커패시터(콘덴서)의 이해

커패시터의 이해

 

커패시터(콘덴서)란 ?

커패시터는 전하(전기)를 충전하는 부품으로 극성을 갖는 두 금속판이 존재하며 그 사이가 유전체(절연체)로 분리되어 있는 것이 기본 형태이다. 커패시터는 극성이 없는 커패시터와 +, -극성이 존재하는 커패시터로 나누어진다. 극성이 있는 커패시터는 오른쪽의 휘어진 극성이 –이고 반대가 +이다.

[ 무극성 커패시터 ]                                                [ 극성 커패시터 ]

 

커패시터 양단에 전압이 걸리면 쿨롱의 법칙에 의해서 한 쪽 금속판에는 Q+ 전하가 저장되고 반대쪽 판에는 Q- 전하가 저장된다. 그렇게 충전과 방전을 반복하는 소자가 커패시터이다.

 

커패시터가 전하를 충전할 수 있는 능력을 정전용량 혹은 커패시턴스라고하며 기호는 C 이다.

단위는 페럿(Farad)[F]으로 전압을 가했을 때 충전되는 전하량의 비율을 나타내는 양이다. 보통 피코 페럿[pF]을 기본 단위로 사용하고 [nF], [uF]순서로 커지게 된다.

커패시터에 충전된 전하를 Q, 인가된 전압을 V라고 할 때, 1[F]의 정전용량을 갖는 커패시터에 1[V]의 전압을 인가했을 때 1C(쿨롬)의 전하를 두 금속판 사이에 충전할 수 있음을 의미한다.

 

따라서 정전용량(커패시턴스)가 클수록, 전압이 클수록 많은 양의 전하가 충전된다.

 

 

커패시터의 특성

커패시터의 직렬연결

커패시터를 직렬로 연결할 경우 합성 커패시턴스를 구하는 공식은 다음과 같다.

커패시터의 병렬연결

커패시터를 병렬로 연결할 경우 합성 커패시턴스를 구하는 공식은 다음과 같다.

 

커패시터의 전압과 전류

커패시터의 두 단자에 직류전압을 인가하면 과도전류가 흐르면서 전하가 충전되며 전압이 발생한다.

충전이 끝나고 안정화되면 더 이상 전류가 흐르지 않으며, 일정 전압을 유지하게 된다. 그렇게 안정화된 상태에서 전압을 인가를 중지하면 이전에 발생한 전위차만큼 전하를 방전한다.

커패시터의 전압 특성 곡선

직류전원을 사용한다면 전원을 인가하고 차단할 때에만 충전과 방전이 일어난다. 그러나 교류전원을 사용하게 된다면 순방향일 때는 충전, 역방향일 때는 방전을 계속 반복하게 된다.

따라서 커패시터에 안정적인 직류를 인가하면 충전된 이후 전류가 흐르지 않는다. 그리고 교류를 인가하면 전류가 흐르게 되며, 커패시터의 충전되는 전위차만큼만 방전되기 때문에 일정한 전압을 출력하는 특성이 있다.

 

커패시터의 내전압과 누설전류

커패시터에는 내전압이 존재한다. 이는 커패시터의 양단에 전압차가 생겼을 때 절연파괴가 일어나지 않는 전압을 말한다. 커패시터의 내전압이 16V이면 16V를 넘는 전압을 인가했을 때 절연파괴가 일어나서 커패시터의 특성을 읽어버리고 전류가 흐르게 된다.

 

커패시터가 충전된 상태일 때 양단 사이는 유전체로 채워졌기 때문에 전류가 거의 흐르지 않는다. 하지만 미세전류가 양단사이에 흐르는데 이를 누설전류라 한다. 누설전류는 유전체로 인한 손실, 절연저항 등의 여러 이유로 인해서 생긴다.

 

커패시터와 리액턴스(Xc)

커패시터의 용량인 커패시턴스(정전용량) 외에 커패시터의 저항 값인 용량성 리액턴스가 존재한다. 기호는 Xc이미 공식은 다음과 같다.

커패시터의 저항인 용량성 리액턴스는 주파수와 커패시턴스 값에 반비례하는 것을 알 수 있다.

 

 

 

커패시터의 활용

1. 시간지연 용도

커패시터가 충전되는 시간을 활용하여 시간을 지연시키는 용도로서 사용 할 수 있다.

2. 백업 용도

커패시터에 충전된 전기를 방전하여 부족해진 전압을 일시적으로 유지하는 용도로 사용 할 수 있다.

3. 커플링 용도

커패시터의 교류를 흐르게 하는 특성을 활용하여 직류와 교류 성분의 전원(신호)에서 교류만을 통과하게 한다. 이 때 입력과 출력 사이에 커패시터가 직렬로 연결된다.

 

 

4. 디커플링 용도

커패시터의 교류를 흐르게 하는 특성을 활용하여 교류 성분을 접지로 통과하게 한다. 이 때 입력과 출력 사이에 커패시터가 병렬로 접지와 연결된다.

커패시터의 종류

 

1. 알루미늄(전해)커패시터

알루미늄 전극 표면에 형성된 산화 피막을 유전체로 사용하는 커패시터이다. 용량이 크고 온도 특성, 주파수 특성이 나쁘다. 단자에는 전극이 있어 사용할 때는 주의가 필요하며, 커플링, 저주파 바이패스용 등으로 많이 사용된다.

2. 탄탈 커패시터

전극으로 탄탈을 이용한 전해 커패시터이다. 용량이 크고 온도 특성, 주파수 특성 모두 알루미늄 전해 콘덴서보다 뛰어나며 전해 커패시터보다 가격이 높은 반면 spike 형상의 전류가 나타나지 않는다. 단자에는 극성이 있어 사용할 때는 주의가 필요하며 커플링, 필터 회로 등에 널리 쓰인다.

3. 세라믹 커패시터

전극 사이의 유전체로 세라믹을 사용한 커패시터이다. 고주파 특성이 좋으므로 고주파 신호 성분의 바이패스 용도로 많이 사용된다.

4. 적층 세라믹 커패시터

유전체로 세라믹을 사용하되 적층구조로 되어있는 커패시터이다. 주파수 특성이 양호하여 바이패스용으로 흔히 사용되며 온도 특성도 양호하므로 온도변화를 꺼려하는 회로에도 사용된다.

5.필름 커패시터

폴리에스테르, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴카보네이드 등의 필름 양쪽에 전극을 끼워서 원통형으로 감아 넣은 커패시터이다. 무극성으로 절연저항이 높고 손실이 적으므로 아날로그 회로에서 많이 사용한다.

 

6. 마일러 커패시터(폴리에스테르 필름 커패시터)

얇은 폴리에스테르 필름에 양쪽에서 금속을 끼우고 원통형으로 감은 것입니다. 인덕턴스 성분이 많으므로 비교적 저주파 회로에 사용됩니다.

7. 마이카 커패시터

유전체로 마이카(운모)를 이용한 커패시터이다. 절연저항, 주파수 특성, 온도 특성이 좋고 용량 정밀도가 높고 비싸다.

 

 

 

 

 

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이미지 출처

(마일러 커패시터_이미지출처:https://www.flickr.com/photos/chonelectronics/15325604111/)

(필름 커패시터_이미지출처:https://www.flickr.com/photos/samcatchesides/3508708818/)

(적층 세라믹 커패시터_이미지출처:https://www.flickr.com/photos/thebiblioholic/46264851124/)