ความแตกต่างระหว่างตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าและตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม

ตัวเก็บประจุเป็นส่วนประกอบสำคัญในวงจรอิเล็กทรอนิกส์และวงจรไฟฟ้าต่างๆ โดยมีบทบาทสำคัญในการจัดเก็บพลังงาน การรักษาแรงดันไฟฟ้า และการกรอง ในบรรดาตัวเก็บประจุชนิดต่างๆ ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า และ ตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม มีการใช้กันอย่างแพร่หลาย แต่มีความแตกต่างกันอย่างมากในแง่ของการก่อสร้าง ประสิทธิภาพ และการใช้งาน ในบล็อกนี้ เราจะไม่เพียงแต่สำรวจความแตกต่างที่สำคัญเท่านั้น แต่ยังเจาะลึกถึงการคำนวณทางเทคนิคบางอย่างเพื่อทำความเข้าใจพฤติกรรมในวงจรให้ดียิ่งขึ้น

1. วัสดุก่อสร้างและวัสดุอิเล็กทริก

• ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า-
  ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นโดยใช้แผ่นนำไฟฟ้าสองแผ่น (โดยปกติคืออะลูมิเนียมหรือแทนทาลัม) โดยมีชั้นออกไซด์ทำหน้าที่เป็นอิเล็กทริก โดยทั่วไปแผ่นที่สองจะเป็นอิเล็กโทรไลต์ของเหลวหรือของแข็ง ชั้นออกไซด์ให้ความจุสูงต่อหน่วยปริมาตรเนื่องจากมีโครงสร้างที่บางมาก ตัวเก็บประจุเหล่านี้มีขั้ว ทำให้ต้องมีขั้วที่ถูกต้องในวงจร

• ตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม-
  ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มใช้ฟิล์มพลาสติกบาง (เช่น โพรพิลีน โพลีเอสเตอร์ หรือโพลีคาร์บอเนต) เป็นวัสดุอิเล็กทริก ฟิล์มเหล่านี้จะพันหรือซ้อนกันระหว่างชั้นโลหะสองชั้นซึ่งทำหน้าที่เป็นแผ่นเปลือกโลก ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มไม่มีขั้ว ทำให้สามารถใช้งานได้ทั้งวงจรไฟฟ้ากระแสสลับและกระแสตรง

2. การคำนวณความจุ

ความจุ ( $ค$ ) ของตัวเก็บประจุแบบแผ่นขนาน ซึ่งใช้กับทั้งตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าและตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม จะได้ตามสูตร-

$$ค - \ฉรac{\vaรepsilon_0 \vaรepsilon_ร ก}{ง}$$

ที่ไหน-

• $ค$ - ความจุไฟฟ้า (ฟารัด, เอฟ)

• $\vaรepsilon_0$ - ความอนุญาตของพื้นที่ว่าง ( $8.854 \tiมes 10^{-12}$ เอฟ/ม.)

• $\varepsilon_r$ - ความอนุญาตสัมพัทธ์ของวัสดุอิเล็กทริก

• $ก$ - พื้นที่แผ่น (ตร.ม.)

• $ง$ - ระยะห่างระหว่างแผ่นเปลือกโลก (ม.)

ตัวอย่างการคำนวณ - สำหรับตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าโดยใช้ไดอิเล็กทริกออกไซด์ ( $\varepsilon_r - 8.5$ ) โดยมีพื้นที่จานเท่ากับ $10^{-4} \, \text{ม}^2$ และการแยกจากกัน $10^{-6} \, \text{ม}$ -

$$ค - \ฉrac{8.854 \times 10^{-12} \times 8.5 \times 10^{-4}}{10^{-6}} - 7.53 \times 10^{-9} \, \text{เอฟ} - 7.53 \, \text{เอ็นเอฟ}$$

สำหรับตัวเก็บประจุแบบฟิล์มโดยใช้โพรพิลีน ( $\varepsilon_r - 2.2$ ) พื้นที่แผ่นเดียวกัน และความหนาอิเล็กทริกของ $10^{-6} \, \text{m}$ -

$$ค - \ฉrac{8.854 \times 10^{-12} \times 2.2 \times 10^{-4}}{10^{-6}} - 1.95 \times 10^{-9} \, \text{F} - 1.95 \, \text{nF}$$

ตามการคำนวณแสดงให้เห็น ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าให้ความจุที่สูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญสำหรับพื้นที่แผ่นเดียวกันและความหนาของอิเล็กทริก เนื่องจากการอนุญาตสัมพัทธ์ที่สูงกว่าของวัสดุออกไซด์

3. ความต้านทานอนุกรมที่เทียบเท่า (อีสร)

• ตัวเก็บประจุไฟฟ้า -

  ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้ามักจะมีค่าสูงกว่า ความต้านทานอนุกรมที่เทียบเท่า (อีสร) เมื่อเทียบกับตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม อีสร สามารถคำนวณได้ดังนี้-

$$ESR - \ฉrac{1}{2 \pi ฉ ค ถาม}$$

ที่ไหน :

• $f$ - ความถี่ในการทำงาน (เฮิรตซ์)

• $C$ = ความจุไฟฟ้า (F)

• $ถาม$ = ปัจจัยด้านคุณภาพ

ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้ามักมีค่า ESR ในช่วง 0.1 ถึงหลายโอห์ม เนื่องจากความต้านทานภายในและการสูญเสียอิเล็กโทรไลต์ ESR ที่สูงขึ้นนี้ทำให้มีประสิทธิภาพน้อยลงในการใช้งานความถี่สูง ส่งผลให้มีการกระจายความร้อนเพิ่มขึ้น

• ตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม :

  ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มมักจะมี ESR ต่ำมาก โดยมักจะอยู่ในช่วงมิลลิโอห์ม ทำให้มีประสิทธิภาพสูงสำหรับการใช้งานความถี่สูง เช่น การกรองและการสลับแหล่งจ่ายไฟ ESR ที่ต่ำกว่าส่งผลให้สูญเสียพลังงานและเกิดความร้อนน้อยที่สุด

ตัวอย่าง ESR :
สำหรับตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าด้วย $C = 100 \, \mu F$ ซึ่งทำงานที่ความถี่ $f = 50 \, \text{Hz}$ และปัจจัยด้านคุณภาพ $ถาม = 20$ :

$$ESR = \frac{1}{2 \pi \times 50 \times 100 \times 10^{-6} \times 20} = 0.159 \, \Omega$$

สำหรับตัวเก็บประจุแบบฟิล์มที่มีความจุและความถี่ในการทำงานเท่ากัน แต่มีปัจจัยด้านคุณภาพที่สูงกว่า $ถาม = 200$ :

$$ESR = \frac{1}{2 \pi \times 50 \times 100 \times 10^{-6} \times 200} = 0.0159 \, \Omega$$

นี่แสดงให้เห็นว่าตัวเก็บประจุแบบฟิล์มมี ESR ต่ำกว่ามาก ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่มีประสิทธิภาพสูงและมีความถี่สูง

4. กระแสระลอกคลื่นและความเสถียรทางความร้อน

• ตัวเก็บประจุไฟฟ้า :
  เป็นที่รู้กันว่าตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้ามีความสามารถในการจัดการกระแสกระเพื่อมที่จำกัด กระแสกระเพื่อมทำให้เกิดความร้อนเนื่องจาก ESR และการกระเพื่อมที่มากเกินไปอาจทำให้อิเล็กโทรไลต์ระเหย ส่งผลให้ตัวเก็บประจุเสียหาย อัตรากระแสกระเพื่อมเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแหล่งจ่ายไฟและวงจรขับเคลื่อนมอเตอร์

  กระแสระลอกสามารถประมาณได้โดยใช้สูตร:

$$ป_{\text{การสูญเสีย}} = ฉัน_{\text{ระลอกคลื่น}}^2 \times ESR$$

ที่ไหน:

• $ป_{\text{การสูญเสีย}}$ = กำลังสูญเสีย (วัตต์)

• $I_{\text{ripple}}$ = กระแสริปเปิล (แอมแปร์)

หากกระแสกระเพื่อมในตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า 100 µF ที่มี ESR 0.1 โอห์มคือ 1 A:

$$P_{\text{loss}} = 1^2 \times 0.1 = 0.1 \, \text{W}$$

• ตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม:

  ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มซึ่งมี ESR ต่ำ สามารถรองรับกระแสกระเพื่อมที่สูงขึ้นโดยมีการสร้างความร้อนน้อยที่สุด ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานไฟฟ้ากระแสสลับ เช่น วงจรลดขนาดและคาปาซิเตอร์ของมอเตอร์ ซึ่งเกิดกระแสผันผวนขนาดใหญ่

5. ระดับแรงดันไฟฟ้าและพังทลาย

• ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า:
  โดยทั่วไปตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าจะมีพิกัดแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่า โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 6.3V ถึง 450V แรงดันไฟฟ้าเกินสามารถนำไปสู่การพังทลายของอิเล็กทริกและความล้มเหลวในที่สุด โครงสร้างทำให้มีแนวโน้มที่จะเกิดไฟฟ้าลัดวงจรหากชั้นออกไซด์เสียหาย

• ตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม:
  ตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม โดยเฉพาะที่มีไดอิเล็กตริกโพลีโพรพิลีน สามารถรองรับแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่ามาก ซึ่งมักจะเกิน 1,000V ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่มีแรงดันไฟฟ้าสูง เช่น วงจรดีซีลิงค์ ซึ่งความเสถียรของแรงดันไฟฟ้าเป็นสิ่งสำคัญ

6. อายุขัยและความน่าเชื่อถือ

• ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า:
  อายุขัยของตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ กระแสกระเพื่อม และแรงดันไฟฟ้าในการทำงาน หลักการทั่วไปคือ อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นทุกๆ 10°C อายุขัยจะลดลงครึ่งหนึ่ง พวกเขายังอยู่ภายใต้ อายุของตัวเก็บประจุ เนื่องจากอิเล็กโทรไลต์แห้งเมื่อเวลาผ่านไป

• ตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม:
  ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มมีความน่าเชื่อถือสูงโดยมีอายุการใช้งานยาวนาน ซึ่งมักจะเกิน 100,000 ชั่วโมงในสภาวะที่กำหนด มีความทนทานต่ออายุและปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานระยะยาวและความน่าเชื่อถือสูง

7. การใช้งาน

• ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า:

  • การกรองแหล่งจ่ายไฟ

  • วงจรเสียง (การปรับสัญญาณให้เรียบ)

  • วงจรสตาร์ทมอเตอร์

  • การจัดเก็บพลังงานในวงจรไฟฟ้าแรงต่ำ

• ตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม:

  • วงจรไฟฟ้ากระแสสลับ/กระแสตรงแรงดันสูง

  • วงจร Snubber เพื่อป้องกันไฟกระชาก

  • ตัวเก็บประจุแบบมอเตอร์รัน

  • การปราบปราม EMI/RFI

ดังนั้น, เลือกตัวเก็บประจุตัวไหน?

การเลือกระหว่างตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์และแบบฟิล์มขึ้นอยู่กับความต้องการเฉพาะของการใช้งาน ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้ามีความจุสูงในขนาดกะทัดรัดและคุ้มค่าสำหรับการใช้งานแรงดันไฟฟ้าต่ำ อย่างไรก็ตาม ESR ที่สูงกว่า อายุขัยที่สั้นกว่า และความไวต่ออุณหภูมิ ทำให้ไม่เหมาะสำหรับการใช้งานที่มีความถี่สูงและมีความน่าเชื่อถือสูง

ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มซึ่งมีความน่าเชื่อถือที่เหนือกว่า ESR ต่ำ และการจัดการแรงดันไฟฟ้าสูง เป็นที่ต้องการในการใช้งานที่ต้องการประสิทธิภาพและความทนทานสูง เช่น วงจรมอเตอร์ AC อินเวอร์เตอร์กำลัง และการควบคุมทางอุตสาหกรรม

ด้วยการทำความเข้าใจความแตกต่างที่สำคัญและดำเนินการคำนวณทางเทคนิคที่จำเป็น คุณจะสามารถตัดสินใจได้อย่างมีข้อมูลมากขึ้นสำหรับการออกแบบวงจรของคุณ