작은 원통형 전기 부품인 여러 커패시터가 이 마더보드에 납땜되어 있습니다. 피터 DAZELEY / 게티 이미지

어떤 면에서 커패시터는 배터리와 약간 비슷합니다. 완전히 다른 방식으로 작동하지만 커패시터와 배터리는 모두 전기 에너지를 저장합니다. 배터리 작동 방식을 읽었다면  배터리에 두 개의 단자가 있음을 알 수 있습니다. 배터리 내부에서 화학 반응은 한 단자에서 전자를 생성하고 다른 단자는 회로를 만들 때 전자를 흡수합니다. 축전기는 새로운 전자를 생성할 수 없고 저장만 하기 때문에 배터리보다 훨씬 간단합니다. 축전기는 에너지를 저장할 수 있는 "용량"이 있기 때문에 그렇게 불립니다.

커패시터는 배터리와 약간 비슷합니다.

이 기사에서는 커패시터가 무엇인지, 무엇을 하는지, 전자 제품에서 어떻게 사용되는지 정확히 알아봅니다. 

커패시터는 계산기에 있는 가장 작은 플라스틱 커패시터부터 통근 버스에 전력을 공급할 수 있는 울트라 커패시터에 이르기까지 어떤 용도로든 사용할 수 있도록 제조할 수 있습니다. 다음은 다양한 유형의 커패시터 중 일부와 사용 방법입니다.

• 공기: 라디오 튜닝 회로에 자주 사용됨
• Mylar:  시계, 알람 및 카운터 와 같은 타이머 회로에 가장 일반적으로 사용됨
• 유리: 고전압 애플리케이션에 적합
• 세라믹: 안테나, X-ray 및 MRI 기계와 같은 고주파 목적에 사용
• 슈퍼 커패시터: 전기 및  하이브리드 자동차에 전력 공급

커패시터 내부에서 터미널은  비전도성 물질 또는 유전체로 분리된 두 개의 금속판에 연결됩니다  . 두 장의 알루미늄 호일과 종이 한 장(및 일부 전기 클립)으로 축전기를 쉽게 만들 수 있습니다 . 저장 용량 측면에서 특히 좋은 커패시터는 아니지만 작동합니다.     

이론적으로 유전체는 모든 비전도성 물질이 될 수 있습니다. 그러나 실제 적용을 위해서는 커패시터의 기능에 가장 적합한 특정 재료가 사용됩니다. 운모, 세라믹, 셀룰로오스, 도자기, Mylar, Teflon 및 심지어 공기도 사용되는 비전도성 재료 중 일부입니다. 유전체는 커패시터의 종류와 가장 적합한 커패시터를 나타냅니다. 유전체의 크기와 유형에 따라 일부 커패시터는 고주파 사용에 더 좋고 일부는 고전압 애플리케이션에 더 좋습니다.

커패시터 회로

커패시터를 배터리에 연결하면 다음과 같은 일이 발생합니다.

• 배터리의 음극 단자에 부착된 커패시터의 플레이트는 배터리가 생성하는 전자를 받아들입니다.
• 배터리의 양극 단자에 부착된 커패시터의 플레이트는 배터리에서 전자를 잃습니다.

일단 충전되면 커패시터는 배터리와 동일한  전압을 갖습니다  (배터리의 1.5V는 커패시터의 1.5V를 의미함). 작은 커패시터의 경우 용량이 작습니다. 그러나 대형 커패시터는 상당한 전하를 보유할 수 있습니다. 손전등을 1분 이상 켜기에 충분한 전하를 유지하는 음료수 캔만큼 큰 축전기를 찾을 수 있습니다.

자연조차도 번개의 형태로 커패시터가 작동하는 것을 보여줍니다. 한 판은  구름이고 다른 판은 땅이며 번개는 이 두 "판" 사이에서 방출되는 전하입니다. 분명히, 큰 커패시터는 엄청난 전하를 저장할 수 있습니다!

다음과 같이 커패시터를 연결한다고 가정해 보겠습니다.

이 다이어그램은 커패시터가 배터리에 연결되는 방식을 보여줍니다.

여기에 배터리, 전구 및 커패시터가 있습니다. 커패시터가 꽤 크면 배터리를 연결하면 전류가 배터리에서 커패시터로 흘러  충전  되면서 전구에 불이 들어옵니다. 전구는 점진적으로 어두워지고 커패시터가 용량에 도달하면 마침내 꺼집니다. 그런 다음 배터리를 제거하고 전선으로 교체하면 커패시터의 한 판에서 다른 판으로 전류가 흐릅니다. 전구는 처음에 켜진 다음 완전히 꺼질 때까지 커패시터가 방전됨에 따라 어두워집니다.

다음 섹션에서는 커패시턴스에 대해 자세히 알아보고 커패시터가 사용되는 다양한 방법을 자세히 살펴보겠습니다.

급수탑처럼

커패시터의 동작을 시각화하는 한 가지 방법은 커패시터를  파이프에 연결된 급수탑 으로 상상하는 것입니다.  급수탑은 수압을 "저장"합니다. 급수 시스템 펌프가 마을이 필요로 하는 것보다 더 많은 물을 생산할 때 초과분은 급수탑에 저장됩니다. 그런 다음 수요가 많을 때 과도한 물이 타워 밖으로 흘러나와 압력을 유지합니다. 커패시터는 같은 방식으로 전자를 저장했다가 나중에 방출할 수 있습니다.

패럿

필름 캐패시터라고 불리는 전자 부품의 모습. 커패시터는 전기장에 전기 에너지를 저장하는 장치입니다. 하비에르 자야스 사진/게티 이미지

커패시터의 저장 전위 또는  정전 용량은 패럿이라는 단위로 측정됩니다  . 1패럿 커패시터는 1볼트에서 1쿨롱(쿠롬)의 전하를 저장할 수 있습니다. 쿨롱은 6.25e18(6.25 * 10^18, 또는 62억 5천만)  전자입니다. 1  암페어는  초당 1쿨롱 전자의 전자 흐름 속도를 나타내므로 1패럿 축전기는 1볼트에서 1암페어-초의 전자를 유지할 수 있습니다.

1패럿 커패시터는 일반적으로 상당히 큽니다. 처리할 수 있는 전압에 따라 참치 캔이나 1리터 탄산음료 병만큼 클 수 있습니다. 이러한 이유로 커패시터는 일반적으로 마이크로패럿(백만분의 1 패럿) 단위로 측정됩니다.

패럿이 얼마나 큰지에 대한 관점을 얻으려면 다음을 고려하십시오.

• 표준 알카라인 AA  배터리는  약 2.8amp-hours를 유지합니다.
• 즉, AA 배터리는 1.5볼트(약 4.2와트시 - AA 배터리는 4와트 백열 전구를 1시간 조금 넘게 켤 수 있음)에서 시간 동안 2.8암페어를 생성할 수 있습니다.
• 계산을 쉽게 하기 위해 1볼트라고 하자. 하나의 AA 배터리 에너지를 커패시터에 저장하려면 3,600 * 2.8 = 10,080 패럿이 필요합니다. amp-hour는 3,600 amp-seconds이기 때문입니다.

패럿을 담는 데 참치 캔만한 것이 필요하다면 10,080 패럿은 단일 AA 배터리보다 훨씬 더 많은 공간을 차지하게 됩니다! 고전압에서 수행하지 않는 한 상당한 양의 전력을 저장하기 위해 커패시터를 사용하는 것은 비실용적입니다.

애플리케이션

축전기와 배터리의 차이점은 축전기는 아주 짧은 시간 안에 전체 전하를 버릴 수 있다는 것입니다. 반면 배터리는 완전히 방전하는 데 몇 분이 걸립니다. 이것이 바로  카메라 의 전자 플래시  가 커패시터를 사용하는 이유입니다. 배터리는 몇 초 동안 플래시의 커패시터를 충전한 다음 커패시터가 플래시 튜브에 거의 즉시 완전 충전을 덤프합니다. 이것은 크고 충전된 커패시터를 매우 위험하게 만들 수 있습니다. 플래시 장치와  TV는  이러한 이유로 커패시터를 여는 것에 대한 경고가 있습니다. 그들은 포함된 전하로 잠재적으로 당신을 죽일 수 있는 큰 축전기를 포함합니다.

커패시터는 전자 회로에서 여러 가지 다른 방식으로 사용됩니다.

때때로 커패시터는 고속 사용을 위해 전하를 저장하는 데 사용됩니다. 그것이 바로 플래시가 하는 일입니다. 대형 레이저도 이 기술을 사용하여 매우 밝고 즉각적인 섬광을 얻습니다.

커패시터는 또한 전기 잔물결을 제거할 수 있습니다. DC 전압을 전달하는 라인에 리플이나 스파이크가 있는 경우 큰 커패시터는 최고점을 흡수하고 최저점을 채워 전압을 고르게 만들 수 있습니다.

커패시터는 DC 전압을 차단할 수 있습니다. 작은 커패시터를 배터리에 연결하면 커패시터가 충전되면 배터리 극 사이에 전류가 흐르지 않습니다. 그러나 모든 교류(AC) 신호는 방해받지 않고 커패시터를 통해 흐릅니다. 교류 전류가 변동함에 따라 커패시터가 충전 및 방전되어 교류 전류가 흐르는 것처럼 보이기 때문입니다.

다음 섹션에서는 축전기의 역사와 가장 뛰어난 사람들이 축전기 발전에 어떻게 기여했는지 살펴보겠습니다.

출처: howstuffworks