เช่นเดียวกับแบตเตอรี่ที่อนุญาตให้เก็บพลังงานแบบพกพา ตัวเก็บประจุช่วยให้สามารถเก็บพลังงานชั่วคราวและเป็นส่วนประกอบที่สำคัญของวงจรจำนวนมาก
พวกมันยอมให้ประจุจำนวนมากถูกแยกออกจากกันและปลดปล่อยออกมาอย่างฉับพลันของพลังงาน สำหรับใช้ในอุปกรณ์ต่างๆ เช่น กล้องแฟลช และเพื่อ เป็นสื่อกลางในกระบวนการอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ เช่น การแปลงระหว่างแหล่งพลังงาน AC และ DC หรือการชาร์จและการคายประจุสนามแม่เหล็ก ซึ่งมีประโยชน์ในการปรับจูนวิทยุ สถานี
คำจำกัดความของความจุ
ความจุคือการวัดความสามารถของวัสดุที่ไม่นำไฟฟ้าในการจัดเก็บพลังงานโดยการสร้างการแยกประจุจากความต่างศักย์ (แรงดันไฟฟ้า) วัสดุต้องไม่นำไฟฟ้า เช่น แก้วหรือท่อพีวีซี เพราะไม่เช่นนั้นประจุจะไหลผ่าน ไม่สามารถแยกออกจากกันได้
ในทางคณิตศาสตร์ ความจุของวัตถุคเท่ากับอัตราส่วนประจุคิวเพื่อแรงดันไฟฟ้าวี.
C=\frac{Q}{V}
หน่วยความจุ SI คือฟารัด(ฉ); ของค่าใช้จ่าย theคูลอมบ์(ค); และแรงดันไฟฟ้าโวลต์(วี).Farad ซึ่งตั้งชื่อตาม Michael Faraday ผู้บุกเบิกแม่เหล็กไฟฟ้า ถูกกำหนดให้ 1 farad เท่ากับ 1 columb ต่อโวลต์ หรือ 1 F = 1 C/V
ส่วนใดส่วนหนึ่งของวงจรที่แยกประจุในลักษณะนี้เรียกว่า a
ตัวเก็บประจุแบบแผ่นขนาน
ตัวเก็บประจุชนิดหนึ่งที่ใช้กันทั่วไปคือ aตัวเก็บประจุแบบแผ่นขนาน. ในอุปกรณ์ดังกล่าว วัสดุนำไฟฟ้าสองแผ่น (เช่น โลหะ) ถูกยึดตามชื่อ โดยขนานกันในระยะทางหนึ่งๆ ระหว่างแผ่นคือ aวัสดุอิเล็กทริกเรียกอีกอย่างว่า anวัสดุฉนวน.
นี่คือสิ่งที่ไม่อนุญาตให้ประจุไหลผ่านจึงกลายเป็นโพลาไรซ์ได้ – ประจุที่อยู่ภายในนั้น ปรับทิศทางใหม่เพื่อให้ด้านบวกทั้งหมดอยู่รวมกันที่ด้านหนึ่งและด้านลบทั้งหมดอีกด้านหนึ่ง - ในที่ที่มีไฟฟ้า สนาม
ใครๆ ก็สามารถสร้างตัวเก็บประจุแบบแผ่นขนานอย่างง่ายได้โดยใช้ฟอยล์โลหะสองแผ่นเป็นเพลต และกระดาษหลายแผ่นเป็นฉนวนที่ประกบอยู่ระหว่างพวกมัน
ความจุของตัวเก็บประจุแบบแผ่นขนานขึ้นอยู่กับพื้นที่ของแผ่นเดียวหรือ oneอา; การแยกระหว่างพวกเขาd; และค่าคงที่ไดอิเล็กตริกκของวัสดุระหว่างกันด้วยวิธีนี้:
C = \dfrac{κε_0A}{d}
คำว่า ε0 ("epsilon-naught") คือแรงต้านสนามไฟฟ้าของพื้นที่ว่างซึ่งมีค่าคงที่เท่ากับ 8.854 × 10-12 ฟารัดต่อเมตร (F/m) ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกκคือปริมาณที่น้อยกว่าหน่วยที่สามารถค้นหาได้ในตาราง เช่น ปริมาณที่เชื่อมโยงกับบทความนี้
ตัวเก็บประจุชนิดอื่นๆ
ตัวเก็บประจุบางชนิดไม่จำเป็นต้องใช้แผ่นขนานกัน บางชนิดมีลักษณะเป็นทรงกระบอก เช่น สายโคแอกเชียล หรือทรงกลม เช่น เยื่อหุ้มเซลล์ (ซึ่งจบลงด้วยการเก็บประจุโดยการสูบไอออนโพแทสเซียมที่เป็นบวกออกจากเซลล์และไอออนคลอไรด์ที่เป็นลบเข้าไป)
สายโคแอกเชียลใช้กันอย่างแพร่หลายในการส่งข้อมูลวิดีโอ เสียง และการสื่อสาร การออกแบบรูปทรงกระบอกประกอบด้วยวัสดุอิเล็กทริกที่เป็นฉนวนหลายชั้นระหว่างแผ่นนำไฟฟ้าที่แข็งแรง ซึ่งมักจะเป็นทองแดง ซึ่งม้วนขึ้นเหมือนม้วนเยลลี่
ซึ่งช่วยให้สายเคเบิลสามารถส่งสัญญาณไฟฟ้าที่อ่อนได้โดยไม่ลดทอนคุณภาพในระยะทางไกล นอกจากนี้ เนื่องจากชั้นฉนวนและชั้นตัวนำถูกม้วนขึ้น สายโคแอกเชียลจึงสามารถให้ การจัดเก็บพลังงานนี้ในพื้นที่ที่ค่อนข้างเล็ก - ในปริมาณที่น้อยกว่าตัวเก็บประจุแบบแผ่นขนานอย่างแน่นอน สามารถ.
วงจร RC
การใช้งานตัวเก็บประจุแบบทั่วไปอย่างหนึ่งอยู่ในวงจร RC ซึ่งตั้งชื่อตามนี้เนื่องจากมีตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ สมมติว่าส่วนประกอบวงจรสองส่วนเชื่อมต่อแบบขนาน โดยมีสวิตช์ที่อนุญาตให้วงจรเชื่อมต่อในหนึ่งในสองลูปเดียวที่เป็นไปได้: แหล่งจ่ายแรงดันไฟบวกตัวเก็บประจุ หรือตัวเก็บประจุบวกตัวต้านทาน
เมื่อตัวเก็บประจุเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายแรงดัน กระแสจะไหลในวงจร และเริ่มสร้างประจุที่เก็บไว้ เมื่อสวิตช์ถูกพลิกและต่อตัวเก็บประจุเข้ากับตัวต้านทาน ตัวต้านทานจะคายประจุและทำให้ตัวต้านทานร้อนขึ้น
แรงดันไฟหรือความต่างศักย์ระหว่างตัวเก็บประจุเมื่อชาร์จคือ:
V_{ตัวเก็บประจุ} = V_{แหล่งที่มา}(1-e^{t/RC})
ที่ไหนทั้งสองวีตัวเก็บประจุและวีแหล่งที่มาคือแรงดันไฟฟ้าเป็นโวลต์และtคือเวลาเป็นวินาที ค่าคงที่เวลา timeRCเป็นผลคูณของความต้านทานและความจุของวงจร ซึ่งหมายความว่ายิ่งตัวต้านทานหรือตัวเก็บประจุมีขนาดใหญ่เท่าใด ก็จะใช้เวลาในการชาร์จหรือคายประจุมากขึ้นเท่านั้น หน่วยของมันยังอยู่ในหน่วยวินาที
ในกระบวนการย้อนกลับ (เมื่อคายประจุ) สมการจะคล้ายกัน:
V_{ตัวเก็บประจุ} = V_{0}e^{-t/RC}
ที่ไหนวี0เป็นแรงดันเริ่มต้นของตัวเก็บประจุก่อนที่จะเริ่มคายประจุ
เพราะประจุต้องใช้เวลาในการสร้างและปล่อย และเวลานั้นขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของ องค์ประกอบของวงจร วงจร RC มีประโยชน์ในอุปกรณ์ไฟฟ้าหลายชนิดที่ต้องการความแม่นยำ เวลา ตัวอย่างทั่วไป ได้แก่ กล้องแฟลช เครื่องกระตุ้นหัวใจ และตัวกรองเสียง
ตัวอย่างการคำนวณ
ตัวอย่างที่ 1: ความจุของตัวเก็บประจุแบบแผ่นขนานที่ทำจาก 0.25-m. สองตัวคืออะไร2 แผ่นอลูมิเนียมคั่นด้วยเทฟลอน 0.1 ม. ที่อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส?
จากพื้นที่ของแผ่นเดียว การแยกและวัสดุไดอิเล็กทริก เริ่มต้นด้วยการหาค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของเทฟลอน ที่อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส เท่ากับ 2.1 (อย่าลืมว่าไม่มีหน่วย!)
การแก้ปัญหาความจุ:
ตัวอย่างที่ 2: ใช้เวลานานเท่าใดในการชาร์จ 100-µF (10-6 farads) ตัวเก็บประจุถึง 20 V เมื่อเชื่อมต่อกับแบตเตอรี่ 30-V และในวงจรที่มีตัวต้านทาน 10-kΩ (1,000 โอห์ม)?
เริ่มต้นด้วยการแปลงความจุและความต้านทานเป็นหน่วย SI จากนั้นคำนวณค่าคงที่เวลา RC:
C = 100 µF = 0.0001 F
R = 10 kΩ = 10,000 Ω
RC = 0.0001 F × 10,000 Ω = 1 วินาที
จากนั้นใช้สูตรตัวเก็บประจุชาร์จและแก้สมการเวลาt:
V_{ตัวเก็บประจุ} = V_{แหล่งที่มา}(1-e^{t/RC}) \ขึ้นบรรทัดใหม่ 20 V = 30 V(1-e^{t/1}) \บรรทัดใหม่ 2/3 =1-e^t \ ขึ้นบรรทัดใหม่ 1/3 = e^t \newline ln (1/3) = ln (e^t) \newline 1.1 วินาที = t
ตัวเก็บประจุเทียบกับ แบตเตอรี่
ตัวเก็บประจุและแบตเตอรี่อาจดูคล้ายคลึงกันเนื่องจากสามารถจัดเก็บและปล่อยประจุไฟฟ้าได้ แต่มีข้อแตกต่างที่สำคัญหลายประการที่นำไปสู่ข้อดีและข้อเสียที่แตกต่างกัน
อย่างแรก ตัวเก็บประจุเก็บพลังงานไว้ในสนามไฟฟ้าที่มีประจุในขณะที่แบตเตอรี่เก็บพลังงานไว้ในสารเคมี และปล่อยประจุออกมาผ่านปฏิกิริยาเคมี เนื่องจากความแตกต่างของวัสดุเหล่านี้ แบตเตอรี่จึงสามารถเก็บพลังงานได้มากกว่าตัวเก็บประจุที่มีขนาดเท่ากัน
อย่างไรก็ตาม ปฏิกิริยาเคมีที่จำเป็นในการปลดปล่อยพลังงานนั้นมักจะช้ากว่าการปล่อยประจุผ่านสนามไฟฟ้าในตัวเก็บประจุ ดังนั้น คาปาซิเตอร์จึงสามารถชาร์จและคายประจุได้เร็วกว่าแบตเตอรี่ โดยให้พลังงานไฟฟ้ามากกว่าในระยะเวลาอันสั้น ตัวเก็บประจุมักจะทนทานกว่าแบตเตอรี่ ทำให้เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากขึ้น
ด้วยเหตุผลเหล่านี้ วิศวกรในปัจจุบันจึงพยายามเพิ่มขีดจำกัดการจัดเก็บตัวเก็บประจุ และลดเวลาในการชาร์จและการคายประจุของแบตเตอรี่ ถึงตอนนั้นอุปกรณ์ต่างๆ ก็มักจะใช้ร่วมกัน ตัวอย่างเช่น แฟลชของกล้องและเครื่องกระตุ้นหัวใจใช้แบตเตอรี่และตัวเก็บประจุเพื่อจ่ายพลังงานที่ยาวนานและส่งระเบิดอย่างรวดเร็วด้วยแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น
แอปพลิเคชั่น
ตัวเก็บประจุมักใช้ในวงจรเพื่อทำให้การเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าเป็นไปอย่างราบรื่นหรือเป็นสื่อกลางที่อุปกรณ์อาจประสบ ตัวอย่างเช่น พลังงานส่วนใหญ่ที่ส่งถึงบ้านมาในแหล่งจ่ายกระแสสลับ (AC) ซึ่งให้แรงดันไฟฟ้า "เป็นหลุมเป็นบ่อ" แต่เครื่องใช้ในบ้านส่วนใหญ่ต้องการแหล่งพลังงานกระแสตรง (DC)
ตัวเก็บประจุในผนังช่วยแปลงสัญญาณจาก AC เป็น DC สำหรับอุปกรณ์เหล่านี้ แรงดันไฟฟ้าขาเข้าจะชาร์จตัวเก็บประจุ และเมื่อมันเริ่มสลับกับแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่า ตัวเก็บประจุจะเริ่มปล่อยพลังงานที่เก็บไว้บางส่วน ซึ่งช่วยให้อุปกรณ์ที่อยู่อีกด้านหนึ่งยังคงประสบกับแรงดันไฟฟ้าที่คงที่มากกว่าที่ไม่มีตัวเก็บประจุ
ตัวเก็บประจุยังมีประโยชน์ในอุปกรณ์ที่อาจต้องกรองความถี่สัญญาณอิเล็กทรอนิกส์บางอย่างออก เช่น เครื่องขยายสัญญาณวิทยุ หรือเครื่องผสมสัญญาณเสียง ตัวอย่างเช่น ตัวเก็บประจุในวงจรสามารถส่งเสียงความถี่ต่ำและความถี่สูงไปยังส่วนต่างๆ ของลำโพงได้ เช่น ซับวูฟเฟอร์หรือทวีตเตอร์ หรือลำโพงวิทยุที่ใช้ตัวเก็บประจุเพื่อแยกความถี่สามารถขยายบางส่วนได้ แต่ไม่ใช่ส่วนอื่นๆ ดังนั้นจึงช่วยเสริมสัญญาณของสถานีที่ต้องการซึ่งวิทยุจะถูกปรับเข้า
ดีคัปปลิ้งในวงจรรวมการใช้ตัวเก็บประจุที่แพร่หลายที่สุดอย่างหนึ่งคือวงจรรวม - วงจรขนาดเล็ก บอร์ดที่มีส่วนประกอบทางไฟฟ้าทั้งหมดที่ใช้ในการจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคส่วนใหญ่ เช่น สมาร์ทโฟน ตัวเก็บประจุทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ จากกะทันหัน แรงดันไฟตกและทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงานชั่วคราวขนาดเล็กเมื่อแหล่งจ่ายถูกขัดจังหวะชั่วขณะ บ่อยครั้ง เกิดขึ้น
คล้ายกับวิธีที่ช่วยให้จ่ายกระแสตรงไปยังเครื่องใช้ในบ้าน การเปลี่ยนแปลงแรงดันบัฟเฟอร์ของตัวเก็บประจุสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่อยู่นอกเหนือวงจร พวกเขา "ดูดซับ" แรงดันไฟฟ้าพิเศษและจะปล่อยแรงดันไฟฟ้าส่วนเกินเมื่อแหล่งจ่ายเริ่มลดลง
ตัวเก็บประจุแบบแยกตัวในวงจรรวมจะลบการเปลี่ยนแปลงความถี่สูงของแรงดันไฟฟ้าโดยเฉพาะ (เนื่องจากสามารถดูดซับการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าบางส่วนที่ผ่านไปได้) ส่งผลให้ส่วนประกอบวงจรที่เหลือประสบกับแรงดันไฟฟ้าที่กระดูกงูมากขึ้นในระดับที่จำเป็นสำหรับการทำงานที่ถูกต้อง
ตัวเก็บประจุเป็นเซ็นเซอร์เนื่องจากการออกแบบตัวเก็บประจุขึ้นอยู่กับวัสดุที่ใช้ ซึ่งมีคุณสมบัติการนำไฟฟ้าที่แตกต่างกันภายใต้สภาวะที่แตกต่างกัน ตัวเก็บประจุจึงเป็นส่วนประกอบที่สำคัญในเซ็นเซอร์อิเล็กทรอนิกส์
ตัวอย่างเช่น เซ็นเซอร์ความชื้นใช้วัสดุไดอิเล็กทริก เช่น พลาสติกหรือโพลีเมอร์ที่เปลี่ยนค่าการนำไฟฟ้าได้อย่างน่าเชื่อถือเมื่อระดับความชื้นเปลี่ยนแปลง ดังนั้น โดยการอ่านค่าการนำไฟฟ้าในอิเล็กทริกนั้น เซ็นเซอร์จะสรุปความชื้นสัมพัทธ์
ในทำนองเดียวกัน เซ็นเซอร์ระดับน้ำมันเชื้อเพลิงบางตัว รวมทั้งเซ็นเซอร์ในเครื่องบิน ใช้ตัวเก็บประจุเพื่อวัดปริมาณเชื้อเพลิงที่เหลืออยู่ในถัง ในอุปกรณ์เหล่านี้ เชื้อเพลิงเองทำหน้าที่เป็นไดอิเล็กตริก เมื่อลดลงถึงระดับที่ต่ำพอ การนำไฟฟ้าจะเปลี่ยนไปและนักบินจะได้รับการแจ้งเตือน
บางทีสวิตช์แบบ capacitive ที่ใช้กันทั่วไปในอุปกรณ์หน้าจอสัมผัสอาจเป็นไปได้มากกว่า เมื่อนิ้วของคนแตะหน้าจอ มันจะคายประจุออกมาเล็กน้อย ดังนั้นจึงเปลี่ยนค่าการนำไฟฟ้าของอุปกรณ์ที่วัดได้และชี้ไปยังตำแหน่งเฉพาะ สิ่งนี้ยังอธิบายด้วยว่าเหตุใดการสวมถุงมือจึงขัดขวางการเลื่อนหน้าจอบนสมาร์ทโฟน เนื่องจากผ้าขนสัตว์หรือผ้าฝ้ายในถุงมือเป็นฉนวนที่ดีเยี่ยม ป้องกันไม่ให้ประจุนิ้วพุ่งไปที่หน้าจอ