เข้าใจความจุไฟฟ้าในวงจร AC

ตัวเก็บประจุที่เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) แบบคลื่นรูปไซน์ จะแสดงกระบวนการที่เรียกว่า ต้านทานตัวเก็บประจุ (capacitive reactance) ได้รับอิทธิพลมาจากความถี่ของแหล่งจ่ายไฟฟ้า และขนาดตัวเก็บประจุ เมื่อจ่ายแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับไปที่ตัวเก็บประจุ กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านวงจรจะไหลตามเวลา และมีการเปลี่ยนแปลงเฟส 90 องศา เมื่อเทียบกับแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายเข้า ซึ่งนี่เป็นปรากฏการณ์สำคัญในการทำความเข้าใจว่า ตัวเก็บประจุทำงานอย่างไรในวงจร AC

เมื่อเชื่อมต่อตัวเก็บประจุกับแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรง (DC) แผ่นตัวเก็บประจุจะเริ่มสะสมประจุไฟฟ้าจนกว่าแรงดันไฟฟ้าระหว่างแผ่นจะเท่ากับแรงดันที่จ่ายเข้า เมื่อสะสมประจุจนเต็มแล้ว ตัวเก็บประจุจะเก็บประจุนี้ไว้ตลอด ทำหน้าที่เสมือนเป็นอุปกรณ์เก็บพลังงานชั่วคราว ในกระบวนการสะสมประจุ กระแสไฟฟ้าจะไหลเข้าตัวเก็บประจุ ทำให้เกิดการสะสมประจุไฟฟ้าสถิตบนแผ่น แรงดันไฟฟ้าในแผ่นที่ไม่มีประจุจะมีกระแสไฟระดับสูงและลดลงแบบทวีคูณเมื่อเวลาผ่านไปจนกว่าตัวเก็บประจุจะเก็บจนเต็ม

กระบวนการนี้เกิดจากสนามไฟฟ้าสถิตระหว่างแผ่นต่อต้านการเปลี่ยนแปลงของความต่างศักย์ไฟฟ้าทั่วทั้งแผ่น ความสามารถของตัวเก็บประจุในการเก็บประจุบนแผ่นเรียกว่า ความจุไฟฟ้า (C) กระแสไฟชาร์จของตัวเก็บประจุถูกกำหนดโดยสมการ \(i = C \frac{dV}{dt}\) โดยที่ \(i\) คือ กระแสไฟฟ้า \(C\) คือ ประจุไฟฟ้า และ \(\ frac{dV}{dt}\) คือ อัตราการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าคร่อมตัวเก็บประจุ เมื่อตัวเก็บประจุสะสมจนเต็มแล้ว จะปิดกั้นการไหลของอิเล็กตรอนเพิ่มเติม เนื่องจากแผ่นได้สะสมประจุจนเต็มแล้ว

เมื่อจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) ตัวเก็บประจุจะชาร์จ และคายประจุตามอัตราที่กำหนด ตามความถี่ของแหล่งจ่ายไฟอย่างต่อเนื่อง กระแสไฟฟ้าที่ไหลเข้าแผ่นตัวเก็บประจุจะแบ่งเป็นสัดส่วนตรงกับอัตราการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าระหว่างแผ่น ในวงจร AC ตัวเก็บประจุจะยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้ เมื่อแรงดันไฟฟ้าระหว่างแผ่นเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา อย่างไรก็ตามหากแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายมีค่าคงที่เช่น ในแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ตัวเก็บประจุจะต่อต้านการไหลของกระแสไฟฟ้า

หากพิจารณาวงจร AC ที่มีเฉพาะตัวเก็บประจุ เมื่อเชื่อมต่อตัวเก็บประจุโดยตรงกับแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) มันจะชาร์จและคายประจุตามแรงดันไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงไป กระแสไฟฟ้าที่ชาร์จจะแบ่งเป็นสัดส่วนตรงกับอัตราการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าระหว่างแผ่น อัตราการเปลี่ยนแปลงนี้จะสูงสุดเมื่อแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับเคลื่อนจากค่าบวกไปค่าลบ หรือกลับกันที่จุด 0° และ 180° บนแนวคลื่นไซน์ ในทางกลับกัน อัตราการเปลี่ยนแปลงจะน้อยที่สุดที่จุดสูงสุดเชิงบวกสูงสุด (\(+V_{\text{MAX}}\)) และจุดสูงสุดเชิงลบขั้นต่ำ (\(-V_{\text{MAX}}\)) โดยที่แรงดันไซน์คงที่

อัตราการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าจะเป็นศูนย์ที่จุดสูงสุดนี้ ทำให้กระแสไฟฟ้าในตัวเก็บประจุไม่เปลี่ยนแปลง ดังนั้นเมื่ออัตราการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้า (\(\frac{dV}{dt}\)) เป็นศูนย์ ตัวเก็บประจุจะทำหน้าที่เสมือนวงจรเปิดและไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน

อัตราการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายจะเพิ่มขึ้นในทิศทางบวกที่จุด 0° บนคลื่นไซน์ ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าชาร์จสูงสุดณ. ขณะนั้น เมื่อแรงดันไฟฟ้าถึงจุดสูงสุดที่ 90° แรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายจะไม่เพิ่มขึ้นหรือลดลง ทำให้กระแสไฟฟ้าไม่ไหล เมื่อแรงดันไฟฟ้าเริ่มลดลงสู่ศูนย์ที่ 180° ความชันของแรงดันไฟฟ้าจะกลายเป็นลบ ส่งผลให้ตัวเก็บประจุคายประจุในทิศทางลบ ณ จุดนี้ อัตราการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าจะกลับมาอยู่ระดับสูงสุดอีกครั้ง ส่งผลให้กระแสไฟฟ้าไหลสูงสุด

ในวงจร AC ที่มีตัวเก็บประจุ กระแสไฟฟ้าทันทีจะมีค่าต่ำสุด หรือเป็นศูนย์เมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ใช้มีค่าสูงสุด ในทางกลับกัน กระแสไฟฟ้าทันทีจะมีค่าสูงสุด หรืออยู่จุดสูงสุด เมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ใช้อยู่มีค่าต่ำสุดหรือเป็นศูนย์ กระแสไฟฟ้าในวงจร AC ที่มีตัวเก็บประจุทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้า 90° ดังที่ปรากฎในแผนภาพเฟสเซอร์

ตัวเก็บประจุในวงจรAC แสดงการต่อต้านอัตราการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ คล้ายกับวิธีที่ตัวต้านทานต่อต้านการไหลของกระแสไฟฟ้า การต้านทานในตัวเก็บประจุนี้เรียกว่า ความต้านทานตัวเก็บประจุ (capacitive reactance)  แสดงโดย \(X_c\) เช่นเดียวกับความต้านทานวัดเป็นโอห์ม แต่ใช้สัญลักษณ์ \(X\) เพื่อแยกความแตกต่างจากความต้านทาน ความต้านทานตัวเก็บประจุจะแตกต่างกันไปตามความถี่ของสัญญาณ AC และความจุของตัวเก็บประจุ

สูตรของความต้านทานตัวเก็บประจุคือ:

\[ X_c = \frac{1}{2\pi fC} \]

โดย \(f\) คือ ความถี่ในเฮิรตซ์ และ \(C\) คือ ค่าตัวเก็บประจุไฟฟ้าในฟารัด ความต้านทานตัวเก็บประจุจะแปรผกผันกับความถี่ หมายความว่า เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น ความต้านทานตัวเก็บประจุจะลดลง และในทางกลับกัน หากความถี่สูงมาก ตัวเก็บประจุจะทำหน้าที่เหมือนวงจรสั้นที่มีความต้านทานเกือบเป็นศูนย์ ในทางกลับกันหากความถี่ DC หรือความถี่เป็นศูนย์ ตัวเก็บประจุจะแสดงความต้านทานสูงสุดทำหน้าที่เหมือนวงจรเปิด

ตัวเก็บประจุในวงจร AC เป็นส่วนประกอบสำคัญที่มีผลต่อการไหลของกระแสไฟฟ้าตามความถี่แรงดันที่ใช้ โดยแสดงคุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์เช่น ความต้านทานตัวเก็บประจุที่เปลี่ยนแปลงตามความถี่ การเข้าใจแนวคิดเหล่านี้สำคัญต่อการออกแบบและวิเคราะห์วงจร AC