กระแสรั่วของตัวเก็บประจุเปลี่ยนวงจรจับเวลาอย่างไร

ตัวเก็บประจุในแบบจำลองพื้นฐานหยุดรับกระแสตรงเมื่อชาร์จถึงแรงดันแหล่งจ่าย แต่ชิ้นส่วนจริงมีทางรั่วเล็กน้อยผ่านฉนวนและบริเวณเกี่ยวข้อง กระแสระดับที่ดูเล็กมากอาจไม่สำคัญในรางจ่ายไฟ แต่มีผลมากในวงจรจับเวลาที่ชาร์จผ่านตัวต้านทานหลายเมกะโอห์ม การวิเคราะห์จึงต้องเปรียบเทียบกระแสรั่วกับกระแสที่วงจรตั้งใจใช้งาน ไม่ตัดสินจากคำว่าไมโครแอมป์เพียงอย่างเดียว

กระแสหลังจ่ายไฟมีหลายองค์ประกอบ

ทันทีที่จ่ายแรงดัน กระแสส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการเพิ่มประจุของตัวเก็บประจุ ต่อมาจะมีกระแสจากการตอบสนองที่ช้าของไดอิเล็กทริกร่วมอยู่ และเมื่อเวลาผ่านไปผลเหล่านั้นลดลงจึงเห็นส่วนที่เรียกว่ากระแสรั่วชัดขึ้น การเอากระแสที่วัดได้ทันทีหลังต่อไฟไปเรียกกระแสรั่วทั้งหมดทำให้ประเมินฉนวนผิด ความต้านทานฉนวนจึงต้องระบุว่าอ่านหลังจ่ายแรงดันนานเท่าใดและภายใต้เงื่อนไขใด

แบบจำลองอย่างง่ายแทนกระแสรั่วด้วยความต้านทาน Rรั่ว ขนานกับความจุ แล้วใช้ Iรั่ว = V / Rรั่ว ได้ในช่วงที่พฤติกรรมใกล้เชิงเส้น ตัวเก็บประจุจริงไม่จำเป็นต้องมี Rรั่ว คงที่ทุกแรงดันและอุณหภูมิ บางเอกสารจึงระบุกระแสรั่วสูงสุดหรือผลคูณความต้านทานกับความจุภายใต้การทดสอบที่กำหนด การเปรียบเทียบต่างรหัสต้องรักษาแรงดัน อุณหภูมิ และเวลารอให้สอดคล้องกัน

1. 1
   ช่วงเริ่มต้น

   กระแสมีส่วนชาร์จ C มาก จึงยังใช้กระแสทั้งหมดแทนกระแสรั่วไม่ได้

2. 2
   การตอบสนองช้า

   ไดอิเล็กทริกยังมีส่วนดูดซับที่ค่อยลดลงตามเวลา

3. 3
   อ่านตามเงื่อนไข

   วัดหลังเวลาที่กำหนด พร้อมแรงดันและอุณหภูมิ เพื่อเทียบข้อมูลฉนวนอย่างมีความหมาย

เวลาอ่านค่าเป็นส่วนหนึ่งของเงื่อนไขวัดความต้านทานฉนวน

สถานการณ์สมมติ: กระแสรั่วทำให้วงจรไม่ถึงแรงดันที่ต้องการ

สมมติวงจร 5 โวลต์ชาร์จ C = 1 ไมโครฟารัดผ่าน R = 1 เมกะโอห์ม ถ้าละเลยกระแสรั่ว เวลาคงตัวคือหนึ่งวินาทีและแรงดันปลายทางคือ 5 โวลต์ หากสมมติทางรั่วเทียบเท่า 4 เมกะโอห์มขนาน C ปลายทางจะลดเป็น 5 × 4 / (1 + 4) = 4 โวลต์ กระแสเมื่อคงตัวคือหนึ่งไมโครแอมป์ ซึ่งทำให้แรงดันตกคร่อมตัวต้านทานชาร์จหนึ่งโวลต์ได้พอดี

ความต้านทานสมมูลที่ C เห็นคือ 1 เมกะโอห์มขนาน 4 เมกะโอห์ม หรือ 0.8 เมกะโอห์ม จึงได้ τ = 0.8 วินาที แม้ค่าคงตัวลดลง แต่เวลาขึ้นถึงเกณฑ์ 3 โวลต์กลับเป็น −0.8 × ln(1 − 3 / 4) = 1.109 วินาทีโดยประมาณ ขณะที่กรณีไม่มีรั่วใช้ −1 × ln(1 − 3 / 5) = 0.916 วินาที ถ้าเกณฑ์เป็น 4.5 โวลต์ วงจรที่มีทางรั่วนี้จะไม่ถึงเกณฑ์เลย ตัวอย่างแสดงว่าดูเพียงค่า RC อาจตีความทิศทางเวลาผิด

แยกทางรั่วในตัวชิ้นส่วนออกจากรอยต่อรอบข้าง

ทางรั่วที่จุดจับเวลาอาจไม่ได้อยู่ในตัวเก็บประจุอย่างเดียว คราบบนแผ่นวงจร ความชื้น ขาอินพุตของวงจรอ่าน และเครื่องวัดล้วนเพิ่มทางกระแสได้ หากวัดทั้งชุดแล้วพบปลายทางต่ำ จึงควรเริ่มจากแบบจำลองทางขนานทั้งหมดก่อนตัดสินชิ้นส่วน การทำความสะอาดด้วยวิธีที่เหมาะกับวัสดุและปล่อยให้แห้งตามกระบวนการอาจเปลี่ยนผลได้ แต่ต้องบันทึกว่าเปลี่ยนเงื่อนไขใด ไม่ใช้ผลครั้งเดียวมายืนยันว่าตัวเก็บประจุไม่มีส่วนเกี่ยวข้อง

สมมติเครื่องวัดมีความต้านทานอินพุต 10 เมกะโอห์ม เมื่อวัดจุดที่ตั้งใจใช้ตัวต้านทานชาร์จ 1 เมกะโอห์ม เครื่องอ่านเองก็สร้างวงจรแบ่งแรงดันที่มีผลสังเกตได้แล้ว แม้ตัวเก็บประจุสมบูรณ์ในแบบจำลองก็ตาม การวัดวงจรอิมพีแดนซ์สูงจึงต้องคิดภาระเครื่องมือทุกครั้ง และความละเอียดหน้าจอสูงไม่ได้แปลว่าภาระทางไฟฟ้าต่ำ

1. 1
   ปลายทางลด

   5 × 4 / (1 + 4) = 4 โวลต์ จากการแบ่งแรงดันกับทางรั่ว

2. 2
   ค่าคงตัวลด

   1 เมกะโอห์มขนาน 4 เมกะโอห์มได้ 0.8 เมกะโอห์ม จึงได้ τ = 0.8 วินาที

3. 3
   ถึง 3 โวลต์

   เวลา −0.8 × ln(1 − 3 / 4) ≈ 1.109 วินาที เทียบกับไม่มีรั่วประมาณ 0.916 วินาที

4. 4
   เกณฑ์สูงเกิน

   เกณฑ์ 4.5 โวลต์จะไม่มีวันถึงในแบบจำลองที่ปลายทางเหลือเพียง 4 โวลต์

ตัวอย่างสมมติไฟ 5 โวลต์ R ชาร์จ 1 เมกะโอห์ม C 1 ไมโครฟารัด และทางรั่ว 4 เมกะโอห์ม

วิธีนำไปใช้เลือกค่าและวางการทดสอบ

1. คำนวณกระแสชาร์จที่เหลือใกล้แรงดันเกณฑ์ เพราะช่วงนี้มักมีส่วนเผื่อกระแสน้อยกว่าช่วงเริ่มต้น
2. รวมกระแสรั่วและกระแสอินพุตที่อาจดึงออกจากจุดนั้น โดยใช้ขอบเขตตามอุณหภูมิที่ต้องรองรับ
3. คำนวณแรงดันปลายทางก่อนคำนวณเวลา หากปลายทางไม่ถึงเกณฑ์ ให้แก้ความสัมพันธ์กระแสแทนการเพิ่มความจุ
4. พิจารณาลด R และเพิ่ม C เพื่อคง RC เมื่อเหมาะสม แต่ตรวจชนิดตัวเก็บประจุ ขนาด และกระแสรั่วของตัวเลือกใหม่ด้วย
5. ทดสอบบนวงจรแรงดันต่ำที่สะอาดและแยกจากระบบอื่น พร้อมบันทึกเวลาหลังจ่ายไฟก่อนอ่านค่า

ข้อผิดพลาดและข้อจำกัดในการยืนยันค่ารั่ว

กระแสในช่วงแรกอาจทำให้ย่านวัดกระแสต่ำเกินช่วง และภาระแรงดันของแอมมิเตอร์อาจทำให้แรงดันคร่อมชิ้นส่วนไม่เท่าที่ตั้งไว้ การต่อเครื่องมือจึงต้องตามคู่มือและเริ่มจากช่วงที่เหมาะสม ไม่ควรต่อมิเตอร์ย่านกระแสขนานกับแหล่งจ่ายเพื่อหากระแสรั่ว เพราะนั่นเป็นการลัดวงจรผ่านเครื่องวัด สำหรับการสาธิตทั่วไป การใช้ตัวต้านทานรั่วจำลองให้ผลที่คำนวณตรวจได้ง่ายกว่าการพยายามวัดกระแสฉนวนขนาดเล็กมากโดยไม่มีเครื่องมือรองรับ

แรงดันที่กลับปรากฏเล็กน้อยหลังคายประจุอาจเกี่ยวข้องกับการดูดซับไดอิเล็กทริก จึงไม่ควรสรุปว่าเป็นการชาร์จจากภายนอกหรือความผิดปกติแบบเดียวกับการรั่ว กระบวนการคายประจุควรใช้ตัวต้านทานที่เหมาะสมและตรวจซ้ำก่อนจับชิ้นส่วน บทนี้ไม่ได้เสนอการทดสอบฉนวนด้วยแรงดันสูง และห้ามนำวิธีสาธิตไปใช้กับชุดแรงดันสูงหรือวงจรความปลอดภัยของยานยนต์

ตรวจสอบผลด้วยปลายทางและเวลาผ่านเกณฑ์ร่วมกัน

สำหรับตัวต้านทานรั่วจำลอง ให้บันทึกแรงดันปลายทางและเวลาถึงเกณฑ์ที่ทราบ แล้วเปรียบเทียบทั้งสองค่ากับแบบจำลอง หากเวลาผิดแต่ปลายทางตรง ให้ตรวจความจุจริงและแรงดันเริ่มต้น หากปลายทางผิดด้วย ให้ตรวจแขนงรั่วเพิ่มและภาระเครื่องมือ เมื่อถอดตัวต้านทานรั่วจำลองออกโดยตัดไฟก่อน ผลควรกลับใกล้พฤติกรรมเดิมตามความคลาดชิ้นส่วน ข้อสรุปที่ได้คือความเข้าใจผลของทางรั่ว ไม่ใช่ค่ารับรองความต้านทานฉนวนของตัวเก็บประจุทุกตัว