ค่าความจุของตัวต้านทานคืออะไร?

ความจุไฟฟ้าคือความสามารถของวัตถุในการเก็บพลังงานไฟฟ้าในรูปของประจุไฟฟ้า (Q) ตัวต้านทานในทางปฏิบัติมักแสดงความจุไฟฟ้าเป็นคุณสมบัติแฝงเสมอ ขึ้นอยู่กับการใช้งาน ความจุไฟฟ้าของตัวต้านทานอาจถูกละเลยได้ง่าย โดยเฉพาะในวงจรไฟฟ้ากระแสตรง ในบางการใช้งาน เช่น ตัวต้านทานสนับเบอร์ ผลกระทบแฝงของความจุไฟฟ้ากลับเป็นผลที่พึงประสงค์ ในทางกลับกัน ความจุไฟฟ้าแฝงของตัวต้านทานอาจเป็นปัจจัยสำคัญในการใช้งานไฟฟ้ากระแสสลับความถี่สูง ทำให้เกิดผลที่ไม่พึงประสงค์ เหตุผลก็คือ อิมพีแดนซ์ของตัวต้านทานที่มีความจุไฟฟ้าแฝงแบบขนานจะลดลงเมื่อความถี่ที่ใช้เพิ่มขึ้น ยิ่งความถี่สูง อิมพีแดนซ์ก็จะยิ่งต่ำลง ซึ่งหมายความว่าตัวต้านทานจะไม่สามารถมองได้ว่าเป็นองค์ประกอบคงที่ที่ความถี่สูงอีกต่อไป และกลายเป็นองค์ประกอบที่ขึ้นอยู่กับความถี่

ตัวเก็บประจุและตัวต้านทาน

โหลดทางไฟฟ้าสามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเภท คือ โหลดจริง (หรือโหลดต้านทาน) และโหลดรีแอคทีฟ โหลดจริงใช้ในการแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นความร้อน ตัวต้านทานในอุดมคติเป็นโหลดต้านทานอย่างแท้จริง ซึ่งหมายความว่าพลังงานไฟฟ้าทั้งหมดที่จ่ายให้กับตัวต้านทานจะถูกแปลงเป็นความร้อน ในทางกลับกัน โหลดรีแอคทีฟจะแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นสนามแม่เหล็กหรือสนามไฟฟ้า และเก็บสะสมไว้ชั่วคราวก่อนที่จะส่งกลับไปยังส่วนที่เหลือของวงจร โหลดรีแอคทีฟอาจเป็นแบบเหนี่ยวนำหรือแบบเก็บประจุ โหลดแบบเหนี่ยวนำจะเก็บพลังงานในรูปของสนามแม่เหล็ก ในขณะที่โหลดแบบเก็บประจุจะเก็บพลังงานในรูปของสนามไฟฟ้า

ความแตกต่างหลักระหว่างตัวต้านทานในอุดมคติและตัวเก็บประจุในอุดมคติก็คือ ตัวต้านทานจะกระจายพลังงานไฟฟ้าในรูปของความร้อน ในขณะที่ตัวเก็บประจุจะเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าให้เป็นสนามไฟฟ้า ตัวต้านทานในอุดมคติมีค่ารีแอกแทนซ์เป็นศูนย์ และด้วยเหตุนี้ค่าความจุจึงเป็นศูนย์ด้วยเช่นกัน น่าเสียดายที่อุปกรณ์ไฟฟ้าในทางปฏิบัติไม่ได้สมบูรณ์แบบ และแม้แต่ตัวต้านทานที่ง่ายที่สุดก็ยังมีค่ารีแอกแทนซ์แบบปรสิตเล็กน้อย

ความจุปรสิต

ตัวต้านทานถูกใช้เมื่อต้องการโหลดที่เป็นความต้านทานล้วนๆ ดังนั้นความจุจึงมักเป็นผลข้างเคียงที่ไม่พึงประสงค์ และในบริบทนี้เรียกว่า "ความจุปรสิต" ตัวต้านทานจริงทุกตัวแสดงความจุปรสิตในระดับมากหรือน้อย ขึ้นอยู่กับการออกแบบและโครงสร้างของตัวต้านทาน ความจุปรสิตในวงจร AC สามารถทำให้เกิดการเชื่อมต่อที่ไม่พึงประสงค์ระหว่างบล็อกของระบบ หรืออาจเป็นสาเหตุของการตอบสนองของวงจรที่ล่าช้าที่ความถี่สูง มีตัวต้านทานที่ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับใช้ที่ความถี่สูง ซึ่งโฆษณาว่าเป็นตัวต้านทานที่มีความจุต่ำ อย่างไรก็ตาม ตัวเลขที่แน่นอนสำหรับค่าความจุนั้นมักหาได้ยากในเอกสารข้อมูล

การคำนวณค่ารีแอกแทนซ์และค่าคาปาซิแตนซ์

ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ อิมพีแดนซ์ทางไฟฟ้าคือการวัดความต้านทานที่วงจรแสดงต่อการไหลของกระแสไฟฟ้าเมื่อมีการจ่ายแรงดันไฟฟ้า เนื่องจากความจุแฝงต่อขนานกับตัวต้านทาน (ความจุแฝงต่อขนานกับตัวต้านทาน) อิมพีแดนซ์เชิงซ้อนสำหรับตัวต้านทานดังกล่าวจึงกำหนดโดยสูตรการต่อขนาน:

โดยที่Zคืออิมพีแดนซ์เชิงซ้อน, Rคือความต้านทาน, Xคือรีแอกแทนซ์ของวงจร และjคือหน่วยจินตภาพ ในบทความนี้ จะถือว่ารีแอกแทนซ์ปรสิตของตัวต้านทานจริงเป็นแบบคาปาซิทีฟล้วนๆ ดังนั้นรีแอกแทนซ์คือ:

ดังนั้นค่าอิมพีแดนซ์เชิงซ้อนของตัวต้านทานที่มีผลกระทบจากตัวเก็บประจุเพียงอย่างเดียวคือ:

โดยที่ωคือความถี่เชิงมุม และCคือค่าความจุแฝงของตัวต้านทาน

สำหรับการใช้งานกระแสตรงหรือความถี่ต่ำ โดยทั่วไปเราจะสนใจเฉพาะขนาดของอิมพีแดนซ์เชิงซ้อนนี้เท่านั้น ขนาดของอิมพีแดนซ์สามารถคำนวณได้โดยใช้สมการต่อไปนี้:

ที่ไหน, 

R = ค่าความต้านทานในหน่วยโอห์ม

f = ความถี่ในหน่วยเฮิรตซ์

C = ค่าความจุในหน่วยฟารัด

เมื่อวิเคราะห์สมการข้างต้นอย่างละเอียด จะเห็นได้ว่าค่าความต้านทานรวมของตัวต้านทานที่มีผลกระทบจากตัวเก็บประจุจะลดลงเมื่อความถี่ของแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้น การลดลงนี้โดยทั่วไปแล้วมีค่าเล็กน้อย แต่ในบางการใช้งานอาจมีความสำคัญมากทีเดียว

ค่าความจุของตัวต้านทานชนิดต่างๆ

ดังที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ ผู้ผลิตมักไม่ระบุค่าความจุทั่วไปของตัวต้านทาน โดยทั่วไปแล้ว ตัวต้านทานแบบ SMD (ติดตั้งบนพื้นผิว) จะมีค่าความจุแฝงต่ำกว่าตัวต้านทานแบบรูทะลุ เหตุผลก็คือ แม้แต่ตัวนำไฟฟ้าก็มีความสามารถในการเก็บประจุได้ ตัวนำโลหะที่เชื่อมต่อตัวต้านทานกับวงจรส่วนที่เหลือเป็นตัวอย่างของตัวนำดังกล่าว ยิ่งตัวนำยาวเท่าไหร่ ก็ยิ่งเก็บประจุได้มากขึ้น และค่าความจุแฝงก็จะยิ่งสูงขึ้น ดังนั้น ยิ่งตัวนำสั้นเท่าไหร่ ผลกระทบจากค่าความจุแฝงก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมตัวต้านทานแบบ SMD จึงมีผลกระทบจากค่าความจุแฝงน้อยกว่า

หากต้องการค่าความจุต่ำ ควรเลือกตัวต้านทานที่มีขนาดเล็กและกะทัดรัดที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ควรหลีกเลี่ยงตัวต้านทานแบบขดลวด เพราะขดลวดจะสร้างความจุระหว่างขดลวด ทำให้ไม่สามารถใช้งานได้ที่ความถี่สูงกว่า 50 kHz ตัวต้านทานแบบคาร์บอนสามารถใช้งานได้ที่ความถี่ประมาณ 1 MHz ในทางกลับกัน ตัวต้านทานแบบฟอยล์มีคุณสมบัติที่เหนือกว่าสำหรับการใช้งานที่ความถี่สูง โดยมีค่าความจุโดยทั่วไปน้อยกว่า 0.05 pF ซึ่งช่วยให้ทำงานได้ดีที่ความถี่สูงถึง 100 MHz

การประยุกต์ใช้ที่ผลกระทบจากปรสิตมีบทบาท

ผลกระทบจากพาราสิตจะเห็นได้ชัดเจนที่สุดที่ความถี่สูง ตัวอย่างเช่น ตัวต้านทานแบบแผ่นโลหะขนาด 1.0 kΩ ที่มีความจุ 0.05 pF ที่ความถี่ 100 MHz จะมีพฤติกรรมเหมือนตัวต้านทานขนาด 0.9995 kΩ เมื่อพิจารณาผลกระทบจากพาราสิตทั้งหมดแล้ว นี่เป็นตัวอย่างของการตอบสนองความถี่ที่ดีสำหรับตัวต้านทาน

เพื่อเป็นการเปรียบเทียบ ตัวต้านทานแบบขดลวดสามารถใช้งานได้สูงสุดเพียง 50 kHz เท่านั้น เนื่องจากผลกระทบจากทั้งตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุ แม้ว่าจะใช้การพันขดลวดแบบสองเส้น (ไม่เหนี่ยวนำ) แล้วก็ตาม ความจุระหว่างขดลวดก็ยังจำกัดความถี่สูงสุดที่ใช้งานได้

แอปพลิเคชันบางประเภทที่ไวต่อผลกระทบจากพาราสิตเป็นพิเศษ ได้แก่ วงจรขยายสัญญาณความถี่สูง เครื่องกำเนิดสัญญาณนาฬิกาความถี่ระดับกิกะเฮิร์ตซ์ และวงจรไมโครเวฟ

ตัวอย่างหนึ่งของวงจรที่ใช้ประโยชน์จากผลกระทบของความจุไฟฟ้าแฝงคือ ตัวต้านทานสนับเบอร์ ซึ่งใช้เพื่อป้องกันองค์ประกอบการสวิตช์ (สวิตช์และไทริสเตอร์) จากแรงดันไฟฟ้ากระชากที่เกิดจากโหลดเหนี่ยวนำ เช่น มอเตอร์ไฟฟ้า ในระหว่างการตัดกระแส ตัวต้านทานเหล่านี้มักทำเป็นตัวต้านทานแบบขดลวดสองเส้นเพื่อลดค่าความเหนี่ยวนำ สำหรับการใช้งานสนับเบอร์ ตัวต้านทานจะถูกออกแบบให้ความจุไฟฟ้าอยู่ในอนุกรมกับตัวต้านทาน ไม่ใช่ขนานกับความจุไฟฟ้าแฝงมาตรฐาน