배터리가 휴대용 에너지 저장을 허용하는 것처럼 커패시터는 일시적인 에너지 저장을 허용하며 많은 회로의 중요한 구성 요소입니다.
플래시 카메라와 같은 장치에서 사용할뿐만 아니라 플래시 카메라와 같은 장치에서 사용하기 위해 많은 양의 전하가 서로 분리되어 갑작스런 에너지로 방출 될 수 있습니다. AC 및 DC 전원 간 변환 또는 자기장 충전 및 방전과 같은 다른 전자 프로세스를 중재하여 라디오 튜닝에 유용합니다. 역.
커패시턴스의 정의
커패시턴스는 전위차 (전압)에 걸쳐 전하를 분리하여 에너지를 저장하는 비전 도성 물질의 능력을 측정 한 것입니다. 재료는 유리 또는 PVC 파이프와 같이 비전 도성이어야합니다. 그렇지 않으면 전하가 통과하여 분리되어있을 수 없기 때문입니다.
수학적으로 물체의 커패시턴스씨요금 비율과 동일큐전압에V.
C = \ frac {Q} {V}
정전 용량의 SI 단위는패러 드(에프); 충전,쿨롱(씨); 그리고 전압,볼트(V).전자기학의 선구자 인 Michael Faraday의 이름을 따서 명명 된 패러 드는 1 패러 드가 볼트 당 1 컬럼 또는 1F = 1C / V와 같도록 정의됩니다.
이러한 방식으로 전하를 분리하는 회로의 모든 부분을콘덴서. 따라서 위의 방정식에 따라 커패시터의 주어진 커패시턴스씨전위차가있는 배터리에 연결V, 전기 요금을 저장합니다큐.
병렬 플레이트 커패시터
일반적인 커패시터 유형 중 하나는병렬 플레이트 커패시터. 이러한 장치에서는 이름에서 알 수 있듯이 두 개의 전도 물질 판 (금속과 같은)이 일정 거리에 걸쳐 서로 평행하게 유지됩니다. 접시 사이에는유전체 재료라고도 함단열재.
이것은 전하가 흐르지 못하게하여 양극화 될 수 있습니다. 내부 전하 방향을 바꾸어 모든 긍정이 한쪽에 있고 모든 부정이 다른쪽에 있도록-전기가있는 상태에서 들.
금속 호일 두 장을 플레이트로 사용하고 여러 장의 종이를 그 사이에 끼워 넣은 절연체로 사용하여 누구나 간단한 병렬 플레이트 커패시터를 만들 수 있습니다.
병렬 플레이트 커패시터의 커패시턴스는 한 플레이트의 면적에 따라 달라집니다.ㅏ; 그들 사이의 분리디; 및 유전 상수κ이러한 방식으로 그들 사이의 자료 :
C = \ dfrac {κε_0A} {d}
용어 ε0 ( "epsilon-naught")는유전율8.854 × 10과 같은 상수 인 여유 공간-12 미터당 패럿 (F / m). 유전 상수κ이 기사에 링크 된 것과 같이 테이블에서 조회 할 수있는 단위없는 수량입니다.
다른 유형의 커패시터
모든 유형의 커패시터에 병렬 플레이트가 필요한 것은 아닙니다. 일부는 동축 케이블과 같은 원통형이거나 세포막과 같은 구형입니다 (양의 칼륨 이온을 세포 밖으로 펌핑하고 음의 염화물 이온을 펌핑하여 전하를 유지합니다).
동축 케이블은 비디오, 오디오 및 통신 데이터를 전달하는 데 널리 사용됩니다. 원통형 디자인은 강한 전도성 시트 (종종 구리) 사이에 여러 층의 절연 유전체 재료로 구성되며 모두 젤리 롤처럼 감겨 있습니다.
이를 통해 케이블은 장거리에서 성능 저하없이 약한 전기 신호도 전달할 수 있습니다. 또한 절연 층과 전도 층이 말려 있기 때문에 동축 케이블이 제공 할 수 있습니다. 상대적으로 작은 공간에이 에너지 저장 – 확실히 병렬 플레이트 커패시터보다 더 작은 볼륨 할 수있다.
RC 회로
커패시터의 일반적인 용도 중 하나는 RC 회로에 있으며 저항과 커패시터가 포함되어 있기 때문에 이름이 붙여졌습니다. 두 개의 회로 구성 요소가 병렬로 연결되어 있고 스위치를 통해 회로가 전압 소스와 커패시터 또는 커패시터와 저항의 두 가지 가능한 단일 루프 중 하나에 연결할 수 있다고 가정합니다.
커패시터가 전압 소스에 연결되면 전류가 회로에 흐르고 저장된 전하가 축적되기 시작합니다. 스위치가 뒤집히고 커패시터가 저항에 연결되면 저항이 방전되고 가열됩니다.
충전 중 커패시터 양단의 전압 또는 전위차는 다음과 같습니다.
V_ {커패시터} = V_ {소스} (1-e ^ {t / RC})
둘 다V콘덴서과V출처전압은 볼트이며티초 단위의 시간입니다. 시간 상수RC회로의 저항과 커패시턴스의 곱으로, 저항이나 커패시터가 클수록 충전 또는 방전에 더 많은 시간이 걸립니다. 단위도 초 단위입니다.
반대 과정 (방전시)에서 방정식은 유사합니다.
V_ {커패시터} = V_ {0} e ^ {-t / RC}
어디V0방전을 시작하기 전 커패시터의 초기 충전 전압입니다.
충전은 축적되고 방출되는 데 시간이 걸리고 그 시간은 회로의 요소, RC 회로는 정밀해야하는 많은 전기 장치에 유용합니다. 타이밍. 몇 가지 일반적인 예는 플래시 카메라, 심장 박동기 및 오디오 필터입니다.
계산 예
예 1: 두 개의 0.25m로 구성된 평행 판 커패시터의 정전 용량은 얼마입니까?2 섭씨 20도에서 테프론으로 0.1m 떨어진 알루미늄 판?
한 판의 면적, 분리 및 유전체 재료가 주어지면 Teflon의 유전 상수를 찾는 것으로 시작합니다. 섭씨 20도에서는 2.1입니다 (단위가 없습니다!).
커패시턴스 해결 :
예 2: 100µF (10µF)를 충전하는 데 시간이 얼마나 걸리나요?-6 패러 드) 커패시터가 30V 배터리에 연결되고 10kΩ (1,000 Ohms) 저항이있는 회로에서 20V로?
커패시턴스와 저항을 SI 단위로 변환 한 다음 RC 시간 상수를 계산하여 시작합니다.
C = 100µF = 0.0001F
R = 10kΩ = 10,000Ω
RC = 0.0001F × 10,000Ω = 1 초
그런 다음 충전 커패시터에 대한 공식을 사용하여 시간을 구합니다.티:
V_ {capacitor} = V_ {source} (1-e ^ {t / RC}) \ newline 20 V = 30 V (1-e ^ {t / 1}) \ newline 2/3 = 1-e ^ t \ 개행 1/3 = e ^ t \ newline ln (1/3) = ln (e ^ t) \ newline 1.1 초 = t
커패시터 대. 배터리
커패시터와 배터리는 전자 충전을 저장하고 방출 할 수 있기 때문에 비슷해 보일 수 있습니다. 그러나 몇 가지 주요 차이점이있어 장단점이 다릅니다.
첫째, 커패시터는 충전 된 전기장에 에너지를 저장하고 배터리는 화학 물질에 에너지를 저장하여 화학 반응을 통해 방출합니다. 이러한 물질적 차이로 인해 배터리는 동일한 크기의 커패시터보다 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다.
그러나 에너지를 방출하는 데 필요한 화학 반응은 일반적으로 커패시터의 전기장을 통한 전하 방출보다 느립니다. 따라서 커패시터는 배터리보다 훨씬 빠르게 충전 및 방전 할 수 있으며 짧은 순간에 더 많은 전력을 제공합니다. 또한 커패시터는 일반적으로 배터리보다 내구성이 뛰어나 더 환경 친화적입니다.
이러한 모든 이유로 오늘날 엔지니어들은 커패시터의 저장 한계를 높이고 배터리의 충전 및 방전 시간을 줄이는 방법을 모색하고 있습니다. 그때까지는 장치가 자주 함께 사용됩니다. 예를 들어 카메라의 플래시와 심장 박동기는 배터리와 커패시터를 사용하여 오래 지속되는 에너지를 공급합니다.과더 높은 전압에서 빠른 버스트로 전달합니다.
응용
커패시터는 회로에서 종종 장치가 경험할 수있는 전압 변화를 완화하거나 중재하는 데 사용됩니다. 예를 들어, 가정으로 전달되는 대부분의 에너지는 교류 (AC) 전원으로 공급되며, 이는 "부피 한"전압을 제공하지만 대부분의 가전 제품에는 직류 (DC) 에너지 공급이 필요합니다.
벽의 커패시터는 이러한 장치의 신호를 AC에서 DC로 변환하는 데 도움이됩니다. 들어오는 전압은 커패시터를 충전하고 더 낮은 전압으로 전환되기 시작하면 커패시터는 저장된 에너지의 일부를 방전하기 시작합니다. 이를 통해 다른 쪽의 장치는 커패시터가 없을 때보 다 더 일정한 전압을 계속 경험할 수 있습니다.
커패시터는 라디오 증폭기 또는 오디오 믹서와 같이 전자 신호의 특정 주파수를 필터링해야하는 장치에도 유용합니다. 예를 들어, 회로의 커패시터는 저주파 및 고주파 사운드를 서브 우퍼 또는 트위터와 같은 스피커의 다른 부분으로 보낼 수 있습니다. 또는 커패시터를 사용하여 주파수를 분리하는 라디오 스피커는 일부를 증폭 할 수 있지만 다른 주파수는 증폭 할 수 없으므로 라디오가 튜닝되는 원하는 방송국의 신호를 강화할 수 있습니다.
집적 회로에서 디커플링.커패시터의 가장 보편적 인 용도 중 하나는 집적 회로 (작은 회로)입니다. 대부분의 가전 제품에 사용되는 모든 전기 부품이 포함 된 보드 스마트 폰. 거기에서 커패시터는 갑작스런 다른 전자 부품을 보호하는 차폐 역할을합니다. 공급이 일시적으로 중단 될 때 전압 강하 및 작은 임시 전원으로 작동 발생합니다.
가전 제품에 직류를 제공하는 방법과 유사하게 커패시터는 회로에서 전자 제품의 전압 변화를 버퍼링합니다. 추가 전압을 "흡수"하고 전원이 떨어지기 시작하면 초과 전압을 방출합니다.
집적 회로의 디커플링 커패시터는 특히 전압에 대한 고주파 변화를 제거합니다 (이를 통과하는 전압 변화의 일부를 흡수 할 수 있기 때문에). 이로 인해 나머지 회로 구성 요소는 올바른 작동에 필요한 수준에서보다 고른 전압을 경험하게됩니다.
센서로서의 커패시터.커패시터 설계는 사용되는 재료에 따라 달라지며, 이는 서로 다른 조건에서 서로 다른 전도성 특성을 갖기 때문에 커패시터는 전자 센서에서 중요한 구성 요소입니다.
예를 들어, 습도 센서는 수분 수준의 변화에 따라 전도도를 안정적으로 변경하는 플라스틱 또는 폴리머와 같은 유전체 재료를 사용합니다. 따라서 해당 유전체의 컨덕턴스를 읽음으로써 센서는 상대 습도를 추론합니다.
유사하게, 비행기에있는 것을 포함한 일부 연료 수준 센서는 축전기를 사용하여 탱크에 남아있는 연료의 양을 측정합니다. 이러한 장치에서 연료 자체가 유전체 역할을합니다. 충분히 낮은 수준으로 떨어지면 전도도가 변경되고 조종사에게 경고가 표시됩니다.
아마도 더 일반적인 것은 터치 스크린 장치에 사용되는 정전 용량 스위치 일 것입니다. 사람의 손가락이 화면을 터치하면 소량의 전하가 방전되어 기기의 컨덕턴스를 측정 가능하게 변화시키고 특정 위치를 정확히 가리 킵니다. 이것은 또한 장갑을 끼는 것이 스마트 폰에서 스크롤링을 방해하는 이유를 설명합니다. 장갑에있는 양모 나면은 뛰어난 절연체로서 손가락의 전하가 화면으로 튀지 않도록합니다.
