ตัวเก็บประจุ

1. อิเล็กทรอนิกส์พื้นฐานอิเล็กทรอนิกส์พื้นฐาน วงจร อุปกรณ์ และการประยุกต์ใช้ THOMAS L. FLOYD DAVID M. BUCHLA ตัวเก็บประจุ

2. แผ่นเพลทตัวนำ ตัวเก็บประจุ ตัวเก็บประจุเป็นอุปกรณ์แบบพาสซีฟชนิดหนึ่ง ประกอบด้วยแผ่นเพลทตัวนำสองแผ่นที่มีไดอิเล็กตริก (Dielectric)ทำหน้าที่เป็นฉนวนอยู่ตรงกลางระหว่างแผ่นเพลท ทำหน้าที่ในการเก็บประจุ ค่าความสามารถในการเก็บประจุจะเรียกว่า ค่าการเก็บประจุ (capacitance) ไดอิเล็กตริก

3. เริ่มจากไม่มีประจุเหลืออยู่เลยเริ่มจากไม่มีประจุเหลืออยู่เลย เอาแหล่งจ่ายออกไป เก็บประจุเต็มแล้ว Charging ตัวเก็บประจุ กระบวนการเก็บประจุ (charge)… ตัวเก็บประจุที่มีประจุเก็บอยู่ ทำหน้าที่เหมือนกับแบตเตอรี่ชั่วคราว

4. ค่าการเก็บประจุ ค่าการเก็บประจุ (Capacitance) เป็นอัตราส่วนระหว่างประจุกับแรงดัน เขียนใหม่ จะได้ จำนวนของประจุที่อยู่ในตัวเก็บประจุ หาได้จากขนาดของตัวเก็บประจุ (C) คูณด้วยแรงดัน (V) Example ถ้าตัวเก็บประจุตัวหนึ่งขนาด 22 mF ต่ออยู่กับแหล่งจ่ายขนาด 10 V จำนวนประจุจะเท่ากับ 220 mC

5. ค่าการเก็บประจุ ค่าการเก็บประจุหาได้จาก Cแปรผันตรงตาม ค่าคงที่สัมพัทธ์ของไดอิเล็กตริก และพื้นที่ของแผ่นเพลท Cแปรผกผันตาม ระยะห่างระหว่างแผ่นเพลท

6. ค่าการเก็บประจุ จงหาค่าการเก็บประจุของตัวเก็บประจุที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของเพลท 4.0 ซม.ใช้น้ำมันเป็นไดอิเล็กตริก และแผ่นเพลทอยู่ห่างกัน 0.25 มม. Example พื้นที่ของแผ่นเพลท ระยะห่างระหว่างแผ่นเพลท = 178 pF

7. ชนิดของตัวเก็บประจุ (ไมก้า) Mica มีขนาดเล็ก ทำงานได้ที่แรงดันสูง ๆ

8. แบบแผ่นเซรามิก เป็นตัวเก็บประจุที่มีขนาดเล็ก ไม่มีขั้วมีค่าการเก็บประจุค่อนข้างสูง เนื่องจากมีค่า er ที่สูง

9. แบบฟิล์มพลาสติก เป็นตัวเก็บประจุขนาดเล็กไม่มีขั้ว มีค่าการเก็บประจุสุงเนื่องจากมีพื้นที่ของเพลทมาก

10. แบบอิเล็กโทรไลติก มีค่าการเก็บประจุสูงมาก แต่ไม่ค่อยจะดีนักเมื่อเทียบกับแบบอื่น ๆ เนื่องจากจุมีกระแสรั่วไหล เป็นตัวเก็บประจุแบบมีขั้ว Al electrolytic Ta electrolytic สัญลักษณ์ของตัวเก็บประจุแบบอิเล็กทรอไลท์

11. แบบปรับค่าได้ มีค่าการเก็บประจุต่ำ และปรับค่าได้ด้วยมือ นอกจากนี้ยังมี varactor diode ซึ่งปรับค่าได้ด้วยสัญญาณไฟฟ้า

12. การอ่านค่าตัวเก็บประจุการอ่านค่าตัวเก็บประจุ ตถ้าเป็นตัวเล็ก ๆ จะพิมพ์ค่าลงไปเลยเช่น .001 หรือ .01 มีหน่วยเป็นไมโครฟารัด ถ้าเป็นแบบอิเล็กโทรไลต์จะอ่านค่าเป็นmF หน่วยก็จะพิมพ์เป็นmF แต่บางครั้งอาจจะพิมพ์เป็น MF หรือ MMF ก็ได้

13. การอ่านค่าตัวเก็บประจุการอ่านค่าตัวเก็บประจุ • ถ้าพบที่พิมพ์ว่า 103 หรือ 104 ก็ให้อ่านเป็น 10x103 (10,000 pF) หรือ 10x104 (100,000 pF) ตามลำดับ (หลักที่สามเป็นตัวคูณ) • ถ้าพบค่าพิมพ์เป็น 330 หรือ 6800 หน่วยจะเป็น picofarad Example จงหาค่าของตัวเก็บประจุแต่ละตัว 2200 pF ทั้งคู่

14. ตัวเก็บประจุที่ต่อแบบอนุกรมตัวเก็บประจุที่ต่อแบบอนุกรม สามารถหาค่าการเก็บประจุโดยรวมได้จาก ค่าการเก็บประจุรวมของตัวเก็บประจุสองตัวที่ต่ออนุกรมกันเท่ากับ

15. Example จากรูปจงคำนวณหา ค่าการเก็บประจุโดยรวม 444 pF

16. จากรูปจงคำนวณหาค่าการเก็บประจุรวมจากรูปจงคำนวณหาค่าการเก็บประจุรวม ตัวเก็บประจุที่ต่อขนานกัน สามารถคำนวณหาค่าการเก็บประจุโดยรวมได้จาก Example 1800 pF

17. RC time constant ถ้าชาร์จตัวเก็บประจุผ่านตัวต้านทานและแหล่งจ่ายไฟตรง ลักษณะการชาร์จจะเป็นรูปเอ็กซ์โพเนนเชียล

18. RC time constant ถ้าดิสชาร์จตัวเก็บประจุผ่านตัวต้านทาน ลักษณะของการดิสชาร์จก็ยังคงเป็นเอ็กซ์โพเนนเชียล (หมายเหตุ กระแสมีค่าติดลบ)

19. รูปร่างของกระแสจะเหมือนกับรูปร่างของVRรูปร่างของกระแสจะเหมือนกับรูปร่างของVR RC time constant VS ถ้าเปลี่ยนแหล่งจ่ายเป็น square wave VC จงบอกลักษณะรูปร่างของกระแส Question VR

20. เอ็กซ์โพเนนเชียล ขาขึ้น เอ็กซ์โพเนนเชียล ขาลง Universal exponential curves ค่าของกระแสและแรงดันสามารถอ่านได้จากกราฟ ในวงจรRCค่า time constant มีค่าเท่ากับ

21. จากกราฟเอ็กซ์โพเนนเชียล สามารถนำมาหาค่าแรงดันของวงจรRCได้ดังนี้ • v =VF + (Vi - VF)e-t/RC • VF = ค่าแรงดันสุดท้าย • Vi = ค่าแรงดันเริ่มต้น • v = ค่าแรงดัน ณ ช่วงเวลาได ๆ

22. Example จงหาค่ารีแอคแตนซ์ ของตัวเก็บประจุขนาด 0.047 mF เมื่อป้อนความถี่ 15 kHz Capacitive reactance ค่าคาปาซิทีฟ รีแอคแตนซ์ เป็นค่าที่ต้านทานไฟ ACหาค่าได้ดังนี้ 226 W

23. Capacitive reactance ถ้าตัวเก็บประจุต่อนุกรมกัน ค่ารีแอคแตนซ์รวม หาได้จาก Example ถ้าตัวเก็บประจุขนาด 0.033 mF สามตัวต่ออนุกรมกัน ในวงจรไฟ AC ที่มีความถี่ 2.5 kHz จงหาค่ารีแอคแตนซ์รวม Solution: 5.79 kW

24. Capacitive reactance ถ้าตัวเก็บประจุต่อขนานการ ค่ารีแอคแตนซ์รวม หาได้จาก Example ตัวเก็บประจุขนาด 0.033 mF ต่อขนานกัน กับแหล่งจ่ายไฟ AC ที่มีความถี่ 2.5 kHz จงหาค่ารีแอคแตนซ์รวม Solution: รีแอคแตนซ์ของแต่ละตัวมีค่าเท่ากับ 1.93 kW 643 W

25. วงจรแบ่งแรงดันของตัวเก็บประจุวงจรแบ่งแรงดันของตัวเก็บประจุ Example จากวงจร จงหาแรงดันเอาต์พุต Solution: Vout 91 mV

26. อีกวิธีหนึ่ง 91 mV Vout

27. phase shift ของตัวเก็บประจุ ถ้าป้อนไซน์เวฟให้กับตัวเก็บประจุ เฟสของกระแสจะนำเฟสของแรงดัน 90o

28. กำลังไฟฟ้าในตัวเก็บประจุกำลังไฟฟ้าในตัวเก็บประจุ พลังงานจะถูกเก็บในตัวเก็บประจุในช่วงแรกของคลื่น AC และจะส่งคืนกลับไปที่แหล่งจ่ายในอีกช่วงหนึ่งของคลื่น เนื่องจากแรงดันและกระแสมีเฟสแตกต่างกัน 90oจึงไม่มีกำลังงานที่แท้จริงปรากฏที่ตัวเก็บประจุ เนื่องจากพลังงานที่เก็บไว้จะส่งคืนไปยังวงจร อัตราของการที่ตัวเก็บประจุเก็บและส่งคืนพลังงานนี้เรียกว่าreactive powerมีหน่วยเป็น VAR (volt-ampere reactive).

29. Rectifier C ตัวต้านทาน โหลด 50 Hz ac การกรอง แหล่งจ่ายไฟ นิยมใช้ตัวเก็บประจุในการกรอง (filter) แหล่งจ่ายไฟดังภาพ ตัวกรองจะทำให้แรงดันเรียบขึ้น

30. Coupling capacitor คับปลิ้งเป็นตัวเก็บประจุที่ให้ไฟ AC ผ่านได้ แต่จะบล็อกไฟ DC ไม่ให้ผ่าน

31. Bypass capacitor ในการ บายพาส ตัวเก็บประจุจะบายพาสสัญญาณไฟ AC ลงกราวด์ แต่ยังรักษาระดับไฟ DC ไว้ ที่จุดAจะมีแต่แรงดันไฟตรง เท่านั้น ส่วนไฟ ac จะถูกบายพาสลงกราวด์

32. Selected Key Terms Capacitor Dielectric Farad RC time constant An electrical device consisting of two conductive plates separated by an insulating material and possessing the property of capacitance. The insulating material between the conductive plates of a capacitor. The unit of capacitance. A fixed time interval set by the R and C values, that determine the time response of a series RC circuit. It equals the product of the resistance and the capacitance.

33. Selected Key Terms The opposition of a capacitor to sinusoidal current. The unit is the ohm. Capacitive reactance Instantaneous power (p) True power (Ptrue) Reactive power (Pr ) VAR (volt-ampere reactive) The value of power in a circuit at a given instant of time. The power that is dissipated in a circuit usually in the form of heat. The rate at which energy is alternately stored and returned to the source by a capacitor. The unit is the VAR. The unit of reactive power.

34. Quiz 1. The capacitance of a capacitor will be larger if a. the spacing between the plates is increased. b. air replaces oil as the dielectric. c. the area of the plates is increased. d. all of the above.

35. Quiz 2. The major advantage of a mica capacitor over other types is a. they have the largest available capacitances. b. their voltage rating is very high c. they are polarized. d. all of the above.

36. Quiz 3. Electrolytic capacitors are useful in applications where a. a precise value of capacitance is required. b. low leakage current is required. c. large capacitance is required. d. all of the above.

37. Quiz 4. If a 0.015 mF capacitor is in series with a 6800 pF capacitor, the total capacitance is a. 1568 pF. b. 4678 pF. c. 6815 pF. d. 0.022 mF.

38. Quiz 5. Two capacitors that are initially uncharged are connected in series with a dc source. Compared to the larger capacitor, the smaller capacitor will have a. the same charge. b. more charge. c. less voltage. d. the same voltage.

39. Quiz 6. When a capacitor is connected through a resistor to a dc voltage source, the charge on the capacitor will reach 50% of its final charge in a. less than one time constant. b. exactly one time constant. c. greater than one time constant. d. answer depends on the amount of voltage.

40. Quiz 7. When a capacitor is connected through a series resistor and switch to a dc voltage source, the voltage across the resistor after the switch is closed has the shape of a. a straight line. b. a rising exponential. c. a falling exponential. d. none of the above.

41. Quiz 8. The capacitive reactance of a 100 mF capacitor to 60 Hz is a. 6.14 kW. b. 265 W. c. 37.7 W. d. 26.5 W……

42. Quiz 9. If an sine wave from a function generator is applied to a capacitor, the current will a. lag voltage by 90o. b. lag voltage by 45o. c. be in phase with the voltage. d. none of the above.

43. Quiz 10. A switched capacitor emulates a a. smaller capacitor. b. larger capacitor. c. battery. d. resistor.

44. Quiz Answers: 1. c 2. b 3. c 4. b 5. a 6. a 7. c 8. d 9. d 10. d