ตัวเก็บประจุเซรามิกคืออะไร? ตัวเก็บประจุแบบเซรามิกเป็นหนึ่งในประเภทตัวเก็บประจุทั่วไปที่ใช้ในอุปกรณ์ไฟฟ้าส่วนใหญ่ เนื่องจากมีความน่าเชื่อถือสูงและต้นทุนต่ำ ในรูปแบบนี้ แผ่นเซรามิกหรือพอร์ซเลนใช้ทำตัวเก็บประจุแบบไม่มีโพลาไรซ์และใช้ในอุตสาหกรรมต่างๆ การนำไฟฟ้าต่ำของวัสดุเซรามิกทำให้เป็น ไดอิเล็กตริกที่ดีเยี่ยม และเป็นตัวรองรับสนามไฟฟ้าสถิตที่มีประสิทธิภาพ

ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับตัวเก็บประจุเซรามิก

ตัวเก็บประจุเซรามิกเป็นตัวเก็บประจุค่าคงที่ที่ทำจากวัสดุเซรามิกเป็นไดอิเล็กตริก ประกอบด้วยเซรามิกสองชั้นหรือมากกว่าและชั้นโลหะที่ทำหน้าที่เป็น อิเล็กโทรด พฤติกรรมทางไฟฟ้าและการใช้งานของวัสดุเซรามิกถูกกำหนดโดยองค์ประกอบของวัสดุเซรามิก เซรามิกเป็นสารประกอบอนินทรีย์ อโลหะ ออกไซด์ที่เป็นผลึก ไนไตรด์ หรือสารประกอบคาร์ไบด์ เช่น คาร์บอนและซิลิกอน ตัวเก็บประจุเซรามิก โดยเฉพาะอย่างยิ่งตัวเก็บประจุเซรามิกหลายชั้น (MLCC) เป็นหนึ่งในส่วนประกอบทางไฟฟ้าที่พบมากที่สุดในปัจจุบัน

ตัวเก็บประจุเซรามิกโดยทั่วไปมีช่วงความจุ 10 pF ถึง 0.1 μF

รูปต่อไปนี้แสดงสัญลักษณ์ของตัวเก็บประจุเซรามิก:

สัญลักษณ์ของตัวเก็บประจุเซรามิก (อ้างอิง: elprocus.com)

ตัวเก็บประจุแบบเซรามิกที่มีตัวเลขสามหลัก ได้แก่ 101, 102, 103 เป็นต้น แสดงว่ามีหน่วยวัดเป็น Pico-farads อย่างไรก็ตาม เมื่อตัวเก็บประจุตัวเดียวกันใช้ตัวอักษรแทนตัวเลข ค่าจะเป็น AB x 10C Picofarad

ประเภทของตัวเก็บประจุเซรามิก

ตัวเก็บประจุเซรามิกมีสี่ประเภทหลัก:

ตัวเก็บประจุเซรามิกคลาส 1

ตัวเก็บประจุเหล่านี้มีความเสถียรสูงและมีการสูญเสียต่ำในวงจรเรโซแนนซ์ เนื่องจากมีการสูญเสียต่ำ จึงสามารถใช้ในออสซิลเลเตอร์และตัวกรองได้ ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิคงที่ทำให้เหมาะสำหรับตัวเก็บประจุที่มีความทนทานสูง

ตัวเก็บประจุเซรามิกคลาส 2

ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ ตัวเก็บประจุมีความจุที่แน่นอน ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของไดอิเล็กตริกคลาส 2 ไม่เป็นเชิงเส้น การใช้งานของตัวเก็บประจุเหล่านี้รวมถึงการต่อพ่วงและการแยกส่วน

ตัวเก็บประจุเซรามิกคลาส 3

ไดอิเล็กตริกคลาส 3 มีค่าการอนุญาตที่สูงกว่าไดอิเล็กตริกคลาส 2 ถึง 50,000 เท่า ตัวเก็บประจุขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าและมีการสูญเสียสูง

ตัวเก็บประจุเซรามิกคลาส 4

ตัวเก็บประจุคลาส 4 เรียกอีกอย่างว่าตัวเก็บประจุชั้นกั้น

ขั้วของตัวเก็บประจุแบบเซรามิก 

ขั้วของตัวเก็บประจุเป็นหนึ่งในข้อพิจารณาที่สำคัญที่สุดเมื่อเชื่อมต่อตัวเก็บประจุในวงจรไฟฟ้า บนพื้นฐานของขั้วตัวเก็บประจุสามารถแบ่งออกเป็นสองกลุ่ม:

ตัวเก็บประจุแบบโพลาไรซ์ 

ตัวเก็บประจุแบบโพลาไรซ์มีสองขั้วเรียกว่าแอโนดและแคโทด

ตัวเก็บประจุแบบไม่มีโพลาไรซ์ 

แตกต่างจากตัวเก็บประจุแบบโพลาไรซ์ ตัวเก็บประจุแบบไม่มีโพลาไรซ์มีขั้ว ดังนั้นจึงสามารถใช้ได้ทั้งสองทิศทาง อุปกรณ์ที่ไม่มีขั้วหมายถึงไม่มีขั้วบนตัวเก็บประจุ

การสร้างตัวเก็บประจุแบบเซรามิก

ตัวเก็บประจุแบบเซรามิกประกอบด้วยเม็ดของวัสดุพาราอิเล็กทริกหรือ เฟอร์โรอิเล็กตริก ซึ่งรวมกับวัสดุอื่นๆ เพื่อสร้างลักษณะการทำงานที่ต้องการ ที่อุณหภูมิสูง ผงผสมเหล่านี้จะถูกเผาเป็นเซรามิก ไดอิเล็กตริกเซรามิกส์ถูกใช้เป็นตัวพาสำหรับอิเล็กโทรดที่เป็นโลหะ ขนาดเม็ดผงเซรามิกกำหนดความหนาขั้นต่ำของชั้นอิเล็กทริก สำหรับตัวเก็บประจุที่มีแรงดันไฟฟ้าสูงกว่า ความเป็นฉนวนของตัวเก็บประจุจะเป็นตัวกำหนดความหนาของไดอิเล็กตริก

มีการใช้อุณหภูมิสูงหลังจากการฝังเป็นชั้น และวัสดุถูกเผา ทำให้ได้วัสดุเซรามิกที่มีคุณสมบัติที่ต้องการ เป็นผลให้ตัวเก็บประจุเกิดขึ้นจากการเชื่อมต่อตัวเก็บประจุขนาดเล็กจำนวนมากแบบขนาน ซึ่งส่งผลให้ความจุเพิ่มขึ้น

ตัวเก็บประจุเซรามิกมีสามรูปแบบพื้นฐานแม้ว่าจะมีประเภทอื่นอยู่:

ตัวเก็บประจุเซรามิกแบบแผ่นตะกั่ว 

เคลือบด้วยเรซินสำหรับติดตั้งผ่านรู แผ่นเซรามิกเคลือบทั้งสองด้านด้วยหน้าสัมผัสสีเงิน ตัวเก็บประจุแบบดิสก์มีค่าความจุระหว่าง 10pF และ 100μF โดยมีพิกัดแรงดันไฟฟ้าตั้งแต่ 16V ถึง 15KV อุปกรณ์สามารถประกอบด้วยหลายชั้นเพื่อให้ได้ความจุที่สูงขึ้น

ตัวเก็บประจุเซรามิกชนิดแผ่นประกอบด้วยแผ่นนำไฟฟ้าสองแผ่นที่ด้านใดด้านหนึ่งของฉนวนเซรามิก เพลตเหล่านี้เคลือบด้วยส่วนประกอบเซรามิกที่กันน้ำได้ โดยมีตัวนำไฟฟ้าติดอยู่ ตัวเก็บประจุแบบเซรามิกชนิดนี้มีค่าสูงถึง 0.01 F สามารถทนแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงได้ 750 โวลต์และแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับที่ 350 โวลต์

ตัวเก็บประจุเซรามิกแบบลีดดิสก์ (ข้อมูลอ้างอิง: electronics-notes.com)

ตัวเก็บประจุแบบเซรามิกหลายชั้น (MLCC) 

MLCC เป็นบล็อกสี่เหลี่ยมที่ประกอบด้วยส่วนประกอบพาราอิเล็กทริกและเฟอร์โรอิเล็กทริกผสมกันเป็นชั้นๆ พร้อมหน้าสัมผัสโลหะและออกแบบมาสำหรับการติดตั้งบนพื้นผิว มีมากกว่า 500 ชั้นใน MLCCs โดยมีความหนาของชั้นขั้นต่ำประมาณ 0.5 ไมครอน เป็นไปได้ทางเทคโนโลยีที่จะลดความหนาของชั้นในขณะที่เพิ่มความจุในปริมาตรเดียวกัน

โครงสร้างของตัวเก็บประจุเซรามิกหลายชั้น (อ้างอิง: passive-components.eu)

ตัวเก็บประจุ MLCC มีความจุ (C) ที่ใช้สูตรตัวเก็บประจุแบบเพลทที่มีจำนวนเลเยอร์เพิ่มขึ้น

ในสมการข้างต้น ε หมายถึงการอนุญาตอิเล็กทริก A ย่อมาจากพื้นที่ผิวอิเล็กโทรด n คือจำนวนชั้น และ d แสดงระยะห่างระหว่างอิเล็กโทรด

ตัวเก็บประจุแบบเซรามิกไร้สารตะกั่ว

ตัวเก็บประจุเซรามิกสำหรับไมโครเวฟที่ออกแบบมาเป็นพิเศษพอดีกับช่องบน PCB

ประเภทเซรามิกไดอิเล็กตริก 

ตรงกันข้ามกับแทนทาลัมและตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า ตัวเก็บประจุเซรามิกสามารถทำจากวัสดุไดอิเล็กทริกหลายชนิด อิเล็กทริกที่แตกต่างกันให้คุณสมบัติที่แตกต่างกันมากกับตัวเก็บประจุ ดังนั้น นอกเหนือจากการเลือกตัวเก็บประจุเซรามิกแล้ว ยังอาจจำเป็นต้องตัดสินใจครั้งที่สองเกี่ยวกับประเภทของไดอิเล็กตริกที่จะใช้ ไดอิเล็กตริกของตัวเก็บประจุแบบเซรามิกจำนวนมากมีการกล่าวถึงในรายการของผู้จัดจำหน่าย รวมถึง C0G, NP0, X7R, Y5V, Z5U และอื่นๆ อีกมากมาย อย่างไรก็ตาม ประเภทที่ดีที่สุดยังต้องการการตรวจสอบเพิ่มเติม

การประยุกต์ใช้ตัวเก็บประจุแบบเซรามิก 

ตัวเก็บประจุแบบเซรามิกมีการใช้งานมากมาย รวมถึง:

• ในสถานีส่งสัญญาณในวงจรเรโซแนนซ์
• ในอุปกรณ์จ่ายไฟเลเซอร์แรงสูง
• เตาเหนี่ยวนำ
• เบรกเกอร์วงจรไฟฟ้า
• แผงวงจรพิมพ์
• การใช้งานที่มีความหนาแน่นสูง
• ตัวเก็บประจุเหล่านี้ยังสามารถใช้เป็นตัวเก็บประจุเอนกประสงค์และเป็นแปรงสำหรับมอเตอร์กระแสตรงเพื่อลดสัญญาณรบกวน RF

ข้อดีของตัวเก็บประจุแบบเซรามิก

ตัวเก็บประจุแบบเซรามิกมีข้อดีดังต่อไปนี้:

• มีความน่าเชื่อถือและมีลักษณะการตอบสนองความถี่ที่ดีแม้ในขณะที่ใช้งานที่ความถี่สูง
• สามารถทนแรงดันไฟฟ้าได้สูงถึง 100 โวลต์
• มีน้ำหนักน้อยกว่าตัวเก็บประจุแบบอื่น
• ค่าใช้จ่ายต่ำสำหรับรายการเหล่านี้
• มีรูปร่างและขนาดที่หลากหลาย
• มี ESR (Effective Series Resistance) ต่ำ และ ESL (Effective Series Inductance) ต่ำเมื่อเทียบกับตัวเก็บประจุอื่นๆ

ข้อเสียของตัวเก็บประจุแบบเซรามิก 

ด้านล่างนี้เป็นข้อเสียบางประการของตัวเก็บประจุแบบเซรามิก:

• ด้วยการออกแบบ จึงไม่สามารถสร้างตัวเก็บประจุที่มีค่าสูงกว่านี้ได้ มีค่าความจุสูงสุด 150 µF
• ตัวเก็บประจุแบบเซรามิกที่มีโครงสร้างคล้ายกับด้านบนไม่สามารถใช้งานได้กับแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่า ตัวเก็บประจุแบบเซรามิกกำลังสร้างด้วยรูปทรงและขนาดที่ใหญ่ขึ้น สามารถรองรับแรงดันไฟฟ้าได้ตั้งแต่ 2 kV ถึง 100 kV
• มีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิที่สูงขึ้น
• ค่าความคลาดเคลื่อนของตัวเก็บประจุแบบเซรามิกจะสูงกว่า
• วงจรแหล่งจ่ายไฟบางวงจรอาจมีปัญหากับตัวเก็บประจุเซรามิกเป็นตัวเก็บประจุเอาต์พุต
• มีการใช้ตัวเก็บประจุขนาดเล็กหลายชุดแบบขนานเนื่องจากยูนิตที่ใหญ่กว่าจะแตกเมื่อ PCB งอ

ที่มา: Linquip