ตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม

ตัวเก็บประจุเป็นส่วนประกอบเชิงรับที่สำคัญของวงจรไฟฟ้าเนื่องจากมีการใช้งานที่หลากหลาย นอกจากนี้ การเลือกประเภทของตัวเก็บประจุที่เหมาะสมสำหรับวงจรเป็นสิ่งที่จำเป็น เนื่องจากตัวเก็บประจุจะถูกแบ่งออกเป็นประเภทต่างๆ ตามโครงสร้างและส่วนประกอบ ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มเป็นตัวเก็บประจุชนิดหนึ่งที่มีอายุการเก็บรักษานาน มีความเหนี่ยวนำในตัวเองต่ำ และสามารถดูดซับไฟกระชากในวงจรได้โดยไม่เกิดความเสียหาย

โครงร่าง:

ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มคืออะไร
การก่อสร้างและการทำงานของตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม
ประเภทของตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม

• ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มฟอยล์
• ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มเมทัลไลซ์

คุณสมบัติการรักษาตัวเองของตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม
วงจร Snubber
ตัวกรองพลังงาน
ตัวกรองอีเอ็มไอ
บทสรุป

ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มคืออะไร

ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มคือตัวที่มีฟิล์มพลาสติกเป็นตัวกำหนดวิภาษวิธีระหว่างแผ่นซึ่งทำให้มีราคาถูกลงและรักษาคุณลักษณะให้คงที่เป็นเวลานานขึ้น ฟิล์มพลาสติกชนิดนี้ค่อนข้างบางเนื่องจากมีความหนาประมาณ 1 ไมโครเมตร ตัวเก็บประจุนี้จัดอยู่ในประเภทของตัวเก็บประจุแบบไม่โพลาไรซ์ และทำให้มีประโยชน์มากในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มสามารถทนต่อแรงดันไฟฟ้าเกินซึ่งเป็นสองเท่าของความจุแรงดันไฟฟ้าที่กำหนด

การก่อสร้างและการทำงานของตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม

ฟิล์มพลาสติกที่ใช้ในตัวเก็บประจุแบบฟิล์มมีหลายประเภทซึ่งมีลักษณะเฉพาะที่แตกต่างกัน เช่น ฟิล์มโพลีโพรพีลีนมีความต้านทานฉนวนสูงกว่าและเหมาะสำหรับวงจรที่มีกระแสไฟฟ้าสูงกว่า นอกจากนี้โพลิโพรพิลีนซัลไฟด์ยังทนความร้อนสูงและมีคุณสมบัติทนความร้อนได้ดีแต่มีราคาแพง ต่อไปนี้เป็นประเภทของฟิล์มที่มีคุณสมบัติซึ่งใช้เป็นไดอิเล็กทริกในตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม:

ประเภทของตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม

ตอนนี้ขึ้นอยู่กับวัสดุฟิล์มอิเล็กทริกของตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม คุณลักษณะของมันจะแตกต่างกันไปมาก ดังนั้นนี่คือตารางที่แสดงคุณสมบัติของตัวเก็บประจุแบบฟิล์มตามวัสดุฉนวนประเภทต่างๆ:

เพื่ออธิบายโครงสร้างของตัวเก็บประจุเพิ่มเติม มีตัวเก็บประจุแบบฟิล์มอยู่สองประเภท ประเภทแรกคือตัวเก็บประจุแบบฟิล์มฟอยล์ และอีกประเภทคือตัวเก็บประจุแบบโลหะหรือตัวเก็บประจุแบบสะสมไอ:

ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มฟอยล์

ตัวเก็บประจุประเภทนี้มีอิเล็กโทรดที่ทำจากฟอยล์โลหะ และประกบอยู่ระหว่างฟอยล์พลาสติกของอิเล็กทริก เหล่านี้เป็นตัวเก็บประจุแบบฟิล์มแบบพันแผลที่สามารถเป็นแบบเหนี่ยวนำหรือไม่เหนี่ยวนำก็ได้ และความแตกต่างระหว่างทั้งสองก็คือตัวเก็บประจุแบบฟิล์มฟอยล์แบบเหนี่ยวนำเป้าหมายมีขั้วต่อที่เชื่อมต่อโดยตรงกับอิเล็กโทรดก่อนที่จะพัน ในขณะที่ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มฟอยล์แบบไม่เหนี่ยวนำมีขั้วต่อที่เชื่อมต่อกับปลายด้าน

ตัวเก็บประจุฟิล์มอิเล็กโทรดฟอยล์แบบไม่เหนี่ยวนำมีความเหนี่ยวนำต่ำกว่าและมีลักษณะความถี่สูงเมื่อเปรียบเทียบกับตัวเก็บประจุแบบเหนี่ยวนำ ในตัวเก็บประจุแบบฟิล์มฟอยล์แบบเหนี่ยวนำ ฟอยล์โลหะจะถูกวางไว้ระหว่างฟิล์มพลาสติกสองแผ่นและไม่ได้เชื่อมต่อโดยตรง:

ในขณะที่ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มฟอยล์แบบไม่เหนี่ยวนำ ฟอยล์โลหะจะถูกวางในลักษณะที่ฟอยล์แต่ละอันอยู่ห่างจากฟิล์มพลาสติกของอิเล็กทริกในระดับหนึ่ง:

ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มเมทัลไลซ์

ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มอีกประเภทหนึ่งคือตัวเก็บประจุแบบฟิล์มเคลือบโลหะ เนื่องจากมีชั้นโลหะบางๆ ที่ถูกพ่นไว้ที่ด้านหนึ่งของฟิล์มพลาสติกอิเล็กทริก ชั้นโลหะที่สะสมอยู่บนฟิล์มพลาสติกจะสร้างอิเล็กโทรดของตัวเก็บประจุที่ค่อนข้างบางซึ่งทำให้มีขนาดเล็กกว่าตัวเก็บประจุแบบฟิล์มอิเล็กโทรดมาก ตัวเก็บประจุเหล่านี้เป็นเพียงชนิดไม่เหนี่ยวนำ แต่สามารถเป็นได้ทั้งแบบบาดแผลหรือแบบเคลือบ:

ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มทำงานเหมือนกับตัวเก็บประจุทั่วไป นั่นคือเมื่อมีการต่อแหล่งจ่ายไฟเข้ากับตัวเก็บประจุ ศักยภาพระหว่างขั้วไฟฟ้าทั้งสองจึงเริ่มก่อตัวขึ้น เมื่อประจุบนเพลตทั้งสองสะสมจนเต็มความจุ หมายความว่าตัวเก็บประจุชาร์จเต็มแล้ว นอกจากนี้ ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มเหล่านี้ยังมาพร้อมกับคุณสมบัติการรักษาตัวเองซึ่งจะช่วยยืดอายุการเก็บรักษา

คุณสมบัติการรักษาตัวเองของตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม

เมื่อใดก็ตามที่ฉนวนถูกกำจัดโลหะเนื่องจากกระแสไฟฟ้าสูง อุณหภูมิสูง หรือแรงดันไฟฟ้าเกิน ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มจะออกซิไดซ์ฟิล์มที่สะสมอยู่โดยรอบ ซึ่งจะแยกพื้นที่ความจุที่เหลือออกจากพื้นที่ที่ชำรุด และทำให้ทำงานได้อย่างถูกต้องต่อไป:

อย่างไรก็ตาม การแยกพื้นที่ความผิดปกติออกจากส่วนที่เหลือของตัวเก็บประจุยังสามารถลดความจุของตัวเก็บประจุเมื่อเวลาผ่านไปได้ นอกจากนี้ยังมีตารางด้านล่างที่แสดงการเสื่อมสภาพของความจุของตัวเก็บประจุเมื่อเวลาผ่านไปเนื่องจากการเกิดออกซิเดชัน:

ในตารางด้านบนกราฟสีน้ำเงินนี้แสดงความจุไฟฟ้าที่ไม่มีการซ่อมแซมตัวเอง เนื่องจากการย่อยสลายอาจสูงมากจนนำไปสู่ความล้มเหลวครั้งใหญ่ หากใช้อิเล็กโทรดกับฟิวส์ในองค์ประกอบของตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม เส้นโค้งการย่อยสลายจะเป็นสีเขียว

หากฟิวส์เชื่อมต่อกับเซลล์หลักไม่ถูกต้องอาจนำไปสู่ความล้มเหลวของตัวเก็บประจุส่งผลให้สูญเสียความจุอย่างรวดเร็ว เส้นโค้งสีน้ำตาลใช้สำหรับตัวเก็บประจุแบบฟิล์มกำลังสูงที่มีอิเล็กโทรดแบ่งส่วนที่เหมาะสมซึ่งมีความหนาแน่นสูงกว่ามากเนื่องจากการทำให้น้ำมันบริสุทธิ์อิ่มตัว

ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มประเภทนี้ได้รับการออกแบบในลักษณะที่ไม่สูญเสียความจุไฟฟ้าดั้งเดิมเกิน 2 เปอร์เซ็นต์ขณะทำงานกับค่าแรงดันและกระแสที่กำหนด นี่คือเหตุผลว่าทำไมตัวเก็บประจุแบบฟิล์มเหล่านี้จึงมีอายุการใช้งานที่สูงกว่าตัวเก็บประจุชนิดอื่นๆ และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ

ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มในวงจร Snubber

วงจรไฟฟ้ามักจะเผชิญกับกระแสไฟและแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากอัตราการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น และเพื่อจัดการกับปัญหาดังกล่าว มีการใช้วงจร Snubber วงจร Snubber ส่วนใหญ่มีตัวเก็บประจุแบบฟิล์มเพื่อลดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าและความเครียดของเซมิคอนดักเตอร์ ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มสามารถทนต่ออัตราการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นซึ่งอาจทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้มากขึ้น ดังนั้น ฟิล์มพลาสติกไดอิเล็กทริกของโพลีโพรพีลีนในตัวเก็บประจุจะเข้ากันได้ดีเนื่องจากมีความสามารถในการทนต่อแรงดันและกระแสที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากมีความต้านทานอนุกรมและการเหนี่ยวนำที่เทียบเท่าต่ำ:

เมื่อ MOSFET ปิดสถานะ ตัวเก็บประจุจะชาร์จผ่านตัวต้านทาน R ₁ และเมื่อ MOSFET อยู่ในสถานะเปิด ตัวเก็บประจุจะคายประจุผ่านตัวต้านทานและกราวด์

ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มเป็นตัวกรองพลังงาน

เพื่อกรองสัญญาณในอินเวอร์เตอร์และมอเตอร์ ตัวเก็บประจุบนเอาท์พุตจะผ่านกระแสกระเพื่อมสูงเพื่อลดระดับอัตราการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้า สิ่งนี้จะช่วยลดความเครียดและความเครียดทางแม่เหล็กไฟฟ้าในระบบในที่สุด การใช้งานจริงของตัวเก็บประจุแบบฟิล์มในฐานะตัวกรองกำลังมีดังต่อไปนี้ในวงจร:

เมื่อต่อแหล่งจ่ายไฟ AC ตัวเก็บประจุควรเป็นแบบไม่มีขั้ว ยกเว้นการใช้ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรลีติค

ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มเป็นตัวกรอง EMI

เพื่อกรองการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าสำหรับวงจร ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มเคลือบโลหะจึงถูกนำมาใช้เนื่องจากโหมดความล้มเหลวของวงจรเปิดและความสามารถในการจัดการกับแรงดันไฟฟ้าสูง ตัวเก็บประจุมีสองประเภทเมื่อเชื่อมต่อในวงจรไฟฟ้าตามการใช้งาน ตัวที่มีป้ายกำกับ X คือตัวเก็บประจุที่เชื่อมต่อแบบบรรทัดต่อบรรทัด มักตั้งชื่อเป็นตัวเก็บประจุแบบเส้นถึงเป็นกลาง และใช้สำหรับการกรอง EMI แบบดิฟเฟอเรนเชียล

ในขณะที่ตัวเก็บประจุที่ต่ออยู่ในสายดินจะถูกจัดประเภทเป็น Y และมักเรียกว่าตัวเก็บประจุแบบบายพาสแบบเส้น ตัวเก็บประจุเหล่านี้จะเลี่ยงสายไฟลงกราวด์ซึ่งเรียกว่าโหมดการกรอง EMI ทั่วไป เนื่องจากตัวเก็บประจุเหล่านี้อาจล้มเหลวได้ จึงมีโหมดพิเศษในกรณีที่เกิดความล้มเหลว นั่นคือเมื่อตัวเก็บประจุ X ล้มเหลวจะทำให้เกิดการลัดวงจรส่งผลให้เซอร์กิตเบรกเกอร์สะดุด ยิ่งไปกว่านั้น หากตัวเก็บประจุ Y ไม่ทำงาน มันจะสร้างวงจรเปิดซึ่งช่วยลดความเสี่ยงจากไฟฟ้าช็อตให้เหลือน้อยที่สุด

นอกจากนี้ ในกรณีที่ตัวเก็บประจุ X ล้มเหลว จะทำให้ระบบปิด และในกรณีที่ตัวเก็บประจุ Y ขัดข้อง ระบบจะยังคงทำงานต่อไป แต่การกรอง EMI จะลดลง นี่คือตารางด้านล่างที่แสดงระดับความปลอดภัยของตัวเก็บประจุตามการเชื่อมต่อวงจร:

ตอนนี้เพื่อแสดงให้เห็นเพิ่มเติมถึงการใช้ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มสำหรับการกรอง EMI ที่นี่คือวงจร AC อย่างง่ายของสายไฟโดยใช้ตัวเก็บประจุเป็นตัวกรอง EMI:

การเหนี่ยวนำตัวเองที่ต่ำของตัวเก็บประจุแบบฟิล์มมีข้อดีเนื่องจากทำให้ตัวเก็บประจุมีเสียงสะท้อนสูง ที่นี่ตัวเก็บประจุ X เชื่อมต่อระหว่างเส้นกับตัวกลางในขณะที่ตัวเก็บประจุ Y เชื่อมต่อระหว่างเส้นกับกราวด์

บทสรุป

ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มมีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อพูดถึงวงจรไฟฟ้าเนื่องจากมีลักษณะเฉพาะที่แตกต่างกันและคุณสมบัติหนึ่งคือมีคุณสมบัติในการฟื้นตัวได้เอง คุณสมบัตินี้ช่วยเพิ่มอายุการเก็บรักษาของตัวเก็บประจุและยังป้องกันความล้มเหลวของระบบอีกด้วย

นอกจากนี้ ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มเหล่านี้ยังแบ่งออกเป็นประเภท: ชนิดหนึ่งคืออิเล็กโทรดแบบฟอยล์ และอีกชนิดคือตัวเก็บประจุแบบฟิล์มเคลือบโลหะ ในทำนองเดียวกัน ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มยังแตกต่างกันไปตามประเภทของวัสดุฉนวนสำหรับอิเล็กทริก เนื่องจากองค์ประกอบอิเล็กทริกมีอิทธิพลต่อลักษณะการทำงานของตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มเนื่องจากพิกัดกระแสกระเพื่อมและคุณสมบัติการรักษาตัวเองเป็นที่ต้องการมากกว่าตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรลีติคอะลูมิเนียม