ตัวเก็บประจุ

ถ้าคุณจะสะสมอะไรสักอย่าง คุณก็จะต้องหาที่เก็บรักษาอย่างดี เพื่อให้สิ่งของที่คุณเก็บรักษาอยู่ดี (ไม่สูญหายไปไหน) นั้นมันเป็นเรื่องของสิ่งของที่จับต้องได้ แต่ถ้าเป็นพลังงานไฟฟ้าคุณจะใช้อะไรเก็บมันล่ะ ?
บางคนสงสัยว่าทำไม ตัวอะไร สามารถเก็บพลังงานไฟฟ้าได้ บ้างอาจคิดไปไกลถึงอุปกรณ์ไฮ-เทคต่างๆ แต่ที่ผมจะกล่าวดังต่อไปนี้ เป็นอุปกรณ์ที่แสนจะธรรมดา สำหรับนักอิเล็กทรอนิกส์สมัครเล่นอย่างเราๆ หรือคุณที่สนใจสามารถเรียนรู้ได้ "ตัวเก็บประจุ" (Capacitor) ไงครับ

โครงสร้างพื้นฐานของตัวเก็บประจุ

พื้นฐานโครงสร้างของตัวเก็บประจุประกอบด้วย แผ่นตัวนำสองแผ่นซึ่งเรียกมันว่า "แผ่น 1 เพลต" และคั่นด้วย "แผ่นไดอิเล็กตริก" ซึ่งทำด้วยฉนวนไฟฟ้า เช่น กระดาษ , ไมก้า , เซรามิก หรือ อากาศ ดังแสดงในรูปที่1 เรามักเรียกชื่อของตัว เก็บประจุชนิดค่าคงที่ ตามสารที่ใช้ทำแผ่นไดอิเล็กตริก เช่น ตัวเก็บประจุชนิดเซรามิก ก็จะมีแผ่นไดอิเล็กตริกเป็นเซรามิกนั่นเอง

รูปที่ 1 อธิบายพื้นฐานโครง สร้างของตัวเก็บประจุ

ตัวแปรที่ให้ค่าของตัวเก็บประจุมากหรือน้อยมีอยู่ 3 ประการ คือ
- พื้นที่แผ่นเพลตที่วางขนานกัน ตัวเก็บประจุที่มีพื้นที่แผ่นเพลตมากก็ยิ่งมีค่าความจุมาก
- ระยะห่างระหว่างแผ่นเพลต ยิ่งมีความห่างของแผ่นเพลตมากขึ้นค่าความจุก็ยิ่งลดลง
- ชนิดของสารที่ใช้ทำแผ่นไดอิเล็กตริก ค่าความจุจะเปลี่ยนแปลงไปตามชนิดของสารที่ใช้ทำแผ่นไดอิเล็กตริก
หน่วยของตัวเก็บประจุคือ "ฟารัด" (Farad) เขียนสัญลักษณ์ย่อว่า "F" ในทาง ปฏิบัติถือว่า หนึ่งฟารัดมีค่ามาก ..ส่วนใหญ่ค่าที่ใช้จะอยู่ใน ช่วง ไมโครฟารัดกับพิโกฟารัด
หนึ่งไมโครฟารัดมีค่าเท่ากับหนึ่งในล้านของฟารัด (1 ไมโครฟารัดเท่ากับ 0.000,001 ฟารัด) ใช้สัญลักษณ์ "uF" (microfarad) และ หนึ่งพิโกฟารัดมีค่าเท่ากับหนึ่งในล้านของหน่วยไมโครฟารัด (1 พิโกฟารัด เท่ากับ 0.000,001 ไมโคร ฟารัด) ใช้สัญลักษณ์ว่า "pF" (picofarad)
1uF = 1/1,000,000 F = 0.000,001 F
1pF = 1/1,000,000 uF = 0.000,001 uF

หลักการทำงาน

ถ้าเราจะเปรียบการทำงานของตัวเก็บประจุกับสปริง ขณะเรายืดสปริงออกนั้นหมายถึง เรากำลังให้พลังงานกับสปริง และถ้าปล่อยมือ สปริงก็จะหดตัวกลับที่เดิม ทำให้ก้อนหินถูกดีดออกไป ดังรูปที่3 เปรียบเทียบการ เก็บประจุและการปล่อยมือให้สปริงหดตัวกับการคายประจุ ของตัวเก็บประจุ

รูปที่ 3 การเก็บประจุของตัว เก็บประจุนี้เปรียบได้กับการยืดสปริงเพื่อสะสมพลังงานพลังงานจลน์

การเก็บประจุ

การเก็บประจุก็คือ การเก็บอิเล็กตรอนไว้ที่แผ่นเพลตของตัวเก็บประจุนั่นเอง ซึ่งอธิบายโดยละเอียดดังในรูปที่ 4 ข. เมื่อนำแบตเตอรี่อื่นๆ ต่อกับตัวเก็บประจุ อิเล็กตรอนจากขั้วลบของแบตเตอรี่ จะเข้าไปออกันที่แผ่นเพลต ทำให้เกิดประจุลบขึ้นและยังส่งสนามไฟฟ้าไป ผลักอิเล็กตรอนของแผ่นเพลตตรงข้าม (เหมือนกับนำแผ่น แม่เหล็กที่มีขั้ว เหมือนกันมาใกล้กันมันก็จะผลักกัน) ซึ่งโดยปกติในแผ่นเพลตจะมี ประจุเป็น + และ - ปะปนกันอยู่ เมื่ออิเล็กตรอนจากแผ่นเพลตนี้ถูก ผลักให้หลุดออกไปแล้วจึงเหลือประจุบวกมากกว่าประจุลบ ยิ่งอิเล็กตรอนถูกผลักออกไปมากเท่าไร แผ่นเพลตนั้นก็จะเป็นบวกมากขึ้นเท่านั้น (เมื่อเทียบกับอีกด้าน)

รูปที่ 4 ข. อธิบายการเก็บประจุของตัวเก็บประจุ

การคายประจุ
ตัวเก็บประจุที่ถูกประจุแล้ว ถ้าเรายังไม่นำขั้วตัวเก็บประจุมาต่อกัน (ดังในรูปที่ 5 ก.) อิเล็กตรอนก็ยังคงอยู่ที่แผ่นเพลต แต่ถ้ามีการครบวงจร ระหว่างแผ่นเพลตทั้งสองเมื่อไร อิเล็กตรอนก็จะวิ่งจากแผ่นเพลตทางด้านลบ ไปครบวงจรที่แผ่นเพลตบวกทันที เราเรียกเหตุการณ์นี้ว่า "การคายประจุ"

รูปที่ 5 การคายประจุของตัวเก็บ ประจุ

ตัวเก็บประจุแบบค่าคงที่

ตัวเก็บประจุแบบค่าคงที่ที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบัน มีด้วยกันหลายชนิด แต่ในที่นี้จะยกมากล่าวถึงเพียงสองชนิดเท่านั้น คือ ชนิดอิเล็กทรอไลติกและชนิดเซรามิก
ตัวเก็บประจุชนิดเซรามิก โดยทั่วไปตัวเก็บประจุชนิดนี้มีลักษณะกลมๆ แบนๆ ดังในรูปที่ 6 บางครั้งอาจพบแบบสี่เหลี่ยมแบนๆ ส่วนใหญ่ตัวเก็บประจุชนิดนี้ มีค่าน้อยกว่า 1 ไมโคร ฟารัด และเป็นตัวเก็บประจุชนิดที่ไม่มีขั้ว (ไม่ต้องคำนึงเวลาใช้งาน) และสามารถทนแรงดันได้ประมาณ 50-100 โวลต์

รูปที่ 6 ตัวเก็บประจุชนิดเซรามิก

ค่าความจุของตัวเก็บประจุชนิดเซรามิกที่มีใช้กันในปัจจุบันอยู่ ในช่วง 1 พิโกฟารัด ถึง 0.1 ไมโครฟารัด
ตัวเก็บประจุชนิดอิเล็กทรอไลติก ตัวเก็บประจุชนิดนี้ต้องระวังในการนำไปใช้งานด้วย เพราะมีขั้วที่แน่นอนพิมพ์ติดไว้ด้าน ข้างตัวถังอยู่แล้ว ถ้าป้อนแรงดันให้กับตัวเก็บประจุผิดขั้วละก็ อาจเกิดความเสียหายกับตัวมันและอุปกรณ์ที่ประกอบร่วมกับตัวมันได้ ขั้วของตัวเก็บประจุชนิดนี้สังเกตได้ง่ายๆ เมื่อตอนซื้อมา คือ ขาที่ยาวจะเป็นขั้วบวก และขาที่สั้นจะเป็นขั้วลบ (รูปที่ 7)

รูปที่ 7 ตัวเก็บประจุชนิดอิเล็ก ทรอไลติกและสัญลักษณ์ตัวเก็บประจุชนิดมีขั้ว

อีกอย่างที่ต้องระวัง คือการป้อนแรงดันให้ตัวเก็บประจุที่ข้างตัวเก็บประจุชนิดอิเล็กทรอไลลติกนี้ จะมีอัตราทนแรงดันพิมพ์ติด เอาไว้ด้วย มีหน่วยเป็นโวลต์ (V) แต่บางตัวจะเป็น WV (Working Voltage) หมายถึงแรงดันที่ใช้งานนั่น เอง ในการใช้งานโดยทั่วไปจะเผื่อ แรงดันของตัวเก็บประจุให้สูงกว่าแรงดันที่ใช้งานจริงประมาณเท่าตัว
ส่วนค่าของตัวเก็บประจุชนิดนี้อยู่ในช่วง 0.1 ไมโครฟารัด ถึง 1 ฟารัด

ตัวเก็บประจุแบบปรับค่าได้

ชื่อของตัวเก็บประจุแบบปรับค่าได้ก็บอกกันชัดๆ แล้วว่า เราสามารถปรับค่าความจุของตัวเก็บประจุได้ ด้วยการหมุนแกนของตัวเก็บประจุ ค่าความจุก็จะเปลี่ยนไปตามมุมที่หมุน
โดยมากที่พบเห็นกันบ่อยๆ เขาใช้ตัวเก็บประจุแบบปรับค่าได้ ในวงจรเลือกคลื่นวิทยุทั่วๆ ไป

รูปที่ 8 ตัวเก็บประจุแบบปรับค่า ได้

การอ่านค่าตัวเก็บประจุ

การบอกค่าความจุส่วนใหญ่มักออกมาในรูปของ การพิมพ์ค่าบนตัวเก็บประจุเลย และบอกค่าเป็นตัวเลขรหัส ซึ่งการอ่านค่าทั้งสองแบบ มีวิธีการดังนี้

การอ่านค่าโดยตรง

ค่าของตัวเก็บประจุปกติมี 2 หน่วยด้วย กันคือ หน่วยไมโครฟารัด (uF) กับพิโกฟารัด (pF) ซึ่งการอ่านค่าวิธีนี้ในบางครั้ง ผู้ผลิตอาจบอกค่าความจุแต่เพียงตัวเลขอย่างเดียว ส่วนหน่วยนั้นเขาละกันเอาไว้ในฐานที่เข้าใจกัน
การบอกค่าแบบเป็นตัวเลขมีค่าน้อยกว่า 1 (ค่า ที่พิมพ์บนตัวเก็บประจุ) ค่าที่อ่านได้ก็จะมีหน่วยเป็นไมโครฟารัด (uF) เช่น 0.1 หมายถึง 0.1 ไมโครฟารัด (รูปที่ 10)

รูปที่ 10 การอ่านค่าความจุแบบเป็น ตัวเลขมีค่าน้อยกว่า 1

การอ่านค่าแบบเป็นตัวเลขมีค่ามากกว่า 1 ค่า ที่อ่านได้ก็จะมีหน่วยเป็นพิโกฟารัด (pF) เช่น 20 หมายถึง 20 พิโกฟารัด (รูปที่ 11) ยกเว้นใน กรณีที่มีหน่วยตามหลังเช่น 10uF ค่าที่อ่านได้เท่ากับ 10 ไมโครฟารัด และตัวเลขที่บอกค่าเกิน 2 หลัก เช่น 101 ไม่เท่ากับ 101 พิโกฟารัด แต่เราจะอ่านค่าโดยการแปรรหัสดังที่จะนำมากล่าวต่อไป

รูปที่ 11 การอ่านค่าความจุแบบไม่ มีจุดทศนิยมอยู่ข้างหน้าตัวเลขจำนวนเต็ม

การอ่านค่าโดยการแปรรหัส

การอ่านค่าความจุในลักษณะนี้จำเป็นจะต้องอาศัยเทคนิคเล็กน้อยใน รูปที่ 12 สังเกตได้ว่าค่าของตัวเก็บประจุที่บอกเป็นรหัส (ตัวเลข) สองหลักแรกให้คงไว้ และหลักที่สามเป็นจำนวนศูนย์ที่นำมาต่อท้ายเลขสองหลักแรก เช่น 101 ก็จะเท่ากับ 100 ส่วนหน่วยที่ได้ จาก การอ่านค่าวิธีนี้คือพิโกฟารัด เพราะฉะนั้นค่าที่ได้จึงเท่ากับ 100 พิโกฟารัดนั่นเอง
ส่วนค่าผิดพลาดถูกบอกในรูปของอักษรแทนเช่น ตัว K มีค่าผิดพลาดเท่ากับ + - 10% ดังแสดงไว้ในรูปที่ 12

รูปที่ 12 แสดงการอ่านค่าตัวเก็บ ประจุที่บอกเป็นรหัส