콘덴서

콘덴서

유형	수동적
발명된	에발트 게오르크 폰 클라이스트, 피터 반 무센브룩(1745-46, 독립)
전자 기호

콘덴서는 전기장에 전기 에너지를 저장하는 장치다.2개의 단자가 있는 패시브 전자부품이다.

캐패시터의 효과는 캐패시턴스라고 알려져 있다.회로에 인접한 두 전기 도체 사이에 일부 캐패시턴스가 존재하지만, 캐패시턴스는 회로에 캐패시턴스를 추가하도록 설계된 구성 요소다.콘덴서는 원래 콘덴서 또는 콘덴서라고 알려져 있었다.^[1]이 이름과 그 인식은 여전히 많은 언어에서 널리 사용되고 있지만, 영어에서는 드물게, 콘덴서 마이크로폰이라고도 불리는 한 가지 주목할 만한 예외는 콘덴서 마이크로폰이다.

실제 커패시터의 물리적 형태와 구조는 매우 다양하며 많은 종류의 커패시터가 공통적으로 사용된다.대부분의 콘덴서는 금속판 또는 유전체 매체에 의해 분리된 표면의 형태로 적어도 두 개의 전기 도체를 포함하고 있다.도체는 호일, 박막, 금속의 소결 구슬 또는 전해질일 수 있다.비전도 유전체는 캐패시터의 충전 용량을 증가시키는 작용을 한다.유전체로 흔히 쓰이는 재료로는 유리, 세라믹, 플라스틱 필름, 종이, 미카, 공기, 산화층이 있다.콘덴서는 많은 일반적인 전기 장치에서 전기 회로의 일부로 널리 사용된다.저항기와는 달리, 실제 콘덴서는 소량의 에너지를 소산하지만 이상적인 콘덴서는 에너지를 소산하지 않는다(비이상적 동작 참조).예를 들어, 콘덴서가 배터리에 연결되었을 때 캐패시터의 단자에 전위차(전위차)가 가해질 때, 전장이 유전체 전체에 걸쳐 발달하여 한 플레이트에 순 양극 전하가, 다른 플레이트에 순 음극 전하가 모이게 된다.어떤 전류도 실제로 유전체를 통해 흐르지 않는다.단, 소스 회로를 통한 전하의 흐름이 있다.상태가 충분히 오래 유지되면 소스 회로를 통한 전류가 중단된다.콘덴서의 리드에 시간 변압 전압이 인가되면 콘덴서의 충전 및 방전 사이클로 인해 소스가 진행 중인 전류를 경험하게 된다.

가장 초기 형태의 콘덴서는 1740년대에 만들어졌는데, 그 때 유럽의 실험자들이 전하가 레이든 항아리로 알려진 물이 채워진 유리 항아리에 저장될 수 있다는 것을 발견했다.오늘날 콘덴서는 전자 회로에 널리 사용되어 직류를 차단하는 동시에 교류도 가능하게 한다.아날로그 필터 네트워크에서는 전원 공급 장치의 출력을 부드럽게 한다.공명 회로에서는 라디오를 특정 주파수에 맞춰 조정한다.전력 전송 시스템에서는 전압과 전력 흐름을 안정시킨다.^[2]콘덴서의 에너지 저장 성질은 초기 디지털 컴퓨터에서는 동적 메모리로 이용되었고,^[3] 현대 DRAM에도 여전히 존재한다.

역사

1745년 10월, 독일 포메라니아의 에발트 게오르크 폰 클라이스트는 고압 정전기 발생기를 전선으로 연결하여 휴대용 유리 항아리에 있는 물의 부피에 연결함으로써 전하를 저장할 수 있다는 것을 발견했다.^[4]폰 클레이스트의 손과 물은 도체 역할을 했고 항아리는 유전체 역할을 했다(당시 메커니즘의 세부 사항들이 잘못 식별되었지만).폰 클라이스트는 전선을 만지면 정전기 기계에서 얻은 것보다 훨씬 더 고통스러운 강력한 불꽃이 일어난다는 것을 발견했다.이듬해 네덜란드 물리학자 피터 반 무센브룩은 자신이 근무하던 라이덴 대학의 이름을 따서 레이든 항아리라는 유사한 콘덴터를 발명했다.^[5]그는 또 프랑스 왕국을 위해 두 번째 충격을 받지 않을 것이라는 글을 쓰며 받은 충격의 위력에 감명을 받았다.^[6]

Daniel Gralath는 충전 저장 용량을 늘리기 위해 여러 병을 병렬로 결합한 최초의 사람이었다.^[7]벤자민 프랭클린은 레이든 항아리를 조사하여 다른 사람들이 추측했던 것처럼 전하가 물속에 있는 것이 아니라 유리에 저장되어 있다는 결론을 내렸다.그는 이어 전기화학세포 집단에 적용되는 배터리(^[8][9]대포배터리에서와 유사한 단위의 열을 가진 전력증가를 지칭)라는 용어를 채택했다.^[10]레이든 항아리는 나중에 항아리 안과 바깥에 금속 호일을 입혀 포일 사이에 아크가 생기지 않도록 입가에 공간을 남겨두면서 만들어졌다.^{[citation needed]}캐패시턴스의 초기 단위는 항아리였는데, 이는 약 1.11나노파라드에 해당한다.^[11]

라이든 병이나 호일 도체와 교대로 평평한 유리판을 사용하는 더 강력한 장치는 무선(라디오)의 발명으로 표준 캐패시터에 대한 수요가 생기고 인덕턴스가 낮은 더 높은 주파수의 필요 캐패시터로 꾸준히 이동할 때까지 독점적으로 사용되었다.금속 호일 시트 사이에 끼어서 굴리거나 접어서 작은 포장으로 만드는 유연한 유전체 시트(기름종이처럼) 등 보다 콤팩트한 건축방식이 사용되기 시작했다.

초기 콘덴서는 콘덴서로 알려져 있었는데, 오늘날에도 가끔 사용되는 용어로서 특히 자동차 시스템과 같은 고출력 용도에 사용된다.이 용어는 1782년 알레산드로 볼타(Alessandro Volta)에 의해 이러한 목적으로 처음 사용되었는데, 이 용어는 절연된 도체에서 가능했던 것보다 더 높은 전하의 밀도를 저장할 수 있는 장치의 능력을 언급하였다.^[12][1]이 용어는 증기 콘덴서의 모호한 의미 때문에 더 이상 사용되지 않게 되었고, 콘덴서는 1926년부터 권장되는 용어가 되었다.^[13]

전기 연구 초기부터 유리, 도자기, 종이, 미카 같은 비전도성 물질이 절연체로 사용되어 왔다.수십 년 후, 이 물질들은 또한 첫 번째 콘덴서의 유전체로 사용하기에 적합했다.종이 콘덴서는 금속 조각들 사이에 난공불락의 종이를 샌드위치하여 실린더로 만들어졌으며, 그 결과를 1876년에 제조하기 시작했으며,^[14] 전화에서 콘덴서를 디커플링하는 것으로 20세기 초부터 사용되었다.

도자기는 최초의 세라믹 콘덴서에 사용되었다.마르코니의 무선 송신 장치 초기에는 자기 콘덴서가 송신기의 고전압 및 고주파 어플리케이션에 사용되었다.수신기 쪽에서는 공명 회로에 더 작은 마이크로 캐패시터를 사용하였다.미카 콘덴서는 1909년 윌리엄 두빌리에에 의해 발명되었다.제2차 세계 대전 이전에, 마이카는 미국에서 캐패시터의 가장 흔한 유전체였다.^[14]

최초의 전해 콘덴서 개발자인 찰스 폴락(카롤 폴락 출생)은 전원이 꺼져도 알루미늄 양극의 산화층이 중성 또는 알칼리성 전해질에서 안정적으로 유지된다는 사실을 알아냈다.1896년 그는 "알루미늄 전극이 있는 전기 액체 콘덴서"로 미국 특허 No. 672,913을 받았다.고체 전해질 탄탈륨 콘덴서는 1950년대 초 벨 연구소에 의해 새로 발명된 트랜지스터를 보완하기 위해 소형화되고 보다 신뢰할 수 있는 저전압 서포트 콘덴서로 발명되었다.

2차 세계대전 당시 유기화학자들의 플라스틱 소재가 개발되면서 콘덴서 업계는 종이를 얇은 폴리머 필름으로 대체하기 시작했다.필름 콘덴서의 매우 초기 개발은 1944년 영국 특허 587,953에 기술되었다.^[14]

전기 2층 캐패시터(현재의 슈퍼캐패시터)는 1957년 H. 베커가 "다공성 탄소 전극이 있는 저전압 전해 캐패시터"^[14][15][16]를 개발하면서 발명됐다.그는 그 에너지가 전해 캐패시터의 식각된 포일의 모공에서처럼 자신의 캐패시터에 사용되는 탄소 모공에 전하로 저장되어 있다고 믿었다.당시 이중층 메커니즘은 그에 의해 알려지지 않았기 때문에 그는 특허에 "에너지 저장용으로 사용될 경우 구성 요소에서 어떤 일이 일어나고 있는지 정확히 알 수 없지만, 극히 높은 용량으로 이어진다"고 썼다.

MOS 콘덴서(Metal-oxide-Semiconductor capacitor, MOSFET)는 MOSFET(Metal-산화반도체 전계효과 트랜지스터) 구조에서 유래하며, MOSFET는 MOSFET가 두 도핑된 영역 옆에 있다.^[17]MOSFET 구조는 모하메드 M에 의해 발명되었다. 1959년 벨 연구소의 아탈라와 다원 캉.^[18]이후 MOS 캐패시터는 메모리 칩의 저장 캐패시터로, 이미지 센서 기술에서는 충전 결합 장치(CCD)의 기본 구성 요소로 널리 채택되었다.^[19]DRAM(Dynamic Random-Access Memory)에서 각 메모리 셀은 일반적으로 MOSFET와 MOS 캐패시터로 구성된다.^[20]

운영이론

개요

콘덴서는 비전도성 영역에 의해 분리된 두 개의 도체로 구성된다.^[21]비전도 영역은 진공 또는 유전체라고 알려진 전기 절연체 물질일 수 있다.유전체 매체의 예로는 유리, 공기, 종이, 플라스틱, 세라믹, 심지어 도체와 화학적으로 동일한 반도체 고갈 부위가 있다.쿨롱의 법칙에서 한 도체에 대한 전하가 다른 도체 내의 충전 캐리어에 힘을 작용하여 반대 극성 전하를 끌어들이고 극성 전하와 같이 밀어내므로 다른 도체의 표면에는 반대 극성 전하가 유도된다.그러므로 도체는 마주 보는 표면에 동일하고 반대되는 전하를 가지고 있고,^[22] 유전체는 전기장을 형성한다.

이상적인 콘덴서는 SI 시스템 내의 패러드에서 정전용량 C가 일정하게 나타나는 것이 특징이며, 이들 사이의 전압 V에 대한 각 도체의 양전하 Q 또는 음전하 Q의 비율로 정의된다.^[21]

${\displaystyle C={\frac {Q}{V}}}$

1개의 패러드(F) 캐패시턴스는 각 도체에 1 쿨롱의 전하가 장치 전체에 1볼트의 전압을 발생시키는 것을 의미한다.^[23]도체(또는 플레이트)가 서로 가깝기 때문에 도체의 반대 전하가 전기장 때문에 서로 끌어당겨 도체가 분리될 때보다 콘덴서가 주어진 전압에 대해 더 많은 전하를 저장할 수 있게 되어 더 큰 정전 용량을 산출하게 된다.

실용적인 장치에서는 충전 축적이 때때로 커패시터에 기계적으로 영향을 미쳐 커패시턴스의 캐패시턴스를 변화시킨다.이 경우 캐패시턴스는 증분 변화 측면에서 정의된다.

${\displaystyle C={\frac {\mathrm {d} Q}{\mathrm {d}V}}$

유압유추

유압 유추에서 와이어를 통해 흐르는 충전 캐리어는 파이프를 통해 흐르는 물과 유사하다.콘덴서는 파이프 안에 밀폐된 고무막과 같다.물 분자는 막을 통과할 수 없지만, 일부 물은 막을 늘림으로써 움직일 수 있다.이 비유를 통해 커패시터의 몇 가지 측면을 명확히 할 수 있다.

• 물의 흐름이 막의 위치를 바꾸는 것처럼 전류도 콘덴서의 전하를 변화시킨다.구체적으로는 전류의 효과가 커패시터 한 판의 전하를 증가시키고, 다른 판의 전하를 동등한 양으로 감소시키는 것이다.이것은 마치 물의 흐름이 고무막을 움직일 때, 막의 한쪽에 있는 물의 양을 증가시키고, 다른 쪽에 있는 물의 양을 감소시키는 것과 같다.
• 캐패시터가 많이 충전될수록 전압 강하는 커진다. 즉, 충전 전류에 대해 "뒤로 밀어낸다"는 것이다.이것은 막이 늘어나면 늘어질수록 물을 다시 밀어내는 것과 유사하다.
• 비록 어떤 개별 전자도 한쪽에서 다른 쪽으로 갈 수 없더라도 전하가 콘덴서를 통해 흐를 수 있다.이는 물 분자가 고무막을 통과할 수 없는데도 파이프를 통해 흐르는 물과 비슷하다.이 흐름은 영원히 같은 방향으로 계속될 수 없다; 콘덴서는 유전체 파괴를 경험하고, 유사하게 막은 결국 깨질 것이다.
• 캐패시턴스는 주어진 "푸시"(전압 강하)에 대해 캐패시터의 한 플레이트에 얼마나 많은 전하를 저장할 수 있는지를 설명한다.매우 신축성 있고 유연한 막은 딱딱한 막보다 높은 정전 용량에 해당한다.
• 충전된 콘덴서는 늘어난 막과 유사하게 전위 에너지를 저장하고 있다.

단시간 제한 및 장기 제한에서의 회로 동등성

회로에서 콘덴서는 다른 시간에 다르게 동작할 수 있다.그러나 대개는 단기 제한과 장기 제한에 대해 생각하기 쉽다.

• 장기 제한에서 충전/방전 전류가 캐패시터를 포화시킨 후에는 캐패시터의 어느 한쪽으로도 전류가 들어오거나 빠져나가지 않는다.따라서 커패시터의 오랜 시간 등가성은 단선이다.
• 단시간 제한에서 콘덴서가 특정 전압 V로 시작하면 콘덴서의 전압 강하를 이 순간 알 수 있으므로 전압 V의 이상적인 전압 소스로 대체할 수 있다.구체적으로 V=0(캐패시터가 충전되지 않은 경우)인 경우, 콘덴서의 단시간 당량은 단락이다.

병렬 플레이트 콘덴서

캐패시터의 가장 단순한 모델은 $두께$가 균일한 $[\displaystyle d}$로 분리된$$$$ 각각의 면적이 A ${\displaystyle A}$인 얇은 평행 전도성 플레이트 두 개로 구성되며$,$ 이는 $갭{\displaystyle }$ d$$${\displaystyle$$\varepsilon }$이$(가$) 훨씬 작은 것으로$$ 가정한다.판의 치수를 재다이 모델은 절연 유전체의 얇은 층으로 분리된 금속 시트로 구성된 많은 실용적인 캐패시터에 잘 적용된다. 제조업체는 캐패시터의 고장을 야기할 수 있는 얇은 점을 피하기 위해 유전체를 매우 균일하게 두께로 유지하려고 하기 때문이다.

판 사이의 분리가 판 면적에 걸쳐 균일하기 때문에 판 $E{\displaystyle }$ ${\displaystyle E}$ 사이의 전기장은 일정하며$$, 전장이 캐패시터의 측면으로부터 "벌거움"을 라인으로 하기 때문에 판 가장자리 근처의 면적을 제외하고 판 면에 수직으로 향한다.. 이 "날개장" 영역은 $플레이트{\displaystyle }$ 분리 d ${\displaystyle$ d$\}$와 대략 같은 폭이며, $d{\displaystyle }$ ${\displaystyle d}$이(가) 플레이트 치수에 비해 작다고 가정하면 무시할 수 있을 정도로 작다.따라서 한 판에${\displaystyle }$+ ${\displaystyle Q}$ ${\displaystyle$+$Q$$}$의 전하를, 다른 판에${\displaystyle }$- ${\displaystyle Q}${\$displaystyle -Q}$의 전하를 배치하면$$(아래에서는 불균일하게 충전된 판의 상황이 설명된다) 각 판의 전하가 일정한 전하 밀도 $\sigma {\displaystyle }$=${\displaystyle }$± ${\displaystyle Q}$/ $A의 표면$ 전하층에 고르게 분산된다$.$}평방미터당, 각 판의 안쪽 면에 $}$쿨롬$$.가우스의 법칙에서 판 사이의 전기장의 크기는 $E{\displaystyle }$= ${\displaystyle \sigma }$/ ${\displaystyle \epsilon }$ ε ε { $\displaystyle E=\sigma /\varepsilon$ $\}\}.$ 판 사이의$$ 전압(차이) $V{\displaystyle }$ ${\displaystyle V}$은 판에서 다른 판까지의 선에 걸쳐 전기장의 적분으로 정의된다.

${\displaystyle V=\int _{0}^{d}E(z)\,\mathrm {d}z={\sigma \over \varepsilon }d={Qd \over \varepsilon A}}}$

캐패시턴스는 $C{\displaystyle }$= ${\displaystyle Q}$/ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle C=Q/V$으)로 정의되며$,$ 위의 V {\$displaystyle$ V}을(를$)$ 이 방정식으로 대체

따라서 캐패시터에서는 높은 허용률 유전체 재료, 큰 플레이트 면적, 플레이트 사이의 작은 분리로 높은 캐패시턴스를 달성한다.

플레이트의 영역$$ $A{\displaystyle }$ ${\displaystyle A}$이(가) 선형 치수의 제곱에 따라 증가하고 분리 $d{\displaystyle }$ ${\displaystyle d}$이(가) 선형적으로 증가하므로$$ 캐패시턴스는 캐패시터의 선형 치수(${\displaystyle }$ ${\displaystyle \propto }$ ${\displaystyle L}$ ${\displaysty C\varpropto L})$로 스케일링하거나 볼륨의 큐브 루트로 스케일링한다.

병렬 플레이트 캐패시터는 유전체 파괴가 발생하기 전에 한정된 양의 에너지를 저장할 수 있다.콘덴서의 유전체 물질은 콘덴서의 분해 전압을 V = V = Ud로_bdd 설정하는 유전체 강도 U를_d 가지고 있다.따라서 캐패시터가 저장할 수 있는 최대 에너지는

${\displaystyle E={\frac {1}{2}}:CV^{2}={\frac {1}{1}{1}{1}:{d}}}{d}}}^{2}={\frac {1}{1}:{d}d}d}d}^{1}}}}}}}}{{\frac {1}:{d}2}}:$

최대 에너지는 유전체 부피, 자유도, 유전체 강도의 함수다.같은 부피를 유지하면서 플레이트 면적과 플레이트 사이의 분리를 변경해도 플레이트 사이의 거리가 플레이트의 길이와 폭에 비해 훨씬 작은 상태를 유지하는 한 커패시터가 저장할 수 있는 최대 에너지량은 변경되지 않는다.또한 이러한 방정식은 전장이 플레이트 사이의 유전체에 완전히 집중되어 있다고 가정한다.실제로 유전체 바깥에는 예를 들어 캐패시터 플레이트의 측면 사이에 접이식 필드가 있어 캐패시터의 유효 캐패시턴스를 증가시킨다.이것을 기생 캐패시턴스라고 부르기도 한다.일부 간단한 캐패시터 기하학에서는 이 추가 캐패시턴스 항을 분석적으로 계산할 수 있다.^[24]판 너비와 분리 길이 비율이 크면 무시할 수 없을 정도로 작아진다.

불균일하게 충전된 플레이트의 경우:

• If one plate is charged with ${\displaystyle Q_{1}}$ while the other is charged with ${\displaystyle Q_{2}}$, and if both plates are separated from other materials in the environment, then the inner surface of the first plate will have ${\displaystyle {\frac {Q_{1}-Q_{2}}{2}}}$, and the in두 번째 도금된 NER 표면은${\displaystyle }$- Q ${\displaystyle \frac{{1\mathrm{}}_{}}{}}$- Q ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{\mathrm{}}}$ ${\$}}:2$}}:}$의 전하를$$ 갖는다.^{[citation needed]}Therefore, the voltage ${\displaystyle V}$ between the plates is ${\displaystyle V={\frac {Q_{1}-Q_{2}}{2C}}}$. Note that the outer surface of both plates will have ${\displaystyle {\frac {Q_{1}+Q_{2}}{2}}}$, but those charges don't affect the voltage between the plates
• 한 판에 ${\displaystyle {Q\mathrm{}}_{}}$ 1 ${\$이 충전된$$ 반면 다른 $판$은 Q ${\displaystyle {2\mathrm{}}_{}}${\$displaystyle Q_$1}가 충전된 경우, 두 번째 판의 내부 표면은 $Q{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {1\mathrm{}}_{}}$ ${\$}이 되고$,$ 두 번째 판의 내부 표면은${\displaystyle {-Q\mathrm{}}_{}}$ 1 ${\$}이 충전된다.$splaystyle -Q_{1$따라서 판 사이의 $전압$ V ${\displaystyle V}$은(는) $V{\displaystyle }$= ${\displaystyle Q\frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{C\mathrm{}}_{}}{}}$ ${\$ V$={\frac{Q_}{C$ 두 판의 외부 표면은 0전하를 띠게 된다는 점에 유의한다.

인터리브 캐패시터

캐패시터에 있는 플레이트 $수$ n$${\$displaystyn n}$개의 경우, 총 캐패시턴스는

${\displaystyle C=\epsilon _{o}{\frac {A}{d}}(n-1)}$

여기서 $C{\displaystyle }$= ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle o_{}}$ ${\displaystyle {}_{}}$/ ${\displaystyle d}$ ${\dplaystyle$ C$=\epsilon _{o}A/d}$는 단일 플레이트의 캐패시턴스, $n{\displaystyle }$ ${\displaystyn}$은 인터리브 플레이트의 수입니다.

오른쪽 그림과 같이 인터리브 판은 서로 연결된 평행 판으로 볼 수 있다.인접한 플레이트의 모든 쌍은 별도의 캐패시터 역할을 한다. 쌍의 수는 항상 플레이트 수보다 한 개 적으므로${\displaystyle }$(${\displaystyle \mathrm{n}}$- 1${\displaystyle }$) ${\디스플레이$ 스타일$(n-1)}$의 곱셈이 된다.

콘덴서에 저장된 에너지

콘덴서의 전하와 전압을 높이려면 외부 전원에 의해 전하를 전기장의 반대방향 힘에 대항하여 음극에서 양극판으로 이동시키는 작업이 이루어져야 한다.^[25][26]콘덴서의 전압이 $V{\displaystyle }$ ${\displaystyle V}$인 경우$,$ 음극에서 양극$$ 플레이트로 작은 증가분의 ${\displaystyle \mathrm{dq}}$ ${\displaystyle dq$$}$을(를) 이동하기 위해 필요한$$ 작업 d ${\displaystyle W}$${\displaystyle }$${\displaystyle$ $dW}.$ $에너지$는 ${\displaystyle \mathrm{플레이트}}$ 사이의$$된 $전기장$에 저장된다$.$콘덴서에 저장된$$ 총 에너지 $W{\displaystyle }$ ${\displaystyle W}($줄로 표시)는 충전되지 않은 상태에서 전기장을 설정할 때 수행한 총 작업량과 동일하다.^[27][26][25]

${\displaystyle W=\int _{0}^{Q}V(q)\mathrm {d} q=\int _{0}^{Q}{\frac {q}{C}}\mathrm {d} q={1 \over 2}{Q^{2} \over C}={1 \over 2}VQ={1 \over 2}CV^{2}}$

여기서 $Q{\displaystyle }$ ${\displaystyle Q}$은 캐패시터에 저장된 전하, $V{\displaystyle }$ ${\displaystyle V}$은 캐패시터 전체의 전압, $C{\displaystyle }$ ${\displaystyle C}$은 캐패시턴스다.이 전위 에너지는 전하가 제거될 때까지 콘덴서에 남아 있을 것이다.예를 들어 플레이트 사이의 저항으로 회로를 연결함으로써 양극에서 음극판으로 전하가 다시 이동할 수 있게 되면 전기장의 영향을 받아 이동하는 전하가 외부 회로에 작용하게 된다.

위의 평행 판 모델에서와 같이 콘덴서 $판{\displaystyle }$ d ${\displaystyle d}$ 사이의 간격이 일정하면$$ 판 사이의 전기장이 균일해지고(프링 필드를 무시함) 일정한 값이 $E{\displaystyle }$= ${\displaystyle V}$/${\displaystyle E=V/d}.$ 이 경우 저장된 에너지를 전기장에서 계산할 수 있다$.$힘

${\displaystyle W={1 \over 2}CV^{2}={1 \over d}(Ed)^{2}={1 \over 2}\epsilon AdE^{2}={1 \over 2}\epsilon E^{{text}(전자장 용량{{{{{})}}}}}}}}}}}}}}}}$

위의 마지막 공식은 전기장의 단위 부피당 에너지 밀도에 플레이트 사이의 전기장 부피를 곱한 것과 같으며, 콘덴서의 에너지가 전기장에 저장되어 있음을 확인한다.

전류-전압 관계

전기 회로의 어떤 구성품을 통과하는 전류 I(t)는 그것을 통과하는 전하 Q(t)의 흐름 속도로 정의되지만, 실제 전하(전자)는 콘덴서의 유전체층을 통과할 수 없다.오히려 양극판을 떠나는 각각의 음극판에 한 전자가 축적되어 전자가 고갈되고 그에 따른 양전하가 다른 전극에 축적된 음전하와 동일하고 반대인 전극에 발생한다.따라서 전극의 전하가 전류의 적분 및 전압에 비례하는 것과 같다.어떤 해독제와 마찬가지로, 초기 전압 V(t₀)를 나타내기 위해 통합 상수가 추가된다.캐패시터 방정식의 통합 형식:^[28]

${\displaystyle V(t)={\frac {Q(t)}{C}}={\frac {1}{1}\int _{0}^{t(\tau )\mathrm {d} \tau +V(t_{0})}}}$

이것의 파생상품을 C에 곱하면 다음과 같은 파생상품 형태가 된다.^[29]

${\displaystyle I(t)={\frac {\mathrm {d}Q}{\mathrm {d}t}=C{\mathrm {d}V(t)}{\mathrm {d}t}}}}}}}}}$

시간, 전압 및 전하를 불문하고 C에 대해.

콘덴서의 이중은 전기장이 아닌 자기장에 에너지를 저장하는 인덕터다.그것의 전류 전압 관계는 캐패시터 방정식의 전류와 전압을 교환하고 C를 인덕턴스 L로 대체함으로써 얻어진다.

DC 회로

저항기, 콘덴서, 스위치 및 정전압 V의₀ DC 공급원만 포함하는 직렬 회로를 충전 회로라고 한다.^[30]스위치가 열린 상태에서 콘덴서가 처음에 충전되지 않고 스위치가 t=0으로 닫혀 있다면, 이는 Kirchhoff의 전압 법칙에 따른 것이다.

${\displaystyle V_{0}=v_{\text{저항자}}(t)+v_{\capacitor}(t)}(t)=i+{\frac{1}{C}\int_{t_{0}^{t}i(\tau )\mathrm {d}\tau }}}}}}}}}}}$

파생상품을 취하여 C에 곱하면 1차 미분방정식이 주어진다.

${\displaystyle RC{\frac {\mathrm {d} i(t)}{\mathrm {d} t}+i(t)=0}$

t = 0에서 콘덴서의 전압은 0이고 저항기의 전압은 V이다₀.초기 전류는 I(0) = V₀/R이다.이러한 가정으로, 미분 방정식 수율의 해결

${\displaystyle {\reasoned}I(t)&={\frac {V_{0}}{R}}\cdot e^{\frac {-t}{\tau _{0}\V(t)&.=V_{0}\왼쪽(1-e^{\frac {-t}{\t}{\tau _{0}\right)\Q(t)&=C\cdot V_{0}\left(1-e^){\frac {-t}{0}\t}\riged}}}}}}}\end{light}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}$

여기서 τ₀ = RC, 시스템의 시간 상수.콘덴서가 소스 전압과 평형에 도달하면, 저항기와 전체 회로를 통과하는 전류가 기하급수적으로 붕괴한다.방전 커패시터의 경우 커패시터의 초기 전압(V_Ci)이 V를₀ 대체한다.방정식이 되다.

${\displaystyle {\reasoned}I(t)&={\frac {V_{Ci}}{R}}\cdot e^{\frac {-t}{\tau _{0}}}\\V(t)&=V_{Ci}\cdot e^{\frac {-t}{\tau _{0}}}\\Q(t)&=C\cdot V_{Ci}\cdot e^{\frac {-t}{\tau _{0}}}\end{aligned}}}$

AC 회로

리액턴스와 저항의 벡터 합인 임피던스는 주어진 주파수에서 정현상 변화 전압과 정현상 변화 전류 사이의 위상 차이와 진폭 비율을 설명한다.푸리에 분석은 다양한 주파수에 대한 회로의 반응을 확인할 수 있는 주파수 스펙트럼에서 신호를 구성할 수 있도록 한다.캐패시터의 리액턴스와 임피던스는 각각

${\displaystyle {\begin{aligned}X&=-{\frac {1}{\omega C}}=-{\frac {1}{2\pi fC}}\\Z&={\frac {1}{j\omega C}}=-{\frac {j}{\omega C}}=-{\frac {j}{2\pi fC}}\end{aligned}}}$

여기서 j는 상상 단위, Ω은 사인파 신호의 각도 주파수다.-j 위상은 AC 전압 V = ZI가 AC 전류를 90°만큼 지연시킨다는 것을 나타낸다.양의 전류 위상은 커패시터가 충전하면서 전압이 증가하는 것에 대응하고, 0의 전류는 순간 정전압 등에 대응한다.

캐패시턴스가 증가하고 주파수가 증가함에 따라 임피던스가 감소한다.^[31]이는 주파수 신호가 더 높거나 커패시터가 더 큰 경우 전류 진폭당 전압 진폭이 더 낮다는 것을 의미한다(AC "단락 회로" 또는 AC 커플링).반대로, 매우 낮은 주파수의 경우 리액턴스가 높기 때문에 캐패시터가 AC 분석에서 거의 개방 회로가 된다. 즉, 그러한 주파수는 "필터링"되었다.

커패시터는 임피던스가 정의된 특성(예: 캐패시턴스)에 반비례한다는 점에서 저항기 및 인덕터와 다르다.

사인 전압 소스에 연결된 콘덴서는 변위 전류를 흐르게 한다.전압 소스가 Vcos₀(Ωt)인 경우 변위 전류는 다음과 같이 표현할 수 있다.

${\displaystyle I=C{\frac {dV}{dt}=-\omega {C}{V_{\text{0}}\sin(\omega t)}$

sin(Ωt) = -1에서 캐패시터는 최대(또는 피크) 전류를 가지며, 여기서₀ I = ΩCV를 사용한다.₀피크 전류 대비 피크 전압의 비율은 용량성 리액턴스(X로_C 표시됨) 때문이다.

${\displaystyle X_{C}={\frac {V_{\text{0}}}{{\displaystyle}{{0}}}{I_{\text{0}}}}}={\frac {V_{\text{0}}}}{\omega CV_{\text{0}}}}}={\frac{1}{\omega C}}$

X는_C 무한대에 접근하면서 0에 접근한다.X가_C 0에 근접하면 커패시터는 고주파에서 전류를 강하게 전달하는 짧은 와이어와 유사하다.X는_C Ω이 0에 가까워지면서 무한에 접근한다.X가_C 무한대에 접근하면 커패시터는 저주파를 잘 통과하지 못하는 개방 회로와 유사하다.

콘덴서의 전류는 소스의 전압과 더 잘 비교하기 위해 코사인 형태로 표현될 수 있다.

${\displaystyle I=-{I_{\text{0}}}{\sin({\omega t}}={{I_{\text{0}}}}{\cos\\omega t}+{90^{\message }}}}}}}}}}}}}}}$

이 상황에서 전류는 전압이 +420/2 라디안 또는 +90도일 때 위상 밖에 있다. 즉, 전류가 전압을 90°만큼 이끈다.

라플라스 회로 분석(s-domain)

회로 분석에서 Laplace 변환을 사용할 때 초기 충전이 없는 이상적인 콘덴서의 임피던스는 다음과 같이 s 도메인에 표현된다.

${\displaystyle Z(s)={\frac {1}{sC}}$

어디에

• C는 캐패시턴스, 그리고
• s는 복잡한 주파수다.

회로분석

병렬 캐패시터의 경우

병렬 구성의 캐패시터는 각각 동일한 인가 전압을 가진다.그들의 캐패시턴스가 더해진다.요금은 크기에 따라 그들 사이에 배분된다.도식도를 사용하여 평행 플레이트를 시각화하면 각 캐패시터가 전체 표면적에 기여한다는 것을 알 수 있다.

${\displaystyle C_{\mathrm {eq} }=\sum _{i_{i}=C_{1}+C_{2}+\cdots +C_{n}}}}$

직렬 캐패시터의 경우

직렬로 연결된 도표에는 플레이트 면적이 아닌 분리 거리가 더해져 있음을 알 수 있다.각 캐패시터는 시리즈의 다른 모든 캐패시터와 동일한 순간 충전 빌드를 저장한다.끝에서 끝까지 총 전압 차이는 캐패시턴스의 역에 따라 각 캐패시터에 할당된다.전체 시리즈는 그 어떤 구성 요소보다 작은 캐패시터 역할을 한다.

${\displaystyle {\frac{1}{C_{\mathrm{eq}}}}}}}}\sum _{i}}}={\frac {1}{1}{1}}}+{\frac {1}{1}{1}}}}+{C_{2}}}+}+}{{{prac {1}{{{1}{{{n}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}{n}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}$

콘덴서는 높은 작동 전압을 얻기 위해 직렬로 결합된다. 예를 들어 고전압 전원 공급 장치를 평활화하기 위한 것이다.각 캐패시터의 캐패시턴스와 누출 전류가 동일하면 플레이트 분리에 기초한 전압 정격은 합산된다.그러한 어플리케이션에서는 때때로 직렬 문자열이 병렬로 연결되어 매트릭스를 형성한다.캐패시터 과부하 없이 네트워크의 에너지 저장량을 극대화하는 것이 목표다.직렬로 된 콘덴서가 있는 고에너지 저장장치의 경우, 하나의 콘덴서가 고장 나거나 누전 전류가 다른 직렬 콘덴서에 너무 많은 전압을 공급하지 않도록 하기 위해 몇 가지 안전 고려사항을 적용해야 한다.

직렬 연결은 양극 AC 사용을 위해 극성 전해 캐패시터를 채택하는 데 사용되기도 한다.

병렬-계열 네트워크에서의 전압 분포.

직렬$Bn$)의 캐패시터 체인에 병렬로 연결된$$ 단일 충전 캐패시터$({\displaystyle A}$) ${\$의 전압 분포를 모델링하려면$:$

${\displaystyle {\reasoned}(필수)A_{\mathrm {eq} }&=A\왼쪽(1-{\frac {1}{n+1}\오른쪽)\(볼트)\(볼트)B_{\text{1..n}&={\frac{A}{n}}\왼쪽(1-{\frac {1}{n+1}\오른쪽)\\A-B&=0\end{aigned}}$

참고: 이는 모든 캐패시턴스 값이 동일한 경우에만 정확하다.

이 약정에서 전달되는 전력은 다음과 같다.

${\displaystyle P={\frac {1}{{R}}\cdot {\frac {1}{n+1}}}A_{\text{volts}\왼쪽(A_{\text{parads}}+B_{\text{parads}\오른쪽)}$

비이상적 행동

실제 콘덴서는 여러 가지 면에서 이상적인 콘덴서 방정식에서 벗어난다.이 중 누설 전류, 기생 효과 등 일부는 선형적이거나 거의 선형적인 것으로 분석할 수 있으며 이상적인 콘덴서의 등가 회로에 가상 구성요소를 추가하면 대처할 수 있다.그런 다음 일반적인 네트워크 분석 방법을 적용할 수 있다.^[32]다른 경우, 예를 들어, 고장 전압과 같이, 효과는 비선형이고 일반적(예: 일반적) 네트워크 분석은 사용할 수 없으므로, 그 영향은 별도로 취급해야 한다.또 다른 그룹이 있는데, 선형이 될 수도 있지만 캐패시턴스가 상수라는 가정은 분석에서 무효화된다.그러한 예는 온도 의존이다.마지막으로 고유 인덕턴스, 저항 또는 유전 손실과 같은 결합된 기생 효과는 가변적인 작동 빈도에서 불균일한 동작을 나타낼 수 있다.

고장 전압

유전 강도 E로_ds 알려진 특정 전기장 강도 이상으로, 콘덴서의 유전체는 전도성이 된다.이러한 현상이 발생하는 전압을 장치의 파괴 전압이라고 하며 유전 강도와 도체 간의 분리에 의해 공급된다.^[33]

${\displaystyle V_{\text{bd}}=E_{\text{ds}d}$

콘덴서에 안전하게 저장할 수 있는 최대 에너지는 고장 전압에 의해 제한된다.유전체 두께를 가진 캐패시턴스 및 분해 전압의 스케일링으로 인해 특정 유전체로 만들어진 모든 콘덴서는 유전체가 볼륨을 지배할 정도로 대략 최대 에너지 밀도가 동일하다.^[34]

공기 유전체 캐패시터의 경우 분해 자기장 강도는 2~5 MV/m(또는 kV/mm), 미카의 경우 100–300 MV/m, 오일의 경우 15–25 MV/m, 다른 재료를 유전체에 사용할 경우 훨씬 적을 수 있다.^[35]유전체는 매우 얇은 층에 사용되기 때문에 콘덴서의 절대 파괴 전압은 제한된다.일반적인 전자제품 용도에 사용되는 콘덴서의 일반적인 정격은 몇 볼트부터 1kV까지이다.전압이 증가함에 따라 유전체가 두꺼워져야 하므로 고전압 캐패시터당 용량이 낮은 전압에 대한 정격 용량보다 커진다.

고장 전압은 캐패시터 전도성 부품의 기하학적 구조와 같은 요인에 의해 심각하게 영향을 받는다. 날카로운 가장자리 또는 지점은 그 지점의 전기장 강도를 증가시키고 국부적 고장을 초래할 수 있다.일단 이런 일이 일어나기 시작하면, 분해는 반대쪽 판에 도달할 때까지 유전체를 빠르게 추적하여 탄소를 남기고 단락(또는 상대적으로 낮은 저항) 회로를 유발한다.콘덴서의 단락이 주변 회로에서 전류를 끌어내고 에너지를 소산하기 때문에 결과는 폭발적일 수 있다.^[36]그러나 특정 유전체^[37][38] 및 얇은 금속 전극 반바지가 있는 콘덴서에서는 고장 후 형성되지 않는다.그것은 금속이 고장 근처에서 녹거나 증발하여 콘덴서의 나머지 부분으로부터 분리되기 때문에 발생한다.^[39][40]

통상적인 분해 경로는 자기장의 강도가 원자로부터 유전체의 전자를 끌어당길 수 있을 정도로 커져서 전도를 일으키는 것이다.유전체의 불순물 등 다른 시나리오가 가능하며, 유전체가 결정성인 경우 수정구조의 불완전성으로 인해 반도체 소자에서 보듯이 눈사태가 발생할 수 있다.고장 전압도 압력, 습도 및 온도에 의해 영향을 받는다.^[41]

등가 회로

이상적인 콘덴서는 전기 에너지를 저장하거나 방출할 뿐이며, 전혀 방전되지 않는다.실제로 모든 콘덴서는 콘덴서의 물질 내에 내성을 발생시키는 결함이 있다.이는 구성 요소의 등가 직렬 저항 또는 ESR로 지정된다.이렇게 하면 임피던스에 실제 성분이 추가된다.

${\displaystyle Z_{\text{C}}=Z+R_{\text{ESR}={\frac {1}{j\omega C}+R_{\text{ESR}}$

주파수가 무한대에 가까워지면 용량성 임피던스(또는 리액턴스)가 0에 가까워지고 ESR이 유의해진다.리액턴스가 무시할 수 있게 되면 전력 소모가 P_RMS = V_RMS²/R에_ESR 접근하게 된다.

ESR과 마찬가지로 콘덴서의 리드는 구성 요소에 동등한 직렬 인덕턴스 또는 ESL을 추가한다.이것은 보통 상대적으로 높은 주파수에서만 중요하다.유도 리액턴스가 양이고 주파수에 따라 증가하므로, 특정 주파수 이상의 캐패시턴스는 인덕턴스에 의해 취소된다.고주파 공학은 모든 연결부와 구성 요소의 인덕턴스 회계처리를 포함한다.

도체가 완벽한 유전체보다는 전도성이 작은 물질로 분리되면 그 사이에 작은 누설 전류가 직접 흐른다.따라서 캐패시터는 유한한 병렬 저항을 가지며 시간이 ^[42]지남에 따라 서서히 방전된다(캐패시터 소재 및 품질에 따라 시간이 크게 달라질 수 있음).

Q 인자

콘덴서의 품질 계수(또는 Q)는 주어진 주파수에서 콘덴서의 저항성에 대한 리액턴스의 비율이며, 그 효율성의 척도다.커패시터의 Q 계수가 높을수록 이상적인 커패시터의 동작에 근접한다.

콘덴서의 Q 계수는 다음 공식을 통해 확인할 수 있다.

${\displaystyle Q={\frac {X_{C}}{R}={\frac {1}{\omega CR}}}$

여기서 $\Omega {\displaystyle }$ ${\displaystyle \omega}$은(는) $각도{\displaystyle }$ 주파수$,$ C {\$displaystyle C}$은(는) 정전용량 $리액턴스{\displaystyle {}_{}}$, ${\displaystyle R_{}}${\$displaystyle R}은($는$)$ 캐패시터의 등가$$ $직렬{\displaystyle }$ $저항($ESR)이다.

리플 전류

리플 전류는 주파수가 일정하거나 변화할 수 있는 인가된 전원(흔히 스위치 모드 전원 공급기)의 AC 구성 요소다.리플 전류는 약간 저항성 공급 라인 또는 캐패시터의 전해액에 걸친 전류 흐름과 함께 전계 강도의 변화로 인한 유전적 손실로 인해 캐패시터 내에서 열이 발생하게 한다.등가 직렬 저항(ESR)은 이를 모델링하기 위해 완벽한 캐패시터에 추가할 내부 직렬 저항의 양이다.

일부 유형의 콘덴서(주로 탄탈럼 및 알루미늄 전해 콘덴서)는 물론 일부 필름 콘덴서에도 최대 리플 전류의 정격 값이 지정되어 있다.

• 고체망간 이산화 전해질이 함유된 탄탈륨 전해 콘덴서는 리플 전류에 의해 제한되며 일반적으로 콘덴서 제품군에서 ESR 정격이 가장 높다.리플 한계를 초과하면 반바지와 불타는 부품으로 이어질 수 있다.
• 전해질의 가장 일반적인 유형인 알루미늄 전해 콘덴서는 높은 파동 전류에서 기대 수명이 단축된다.리플 전류가 캐패시터의 정격값을 초과하면 폭발적 고장을 일으키는 경향이 있다.
• 세라믹 콘덴서는 일반적으로 리플 전류 제한이^{[citation needed]} 없으며 ESR 정격이 가장 낮은 것도 있다.
• 필름 캐패시터는 ESR 정격이 매우 낮지만 정격 리플 전류를 초과하면 분해 실패가 발생할 수 있다.

캐패시턴스 불안정

특정 캐패시터의 캐패시턴스는 구성 요소가 노화됨에 따라 감소한다.세라믹 콘덴서에서 이는 유전체 분해에 의해 발생한다.유전체, 주변 작동 및 저장 온도의 유형은 가장 중요한 노화 요인인 반면, 작동 전압은 대개 더 작은 영향을 미친다. 즉, 통상적인 콘덴서 설계는 전압 계수를 최소화하기 위한 것이다.구성품을 퀴리 포인트 위로 가열하면 노화 과정이 역전될 수 있다.노화는 부품의 수명이 시작될 무렵에 가장 빨리 진행되며, 장치는 시간이 지남에 따라 안정화된다.^[43]전해 콘덴서는 전해질이 증발함에 따라 노화된다.세라믹 캐패시터와 대조적으로, 이것은 부품의 수명이 끝날 무렵에 발생한다.

캐패시턴스의 온도 의존성은 보통 °C당 백만 개(ppm) 단위로 표현된다.일반적으로 광범위한 선형 함수로 간주할 수 있지만 온도 극한에서는 눈에 띄게 비선형적일 수 있다.온도 계수는 양수 또는 음수일 수 있으며, 때로는 같은 유형의 다른 표본에서도 양수 또는 음수일 수 있다.즉, 온도계수 범위의 산포도는 0을 포함할 수 있다.

콘덴서, 특히 세라믹 콘덴서와 같은 구형 설계는 음파를 흡수하여 마이크 효과를 낼 수 있다.진동으로 인해 플레이트가 움직이며 캐패시턴스가 변화하여 AC 전류를 유도한다.일부 유전체들은 압전 또한 발생시킨다.그 결과 발생하는 간섭은 오디오 어플리케이션에서 특히 문제가 있어 피드백을 유발하거나 의도하지 않은 녹음을 유발할 수 있다.역마이크 효과에서는 콘덴서 판 사이의 가변 전기장이 물리적인 힘을 발휘하여 스피커로서 움직인다.이것은 가청음을 발생시킬 수 있지만 에너지를 배출하고 유전체와 전해질을 강조한다.

전류 및 전압 역전

전류 반전은 전류가 방향을 바꿀 때 발생한다.전압 반전은 회로의 극성의 변화다.역전은 일반적으로 극성을 반전시키는 최대 정격 전압의 백분율로 설명된다.DC 회로의 경우, 이는 대개 100% 미만인 반면, AC 회로는 100% 반전을 경험한다.

DC 회로와 펄스 회로에서 전류 및 전압 역전은 시스템 댐핑의 영향을 받는다.전압 반전은 과소 감쇠된 RLC 회로에서 발생한다.인덕턴스와 캐패시턴스 사이에 고조파 오실레이터를 형성하는 전류 및 전압 역방향.전류와 전압은 진동하는 경향이 있으며 시스템이 평형에 도달할 때까지 각 피크가 이전보다 낮아지는 등 여러 번 방향을 반전시킬 수 있다.이것은 흔히 벨 소리라고 불린다.이에 비해 임계 감쇠 또는 과다 감압 시스템은 일반적으로 전압 반전을 경험하지 않는다.각 방향에서 피크 전류가 동일한 AC 회로에서도 역전이 발생한다.

최대 수명을 위해 캐패시터는 일반적으로 시스템이 경험할 수 있는 최대 역전의 양을 처리할 수 있어야 한다.AC 회로는 100% 전압 반전을 경험하는 반면, 과소감압 DC 회로는 100% 미만을 경험한다.역전은 유전체 내에 과도한 전기장을 생성하며, 유전체와 도체 모두의 과도한 난방을 야기하며, 콘덴서의 기대 수명을 극적으로 단축시킬 수 있다.역전 정격은 유전체 재료와 전압 정격의 선택에서 사용되는 내부 연결 유형에 이르기까지 캐패시터의 설계 고려사항에 영향을 미치는 경우가 많다.^[44]

유전체 흡수

어떤 유형의 유전 물질로 만들어진 콘덴서는 어느 정도의 "유전 흡수" 또는 "소카지"를 나타낸다.콘덴서를 방전하고 분리하면 잠시 후 유전체의 이력 때문에 전압이 발생할 수 있다.이 효과는 정밀 검체 및 홀드 회로 또는 타이밍 회로와 같은 용도에서 바람직하지 않다.흡수 수준은 시간에 의존하는 프로세스이기 때문에 설계 고려사항부터 충전 시간까지 많은 요인에 따라 달라진다.그러나 일차적인 요인은 유전 물질의 유형이다.탄탈륨 전해질이나 폴리설폰 필름과 같은 콘덴서는 비교적 높은 흡수를 보이는 반면 폴리스티렌이나 테플론은 매우 적은 수준의 흡수를 허용한다.^[45]플래시 튜브, 텔레비전, 제세동기 등 위험한 전압과 에너지가 존재하는 일부 콘덴서에서 유전체 흡수는 콘덴서가 단락되거나 방전된 후 위험 전압으로 충전할 수 있다.10줄 이상의 에너지를 함유한 콘덴서는 일반적으로 위험한 것으로 간주되는 반면, 50줄 이상의 콘덴서는 잠재적으로 치명적이다.캐패시터는 수 분 동안 원래 전하의 0.01 ~ 20%를 회복할 수 있어 겉보기에는 안전해 보이는 캐패시터가 놀랄 만큼 위험해질 수 있다.^{[46][47][48][49][50]}

누출

누출은 콘덴서와 병렬로 발생하는 저항기와 동일하다.열에 지속적으로 노출되면 유전체 파괴와 과도한 누출을 유발할 수 있으며, 특히 오일 용지와 포일 캐패시터가 사용된 오래된 진공관 회로에서 자주 볼 수 있는 문제가 발생한다.많은 진공관 회로에서는 한 튜브의 플레이트에서 다음 단계의 그리드 회로까지 다양한 신호를 수행하기 위해 인터스테이지 커플링 캐패시터를 사용한다.콘덴서가 누출되면 그리드 회로 전압이 정상적인 바이어스 설정에서 상승하여 다운스트림 튜브에 과도한 전류 또는 신호 왜곡을 일으킬 수 있다.파워앰프에서 이는 플레이트를 빨간색으로 빛나게 하거나 전류 제한 저항기가 과열되어도 고장날 수 있다.구성품을 가공한 솔리드 스테이트(트랜지스터) 증폭기에도 유사한 고려 사항이 적용되지만, 낮은 열 생산과 현대 폴리에스테르 유전체 장벽의 사용으로 인해 한 때 흔히 볼 수 있었던 이 문제는 상대적으로 드물어졌다.

불용으로 인한 전해액 고장

알루미늄 전해 캐패시터는 적절한 내부 화학적 상태를 시작하기에 충분한 전압을 가하여 제조할 때 조절된다.이 상태는 장비를 정기적으로 사용함으로써 유지된다.전해 캐패시터를 사용하는 시스템을 장기간 사용하지 않으면 컨디셔닝을 잃을 수 있다.때때로 그들은 다음에 작동하면 단락과 함께 실패한다.

수명

모든 콘덴서는 구조, 작동 조건 및 환경 조건에 따라 수명을 달리한다.고체 상태의 세라믹 콘덴서는 일반적으로 정상 사용 시 수명이 매우 길며, 진동이나 주변 온도와 같은 요인에 거의 의존하지 않지만 습도, 기계적 스트레스, 피로와 같은 요인은 고장 발생 시 일차적인 역할을 한다.고장 모드는 다를 수 있다.일부 콘덴서는 캐패시턴스의 점진적인 손실, 누출 증가 또는 등가 직렬 저항(ESR)의 증가를 경험할 수 있으며, 다른 콘덴서는 갑자기 고장 나거나 심지어 대재앙으로 고장날 수도 있다.예를 들어 금속 필름 캐패시터는 스트레스와 습도로 인해 손상되기 쉽지만 유전체 고장이 발생하면 자가 치유된다.고장 지점에서 야광 방전이 형성되면 그 지점의 금속막을 기화시켜 아크를 방지하고 캐패시턴스 손실을 최소화하면서 모든 단락을 중화시킨다.필름에 핀홀이 충분히 쌓이면 금속 필름 콘덴서에서 총체적인 고장이 발생하는데, 일반적으로 경고 없이 갑자기 발생한다.

전해 콘덴서는 일반적으로 수명이 가장 짧다.전해 캐패시터는 진동이나 습도에 거의 영향을 받지 않지만, 주변 온도와 작동 온도 등의 요인이 고장 발생 시 큰 역할을 하는데, 이는 점차 ESR(최대 300%) 증가와 캐패시턴스 20% 감소에 따라 발생한다.캐패시터는 전해질을 함유하고 있는데, 전해질은 결국 씰을 통해 확산되어 증발하게 된다.온도 상승은 또한 내부 압력을 증가시키고 화학 물질의 반응 속도를 증가시킨다.따라서 전해 콘덴서의 수명은 일반적으로 화학 반응률을 결정하는 데 사용되는 아르헤니우스 방정식의 수정으로 정의된다.

${\displaystyle L=Be^{{\frac {e_}{A}{kT_{o}}}}}}$

제조업체는 종종 주변 온도, ESR 및 리플 전류의 영향을 받는 설계 작동 온도에서 사용할 때 전해질 캐패시터의 예상 수명(시간)을 제공하기 위해 이 방정식을 사용한다.그러나 이러한 이상적인 조건이 모든 용도에 존재하는 것은 아니다.다른 사용 조건에서 수명을 예측하는 경험 규칙은 다음과 같이 결정된다.

${\displaystyle L_{a}=L_{0}\time 2^{{\frac {T_{0}-T_{a}}{10}}}}}}}$

이는 온도가 상승할 때마다 10도마다 콘덴서의 수명이 절반씩 감소하고,^[51] 여기서 다음과 같은 현상이 나타난다는 것이다.

• ${\displaystyle L_{}}$ ${\displaystyle {0\mathrm{}}_{}}$ ${\$은(는) 정격 조건에서의 정격 수명(예: 2000시간)이다$$.
• ${\displaystyle T_{}}$ ${\displaystyle {0\mathrm{}}_{}}$ ${\$은(는) 정격 최대/최소 작동 온도임
• ${\displaystyle T_{}}$ ${\displaystyle a_{}}$ ${\$는 평균 작동 온도임
• ${\displaystyle L_{}}$ ${\displaystyle a_{}}$ ${\$는 주어진 조건에서 예상되는 수명이다.

캐패시터 유형

실용적인 캐패시터는 다양한 형태로 상업적으로 이용 가능하다.내부 유전체의 유형, 플레이트의 구조 및 장치 포장은 모두 콘덴서의 특징과 그 용도에 강한 영향을 미친다.

사용 가능한 값의 범위는 매우 낮음(피코파라드 범위, 임의로 낮은 값은 원칙적으로 가능한 반면, 모든 회로의 유격(기생성) 캐패시턴스는 제한 요인)에서 약 5kF 슈퍼캐패시터까지입니다.

일반적으로 약 1 마이크로파라드 전기 콘덴서는 다른 형식에 비해 크기가 작고 비용이 저렴하기 때문에 사용되며, 상대적으로 낮은 안정성, 수명 및 편광 성질이 적합하지 않은 경우 사용된다.고용량 슈퍼캐패시터는 다공성 탄소 기반 전극 소재를 사용한다.

유전체 재료

대부분의 캐패시터는 공기나 진공에 비해 캐패시턴스가 증가하는 유전체 스페이서를 가지고 있다.캐패시터가 유지할 수 있는 전하를 최대화하기 위해 유전체는 가능한 높은 순발성을 가지는 동시에 가능한 높은 파괴전압을 가져야 한다.유전체 또한 가능한 한 주파수와 함께 낮은 손실을 가질 필요가 있다.

그러나 극한의 고전압 작동과 저손실이 가능하도록 플레이트 사이에 진공상태로 저부가 캐패시터를 사용할 수 있다.플레이트가 대기에 개방된 가변 캐패시터는 일반적으로 무선 튜닝 회로에 사용되었다.이후 설계에서는 움직이는 플레이트와 고정 플레이트 사이에 폴리머 포일 유전체를 사용하며, 플레이트 사이에 큰 공기 공간이 없다.

종이, 플라스틱, 유리, 마이카, 세라믹을 포함한 몇 가지 고체 유전체를 사용할 수 있다.^[14]

종이는 구형 콘덴서에서 광범위하게 사용되었으며 상대적으로 높은 전압 성능을 제공한다.그러나 종이는 수분을 흡수하여 플라스틱 필름 콘덴서로 대체되어 왔다.

현재 사용되는 플라스틱 필름의 대부분은 사용 중인 플라스틱 필름의 한계 때문에 상대적으로 낮은 작동 온도 및 주파수로 제한될 수 있지만 타이머 회로에 유용하게 사용되는 기름종이 같은 오래된 유전체보다 더 나은 안정성과 노화 성능을 제공한다.대형 플라스틱 필름 캐패시터는 억제 회로, 모터 시동 회로, 전원 인자 보정 회로 등에 광범위하게 사용된다.

세라믹 캐패시터는 전압과 온도에 따라 캐패시턴스가 크게 달라지고 노후화가 잘 되지 않지만 일반적으로 작고 저렴하며 고주파 어플리케이션에 유용하다.그들은 또한 압전 효과에 시달릴 수 있다.세라믹 캐패시터는 온도에 따라 캐패시턴스의 예측 가능한 변동을 갖는 1등급 유전체나 높은 전압에서 작동할 수 있는 2등급 유전체로 광범위하게 분류된다.현대의 다층 세라믹은 보통 꽤 작지만, 어떤 종류는 본질적으로 넓은 가치 허용오차, 마이크로 문제를 가지고 있으며, 대개 물리적으로 부서지기 쉽다.

유리 및 마이카 캐패시터는 높은 온도와 전압에 대해 매우 신뢰할 수 있고 안정적이며 내성이 있지만 대부분의 주요 용도에 비해 너무 비싸다.

전해 캐패시터와 슈퍼캐패시터는 각각 소량의 에너지와 더 많은 양의 에너지를 저장하기 위해 사용되며, 세라믹 캐패시터는 공명기에 자주 사용되고, 기생 캐패시턴스는 회로 배치의 구성에 의해 의도치 않게 단순한 도체-인슐레이터-콘덕터 구조가 형성되는 모든 회로에서 발생한다.

전해 콘덴서는 산화 유전층이 있는 알루미늄이나 탄탈룸 판을 사용한다.두 번째 전극은 액체 전해질로, 다른 호일 플레이트로 회로에 연결된다.전해 캐패시터는 매우 높은 캐패시턴스를 제공하지만 공차 불량, 높은 불안정성, 특히 열에 노출되었을 때 캐패시턴스의 점진적인 손실, 높은 누출 전류로 인해 어려움을 겪는다.불량한 품질의 콘덴서는 전해질이 누출되어 인쇄 회로 기판에 유해할 수 있다.전해질의 전도도는 저온에서 떨어져 등가 직렬 저항이 증가한다.전력 공급 조절에 널리 사용되지만, 낮은 고주파 특성으로 인해 많은 애플리케이션에 적합하지 않다.전해 콘덴서는 일정 기간(약 1년) 동안 사용하지 않으면 자가 분해에 시달리며, 전류가 인가되면 단락되어 콘덴서가 영구적으로 손상되고 대개 퓨즈가 끊어지거나 정류기 다이오드가 고장날 수 있다.예를 들어, 오래된 장비의 경우 정류기 튜브에 아크가 발생할 수 있다.AC 전원을 공급하기 위해 가변 변압기를 사용하여 종종 30분 동안 골동품 진공관 장비에서 수행되는 작동 전압을 점진적으로 적용하여 사용 전에 복구할 수 있다.이 기법의 사용은 정상적인 전력 범위 이하의 작동으로 손상될 수 있는 일부 솔리드 스테이트 장비에 대해서는 만족도가 떨어질 수 있으며, 이는 우선 전원 공급 장치를 소비 회로로부터 격리시켜야 한다.현대 고주파 전원 공급장치는 입력량이 감소하더라도 최대 출력 전압을 생성하기 때문에 이러한 구제책은 적용되지 않을 수 있다.^{[citation needed]}

탄탈럼 캐패시터는 알루미늄보다 주파수와 온도 특성이 뛰어나지만 유전체 흡수 및 누출이 더 높다.^[52]

폴리머 캐패시터(OS-CON, OC-CON, KO, AO)는 고체 전도성 폴리머(또는 중합성 유기 반도체)를 전해질로 사용하며 표준 전해성 캐패시터보다 높은 비용으로 수명과 낮은 ESR을 제공한다.

피드스루 캐패시터는 주요 용도는 아니지만 캐패시턴스가 있는 부품으로 전도성 시트를 통해 신호를 전달하는 데 사용된다.

몇 가지 다른 종류의 콘덴서는 전문 용도에 사용할 수 있다.슈퍼캡슐레이터는 많은 양의 에너지를 저장한다.탄소 에어로겔, 탄소 나노튜브 또는 다공성 전극 재료로 만들어진 슈퍼캐패시터는 매우 높은 캐패시턴스(2010년^[update] 기준 최대 5kF)를 제공하며, 충전식 배터리 대신 일부 용도에 사용할 수 있다.교류 캐패시터는 라인 전압 AC 전원 회로에서 작동하도록 특별히 설계되어 있다.그것들은 일반적으로 전기 모터 회로에 사용되며 큰 전류를 다루도록 설계되는 경우가 많기 때문에 물리적으로 큰 경향이 있다.그것들은 대개 튼튼하게 포장되어 있으며, 종종 쉽게 접지/접지할 수 있는 금속 케이스에 들어 있다.그것들은 또한 최대 AC 전압의 최소 5배의 직류 분해 전압으로 설계된다.

전압 의존형 캐패시터

매우 유용한 다수의 유전체들에 대한 유전 상수는 적용된 전기장(예: 강전 물질)의 함수로서 변화하므로 이러한 장치의 정전용량은 더 복잡하다.예를 들어, 이러한 캐패시터를 충전할 때 충전 시 전압의 차등 증가는 다음에 의해 제어된다.

$[\displaystyle \dQ=C(V)\,dV}$

여기서 캐패시턴스의 전압 의존성 C(V)는 캐패시턴스가 전기장 강도의 함수임을 시사하며, 넓은 면적 병렬 플레이트 장치에서는 ε = V/d가 제공된다.이 장은 전극의 경우 양극화가 일어나는 유전체를 양극화하는 것으로 전기장의 비선형 S자형 기능으로, 대면적 평행판 소자의 경우 전압의 비선형 함수인 정전용량으로 해석된다.^[53][54]

전압 의존 캐패시턴스에 대응하여 캐패시터를 전압 V로 충전하는 데 필요한 적분 관계가 발견된다.

${\displaystyle Q=\int _{0}^{V}C(V)\,dV\ }$

C가 전압 V에 의존하지 않는 경우에만 Q = CV에 동의한다.

같은 토큰에 의해, 지금 콘덴서에 저장된 에너지는 다음에 의해 주어진다.

${\displaystyle dW=Q\,dV=\왼쪽[\int _{0}^{V}\dV'\C(V')\오른쪽]\dV\ .}$

통합:

${\displaystyle W=\int _{0}^{V}\ dV\ \int _{0}^{V}\ dV'\ C(V')=\int _{0}^{V}\ dV'\ \int _{V'}^{V}\ dV\ C(V')=\int _{0}^{V}\ dV'\left(V-V'\right)C(V')\ ,}$

통합 순서의 교체가 사용되는 경우.

강전 표면을 따라 스캔한 현미경 프로브의 비선형 캐패시턴스는 강전 물질의 영역 구조를 연구하는 데 사용된다.^[55]

전압 의존 캐패시턴스의 또 다른 예는 반도체 다이오드와 같은 반도체 소자에서 발생한다. 여기서 전압 의존성은 유전체 상수의 변화에서 비롯된 것이 아니라 콘덴서 양쪽에 있는 전하 사이의 간격의 전압 의존에서 비롯된다.^[56]이 효과는 varicaps라고 알려진 다이오드 같은 장치에서 의도적으로 악용된다.

주파수 종속 캐패시터

커패시터가 충분히 빠르게 변화하는 시간 변동 전압으로 구동되는 경우, 어떤 주파수에서는 유전체의 양극화가 전압을 따를 수 없다.이 메커니즘의 원인의 예로서 유전 상수에 기여하는 내부 미세 쌍극자는 즉시 움직일 수 없으므로, 인가된 교류 전압의 주파수가 증가함에 따라 쌍극자 반응이 제한되고 유전 상수가 감소한다.주파수와 함께 변화하는 유전체 상수를 유전체 분산이라고 하며, 데비 이완과 같은 유전체 이완 과정에 의해 지배된다.과도상태에서 변위장은 다음과 같이 표현될 수 있다(전기 민감성 참조):

${\displaystyle {\boldsymbol {D(t)}}=\varepsilon _{0}\int_{-\infit }^{t}\\varepsilon _{r}(t-t'){\boldsymbol{E}(t)\d',},},},},}$

ε의_r 시간 의존성에 의한 응답의 지연을 나타내며, 예를 들어 유전체 내 쌍극자 거동의 기초적인 현미경 분석으로부터 원칙적으로 계산한다.예를 들어 선형 반응 함수를 참조하십시오.^[57][58]그 본질은 과거 역사를 통틀어 현재에 이른다.푸리에 변환을 시간 내에 수행하면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다.

${\displaystyle {\boldsymbol {D}(\omega )=\varepsilon _{0}\varepsilon _{r}(\omega){\boldsymbol {E}(\omega )\}$

여기서 ε_r(Ω)은 이제 복잡한 함수로서, 매체에 의한 필드로부터의 에너지 흡수와 관련된 가상의 부분이 있다.자유도를 참조하라.유전 상수에 비례하는 캐패시턴스도 이러한 주파수 동작을 나타낸다.Fourier는 변위장에 대해 이 양식을 사용하여 가우스의 법칙을 변환한다.

${\displaystyle I(\omega )=j\omega Q(\omega)=j\omega \point _{\\Sigmbol{\boldsymbol{r},\omega)\cdot d{\boldsymbol {\sigmbol}}}$

${\displaystyle =\왼쪽[G(\omega )+j\omega C(\omega)\right]V(\omega)={\frac {V(\omega )}{Z(\omega )}}}$

여기서 j는 가상 단위, V(Ω)는 각도 주파수 Ω에서 전압 성분이며, G(Ω)는 전류의 실제 부분이며, 전도성이라고 하며, C(Ω)는 전류의 가상 부분을 결정하고 캐패시턴스다. Z(Ω)는 복합 임피던스다.

병렬 플레이트 캐패시터를 유전체로 채운 경우 매체의 유전체 특성 측정은 다음 관계를 기준으로 한다.

${\displaystyle \varepsilon _{r}(\omega )=\varepsilon '_{r}(\omega )-j\varepsilon ''_{r}(\omega )={\frac {1}{j\omega Z(\omega )C_{0}}}={\frac {C_{\text{cmplx}}(\omega )}{C_{0}}}\ ,}$

유전 선물과 함께 어디 하나의 전성기 유전 선물의 진짜 부분과 이중 부양을 허수 부분, Z(ω)은 복합 임피이던스를 나타낸다, Ccmplx(ω)고 있는 것은 복잡한 용량, 그리고 유전 없이 C0정전 용량이 되는 것이다.원칙적으로[59][60](측정"유전 없이"자유 공간, 불행에 측량이다.양자 진공 상태에서도 이분법 등 비이상적 행동을 보일 것으로 예상됨에 따라 이를 통해 달성할 수 있는 목표가 제시된다.실용적으로 측정 오차를 고려할 때, 지상 진공에서의 측정, 또는 단순히₀ C의 계산이 충분히 정확할 때가 많다.^[61]

이 측정 방법을 사용하면 유전 상수는 유전 상수에 대한 기여자의 특성 응답 주파수(흥분 에너지)에 해당하는 특정 주파수에서 공진을 나타낼 수 있다.이러한 공명들은 결함을 감지하기 위한 여러 실험 기법의 기초가 된다.전도성 방법은 주파수의 함수로서 흡수를 측정한다.^[62]또는 깊은 수준의 과도 분광에서와 같이 캐패시턴스의 시간 응답을 직접 사용할 수 있다.^[63]

주파수 의존 캐패시턴스의 또 다른 예는 MOS 캐패시터에서 발생한다. 여기서 소수 캐리어 생성 속도가 느린 것은 높은 주파수에서 캐패시턴스는 대부분의 캐리어 응답만 측정하는 반면 두 유형의 캐리어 응답은 낮은 주파수에서 측정한다.^[56][64]

광 주파수에서 반도체에서 유전 상수는 고체의 밴드 구조와 관련된 구조를 나타낸다.압력 또는 기타 스트레스에 의해 결정 구조를 변조하고 빛의 흡수 또는 반사에서 관련된 변화를 관찰하는 정교한 변조 스펙트럼 분석 측정 방법은 이러한 물질에 대한 우리의 지식을 발전시켰다.^[65]

스타일

판과 유전체의 배열은 콘덴서의 원하는 정격에 따라 다른 스타일의 많은 변화를 가진다.작은 캐패시턴스 값(마이크로패러드 이하)의 경우 세라믹 디스크는 금속 코팅과 와이어 리드가 코팅에 접합된 상태로 사용한다.더 큰 값은 여러 겹의 판과 디스크로 만들 수 있다.더 큰 가치의 콘덴서는 보통 금속 포일이나 금속 필름 층을 이용해 유전체 필름 표면에 퇴적하여 판을 만들고, 함침된 종이나 플라스틱의 유전체 막은 공간을 절약하기 위해 롤업한다.긴 플레이트에 대한 직렬 저항과 인덕턴스를 줄이기 위해 플레이트와 유전체를 비틀어서 플레이트를 구성하는 호일 또는 금속 필름 스트립의 끝이 아니라 롤업 플레이트의 공통 가장자리에 연결되도록 한다.

조립품은 유전체 유입을 방지하기 위해 밀랍으로 밀폐된 판지 튜브를 사용하여 초기 무선 장비에 밀폐되어 있다.현대의 종이 또는 필름 유전 콘덴서는 단단한 열가소성 수지에 담근다.고전압 사용을 위한 대형 콘덴서는 직사각형 금속 케이스에 맞도록 롤 폼을 압축할 수 있으며, 연결용 볼트 단자와 부싱이 있을 수 있다.더 큰 콘덴서의 유전체는 종종 특성을 개선하기 위해 액체를 주입한다.

캐패시터는 연결 리드를 축 또는 방사형으로 여러 가지 구성으로 배열할 수 있다."축"은 리드가 보통 커패시터의 원통형 본체의 축인 공통 축에 있음을 의미하며, 리드는 반대쪽 끝에서 연장된다.방사상 납은 신체의 원의 반지름을 따라 정렬되는 경우가 드물기 때문에 용어는 재래식이다.리드( 구부러질 때까지)는 보통 커패시터의 평평한 본체와 평행한 평면에 있으며, 동일한 방향으로 확장된다. 종종 제조된 것과 평행이다.

작고 값싼 원반형 세라믹 콘덴서는 1930년대부터 존재해왔으며, 널리 사용되고 있다.1980년대 이후, 콘덴서용 표면 탑재 패키지가 널리 사용되어 왔다.이 패키지는 매우 작고 연결 리드가 부족하여 인쇄 회로 기판 표면에 직접 납땜할 수 있다.표면 탑재 부품은 크기가 작아 수동 처리가 어렵지만 리드로 인한 바람직하지 않은 고주파 영향을 피하고 자동 조립을 단순화한다.

기계적으로 제어되는 가변 캐패시터는 예를 들어 이동식 플레이트 세트를 회전시키거나 미끄러져 고정 플레이트 세트와 정렬함으로써 플레이트 간격을 조정할 수 있다.저비용 가변 캐패시터는 나사로 알루미늄과 플라스틱을 번갈아 끼운다.정전용량의 전기적 제어는 인가 전압에 따라 소모 영역 폭이 변화하는 역 바이어스 반도체 다이오드인 바락터(또는 바리캅스)를 통해 달성할 수 있다.그것들은 다른 응용 프로그램들 중에서도 위상 잠금 루프에 사용된다.

콘덴서 표시

대부분의 콘덴서에는 전기적 특성을 나타내기 위해 몸체에 인쇄된 지정이 있다.전해질 유형과 같은 큰 캐패시터는 일반적으로 캐패시턴스를 명시적 단위(예: 220μF)의 값으로 표시한다.세라믹 타입과 같은 소형 커패시터는 3자리와 문자로 구성된 속기법을 사용하며, 여기서 숫자(XYZ)는 XY × 10으로^Z 계산된 피코파라드(pF)의 캐패시턴스를 나타내며, 문자는 공차를 나타낸다.공통 공차는 ±5%, ±10%, ±20%로 각각 J, K, M으로 나타낸다.

콘덴서의 작동 전압, 온도 및 기타 관련 특성으로 라벨을 표시할 수도 있다.

인쇄상의 이유로 일부 제조업체는 마이크로패러드(μF)를 나타내기 위해 콘덴서에 MF를 인쇄한다.^[66]

예

473K 330V로 라벨이 부착되거나 지정된 콘덴서는 캐패시턴스가 47 × 10³ pF = 47 nF(±10%)이고 최대 작동 전압은 330 V이다.콘덴서의 작동 전압은 명목상 유전층을 파괴할 수 있는 과도한 위험 없이 콘덴서에 적용될 수 있는 가장 높은 전압이다.

RKM 코드

회로 다이어그램에서 커패시터 값을 나타내는 표기법은 다양하다.IEC 60062 및 BS 1852에 따른 RKM 코드는 소수점 구분 기호를 사용하지 않으며 소수점 구분 기호를 특정 값(및 문자)에 대한 SI 접두사 기호로 대체한다.무게 1에 대한 F).예: 4.7nF의 경우 4n7 또는 2.2F의 경우 2F2

역사적

1960년대 이전 텍스트와 더 최근까지 일부 커패시터 패키지의 경우 오래된 캐패시턴스 유닛이 전자책,^[67] 잡지 및 전자 카탈로그에 사용되었다.^[14][68]구형 단위인 mfd와 mf는 마이크로파라드(μF)를 의미했고, 구형 단위인 'mmfd', 'mmf', 'uuf', 'μf', 'pfd'는 피코파라드(pF)를 의미했지만, 더 이상 사용되지 않는다.^[69]또한 "미크로미크로파라드"나 "마이크로마이크로파라드"는 피코파라드(pF)에 해당하는 일부 구식 텍스트에서 발견되는 구식 단위다.^[67]

사용되지 않는 캐패시턴스 단위 요약: (상단/하단 케이스 변동이 표시되지 않음)

• μF(마이크로파라드) = mf, mfd
• pF(피코파라드) = mmf, mmfd, pfd, μF

적용들

에너지 저장

콘덴서는 충전 회로에서 분리되었을 때 전기 에너지를 저장할 수 있으므로, 임시 배터리처럼 또는 다른 유형의 충전 에너지 저장 시스템과 같이 사용할 수 있다.^[70]콘덴서는 배터리가 교체되는 동안 전력 공급을 유지하기 위해 전자 장치에 일반적으로 사용된다.(이는 휘발성 메모리의 정보 손실을 방지한다.)

콘덴서는 충전된 입자의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 저장할 수 있다.^[71]

기존 커패시터는 특정 에너지의 kg당 360줄 이하를 제공하는 반면, 기존 알칼리성 배터리의 밀도는 590kJ/kg이다.중간 해결책이 있다: 슈퍼캐패시터: 배터리보다 훨씬 빨리 전하를 받아들이고 전달할 수 있으며, 충전용 배터리보다 더 많은 충전 및 방전 주기를 견딜 수 있다.하지만, 그것들은 주어진 충전으로 기존 배터리보다 10배 더 크다.반면 박막 캐패시터의 유전체층에 저장된 전하의 양은 플레이트에 저장된 전하의 양과 같거나 심지어 이를 초과할 수 있는 것으로 나타났다.^[72]

자동차 오디오 시스템에서는 대형 커패시터가 앰프가 온디맨드 방식으로 사용할 수 있도록 에너지를 저장한다.또한 플래시 튜브의 경우 고전압을 고정하는 데 콘덴서가 사용된다.

디지털 메모리

1930년대에 존 아타나소프는 전자관을 로직으로 사용한 최초의 이진 컴퓨터에 동적 디지털 메모리를 구축하기 위해 콘덴서에 에너지 저장 원리를 적용했다.^[73]

펄스 파워 및 무기

많은 펄스 전력 애플리케이션에서 거대한 전류 펄스를 공급하기 위해 특수하게 구성된 저인덕턴스 고전압 캐패시터(캐패시터 뱅크) 그룹이 사용된다.여기에는 전자기 형성, 마르크스 생성기, 펄스 레이저(특히 TEA 레이저), 펄스 형성 네트워크, 레이더, 핵융합 연구, 입자 가속기가 포함된다.

대형 콘덴서 뱅크(저수지)는 핵무기 및 기타 특수무기에서 폭발하는 브리지와이어 기폭장치 또는 슬래퍼 기폭장치의 에너지원으로 사용된다.전자파 무장과 전자파 레일건, 코일건의 전원으로 캐패시터 뱅크(Bank of capacider)를 이용한 실험 작업이 진행 중이다.

전원 조절

저장용 콘덴서는 전원 공급기에서 전체 또는 반파 정류기의 출력을 부드럽게 하는 데 사용된다.입력 전압보다 높은 전압을 생성하는 과정에서 충전 펌프 회로에서도 에너지 저장 요소로 사용할 수 있다.

캐패시터는 대부분의 전자장치 및 대형 시스템(공장 등)의 전원 회로와 병렬로 연결되어 1차 전원으로부터의 전류 변동을 분리하고 은폐하여 신호 또는 제어 회로에 "깨끗한" 전원을 공급한다.예를 들어 오디오 장비는 이러한 방식으로 여러 개의 콘덴서를 사용하여 전원 라인이 신호 회로에 들어가기 전에 웅웅거리는 소리를 분리한다.콘덴서는 DC 전원에 대한 로컬 예비역 역할을 하며 전원 공급 장치에서 AC 전류를 우회한다.이는 경화 캐패시터가 납산 자동차 배터리에 대한 리드의 인덕턴스와 저항을 보상할 때 차량 오디오 애플리케이션에 사용된다.

동력인자 보정

전력 분배에서 콘덴서는 전력 인자 보정에 사용된다.그러한 콘덴서는 흔히 3상 부하로 연결된 3개의 콘덴서로 나온다.일반적으로 이러한 캐패시터의 값은 패러드로 제공되지 않고 오히려 전압-암페어 반응성(var)의 반응성 전력으로 제공된다.목적은 전기 모터 및 변속기 라인과 같은 장치의 유도 부하에 대응하여 부하가 대부분 저항성이 있는 것처럼 보이도록 하는 것이다.개별 모터 또는 램프 부하에는 전원 인자 보정을 위한 커패시터가 있을 수 있으며, 일반적으로 자동 스위칭 장치가 있는 대형 커패시터를 건물 내의 로드 센터 또는 대형 유틸리티 변전소에 설치할 수 있다.

억제 및 결합

신호 커플링

캐패시터는 AC를 통과하지만 DC 신호를 차단하기 때문에(적용된 DC 전압까지 충전된 경우), 종종 신호의 AC와 DC 구성요소를 분리하는 데 사용된다.이 방법은 AC 커플링 또는 "용량 커플링"으로 알려져 있다.여기에는 값을 정확하게 제어할 필요는 없지만 신호 주파수에서 리액턴스가 작은 대용량 캐패시턴스가 사용된다.

디커플링

디커플링 커패시터는 회로의 한 부분을 다른 회로의 영향으로부터 보호하는 데 사용되는 커패시터(예를 들어 소음이나 과도현상을 억제하는 것)이다.다른 회로 요소에 의해 발생하는 노이즈는 커패시터를 통해 떨림으로써 회로의 나머지 부분에 미치는 영향을 감소시킨다.그것은 전력 공급과 접지 사이에 가장 흔히 사용된다.대체 이름은 회로의 전원 공급 장치 또는 기타 고임피던스 구성 요소를 우회하는 데 사용되므로 바이패스 캐패시터(bypass capacitor)이다.

캐패시터를 분리하는 것이 항상 이산형 구성 요소일 필요는 없다.이러한 용도에 사용되는 콘덴서는 인쇄 회로 기판, 다양한 층 사이에 내장될 수 있다.이를 흔히 내장형 콘덴서라고 한다.^[74]용량성 특성에 기여하는 보드의 층은 전력 및 접지면으로도 기능하며, 그 사이에 유전체가 있어 병렬 플레이트 캐패시터로 작동할 수 있다.

하이패스 및 로우패스 필터

노이즈 억제, 스파이크 및 스너버

유도 회로가 열리면 인덕턴스를 통한 전류가 빠르게 붕괴되어 스위치나 릴레이의 개방 회로에 걸쳐 큰 전압이 발생한다.인덕턴스가 충분히 크면 에너지는 스파크를 발생시켜 접촉점이 산화, 열화 또는 용접되거나 솔리드 스테이트 스위치가 파괴될 수 있다.새로 개방된 회로에 걸쳐 스너버 캐패시터는 접촉점을 우회하려는 충동을 위한 경로를 생성하여 접촉 차단기의 수명을 보존한다. 예를 들어 이러한 충동은 일반적으로 접촉 차단기 점화 시스템에서 발견된다.마찬가지로, 소형 회로에서는 스파크가 스위치를 손상시킬 정도는 아니지만 필터 캐패시터가 흡수하는 바람직하지 않은 무선 주파수 간섭(RFI)을 방출할 수 있다.스너버 콘덴서는 에너지를 소산하고 RFI를 최소화하기 위해 일반적으로 저값 저항기와 직렬로 사용된다.그러한 저항기와 수용기 조합은 단일 패키지로 이용할 수 있다.

콘덴서는 또한 이 장치들 사이에 전압을 균등하게 분배하기 위해 고전압 회로 차단기의 방해 장치와 병렬로 사용된다.이를 "그라운드 캐패시터"라고 한다.

개략도 다이어그램에서 DC 충전 저장에 주로 사용되는 콘덴서는 회로 다이어그램에서 수직으로 그려지는 경우가 많으며, 더 낮은 음의 판은 호로 그려진다.직선판은 양극화된 경우 장치의 양극 단자를 나타낸다(전해 콘덴서 참조).

모터 시동기

단상 다람쥐 케이지 모터에서 모터 하우징 내의 1차 권선은 로터 위에서 회전 운동을 시작할 수 없지만 회전 운동을 지속할 수 있다.모터를 시동하기 위해 2차 "시동" 권선에는 정현 전류의 리드를 도입하기 위한 일련의 비극화 시동 캐패시터가 있다.2차(시작) 권선이 1차 권선에 대해 각도에 놓이면 회전 전기장이 생성된다.회전장의 힘은 일정하지 않지만 로터 회전을 시작하기에 충분하다.로터가 작동 속도에 가까워지면 원심 스위치(또는 주 권선과 직렬로 연결된 전류 감지 릴레이)가 콘덴서를 분리한다.시동 콘덴서는 일반적으로 모터 하우징 측면에 장착된다.이를 캐패시터-시동 모터라고 하며, 상대적으로 시동 토크가 높다.일반적으로 그들은 분할 위상 모터보다 최대 4배 많은 시동 토크를 가질 수 있으며, 높은 시동 토크를 필요로 하는 압축기, 압력 와셔 및 소형 장치와 같은 용도에 사용된다.

캐패시터 구동 유도 모터에는 2차 권선과 직렬로 영구적으로 연결된 위상 변화 캐패시터가 있다.모터는 2상 유도 모터와 매우 비슷하다.

모터 구동식 콘덴서는 일반적으로 극성이 아닌 전해질 유형인 반면, 구동식 콘덴서는 기존의 종이 또는 플라스틱 필름 유전체 유형이다.

신호처리

콘덴서에 저장된 에너지는 DRAM과 같이 이진 형태로 또는 아날로그 형태로 정보를 나타내기 위해 사용될 수 있다. 콘덴서는 통합자 또는 더 복잡한 필터의 구성 요소로서 아날로그 회로에 사용될 수 있고 음성 피드백 루프 안정화에서 사용될 수 있다.신호 처리 회로는 또한 캐패시터를 사용하여 전류 신호를 통합한다.

튜닝 회로

커패시터와 인덕터는 튜닝된 회로에서 함께 적용되어 특정 주파수 대역의 정보를 선택한다.예를 들어, 라디오 수신기는 스테이션 주파수를 조정하기 위해 가변 캐패시터를 사용한다.스피커는 패시브 아날로그 크로스오버를, 아날로그 이퀄라이저는 캐패시터를 사용해 다른 오디오 밴드를 선택한다.

튜닝된 회로의 공명 주파수 f는 직렬로 인덕턴스(L)와 캐패시턴스(C)의 함수로서, 다음과 같이 주어진다.

${\displaystyle f={\frac {1}{2\pi {\sqrt{LC}}}}$

여기서 L은 암탉이고 C는 패럿이다.

감지

주요 기사: 용량성 감지

주요 기사: 용량성 변위 센서

대부분의 콘덴서는 고정된 물리적 구조를 유지하도록 설계되어 있다.그러나 다양한 요인들이 커패시터의 구조를 바꿀 수 있고, 그에 따른 캐패시턴스의 변화를 통해 그러한 요인을 감지할 수 있다.

유전체 변경:

유전체 특성 변화 효과는 감지 목적으로 사용될 수 있다.노출되고 다공성 유전체가 있는 캐패시터를 사용하여 공기 중의 습도를 측정할 수 있다.캐패시터는 비행기의 연료 레벨을 정확하게 측정하는 데 사용된다. 연료가 한 쌍의 플레이트를 더 많이 덮을수록 회로 캐패시턴스가 증가한다.유전체를 압착하면 압력 센서로 사용할 수 있을 정도로 수십 bar 압력으로 콘덴서를 변경할 수 있다.^[75]선택되었지만 다른 표준이 아닌 폴리머 유전 콘덴서는 호환 가능한 가스나 액체에 담그면 수백 바까지의 매우 낮은 비용 압력 센서로서 유용하게 작동할 수 있다.

플레이트 간 거리 변경:

변형률이나 압력을 측정하기 위해 유연한 플레이트가 있는 콘덴서를 사용할 수 있다.공정 제어에 사용되는 산업용 압력 송신기는 오실레이터 회로의 콘덴서 판을 형성하는 압력 감지 다이아프램을 사용한다.콘덴서 마이크로폰에서는 다른 플레이트의 고정 위치에 비례하여 한 플레이트가 공기 압력에 의해 이동되는 센서로 캐패시터를 사용한다.일부 가속도계는 칩에 식각된 MEMS 콘덴서를 사용해 가속 벡터의 크기와 방향을 측정한다.이들은 에어백 전개를 트리거하는 센서로서 가속도, 틸트 센서, 자유 낙하 감지 등에 사용된다.일부 지문 센서는 캐패시터를 사용한다.또한 사용자는 손을 움직여 테마민 악기의 피치를 조정할 수 있다. 이는 사용자와 안테나 사이의 유효 캐패시턴스를 변화시키기 때문이다.

플레이트의 유효 영역 변경:

정전식 터치 스위치는 현재^[when?] 많은 소비자 전자 제품에 사용되고 있다.

오실레이터

콘덴서는 오실레이터 회로에서 스프링과 같은 품질을 가질 수 있다.이미지 예에서 캐패시터는 npn 트랜지스터 베이스의 바이어싱 전압에 영향을 주는 작용을 한다.전압 분할 저항기의 저항 값과 캐패시터의 캐패시턴스 값이 함께 진동 주파수를 제어한다.

빛 생산

발광 캐패시터는 인광을 이용해 빛을 내는 유전체로 만들어진다.전도성 판 중 하나를 투명한 재질로 만들면 빛이 보인다.발광 캐패시터는 노트북 컴퓨터용 백라이팅과 같은 응용 프로그램을 위해 전기 발광 패널을 제작하는 데 사용된다.이 경우 전체 패널은 빛을 발생시킬 목적으로 사용되는 콘덴서다.

위험 및 안전

콘덴서에 의해 야기되는 위험은 대개 저장되는 에너지의 양에 의해 결정되는데, 이것은 전기 화상이나 심장 세동 같은 것들의 원인이다.전압이나 섀시 소재와 같은 요인은 2차적인 고려사항으로, 손상이 어느 정도 발생할 수 있는지보다는 충격을 얼마나 쉽게 개시할 수 있는지에 더 관련이 있다.^[50]표면의 전도성, 기존 의료 조건, 공기의 습도 또는 그것이 신체를 통과하는 경로(즉, 신체의 중심부를 가로질러 이동하는 충격, 특히 심장은 사지에 한정된 충격보다 더 위험하다)를 포함한 특정 조건 하에서, 1줄만큼 낮은 충격이 보고되었다.대부분의 경우 화상을 남기지 않을 수도 있지만, 죽음을 초래하기 위해.10줄 이상의 충격은 일반적으로 피부에 손상을 줄 것이며, 보통 위험하다고 여겨진다.50줄 이상을 저장할 수 있는 콘덴서는 치명적일 수 있는 것으로 간주되어야 한다.^[76][50]

콘덴서는 회로의 전원이 차단된 후에도 오랫동안 전하를 유지할 수 있다. 이 전장은 위험하거나 심지어 치명적 충격이나 연결된 장비 손상을 초래할 수 있다.예를 들어, 1.5볼트 AA 배터리로 구동되는 일회용 카메라 플래시 장치와 같이 외관상 무해해 보이는 장치도 15줄 이상의 에너지를 포함하고 300볼트 이상으로 충전될 수 있는 콘덴서를 가지고 있다.이것은 쉽게 충격을 전달할 수 있다.전자 기기의 서비스 절차에는 예를 들어 브링클리 스틱을 사용하여 대형 또는 고전압 캐패시터를 방전하라는 지침이 일반적으로 포함된다.캐패시터에는 또한 전원이 차단된 후 몇 초 이내에 저장된 에너지를 안전한 수준으로 소산하기 위한 방전 저항기가 내장되어 있을 수 있다.고전압 캐패시터는 유전체 흡수로 인한 잠재적 위험 전압 또는 과도 전압으로부터 보호하기 위해 단자가 단락된 상태로 저장된다.^[50]

일부 오래되고 큰 기름으로 채워진 종이 또는 플라스틱 필름 캐패시터에는 폴리염소화 비페닐(PCB)이 포함되어 있다.폐PCB는 매립지 지하수로 유출될 수 있는 것으로 알려져 있다.PCB가 들어 있는 콘덴서는 "아스카렐"과 몇 개의 다른 상호가 들어 있는 것으로 표시되었다.PCB가 채워진 종이 콘덴서는 매우 오래된(1975년 이전) 형광등 밸러스트 및 기타 용도에서 발견된다.

콘덴서는 정격 이상의 전압이나 전류를 받거나 정상 수명에 도달하면 대재앙으로 고장날 수 있다.유전체 또는 금속 상호접속 장애는 유전체 액을 증발시켜 불룩, 파열 또는 폭발을 유발하는 아크를 발생시킬 수 있다.RF 또는 지속적인 고전류 애플리케이션에 사용되는 콘덴서는 특히 콘덴서 롤의 중앙에서 과열될 수 있다.고에너지 캐패시터 뱅크에서 사용되는 캐패시터는 한 캐패시터가 단락되면 나머지 뱅크에 저장된 에너지를 고장난 유닛으로 갑자기 덤핑하는 원인이 될 때 격렬하게 폭발할 수 있다.고전압 진공 캐패시터는 정상 작동 중에도 부드러운 X선을 생성할 수 있다.적절한 격납, 결합 및 예방 유지보수는 이러한 위험을 최소화하는 데 도움이 될 수 있다.

고전압 캐패시터는 고전압 직류(HVDC) 회로의 전원을 켤 때 누전 전류를 제한하기 위한 사전 충전의 이점을 얻을 수 있다.이는 부품의 수명을 연장하며 고전압 위험을 완화할 수 있다.

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  팽창된 전해 캐패시터 – 커패시터 탑의 특수 설계로 인해 심하게 터지지 않고 환기가 가능

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  제세동기에서 나오는 이 고에너지 콘덴서는 안전을 위해 단자 사이에 저장된 에너지를 소산하기 위한 저항을 가지고 있다.

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  커패시터의 치명적인 고장으로 인해 종이 조각과 금속 호일 조각이 흩어짐

참고 항목

• 캐패시턴스 미터
• 콘덴서 페스트
• 전기변위장
• 전기 발광
• 콘덴서 제조업체 목록

참조

참고 문헌 목록

• Dorf, Richard C.; Svoboda, James A. (2001). Introduction to Electric Circuits (5th ed.). New York: John Wiley & Sons. ISBN 978-0471386896.
• 왕립학회 LXXII의 철학적 거래, 1782년 부록 8 (볼타는 콘덴서라는 단어에 동전을 입힌다)
• Ulaby, Fawwaz Tayssir (1999). Fundamentals of Applied Electromagnetics (2nd ed.). Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall. ISBN 978-0130115546.
• Schroder, Dieter K. (2006). Semiconductor Material and Device Characterization (3rd ed.). Wiley. p. 270 ff. ISBN 978-0471739067.
• Sze, Simon M.; Ng, Kwok K. (2006). Physics of Semiconductor Devices (3rd ed.). Wiley. ISBN 978-0470068304.

추가 읽기

• 탄탈럼 및 니오비움 기반 캐패시터 – 과학, 기술 및 응용 프로그램; 1차 에드; 유리 프리먼; 스프링어; 120페이지; 2018; ISBN 978-3319678696.
• 캐패시터; 1차 Ed; R.P.D eshpande; McGraw-Hill; 342페이지; 2014; ISBN 978-0071848565.
• 캐패시터 핸드북; 1차 에드; 클레투스 카이저; 반 노스트랜드 라인홀드; 124페이지; 1993; ISBN 978-9401180924.
• 캐패시터와 그 용도에 대한 이해; 제1차 Ed; William Mullin; Sams 출판; 96페이지; 1964.(iii)
• 고정 및 가변 캐패시터; 제1차 Ed; G.W.A. 더머와 해럴드 노든버그; 메이플 프레스; 288페이지; 1960. (아카이브)
• 전해 콘덴서; 제1편; 알렉산더 조지예프; 머레이 힐 북스; 191쪽; 1945. (아카이브)

외부 링크

위키미디어 커먼스는 캐패시터 및 캐패시터(SMD)와 관련된 미디어를 보유하고 있다.

Wikibook Electronics에는 다음과 같은 주제의 페이지가 있다: 캐패시터

무료 사전인 Wiktionary에서 콘덴서를 찾아 보십시오.

• 첫 번째 콘덴서 – 맥주 유리 – 스파크뮤지엄
• 캐패시터의 작동 방식 – 작동 방식
• 캐패시터 자습서