가장 초기의 커패시터 중 일부는 소금물로 채워진 유리 병에 금속 호일로 싸인 단순한 형태였습니다. 라이덴 병이라고 불리는 이 커패시터는 고전압 전하를 저장하는 조잡한 장치였습니다. 초기 실험자들이 전기를 이해하고 이를 활용하는 방법을 이해하는 데 도움이 되었습니다. 수년에 걸쳐 커패시터의 과학은 분명히 더욱 정교해졌고 병은 단계적으로 폐기되었습니다. 커패시터는 가장 작은 회로 기판에 장착할 수 있으며 다양한 양의 전하를 보유할 수 있습니다. 이 수업에서는 커패시터에 대해 배우고 작은 진동 로봇(진동을 사용하여 움직이는 로봇)을 만들어 보겠습니다.
1단계: 커패시터란 무엇인가?
커패시터가 배터리와 같지 않다는 점을 강조하는 것이 중요합니다.
배터리와 커패시터의 차이점은 배터리의 경우 전력이 화학 반응을 통해 생성되고 커패시터의 경우 전하가 전기장에 저장되고 유지된다는 것입니다. 배터리는 커패시터보다 훨씬 더 오랜 기간 동안 더 많은 에너지를 생산할 수 있습니다. 반면 커패시터는 훨씬 적은 전력 저장량에도 불구하고 배터리보다 훨씬 더 많은 에너지를 기하급수적으로 빠르게 방전할 수 있습니다. 이는 많은 에너지가 빠르게 필요할 때 이상적입니다.
커패시터는 유전체라는 절연 재료로 분리된 전도성 금속판으로 구성됩니다. 유전체는 세라믹, 플라스틱, 산화 금속, 유리, 종이와 같은 무엇이든 될 수 있습니다. 예를 들어 전해 커패시터를 쪼개보면 화학적으로 코팅된 필름으로 싸인 두 개의 금속판일 뿐입니다. 전기가 가해지면 금속 도체가 필름의 전자를 분극시키고 전기장을 저장합니다.
이 구식 조절식 커패시터를 보면 서로 닿지 않고 미끄러지는 일련의 금속판일 뿐이라는 것을 알 수 있습니다. 이 시나리오에서 공기는 유전체입니다. 공기가 전기장을 유지하기 위해 충전될 수 있다는 것이 이상하게 보인다면 번개와 Jacob's Ladder 프로젝트를 생각해 보세요.
판 사이에 얼마나 많은 물리적 중첩이 있는지에 따라 얼마나 큰 전기장을 유지할 수 있는지가 결정됩니다. 두 세트의 판이 공유하는 표면적이 클수록 전기장이 커지고 커패시턴스가 커집니다.
전하를 저장하고 전기장을 유지하는 고유한 능력으로 인해 커패시터는 회로 내의 전압 변화에 저항하려는 경향이 있습니다. 따라서 커패시터는 종종 전원과 접지 사이에 연결되어 안정적인 전원 공급을 유지하고 간헐적인 전압 스파이크와 강하를 걸러냅니다.
커패시터는 패럿으로 측정되며, 간단히 대문자 F로 표시합니다. 그러나 일반적으로 접하게 되는 값은 피코패럿(pF), 나노패럿(nF) 또는 마이크로패럿(uF) 범위에 있다는 점을 명심하세요.
커패시터와 관련된 두 개의 회로 기호가 위에 그림으로 나와 있습니다. 왼쪽의 덜 복잡한 기호는 비극성 커패시터를 위한 것이고 오른쪽의 더 복잡한 기호는 극성 전해 커패시터를 위한 것입니다.
2단계:
커패시터는 극성 또는 비극성일 수 있습니다. 간단히 말해서, 극성 커패시터는 전원에 연결해야 하는 양극 리드와 접지에 연결해야 하는 음극 리드가 있습니다. 비극성 커패시터는 어떤 방식으로든 연결할 수 있습니다.
세라믹 디스크 및 마일러 필름 커패시터는 비극성입니다.
전해 커패시터는 극성입니다.
3단계:
저항기와 마찬가지로 커패시터에도 해독해야 할 표시가 있습니다.
세라믹 디스크 커패시터에는 2~3자리 숫자가 인쇄되어 있습니다. 처음 두 숫자는 커패시터의 값을 나타내고 세 번째 숫자(존재하는 경우)는 승수의 0 개수입니다. 처음 두 숫자를 승수에 곱하면 결과 솔루션은 피코패럿 단위의 커패시터 값이 됩니다. 승수가 없는 경우 처음 두 숫자의 값을 피코패럿 단위로 읽으면 됩니다.
예를 들어, 커패시터에 10이라고 적혀 있으면 배수가 1이고 단순히 10pF로 읽힙니다. 반면에 1이 뒤에 오면 10을 곱하여 100pF가 됩니다. 이후의 각 숫자는 배수를 소수점 한 자리 위로 옮깁니다. 104에 도달할 때쯤이면 10이 10,000으로 곱해집니다.
커패시터에 대한 까다로운 점 하나는 피코패럿(pF), 나노패럿(nF), 마이크로패럿(uF)으로 설명할 수 있다는 것입니다. 사용하는 측정 단위는 값을 설명하는 데 가장 합리적인 것에 따라 결정됩니다. 10pF 커패시터를 0.00001uF 커패시터로 설명하지 않는 것과 마찬가지로 0.1uF 커패시터를 100,000pF 커패시터로 설명하지 않습니다. 일반적으로 두 개 이상의 0이 필요한 숫자는 과도합니다.
전해 커패시터를 읽는 것은 조금 더 쉽습니다. 그냥 문자 그대로 읽으면 됩니다. 커패시터에는 커패시턴스와 전압 정격이 직접 인쇄되어 있습니다. 전압 정격에 대해서는 아직 언급하지 않았습니다. 전압 정격은 공급 전압이 결코 초과해서는 안 된다는 점에서만 중요합니다. 우리가 하는 전자 제품 유형에서는 그럴 가능성이 낮습니다.
전해 콘덴서에서 가장 주의 깊게 살펴봐야 할 중요한 부분은 콘덴서의 음극 리드를 나타내는 마이너스 기호가 표시된 줄무늬입니다.
4단계: 고전압 대 슈퍼커패시터
커패시터는 일반적으로 소량의 전하와 전압에 대해 정격이 지정됩니다. 그러나 이러한 추세에 반하는 두 가지 특수한 유형의 커패시터가 있습니다.
고전압 커패시터는 이름에서 알 수 있듯이 많은 양의 전압을 저장할 수 있습니다. 이는 종종 카메라 플래시와 구식 튜브 텔레비전과 같이 벽면에 꽂는 일부 전자 제품에서 발견됩니다. 이러한 커패시터를 마주칠 때는 조심해야 합니다. 충전된 후에도 꽤 오랫동안 전하를 유지할 수 있고 리드를 만지면 엄청나게 감전될 수 있기 때문입니다.
반면 슈퍼커패시터는 일반적으로 매우 낮은 전압이지만 엄청나게 많은 전하를 저장합니다. 예를 들어 전자 제품을 사용할 때 마주칠 수 있는 가장 작은 커패시터는 1pF입니다. 이 단위를 패럿으로 변환하면 0.000000000001F와 같습니다. 간단히 말해서 패럿은 정말 정말 큽니다. 따라서 진동봇 프로젝트에서 사용할 15F 슈퍼커패시터는 속일 수 없을 정도로 많은 양의 에너지를 저장합니다.
슈퍼커패시터의 리드를 만져도 감전될까 봐 걱정하지 않아도 되지만, 슈퍼커패시터의 리드를 전도성 물질과 우연히 교차시키면 금속을 녹일 만큼의 에너지가 빠르게 방출될 수 있습니다. 감전되지는 않을지 몰라도, 부주의하면 심하게 화상을 입을 수 있습니다.