1. 커패시터
커패시터에 대한 많은 오해가 있으므로 커패시턴스와 커패시터가 무엇인지 간략하게 설명하고 싶었습니다.
캐패시턴스는 주어진 전위차에 대해 두 개의 서로 다른 지점간에 생성 된 전기장에 얼마나 많은 에너지가 저장 될지를 측정합니다. 이것이 커패시턴스가 종종 인덕턴스의 '이중'이라고 불리는 이유입니다. 인덕턴스는 주어진 전류 흐름이 자기장에 저장되는 에너지의 양이며, 커패시턴스는 동일하지만 전기장에 저장된 에너지의 경우 (전류가 아닌 전위차에 의해).
커패시터는 전하를 저장하지 않으며 이는 첫 번째 오해입니다. 그들은 에너지를 저장합니다. 모든 전하 운반체에 대해 하나의 플레이트에 힘을 가하면 반대쪽 판의 전하 운반체가 남습니다. 순 전하는 동일하게 유지됩니다 (비대칭 노출 외부 플레이트에 쌓일 수있는 훨씬 더 작은 불균형 '정적'전하 무시).
커패시터는 전도성 플레이트가 아닌 유전체에 에너지를 저장합니다. 커패시터의 효과를 결정하는 것은 물리적 크기 (판 면적과 거리)와 판 사이의 절연 유전 상수의 두 가지뿐입니다. 더 넓은 면적은 더 큰 전계를 의미하고, 더 가까운 판은 더 강한 전계를 의미합니다 (전계 강도는 미터당 볼트 단위로 측정되므로 훨씬 더 작은 거리에서 동일한 전위차가 더 강한 전계를 생성하므로).
유전 상수는 특정 매체에서 전계가 얼마나 강하게 발생하는지입니다. '기준선'유전 상수는 이며 정규화 된 값은 1입니다. 이것은 완전한 진공의 유전 상수 또는 시공간 자체를 통해 발생하는 전계 강도입니다. 물질은 이것에 매우 큰 영향을 미치며 훨씬 더 강력한 분야의 생성을 지원할 수 있습니다. 최고의 재료는 재료 내에 생성 된 전기장의 강도를 향상시키는 전기 쌍극자가 많은 재료입니다. ε
플레이트 면적, 유전체 및 플레이트 분리. 이것이 커패시터에 대한 모든 것입니다. 그렇다면 왜 그렇게 복잡하고 다양합니까?
그렇지 않습니다. 커패시턴스가 수천 pF 이상인 것을 제외하고. 오늘날 당장 당연한 것으로 여겨지는 엄청난 양의 커패시턴스, 수백만 피코 패러 드 (마이크로 패럿), 심지어 그 이상의 크기를 원한다면 우리는 물리학의 자비에 있습니다.
다른 훌륭한 엔지니어와 마찬가지로 자연 법칙에 의해 부과 된 한계에 직면하여 우리는 어쨌든 그 한계를 속이고 극복합니다. 전해 커패시터와 높은 정전 용량 (0.1µF ~ 100µF +) 세라믹 커패시터는 우리가 사용하는 더러운 속임수입니다.
2. 전해 커패시터
알류미늄
첫 번째이자 가장 중요한 차이점은 전해 커패시터가 전해질을 사용한다는 것입니다. 전해질은 제 2 플레이트로서 기능한다. 액체이기 때문에, 유전체, 심지어 고르지 않은 형태의 유전체에 대항하여 직접 올라갈 수 있습니다. 알루미늄 전해 커패시터에서, 이것은 유전체로 사용하기 위해 알루미늄의 표면 산화 (단열성, 때로는 고의로 다공성 및 염료가 착색 된 알루마이트 처리 된 알루미늄)를 유전체로 사용할 수 있습니다. 그러나 전해 '플레이트'가 없으면 표면의 불균일성으로 인해 단단한 금속판이 근접해 알루미늄 산화물을 사용함으로써 유리한 점이 생길 수 있습니다.
액체를 사용함으로써 알루미늄 호일의 표면이 거칠게되어 유효 표면적이 크게 증가합니다. 그런 다음 표면에 충분히 두꺼운 산화 알루미늄 층이 형성 될 때까지 양극 처리됩니다. 거친 표면은 모두 액체 전해질 인 다른 '플레이트'에 바로 인접 해 있습니다.
그러나 문제가 있습니다. 가장 친숙한 것은 극성입니다. 양극이라는 단어와의 유사성을 알 수 없다면 알루미늄 양극 처리는 극성에 의존하는 프로세스입니다. 커패시터는 항상 알루미늄을 양극 처리하는 극성으로 사용해야합니다. 반대 극성은 전해질이 표면 산화물을 파괴하도록하여 커패시터가 단락되게합니다. 어쨌든 일부 전해질은이 층을 천천히 먹어 치우므로 많은 알루미늄 전해 커패시터는 유효 기간이 있습니다. 그것들은 사용되도록 설계되었으며, 그 사용은 표면 산화물을 유지하고 심지어 복구하는 데 유리한 부작용이 있습니다. 그러나 충분히 오래 사용하면 산화물이 완전히 파괴 될 수 있습니다. 확실하지 않은 오래된 먼지가 많은 커패시터를 사용해야하는 경우 정전류 전원 공급 장치에서 매우 낮은 전류 (수백 µA ~ mA)를 적용하여 '개조'하는 것이 가장 좋습니다. 정격 전압.
다른 문제는 전해질이 화학 작용으로 인해 용매에 이온이 용해 된 것입니다. 비 폴리머 알루미늄은 물을 사용합니다 (다른 '비밀 소스'성분이 첨가 된 것). 전류가 흐를 때 물은 무엇을합니까? 전해! 산소와 수소 가스를 원한다면 좋으며, 원치 않으면 끔찍합니다. 배터리에서, 제어 된 재충전은이 가스를 재 흡수 할 수 있지만 커패시터는 전기 화학적 반응을 거꾸로하지 않는다. 전해질을 전도성 물질로 사용하고 있습니다. 따라서 무엇이든, 그들은 소량의 수소 가스를 생성하고 (산소는 산화 알루미늄 층을 형성하는 데 사용됨) 매우 작지만 이러한 커패시터를 밀봉하지 못하게합니다. 그래서 그들은 말라 버립니다.
최대 온도에서 표준 유효 수명은 2,000 시간입니다. 그리 오래 걸리지 않습니다. 약 83 일. 이것은 단순히 더 높은 온도로 인해 물이 더 빨리 증발하기 때문입니다. 장수를 원하는 것을 원한다면 가능한 한 시원하게 유지하고 가장 높은 내구성 모델을 얻는 것이 중요합니다 (15,000 시간의 높은 모델을 보았습니다). 전해질이 마르면 전도성이 떨어지고 ESR이 증가하여 열이 증가하여 문제가 발생합니다.
탄탈
탄탈 커패시터는 다른 다양한 전해 커패시터이다. 이들은 이산화망간을 전해질로 사용하는데, 이는 완성 된 형태로 고체이다. 생산 중에, 이산화망간은 산에 용해 된 후, 탄탈륨 분말의 표면에 전기 화학적으로 증착 (전기 도금)되어 소결된다. 탄탈륨 분말의 모든 작은 조각과 유전체 사이에 전기적 연결을 만드는 '매직'부분의 정확한 세부 사항은 나에게 알려져 있지 않지만 (편집 또는 의견은 높이 평가됩니다!) 탄탈 커패시터는 다음과 같이 충분합니다. 탄탈륨은 화학 물질로 인해 분말 (표면적이 큰)로 쉽게 제조 할 수 있습니다.
이것은 엄청난 부피 효율을 제공하지만 비용이 들기 때문에 유리 탄탈륨과 이산화망간은 테르 마이트와 유사한 반응을 겪을 수 있으며, 이는 알루미늄과 산화철입니다. 탄탈 반응은 활성화 온도 가 훨씬 낮습니다. 반대 극성 또는 과전압으로 인해 유전체 (알루미늄 산화물과 매우 유사한 오산화 탄탈륨)를 통해 구멍을 뚫고 단락을 일으키면 쉽고 빠르게 달성되는 온도입니다. 이것이 탄탈륨 커패시터 전압과 전류가 50 % 이상 저하 된 이유입니다. 테르밋을 인식하지 못하는 사람들 (많은 더 뜨겁지 만 탄탈륨과 MnO 2 반응 과 유사하지 않음)에는 많은 양의 불과 열이 있습니다. 철도 레일을 서로 용접하는 데 사용 되며이 작업을 몇 초 안에 수행합니다.
또한 단량체 형태로 액체이지만 전도성 촉매를 사용하지만 올바른 촉매에 노출되면 고체 물질로 중합되는 전도성 중합체를 사용하는 중합체 전해 커패시터가있다. 이것은 수퍼 접착제와 똑같습니다. 액체 접착제는 수분에 노출되면 (고체 표면에 또는 공기 자체에서) 고체로 중합되는 액체 단량체입니다. 이러한 방식으로, 폴리머 커패시터는 대부분 고체 전해질 일 수 있으며, 이는 ESR 감소, 더 긴 수명 및 일반적으로 더 우수한 견고성을 초래한다. 그러나 중합체 매트릭스에는 여전히 소량의 용매가 있으며 전도성이어야합니다. 그래서 그들은 여전히 건조합니다. 슬프게도 무료 점심은 없습니다.
이제 이러한 유형의 커패시터의 실제 전기적 특성은 무엇입니까? 우리는 이미 극성을 언급했지만 다른 하나는 ESR과 ESL입니다. 코일에 권취 된 매우 긴 플레이트로 구성되기 때문에 전해 커패시터는 비교적 높은 ESL (등가 직렬 인덕턴스)을 갖는다. 실제로 100kHz 이상의 커패시터 또는 폴리머 유형의 경우 150kHz보다 완전히 비효율적입니다. 이 주파수 이상에서는 기본적으로 DC를 차단하는 저항 일뿐입니다. 그들은 전압 리플에 아무런 영향을 미치지 않으며 대신 리플을 커패시터의 ESR에 곱한 리플 전류와 동일하게 만들어 리플을 더욱 악화시킬 수 있습니다. 물론 이것은 모든 종류의 고주파 노이즈 또는 스파이크가 알루미늄 전해 커패시터를 통해 바로 발생하지 않는다는 것을 의미합니다.
탄탈은 그다지 나쁘지는 않지만 여전히 중간 주파수에서 효과를 잃습니다.
대체로 전해 커패시터는 작은 공간에 많은 양의 에너지를 저장하는 데 유용하지만 100kHz 미만의 노이즈 또는 리플을 처리하는 데 실제로 유용합니다. 그 중대한 약점이 아니라면 다른 것을 사용해야 할 이유가 거의 없습니다.
3. 세라믹 커패시터
세라믹 커패시터는 세라믹을 유전체로 사용하며 양쪽에 금속 화가 플레이트로 사용됩니다. 클래스 1 (저 정전 용량) 유형은 아니지만 클래스 II 만 사용합니다.
클래스 II 커패시터는 강유전 효과를 사용하여 치트합니다. 이것은 전기장과 함께 강자성과 매우 유사합니다. 강유전성 물질은 외부 전기장의 존재하에 어느 정도 배향 될 수있는 톤의 전기 쌍극자를 갖는다. 따라서 전기장을 적용하면 쌍극자가 정렬되어 에너지가 필요하고 궁극적으로 전기장에 막대한 양의 에너지가 저장됩니다. 진공이 1의 기준이었던 것을 기억하십니까? 현대 MLCC에 사용되는 강유전성 세라믹은 약 7,000의 유전 상수를 갖는다.
불행하게도, 강자성 물질과 마찬가지로, 더 강하고 더 강한 장이 물질을 자화 (또는 우리의 경우 분극화)함에 따라, 더 많은 쌍극자가 없어서 분극화됩니다. 포화 상태입니다. 이는 궁극적으로 X5R / X7R / etc 유형 세라믹 커패시터의 불쾌한 특성으로 해석됩니다. 정전 용량은 바이어스 전압에 따라 떨어집니다. 단자 양단의 전압이 높을수록 유효 정전 용량이 낮아집니다. 저장된 에너지의 양은 여전히 전압과 함께 증가하고 있지만, 바이어스되지 않은 정전 용량을 기준으로 기대하는 것만 큼 좋지는 않습니다.
세라믹 커패시터의 정격 전압은 이에 거의 영향을 미치지 않습니다. 실제로, 대부분의 세라믹의 실제 내전압은 낮은 전압의 경우 75 또는 100V로 훨씬 높습니다. 실제로, 필자가 생각하는 많은 세라믹 커패시터는 정확히 동일한 부품이지만 부품 번호가 다르며 동일한 4.7µF 커패시터가 35V 및 50V 커패시터로 다른 레이블로 판매됩니다. MLCC의 커패시턴스 대 바이어스 전압의 그래프는 동일하므로 그래프가 정격 전압에서 잘린 낮은 전압의 경우 절약됩니다. 의심 스럽지만 확실히 틀릴 수 있습니다.
어쨌든, 더 높은 등급의 세라믹을 구입하면 이러한 전압 관련 커패시턴스 감소와 싸우는 데 아무런 영향을 미치지 않습니다. 궁극적으로 역할을하는 유일한 요소는 유전체의 물리적 부피입니다. 더 많은 물질은 더 많은 쌍극자를 의미합니다. 따라서 물리적으로 더 큰 커패시터는 전압에서 더 많은 정전 용량을 유지합니다.
이것은 또한 사소한 효과가 아닙니다. 커패시터의 진정한 짐승 인 1210 10µF 50V 세라믹 커패시터는 커패시턴스의 80 %를 50V 잃게됩니다. 일부는 조금 나아지고 일부는 조금 나빠지지만 80 %는 합리적인 수치입니다. 내가 본 것은 1210 패키지에서 60V에 도달 할 때 1210 (인치)의 정전 용량을 약 3µF 유지하는 것입니다. 10µF 1206 (인치) 크기의 50V 세라믹은 500nF를 50V로 남겨두면 운이 좋을 것입니다.
클래스 II 세라믹은 압전 및 초전도이지만 실제로 전기에는 영향을 미치지 않습니다. 잔물결로 인해 진동하거나 노래하는 것으로 알려져 있으며 마이크 역할을 할 수 있습니다. 오디오 회로에서 커플 링 커패시터로 사용하지 않는 것이 가장 좋습니다.
그렇지 않으면 세라믹은 커패시터 중 ESL 및 ESR이 가장 낮습니다. 그것들은 가장 많은 커패시터와 같은 것입니다. 그들의 ESL은 너무 낮아서 1 차 소스는 패키지 자체의 종단 종단 높이입니다. 예, 0805 세라믹의 높이는 3 nH ESL의 주요 소스입니다. 그들은 여전히 많은 MHz에서 커패시터처럼 작동하거나 특수 RF 유형의 경우 더 높습니다. 또한 많은 노이즈를 분리 할 수 있으며 디지털 회로와 같이 매우 빠른 것을 분리 할 수 있습니다.
결론적으로 전해는 다음과 같습니다.
- 작은 패키지에 대량의 커패시턴스
- 다른 모든 방식으로 끔찍한
그들은 느리고, 마모되고, 불을 붙입니다. 캐패시터는 모든 기준에 의해 측정되며, 캐패시턴스 자체를 절약하고 전해는 절대적으로 끔찍합니다. 당신이 원하기 때문에 결코 필요하지 않기 때문에 그것들을 사용합니다.
도자기는 :
- 전압 바이어스 하에서 불안정하고 커패시턴스가 많이 손실 됨
- 진동 또는 마이크 역할을 할 수 있습니다. 또는 나노 액추에이터!
- 그렇지 않으면 굉장합니다.
세라믹 커패시터는 사용하려는 것이지만 항상 사용할 수있는 것은 아닙니다. 실제로 커패시터처럼 동작하고 고주파에서도 작동하지만 전해의 체적 효율과 일치 할 수 없으며 클래스 1 유형 (정전기 량이 매우 적은) 만 안정적인 정전 용량을 갖습니다. 그들은 온도와 전압에 따라 상당히 다릅니다. 아, 그들은 또한 깨질 수 있으며 기계적으로 견고하지 않습니다.
마지막으로, AC / 비 편광 응용 분야에서 전해액을 잘 사용할 수 있으며 다른 모든 문제는 여전히 유효합니다. 동일한 극성 단자 터미널과 함께 한 쌍의 일반 극성 전해 커패시터를 연결하기 만하면 반대 극성 끝이 새로운 비극성 전해 단자입니다. 커패시턴스 값이 상당히 일치하고 정상 상태 DC 바이어스의 양이 제한되는 한 커패시터는 사용 중으로 유지됩니다.
