กระแสไฟรั่วของตัวเก็บประจุคืออะไรและจะลดได้อย่างไร

ตัวเก็บประจุเป็นส่วนประกอบที่พบมากที่สุดในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และใช้ในงานอิเล็กทรอนิกส์เกือบทุกประเภท มีตัวเก็บประจุหลายประเภทในตลาดเพื่อตอบสนองวัตถุประสงค์ที่แตกต่างกันในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ใด ๆ มีให้เลือกหลายค่าตั้งแต่ 1 Pico-Farad ถึง 1 Farad capacitor และ Supercapacitor คาปาซิเตอร์ยังมีการจัดอันดับประเภทต่างๆเช่นแรงดันไฟฟ้าอุณหภูมิในการทำงานความทนทานต่อค่าพิกัดและกระแสไฟฟ้ารั่ว

กระแสไฟรั่วของตัวเก็บประจุเป็นปัจจัยสำคัญสำหรับการใช้งานโดยเฉพาะอย่างยิ่งหากใช้ใน Power electronics หรือ Audio Electronics ชนิดที่แตกต่างของตัวเก็บประจุที่แตกต่างกันให้การจัดอันดับรั่วไหลของกระแสนอกเหนือจากการเลือกตัวเก็บประจุที่สมบูรณ์แบบและมีการรั่วไหลที่เหมาะสมวงจรควรมีความสามารถในการควบคุมกระแสไฟฟ้ารั่วด้วย ดังนั้นก่อนอื่นเราควรมีความเข้าใจอย่างชัดเจนเกี่ยวกับกระแสไฟฟ้ารั่วของตัวเก็บประจุ

ความสัมพันธ์กับชั้นอิเล็กทริก

กระแสรั่วของตัวเก็บประจุมีความสัมพันธ์โดยตรงกับอิเล็กทริกของตัวเก็บประจุ ดูภาพด้านล่าง -

ภาพด้านบนเป็นงานก่อสร้างภายในของ Capacitor ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรลีติคมีชิ้นส่วนเพียงไม่กี่ชิ้นที่ห่อหุ้มด้วยบรรจุภัณฑ์ที่แน่นหนา ชิ้นส่วน ได้แก่Anode, Cathode, Electrolyte, Dielectric layer Insulatorเป็นต้น

ฉนวนอิเล็กทริกให้ฉนวนของแผ่นนำไฟฟ้าภายในตัวเก็บประจุ แต่เนื่องจากไม่มีสิ่งใดสมบูรณ์แบบในโลกนี้ฉนวนจึงไม่ใช่ฉนวนในอุดมคติและมีความทนทานต่อฉนวน ด้วยเหตุนี้กระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านฉนวนในปริมาณที่ต่ำมาก นี้ปัจจุบันเรียกว่าเป็นกระแสรั่วไหล

ฉนวนและการไหลของกระแสสามารถแสดงได้โดยใช้ตัวเก็บประจุและตัวต้านทานแบบธรรมดา

ตัวต้านทานมีค่าความต้านทานสูงมากซึ่งสามารถระบุได้ว่าเป็นความต้านทานของฉนวนและใช้ตัวเก็บประจุเพื่อจำลองตัวเก็บประจุจริง เนื่องจากตัวต้านทานมีค่าความต้านทานสูงมากกระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทานจึงต่ำมากโดยทั่วไปจะอยู่ในจำนวนนาโนแอมแปร์ ความต้านทานของฉนวนขึ้นอยู่กับชนิดของฉนวนอิเล็กทริกเนื่องจากวัสดุประเภทต่างๆเปลี่ยนกระแสไฟรั่ว ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่ำให้ความต้านทานฉนวนที่ดีมากส่งผลให้กระแสไฟฟ้ารั่วต่ำมาก ตัวอย่างเช่นตัวเก็บประจุชนิดโพลีโพรพีลีนพลาสติกหรือเทฟลอนเป็นตัวอย่างของค่าคงที่ไดอิเล็กทริกต่ำ แต่สำหรับคาปาซิเตอร์เหล่านั้นความจุจะน้อยมาก การเพิ่มความจุยังเพิ่มค่าคงที่ของอิเล็กทริก ตัวเก็บประจุไฟฟ้าโดยทั่วไปจะมีความจุสูงมากและกระแสไฟฟ้ารั่วก็สูงเช่นกัน

ปัจจัยที่ขึ้นอยู่กับกระแสไฟรั่วของตัวเก็บประจุ

กระแสไฟรั่วของตัวเก็บประจุโดยทั่วไปขึ้นอยู่กับปัจจัยสี่ประการด้านล่าง:

1. ชั้นอิเล็กทริก
2. อุณหภูมิโดยรอบ
3. การจัดเก็บอุณหภูมิ
4. แรงดันไฟฟ้าที่ใช้

1. ชั้นอิเล็กทริกทำงานไม่ถูกต้อง

การสร้างคาปาซิเตอร์ต้องใช้กระบวนการทางเคมี วัสดุอิเล็กทริกเป็นตัวแยกหลักระหว่างแผ่นนำไฟฟ้า เนื่องจากอิเล็กทริกเป็นฉนวนหลักกระแสไฟฟ้ารั่วจึงมีการพึ่งพาที่สำคัญ ดังนั้นหากอิเล็กทริกถูกทำให้ร้อนในระหว่างกระบวนการผลิตก็จะส่งผลโดยตรงให้กระแสไฟฟ้ารั่วเพิ่มขึ้น บางครั้งชั้นอิเล็กทริกมีสิ่งสกปรกทำให้เกิดความอ่อนแอในชั้น อิเล็กทริกที่อ่อนแอกว่าจะลดการไหลของกระแสซึ่งมีส่วนทำให้กระบวนการออกซิเดชั่นช้าลง ไม่เพียงแค่นี้ แต่ความเค้นเชิงกลที่ไม่เหมาะสมยังส่งผลให้เกิดความอ่อนแอของอิเล็กทริกในตัวเก็บประจุ

2. อุณหภูมิโดยรอบ

ตัวเก็บประจุมีการจัดอันดับของอุณหภูมิในการทำงาน อุณหภูมิในการทำงานอยู่ระหว่าง 85 องศาเซลเซียสถึง 125 องศาเซลเซียสหรือมากกว่านั้น เนื่องจากตัวเก็บประจุเป็นอุปกรณ์ที่ประกอบด้วยทางเคมีอุณหภูมิจึงมีความสัมพันธ์โดยตรงกับกระบวนการทางเคมีภายในตัวเก็บประจุ โดยทั่วไปกระแสไฟฟ้ารั่วจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิโดยรอบสูงพอ

3. การจัดเก็บ Capacitor

การเก็บคาปาซิเตอร์ไว้เป็นเวลานานโดยไม่มีแรงดันไฟฟ้านั้นไม่ดีต่อตัวเก็บประจุ อุณหภูมิการจัดเก็บยังเป็นปัจจัยสำคัญสำหรับการรั่วไหลของกระแสเมื่อตัวเก็บประจุถูกเก็บไว้ชั้นออกไซด์จะถูกโจมตีโดยวัสดุอิเล็กโทรไลต์ ชั้นออกไซด์จะเริ่มละลายในวัสดุอิเล็กโทรไลต์ กระบวนการทางเคมีแตกต่างกันสำหรับวัสดุอิเล็กโทรไลต์ประเภทต่างๆ อิเล็กโทรไลต์ที่ใช้น้ำไม่คงที่ในขณะที่อิเล็กโทรไลต์ที่ใช้ตัวทำละลายเฉื่อยมีส่วนช่วยให้กระแสรั่วไหลน้อยลงเนื่องจากการลดชั้นออกซิเดชั่น

อย่างไรก็ตามกระแสไฟฟ้ารั่วนี้จะเกิดขึ้นชั่วคราวเนื่องจากตัวเก็บประจุมีคุณสมบัติในการรักษาตัวเองเมื่อใช้กับแรงดันไฟฟ้า ในระหว่างการสัมผัสกับแรงดันไฟฟ้าชั้นออกซิเดชั่นจะเริ่มสร้างใหม่

4. แรงดันไฟฟ้า

ตัวเก็บประจุแต่ละตัวมีพิกัดแรงดันไฟฟ้า ดังนั้นการใช้ตัวเก็บประจุสูงกว่าแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดจึงเป็นสิ่งที่ไม่ดี หากแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นกระแสไฟฟ้ารั่วก็จะเพิ่มขึ้นด้วย ถ้าแรงดันไฟฟ้าทั่วตัวเก็บประจุสูงกว่าแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดปฏิกิริยาทางเคมีภายในตัวเก็บประจุจะสร้างก๊าซและย่อยสลายอิเล็กโทรไลต์

หากตัวเก็บประจุถูกเก็บไว้เป็นเวลานานเช่นเป็นปี ๆ จำเป็นต้องคืนตัวเก็บประจุให้เข้าสู่สถานะการทำงานโดยให้แรงดันไฟฟ้าที่กำหนดเป็นเวลาสองสามนาที ในขั้นตอนนี้ชั้นออกซิเดชันจะสร้างขึ้นอีกครั้งและเรียกคืนตัวเก็บประจุในขั้นตอนการทำงาน

วิธีลดกระแสรั่วของตัวเก็บประจุเพื่อปรับปรุงอายุการใช้งานของตัวเก็บประจุ

ตามที่กล่าวไว้ข้างต้นตัวเก็บประจุมีการพึ่งพาหลายปัจจัย คำถามแรกคืออายุการใช้งานของตัวเก็บประจุคำนวณอย่างไร? คำตอบคือการคำนวณเวลาจนกว่าอิเล็กโทรไลต์จะหมด อิเล็กโทรไลต์ถูกใช้โดยชั้นออกซิเดชั่น กระแสไฟฟ้ารั่วเป็นองค์ประกอบหลักสำหรับการวัดว่าชั้นออกซิเดชั่นถูกขัดขวางมากเพียงใด

ดังนั้นการลดกระแสไฟฟ้ารั่วในตัวเก็บประจุจึงเป็นองค์ประกอบหลักที่สำคัญสำหรับอายุการใช้งานของตัวเก็บประจุ

1. การผลิตหรือโรงงานผลิตเป็นสถานที่แรกของวงจรชีวิตของตัวเก็บประจุที่ตัวเก็บประจุที่มีการผลิตอย่างพิถีพิถันเพื่อรั่วไหลของกระแสต่ำต้องใช้ความระมัดระวังเพื่อไม่ให้ชั้นอิเล็กทริกเสียหายหรือขัดขวาง

2. ขั้นตอนที่สองคือการจัดเก็บ ตัวเก็บประจุจะต้องมีการเก็บไว้ในอุณหภูมิที่เหมาะสมอุณหภูมิที่ไม่เหมาะสมจะส่งผลต่ออิเล็กโทรไลต์ของตัวเก็บประจุซึ่งจะทำให้คุณภาพของชั้นออกซิเดชั่นลดลง ตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้ใช้งานตัวเก็บประจุในอุณหภูมิแวดล้อมที่เหมาะสมน้อยกว่าค่าสูงสุด

3. ในขั้นตอนที่สามเมื่อบัดกรีตัวเก็บประจุบนบอร์ดอุณหภูมิในการบัดกรีเป็นปัจจัยสำคัญ เนื่องจากสำหรับตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าอุณหภูมิในการบัดกรีอาจสูงเพียงพอมากกว่าจุดเดือดของตัวเก็บประจุ อุณหภูมิในการบัดกรีมีผลต่อชั้นอิเล็กทริกบนหมุดตะกั่วและทำให้ชั้นออกซิเดชั่นอ่อนตัวลงส่งผลให้กระแสไฟฟ้ารั่วสูง. เพื่อเอาชนะสิ่งนี้ตัวเก็บประจุแต่ละตัวจะมาพร้อมกับแผ่นข้อมูลซึ่งผู้ผลิตให้คะแนนอุณหภูมิการบัดกรีที่ปลอดภัยและเวลาการสัมผัสสูงสุด เราต้องระมัดระวังเกี่ยวกับการให้คะแนนเหล่านั้นสำหรับการทำงานที่ปลอดภัยของตัวเก็บประจุตามลำดับ นอกจากนี้ยังใช้ได้กับตัวเก็บประจุ Surface Mount Device (SMD) ด้วยเช่นกันอุณหภูมิสูงสุดของการบัดกรีแบบรีโฟลว์หรือการบัดกรีด้วยคลื่นไม่ควรเกินกว่าค่าสูงสุดที่อนุญาต

4. เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุเป็นปัจจัยสำคัญแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุไม่ควรเกินแรงดันไฟฟ้าที่กำหนด

5. การปรับสมดุลของตัวเก็บประจุในการเชื่อมต่อแบบอนุกรม เชื่อมต่อชุดเก็บประจุเป็นบิตงานที่ซับซ้อนเพื่อความสมดุลของการรั่วไหลของกระแสไฟฟ้าเนื่องจากความไม่สมดุลของกระแสรั่วจะแบ่งแรงดันไฟฟ้าและแยกระหว่างตัวเก็บประจุ แรงดันไฟฟ้าแยกอาจแตกต่างกันสำหรับตัวเก็บประจุแต่ละตัวและอาจมีโอกาสที่แรงดันไฟฟ้าข้ามตัวเก็บประจุบางตัวอาจเกินกว่าแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดและตัวเก็บประจุเริ่มทำงานผิดปกติ

เพื่อเอาชนะสถานการณ์นี้จะมีการเพิ่มตัวต้านทานค่าสูงสองตัวข้ามตัวเก็บประจุแต่ละตัวเพื่อลดกระแสไฟฟ้ารั่ว

ในภาพด้านล่างเทคนิคการปรับสมดุลจะแสดงโดยที่ตัวเก็บประจุสองตัวในอนุกรมจะสมดุลกันโดยใช้ตัวต้านทานที่มีค่าสูง

โดยใช้เทคนิคการปรับสมดุลสามารถควบคุมความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าที่ได้รับอิทธิพลจากกระแสรั่วได้