PCBInside

어플리케이션

병렬 커패시터

커 패시터는 다른 전기 요소와 같이 다른 요소와 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 때로는 몇 개의 커패시터를 병렬로 연결하여 아래 그림 같은 하나의 기능 블록을 만드는 것이 유용하다. 그런 경우, 병렬 연결된 블록의 등가 커패시턴스를 아는 것은 중요하다. 이 기사에서는 커패시터의 병렬 연결에 대해서 분석하고 그런 회로의 가능한 응용에 대해서 알아 본다.

분석

병렬로 연결된 모든 커패시터는 그것들을 가로지르는 같은 전압을 갖는다. 즉

        V1 = V2 = …. = Vn

이 전압은 입력 와이어를 통해서 커패시터의 병렬 연결에 인가된 전압과 같다. 그러나, 각 커패시터에 저장되는 전하의 양은 같지 않고 각 커팻티어의 커패시턴스에 따라 다르다. 커패시턴스는 다음과 같다

        Qn = Cn * Vn

커패시터 블록에 의해 저장되는 총 전하량은 Q로 표현하고 회로에 표현된 모든 커패시터 사이에서 나눠진다.

        Q = Q1 + Q2 + …. + Qn

다중 커패시터의 병렬 연결에 대한 등가 커패시턴스는 다음 공식으로 결정된다.

        Ceq = Q/V = (Q1 + Q2 + … + Qn)/V = Q1/V + Q2/V + … Qn/V
               = C1 + C2 + … Cn

커패시터 병렬 연결의 등가 커패시턴스는 개별 커패시턴스의 합과 같다. 결과는 다소 직관 적이다. - 병렬인 커패시터는 판 면적이 개별 커패시터의 판면적의 합과 같은 하나의 커패시터로 생각할 수 있다.

 
응용

커 패시터는 전하의 형태로 전기 에너지를 저장하는데 사용된다. 병렬로 몇 개의 커패시터를 연결함으로써 회로는 더 많은 에너지를 저장할 수 있다. 왜냐하면 등가 커패시턴스가 개별 커패시턴스의 합이기 때문이다. 이 효과는 몇 어플리케이션에서 이용된다.

DC 전원 공급장치

하 나의 예는 DC 공급장치이다. 그것은 때때로 몇 개의 병렬 커패시터를 사용해서 신호 출력을 더 잘 필터하고 AC 리플을 제거한다. 이런 접근법을 사용해서, 우수한 리플 특성을 가진 작은 커패시터들을 높은 커패시턴스를 유지하면서 사용할 수 있다.

더 높은 커패시턴스 값

상 용으로 사용 가능한 커패시터 보다 훨씬 더 높은 값이 요구되는 어플리케이션이 가끔 있다. 커패시터 뱅크가 그런 어플리케이션에 사용된다. 하나의 예는 인덕티브 부하에 사용되는 역률 개선을 위해서 커패시터 뱅크가 사용된다. 다른 예로 자동차 산업에서 사용되는 이른바 KERS(Kinetic Energy Recovery System)에 이용되기 위해 발표된 에너지 저장 커패시터 뱅크이다.

펄스 부하

높 은 자기장 연구실은, 커패시터 뱅크에 에너지를 저장하므로 써 대략 100 테슬라의 자기장을 만들 수 있는, 세계에서 가장 강하 자석에 전력을 공급한다. 저장된 에너지는 자기 코일을 통해서 매우 짧은 시간 동안 방출되어 매우 강한 자기장을 생성한다.

어떤 경우든, 커패시터 뱅크는 매우 높은 커패시턴스 값에 도달할 수 있다. 몇 개의 수퍼커패시터를 병렬 연결하므로써 수십 kF의 커패시턴스가 가능하다. 특히 수퍼캐시터는 2000 F 이상의 커패시턴스를 얻을수 있음을 기억한다.

 
디자인 제한

커 패시터를 병렬로 연결할 때, 기억해야 할 몇 개가 있다. 하나는 커패시터 병렬 연결의 최대 정격 전압은 사용된 모든 커패시터의 최소 정격 전압 만큼 뿐이다. 따라서, 몇 개의 정격 전압 500 V 커패시터가 정격 전압 100 V 커패시터와 연결되면, 완성된 시스템의 최대 정격 전압은 100V 분이다. 왜냐하면 같은 전압이 모든 커패시터에 인가되기 때문이다.

 
안전

기 억해야 할 다른 하나는 커패시터 뱅크는 저장된 에너지의 양과 매우 짧은 시간에 저장된 에너지를 방출할 수 있기 때문에 위험할 수 있다는 것이다. 이렇게 저장된 에너지는 사고로 쇼트가 되면 가끔은 전기 와이링과 장치에 심각한 손상을 유발하기에 충분하다.

 

직렬 커패시터

다른 전기 요소처럼, 커패시터는 회로에서 혼자 사용될 때 의미가 없을 수 있다. 어떤 경우 몇 개의 커패시터를 직렬로 연결하여 기능 블록을 만드는 것이 유용하다.

 
분석

직렬 연결된 블록이 전압 소스에 연결 될 때, 블록 안의 각 커패시터는 같은 양의 전하를 저장한다. 즉 총 전하량은 커패시터의 커패시턴와 상관없이 모든 커패시터를 가로질로 균등 분포된다. 각 커패시터에 저장된 전하량은 같다.

        Qtotal = Q1 = Q2 = … = Qn

각 커패시터에 전하가 상호적으로 왜 같은지 그리고 블록(직렬 완성체)에 저장된 총 전하와 같은지 설명하기 위해서,  한  시점에서 모든 커패시터가 충전되어 있지 않다고 가정하자. 전압이 처음 블록에 인가될 때, 같은 전류가 모든 커패시터를 통해서 흐른다. 결과적으로 전하 쉬프트가 발생한다. 전자는 각 커패시터의 하나의 판에서 다른 커패시터의 판으로 이동한다. 이것은 어떤 커패시터의 판에 저장된 전하는 인접한 다른 커패시터의 판에서 온 것임을 의미한다. 즉 전하 이동은 간단히 모든 커패시터를 통해서 시프트 된 것을 의미한다. 이것이 각 커패시터의 전하가 같은 이유이다.

그렇다해도, 각 커패시터를 가로지르는 전압은 같지않다는 것을 알아야 한다. 각 커패시터에 대한 전압의 계산은 다음 식과 같다

        Vn = Qn / Cn

키리호프의 전압 법칙을 직렬 연결 블록에 적용하면, 블록을 가로지르는 전압은 개별 커패시터에 걸린 전압의 합과 같다.

        Vtotal = V1 + V2 + … + Vn

첫번째 식을 두번째 식에 넣는다. 각 커패시터의 전하가 총 전하와 같기 때문에 식은 다음과 같다.

        Qtotal/Ceq = Qtotal/C1 + Qtotal/C2 + …. + Qtotal/Cn

        1/Ceq = 1/C1 + 1/C2 + … + 1/Cn

등가 커패시턴스의 역수는 개별 커패시터의 역수의 합과 같다.

 
응용

커패시티브 전압 분배기

전 압 분배기는 인가된 전압을 2개 이상의 출력 전압으로 주워진 비율로 나누는 장치이다. 그것은 저항이나 커패시터 같은 리액티브 소자를 사용해서 만들 수 있다. 커패시터가 직렬로 연결되고 그 연결을 가로질러 전압이 인가 될 때, 각 커패시터를 가로지르는 전압은 일반적으로 같지 않고 커패시턴스 값에 의존한다.

좀 더 정확하게, 개별 커패시터를 가로지리는 전압의 비율은 직렬로 연결된 개별 커패시터의 커패시턴스 값의 역 비율이다. 커패시티브 전압 분배기는 DC 신호를 통과시키지 못하기 때문에 AC 회로에만 유용하고 또한 약간의 전압 누설이 있음을 알아야 한다. 아래 그림은 커패시티브 전압 분배기이다.

더 높은 동작 전압

더 높은 전압에서 동작시키기 위해서 가끔 커패시터 직렬 연결을 사용할 때가 있다. 예들 들어, 커패시터를 이용해서 5 kV 전원 공급 장치를 필터할 필요가 있다고 가정하자. 그리고 모두 동일한 커패시턴스 값을 가지며 정격 전압이 1 kV인 커패시터만 사용 가능하다고 하자. 이 경우, 5개 이상의 커패시터를 직렬로 연결해서 높은 전압이 개별 커패시터로 분산되어 최대 정격을 초과하지 않게 한다.

직렬 연결된 커패시터의 다른 사용 예는 수퍼커패시터로 만들어진 커패시터 뱅크로 자동차 배터리를 대체하는 것이다. 수퍼커패시터는 최대 정격 전압이 단지 2.7 V이기 때문에, 6 개의 수퍼커패시터를 직렬로 연결해서 뱅크의 동작 전압을 자동차에서 사용가능한 레벨로 올린다. 수퍼커패시터를 배터리로 사용하는 장점은 무게이다. 그러나 이 기술은 누설 전류 때무에 여전히 개선이 필요하고 배터리가 훨씬 더 큰 커패시티를 제공한다.

 
안전

직 렬 커패시터 회로를 사용할 때 어떤 안전 마진이 알려져야 하고, 좋은 디자인에는 5 개 이상의 커패시터가 사용되어야 한다. 첫 번재 이유는 커패시터는 어떤 커패시턴스 오차를 가지고 있고 일치되는 커패시턴스 값을 가지질 못할 수 있다. 결과적으로, 살짝 작은 커패시턴스 값을 가진 커패시터는 최대 졍격 전압보다 살짝 더 큰 전압에 노출될 수 있다. 두 번째 이유는 실제에서 커패시터가 가끔 고장 난다.  만약 하나의 커패시터가 고장나서 쇼트회로가 되면, 인가된 전압 5 kV는 정격 전압이 1kV 뿐인 나머지 4 개의 커패시터를 가로 질러 분배된다. 이것은 연쇄 고장을 유발하고 결국 전압 소스를 쇼트시켜서 필터 전체를 파괴하게 된다.

 

커플링과 디커플링

디커플링 커패시터

회 로를 설계할 때, 많은 초보 엔지니어와 취미가들은 보증을 위해 안정적이고 잘 레귤레이션 되는 전원 공급장치를 고른다. 그런데 테스트 하는 동안에 혹은 조립이 완료된 후에 회로가 예상했던 성능을 내지 않는 것을 발견할 뿐이다.  오디오 앰프나 라디오 같은 아날로그  회로는 이상한 험 이나 딱딱하는 소리의 노이지를 배경에 만들 수 있다. 그리고 마이크로컨트롤러 같은 디지털 회로는 불안정해지거나 예상치 못하게 될 수 있다. 이런 기능 미달의 이유는 종종 입력 전압이 실질적으로 안정적이지 않은 사실 때문일 때가 있다. 대신에, 오실로스코프로 볼 때, DC 전원 공급 장치는 종종 많은 글리치, 전압 스파이크, AC 전압 성분 등을 보여준다.

디커플링 커패시터는 무엇인가?

디 커플링 커패시터는 국부적 에너지 저장소처럼 행동한다. 배터리처럼 커패시터는 충전과 방전에 시간이 필요하다. 디커플링 커패시터로 사용될 때, 그것은 빠른 전압의 변화에 대응한다. 만약에 입력 전압이 갑자기 떨어지면, 커패시터는 전압을 안정적으로 유지하기 위해서 에너지를 제공한다. 유사하게, 전압 스파이크가 있으면, 커패시터는 과도한 에너지를 흡수한다.

디 커플링 커패시터는 전압 스파이크를 걸러서 없애고 단지 신호의 DC 성분만 통과시키는데 사용된다. DC 신호를 가능한 한 부드럽게 만들면서 노이즈를 회피하거나 흡수하는 그런 곳에 커패시터를 사용한다. 이런 이유로 디커플링 커패시터는 또한 바이패스 커패시터라고 불린다. 필요할 때 커패시터가 전원 공급을 바이패스 시키기 때문이다. 그것은 어떤 단일 보드 또는 어떤 단일 부품에 한정된 작은 UPS라고 생각할 수 있다. 각 IC에 하나의 커패시터를 사용하는 것은 일반적이다. 사실, 디지털 시스템에서 보드 상의 거의 모든 커패시터는 디커플링 목적으로 사용된다.

전원 공급 디커플링

디 커플링 커패시터는 종종 전원 공급 장치로부터 회로를 디커플 하는데 사용된다. 어떤 부품은 바른 동작을 위해서 엄격히 정류된 전원을 필요로한다. 좋은 예는 마이크로컨트롤러와 마이크로프로세서이다. 만약 전압 스파이크가 있으면, 프로세서로 로드된 프로그램이 인스트럭션을 건너뛰고 예상치 못한 행동을 할 수 있다. 디지털 로직 또한 전원 공급 전압에 민감하다. 따라서 안정적인 동작을 위해서 잘 정류되어야 한다.

이 런 이유로, 디커플링 커패시터가 전원 공급 전압을 부드럽게 하기 위해서 회로에 추가된다. 디지털 회로에 대한 좋은 엄지 규칙은 각 로직 IC 당 하나의 100nF 세라믹 커패시터를 사용하는 것이다. 또한 보드 또는 회로 세그먼트 당 하나의 큰(최대 수 백 uF) 전해 커패시터를 사용한다. 큰 커패시터가 회로 대부분의 에너지를 저장하고 낮은 주파수를 디커플 한다. 그러나 전해 커패시터는 고주파 특성이 빈약하고 로직 게이트들은 매우 높은 주파수로 동작한다. - 컴퓨터 프로세서는 수 기가 헤르즈 범위까지 동작할 수 있다. 이런 높은 주파수에서 세라믹 커패시터는 더 좋은 디커플을 제공한다. 가장 좋은 결과를 위해서, 디커플링 커패시터는 가능한 한 칩에 가깝게 배치되어야 한다.

다음 회로도는 7400 NAND 로직 게이트와 함께 디커플링 커패시터를 사용한 것을 보여준다.

전이 부하 디커플링

디 지털 회로에서, 전원 소스는 로직 회로나 다른 장치에서 온 노이즈로 오염될 수 있다. 로직 회로는 꾸준히 그 출력 상태를 ON 그리고 OFF 사이에서 변하는 수 백만 로직 게이트들로 만들어진다. 즉 많은 트랜지스터들이 1 초에 셀 수 없이 많이 on/off 스위치를 한다. 각 스위치 마다 트랜지스터는 전이 부하라 불리는 것을 만든다. 결과로, 장치에 의해 구동되는 전류는 흔들리고 노이즈를 만들어 다시 전원 소스로 전파된다. 전원 소스 디커플링을 위해 커패시터가 사용될 때, 2개의 역할을 한다: 회로에서 만들어진 전기 노이즈로부터 전원 소스를 보호하고, 같은 전원 소스에 연결된 다른 자치에서 만들어진 전기 노이즈로부터 회로를 보호 한다.

 
커플링 커패시터

디 커플링 커패시터가 신호 경로와 병렬로 연결되고 AC 성분을 제거하는데 사용되는 반면, 커플링 커패시터는 반대로 신호 경로와 직렬로 연결되어 신호의 DC 성분을 제거하는 데 사용된다. 둘 다 아날로그와 디지털 회로 어플리케이션에 모두 사용된다.

아날로그 어플리케이션

아 날로그 회로에서, 커플링 커패시터는 증폭기에서 광범위하게 사용된다. 트랜지스터의 전압 바이어스는 증폭기의 정상 동작에 결정적이다. 커플링 커패시터의 역할은 들어오는 AC 신호가 트랜지스터 베이스에 인가되는 바이어스 전압과 간섭하지 않도록 예방하는 것이다. 그런 어플리케이션에서, 신호는 직렬로 연결된 커플링 커패시터를 통해서 트랜지스터의 베이스를 구동한다. 커패시턴스 값은 유용한 신호가 지나갈 수 있도록 선택되어야 한다.

디지털 어플리케이션

디 지털 회로에서, 특히 통신 시스템에서, 커플링 커패시터는 전송선의 DC 신호를 차단하는데 사용된다. 전송선을 가로지르는 DC 신호의 존재는 전송선의 저항 성분에서 열로 소모되는 약간의 에너지 낭비를 의미한다. 또한 그것은 그라운딩 문제나 2개의 멀리 떨어져 연결된 회로 사이에 저하 누적 문제 같은 다른 문제를 유발할 수 있다.

 

에너지 저장

에너지 저장에 사용되는 커패시터

커 패시터는 두 판에 누적되는 전하의 형태로 전기 에너지를 저장하는 장치이다. 커패시터가 전원 소스에 연결될 때, 전원 소스로부터 분리될 때 방출할 수 있는 에너지를 누적한다. 그런 관점에서 커패시터는 배터리와 유사하다. 차이점은 배터리는 에너지를 저장하기 위해서 전기화학 과정을 사용하는 것이고, 커패시터는 단순이 전하를 저장하는 것이다. 그래서, 커패시터는 배터리보다 훨씬 더 높은 비율로 저장된 에너지를 방출할 수 있다. 왜냐하면 화학 과정은 벌어지는데 더 많은 시간이 필요하기 때문이다.

저장된 에너지의 양은 커패시터 판에 저장되는 전하의 양에 의존한다. 다르게, 저장된 에너지의 양은 커패시터를 가로지르는 전압으로 정의될 수도 있다. 이 관계를 묘사하는 공식은 다음과 같다:

        W = (1/2)(Q^2/C) = (1/2) C V^2

여 기서, W는 커패시터에 저장된 에너지이고 단위는 주울(J)이다. Q는 커패시터에 저장되는 전하 량이고, C는 커패시턴스이고 V는 커패시터를 가로지르는 전압이다. 위 식에서 보이 듯,  커패시터에 저장되는 최대 에너지 양은 커패시터의 최대 정격 전압은 물론 커패시턴스에 의존한다.

저 장된 에너지는 커패시터로부터 빠르게 방출될 수 있다. 왜냐하면 커패시터 내부 레지스턴스가 작기 때문이다. 이 속성은 간혹 큰 부하 스파이크를 생성하는 시스템에서 이용된다. 그런 경우, 배터리는 충분한 전류를 제공할 수 없고 커패시터가 보조 배터리로 사용된다. 한가히 작동하는 조건 동안에, 커패시터는 다시 재충전되어 정상 전압이 된다.
 

응용

커 패시터를 에너지 소스로 사용하는 많은 어플리케이션이 있다. 오디오 장비, UPS, 카메라 플래시, 자석 코일과 레이저 같은 펄스 부하 등이 있다. 최근에, 울트라커패시터(또는 더블 레이어 커패시터 또는 수퍼커패시터)의 혁신적 발전이 있다. 그것은 매우 큰 커패시턴를 가져서 2kF에 달한다. 이런 커패시터는 많은 양의 에너지를 저장할 수 있고 새로운 기술을 가능하게 한다. 특히 자동차 산업의 전기차, 회생 브레이크 같은 곳과 산업 모터, 정전 시 컴퓨터 메모리 백업 같은 곳이 그렇다.

카메라 플래시

전 기 카메라 플래시는 대부분 제논 플래시 튜브를 사용한다. 찍히기 전에, 내부 커패시터는 카메라 내부의 특별한 회로를 사용해서 수백 볼트로 충전된다. 이 충전 기간은 때때로 큰 노이즈를 동반한다. 커패시터가 충전된 후에, 플래시는 사용할 준비가 된다.  셔터 버튼이 눌려질 때, 커패시터는 튜브를 통해서 거의 즉각적으로 방전되어 매우 짧은 전류 펄스를 만든다. 커패시터로부터의 에너지는 대략 1ms만 지속되는 플래시 빛으로 변환된다. 플래시가 사용된 후에, 다음 사진을 찍을 때까지 다시 재충전 하는데 약간의 시간이 필요하다.

벌레 퇴치기(zapper)

벌 레 퇴치기는 케스케이드 전압 체배기라 불리는 회로에서 다이오드와 커패시터를 사용한다. 채배기는 공급 전압을 대략 2kV로 증가시킨다. 일단 벌레가 케스케이드의 두 단자 사이에서 쇼트를 만들면, 에너지는 거의 즉각적으로 방출된다. 회로의 커패시터는 zap하는 동안 재충전 된다.

회생 브레이크

움 직이는 차는 충분한 양의 운동 에너지를 갖는다. 그 에너지는 주로 브레이킹 할 때 열로 변환된다. 전기차 혹은 하이브리트 카는 가속할 때 휠을 구동하는데 전기를 사용하기 때문에, 브레이크할 때 손실되는 에너지를 대신에 저장해서 필요할 때 다시 사용할 수 있음이 분명해 진다. 기술과 관련한 유일한 문제는 자동차 배터리가 브레이킹에 의해 만들어지는 에너지를 흡수할 만큼 충분히 빠르게 재충전할 수 없다는 것이다. 현대의 진보된 커패시터 기술로, 특히 수퍼커패시터, 이제 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하고 저장하는 것이 가능하다. 이 방법으로, 차를 다운힐 드라이빙하고 회생 브레이크를 사용하면 실제로 배터리를 충전하고 자동차의 효율을 증가시킨다. 하이브리드 차의 경우, 이것은 리터 당 킬로미터수를 더 좋게 한다. 전기차의 경우 이것은 한 번 충전으로 더 많이 갈수 있는 거리를 뜻한다.
 

안전과 위험

회 로에서 다른 목적으로 사용되는 다른 커패시터를 포함해서 커패시터들은 회로로부터 분리된 후에 혹은 전원이 장치로부터 분리된 후에 전하를 오래 저장할 수 있다. 고 전압 커패시터는 정전기 전하 생성 때문에 절대 사용할 수 없을 지라도 전하를 누적할 수 있다.그래서, 그것은 전기 쇼크 위험을 노출한다. 이것 때문에, 그것을 다루기 전에 커패시터를 방전 시킬 필요가 있다. 고 전압 고 에너지 커패시터는 그 두 단자가 쇼트 되어 전하 생성을 예방해서 보관되어야 한다.

 

필터 커패시터

커 패시터는 리액티브 소자이다. 그래서 아날로그 전자 필터에 사용되기에 적합하다. 그 이유는 커패시터의 임피던스가 주파수의 함수이기 때문이다. 이것은 신호에 대한 커패시터의 효과가 주파수 의존적임을 의미한다. 주파수 의존적인 속성은 필터 설계에서 광범위하게 사용된다.

아 날로그 전자 필터는 미리 정의된 신호 처리 기능을 수행하기 위해 사용된다. 그런 기능의 한 예는 LPF(low pass filter)이다. LPF는 낮은 주파수는 통과시키지만 높은 주파수는 차단한다. 다른 예는 HPF(high pass filter)이다. HPF는 높은 주파수는 통과시키지만 낮은 주파수는 차단한다. Band-pass 또는 notch 필터 같은 다른 복잡한 필터 기능을 만들기 위해서 기본 필터 타입을 조합할 수 있다.

전 자 필터는 많은 다양한 방법으로 구현될 수 있다. 전자 필터는 커패시터, 인덕터, 레지스터, 트랜지스터, opamp 같은 아날로그 소자만을 사용해서 만들어질 수 있다. 필터는 디지털 신호 처리기 같은 디지털 기술을 사용해서 구현될 수도 있다. DSP 회로는 특별한 컴퓨터나 마이크로컨트롤러와 어플리케이션에 적절한 소프트웨어로 구성된다. 아날로그 필터는 수동 필터와 능동 필터로 세분된다. 능동 필터는 증폭 회로와 트랜지스터 또는 opamp 같은부품을 사용한다. 반면에 수동 필터는 레지스터, 인덕터, 커패시터만 사용한다. 수동 필터의 장점은 처리될 신호 자체 외에 전원 소스가 필요 없다는 것이다. 반면 능동 필터의 장점은 크기와 비용을 줄일 수 있다는 것이다.
 

라인 필터

전 자 필터 중에 라인 필터라고 하는 특별한 것이 있다. 그것은 전원 공급 선에서 오는 전기 노이즈를 억제하는데 사용된다. 전원 공급 전압을 다양한 주파수에서 출렁이게 하는 많은 파워 라인 노이즈 소스가 있다. 에어컨, 냉장고, 히터, 그리고 다른 큰 부하 같은 어떤 노이즈 소스들은 그것이 스위치 on/off 할 때 전압 스파이크를 만들어낸다. 브러시 모터는 그것에 전원이 공급되는 한 전기 노이즈를 만든다. 휴대폰, 통신 안테나 그리고 조명 조절기 같은 다른 노이즈 소스는 고주파 또는 RF 노이즈를 만들어낸다.

라 인 필터 커패시터는 어플리케이션에서 이런 노이즈 소스의 효과를 줄이기 위해서 사용되는 단순한 커패시티브 필터이다. 그래서 어플리케이션의 성능을 향상시키도록 이끈다. 예들 들어, TV 세트는 이 필터를 사용해서 이미지 깜빡임을 줄인다. 강한 노이즈 소스인 어떤 장치는 그것이 다른 장치와 간섭하는 것을 막기 위해서 라인 필터를 사용한다. 라인 필터에 사용되는 2개의 일반적인 터팔러지가 있다.  X와 Y 커패시터이다. 화재의 위험과 오작동의 경우에 손상 때문에, X와 Y 타입 커패시터는 다른 안전 규정의 대상이다.

X 커패시터

X 커패시터는 입력 라인 간에 연결된다. 이 터팔러지는 아래 회로와 같다.

X 커패시터의 역할은 전원 공급 선에서 오는 전기 노이즈 일부를 감쇄시키는 것이다.  커패시터는 고 주파수를 쇼트해서 없애는 행동을 하고, 반면 저주파를 통과시키는 행동을 한다. X 커패시터는 주로 1 uF ~ 10 uF 사이의 커패시턴스를 갖고 고주파 어플리케이션에 대해서 폴리프로필렌으로 만들어진다. 왜냐하면 폴리에스터 커패시터는 과열될 수 있기 때문이다. 만약 라인 전압이 DC이면, 전해 커패시터 같은 극성 커패시터도 사용될 수 있다. X 커패시터는 그것이 오작동하면 안전 위험에 노출될 수 있다. 커패시터는 2가지 고장 모드(open-circuit 또는 short-circuit) 중 하나가 될 수 있다.

만 약 X 커패시터가 쇼트 회로 모드이면, 회로 차단기가 적절히 선택된 퓨즈를 끊는 반응을 하지 않으면 화재의 위험이 있다. 고장 모드가 오픈 회로 모드이면, 회로는 커패시터가 없었던 것처럼 행동한다. 따라서 어플리케이션이 노이즈에 노출된다. 이 경우 주로 손상은 없지만, 필터가 동작하지 않기 때문에 성능 손실이 발생할 수 있다.

Y 커패시터

Y 커패시터는 라인과 어플리케이션의 새시 사이에 연결된다. 이 터팔러지는 다음 회로도와 같다.

Y 커패시터의 역할은 X 커패시터와 같다. 이 터팔러지는 어플리케이션이 그라운드 된 새새를 갖고 있을 때 사용된다. 새시 차체는 전자기 쉴드(패러데이 케이지)처럼 행동할 수 있어서 외부 RF 간섭으로부터 어플리케이션을 보호한다. 커패시터가 오동작할 경우, 이 터팔러지는 잠재적으로 사용자에게 더 위험하다.

Y 커패시터 하나 혹은 둘 다 오픈 회로 모드로 고장 날 경우, 효과적인 필터링의 손실 외에는 아무것도 일어나지 않는다. 이것은 성능 저하를 유발할 수 있다. 특히 민감한 장치에 그렇다. 그러나 안전 문제를 유발하지는 않을 것이다.

만 약 Y 커패시터 중에 하나가 쇼트 회로 모드로 고장 나면, 장치의 새시가 직접 라인 전압으로 연결되는 결과를 가져온다. 사용자가 새시를 만지게 되면, 전기 쇼크의 위험이 있다. 드물긴 하지만 Y 커패시터 2 개가 동시에 고장나면, 화재 위험이 있다. 왜냐하면 라인 전압 공급원이 쇼트 되었기 때문이다. 이런 위험을 막기 위해서, 새시는 반드시 3 구멍 파워 플러그를 사용해서 잘 그라운드 되어야 한다. 파워 코드 플러그의 3번째 가지는 가정용 기기의 설치에서 그라운드 와이어에 연결된다. 추가적으로, 위험을 막기 위해서 바른 퓨즈가 설치되어야만 한다.

Y 커패시터는 0.001uF ~ 1uF 사이의 넓은 커패시턴스 값을 가질 수 있다. Y 커패시터로 세라믹 커패시터보다 금속화 종이와 필름 커패시터가 선호된다. 왜냐하면 안정성, 높은 커패시턴스 값과 자가 치유 속성 등 때문이다. 그리고 금속화 커패시터의 고장 모드는 오픈 회로가 되는 경향이 있는 반면에 세라믹 커패시터의 고장 모드는 쇼트 모드가 되는 경향이 있다.

 

모터 스타팅 커패시터

비 동기 모터라고도 알려진 AC 인덕션 모터는 토크를 만들기 위해서 회전 자기장을 사용한다. 3상 모터가 널리 사용되는데 그것이 신뢰성 있고 경제적이기 때문이다. 회전 자기장은 3상 비동기 모터에서 쉽게 달성된다. 왜냐하면 개별 위상 사이의 위상 각 옵셋이 120도 이기 때문이다. 그러나 단상 AC 모터는 회전 자기장을 만들기 위해서 위상각 옵셋을 만드는 외부 회로가 필요하다. 이런 회로는 진보된 파워 전자 회로 혹은 더 간단하게는 모터 커패시터를 사용해서 구현될 수 있다.
 

AC 단상 인덕션 모더

단일 코일 AC 인덕션 모터

AC 인덕션 모터는 주로 2개 이상의 코일을 사용해서 회전하는 자기장을 만든다. 자기장은 로터에 토크를 만든다. 단일 코일이 사용될 때, 맥동성 자기장이 만들어질 것이다. 그것은 회전을 유지하기에는 충분하지만, 정지 상태에서 모터를 시작시키기에는 충분하지 않다. 단일 코일 모터는 외부 힘을 사용해서 시작되어야만 한다. 그리고 어느 방향으로든 회전할 수 있다. 회전의 방향은 외부 힘에 달려있다. 만약 모터가 시계 방향으로 시작하면, 전원 공급 주파수에 의해 정의되는 최대 속도에 도달할 때까지 시계 방향으로 스피드를 올리며 계속 회전할 것이다. 유사하게, 초기 회전이 반시계 방향이면 반시계 방향의 회전을 계속할 것이다. 이런 모터는 자력에 의한 신뢰성 있는 회전 시작을 할 수 없기 때문에 실용적이지 않다.

스타트 커패시터 AC 인덕션 모터

단 일 코일 설계를 향상 시키는 하나의 방법은 모터 시작 커패시터와 직렬로 보조 코일을 사용하는 것이다. 스타팅 코일 이라고도 불리는 보조 코일이 사용되어 초기 회전 자기장을 만든다. 회전 자기장을 만들기 위해서, 메인 와인딩을 흐르는 전류는 반드시 보조 와인딩을 흐르는 전류와 비교해서 위상이 벗어나야만 한다. 스타팅 커패시터의 역할은 보조 와인딩에서 전류를 지연시켜서 이 두 전류가 위상이 달라지게 하는 것이다. 로터가 충분한 속도에 도달 할 때, 보조 코일은 원심력 스위치에 의해서 회로에서 분리된다. 그리고 모터는 맥동성 자기장을 만드는 단일 코일에 의해서 구동된다. 이런 면에서, 이 설계의 보조 코일은 스타팅 코일로 여겨질 수 있다. 왜냐하면 모터 시작 시에만 사용되기 때문이다.

스타트/런 커패시터 AC 인덕션 모터

단 일 코일 단상 인덕션 모터 설계를 더 향상시키기 위한 다른 방법은 모터 시작 단계에만 구동되는 것 뿐만 아니라 정상 동작 동안에도 구동되는 보조 코일을 사용하는 것이다. 단지 모터 스타스 커패시터를 사용하는 AC 모터 - 정상 동작 동안에 맥동성 자기장을 만든다 - 와 다르게, 모터 스타트 크패시터와 모터 런 커패시터를 사용하는 AC 모터는 정상 동작 동안에 회전 자기장을 만든다. 모터 스타트 커패시터의 기능은 위에 설명한 것 - 원심력 스위치에 의해서 로터가 미리 정해진 속도에 도달하면 회로로 부터 분리된다 - 과 같다. 그 시점 후에, 보조 와인딩은 모터 런 커패시터를 통해서 구동된다. 아래 그림인 이런 타입의 설계를 기술한다.

 

모터 스타트와 모터 런 커패시터

스타트 커패시터

모 터 스타트 커패시터는 모터 시작 단계 동안에 사용되고 로터가 미리 정의된 속도 - 주로 모터 최대 속도의 75% 정도 - 에 도달하면 회로로부터 분리된다. 이런 커패시터는 주로 70 uF 이상의 커패시턴스 값을 갖는다. 사용하고자 하는 어플리케이션에 따라서 다양한 정격 전압을 가질 수 있다.

런 커패시터

어 떤 단상 AC 모터 설계는 모터 런 커패시터를 사용한다. 이런 설계는 회전하는 자기장을 만들어서 동작한다. 모터 런 커패시터는 끊임 없는 듀티에 대해 설계되고 모터가 구동되는 동안 계속 구동된다. 이것이 전해 커패시터를 피하고 저손실 폴리머 커패시터를 사용하는 이유이다. 런 커패시터의 커패시턴스 값은 주로 스타트 커패시터의 커패시턴스보다 작고 흔히 1.5uF ~ 100uF 사이이다. 모터에 대한 잘못 선택된 커패시턴스 값은 불균일한 자기장을 유발한다. 그것은 불균일한 모터 회전 속도로 관찰될 수 있다. 특히 부하가 있을 때 그렇다. 이것은 모터로부터 추가 노이즈, 성능 저하, 에너지 소비 증가, 모터 과열을 일으킬 수 있는 추가 열 등을 유발한다.


응용

모 터 스타트와 런 커패시터는 단상 AC 인덕션 모터에서 사용된다. 이런 모터는 3상 전원 보다 더 실용적인 단상 전원 - 가정용 어플리케이션 - 에서 사용된다. 그것은 3상 AC 모터보다 효율적이지 않다. 사실 단상 AC 모터는 3상 AC 모터보다 2~4배 덜 효율적이다. 그래서 그것을 덜 강력한 모터에만 사용한다. 스타트와 런 모터 커패시터를 활용하는 전형적인 어플리케이션은 전동 공구, 세탁기, 회전 건조기, 식기 세척기, 진공 청소기, 에너컨, 컴프레셔 등이다.


출처: www.capacitorguide.com