล์ จะมีค่าความจุ 0.001-1.0m F อัตราการทนแรงดันไฟฟ้า80 – 200 VDC ค่าผิดพลาด ± 5 – 10 % ชนิดฟิล์มโลหะ จะมีค่า 0.001-10.0 m F อัตราการทนแรงดันไฟฟ้า 60-630 VDC ค่าผิดพลาด ± 5 – 10 %

• ตัวเก็บประจุแบบไบโพลา (Bipolar capacitor)

           เป็นตัวเก็บประจุเอเล็กโตรไลติคอีกแบบหนึ่ง ที่ไม่มีขั้ว บวก-ลบ นิยมใช้มากในเครื่องขยายเสียง หรือ วงจรแยกเสียงในลำโพง (Network) หรือใช้ทำหน้าที่เป็นวงจรสตาร์ทในมอเตอร์ของเครื่องใช้ไฟฟ้า เช่น  พัดลม

• ตัวเก็บประจุแบบโพลีโพรไพลีน (Poiypropyrene)

           หรือไบแคป(Bi-Cap) เหมือนกับแบบอิเล็กโตรไลต์ติกคาปาซิเตอร์ แต่ไม่มีขั้ว นิยมใช้กันมากในวงจรเครื่องเสียง ขยายเสียง ภาคจ่ายไฟ

ตัวเก็บประจุแบบปรับค่าได้ Variable capacitor

          เป็น Capacitor ชนิดที่ไม่มีค่าคงที่ ซึ่งจะมีการนำวัสดุต่างๆ มาสร้างขึ้นเป็น Capacitor โดยทั่วไปจะมีค่าความจุไม่มากนัก โดยประมาณไม่เกิน 1 ไมโครฟารัด (mF) Capacitor ชนิดนี้เปลี่ยนค่าความจุได้ จึงพบเห็นอยู่ ในเครื่องรับวิทยุต่าง ๆ ซึ่งเป็นตัวเลือกหาสถานีวิทยุโดยมีแกนหมุน Trimmer หรือ Padder เป็น Capacitor ชนิดปรับค่าได้ ซึ่งคล้าย ๆ กับ Varible Capacitor แต่จะมีขนาดเล็กกว่า การใช้ Capacitor แบบนี้ถ้าต่อในวงจรแบบอนุกรมกับวงจรเรียกว่า Padder
Capacitor ถ้านำมาต่อขนานกับวงจร เรียกว่า Trimmer

หน่วยความจุของคาปาซิเตอร์

คาปาซิเตอร์มีหน่วยเป็น ฟารัด (F) ไมโครฟารัด (uF) หรือ MFD และ นาโนฟารัด (nF)

การอ่านค่าความจุของคาปาซิเตอร์

     ตัวเก็บประจุจะบอกลักษณะอยู่ทั้งหมด 3 แบบ คือ
       1. อ่านค่าโดยตรง
       2. บอกเป็นตัวเลข
       3. บอกเป็นแถบสี

1. การอ่านค่าโดยตรง

คาปาซิเตอร์ประเภทนี้ส่วนใหญ่จะมีความจุสูง และบอกอัตราทนแรงดันไฟฟ้าสูงสุดมาด้วย

จากรูปสามารถอ่านได้  1500 ไมโครฟารัด  ทนแรงดันสูงสุดที่ 35 โวลท์

ตัวที่ 1 สามารถอ่านได้ 10 ไมโครฟารัด ทนแรงดันสูงสุดที่ 100 โวลท์

ตัวที่ 2 สามารถอ่านได้ 10 ไมโครฟารัด ทนแรงดันสูงสุดที่ 250 โวลท์

2. การอ่านแบบที่บอกเป็นตัวเลข

         คาปาซิเตอร์ชนิดนี้จะบอกเป็นตัวเลขมา 3 ตำแหน่งด้วยกัน โดยที่ ตัวที่หนึ่งจะเป็นตัวตั้งหลักที่หนึ่ง
ตัวที่สองจะเป็นตัวตั้งหลักที่สอง และตัวเลขตัวที่สามจะเป็นตัวเติมเลขศูนย์ลงไป(หรือตัวคูณก็ได้) หน่วยที่ได้จะเป็นพิโกฟารัด เสมอ ส่วนค่าผิดพลาดถูกบอกในรูปของอักษรแทนเช่น ตัว K มีค่าผิดพลาดเท่ากับ + – 10%

                                                                จากรูป
 
1 0 และเติมศูนย์อีกสองตัว จะได้  1000 pF หรือ 1 nF(หารด้วย1,000) หรือ 0.001 uF (หารด้วย 1,000,000)

อ่านได้ 100 pF

จากรูป

อ่านได้ 150000 pF 150 nF 0.15 uF

3. การอ่านแบบที่บอกเป็นแถบสี

หลักอ่านจะคล้ายกับตัวต้านทานครับ

การอ่านค่าสีตัวคาปาซิเตอร์
เหลือง  จะเป็นตัวตั้งหลักที่หนึ่ง มีค่า     4
ม่วง      จ
ะเป็นตัวตั้งหลักที่สอง มีค่า     7
เหลือง   จะเป็นตัวคูณ  มีค่า     x10000
ขาว      จะเป็นเปอร์เซ็นต์ความผิดพลาด มีค่า 10 %
แดง      จะเป็นอัตราทนแรงดันไฟฟ้า     มีค่า 200 V
ดังนั้นสามารถอ่านได้  470000 pF หรือ 0.47 uF

 ศึกษาวิธีอ่านค่าเพิ่มเติม   ตัวอย่าง CODE GUIDE

 

ที่มา : http://sites.google.com/site/velectronic1/capacitor/code-capacit
ที่มา : วารสาร HOBBY ELECTRONICS ฉบับที่ 02 เดือน พฤษภาคม 2534
อ้างอิง: ทฤษฎีอิเล็กทรอนิกส์เบื้องต้น, พันศักดิ์ พุฒิมานิตพงศ์ , ภูสิทฐ บวรวัฒนดิลก