커패시터의 충전시간

전자 제품의 경우 저항, 커패시터 및 인덕터의 세 가지 기본 구성 요소가 있습니다. 커패시터는 전자 장치의 기본 구성 요소이며 에너지를 저장하고 방출하는 데 필수적입니다. 디커플링에서 필터에 이르기까지 다양한 사용 사례에서 사용되거나 새로운 슈퍼 커패시터를 사용하여 백업 전원으로 사용되는 것을 찾을 수 있습니다. 작동의 한 가지 핵심 측면은 커패시터 충전 시간이며, 이는 많은 응용 분야에서 중요한 요소입니다. 

 

 

 

 

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1. 커패시터 충전 시간 - 기본 사항

커패시터는 전원 공급 장치에 연결할 때 충전하는 데 시간이 걸립니다. 모든 회로에는 연결 와이어의 저항이든 배터리와 같은 전원의 내부 저항이든 상관없이 일종의 저항이 있기 때문에 항상 저항이 커패시터와 직렬로 존재한다고 간주할 수 있습니다. 아래 이미지는 저항 R이 실제 저항 또는 전선 및 전원의 저항으로 간주될 수 있는 간단한 RC 회로를 보여줍니다. 이제 커패시터 C의 충전 시간은 저항 R의 값에 따라 다릅니다.

 

 

 

따라서 커패시터의 충전 시간은 주로 로 표시되는 커패시터 충전 시간 상수에 의해 결정됩니다. (타우로 발음)는 회로의 저항(R)과 커패시터의 커패시턴스(C)의 곱입니다. 커패시터 충전 시간은 저항을 통해 커패시터를 충전하는 데 걸리는 시간으로 정의할 수 있습니다.

 

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초기 충전 레벨이 0 전압인 경우 인가된 DC 전압의 63.2%까지, 또는 동일한 저항을 통해 커패시터를 방전하는 데 걸리는 시간으로, 최종 충전 전압의 약 36.8%까지. 커패시터 충전 시간 공식은 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

 

τ =RC

 

τ (tau)는 초 단위의 시간 상수입니다. R은 옴 (Ω) 단위의 저항입니다. C는 패럿(F) 단위의 커패시턴스입니다.

 

아래는 커패시터 충전 시간 그래프의 이미지로, Y축에는 전압이 있고 X축에는 시간 상수가 있습니다. 커패시터가 63.2%까지 충전되는 데 걸리는 시간은 1tau입니다. 

 

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다음은 커패시터의 충전을 보여주는 간단한 시뮬레이션입니다. 계산의 단순화를 위해 직렬 저항을 추가했습니다. 빠른 계산을 하려면 온라인 커패시터 충전 시간 계산기를 확인할 수도 있습니다.

 

 

 

 

전압-시간 플롯에서 볼 수 있듯이 처음에는 전압이 급격히 증가하다가 최대 전압에 도달할 때까지 속도가 느려집니다. 하나의 시간 상수는 커패시터가 전체 전압의 최대 63.2%까지 충전하는 데 걸리는 시간입니다. 결과 플롯에서 타우가 5일 경우 커패시터는 전체 전압의 최대 99.3%를 충전합니다. 커패시터가 5에서 완전히 충전되어 있다는 점을 고려하면커패시터 충전 시간 방정식을 사용하여 커패시터를 계산할 수 있습니다.

 

τ  = 5 = 5RC

 

예를 들어, 위의 시뮬레이션에서는 100μF 커패시터와 10kΩ 저항을 사용했습니다. 따라서 커패시터를 충전하는 데 걸리는 시간은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

 

τ  = 5RC = 50.000110000 = 5 초

 

즉, 커패시터는 5초 이내에 완전히 충전됩니다.

 

 

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커패시터의 충전 시간은 시간 상수의 5배이며 커패시턴스와 직렬 저항에 따라 다릅니다. 커패시턴스를 변경할 수 없기 때문에 차선책은 직렬 저항을 최소화하는 것입니다.

 

커패시터는 100% 충전되지 않습니다. 그러나 R과 C(tau = R * C)를 곱하여 계산되는 커패시터 시간 상수를 사용하여 커패시터를 충전하는 데 걸리는 시간을 계산할 수 있습니다. 커패시터가 99% 충전된 데 도달하는 데 약 5배의 시간 상수가 걸립니다. 저항이나 커패시턴스가 높을수록 충전하는 데 시간이 더 오래 걸립니다

 

이상적인 시나리오에서 저항 값은 0이 되고 커패시터는 즉시 충전되어야 합니다. 그러나 실생활에서 저항의 값은 결코 0이 되지 않으며 연결 와이어의 저항, 전원의 내부 저항 등과 같이 고려해야 할 요소가 있습니다.

 

실제로 커패시터를 100%까지 충전하는 데는 무한한 시간이 걸립니다.