서론
게시글 작성 당시, DigiKey에서 재고로 가지고 있는 커패시터의 고유 제조업체 부품 번호에 대한 보수적인 추정치는 37,000개(모든 포장 옵션을 포함한다면 114,000개) 이상입니다. 단순하게 이만한 SKU(Stock Keeping Unit, 재고 관리 코드) 수를 유지한다는 것은 서류 작업이 엄청 많고, 지게차 주행 거리도 많으며, 그리고 물리적인 재고에 많은 현금이 묶인다는 것입니다. 주문을 받은 후 15분 이내에 제품을 주문에 따라 다시 포장하고 주문이 선적될 수 있도록 선적장에 대기시키는 것이 가능하다? 이는 현대 산업의 작은 기적입니다.
왜 이런 단순한 단자가 두 개인 부품에 많은 노력을 기울이는 걸까요? 전압과 전류 정격의 조합이 분명히 한 요인이지만, 커패시터가 실제로는 그렇게 단순하지 않다는 보다 미묘한 이유가 있습니다. 커패시터를 나타내기 위해 우리가 사용하는 회로 기호는 편의상 생략에 따른 거짓이며, a) 다소 중요하고 b) 학계에서 충분히 다뤄지지 않은 세부 사항들을 종종 모호하게 합니다. 예를 들어, 일부 커패시터는 분노 조절 문제가 있어서 집을 태우거나 자극하면 중독될 수 있습니다. 무직 상태라는 생각에 마음이 편안한데 갑자기 다시 일하라고 부르면 난리를 치고 즉시 그만둘 것입니다. 금성에서 온 일부 커패시터는 환경과 응용 변수에 따라 광범위한 매개 변수 변화를 보여주는 반면, 화성에서 온 다른 커패시터는 거의 변화하지 않습니다.
정보에 기반한 설계 결정을 위해서는 이러한 다양한 품질에 대한 인식과 고려가 필요하며, 이 진행 중인 작업의 목적은 독자들에게 (바라건대) 졸리지 않은 제조법으로 만든 삼키기 쉬운 캡슐과 같은 커패시터 기술에 대한 가이드를 제공하는 것입니다.
커패시터는 전기 에너지를 전기장의 형태로 저장하는 소자입니다. 이 과정은 기계식 스프링이 탄성 변형이라는 형태로 에너지를 저장하는 방식과 상당히 유사하며, 사용된 변수를 제외하고는 둘을 설명하는 계산이 상당히 유사할 정도입니다. 이 유사성이 전기 또는 기계 공학도들이 서로의 학문을 신비하고 난해하다고 생각하는 원인의 일부일 수 있습니다. "v"가 전기 공학도에게는 "전압"을 의미하지만 기계 공학도에게는 "속도"를 의미하며, 기계 공학도가 표현한 스프링이 전기 공학도에게는 오히려 인덕터처럼 보일 수 있습니다.
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주의하십시오, 기계 공학도들!
평행판 커패시터의 개념은 일반적으로 대부분의 실제 커패시터 구조를 설명하기 위한 시작점으로 사용됩니다. 이 커패시터는 일반적으로 폴리머, 세라믹 소재, 금속 산화물, 공기 또는 가끔은 진공과 같은 여러가지 중 하나의 절연체에 의해 분리되어 서로 평행하게 위치한 두 개의 전도성 전극으로 구성됩니다.
사고방식이 기계적인 사람에게는 …
여러 목적으로, 이상적인 커패시터와 여러 추가 부품들로 구성된 비교적 단순한 집중 정수(lumped element) 모델을 사용하여 실제 커패시터를 표현합니다.
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ESR
(모델에서 Resr로 표현되는) 등가 직렬 저항은 커패시터를 통과하는 전하의 움직임과 관련된 손실을 나타냅니다. 유전체 자체에서 발생하는 손실이 주로 주된 요인이며, 전극과 리드 소재의 저항도 하나의 기여 요인입니다. 커패시터 선택에 있어 ESR과 관련된 부분은 두 부분입니다: 1) ESR은 콘덴서의 AC 반응에 영향을 미치며, 2) 열 제한으로 인해 커패시터를 통해 흐를 수 있는 AC 전류의 양에 제한을 가합니다. 커패시터의 ESR을 통해 흐르는 전류는 다른 저항에서와 마찬가지로 I2R 손실을 야기하여, 소자 수명 감소의 원인이 되는 커패시터 내부의 온도 상승을 유발합니다.
ESR은 소자 유형과 구조에 의해 영향을 받으며, 또한 온도와 테스트 주파수에 의해서도 다양한 정도로 영향을 …
다른 모든 인간이 만든 것들과 마찬가지로 커패시터도 결국에는 모수적 또는 치명적 고장이 발생합니다. 모수적 고장(parametric failure)은 소자가 계속 동작은 하지만, 더 이상 성능 사양을 만족하지 못하는 지점까지 서서히 열화 되는 고장입니다. 반면, 치명적 고장(catastrophic failure)은 소자 특성의 갑작스럽고 극단적인 변화를 특징으로 하며 결과적으로 자가 분해, 연소, 백열 등을 포함한 규격을 벗어난 동작을 야기합니다.
절연 파괴
절연 파괴에 의한 고장은 유전체의 절연 특성이 누설 전류를 지정된 수준 이하로 유지할 수 없는 전기적인 상태입니다. 소자의 정격 허용치를 초과하는 전압의 인가 또는 지정된 온도 한계를 벗어난 동작으로 흔히 발생하며, 절연 파괴에 의한 고장은 스스로 악화시키는 경향이 있는 저 임피던스 (단락) 고장입니다. 결과적으로 일부 커패시터 유형에는 가벼운 절연 파괴 이벤트를 적절하게 견딜 수 있는 기능이 있지만 대체로 극적입니다. 절연 …
전압 정격
커패시터의 전압 정격은 소자에 인가될 수 있는 최대 전압을 나타냅니다. 정격이 어떤 경우에는 최대 안전 동작 전압을 나타내지만, 다른 경우에는 반도체의 “절대 최대” 정격에 더 가까울 수 있어 적절한 디레이팅 요소를 적용해야만 하기에 그 의미가 중요합니다.
허용 오차
커패시터의 허용 오차는 지정된 테스트 조건, 특히 AC 테스트 전압과 주파수에서 소자가 보여줄 것으로 예상되는 공칭 정전용량 값을 벗어난 편차의 한계를 나타냅니다. 인용된 허용 오차 수치는 제조에 있어서의 변동성에 의해 공칭 값을 벗어난 정상 상태 편차를 포함하며, 드물게 지정된 동작 온도 범위에 대한 정전용량 값에 있어 온도에 기인한 변화를 포함할 수도 있습니다. 특히 온도, 주파수, 진폭, 그리고 DC 테스트 전압 값과 같은 시험 조건들이 관측된 소자 파라미터에 강력한 영향을 미치는 경우가 많다는 점에 유의해야 합니다.
안전 등급
고장이 사람 또는 재산의 안전에 해를 끼칠 수도 있는 응용 분야(일반적으…
알루미늄 커패시터
알루미늄 커패시터는 “전해” 커패시터의 범주에 속하는 소자 제품군입니다. 따라서 상대적으로 낮은 비용으로 작은 패키지에서 높은 정전 용량 값을 제공합니다. 이런 바람직한 품질과는 대조적으로, 전기적 특성과 수명은 상대적으로 암울한 경향이 있습니다. 비록 신호 관련 응용 분야에서는 가장 원시적인 경우를 제외하고는 부적합하지만, 알루미늄 커패시터는 DC 전원 관련 기능에는 필수적입니다. 표준 알루미늄 전해 커패시터, 바이폴라 알루미늄 전해 커패시터, 그리고 전도성 폴리머 전극을 포함하는 새로운 유형의 세 가지 구별되는 유형이 있습니다. 제품군을 "알루미늄 전해 커패시터"가 아닌 "알루미늄 커패시터"라고 부르는 것은 종래의 액체 전해질을 포함하지 않는 전도성 폴리머 전극 유형에 경의를 표하는 것입니다.
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소자 구조
표준 알루미늄 전해 커패시터는 두 장의 고순도 알루미늄 포일로 구성되며, 이 사이에 전해질 용액으로 흠뻑 젖은 종이와 같은 간격을 메우는 소재…
아래 표에는 다양한 커패시터의 유형과 상대적 장점이 간략하게 요약되어 있으며, 각 유형의 커패시터가 제공할 수 있는 정전용량을 용량이 작아지는(또는 품질이 높아지는) 순으로 정렬되어 있습니다.
주) 영문 원본에서는 마우스를 테이블 위로 움직이면 향상된 가독성을 제공하는 “표 확장” 옵션이 나타납니다.
커패시터 유형
하위 유형/변형
대략적인 값 범위
C*V 곱 범위
장점
단점/주의해야 할 점
적합한 용도
적합하지 않은 용도
C
V
전기 이중층, 슈퍼커패시터
6.8mF ~ 4000F
2.1 ~ 75V
.03 ~ 10,000
유난히 높은 C/V 비율. 2차(충전식) 배터리를 대체 가능하며, 저전력(메모리, RTC 백업 전원) 및 고전력(배터리 대체/차량/전기 견인) 응용 분야에 적합한 변형 가능
극성이 있으며, 셀 당 전압이 낮고, 에너지 저장 장치로 사용하기 위해서는 일반적으로 전력 관리 회로가 필요. 꽤 높은 누설 전류. 사용 수명이 온도에 굉장히…
세라믹 커패시터
세라믹 커패시터는 일반적으로 티탄산 바륨(BaTiO3)에 기반한 다양한 세라믹 유전체 사용을 특징으로 하는 정전기 소자입니다. 또한 대부분의 수량-품질 스펙트럼(품질에 약간 편향될 수 있음)을 포괄하는 특성을 가진 무극 소자입니다. 구조와 유전체 속성을 다양하게 변형하여 다양한 응용 분야의 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 이러한 폭넓은 적용 가능성과 상대적으로 낮은 비용 구조로 인해 세라믹 커패시터는 판매된 소자 수를 기준으로 현재 가장 널리 사용되는 커패시터 유형입니다.
소자 구조
초기 소자는 두 금속 전극 사이에 세라믹 유전체 단일 층(일반적으로 원형)이 있는 구조였습니다. 금속 전극에 리드를 부착하고 이 조립품을 절연 소재(일반적으로 세라믹 또는 에폭시)로 봉합하였습니다. 이 구조 유형은 AC 라인 또는 고전압 응용 분야 용도의 소자에서 여전히 발견되지만, 이 구조 방식에 기반하는 소자가 표면 실장에 적합한 경우는 거의 없어서 많은 응용 분야에서 관심을 끌지…
전기 이중층, 슈퍼커패시터:
소자 구조 및 특성 구분:
전기 이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor, EDLC)와 슈퍼커패시터는 체적당 매우 높은 정전용량과 일반적으로 수 볼트 이하의 낮은 전압 정격을 특징으로 하는 전해 커패시터와 유사한 소자 그룹입니다. 이러한 소자들 간의 구조 유형과 동작 원리는 서로 다르며 R&D에서 계속해서 노력하고 있는 주제이지만, 그 중에서 공통적으로 발견되는 테마는 (활성탄, 에어로겔 등과 같은) 굉장히 높은 체적당 표면적을 제공하는 전극 소재의 사용과 전통적인 고체 유전체의 부재입니다. 다른 커패시터 유형에서 볼 수 있는 전통적인 세라믹, 폴리머, 또는 금속 산화물 유전체 대신, EDLC, 슈퍼커패시터 그리고 다른 이름의 유사한 소자들은 매우 작은 전하 이격 거리를 가능케 하는 다양한 전기화학적, 정전기, 전하 이동 효과를 필요로 합니다. 커패시터의 "플레이트"가 이격된 거리는 일반적으로 소수점 단위의 나노미터로 측…
소자 구조
필름 커패시터 카테고리에 속하는 소자들은 본질적으로 정전식이며, 종이 또는 다양한 폴리머와 같은 유전체를 얇은 시트 또는 “필름” 형태로 만들어 사용하며 전극 소재 사이에 끼워 커패시터를 형성합니다. "필름 커패시터"라는 용어는 이런 종류의 공정을 사용해 만들어진 모든 소자들을 총칭하며, "필름"이라는 용어는 사용된 유전체의 본질에 관련된 것입니다. “금속 필름” 또는 "금속화 필름"처럼 "금속"이라는 용어가 "필름"의 수식어로 사용되면, 이는 진공 증착 공정을 통해 수십 나노미터의 매우 얇은 층으로 된 지지 기판 위에 전극을 증착하는 필름 커패시터의 하위 유형을 보다 구체적으로 거론하는 것입니다. 자주 사용되는 기판은 유전체로도 사용되지만, 항상 그렇지는 않습니다. 이와 대조적으로 “포일” 전극 커패시터는 기계적으로 자체 지지가 가능할 정도로 충분히 두꺼운(마이크로미터 단위) 가정용 알루미늄 포일에 더 가까운 전극 소재를 사용합니다.
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소자 구조
운모는 평평한 박막으로 쉽게 쪼개질 수 있는 능력이 특징인 자연적으로 발생하는 광물 그룹으로, "백운모"라고도 알려진 특정 유형이 커패시터 용도로 선호됩니다. 유전체로서, 운모는 시간과 인가 전압에 대한 우수한 안정성, 낮은 온도 계수, 고온 내성, 매우 양호한 절연 강도 및 낮은 손실 특성을 보입니다. 우수한 유전체라는 점을 제외하고 (자연적으로 발생한 광물인) 운모는 (합성 불소 폴리머인) PTFE와 공통점이 거의 없지만, 일부 정전 용량의 경우 운모 대신 PTFE를 사용하는 커패시터 제품 시리즈가 적어도 하나는 시장에 있기 때문에 두 소재 모두 제목에 언급되었습니다.
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운모 커패시터의 구조는 용도에 따라 다르지만, 세라믹 및 필름 유형과 유사한 점을 발견할 수 있습니다. 운모를 원재료 덩어리로부터 잘라낸 모놀리식 시트처럼 사용하든, 아니면 많은 작은 조각으로부터 만든 "종이"처럼 사용하든, 전극/단자 부착층(일반적으로 은)을 양쪽 면에 증착한 후, S…
소자 구조 및 구별되는 특성
탄탈럼 커패시터는 비교적 안정적인 파라미터를 가진 소형의 내구성이 뛰어난 소자가 필요하고, 적당한 정전 용량과 전압 정격이면 충분한 곳에 주로 사용되는 전해 소자입니다. 전통적으로 알루미늄 전해 대비 탄탈럼의 장점은 체적당 정전 용량, 온도에 대한 파라미터 안정성 그리고 수명 측면에서 찾을 수 있었습니다. 일반적으로 탄탈럼은 장기간 방전 상태로 보관할 때 증발 문제나 유전체 저하 문제를 겪지 않습니다. 그러나, 탄탈럼은 일반적으로 고가이며, 사용할 수 있는 정전 용량과 전압 값의 범위가 좁고, 공급 차질을 빚기 쉬운 희귀한 소재로 만들어지며, 일부 하위 유형은 매우 열렬히 고장나는 경향이 있어서 설계 시 특별한 주의가 필요할 수 있습니다.
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아래 차트는 게시글 작성 당시 DigiKey에서 이용 가능한 다양한 종류의 탄탈럼 커패시터에 대한 전압과 전류 정격의 조합을 보여줍니다. 하위 유형에 관계없이, 탄탈럼 커패시터의 애노드 구조는 매우 유…
소자 구조 및 구별되는 특성
산화 니오븀 커패시터는 탄탈럼-이산화 망간(Ta/MnO2) 소자의 구조와 유사하며, 애노드 소재로 탄탈럼 금속 대신 소결된 산화 니오븀(NbO)을 사용합니다. Ta/MnO2 커패시터의 대체제로 주로 AVX에서 제조하며, 고장 시 확 타버리는 심각한 성향이 없을 뿐만 아니라 원료의 물류 공급망이 개선될 가능성이 있는 산화 니오븀 커패시터는 다양한 응용 분야에서 탄탈럼 폴리머 소자와 경쟁 관계에 있습니다.
산화 니오븀 커패시터의 구조는 Ta/MnO2 소자의 구조와 유사합니다. 일반적인 Ta/MnO2 소자와 유사한 방식으로, 애노드 소재는 고다공성의 스폰지와 같은 대량의 (일)산화 니오븀(NbO) 위에 (오)산화 니오븀(Nb2O5) 절연층이 형성되고 그 주변으로 이산화 망간으로 된 상대 전극(counter electrode)이 덧붙여 구성됩니다. (NbO 산화물이 아닌) 니오븀 금속에 기반한 커패시터와 폴리머 전해 기술도 개발되었지만, 게시글 작성 시점에 대…
소자 구조 및 구별되는 특성
실리콘 및 박막 커패시터는 반도체 산업에서 사용되는 도구, 방법 및 소재를 차용하여 생산되는 비교적 새로운 소자입니다. 이러한 기술이 제공하는 구조와 소재에 대한 정밀한 제어는 파라미터 안정성이 뛰어나고, ESR 및 ESL이 극소이며, 사용 온도 범위가 넓고, 그리고 가장 직접적으로 경쟁하는 Class 1 세라믹 유형 소자에 비해 체적당 정전 용량이 더 좋은 거의 이상적인 커패시터의 생산을 가능하게 합니다. 이들의 주요 단점으로는 높은 비용과 이와 관련된 문제인 비교적 제한된 사용 가능한 정전 용량 값의 범위가 있습니다.
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일반적으로 산화 규소(silicon oxide)/질화 규소(silicon nitride) 유전체에 기반하며, “박막” 커패시터와 “실리콘” 커패시터 사이의 구별은 일종의 마케팅적 양해이지만, 의도하는 응용 분야에 따라 둘 사이에는 상당한 차이가 있습니다. RF 튜닝 및 매칭 응용 분야를 대상으로 하는 소자는 정전 용량이…
소자 구조 및 구별되는 특성
트리머와 가변 커패시터는 일정 범위 내에서 가변적인 정전 용량을 제공하는 소자로, 두 용어의 차이는 주로 설계 의도에 있습니다. “트리머” 커패시터는 사용 수명 동안 손에 꼽을 정도만 조정하도록 설계된 반면, “가변” 커패시터는 일상적 조정이 예상됩니다. 다양한 구조 유형이 사용되지만, 거의 예외 없이, 정전형 변형이며 전극 사이의 유효 표면적, 전극 사이의 거리 또는 어쩌면 둘 모두를 변경함으로써 가변성을 얻습니다.
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일반적인 설계 접근법 중 하나는 공통의 축에 반원(또는 비슷한 모양)의 전극 소재가 도금된 두 개의 작은 바퀴가 달린 모양과 닮았습니다. 두 "바퀴"의 상대적인 회전 각도를 변경함으로써, 둘 간의 유효 정전 용량을 조정할 수 있습니다. 이 외에도, 각 "바퀴"의 전극 모양을 변경하면 특정 응용 분야에 필요로 하는 회전 조절 각도와 소자 정전 용량 사이의 다양한 관계를 만들 수 있습니다. 접근법의 변형에는 소자의 가변 범위…
영문 원본: Capacitors