커패시터의 충전・방전 특성 - 자바실험실

커패시터의 충전・방전 특성







 

  1. 스위치를 위로 올리면 충전이, 아래로 내리면 방전이 시작됩니다.
  2. 충전 또는 방전이 시작되면 자동으로 측정 전압이 기록됩니다.
  3. 프로브(Probe)를 이동시켜서 측정 지점을 변경시킬 수 있습니다.
  4. 정확한 측정 데이터를 원하는 경우, 커패시터를 완전히 충전시키거나 방전시킨 후 스위치를 조작하세요.
  5. 측정값의 변동을 방지하기 위해 측정 중에 전압, 저항, 정전 용량을 변경하지 마십시오.

커패시터의 충전

커패시터에 전압을 가하면 전류가 흐르면서 커패시터가 충전됩니다.
충전되는 과정은 전하가 쌓이는 과정입니다. 이렇게 쌓인 전하에 의해 내부 전압이 상승합니다.
충전이 진행됨에 따라 충전 속도는 느려지며, 내부 전압은 외부 전압에 가까이 접근합니다.

커패시터를 충전시킬 때 전압의 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.
\[ V(t)=V_0 (1-e^{-t/RC}) \]

\(V(t)\) : 커패시터 내부 전압(V)
\(V_0\) : 외부 전압(V)
\(t\) : 시간(초)
\(R\) : 저항(Ω)
\(C\) : 커패시터의 정전 용량(F)

예를 들어, 외부 전압이 1 V, 저항이 1 kΩ, 커패시터의 정전 용량이 1000 μF라고 하면, 다음과 같은 특성 곡선을 얻을 수 있습니다.

Capacitor's characteristic graph

저항과 정전 용량을 곱한 \(RC\)를 시정수(τ, time constant) 라고 합니다. 시정수는 다음과 같은 특성이 있습니다.

  • 시정수 시간 동안 충전시키면 전체 용량의 약 63.21%가 충전됩니다.
  • 시정수의 5배 정도 충전시키면 약 99.33%가 충전됩니다.
  • 저항이 클수록 전류가 약하게 흐르기 때문에 충전이 오래 걸립니다(시정수가 길어집니다).
  • 정전 용량이 클수록 많은 양을 충전시켜야 하기 때문에 충전이 오래 걸립니다(시정수가 길어집니다).

커패시터의 방전

커패시터의 방전 또한 시간이 걸립니다.
커패시터의 방전은 충전과 비슷하게 생각할 수 있습니다.
즉, 시정수 시간 동안 전체 용량의 약 63.21%가 방전되며, 시정수의 약 5배 정도 방전시키면 전체 용량의 약 99.33%가 방전됩니다.