[Chapter-7] 캐패시터

캐패시터는 정말 회로설계에서 자주 사용하는 소자입니다.  콘덴서(일본식 표현)라고도 합니다. 이번 포스팅에서는 캐패시터의 정의, 물리적 구조,  종류, 기본 기능과 기본적 성질에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

1) 캐패시터란?

• 전자(전기)를 모으고 모은 전자를 방출하기 위해 사용하는 부품입니다.
• 용량단위는 영국의 물리학자 마이클 패러데이의 이름을 따서 패러드(F, farad)라고 합니다. 1F는 1V의 전압이 걸렸을 때 1C의 전하를 충전할 수 있는 능력입니다.
• 캐패시터의 물리적 구조와 공식은 아래의 그림과 같습니다.

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2)캐패시터의 종류

캐패시터의 종류는 많습니다. 이 포스팅에서는 가장 많이 사용하는 2가지만 언급하도록 하겠습니다.

2-1) 전해캐패시터

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• 음극 전해질에 금속 양극이 들어 있는 구조이고 용량이 큽니다. 용량과 가격은 비례하기 때문에 용량이 클수록 가격이 올라갑니다.
• 극성을 가지고 있기 때문에 사용시 주의해야 합니다.

2-2) 세라믹 캐패시터

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• 위의 그림은 회로기판에 직접 실장되는 SMD 타입의 세라믹 캐패시터입니다.
• 용량이 전해캐패시터보다 작고, 가격이 저렴해서 다양한 제품, 다양한 역할로 사용됩니다.

3) 캐패시터의 기본 기능

• 교류는 통과하고 직류는 차단합니다. 캐패시터는 캐패시터에 입력되는 파형이 직류일 경우에 저항값이 무한대가 되면서 전류가 흐르지 못하도록 하지만 입력되는 파형이 주파수 성분을 갖는 교류파형이 입력이 되면 저항의 성질을 갖게 됩니다. 그래서 교류는 통과하고 직류는 차단한다고 표현합니다.
• 전하를 축적하여 일시적으로 전압을 유지하거나 적분을 하기도 한다. 이 말이 무슨 말인지 이해가 가시나요?  캐패시터에 전하가 가득 차면 캐패시터 자체가 배터리 역할을 하기도 합니다. 적분을 한다는 의미는 더한다는 의미로 캐패시터회로에 스위치를 하나 달거나 마이컴으로 on/off제어를 하면 캐패시터에 축적된 전하를 스위치를 통해 더 큰 캐패시터로 전하를 이동시키고 다시 캐패시터를 충전하고 다시 큰 캐패시터로 전하를 이동시키는 행위를 반복합니다. 이런 행위를 ‘적분한다’라고 표현하는 것입니다. 이걸 캐패시터가 Charge-Transfer한다라고 표현하기도 합니다. 이런 원리를 이용하여 터치 제품들이 설계됩니다. 상세한 설명은 추후 회로설계 카테고리에서 다시 한번 다뤄 보도록 하겠습니다.

4) 교류회로에서 캐패시터의 기본적 성질

4-1)전류의 위상

• 저항회로는 전압과 전류의 위상이 같습니다.

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• 캐패시터가 있는 회로는 전류의 위상이 전압의 위상에 대해서 π/2(90º) 빠릅니다.

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4-2)주파수에 따른 전류의 변화

• 저항회로는 주파수에 관계없이 전류값이 일정합니다.
• 캐패시터 회로는 주파수에 비례해서 주파수가 높아질수록 전류값도 커집니다.

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4-3)임피던스

• 저항회로는 주파수에 관계없이 전류값이 일정합니다.
• 공식은 다음과 같습니다.
  • 임피던스 Z = Xc = 1/ωc = 1/2πfc 입니다.
    • C를 전해용량이라고 하고 단위는[F, 패러드]라고 합니다.
    • 1F는 1쿨롱의 전하가 축적되었을때 1V의 전압이 발생하는 용량을 의미합니다.
    • Q=CV (Q는 전하)

이번 포스팅에서는 캐패시터에 대해서 알아보았습니다. 어떠신가요? 이해가 가시나요? 캐패시터는 회로설계에서 정말 자주 사용하는 소자입니다. 정전기를 보호해 주는 역할도 해주고 노이즈를 필터링해주는 역할도 해 줍니다. 어떻게 이런 역할을 하는지는 추후 회로설계 카테고리에서 별도로 다룰 예정입니다. 캐패시터는 정말 중요한 소자이기 때문에 위에 설명드린 내용은 반드시 이해하고 암기하셔야 합니다. 그럼 다음 포스팅에서 뵙겠습니다.