커패시터 소개
커패시터는 전압 소스에 연결될 때 플레이트에 전하를 저장할 수 있는 간단한 수동 장치입니다.
이 커패시터 소개 튜토리얼에서는 커패시터가 절연 재료로 분리된 두 개 이상의 전도성 재료 조각으로 구성된 수동 전자 부품임을 살펴보겠습니다. 커패시터는 소형 충전식 배터리와 마찬가지로 플레이트 전체에 전위차( 정전압 )를 생성하는 전하의 형태로 에너지를 저장할 수 있는 능력 또는 "용량"을 갖는 구성 요소입니다.
공진 회로에 사용되는 매우 작은 커패시터 비드부터 대형 역률 보정 커패시터까지 다양한 종류의 커패시터를 사용할 수 있지만 모두 동일한 작업을 수행하며 전하를 저장합니다.
기본 형태에서 커패시터는 두 개 이상의 평행한 전도성(금속) 판으로 구성됩니다. 이 판은 서로 연결되거나 접촉되지 않지만 공기나 우수한 절연 재료 형태로 전기적으로 분리되어 있습니다. 이 절연 재료는 왁스칠된 종이, 운모, 세라믹, 플라스틱 또는 전해 콘덴서에 사용되는 액체 젤 형태일 수 있습니다.
커패시터에 대한 좋은 소개로서, 커패시터 플레이트 사이의 절연층을 일반적으로 유전체라고 한다는 점은 주목할 가치가 있습니다 .
일반적인 커패시터
이 절연층으로 인해 DC 전류는 커패시터를 차단하므로 커패시터를 통해 흐를 수 없으며 대신 전압이 전하의 형태로 플레이트에 존재하게 됩니다.
커패시터의 전도성 금속판은 정사각형, 원형 또는 직사각형일 수 있으며 적용 및 전압 정격에 따라 평행판 커패시터의 일반적인 모양, 크기 및 구조를 갖는 원통형 또는 구형일 수 있습니다.
직류 또는 DC 회로에 사용되는 경우 커패시터는 공급 전압까지 충전되지만 커패시터의 유전체는 비전도성이고 기본적으로 절연체이기 때문에 커패시터를 통한 전류 흐름을 차단합니다. 그러나 커패시터가 교류 또는 AC 회로에 연결되면 전류의 흐름은 저항이 거의 또는 전혀 없이 커패시터를 통과하는 것처럼 보입니다.
전하에는 양성자 형태의 양전하와 전자 형태의 음전하 두 가지가 있습니다. DC 전압이 커패시터 양단에 가해지면 양(+ve) 전하가 한 판에 빠르게 축적되고 이에 상응하는 반대 음(-ve) 전하는 다른 판에 축적됩니다. 한 판에 도착하는 +ve 전하의 모든 입자에 대해 동일한 부호의 전하가 -ve 판에서 출발합니다.
그런 다음 플레이트는 전하 중립을 유지하고 이 전하로 인한 전위차가 두 플레이트 사이에 형성됩니다. 커패시터가 정상 상태 상태에 도달하면 플레이트를 분리하는 데 사용되는 유전체의 절연 특성으로 인해 전류가 커패시터 자체와 회로 주변을 통해 흐를 수 없습니다.
플레이트로의 전자 흐름은 커패시터 충전 전류 로 알려져 있으며 , 두 플레이트(및 커패시터) 양단의 전압이 인가된 전압 Vc 와 같아질 때까지 계속해서 흐릅니다 . 이 시점에서 커패시터는 전자로 "완전히 충전"되었다고 합니다.
이 충전 전류의 강도 또는 속도는 플레이트가 완전히 방전되었을 때(초기 조건) 최대값에 도달하고, 소스 전압과 동일한 커패시터 플레이트 전체의 전위차까지 플레이트가 충전됨에 따라 값이 천천히 0으로 감소합니다.
커패시터에 존재하는 전위차의 양은 소스 전압에 의해 수행되는 작업에 의해 플레이트에 축적된 전하의 양과 커패시터의 커패시턴스에 따라 달라지며 이는 아래에 설명되어 있습니다.
평행판 커패시터는 가장 간단한 형태의 커패시터이다. 이는 서로 평행한 거리에 있는 두 개의 금속 또는 금속화 호일 플레이트를 사용하여 구성할 수 있으며, 정전용량 값(패럿)은 전도성 플레이트의 표면적과 이들 사이의 분리 거리에 의해 고정됩니다. 이들 값 중 두 개를 변경하면 커패시턴스 값이 변경되며 이는 가변 커패시터 작동의 기초를 형성합니다.
또한, 커패시터는 전자 에너지를 플레이트에 전하의 형태로 저장하기 때문에 플레이트가 클수록 그리고/또는 플레이트 사이의 간격이 작을수록 커패시터가 플레이트에 걸쳐 주어진 전압에 대해 유지하는 전하도 더 커집니다. 즉, 더 큰 플레이트, 더 작은 거리, 더 많은 커패시턴스입니다.
커패시터에 전압을 가하고 플레이트의 전하를 측정함으로써 전압 V 에 대한 전하 Q 의 비율이 커패시터의 커패시턴스 값을 제공하므로 다음과 같이 주어집니다. C = Q/V 이 방정식은 또한 다음과 같이 나타낼 수 있습니다. - 평판의 전하량에 대해 다음과 같은 친숙한 공식을 제공하도록 배열되었습니다. Q = C x V
전하는 축전기의 판에 저장된다고 말했지만, 전하 내의 에너지는 두 판 사이의 "정전기장"에 저장된다고 말하는 것이 더 정확합니다. 커패시터에 전류가 흐르면 커패시터가 충전되므로 플레이트 사이에 더 많은 에너지를 저장하므로 정전기장이 훨씬 더 강해집니다.
마찬가지로, 커패시터에서 흘러나오는 전류가 방전되면서 두 판 사이의 전위차가 감소하고 에너지가 판 밖으로 이동함에 따라 정전기장이 감소합니다.
정전기장의 형태로 플레이트에 전하를 저장하는 커패시터의 특성을 커패시터의 커패시턴스 라고 합니다. 뿐만 아니라, 커패시턴스는 전압 변화에 저항하는 커패시터의 특성이기도 합니다.
커패시터의 커패시턴스
커패시턴스는 커패시터의 전기적 특성이며 두 개의 플레이트에 전하를 저장하는 커패시터 능력의 척도이며 커패시턴스 단위는 영국 물리학자 Michael Faraday의 이름을 딴 Farad ( F 로 약칭 )입니다.
정전용량은 1볼트 의 전압으로 플레이트에 1쿨롱 의 전하를 축적시켰을 때 커패시터가 1패럿 의 정전용량을 갖는 것으로 정의됩니다 . 커패시턴스 C 는 항상 양수 값이며 음수 단위가 없습니다. 그러나 패럿은 자체적으로 사용하기에는 매우 큰 측정 단위이므로 예를 들어 마이크로 패럿, 나노 패럿, 피코 패럿과 같은 패럿의 약수(sub-multiple)가 일반적으로 사용됩니다.
표준 용량 단위
- 마이크로패럿(μF) 1μF = 1/1,000,000 = 0.000001 = 10 -6F
- 나노패럿(nF) 1nF = 1/1,000,000,000 = 0.000000001 = 10 -9 F
- 피코패럿(pF) 1pF = 1/1,000,000,000,000 = 0.000000000001 = 10 -12F
그런 다음 위의 정보를 사용하여 그림과 같이 피코 패럿(pF), 나노 패럿(nF), 마이크로 패럿(μF) 및 패럿(F) 간을 변환하는 데 도움이 되는 간단한 테이블을 구성할 수 있습니다.
| 피코패럿(pF) | 나노패럿(nF) | 마이크로패럿(μF) | 패럿(F) |
| 1,000 | 1.0 | 0.001 | |
| 10,000 | 10.0 | 0.01 | |
| 1,000,000 | 1,000 | 1.0 | |
| 10,000 | 10.0 | ||
| 100,000 | 100 | ||
| 1,000,000 | 1,000 | 0.001 | |
| 10,000 | 0.01 | ||
| 100,000 | 0.1 | ||
| 1,000,000 | 1.0 |
커패시터 소개 – 커패시턴스
평행판 커패시터의 커패시턴스는 두 판 중 가장 작은 판의 면적 A (미터 2) 에 비례하고 이 두 전도성 판 사이의 거리 또는 간격 d (즉, 유전체 두께)(미터 단위)에 반비례합니다.
평행판 커패시터의 커패시턴스에 대한 일반화된 방정식은 다음과 같습니다. C = ε (A/d) 여기서 ε는 사용되는 유전체 재료의 절대 유전율을 나타냅니다. "자유 공간의 유전율"이라고도 알려진 유전 상수 εo 는 미터당 8.854 x 10 -12 패럿 상수 값을 갖습니다 .
수학을 좀 더 쉽게 하기 위해 1/(4π x 9×10 9 ) 로 쓸 수 있는 자유 공간의 유전 상수 ε o 는 미터당 피코패럿(pF) 단위를 상수로 가질 수도 있습니다. 제공: 여유 공간 값은 8.85입니다 . 결과적인 커패시턴스 값은 패럿이 아닌 피코패럿 단위입니다.
일반적으로 커패시터의 전도성 판은 완벽한 진공이 아닌 일종의 절연 물질이나 젤로 분리됩니다. 커패시터의 정전 용량을 계산할 때 공기, 특히 건조한 공기의 유전율은 매우 가깝기 때문에 진공과 동일한 값으로 간주할 수 있습니다.
커패시터 소개 예 No1
커패시터는 서로 6mm 간격으로 떨어져 있는 30cm x 50cm 크기의 두 개의 전도성 금속판으로 구성되며 건조 공기를 유일한 유전체 재료로 사용합니다. 커패시터의 커패시턴스를 계산하십시오.
그런 다음 공기로 분리된 두 개의 플레이트로 구성된 커패시터의 값은 0.221nF 또는 221pF로 계산됩니다.
커패시터 소개 - 유전체
전도성 플레이트의 전체 크기와 그 거리 또는 서로 떨어져 있는 간격뿐만 아니라 장치의 전체 정전 용량에 영향을 미치는 또 다른 요소는 사용되는 유전체 재료의 유형입니다. 즉, 유전체의 "유전율"( ε )입니다.
커패시터의 전도성 판은 일반적으로 전자와 전하의 흐름을 허용하는 금속 호일 또는 금속 필름으로 만들어지지만 사용되는 유전체 재료는 항상 절연체입니다. 커패시터의 유전체로 사용되는 다양한 절연 재료는 전하를 차단하거나 전달하는 능력이 다릅니다.
이 유전체 재료는 공기, 종이, 폴리에스터, 폴리프로필렌, 마일라(Mylar), 세라믹, 유리, 오일 또는 기타 다양한 재료와 같이 가장 일반적으로 사용되는 유형의 다양한 절연 재료 또는 이러한 재료의 조합으로 만들어질 수 있습니다.
유전 물질 또는 절연체가 공기에 비해 커패시터의 커패시턴스를 증가시키는 요인은 유전 상수 k 로 알려져 있으며 유전 상수가 높은 유전 물질은 유전 상수가 낮은 유전 물질보다 더 나은 절연체입니다. . 유전 상수는 자유 공간에 상대적이므로 무차원 양입니다.
플레이트 사이의 유전체 물질의 실제 유전율 또는 "복소 유전율"은 자유 공간의 유전율( εo ) 과 유전체로 사용되는 물질 의 비유전율( εr ) 의 곱이며 다음과 같이 제공됩니다.
복소 유전율
즉, 자유 공간의 유전율 εo 를 기본 레벨로 삼아 이를 1과 동일하게 만들고, 자유 공간의 진공이 다른 유형의 절연 재료로 대체될 때 유전체의 유전율은 다음과 같습니다. 자유 공간의 기본 유전체는 "상대 유전율", εr 로 알려진 곱셈 인자를 제공합니다 . 따라서 복소 유전율의 값인 ε은 항상 상대 유전율에 1을 곱한 것과 같습니다.
일반적인 재료 의 유전율, ε 또는 유전 상수의 일반적인 단위는 순수 진공 = 1.0000, 공기 = 1.0006, 종이 = 2.5 ~ 3.5, 유리 = 3 ~ 10, 운모 = 5 ~ 7, 목재 = 3 ~ 8 및 금속 산화물입니다. 분말 = 6 ~ 20 등. 이는 다음과 같이 커패시터의 커패시턴스에 대한 최종 방정식을 제공합니다.
크기를 작게 유지하면서 커패시터의 전체 커패시턴스를 늘리는 데 사용되는 한 가지 방법은 단일 커패시터 본체 내에서 더 많은 플레이트를 함께 "삽입"하는 것입니다. 한 세트의 평행판 대신 커패시터는 여러 개의 개별 판을 서로 연결하여 판의 표면적 A 를 늘릴 수 있습니다.
위에 표시된 표준 평행판 커패시터의 경우 커패시터에는 A 와 B 로 표시된 두 개의 판이 있습니다 . 따라서 커패시터 플레이트의 개수가 2개이므로 n = 2 라고 말할 수 있습니다 . 여기서 n은 플레이트의 개수를 나타냅니다.
그러면 단일 평행판 커패시터에 대한 위의 방정식은 실제로 다음과 같아야 합니다.
그러나 커패시터는 두 개의 평행한 플레이트를 가질 수 있지만 각 플레이트의 다른 쪽은 커패시터의 외부를 형성하므로 각 플레이트의 한쪽만 중앙의 유전체와 접촉합니다. 플레이트의 두 반쪽을 가져와 함께 결합하면 사실상 유전체와 접촉하는 "하나"의 전체 플레이트만 갖게 됩니다.
단일 평행판 커패시터의 경우 n – 1 = 2 – 1 은 1 과 같습니다. C = (ε o *ε r x 1 x A)/d 는 C = (ε o *ε r * A)/d 는 위의 표준 방정식입니다.
이제 9개의 인터리브 플레이트로 구성된 커패시터가 있고 그림과 같이 n = 9 라고 가정합니다 .
다판 커패시터
이제 하나의 리드( A )에 5개의 플레이트가 연결되고 다른 리드( B )에 4개의 플레이트가 연결됩니다. 그런 다음 리드 B 에 연결된 4개의 플레이트의 양쪽이 유전체와 접촉하는 반면, A 에 연결된 각 외부 플레이트의 한쪽만 유전체와 접촉합니다. 그러면 위와 같이 각 플레이트 세트의 유용한 표면적은 8개에 불과하므로 정전용량은 다음과 같이 계산됩니다.
최신 커패시터는 절연 유전체의 특성과 특성에 따라 분류될 수 있습니다.
- 운모, Low-K 세라믹, 폴리스티렌 등 저손실, 고안정성.
- 종이, 플라스틱 필름, High-K 세라믹 등 중간 손실, 중간 안정성 .
- 전해액, 탄탈륨과 같은 극성 커패시터 .
커패시터 소개 - 정격 전압
모든 커패시터에는 최대 전압 정격이 있으며 커패시터를 선택할 때 커패시터에 적용되는 전압의 양을 고려해야 합니다. 유전체 물질을 손상시키지 않고 커패시터에 적용할 수 있는 최대 전압량은 일반적으로 데이터 시트에 WV (작동 전압) 또는 WV DC (DC 작동 전압)로 표시됩니다.
커패시터 양단에 적용된 전압이 너무 커지면 유전체가 파손되고(전기적 항복으로 알려짐) 커패시터 플레이트 사이에 아크가 발생하여 단락이 발생합니다. 커패시터의 작동 전압은 사용되는 유전체 재료의 유형과 두께에 따라 달라집니다.
커패시터의 DC 작동 전압은 100V DC의 DC 정격 전압을 갖는 커패시터로서 최대 AC 전압이 아닌 최대 DC 전압이 100V의 교류 전압을 안전하게 받을 수 없다는 것입니다. RMS 값이 100V인 교류 전압의 피크 값은 141V를 초과하므로! ( √ 2 x 100 ).
그러면 100V AC에서 작동하는 데 필요한 커패시터는 최소 200V의 작동 전압을 가져야 합니다. 실제로 커패시터는 DC 또는 AC의 작동 전압이 적용되는 최고 유효 전압보다 최소 50% 이상 높아야 하도록 선택해야 합니다.
커패시터의 작동에 영향을 미치는 또 다른 요소는 유전 누출 입니다 . 유전체 누출은 유전체 물질을 통해 흐르는 원치 않는 누설 전류의 결과로 커패시터에서 발생합니다.
일반적으로 유전체의 저항은 매우 높고 우수한 절연체는 커패시터(완벽한 커패시터에서와 같이)를 통해 한 플레이트에서 다른 플레이트로 DC 전류의 흐름을 차단한다고 가정합니다.
그러나 과도한 전압이나 과열로 인해 유전체 재료가 손상되면 유전체를 통한 누설 전류가 극도로 높아져서 플레이트의 전하가 급속히 손실되고 커패시터가 과열되어 결국 커패시터가 조기에 고장나게 됩니다. 그런 다음 커패시터 정격보다 높은 전압을 갖는 회로에서는 커패시터를 사용하지 마십시오. 그렇지 않으면 뜨거워지고 폭발할 수 있습니다.
커패시터 요약 소개
우리는 이 튜토리얼에서 커패시터의 역할이 플레이트에 전하를 저장하는 것임을 확인했습니다. 커패시터가 플레이트에 저장할 수 있는 전하량은 커패시턴스 값으로 알려져 있으며 세 가지 주요 요소에 따라 달라집니다.
- 표면적 – 커패시터를 구성하는 두 전도성 플레이트의 표면적 A 로, 면적이 클수록 커패시턴스가 커집니다.
- 거리 – 두 플레이트 사이의 거리 d로 , 거리가 작을수록 커패시턴스가 커집니다.
- 유전체 재료 - "유전체"라고 불리는 두 개의 판을 분리하는 재료 유형으로, 유전체의 유전율이 높을수록 정전 용량도 커집니다.
우리는 또한 커패시터가 서로 접촉하지 않고 유전체라는 물질로 분리된 금속판으로 구성되어 있음을 살펴보았습니다. 커패시터의 유전체는 공기 또는 진공일 수 있지만 일반적으로 왁스칠된 종이, 유리, 운모와 같은 다양한 유형의 플라스틱 등과 같은 비전도성 절연 재료입니다. 유전체는 다음과 같은 장점을 제공합니다.
- 유전 상수는 유전체 재료의 특성이며 재료마다 다르며 커패시턴스가 k 배 증가합니다 .
- 유전체는 두 플레이트 사이에 기계적 지지를 제공하여 플레이트가 접촉하지 않고 서로 더 가까워질 수 있도록 합니다.
- 유전체의 유전율은 커패시턴스를 증가시킵니다.
- 유전체는 공기에 비해 최대 작동 전압을 증가시킵니다.
커패시터는 오디오 신호, 펄스, 교류 또는 기타 시변 파형을 전달하는 동안 DC 전류를 차단하는 등 다양한 응용 분야 및 회로에 사용할 수 있습니다. DC 전류를 차단하는 이러한 기능을 통해 커패시터를 사용하여 전원 공급 장치의 출력 전압을 평활화하고 반도체 또는 디지털 구성 요소의 손상이나 잘못된 트리거링을 유발하는 경향이 있는 신호에서 원치 않는 스파이크를 제거할 수 있습니다.
커패시터는 오디오 회로의 주파수 응답을 조정하거나 DC 전류 전송으로부터 보호해야 하는 별도의 증폭기 스테이지를 함께 연결하는 데에도 사용할 수 있습니다.
DC 공급 장치에 사용될 때 커패시터는 무한 임피던스(개방 회로)를 가지며 매우 높은 주파수에서는 커패시터의 임피던스가 0(단락 회로)입니다. 모든 커패시터에는 최대 작동 DC 전압 정격(WVDC)이 있으므로 공급 전압보다 최소 50% 더 높은 정격 전압을 가진 커패시터를 선택하는 것이 좋습니다.
우리는 이 커패시터 튜토리얼 소개에서 매우 다양한 커패시터 스타일과 유형이 있으며 각각 고유한 장점, 단점 및 특성을 가지고 있음을 확인했습니다. 모든 유형을 포함하면 이 튜토리얼 섹션이 매우 커지므로 커패시터에 대한 다음 튜토리얼에서는 가장 일반적으로 사용되는 유형으로 제한하겠습니다.