전자 장치를 설계하기 위한 요소 기반은 점점 더 복잡해지고 있습니다. 장치는 지정된 기능 및 소프트웨어 제어를 통해 집적 회로로 결합됩니다. 그러나 개발의 중심에는 커패시터, 저항기, 다이오드 및 트랜지스터와 같은 기본 장치가 있습니다.
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커패시터 란 무엇입니까?
전하의 형태로 전기를 저장하는 장치를 커패시터라고 합니다.
물리학에서 전기 또는 전하의 양은 쿨롱(Cl)으로 측정됩니다. 전기 커패시턴스는 패럿(F)으로 계산됩니다.
1 패럿의 전기 용량을 가진 독방 도체는 13 태양 반경과 같은 반경을 가진 금속 공입니다. 따라서 커패시터는 유전체로 분리된 2개 이상의 도체를 포함합니다. 단순한 디자인에서 장치는 종이입니다.
DC 회로의 커패시터는 전원 공급 장치를 켜고 끌 때 작동합니다. 과도 상태 동안에만 코일의 전위가 변경됩니다.
AC 회로의 커패시터는 전원 전압의 주파수와 동일한 주파수로 재충전됩니다. 지속적인 충전과 방전의 결과로 전류가 소자를 통해 흐릅니다. 더 높은 주파수는 장치의 더 빠른 재충전을 의미합니다.
커패시터가 있는 회로의 저항은 전류의 주파수에 따라 다릅니다. 0 DC 주파수에서 저항 값은 무한대가 되는 경향이 있습니다. AC 주파수가 증가하면 저항이 감소합니다.
커패시터가 사용되는 곳
전자, 라디오 및 전기 장치의 작동은 커패시터 없이는 불가능합니다.
전기 공학에서 비동기 모터를 시작할 때 위상을 이동하는 데 사용됩니다. 위상 변이가 없으면 교류 단상 네트워크의 3상 유도 전동기가 작동하지 않습니다.
수 패럿의 커패시턴스를 갖는 커패시터는 전기 자동차에서 모터 전원으로 사용되는 이온 커패시터입니다.
커패시터가 필요한 이유를 이해하려면 측정 장치의 10-12%가 외부 환경 매개변수가 변경될 때 전기 커패시턴스를 변경하는 원리로 작동한다는 것을 알아야 합니다. 특수 장치의 커패시턴스 응답은 다음과 같은 용도로 사용됩니다.
- 포탄 사이의 거리를 늘리거나 줄여 약한 움직임을 기록합니다.
- 유전 저항의 변화를 기록하여 습도 측정;
- 액체의 레벨을 측정하여 요소가 채워질 때 요소의 용량을 변경합니다.
커패시터 없이 자동 및 계전기 보호를 설계하는 것은 상상하기 어렵습니다. 일부 보호 논리는 장치 재충전의 다양성을 고려합니다.
용량 성 요소는 이동 통신 장치, 라디오 및 텔레비전 장비의 회로에 사용됩니다. 커패시터는 다음에서 사용됩니다.
- 고주파 및 저주파 증폭기;
- 전원 공급 장치;
- 주파수 필터;
- 음향 증폭기;
- 프로세서 및 기타 마이크로 회로.
전자 장치의 배선도를 보면 커패시터가 무엇을 위한 것인지에 대한 답을 쉽게 찾을 수 있습니다.
커패시터의 작동 원리
DC 회로에서 한 판에는 양전하가 수집되고 다른 판에는 음전하가 수집됩니다. 상호 인력을 통해 입자는 장치에 함께 고정되고 입자 사이의 유전체는 입자가 연결되는 것을 방지합니다. 유전체가 얇을수록 전하가 더 강하게 연결됩니다.
커패시터는 커패시턴스를 채우는 데 필요한 양의 전기를 사용하고 전류는 멈춥니다.
회로에 일정한 전압이 있으면 소자는 전원이 꺼질 때까지 전하를 유지합니다. 그런 다음 회로의 부하를 통해 방전됩니다.
커패시터를 통한 교류는 다르게 움직입니다. 진동의 처음 1/4 주기는 장치의 충전 순간입니다. 충전 전류의 진폭은 기하급수적으로 감소하고 분기가 끝날 때까지 0으로 감소합니다. 이 지점에서 EMF는 진폭에 도달합니다.
기간의 두 번째 1/4에서 EMF가 감소하고 전지가 방전되기 시작합니다. 초기에 EMF의 감소는 작고 방전 전류도 작습니다. 동일한 지수 의존성에 따라 증가합니다. 기간이 끝날 때까지 EMF는 0이 되고 전류는 진폭 값과 같습니다.
진동 기간의 세 번째 ¼에서 EMF는 방향을 변경하고 0을 통과하여 증가합니다. 단자의 전하 부호가 반대로 되어 있습니다. 전류는 크기가 감소하고 방향을 유지합니다. 이때 전류는 동위상 전압보다 90° 앞서 있다.
인덕턴스 코일에서는 반대 현상이 발생합니다. 전압이 전류보다 앞서 있습니다. 이 속성은 RC 또는 RL 회로를 사용할지 여부를 선택하는 최전선에 있습니다.
진동의 마지막 1/4에서 사이클이 끝날 때 EMF는 0으로 떨어지고 전류는 진폭 값에 도달합니다.
"커패시턴스"는 한 주기에 2번 방전 및 충전하고 교류를 전도합니다.
이것은 프로세스에 대한 이론적 설명입니다. 회로의 요소가 장치에서 직접 작동하는 방식을 이해하려면 회로의 유도성 및 용량성 저항, 다른 참가자의 매개변수를 계산하고 외부 환경의 영향을 고려합니다.
기본 특성 및 속성
전자 장치를 만들고 수리하는 데 사용되는 커패시터 매개변수는 다음과 같습니다.
- 커패시턴스 - C. 장치가 보유하는 전하량을 결정합니다. 정격 용량의 값은 케이스에 표시되어 있습니다. 셀은 회로에 병렬 또는 직렬로 연결되어 필요한 값을 생성합니다. 연산 값은 계산된 값과 동일하지 않습니다.
- 공진 주파수는 fp입니다. 전류 주파수가 공진 주파수보다 크면 소자의 유도 특성이 분명해집니다. 이것은 작동을 어렵게 만듭니다. 회로에 정격 전력을 제공하려면 공진 값보다 낮은 주파수에서 커패시터를 사용하는 것이 좋습니다.
- 정격 전압은 Un입니다. 소자의 파손을 방지하기 위해 동작 전압을 정격 전압보다 낮게 설정합니다. 이것은 커패시터의 경우에 표시됩니다.
- 극성. 잘못 연결하면 고장 및 고장이 발생합니다.
- 전기 절연 저항 - Rd. 장치의 누설 전류를 결정합니다. 장치에서 부품은 서로 가깝게 위치합니다. 누설 전류가 높으면 회로의 기생 결합이 가능합니다. 이로 인해 오작동이 발생합니다. 누설 전류는 소자의 용량 특성을 저하시킵니다.
- 온도 계수 - TKE. 이 값은 매체의 온도가 변동할 때 장치의 커패시턴스가 어떻게 변하는지를 결정합니다. 이 매개변수는 열악한 환경에서 사용할 장치를 설계할 때 사용됩니다.
- 기생 피에조 효과. 일부 유형의 커패시터는 변형될 때 장치에 노이즈를 생성합니다.
커패시터 유형 및 유형
용량성 요소는 설계에 사용된 유전체 유형에 따라 분류됩니다.
종이 및 금속 축전기
소자는 DC 또는 약하게 맥동하는 전압이 있는 회로에 사용됩니다. 설계의 단순성은 성능 안정성을 10-25% 낮추고 손실을 증가시킵니다.
종이 축전기에서 알루미늄 호일 덮개는 종이로 분리됩니다. 어셈블리를 꼬아서 원통형 또는 직육면체 케이스에 넣습니다.
이 장치는 -60 ... +125°C의 온도에서 작동하며 저전압 장치의 정격 전압은 최대 1600V, 고전압 장치의 정격 전압은 1600V 이상이며 최대 수십 μF의 용량을 갖습니다.
금속 종이 장치에서 호일 대신 얇은 금속 층이 유전체 종이에 적용됩니다. 이것은 더 작은 요소를 만드는 데 도움이 됩니다. 경미한 고장이 발생하면 유전체가 자가 수리될 수 있습니다. 금속 종이 전지는 절연 저항 면에서 종이 전지보다 열등합니다.
전해 콘덴서
제품 디자인은 종이 커패시터와 유사합니다. 그러나 전해 전지의 제조에서 종이는 금속 산화물로 함침됩니다.
종이가 없는 전해질 제품에서 산화물은 금속 전극에 적용됩니다. 금속 산화물은 단방향 전도성을 가지므로 장치를 극성으로 만듭니다.
일부 전해조 모델에서 덮개는 전극의 표면적을 증가시키는 홈으로 만들어집니다. 플레이트 사이의 간격은 전해질을 부어 제거합니다. 이것은 제품의 용량 특성을 향상시킵니다.
수백 μF의 전기분해 장치의 큰 정전용량은 전압 리플을 부드럽게 하기 위해 필터에 사용됩니다.
알루미늄 전해.
이 유형의 장치에서 양극 라이닝은 알루미늄 호일로 만들어집니다. 표면은 금속 산화물 유전체로 코팅되어 있습니다. 음극 패드는 고체 또는 액체 전해질로, 작동 중에 호일의 산화물 층이 재생되도록 선택됩니다.유전체의 자가 수리는 소자의 작동 시간을 연장합니다.
이 디자인의 커패시터는 극성을 준수해야 합니다. 극성을 반대로 하면 케이스가 찢어집니다.
내부에 역순차 극성 어셈블리가 있는 장치는 2방향으로 사용됩니다. 알루미늄 전해 전지의 용량은 수천 μF에 이릅니다.
탄탈륨 전해
이러한 장치의 양극 전극은 탄탈륨 분말을 2000°C까지 가열하여 얻은 다공성 구조로 만들어집니다. 재질은 스펀지 모양입니다. 다공성은 표면적을 증가시킵니다.
전기화학적 산화를 통해 최대 100나노미터 두께의 오산화탄탈 층이 양극에 증착됩니다. 고체 유전체는 이산화망간으로 만들어집니다. 완성된 구조는 특수 수지인 컴파운드로 압착됩니다.
탄탈륨 제품은 100kHz 이상의 전류 주파수에서 사용됩니다. 커패시턴스는 최대 75V의 작동 전압으로 수백 μF까지 생성됩니다.
고분자
커패시터는 다음과 같은 많은 이점을 제공하는 고체 고분자 전해질을 사용합니다.
- 서비스 수명은 최대 50,000 시간으로 증가합니다.
- 매개변수는 가열될 때 유지됩니다.
- 더 넓은 범위의 전류 리플;
- 핀과 단자의 저항은 용량을 분류하지 않습니다.
영화
이 모델의 유전체는 테프론, 폴리에스터, 불소수지 또는 폴리프로필렌 필름입니다.
덮개는 필름에 포일 또는 금속 스퍼터링입니다. 이 디자인은 표면적이 증가된 다층 어셈블리를 만드는 데 사용됩니다.
필름 커패시터는 소형 크기에서 수백 μF의 용량을 가지고 있습니다. 층과 접촉 리드의 배치에 따라 제품의 축 방향 또는 방사형 모양이 만들어집니다.
일부 모델의 정격 전압은 2kV 이상입니다.
극성과 비극성의 차이점은 무엇입니까
무극성은 전류의 방향에 관계없이 커패시터가 회로에 포함될 수 있도록 합니다.요소는 교류 전원 공급 장치의 필터, 고주파 증폭기에 사용됩니다.
Polar 제품은 표시에 따라 연결됩니다. 반대 방향으로 연결하면 장치가 실패하거나 제대로 작동하지 않습니다.
고용량 및 저용량의 극성 및 비극성 커패시터는 유전체 설계가 다릅니다. 전해콘덴서에서 산화물이 한쪽 전극이나 종이, 필름의 한쪽 면에 도포되면 소자는 극성이 됩니다.
유전체의 양면에 대칭적으로 금속 산화물이 도포된 비극성 전해 콘덴서의 모델은 교류가 있는 회로에 포함됩니다.
극성 커패시터는 케이스에 양극 또는 음극으로 표시됩니다.
커패시터의 커패시턴스가 의존하는 것
회로에서 커패시터의 주요 기능과 역할은 전하를 축적하는 것이고 추가적인 역할은 누설을 방지하는 것입니다.
커패시터의 커패시턴스는 매질의 유전율과 판의 면적에 정비례하고 전극 사이의 거리에 반비례합니다. 두 가지 모순이 발생합니다.
- 커패시턴스를 증가시키려면 전극이 가능한 한 두껍고 넓고 길어야 합니다. 동시에 장치의 크기를 늘릴 수 없습니다.
- 전하를 유지하고 필요한 인력을 제공하기 위해 플레이트 사이의 거리는 최소화됩니다. 동시에 항복 전류를 줄일 수 없습니다.
모순을 해결하기 위해 개발자는 다음을 사용합니다.
- 유전체-전극 쌍의 다층 구조;
- 다공성 양극 구조;
- 산화물 및 전해질에 의한 종이의 대체;
- 요소의 병렬 포함;
- 유전율이 증가된 물질로 자유 공간을 채우는 것.
새로운 발명이 나올 때마다 커패시터의 크기가 줄어들고 특성이 좋아지고 있습니다.
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