งานอิเล็กทรอนิกส์รถยนต์เบื้องต้น

21 ใบความรู หนวยที่2 โครงสราง หลักการทํางานอุปกรณอิเล็กทรอนิกสเบื้องตน เรื่องที่ 2 ตัวเก็บประจุ(Capacitor) บทนํา ในวงจรอิเล็กทรอนิกสที่ใชควบคุมการทํางานระบบตางๆในรถยนตนั้น ประกอบดวยอุปกรณ อิเล็กทรอนิกสมากมายหลายชิ้นดวยกัน ในแตละชิ้นก็จะมีโครงสราง หนาที่การทํางานแตกตางกันไป อิเล็กทรอนิกสอีกตัวหนึ่งที่มีความสําคัญ และพบไดแทบทุกวงจร 1. ตัวเก็บประจุ (capacitor) ตัวเก็บประจุหรือเรียกชื่อวา คอนเดนเซอร(condenser) หรือเรียกสั้นๆ คาปา(Capa) แคป หรือตัว C คือ อุปกรณอิเล็กทรอนิกสอยางหนึ่ง ที่ทําหนาที่เก็บประจุไฟฟา คลายแบตเตอรี่ แตเก็บ ไฟไดนอยกวาหมื่นเทา ตัวเก็บประจุ มีหนวยวัดเปน ฟารัด (Farad) สัญลักษณ : F ตัวเก็บประจุ เปน อุปกรณพื้นฐานสําคัญในงานอิเล็กทรอนิกส และพบไดแทบทุกวงจร โครงสรางทํามาจาก 2 แผนตัวนํา(parallel conductive plates) คั้นกลางดวย Dielectric ซึ่งเปนวัสดุที่เปนฉนวน ประกอบเขาดวยกัน และมีขั้วไฟฟา 2 ขั้วตอออกจากแผนตัวนํา ภาพที่2-1 โครงสรางของตัวเก็บประจุ ที่มา : http:// reprap.org/wiki/Electrolytic_capacitor

22 2. การทํางานของตัวเก็บประจุ มีอยู 2 ลักษณะ ไดแก การเก็บประจุ และการคายประจุ การเก็บประจุในเพลตของตัวเก็บประจุจะมีอิเล็กตรอนอยูภายใน เมื่อนําแบตเตอรี่ตอกับตัว เก็บประจุ อิเล็กตรอนจากขั้วลบของแบตเตอรี่ จะเขาไปรวมกันที่แผนเพลต ทําใหเกิดประจุลบขึ้นและ ยังสงสนามไฟฟาไป ผลักอิเล็กตรอนของแผนเพลตตรงขาม ซึ่งโดยปกติในแผนเพลตจะมี ประจุเปน บวก และลบ ปะปนกันอยู เมื่ออิเล็กตรอนจากแผนเพลตนี้ถูก ผลักใหหลุดออกไปแลวจึงเหลือประจุ บวกมากกวาประจุลบ ยิ่งอิเล็กตรอนถูกผลักออกไปมากเทาไร แผนเพลตนั้นก็จะเปนบวกมากขึ้น เทานั้น การคายประจุถาเรายังไมนําขั้วตัวเก็บประจุมาตอกัน อิเล็กตรอนก็ยังคงอยูที่แผนเพลต แต ถามีการครบวงจร ระหวางแผนเพลตทั้งสองเมื่อไร อิเล็กตรอนก็จะวิ่งจากแผนเพลตทางดานลบ ไป ครบวงจรที่แผนเพลตบวกทันที แบบไมมีขั้ว แบบมีขั้ว สัญลักษณ ตัวเก็บประจุชนิดคาคงที่ตัวเก็บประจุ ภาพที่2-2 การประจุไฟฟาและคายประจุไฟฟาของตัวเก็บประจุ ที่มา : http:// reprap.org/wiki/Electrolytic_capacitor

23 3. ชนิดของตัวเก็บประจุ ตัวเก็บประจุที่ผลิตออกมาในปจจุบันมีมากมาย เราสามารถแบงชนิดของตัวเก็บประจุตาม ลักษณะทางโครงสรางออกเปน 2 ชนิดดวยกันคือ 1. ตัวเก็บประจุ ชนิดคาคงที่ (Fixed Capacitor) 2. ตัวเก็บประจุ ชนิดเปลี่ยนคาได( Variable Capacitor) 3.1 ตัวเก็บประจุ ชนิดคาคงที่ (Fixed Capacitor) เปนตัวเก็บประจุที่มีคาความจุภายในตัว คงที่ตายตัว ไมสามารถเปลี่ยนแปลงคาได ถูกผลิต ออกมาใชงานมากมายหลายขนาด หลายชนิด แตละชนิดผลิตขึ้นมาจากวัสดุที่ใชเปนฉนวนแตกตาง กันออกไป ทําใหชื่อที่ใชเรียกแตกตางกัน 3.1.1 ตัวเก็บประจุชนิดกระดาษ เปนตัวเก็บประจุที่ใชฉนวนคันกลาง แผนโลหะทั้งสองทําจากกระดาษแผนบางทีเคลือบ ดวยน้ํายาฉนวน น้ํายาที่ใชเคลือบกระดาษ เชน น้ํามัน หรือขี้ผึ้ง นิยมนําไปใชงานในดานแรงดันไฟสูง และแรงดันไฟสลับที่ความถี่ต่ํา (ก) ชนิดกระดาษเคลือบขี้ผึ้ง (ข) ชนิดกระดาษเคลือบน้ํามัน รูปที่ 2.3 แสดงตัวเก็บประจุชนิดกระดาษ ที่มา : พันธศักดิ์ พุฒิมานิตพงศ, 2557 : 221 3.1.2 ตัวเก็บประจุชนิดเซรามิก เปนตัวเก็บประจุที่ใชฉนวนคันกลาง แผนโลหะทั้งสองทําจากเซรามิก ผิวนอกหุมดวย พลาสติก หรือซิลิโคน นิยมนําไปใชงานในวงจรกําจัดสัญญาณรบกวนความถี่สูงลงกราวด ตัวเก็บประจุชนิดเซรามิก มีทั้งแบบชั้นเดี่ยว และหลายชั้น แบบหลายชั้นมีทั้ง มีขา และแบะติด SMD

24 แบบขา แบบแปะติด SMD (ก) ชั้นเดียว (ข) หลายชั้น รูปที่ 2.4 แสดงตัวเก็บประจุชนิดเซรามิก ที่มา : พันธศักดิ์ พุฒิมานิตพงศ, 2557 : 222 3.1.3 ตัวเก็บประจุชนิดไมกา เปนตัวเก็บประจุที่ใชฉนวนคันกลาง แผนโลหะทั้งสอง ทําจากไมกา ไมกาเปนแร ธรรมชาติเปนผลึกหิน ทนความรอนและไมนําไฟฟา ตัวเก็บประจุชนิดไมกานี้นิยมนําไปใชงานใน แรงดันไฟสูง วงจรกรองความถี่สูง รูปที่ 2.5 แสดงตัวเก็บประจุชนิดไมกา ที่มา : พันธศักดิ์ พุฒิมานิตพงศ, 2557 : 222

25 (ก) ชนิดฟลมโพลีเอสเตอร (ข) ชนิดเมตัลไลซโพลีเอสเตอร (ค) ชนิดฟลมโพลีโพรพิลีน (ง) ชนิดเมตัลไลซโพลีโพรพิลีน รูปที่ 2.6 แสดงตัวเก็บประจุชนิดฟลมพลาสติก ที่มา : พันธศักดิ์ พุฒิมานิตพงศ, 2557 : 223-224 3.1.4 ตัวเก็บประจุชนิดอิเล็กโตรไลติก เปนตัวเก็บประจุที่ที่โครงสราง ประกอบดวยแผนอะลูมิเนียมบางทําเปนแผนโลหะเก็บ ประจุไฟฟา มีขั้วไฟฟาบวก (+) ลบ (–) กํากับไวที่ตัวเก็บประจุคงที่ตายตัว ใชกระดาษจุมอยูในสาร อิเล็กโตรไลต (Electrolyte) ใหเปยกชุม ทําเปนฉนวนคันกลาง นําทั้งหมดมวนเขาดวยกันใหเปน ทรงกระบอก และบรรจุลงในกระปอง อะลูมิเนียม หรือกระปองโลหะที่มีสารละลายอิเล็กโตรไลต บรรจุอยู ถูกนําไปใชงานในวงจร ตางๆ มากมาย เนื่องจากตัวเก็บประจุชนิดนี้มีขั้วกํากับไวการ นําไปใชงานกับแรงดันไฟตรง จําเปนตองตอตามขั้วตัวเก็บประจุ หากตอผิดขั้วตัวเก็บ ประจุชนิดนี้จะ หมดคาความจุทันที่ ยังทําใหเกิดความรอนสูง ตัวเก็บประจุอาจเกิดการระเบิด นอกจากนนตัวเก็บ ประจุชนิดนี้ยังมีคากระแสรั่วไหล (Leakage Current) สูง การใชงานจะตองใชดวยความระมัดระวัง ตัวเก็บประจุชนิดอิเล็กโตรไลติก มีทั้งแบบมีขา และแบบแบะติด SMD

26 (ก) แบบมีขา (ข) แบบแบะติด SMD รูปที่ 2.7 แสดงตัวเก็บประจุชนิดอิเล็กโตรไลติก ที่มา : พันธศักดิ์ พุฒิมานิตพงศ, 2557 : 225 3.1.5 ตัวเก็บประจุชนิดแทนทาลัม เปนตัวเก็บประจุที่ชนิดอิเล็กโตรไลติก ถูกพัฒนาขึ้นมาใชงานเพื่อแกขอเสียของตัวเก็บ ประจุชนิดอิเล็กโตรไลติกที่ใชสารอิเล็กโตรไลต เปนชนิดนํามาใชสารอิเล็กโตรไลตเปนของแข็งแทน ทําใหมีขนาดที่เล็กลงแตมีคาความจุสูงมากขึ้น ไมเกิดกระแสรั้วไหล ทนตออุณหภูมิและความชื้นได ดีมีความทนทาน ขอเสียคือ อัตราทนแรงดันต่ํา นิยมนําไปใชงานประเภทวงจรกรองความถี่ต่ํา วงจร สงผานสัญญาณ ตัวเก็บประจุชนิดนี้มีขั้วกํากับไว การนําไปใชงานกับแรงดันไฟตรง จําเปนตองตอ ตามขั้วตัวเก็บประจุตัวเก็บประจุชนิดแทนทาลัมมีทั้งแบบมีขา และแบบแบะติด SMD (ก) แบบมีขา (ข) แบบแบะติด SMD รูปที่ 2.8 แสดงตัวเก็บประจุชนิดแทนทาลัม ที่มา : พันธศักดิ์ พุฒิมานิตพงศ, 2557 : 226

27 3.2 ตัวเก็บประจุแบบเปลี่ยนคาได (Variable Capacitor) เปนตัวเก็บประจุที่สามารถ เปลี่ยนแปลงคาได ซึ่งมักจะใชในวงจรที่เกี่ยวของกับการเปลี่ยน ความถี่ เชน วาริเอเบิลคาปาซิเตอร ที่ใชสําหรับจูนหาคลื่นในเครื่องรับวิทยุ ตัวเก็บประจุแบบ เปลี่ยนคาไดมี 2 แบบคือ แบบแกนอากาศ และแบบแกนพลาสติก แบบแกนอากาศ แบบแกนพลาสติก สัญลักษณ ตัวเก็บประจุเปลี่ยนคาได รูปที่ 2.9 แสดงการตอตัวเก็บประจุแบบอนุกรม ที่มา : ทรงศักดิ์ ครื้นน้ําใจ, 2559 4. หนวยของตัวเก็บประจุ คาความจุของตัวเก็บประจุ มีหนวยเปนฟารัด (Farad) ยอดวยตัว เอฟ (F) อยางไรก็ตาม คาฟารัดเปนคาคอนขางมาก ดังนั้นจึงตองมีหนวยยอยลงมา โดยคา 1 ฟารัดไดมาจากการรับ กระแสไฟฟา 1 แอมแปรในเวลา 1 นาที เกิดความตางศักยทางไฟฟาระหวางอีเล็กโทรดเทากับ 1 โวลต และมีประจุอยู 1 คลอมป สําหรับคาความจุหนวยยอยสามารถแยกไดดังนี้ 1 µF อานวา 1 ไมโครฟารัด เทากับ 106 = 1,000,000 ฟารัด (F) 1 mF อานวา 1 มิลิฟารัด เทากับ 103 = 1,000 ฟารัด (F) 1 nF อานวา 1 นาโนฟารัด เทากับ 109 = 1,000,000,000 ฟารัด (F) 5. การตอตัวเก็บประจุ การตอตัวเก็บประจุ คือการนําตัวเก็บประจุมาตอรวมกัน เพื่อปรับเปลี่ยนคาความจุใหได ตามตองการ การตอตัวเก็บประจุแบงออกไดเปน 3 แบบ คือ แบบอนุกรม แบบขนานและแบบผสม 5.1 การตอตัวเก็บประจุแบบอนุกรม การที่เอาตัวเก็บประจุมาตอกันแบบอนุกรม หรือตออันดับกันไป ลักษณะเชนนี้จะมีผล ทําให ไดอิเล็กตริกหนาขึ้น ระยะหางระหวางแผนตัวนํากวางมากขึ้น สงผลใหคาความจุนอยลง

28 รูปที่ 2.10 แสดงการตอตัวเก็บประจุแบบอนุกรม ที่มา : ทรงศักดิ์ ครื้นน้ําใจ, 2559 รูปที่ 2.10 แสดงการตอตัวเก็บประจุแบบอนุกรม เปนการตอตัวเก็บประจุเขาดวยกัน แบบ เรียงลําดับตอเนื่องกันไปในลักษณะ ทายของตัวเก็บประจุตัวแรกตอเขาหัวตัวเก็บประจุตัวที่สอง และ ทายของตัวเก็บประจุตัวที่สองตอเขาหัวตัวเก็บประจุตัวที่สาม ตอเชนนี้เรื่อยไป สามารถหาคาความจุของวงจรอนุกรม จากสูตร CT = + +…. + 5.2 การตอตัวเก็บประจุแบบขนาน การตอตัวเก็บประจุแบบขนาน เปนวิธีการเอาตัวเก็บ ประจุมาตอขนานหรือครอมกันไป ทําใหคาความจุมากขึ้น รูปที่ 2.11 แสดงการตอตัวเก็บประจุแบบขนาน ที่มา : ทรงศักดิ์ ครื้นน้ําใจ, 2559 1 C1 1 C2 1 Cn

29 รูปที่ 2.11 แสดงการตอตัวเก็บประจุแบบขนาน ลักษณะเชนนี้มีผลทําใหพื้นที่ของ แผนตัวนํา มากขึ้น คาความจุจึงเพิ่มตามขึ้นมา สามารถหาคาความจุของวงจรขนานจากสูตร CT = C1 + C2 +…. + Cn 5.3 การตอตัวเก็บประจุแบบผสม การตอตัวเก็บประจุแบบผสม เปนการเอาลักษณะของ วงจรอนุกรมกับวงจรขนาน มาตอรวมกัน รูปที่ 2.12 แสดงการตอตัวเก็บประจุแบบผสม ที่มา : ทรงศักดิ์ ครื้นน้ําใจ, 2559 รูปที่ 2.11 แสดงการตอตัวเก็บประจุแบบผสม จากวงจรจะเห็นวา C1 และ C2 ตออนุกรม กันชุดหนึ่ง C3 และ C4 ตออนุกรมกันอีกชุดหนึ่ง แลวนําเอาตัวเก็บประจุแตละชุด มาตอขนานกันอีก ทีหนึ่ง สรุป ตัวเก็บประจุบางที่เราอาจจะเรียกวา “ตัวคาปาซิเตอร” (Capacitor) หรือ “ตัว คอนเดนเซอร” (Condenser) หรือ เรียกยอๆ วา “ซี” (C) ก็ได ตัวเก็บประจุเปนอุปกรณที่ถูกนําไปใช งานทางดาน ไฟฟาและอิเล็กทรอนิกสอยางกวางขวาง โครงสรางตัวเก็บประจุทํามาจากแผนตัวนํา (Conductive Plate) 2 แผนวางขนานอยูใกลกัน มีฉนวนเรียกวา “ไดอิเล็กตริก” (Dielectric) กันอยู ตรงกลาง ฉนวนไดอิเล็กตริกที่ใชอาจจะเปน ชนิดอากาศ กระดาษ น้ํามัน ไมกา เซรามิค น้ํายาอิเล็ก โตรไลท หรือชนิดใดๆ ก็ได คาความจุของตัวเก็บประจุ มีหนวยเปนฟารัด (Farad) ยอดวยตัว เอฟ (F) อยางไรก็ตาม คาฟารัดเปนคาคอนขางมาก ดังนั้นจงตองมีหนวยยอยลงมา โดยคา 1 ฟารัดไดมาจากการ รับ กระแสไฟฟา 1 แอมแปรในเวลา 1 นาที เกิดความตางศักยทางไฟฟาระหวางอีเล็กโทรดเทากับ 1 โวลต และมีประจุอยู 1 คูลอมป

30 การตอตัวเก็บประจุ คือการนําตัวเก็บประจุมาตอรวมกัน เพื่อปรับเปลี่ยนคาความจุใหได ตามตองการ การตอตัวเก็บประจุแบงออกไดเปน 3 แบบ คือ แบบอนุกรม แบบขนาน และแบบผสม การตอตัวเก็บประจุแตละแบบ มีผลทําใหคาความจุผลรวมที่ไดออกมาเกิดการเปลี่ยนแปลงไป การตอตัวเก็บประจุแบบอนุกรม หรือตออันดับกันไป ลักษณะเชนนี้จะมีผลทําให ไดอิเล็ก ตริกหนาขึ้น ระยะหางระหวางแผนตัวนํา 2 ชิ้นกวางมากขึ้น ยังผลทําใหคาความจุนอยลงได การตอตัวเก็บประจุแบบขนาน เปนวิธีการเอาตัวเก็บประจุมาตอขนานหรือครอมกันไป ทํา ใหคาความจุมากขึ้น การตอตัวเก็บประจุแบบผสม เปนการเอาลักษณะของวงจรอนุกรมกับวงจร ขนานมาตอ รวมกัน

31 การวัดและตรวจสอบ คาปาซิเตอรดวยมัลติมิเตอรแบบดิจิตอล กอนวัดคาปาซิเตอรทุกครั้ง 1. ปดสวิตชและถอดคาปาซิเตอรออกนอกวงจร เพราะการวัดคาปาซิเตอรตองวัดขณะไมมีไฟ ถาไมทําตามนี้มิเตอรจะพังและผูวัดอาจไดรับอันตรายจากการวัด 2. ใหดิสชารจหรือคายประจุกอนทําการวัดทุกครั้ง ถาไมทําตามมิเตอรจะพังและผูวัดอาจ ไดรับอันตรายจากการวัด การวัดคาปาซิเตอรดวยมัลติมิเตอรแบบดิจิตอล 1. ปรับสวิตชเลือกยานวัดไปที่การวัด C 2. ตอสายวัดเขากับ Capacitor จะตอสายวัดสีอะไรเขากับขาไหนหรือสลับสายก็ได 3. ดูผลการวัด คาที่ไดตองเทากับคาระบุไวที่ตัว C หรือใกลเคียงที่สุดและไมเกินคา ±% คลาดเคลื่อน ยกตัวอยางการวัดดานลาง

32 1. C คา 5µF ±5% C ดีคาที่ไดควรอยูในชวง 4.75µF - 5.25µF ( 5-5% และ 5+5%) 2. C คา 100µF ±20% C ดีคาที่ไดควรอยูในชวง 80µF-120µF(100-20% และ 100+20%) 3. C คา 1500pF ±5% ( 152 = 1500pF หรือ 1.5nF) C ดีคาที่ไดควรอยูในชวง 1.425nF - 1.575nF ( 1.5-5% และ 1.5+5%) วัดคา C 5µF ได 4.94µF คาปาซิเตอรดี วัดคา C 100µF ได 101.5µF คาปาซิเตอรนี้ดี 2 1 3

33 วัด C ไมมีขั้วคา 1500pF หรือ 1.5nF ได 1.458nF คาปาซิเตอรนี้ดี คาปาซิเตอรเสียจะวัดแลวขึ้นแบบนี้ 1. C ขาด จะไมขึ้นคาความจุใดๆ ตามสเปคของ C ที่ระบุไว 2. C ชอต ขึ้น OL และไมขึ้นคาความจุใดๆ 3. C คาเสื่อม ไดคาความจุนอยมาก หรือ เกินสเปค ±% คลาดเคลื่อน C ขาด จะไมขึ้นคาความจุใดๆ ตามสเปคของ C ที่ระบุไว C ซอต ขึ้น OL และไมขึ้นคาความจุใดๆ